一种选择性功能化的方法及由此获得的参数可调和选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料与流程

本发明涉及多级孔氧化硅纳米材料，更具体地涉及一种选择性功能化的方法及由此获得的参数可调和选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料。

背景技术：

与传统的分子药物相比，纳米“药物”本身具有一些固有的优势，如肿瘤组织渗透性增强及滞留效应(EPR效应)，这为癌症的靶向治疗提供了新的方法和思路。目前，用于癌症治疗的纳米载体体系主要包括有机胶束体系、树状大分子、金属-有机骨架(MOF)以及无机纳米材料等(Curr.Opin.Colloid In.,2011,16,182-194；Curr.Opin.Drug Disc.,2007,10,756-767；Acc.Chem.Res.,2011,44,957-968；Adv.Drug Deliver.Rev.,2010,62,362-374)。在众多的纳米载体体系中，介孔氧化硅材料具有以下几方面优势：颗粒尺寸及形貌易调控；大孔容和高比表面积可提高载药量；进一步的功能化可实现靶向输送和缓释。此外，表面修改可实现精细的工程设计来避免不必要的生物相互作用并提高生物利用率和细胞摄入量，这将为实现特定的药代动力学释放曲线和靶向传输、提高生物利用率、增强疗效提供可能。为推动纳米技术走向临床标准，还需进一步了解介孔氧化硅材料在生物体内的行为以及进行大量的临床前试验。目前，国内复旦大学的赵东元教授(Chem.Rev.,2007,107,2821-2860)、中科院理化技术所的唐方琼教授(Adv.Mater.,2012,24,1504-1534)以及施剑林课题组(J.Mater.Chem.,2011,21,5845-5855)在介孔氧化硅材料的可控合成、药物输运以及生物安全性方面开展了一系列的研究工作，进一步表明了介孔氧化硅材料在药物缓/控释、药物靶向传输与治疗、基因传输与治疗等方面展现出巨大的应用前景。最近，第一种以硅为基础的用于疾病诊断方面的纳米颗粒“C-点”(康奈尔点)(J.Clin.Invest.,2011,121,2768-2780)已被美国食品与药物管理局(FDA)批准进行第一阶段人类临床试验，这表明在硅基纳米颗粒走向真正的临床应用阶段的历程中迈出了重要的一步。

如前所述，介孔氧化硅材料作为药物载体的一个主要优势是其高的载药量。到目前为止，大多数研究工作都集中于常规抗癌药如阿霉素(DOX)等的担载与输运，Lee等人将DOX担载的介孔纳米粒子传输至肿瘤部位，并于静脉注射后48小时后在体内肿瘤细胞密集区发现了DOX引发的荧光及细胞凋亡(J.Am.Chem.Soc.,2010,132,552-557)。Wang等人在Hep-A-22型肝癌中也证实了介孔氧化硅材料担载的DOX可提高疗效(J.Mater.Chem.,2011,21,5299-5306)。此外，Meng等人用PEG-PEI包覆颗粒尺寸为50nm的介孔氧化硅材料并成功担载DOX，经过静脉注射(50mg/kg，连续3周，一周一次)，也证实了治疗效果的提高(ACS Nano,2011,5,4131-4144)。与游离药物相比，纳米颗粒装载的方法可实现更高的肿瘤消退，更为重要的是，纳米颗粒装载DOX被证实可以减小全身、肝脏和肾脏的毒性。

从以上国内外的研究现状可以看出，尽管研究者们在介孔氧化硅材料作为药物载体方面开展了一系列的工作并取得较大的进展。但是，还没有对于多药物同时输运的介孔氧化硅载体材料的报道，这是因为，现有的介孔基药物载体材料往往只拥有单一的孔道结构，而这种单一的孔道结构通常只能担载一种药物分子，无法实现对多种药物分子的同时高效装载。因此，开发具有某些多级孔结构或功能的药物载体实现对不同性质如水溶/脂溶性药物的联合输运以提高对癌细胞的协同毒性效应，将对癌症治疗效果的提高和毒副作用的减少有着积极的作用。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的无法利用介孔氧化硅载体材料输运多种药物的问题，本发明旨在提供一种选择性功能化的方法及由此获得的参数可调和选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料。

本发明所述的对多级孔氧化硅纳米材料进行选择性功能化的方法，包括如下步骤：S1，将嵌段共聚物溶解于四氢呋喃中形成四氢呋喃溶液，将阳离子表面活性剂溶解于碱性水中形成水溶液，将正硅酸乙酯溶解于醇中形成醇溶液，将四氢呋喃溶液加入搅拌条件下的水溶液中后得到混合溶液，然后将混合溶液加入搅拌条件下的醇溶液中得到一系列结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料前驱体，其中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵或双十六烷基二甲基溴化铵；S2，将多级孔氧化硅纳米材料前驱体进行煅烧处理，得到一系列结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料，从中筛选得到无壳层的多级孔氧化硅纳米材料；S3，将无壳层的多级孔氧化硅纳米材料超声分散于N-甲基吡咯烷酮中得到第一多级孔氧化硅纳米材料，其中，该第一多级孔氧化硅纳米材料的骨架中不具有嵌段共聚物，且该第一多级孔氧化硅纳米材料的小孔孔道中具有阳离子表面活性剂；S4，将第一多级孔氧化硅纳米材料进行氨基功能化得到氨基化的第二多级孔氧化硅纳米材料，其中，该第二多级孔氧化硅纳米材料的大孔孔道被氨基化而具有疏水性，而小孔孔道由于阳离子表面活性剂的占据而保持亲水性；S5，将第二多级孔氧化硅纳米材料分散于乙醇-硝酸铵溶液中萃取得到选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料，其中，该选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料的骨架中不具有阳离子表面活性剂，且该选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料的小孔孔道中富含硅羟基。

本发明基于嵌段共聚物在阳离子表面活性剂的结构导向下，利用自组装工艺和溶胶-凝胶方法成功制备出结构可调的多级孔结构的氧化硅介孔材料。同时，本发明利用溶剂N-甲基吡咯烷酮对嵌段共聚物与阳离子表面活性剂间的非同时去除效应，使得小孔孔道在氨基功能化过程中得以保留，从而实现对大孔孔道的选择性氨基功能化，得到可用于同时装载亲/疏水性药物的无机纳米药物载体。

所述步骤S1具体为：将嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚丙烯酸溶解于四氢呋喃中形成四氢呋喃溶液，将阳离子表面活性剂溶解于水中加入氨水形成水溶液，将正硅酸乙酯溶解于乙醇中形成醇溶液，将四氢呋喃溶液加入搅拌条件下的水溶液中后静置得到混合溶液，然后将混合溶液加入搅拌条件下的醇溶液中静置、离心分离、洗涤干燥后得到一系列结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料前驱体。

所述步骤S1中的嵌段共聚物、阳离子表面活性剂和正硅酸乙酯的摩尔比为4.33×10^-6：1.36×10^-4-5.48×10^-4：1.44×10^-3。

所述步骤S2具体为：将多级孔氧化硅纳米材料前驱体于马弗炉中煅烧处理，煅烧温度为550℃，煅烧时间6-8h。

所述步骤S3具体为：将无壳层的多级孔氧化硅纳米材料超声分散于N-甲基吡咯烷酮中，搅拌后进行离心分离，重复操作数次后，洗涤干燥得到第一多级孔氧化硅纳米材料。该步骤利用N-甲基吡咯烷酮对嵌段共聚物与阳离子表面活性剂的非同时性去除效应

所述步骤S4具体为：将第一多级孔氧化硅纳米材料、氨丙基三乙氧基硅烷分散于甲苯中，于氮气保护条件、80℃下进行氨基功能化，洗涤干燥得到氨基化的第二多级孔氧化硅纳米材料。

所述步骤S5具体为：将第二多级孔氧化硅纳米材料分散于乙醇-硝酸铵溶液中，60℃下进行回流萃取得到选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料。

一种根据上述的方法所获得的结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料。

所述结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料的大孔孔径为10nm-16nm。

所述结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料的小孔孔径为1.7nm-2.5nm。

所述结构和/或孔径参数可调的多级孔氧化硅纳米材料的壳层厚度为0-20nm。

一种根据上述的方法所获得的选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料。

所述选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料具有氨基功能化的大孔孔道与硅羟基富含的小孔孔道。

根据本发明的对多级孔氧化硅纳米材料进行选择性功能化的方法，通过步骤S1中的阳离子表面活性剂的用量的选择，可以在0-20nm的范围内调节多级孔氧化硅纳米材料的壳层厚度，在10～16nm的范围内调节多级孔氧化硅纳米材料的大孔孔径；通过步骤S1中的阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵或双十六烷基二甲基溴化铵)的种类的选择，可以在1.7-2.5nm的范围内调节多级孔氧化硅纳米材料的小孔孔径。根据本发明的方法所获得的选择性功能化的多级孔氧化硅纳米材料，仅对大孔孔道进行选择性氨基功能化修饰，而小孔孔道则被保护下来，从而形成具有氨基功能化的大孔、亲水性小孔的多级孔氧化硅纳米材料，为亲/疏水药物在无机纳米载体体系内的同时装载提供了一种新的方法和途径，即利用具有氨基功能化的大孔孔道担载疏水性药物，同时利用亲水性的硅羟基富含的小孔孔道用于担载亲水性药物，在生物医药领域展现出良好的应用前景。而且，本发明的对多级孔氧化硅纳米材料进行选择性功能化的方法，制备工艺简单，且重复性好。

附图说明

图1是本发明所提供的对多级孔氧化硅纳米材料进行选择性功能化的方法的工艺流程图；

图2A是实施例1制备的HPSNs-CTAB₅₀的透射电镜图像；

图2B是实施例2制备的HPSNs-CTAB₁₀₀的透射电镜图像；

图2C是实施例3制备的HPSNs-CTAB₂₀₀的透射电镜图像；

图3A是实施例1-实施例3制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图；

图3B是实施例1-实施例3制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图；

图4A是实施例4中利用STAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图；

图4B是实施例4中利用STAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图；

图4C是实施例4中利用DDAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图；

图4D是实施例4中利用DDAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图；

图5是实施例5制备的多级孔氧化硅纳米材料前驱体于NMP中分散不同次数后的傅里叶共振-红外图谱；

图6是实施例5-实施例7制备的多级孔氧化硅纳米材料的傅里叶共振-红外图谱；

图7A是实施例5-实施例7制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图；

图7B是实施例5-实施例7制备的多级孔氧化硅纳米材料的其孔径分布图；

图8是实施例7制备的选择性功能化多级孔氧化硅纳米材料的亲/疏水药物装载量图(疏水性药物姜黄素Cur及亲水性药物盐酸阿霉素DOX)；

图9是实施例7制备的选择性功能化多级孔氧化硅纳米材料的对人体肝癌细胞SMMC-7721的细胞毒性图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例1

在室温条件下，

a.将摩尔量为4.33×10^-6的嵌段共聚物PS₁₀₀-b-PAA₁₆溶解于10mL四氢呋喃中；

b.将摩尔量为1.36×10^-4的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，阳离子表面活性剂)溶解于40mL水中，待混合均匀后，加入0.5mL氨水；

c.将摩尔量为1.44×10^-3的正硅酸乙酯溶解于80mL乙醇中；

将a所得溶液于搅拌条件下倾倒至b溶液中，静置10～15s后，将所得混合液继续倾倒至c溶液中，室温下静置18h。离心分离、洗涤干燥后得到多级孔氧化硅纳米材料前驱体(HPSNs-as)；随后，将HPSNs-as于550℃下煅烧6～8h，得到壳厚为20nm的多级孔氧化硅纳米材料(HPSNs-CTAB₅₀)。

实施例2

实施方法以及基本配方与实施例1相同，只改变CTAB摩尔量为2.74×10^-4，得到壳厚为8nm的多级孔氧化硅纳米材料(HPSNs-CTAB₁₀₀)。

实施例3

实施方法以及基本配方与实施例1相同，只改变CTAB摩尔量为5.48×10^-4，得到无壳层的多级孔氧化硅纳米材料(HPSNs-CTAB₂₀₀)。

图2A为实施例1的HPSNs-CTAB₅₀的透射电镜图像，图2B为实施例2的HPSNs-CTAB₁₀₀的透射电镜图像，图2C为实施例3的HPSNs-CTAB₂₀₀的透射电镜图像。显然，所得多级孔氧化硅纳米材料在壳层厚度上表现出明显的连续变化。图3A是实施例1-实施例3制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图，图3B是实施例1-实施例3制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图。结果表明，根据本发明的方法制备的多级孔氧化硅纳米材料的大孔孔径可在10-16nm范围连续可调。

实施例4

实施方法以及基本配方与实施例2相同，只是将阳离子表面活性剂由CTAB替换为十八烷基三甲基溴化铵(STAB)或双十六烷基二甲基溴化铵(DDAB)，得到小孔孔径可调的多级孔氧化硅纳米材料(HPSNs-STAB)或(HPSNs-DDAB)。

图4A是实施例4中利用STAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图，图4B是实施例4中利用STAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图，图4C是实施例4中利用DDAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图，图4D是实施例4中利用DDAB制备的多级孔氧化硅纳米材料的孔径分布图。结果显示，与HPSNs-CTAB₁₀₀相比，STAB的使用使得小孔孔道尺寸被提高至2.2nm，DDAB的使用则使得小孔孔道尺寸被提高至2.5nm。

下表1中给出了各HPSNs样品的孔结构参数。

表1

实施例5

将实施例3中，于CTAB摩尔量为5.48×10^-4条件下所得HPSNs-as超声分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌15min后进行离心分离。重复该操作数次，经洗涤干燥后，得到去除嵌段共聚物、阳离子表面活性剂有不同程度保留的多级孔氧化硅纳米材料(HPSNs-1^st)。

图5为实施例5中各多级孔氧化硅纳米材料前驱体的傅里叶变换红外光谱图，分别为未分散样品(HPSNs-as)、分散两次样品(HPSNs-2times)及分散五次样品(HPSNs-5times)。为了便于观察，分别将各曲线进行了不同程度的纵向移动，因此透光率不作为参考。相比于HPSNs-as样品，HPSNs-2times样品在1720cm^-1与699cm^-1处的红外峰明显减弱，表明NMP对嵌段共聚物有着良好的去除作用，此时，2800-3000cm^-1处的振动峰仍明显存在，表明阳离子表面活性剂CTAB仍存在与材料骨架之中。与之不同，HPSNs-5times样品不仅未体现出在1720cm^-1与699cm^-1处的红外峰，且2800-3000cm^-1处的振动峰也消失，表明NMP对嵌段共聚物与阳离子表面活性剂均具有去除作用，且嵌段共聚物优先被去除。其中，符合后续需求的、经NMP分散两次的样品HPSNs-2times即HPSNs-1^st。

实施例6

将实施例5中所得样品HPSNs-1^st 60mg、氨丙基三乙氧基硅烷50μL分散于30mL甲苯中，于氮气保护条件、80℃下进行氨基功能化，经洗涤干燥后，得到具有氨基化大孔、小孔内仍含有CTAB的多级孔氧化硅纳米材料(HSPNs-2^nd)。

实施例7

将实施例6中所得样品HPSNs-2^nd 60mg分散于120mL乙醇-硝酸铵溶液中(硝酸铵浓度为6g/L)，60℃下进行回流，以去除仍存在于材料骨架当中的CTAB，经洗涤干燥后，得到具有氨基化大孔、硅羟基富含的小孔的多级孔氧化硅纳米材料(HSPNs-3^rd,即NH₂-HPSNs)。

图6为实施例5-实施例7中各样品的傅里叶变换红外光谱图，为了便于观察，分别将各曲线进行了不同程度的纵向移动，因此透光率不作为参考。其中，对HPSNs-1^st样品的描述已在实施例5中进行了相关分析。经氨基功能化后，相比于HPSNs-1^st样品，HPSNs-2^nd样品在1550cm^-1处表现出明显的红外振动峰，即氨基基团被成功嫁接于氧化硅材料中。经萃取步骤后，CTAB被完全去除，这表现为HPSNs-3^rd样品2800-3000cm^-1处红外振动峰的消失。

图7A是实施例5-实施例7制备的多级孔氧化硅纳米材料的氮气吸附图，图7B是实施例5-实施例7制备的多级孔氧化硅纳米材料的其孔径分布图。显然，整个流程中小孔孔道由存在至消失，至再次出现，很好地说明了嵌段共聚物在NMP分散步骤中被优先去除，而CTAB则被保留下来，这部分CTAB可以在氨基功能化过程中对其所占据的小孔孔道起到保护作用。当CTAB在萃取步骤中被去除后，这部分小孔孔道便重新体现出来，形成大孔孔道被选择性功能化修饰、小孔孔道则仍保持亲水特性的多级孔氧化硅纳米材料。此外，结合图5相关分析，图7所示相关现象再次证明了NMP对嵌段共聚物与阳离子表面活性剂的非同时去除效应。

实施例7所制备的选择性功能化多级孔氧化硅纳米材料的亲/疏水药物装载量图像见图8。实施例7所制备的亲/疏水药物共担载的选择性功能化多级孔氧化硅纳米材料对人体肝癌细胞SMMC-7721的细胞毒性图见图9。对疏水姜黄素/亲水盐酸阿霉素的药物装载实验表明，本发明的NH₂-HPSNs对疏水性药物姜黄素的装载量达到93.1mg/g，同时对亲水性药物盐酸阿霉素的装载量达到217.3mg/g，即实现亲/疏水药物的同时装载。细胞实验表明，本发明的NH₂-HPSNs在担载亲/疏水药物后，对人体肝癌细胞SMMC-7721表现出一定的药物协同杀伤能力。

下表2中给出了选择性功能化过程中所得各样品的孔结构参数。

表2

本发明按照合适的配方，通过嵌段共聚物在阳离子表面活性剂作用下的自组装作用得到了一系列结构和/或孔径可调的多级孔氧化硅纳米材料。其中，在阳离子表面活性剂的用量或种类改变下，可使得产品结构壳层厚度、大/小孔孔径连续可调；此外，基于N-甲基吡咯烷酮对嵌段共聚物与阳离子表面活性剂的非同时去除效应，开发了一种对上述多级孔氧化硅纳米材料进行选择性功能化修饰的方法，为亲/疏水药物在纳米体系中的同时担载提供了新的方法和思路。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。