一种类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于无机/有机纳米材料制造领域，具体涉及一种类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料及其制备方法。

背景技术：

随着新型介孔材料的发现，纳米介孔材料以其独特的结构和理化性质成为了材料科学与生命科学领域研究的热点。纳米介孔材料因其具有可观的比表面积与孔体积，并且具有孔道排列均一、孔径可调等特点，在生物传感器、药物可控释放、生物诊疗剂等领域具有广泛的应用前景。

介孔纳米材料在生物传感器，尤其针对蛋白质捕集与酶的固定上多有应用，ma等人合成了大量的球形纳米介孔材料，以此探究了不同孔径和形貌对不同种类蛋白质的吸附效果的影响(acsappliedmaterials&chemistryb,2014,6,2431-2438)。近年来针对抗癌药物可控释放方面展开了大量的研究工作。已经发展出具备ph值控制药物释放、温度控制、氧化还原电势控制以及生物大分子响应等多种响应模式的介孔纳米材料。除此之外，在超声造影等诊疗手段上，介孔纳米材料也有广阔的应用前景。lin等将gd-si-dtta成功地修饰到传统的mcm-41型介孔sio2纳米粒子的孔道中，得到了高性能的mri-t1造影剂(gd-msns)(j.am.chem.soc,2008,7,2154-2155)。

类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料是一种具有特殊结构的纳米材料，除了具有介孔纳米材料较小的粒径分布，较高的比表面积、有序的介孔结构和均一的孔径等特点外，其类红细胞的外形结构赋予了纳米材料独特的生物效应。例如经过仿生修饰可以更加适应生物体液环境，可望延长材料在体内的循环时间。

近年来，类红细胞纳米材料的合成工艺、结构调控和应用研究已经得到了国内外的广泛关注。she等人以双面凹圆盘形氢氧化钙为模板合成了硅微胶囊并研究了其细胞吸收性质(journalofcolloidandinterfacescience,2014,426,124-130)。韩国的chulhopark等人采用带电有机聚合物液滴来研究具有花托结构的类红细胞纳米材料在不同溶剂和不同温度等条件下的变形机理(journalofcolloidandinterfacescience,2011,361,423-428)。nishitdoshi等人以plga为内核，通过层层自组装的方法将带电聚合物修饰到材料表面从而合成了具有柔软外表面的人工合成红细胞生物材料，并且通过实验发现该种材料对肝素能够进行有效地负载，同时体外实验证明负载肝素的材料可进行长达数天的释放过程(pnas.,2009,106,21495– 21499)。

然而，目前合成类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的途径主要是电子喷射工艺或者是模板工艺，电子喷射工艺要求控制喷射电压以及喷射速率等。模板工艺则结合了电子喷射工艺的基础上再运用层层自组装的方法，通过表面改性来达到塑造材料形状的目的。不论是哪种工艺，其合成工艺的复杂性和制备难度都是比较高的。从而限制了工业化生产和市场推广应用。针对这些问题，研发一种工艺简单、条件温和、形貌可控、分散性好和环境友好的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的制备方法具有重要的研究意义和推广价值。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料合成工艺繁琐，材料尺寸不均一和分散性差等问题，目的在于提供一种新型的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的简单可控制备方法以及由该方法制备的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。

一方面，本发明提供一种类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和直链烷烃混合后加入一定浓度氨水溶液，经乳化处理形成乳液；

2)将硅烷偶联剂溶于脂肪醇后加入步骤1)所得的乳液中，加热搅拌一定时间；

3)停止搅拌，静置陈化后分离出固形成分，去除所述固形成分中的表面活性剂后即得到类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。

本发明通过乳化和溶胶-凝胶两步骤实现了类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的制备，其中，直链烷烃在氨水溶液中由于阳离子表面活性和非离子表面活性剂的作用而发生乳化，此外表面活性剂自身也自发形成胶束。这些乳化液滴与胶束直径都在10nm以下的介孔尺寸范围。之后由于温度等周围环境作用，这些胶束和乳化液滴逐步团聚，随后加入的有机硅烷在这些聚集体周围发生溶胶-凝胶化反应，最终形成有机氧化硅纳米球。去除表面活性剂后即可得到介孔氧化硅纳米球。然而由于加入有机硅烷时，作为溶剂的乙醇也进入到乳液体系中，引发球状胶束流体化，导致部分表面活性剂呈渗透浓度梯度溶解。然而乙醇的用量微小加上有机硅烷本身键能较小、自身结构比较柔软，最终就形成了类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。本发明工艺简单可控、条件温和、环境友好，制得的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料形貌可控、分散性好。

较佳地，步骤1)中，所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、和十八烷基三甲基溴化铵中的至少一种；所述非离子 表面活性剂为十二烷基二甲基叔胺、十四烷基二甲基叔胺、十六烷基二甲基叔胺、和十八烷基二甲基叔胺中的至少一种；所述直链烷烃为庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、和正十一烷中的至少一种。

较佳地，步骤1)中，阳离子表面活性剂：直链烷烃：非离子表面活性剂的物质的量的比例为(0.05～1):(0.075～1.5):(0.05～1)。

较佳地，步骤1)中，所述氨水溶液配比为27wt％氨水溶液与水按体积比17:200，阳离子表面活性剂：氨水溶液的用量比为(0.05～1)mmol:37.5g，优选(0.1～0.2mmol):37.5g。

较佳地，步骤1)中，所述乳化处理包括：将混合溶液超声分散、超声粉碎、以及加热搅拌；其中，所述超声分散优选为于40℃～70℃超声2～5小时，所述超声粉碎的时间优选为大于0.5小时，所述加热搅拌优选为于40℃～60℃搅拌1～4小时。

较佳地，所述硅烷偶联剂为含有硅硅单键的甲氧基硅烷和/或含氮硅烷，优选为1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷和/或双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺，更优选1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷和双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺的混合偶联剂，其中1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷：双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺的用量体积比为1:0～0:1，优选1:1～4:1，更优选3:2～4:1。

较佳地，所述硅烷偶联剂的用量与所述阳离子表面活性剂或非离子表面活性剂的用量的比例为(0.5～2)ml:(0.5～3)mmol。

较佳地，硅烷偶联剂：脂肪醇的体积比为(0.1～1):2.3，所述脂肪醇为乙醇、甲醇、丙醇，优选为乙醇。

较佳地，步骤2)中，于40℃～60℃加热搅拌1～3小时。

较佳地，步骤3)中，用含盐有机溶剂萃取出表面活性剂以将其从所述固形成分中除去。

另一方面，本发明还提供由上述制备方法制备的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料，其特征在于，所述材料为类似红细胞的两面中央凹的圆饼状，具有空心结构，且其表面由含硅聚合物组成介孔孔道。

较佳地，所述材料的颗粒的粒径为20nm～500nm，优选80nm～150nm，更优选80nm～100nm；所述介孔孔道的孔径为2nm～10nm，优选3nm～4nm。

本发明的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料具有空心介孔结构，其表面为硅聚合物组成的纳米介孔结构，可实现药物、基因、蛋白质等客体物质的吸附包裹。同时，该纳米球具有的柔软外表面和类红细胞形状能够增强其对血管壁的穿透能力，其所具有的比表面 积，均一的孔径分布可应用于超声造影等。

附图说明

图1是实施例1的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像；

图2是实施例1的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的扫描电镜图像；

图3是实施例2的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像；

图4是实施例3的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像；

图5是实施例1的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的氮气吸附脱附曲线和相应的比表面积数据，说明材料具有较大的比表面积和纳米孔结构。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明介孔氧化硅纳米材料具有类红细胞形状，且具有空心结构，其表面为含硅聚合物组成的纳米介孔结构。该材料尺寸均一，分散良好，颗粒的粒径可为20nm-500nm，优选80nm-150nm，更优选80nm-100nm。表面具有纳米孔道，孔径约2nm-10nm，优选3nm-4nm。所述的含硅聚合物包括由含有硅硅单键的甲氧基硅烷或含氮硅烷聚合而成的产物。

本发明主要通过乳化和溶胶-凝胶两步骤来制备类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。在制备过程中，使用阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂以及直链烷烃为模板，以硅烷偶联剂为硅源，经溶胶-凝胶形成含有表面活性剂的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料，将其中的表面活性剂去除，即可得到类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。本发明条件温和、制备工艺简单易操作。合成过程中无须高温煅烧的使用。

以下，作为示例，具体说明本发明的制备方法。

首先，将阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和直链烷烃混合后加入一定浓度氨水溶液恒温超声溶解，形成乳液。

作为阳离子表面活性剂，优选为季铵类阳离子表面活性剂，包括但不限于十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的至少一种。

作为非离子表面活性剂，优选为叔胺类非离子表面活性剂，包括但不限于十二烷基二甲基叔胺、十四烷基二甲基叔胺、十六烷基二甲基叔胺、十八烷基二甲基叔胺中的至少一种。

作为直链烷烃，优选为含5-13个碳原子的直链烷烃，包括但不限于庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、正十一烷中的至少一种。

阳离子表面活性剂：直链烷烃：非离子表面活性剂的物质的量的比例可为0.05-1mmol:0.075-1.5mmol:0.05-1mmol，优选为1-3:2-5:1-3。

一定浓度氨水溶液可以是将氨水与水以一定比例混合而成。在一个示例中，氨水溶液的配比为27wt％氨水溶液34ml：去离子水400ml。

阳离子表面活性剂：氨水溶液的用量比可为0.05-1mmol:37.5g，优选0.1-0.2mmol:37.5g。

超声时的温度可为40℃-70℃，优选50℃-60℃。恒温超声时间可为2h-5h，优选3h。

形成乳液后，还可以进一步超声粉碎，再水浴加热搅拌。超声粉碎的功率比较大，可使颗粒粒径更加均一，乳液更加稳定，并且还可以缩短乳化时间。超声粉碎例如可在超声细胞粉碎机中进行。超声累计时间优选为大于0.5h。加热搅拌的温度可为40℃-60℃，优选50℃。搅拌时间可为1h-4h，优选3h。直链烷烃在氨水溶液中由于阳离子表面活性和非离子表面活性剂的作用而发生乳化，此外表面活性剂自身也自发形成胶束。这些乳化液滴与胶束直径都在10nm以下的介孔尺寸范围。之后由于温度等周围环境作用，这些胶束和乳化液滴逐步团聚形成模板。

然后，将有机硅烷偶联剂溶于脂肪醇后加入经上述处理后的乳液，继续水浴恒温搅拌。在该过程中，有机硅烷偶联剂聚合为含硅的聚合物。硅烷偶联剂与水分子发生水解，得到水解产物硅醇，之后水解产物之间、水解产物和硅烷之间发生缩合反应生成硅氧烷，逐步交联形成氧化硅网络。搅拌温度可为40℃-60℃，优选50℃。搅拌时间可为1-3h，优选1h。

作为有机硅烷偶联剂，优选为含有硅硅单键甲氧基硅烷和/或含氮硅烷，更优选为1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷和/或双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺，进一步优选1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷和双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺的混合偶联剂。1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷和双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺用量体积比可为1：0-0:1，优选1:1-4:1，更优选3:2。采用的两种硅烷偶联剂之间的比例对发明效果也有重要的影响。由于双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺是含氮硅烷，结构骨架较1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷更加坚硬。若是比例过大，则形成的含硅聚合物太过柔软，较易破坏类细胞结构从而不能形成立体规整结构；若比例过小，则含硅聚合物太过坚硬，以致球状结构不易被 破坏，也不能形成类细胞结构。所述脂肪醇包括但不限于乙醇、甲醇、丙醇，优选为乙醇。硅烷偶联剂：乙醇的体积比可为0.1-1ml:2.3ml，优选0.2ml:2.3ml。

有机硅烷偶联剂：表面活性剂(即阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂之和)的用量比可为0.5-2ml:0.5-3mmol，优选1ml:2mmol。

搅拌完毕后，恒温静置陈化12小时以上，优选为20小时。静置完毕后，将所得悬浮液离心分离，底部得到产物，去除表面活性剂后得到类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。作为去除表面活性剂的方法，可为用含盐有机溶剂萃取。该方法无需高温煅烧去除表面活性剂，条件温和。

本发明制得的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料因为具有硅羟基，因此可以在纳米球表面修饰硅烷偶联剂(包括但不限于含有氨基、巯基、苯环、双键和羧基的硅烷偶联剂等)，进一步实现与包括聚合物、蛋白质、其他功能性纳米颗粒、分散剂和生物涂层在内的多种材料的复合。

本发明的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料粒径可控制在100nm以下，同时材料生物安全性和相容性好。

上述结构特点使类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料适合应用于药物传输、疾病诊断、超声治疗、生物芯片和纳米反应器等多种领域。同时，本发明制备技术产量高，制备工艺简单易、可重复性强，因此适用于工业化大规模生产。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将十六烷基三甲基溴化铵(4×10^-4mol)和十六烷基二甲基叔胺(4×10^-4mol)以及癸烷(6×10^-4mol)加入到一定浓度的氢氧化铵水溶液中，其中十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基二甲基叔胺以及癸烷的物质的量比为2:3:2，恒温超声分散3h。然后，停止恒温超声，室温静置后将此溶液进行细胞超声粉碎处理，超声累计时间0.5h。之后，再将白色乳液放入50℃恒温水浴，转速700rpm剧烈搅拌3h。然后，将含有0.12ml1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷(btse)和0.08ml双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺(tspa，90％)的2.5ml乙醇溶液缓慢滴加进上述溶液。滴加完毕，继续搅拌1h。停止搅拌，恒温在50℃静置陈化 20h。陈化完毕，用20000rpm转速离心分离得到含有表面活性剂的固体产物。用含有1wt％nacl的甲醇溶液，超声0.5-1h萃取表面活性剂。萃取液用6000rpm的转速离心得到无表面活性剂的萃取产物，用甲醇清洗数次，即得到最终的类红细胞形状介孔氧化硅纳米材料。将其分散在去离子水中待用。

图1、图2示出实施例1的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像、扫描电镜图像，可以看出所得的产物类红细胞形状介孔氧化硅纳米材料的平均颗粒直径约为100nm，形貌均一性好。图5示出实施例1的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的氮气吸附脱附曲线和相应的比表面积数据，说明材料具有较大的比表面积和纳米孔结构。

对比实施例1

将十六烷基三甲基溴化铵(4×10^-4mol)和十六烷基二甲基叔胺(4×10^-4mol)以及癸烷(6×10^-4mol)加入到一定浓度的氢氧化铵水溶液中，其中十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基二甲基叔胺以及癸烷的物质的量比为2:3:2，恒温超声分散3h。然后，停止恒温超声，室温静置后将此溶液进行细胞超声粉碎处理，超声累计时间0.5h。之后，再将白色乳液放入50℃恒温水浴，转速700rpm剧烈搅拌3h。然后，将含有0.16ml1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷(btse)和0.04ml双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺(tspa,90％)的2.5ml乙醇溶液缓慢滴加进上述溶液。滴加完毕，继续搅拌1h。停止搅拌，恒温在50℃静置陈化20h。陈化完毕，用20000rpm转速离心分离得到含有表面活性剂的固体产物。用含有1wt％nacl的甲醇溶液，超声0.5-1h萃取表面活性剂。萃取液用6000rpm的转速离心得到无表面活性剂的萃取产物，用甲醇清洗数次，即得到最终的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。将其分散在去离子水中待用。

所得的产物类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的平均颗粒直径约为100nm，形貌均一性较差。

实施例2

将十六烷基三甲基溴化铵(4×10^-4mol)和十六烷基二甲基叔胺(4×10^-4mol)以及癸烷(6×10^-4mol)加入到一定浓度的氢氧化铵水溶液中，其中十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基二甲基叔胺以及癸烷的物质的量比为2:3:2，恒温超声分散3h。然后，停止恒温超声，室温静置后将此溶液进行细胞超声粉碎处理，超声累计时间0.5h。之后，再将白色乳液放入50℃恒温水浴，转速700rpm剧烈搅拌3h。然后，将含有0.2ml1,2-二(三乙氧基甲硅烷基)乙烷(btse)的2.5ml乙醇溶液缓慢滴加进上述溶液。滴加完毕，继续搅拌1h。停止搅拌，恒温在50℃静置陈化20h。陈化完毕，用20000rpm转速离心分离得到含有表面活性剂 的固体产物。用含有1wt％nacl的甲醇溶液，超声0.5-1h萃取表面活性剂。萃取液用6000rpm的转速离心得到无表面活性剂的萃取产物，用甲醇清洗数次，即得到最终的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。将其分散在去离子水中待用。

图3示出实施例2的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像，可以看出所得的产物类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的平均颗粒直径约为200nm，粒径均一性较差。

实施例3

将十六烷基三甲基溴化铵(4×10^-4mol)和十六烷基二甲基叔胺(4×10^-4mol)以及癸烷(6×10^-4mol)加入到一定浓度的氢氧化铵水溶液中，其中十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基二甲基叔胺以及癸烷的物质的量比为2:3:2，恒温超声分散3h。然后，停止恒温超声，室温静置后将此溶液进行细胞超声粉碎处理，超声累计时间0.5h。之后，再将白色乳液放入50℃恒温水浴，转速700rpm剧烈搅拌3h。然后，将含有0.2ml双[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]胺(tspa；sigma-aldrich,90％)的2.5ml乙醇溶液缓慢滴加进上述溶液。滴加完毕，继续搅拌1h。停止搅拌，恒温在50℃静置陈化20h。陈化完毕，用20000rpm转速离心分离得到含有表面活性剂的固体产物。用含有1wt％nacl的甲醇溶液，超声0.5-1h萃取表面活性剂。萃取液用6000rpm的转速离心得到无表面活性剂的萃取产物，用甲醇清洗数次，即得到最终的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料。将其分散在去离子水中待用。

图4示出实施例3的类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料的透射电镜图像，可以看出所得的产物类红细胞形状的介孔氧化硅纳米材料已无基本的形貌。