多功能大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料及其制备方法

1.本发明涉及一种多功能复合纳米颗粒材料制备方法，尤其是涉及一种多功能大孔径介孔核壳状复合纳米颗粒材料及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着纳米技术在生物医药、疾病诊疗等领域的发展与应用，集多种功能于一体的多孔核壳状复合纳米颗粒材料受到研究人员的广泛关注。通过在功能型纳米颗粒的表面包裹多孔的二氧化硅壳层，可以获得多功能型的多孔复合纳米颗粒材料。
3.目前所报道的大部分核壳状的多功能复合纳米颗粒材料均是直接在功能型纳米颗粒的表面包裹多孔层，使得功能型纳米颗粒与空气中的氧气直接接触，容易发生材料的氧化。
4.此外，二氧化硅多孔壳层的存在会在一定程度上影响功能型纳米颗粒的性能。最后，大部分二氧化硅多孔壳层均为介孔硅层，孔隙直径较小，不利于生物大分子药物的装载。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种多功能大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料及其制备方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一、一种多功能大孔径介孔核壳状复合纳米颗粒材料：
8.主要由从内到外的功能型纳米颗粒层、无定形二氧化硅壳层和大孔径介孔二氧化硅壳层构成。
9.所述的功能型纳米颗粒采用四氧化三铁纳米颗粒、上转换纳米颗粒或者单质铋纳米颗粒等。【所述的功能型纳米颗粒尺寸均一，且能够良好分散于有机溶剂中。
10.【所述的无定形二氧化硅壳层和大孔径介孔二氧化硅壳层均采用二氧化硅。
11.二、一种多功能大孔径介孔核壳状复合纳米颗粒材料的制备方法，方法包括以下步骤：
12.1)通过高温热分解法制备获得功能型纳米颗粒nps作为内核；
13.2)通过溶胶-凝胶反应在功能型纳米颗粒表面包裹上无定形二氧化硅，形成无定形二氧化硅壳层，制备获得表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒nps@sio2；
14.3)【针对表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒nps@sio2加入表面活性剂-扩孔剂，通过超声对表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒nps@sio2在含有表面活性剂-扩孔剂的乳液中聚集团簇处理形成团簇颗粒，然后加入前驱体和碱性溶液，使得在团簇颗粒的表面二氧化硅沿表面活性剂-扩孔剂的聚集体生长形成大孔径介孔二氧化硅壳层，制备获得多孔能大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料。
15.所述无定形二氧化硅壳层的厚度为2～100nm；所述大孔径介孔二氧化硅壳层的厚
度为5～100nm，介孔孔径为2～50nm。
16.【所述多功能大孔径介孔核壳状复合纳米颗粒材料的比表面积为50～1500m2/g，孔隙尺寸为2～50nm。
17.【本发明的复合纳米颗粒材料中，从内到外分别分为功能型纳米颗粒、无定形二氧化硅壳层、大孔径介孔二氧化硅壳层的内、中、外三层。通过无定形二氧化硅壳层将功能型纳米颗粒与大孔径介孔硅壳层隔离开，有效避免纳米颗粒与空气中氧气的直接接触，避免纳米颗粒的氧化。
18.所述的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵(ctac)、十六烷基三甲基溴化铵等表面活性剂(ctab)，所述的扩孔剂为均三甲苯(tmb)等有机物；
19.所述二氧化硅壳的的前驱体选自正硅酸四乙酯(teos)、正硅酸四甲酯中的一种，所述的碱性溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、浓氨水、l-精氨酸溶液中的一种。
20.若所述的功能型纳米颗粒采用四氧化三铁纳米颗粒，所述步骤1)具体为：
21.1.1)将油酸铁、1-十八烯、油酸、油胺的混合物在氮气环境下加热至高温反应，并在该温度下保温一段时间；
22.1.2)收集反应产物，并加入乙醇沉降纳米颗粒，通过离心收集沉淀；
23.1.3)使用正己烷将沉淀重新悬起，并加入乙醇再次沉降，通过离心收集沉淀；
24.1.4)重复步骤1.3)两次，最后加入环己烷将沉淀重悬，得到fe3o4纳米颗粒的分散溶液；
25.若所述的功能型纳米颗粒采用上转换纳米颗粒，所述步骤1)具体为：
26.1.1)使用甲醇配置以下四种溶液：1m的ycl3、1m的ybcl3、0.1m的ercl3、1m的gdcl3；
27.1.2)将油酸、1-十八烯溶液混合后加热至70℃形成初始的反应溶液；
28.1.3)将ycl3、ybcl3、ercl3、gdcl3溶液加入初始的反应溶液中，将反应溶液升温至110℃并保温30min；
29.1.4)再将反应溶液加热至150℃并保温30min得到澄清均一的反应溶液；
30.1.5)将naoh、nh4f溶解在甲醇溶液中；
31.1.6)将澄清均一的反应溶液冷却至65℃，并将步骤1.5)所配置的甲醇溶液逐滴加入其中；
32.1.7)将反应溶液加热至110℃，保温20min；
33.1.8)将反应溶液连接冷凝管与双排管，使得之后的处理在氮气环境下进行；
34.1.9)将反应溶液升温至300℃，保温1.5h；
35.1.10)最后将反应溶液冷却至常温后收集反应产物，并加入丙酮沉降纳米颗粒，再在12000rpm下离心10min收集沉淀；
36.1.11)加入20ml环己烷将沉淀重悬，得到上转换纳米颗粒溶液。
37.所述步骤2)具体为：
38.2.1)在环己烷中加入功能型纳米颗粒的溶液、聚(氧乙烯)壬基苯基醚igepal co-520通过超声以及搅拌混合均匀，形成反应溶液；
39.2.2)向反应溶液中逐滴加入氨水，搅拌后逐滴加入四乙氧基硅烷反应；
40.2.3)在反应【24h-48小时或者更长后，向反应溶液中加入乙醇及丙酮使得纳米颗粒发生聚集沉降；
41.2.4)过离心收集沉淀，使用乙醇多次洗涤后，加入去离子水重悬沉淀，得到表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒。
42.所述步骤3)具体为：
43.3.1)在溶液中加入表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒、十六烷基三甲基氯化铵ctac、均三甲苯，超声处理【30min；
44.3.2)将超声处理后的溶液磁力搅拌，逐滴加入碱性溶液、前驱体，于45℃下反应48h；
45.3.3)反应后通过离心收集沉淀，多次洗涤后重悬于nh4no3乙醇溶液中，加热回流【12h-48h或更长以去除十六烷基三甲基氯化铵ctac，最终得到复合纳米颗粒材料。
46.所述步骤3)中，通过nps@sio2的加入量调整控制团簇的尺寸大小。【nps@sio2的加入量越高，团簇的尺寸就越大。如果nps@sio2的加入量较低，则会形成单核纳米复合颗粒。
47.本发明的制备方法具体为首先通过高温热分解法制备功能型纳米颗粒内核(nps)。然后通过溶胶-凝胶反应，在纳米颗粒的表面包裹一层无定形二氧化硅(np@sio2)。最后，将np@sio2纳米颗粒分散至含有表面活性剂以及扩孔剂的水溶液中。通过超声处理，使得np@sio2在乳液中聚集为团簇，在团簇颗粒的表面二氧化硅沿表面活性剂-扩孔剂的聚集体生长，以表面活性剂-扩孔剂为模板，在前驱体和碱性溶液作用下生长，从而形成大孔径的介孔二氧化硅壳层。通过硝酸铵溶液回流去除颗粒孔隙中的表面活性剂-扩孔剂聚集体，得到所述的大孔径介孔核壳状复合纳米颗粒材料。
48.本发明制备获得的核壳状复合纳米颗粒材料主要分为三层：内核为功能型纳米颗粒，例如：超顺磁性四氧化三铁纳米颗粒、上转换纳米颗粒、单质铋纳米颗粒等；中间层为无定形二氧化硅层，其作用是将疏水性的功能纳米颗粒转为亲水性，同时避免其与空气中的氧气接触，防止其发生氧化；外层为大孔径介孔二氧化硅层，其作用为增加材料的比表面积与孔隙率，使得材料能够有效负载大分子药物。
49.本发明的有益效果是：
50.本发明创新性采用三步法，利用无定形二氧化硅层将功能型纳米颗粒与多孔层隔离开，有效解决了功能型纳米颗粒容易发生氧化的问题。此外，通过将功能型纳米颗粒聚集为团簇的方式来降低多孔二氧化硅层的质量比，有效保证了功能型纳米颗粒内核的性能。最后，通过加入三甲苯等有机物作为扩孔剂，与传统的表面活性剂相结合，形成表面活性剂-扩孔剂聚集体。在此基础上进行多孔硅的生长，可以获得孔隙直径远大于传统介孔的大孔径介孔二氧化硅壳层。
51.本发明提供的一种多功能大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料，不同于之前所报道的材料，它创新性的采用内、中、外三层的结构的设计，使得该材料同时具有内核的功能性，中间层的保护性，以及外壳层的多孔性。
52.且纳米材料的制备方法具有原材料容易获得、制备过程简单迅速、适合大批量制备的特点，通过该制备方法获得的多功能大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料具有高比表面积、大孔径尺寸以及多功能性，在药物运载、靶向诊疗等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
53.图1为实施例1提供的超顺磁性fe3o4纳米颗粒的透射电镜图；
54.图2为实施例1提供的表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒透射电镜图；
55.图3为实施例1提供的超顺磁性大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料的透射电镜图；
56.图4为实施例1提供的超顺磁性大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料的氮气吸附图；
57.图5为实施例1提供的超顺磁性大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料的孔径分布图；
58.图6为实施例1提供的超顺磁性大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料的磁滞回线图。
具体实施方式
59.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
60.本发明的实施例如下：
61.实施例1
62.本实施例提供一种超顺磁性大孔径介孔核壳复合纳米材料。
63.1)制备超顺磁性fe3o4纳米颗粒
64.1.1)将1g油酸铁、7ml 1-十八烯、75μl油酸、175μl油胺的混合物在氮气环境下缓慢加热至320℃反应，并在该温度下保温1h；
65.1.2)收集反应产物，并加入乙醇沉降纳米颗粒，在12000rpm下离心10min再收集沉淀；
66.1.3)使用正己烷将沉淀重新悬起，并加入乙醇再次沉降，在12000rpm下离心10min收集沉淀；
67.1.4)重复步骤1.3)两次，最后加入10ml环己烷将沉淀重悬，得到fe3o4纳米颗粒的分散溶液。tem图证明所得fe3o4纳米颗粒的尺寸大小均一，见图1。
68.2)制备表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒fe3o4@sio269.2.1)在24ml环己烷中加入1ml fe3o4纳米颗粒的分散溶液、1.5ml聚(氧乙烯)壬基苯基醚igepal co-520通过超声以及搅拌混合均匀，形成反应溶液；
70.2.2)向反应溶液中逐滴加入212μl的氨水，搅拌30min后逐滴加入80μl四乙氧基硅烷反应；
71.2.3)在反应24h后，向反应溶液中加入乙醇及丙酮沉降纳米颗粒；
72.2.4)过离心收集沉淀，使用乙醇多次洗涤后，加入60ml去离子水重悬沉淀，得到表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒。tem图像证明所得纳米颗粒具有
73.3)制备复合纳米颗粒
74.3.1)在2.4)所得的60ml含有表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒的溶液中加入240mg十六烷基三甲基氯化铵(ctac)、600μl均三甲苯，超声处理30min；
75.3.2)将48mg l-精氨酸溶解于1ml去离子水中配置精氨酸溶液；
76.3.3)将超声处理后的溶液磁力搅拌，逐滴加入1ml精氨酸溶液、80μlteos，于45℃下反应48h；
77.3.4)反应后通过离心收集沉淀，多次洗涤后重悬于nh4no3乙醇溶液中，加热回流12h以去除十六烷基三甲基氯化铵(ctac)，最终得到超顺磁性fe3o4@sio2大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料。tem图像证明所得纳米具有团簇状的内核，以及大孔径介孔二氧化硅外壳的核壳状复合结构，见图3。氮气吸脱附曲线(图4)以及孔径分布图(图5)证明单质铋@金属有机框架材料的多孔性能。通过振动样品磁强计对fe3o4@sio2大孔径介孔核壳复合纳米颗
粒材料进行磁学性能表征，证明纳米颗粒具备超顺磁特性，如图6。
78.实施例2
79.本实施例提供一种上转换纳米颗粒@sio2大孔径介孔核壳复合纳米材料。
80.1)制备上转换纳米颗粒
81.1.1)使用甲醇配置以下四种溶液：ycl3(1m)、ybcl3(1m)、ercl3(0.1m)、gdcl3(1m)；
82.1.2)将6ml油酸及15ml1-十八烯溶液加热至70℃形成初始的反应溶液；
83.1.3)将500μl ycl3、180μl ybcl3、200μl ercl3、300μl gdcl3溶液加入初始的反应溶液中，将反应溶液升温至110℃并保温30min以挥发甲醇与水；
84.1.4)再将反应溶液加热至150℃并保温30min得到澄清均一的反应溶液；
85.1.5)将0.1g naoh、0.148g nh4f溶解在5ml甲醇溶液中。
86.1.6)将澄清均一的反应溶液冷却至65℃，并将步骤1.5)所配置的5ml甲醇溶液逐滴加入其中。
87.1.7)将反应溶液加热至110℃，保温20min以挥发甲醇。
88.1.8)将反应溶液连接冷凝管与双排管，保证之后的反应在氮气环境下进行。
89.1.9)将反应溶液缓慢升温至300℃，保温1.5h。
90.1.10)当反应溶液冷却至室温后，收集反应产物，并加入丙酮沉降纳米颗粒，再在12000rpm下离心10min收集沉淀；
91.1.11)加入20ml环己烷将沉淀重悬，得到上转换纳米颗粒溶液；
92.2)制备表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒nps@sio293.2.1)在24ml环己烷中加入1ml上转换纳米颗粒溶液、1.5ml igepal co-520通过超声以及搅拌混合均匀，形成反应溶液；
94.2.2)向反应溶液中逐滴加入212μl的氨水，搅拌30min后逐滴加入80μl四乙氧基硅烷；
95.2.3)在反应24h后，向反应溶液中加入乙醇及丙酮沉降纳米颗粒；
96.2.4)通过离心收集沉淀，使用乙醇多次洗涤后，加入60ml去离子水重悬沉淀，获得表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒。
97.3)制备复合纳米颗粒
98.3.1)在2.4)所得的60ml含有表面包裹无定形二氧化硅的核壳状纳米颗粒的溶液中加入240mg ctac、600μl均三甲苯，超声处理30min；
99.3.2)将48mg l-精氨酸溶解于1ml去离子水中配置成精氨酸溶液；
100.3.3)将超声处理后的溶液磁力搅拌，逐滴加入1ml精氨酸溶液、80μlteos，于45℃下反应48h；
101.3.4)反应后通过离心收集沉淀，多次洗涤后重悬于nh4no3乙醇溶液中，加热回流12h以去除十六烷基三甲基氯化铵(ctac)，最终得到上转换纳米颗粒@sio2大孔径介孔核壳复合纳米颗粒材料。