一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法与流程

本发明涉及一种介孔碳纳米球的制备方法，特别是一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法。
背景技术：
：专利(cn106744805b)以壳聚糖为碳氮源，f127和正硅酸乙酯为共模板,通过溶胶凝胶法可制备得到原位氮掺杂的超大孔径(17-26nm)介孔碳材料，该专利方法满足了介孔碳材料制备过程环境友好、生物医用材料无有害残余的要求，在生物医药领域具有极大的应用潜力。但其不足之处表现在，所得材料粒径为微米级，不能有效穿透细胞膜。另一方面，由于抗癌活性药物的分子动力学通常在1-2nm，过大的孔径对抗癌药物分子的吸附效率极低。再者，其亲水性较差。这极大制约其在抗癌药物负载和缓释方面的应用。因此，如何降低壳聚糖基介孔碳孔径及粒径尺寸，增加其亲水性，使其能高效负载和缓释抗癌药物，具有重要的现实意义。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法。本发明的方法具有能够制备出孔径和粒径较小的介孔碳的特点；得到的介孔碳能够有效穿透细胞膜，且具有高效负载和缓释抗癌药物的功能。本发明的技术方案：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液，得溶液a；(2)将三嵌段共聚物f127溶于乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和hcl溶液水解，得溶液b；(3)将溶液b与溶液a混合，搅拌，静置，采用喷雾干燥器进行干燥，得到粉末料；(4)将步骤(3)制得的粉末料放入管式炉中，在氮气保护下，380-440℃保温,再升温至880-920℃焙烧，得碳硅复合材料；(5)碳步骤(4)制得的硅复合材料用naoh水溶液除硅，最后用去离子水洗至中性，干燥后得到介孔碳材料。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(1)中，所述醋酸水溶液的体积分数为3-7％；所述壳聚糖是在35-45℃条件下溶于醋酸水溶液；所述溶液a中壳聚糖的浓度为2.1％。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(2)中，每50ml所乙醇溶液中溶解2-2.5g三嵌段共聚物f127；三嵌段共聚物f127与正硅酸乙酯中的sio2的质量比为1:1.5-2.5；所述hcl溶液的浓度为0.2m，乙醇溶液与hcl溶液的体积比为3-5:1。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(2)中，所述三嵌段共聚物f127是在35-45℃条件下溶于乙醇溶液；所述水解的时间为5-15min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(3)中，溶液b与溶液a混合时，以溶液b中溶解的三嵌段共聚物f127与溶液a中溶解的壳聚糖的质量比为1-3:10进行混合；所述搅拌时间为40-80min，搅拌后静置40-80min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(3)中，所述喷雾干燥器进行干燥时，进行温度为160-180℃，进料流量为3-4ml/min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(4)中，所述氮气保护时，氮气流量为180-220cm3/h。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(4)中，所述粉末料放入管式炉后，是以2-3℃/min的速度升温至380-440℃保温1-3h，然后再以4-6℃/min的速度升温至880-920℃焙烧1-3h。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(5)中，所述naoh水溶液的浓度为1m；脱硅时，naoh水溶液的温度为80-90℃。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(5)中，所述干燥温度为90-110℃，干燥时间4-8h。本发明的有益效果本发明以壳聚糖为碳氮源，采用喷雾干燥和碳化技术，一步法制得原位氮掺杂的介孔碳球。其优点为介孔碳球粒径在250-800nm，粒径小，能够有效穿过细胞膜；且介孔孔径分布较窄(在3nm左右)，具有较好的亲水性，且其亲水性随表面n含量的增加逐渐增大，作为载体负载难溶性抗肿瘤药物羟基喜树碱(hcpt)，吸附符合langmuir模型，药物的饱和吸附量高，在药物释放过程中，可显著提高溶出度，具有高效负载和缓释抗癌药物的优点。附图说明附图1为实施例1-4制得的介孔碳的氮气等温吸附线；附图2为实施例1-4制得的介孔碳的孔径分布图；附图3为实施例1制得的介孔碳的透射电镜图；附图4为实施例1制得的介孔碳的元素分析图；其中a为sem图，b、c和d依次是对c、o和n作出元素映射；附图5为实施例1-4制得的介孔碳的亲水性测试；其中a-e对应实施例2，f-j对应实施例3，k-o对应实施例1，p-t对应实施例4；附图6为实施例1-4制得的介孔碳在ph＝7.4pbs溶液条件下hcp从nmcs中的溶出率。由图1可见，在相对压力p/p0≥0.4后，四个样品的n2吸附等温线都有滞后回环，说明这些材料均含有中孔，为典型的介孔碳材料，其中nmcs-7/3的滞后回环最大。由图2孔径分布图可见，四个样品的孔径分布较窄，主要集中在2.01-3.65nm左右，为抗癌药物羟基喜树碱(hcpt)动力学直径的1.75-3.2倍。近藤静一指出，孔径过小，吸附质向孔内扩散的速度就越慢；孔径过大，吸附质和固体表面的吸附作用势变小，吸附质不能被很好地吸附在固体表面，孔径为吸附质分子动力学直径的1.5-3倍，吸附性能是最好的。因此，本发明制备的介孔碳孔径有利于对hcpt的吸附。由图3a,b可见，所制备介孔碳的孔道清晰，为典型的蠕虫状结构。图3c,d指出所制备的碳材料为球形结构，其直径约250-800nm，正好处于药物输送最适宜的尺寸范围100-1000nm。由于其尺寸较小，因此当其负载抗肿瘤药物后可通过一般的内吞途径进入大多数细胞，进而发挥一些独特的治疗学功能。图4为介孔碳材料nmcs-7/3的sem图(a)及其表面c(b)、o(c)、n(d)元素扫描图。可见，c、o、n在介孔碳的纳米球形结构上均有分布。说明n元素被成功地掺杂到以壳聚糖为碳源和氮源制备的介孔碳材料中。由图5可见，接触时间为0s时，水液滴在这四种介孔碳材料上的接触角均较大，随接触时间的增加，接触角逐渐降低，当接触时间最长为2.8s时，水液滴全部铺展开来。可见，这四种介孔碳材料都展现出非常好的亲水性，远远低于未掺氮介孔碳材料129°的接触角。由图6可见，原料药在磷酸盐缓冲溶液中1h的释放量仅为9.96％，12h后仅释放出22.7％。与之相比，将hcpt药物分子吸附到四种掺氮介孔碳材料nmcs-x/3后再于磷酸盐缓冲溶液中进行释放，其释放速率明显提高。表现在1h时有35.42％、～50.80％的药物从载药材料nmcs-x/3中缓释出来，之后12h，药物释放量达到86.67％～93.75％。可见，hcpt药物负载于介孔碳后，其释放速率与原料药相比得到显著的提高，这是由于介孔碳具有独特的纳米孔道结构，在一定程度上可抑制药物的结晶，使药物以微晶或非晶的状态吸附于其中，从而增大了药物溶解度及释放速率。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。本发明的实施例实施例1：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将9.8g壳聚糖于40℃下溶于5％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2.1g三嵌段共聚物f127于于40℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯teos15.6ml(以sio2计为4.2g)和0.2mhcl(15ml)水解，10分钟后得到溶液b；(3)将溶液b与壳聚糖溶液a混合搅拌60min，于室温下再放置60min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为170℃，进料流量为3.5ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为200cm3/h保护下，室温下以升温速率为2℃/min到410℃保温2h,再以升温速率为5℃/min升至900℃焙烧2h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液85℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于100℃干燥6h后得到介孔碳材料,记为nmcs-7/3。实施例2：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将7.0g壳聚糖于40℃下溶于5％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2.1g三嵌段共聚物f127于于40℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯teos15.6ml(以sio2计为4.2g)和0.2mhcl(15ml)水解，10分钟后得到溶液b；(3)将溶液b与壳聚糖溶液a混合搅拌60min，于室温下再放置60min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为170℃，进料流量为3.5ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为200cm3/h保护下，室温下以升温速率为2℃/min到410℃保温2h,再以升温速率为5℃/min升至900℃焙烧2h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液85℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于100℃干燥6h后得到介孔碳材料,记为nmcs-5/3。实施例3：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将8.4g壳聚糖于40℃下溶于5％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2.1g三嵌段共聚物f127于于40℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯teos15.6ml(以sio2计为4.2g)和0.2mhcl(15ml)水解，10分钟后得到溶液b；(3)将溶液b与壳聚糖溶液a混合搅拌60min，于室温下再放置60min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为170℃，进料流量为3.5ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为200cm3/h保护下，室温下以升温速率为2℃/min到410℃保温2h,再以升温速率为5℃/min升至900℃焙烧2h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液85℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于100℃干燥6h后得到介孔碳材料,记为nmcs-6/3。实施例4：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将11.2g壳聚糖于40℃下溶于5％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2.1g三嵌段共聚物f127于于40℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯teos15.6ml(以sio2计为4.2g)和0.2mhcl(15ml)水解，10分钟后得到溶液b；(3)将溶液b与壳聚糖溶液a混合搅拌60min，于室温下再放置60min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为170℃，进料流量为3.5ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为200cm3/h保护下，室温下以升温速率为2℃/min到410℃保温2h,再以升温速率为5℃/min升至900℃焙烧2h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液85℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于100℃干燥6h后得到介孔碳材料,记为nmcs-8/3。实施例1-4制得的介孔碳材料的孔结构参数如表1：表-1原位氮掺杂碳球的孔结构参数samplenamesbet(m2/g)vmeso(cm3/g)dme(nm)nmcs-5/31455.90.573.65nmcs-6/31594.90.593.32nmcs-7/32061.60.772.33nmcs-8/31342.90.262.01实施例1-4制得的介孔碳材料的元素组成含量分析如表2：表-2氮掺杂介孔碳的元素组成含量分析实施例1-4制得的介孔碳材料负载hcpt后nmcs的朗格缪尔常数数据如表3：表-3负载hcpt后nmcs的朗格缪尔常数数据samplenameqm/mg·g-1kl/mg·g·min-1r2nmcs-5/31013.512.4940.9929nmcs-6/3995.192.3090.9967nmcs-7/3989.571.9590.9956nmcs-8/3885.631.9080.9937实施例5：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将9.8g壳聚糖于35℃下溶于3％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2g三嵌段共聚物f127于于35℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和hcl水解，三嵌段共聚物f127与正硅酸乙酯中的sio2的质量比为1:1.5；所述hcl溶液的浓度为0.2m，乙醇溶液与hcl溶液的体积比为3:1，5分钟后得到溶液b；(3)以溶液b中溶解的三嵌段共聚物f127与溶液a中溶解的壳聚糖的质量比为1:10将溶液a和溶液b进行混合，混合搅拌40min，于室温下再放置40min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为160℃，进料流量为3ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为180cm3/h保护下，室温下以升温速率为2℃/min到380℃保温1h,再以4℃/min的速度升温至880℃焙烧1h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液80℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于90℃干燥4h后得到介孔碳材料。实施例6：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将9.8g壳聚糖于45℃下溶于7％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液a；(2)2.5g三嵌段共聚物f127于于45℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和hcl水解，三嵌段共聚物f127与正硅酸乙酯中的sio2的质量比为1:2.5；所述hcl溶液的浓度为0.2m，乙醇溶液与hcl溶液的体积比为5:1，15分钟后得到溶液b；(3)以溶液b中溶解的三嵌段共聚物f127与溶液a中溶解的壳聚糖的质量比为3:10将溶液a和溶液b进行混合，混合搅拌80min，于室温下再放置80min，采用喷雾干燥器进行干燥，于进风温度为180℃，进料流量为4ml/min条件下制备得到粉末样品；(4)将喷雾干燥法得到的粉末放入管式炉中，在氮气流量为220cm3/h保护下，室温下以升温速率为3℃/min到440℃保温3h,再以6℃/min的速度升温至920℃焙烧3h得到碳硅复合材料；(5)碳硅复合材料用1mnaoh水溶液90℃热碱除硅两次，最后用去离子水洗至中性，于110℃干燥8h后得到介孔碳材料。当前第1页12