多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶制备方法及制得的水凝胶与流程

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶制备方法及制得的水凝胶。

背景技术：

温敏水凝胶是可以在温度改变后原位发生交联诱导相变的一种水凝胶。一些聚合物会随环境温度（较低临界溶解温度）的增加而产生剧烈的溶解度变化。这种相转变通常被认为是由聚合物链上亲水和疏水部分的平衡以及混合物自由能决定的。某些分子相互作用（如氢键和疏水效应）的温度依赖性会帮助相转化的发生。在较低临界溶解温度中，聚合物和水相互作用比聚合物和水之间的氢键更有利，随着溶剂化的大分子快速脱水并变成疏水的结构，就会发生相转变。还有一些情况是，一些亲水聚合物会在溶液中进行自组装，由于温度升高时聚合物与聚合物的相互作用而显示胶束堆积和凝胶形成。

最理想的温敏水凝胶体系是一种可以在环境温度下自由流动并且可注射的液体，当它被加热到体温环境下会形成凝胶，并且药物或细胞可以通过简单混合方式进行载入。而且当在肠胃外给药时，这些体系的ph接近中性并且可吸收。

纳米结构的多孔硅与平面硅相比已被证明是一种有用的生物材料，与现有的替代材料相比具有许多优势。它具有较高的表面积（200-800平方米/克），与孔径控制能力相结合，可以装载一系列生物活性物质，包括蛋白质、营养物质和药物。它在体内具有良好的耐受性和非炎症性。然而，其相对于其他生物材料的主要优势在于其能够在水溶液中完全降解为无毒硅酸（si(oh)4），硅酸是人体中硅的主要形式。而大多数可降解聚合物，其降解通常形成不可吸收的碎片。

最吸引人的特性之一是多孔硅的生物相容性对孔隙率和孔径的依赖性。除了在模拟的胃液中，高度多孔的硅（孔隙率超过70％）溶解在所有的模拟体液中。然而，具有中等孔隙率（孔隙率低于70％）的多孔硅具有生物活性且可缓慢生物降解。孔隙率很少的多孔硅和大孔隙率的多孔硅都是与普通硅相当的生物惰性材料。

金原子对于近红外光有特殊的吸收性质，光热效果显著。中国专利（公开号为cn105664183a）公开了负载au纳米颗粒的γ-pga水凝胶，但该水凝胶不含多孔硅且适用于ct成像造影剂。中国专利（公开号为cn108342043a）公开了一种抗菌温敏型高分子水凝胶，该水凝胶具有良好的生物相容性、力学性能和机械强度，在37-50℃的区间对温度反应响应率高，能够应用于生物缓释材料、快速降温材料等，但该水凝胶不含多孔硅和au纳米颗粒，且产品为外用。

鉴于多孔硅具有各种优异的性能和其在医药领域中的开发不足，而迫切期望开发出将多孔硅和au纳米颗粒复合制成水凝胶，来作为药物载体，使其能在体内环境中缓释药物，实现光热效果发挥治疗作用，并最终生物降解。

技术实现要素：

为了解决药物在体内缓释、实现光热效果、并最终生物降解的问题，本发明提供一种温敏型多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶的制备方法及制备的温敏型多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶。

本发明所述温敏型多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：

（1）将壳聚糖加入盐酸溶液中充分搅拌，得到壳聚糖盐酸溶液；将β-甘油磷酸钠溶于水制得甘油磷酸钠溶液；在冰水浴中，将壳聚糖盐酸溶液与甘油磷酸钠溶液混合均匀，得到半透明液体为水凝胶前驱液；

（2）将孔隙率为60%-70%的多孔硅纳米颗粒加入到haucl4溶液中，摇匀后得紫黑色液体，进行固液分离得固体多孔硅/金纳米颗粒复合物并水洗后待用；

（3）将步骤（2）中制得多孔硅/金纳米颗粒复合物放入步骤（1）中制得的水凝胶前驱液中，然后将混合液进行人体正常温度的水浴，得到多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶。

进一步地，所述步骤（1）中，所述壳聚糖的脱乙酰度为95%，搅拌时间为12-14h。

进一步地，所述步骤（1）中，壳聚糖和盐酸溶液中的hcl的质量比为4-8:1-1.2，盐酸溶液浓度为0.05-0.15mol/l，β-甘油磷酸钠溶液的质量百分比浓度为30-42%，壳聚糖盐酸溶液与甘油磷酸钠溶液体积比为6-12：1。

进一步地，所述步骤（2）中，多孔硅纳米颗粒与haucl4的质量比为2-1:1-2，haucl4溶液的浓度为0.5mg/ml-1.5mg/ml，haucl4溶液的温度为50-70℃，水洗次数为3次。

进一步地，所述步骤（2）中，固液分离使用离心机进行，转速为13000r/min。

进一步地，所述步骤（3）中，多孔硅/金纳米颗粒复合物与水凝胶前驱液的质量体积比为1-3:1。

进一步地，所述步骤（3）中，水浴的时间为15-25min。进行人体正常温度的水浴的原因是，需要将温敏型多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶承载药物投入体内在人体正常温度下发挥治疗作用。

本发明提供一种温敏型多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶，其使用所述制备方法制得。

有益效果：本发明通过将孔隙率为60%-70%的多孔硅和au纳米颗粒复合并制备成水凝胶，使得该水凝胶具有宽松的三维网络结构，且具有大量的贯穿孔洞，而能够承载药物并实现药物在体内的缓释；由于多孔硅具有优异的生物降解性，使得该水凝胶最终能在体内降解；由于au纳米颗粒的光热效果，使得该水凝胶在近红外光照射后表现出优异的升温效果，从而有利于治疗癌症等。

附图说明

图1为cs-gp（壳聚糖甘油磷酸钠）前驱液和本发明的cs-gp/psinps/au（壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金）水凝胶的红外光谱图；

图2为cs-gp水凝胶的环境扫描电镜（esem）照片；

图3为本发明的cs-gp/psinps/au水凝胶的环境扫描电镜（esem）照片；

图4为本发明的cs-gp/psinps/au水凝胶生物降解关系图；

图5为水凝胶光热升温曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

以下各实施例中使用的多孔硅通过以下步骤制得：

1.硅片的预处理

将单晶硅片切成2×2cm的正方形，放入98%浓硫酸与双氧水体积比为3：1的混合溶液中，在80℃条件下浸泡10min，除去硅片表面的有机污染物。将处理过的硅片用去离子水反复冲洗，然后保存于去离子水中备用。

2.多孔硅的制备

将预处理后的硅片装入电解装置中并固定妥当。加入一定量无水乙醇检验是否有渗漏现象，若无乙醇漏出则吸出乙醇后继续下一步电解工作。若乙醇迅速漏完，则重新固定装置。

准备妥当后，先向装置中加入一定量20%氢氟酸溶液浸泡1min除去氧化层，处理后吸去溶液。然后加入以40%氢氟酸与无水乙醇3:1配制的电解液。前面装置中在硅片底部垫入了一张铝片，此时充当阳极，并用铂电极充当阴极。在20v、100ma的条件下以稳压电流电解15min。

电解完成后，将电解液吸出，并将硅片用无水乙醇洗涤3次。静置干燥后，用药匙将表面的多孔硅刮下装入离心管中待用，该多孔硅为孔隙率为60%-70%的多孔硅纳米颗粒(psinps)。

实施例1

步骤一、取95%脱乙酰度的壳聚糖2g(脱乙酰度≥95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，加入100ml的0.1mol/l盐酸溶液中搅拌12h，得到澄清的2%的壳聚糖盐酸溶液；取0.6gβ-甘油磷酸钠溶于水，制得37.5%的甘油磷酸钠溶液。在冰水浴中，将壳聚糖盐酸溶液0.9ml与甘油磷酸钠溶液0.1ml混合搅拌均匀，得到半透明液体为水凝胶前驱液。

步骤二、将1.0mg多孔硅纳米颗粒加入1ml60℃的浓度为0.5mg/ml的haucl4溶液中，摇匀后得紫黑色液体，使用离心机（eppendorfcentrifuge-5418德国艾本德股份公司）以转速13000r/min进行离心分离，得到固体多孔硅/金纳米颗粒复合物并水洗3次待用。

步骤三、将步骤二制得多孔硅/金纳米颗粒复合物放入步骤一制得的水凝胶前驱液中，再将混合液放入温度为37℃的恒温水浴锅中静置20min，得到多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1（cs-gp/psinps/au）。

实施例2

步骤一、取95%脱乙酰度的壳聚糖1.0g，加入100ml的0.05mol/l盐酸溶液中搅拌12h，得到澄清的1%的壳聚糖盐酸溶液；取0.5gβ-甘油磷酸钠溶于水，制得30%甘油磷酸钠溶液。在冰水浴中，将0.6ml壳聚糖盐酸溶液与0.1ml甘油磷酸钠溶液混合搅拌均匀，得到半透明液体为水凝胶前驱液。

步骤二、将0.5mg多孔硅纳米颗粒加入0.5ml50℃的1.0mg/ml的haucl4溶液中，摇匀后得紫黑色液体，使用离心机（eppendorfcentrifuge-5418德国艾本德股份公司）以转速13000r/min进行离心分离，得到固体多孔硅/金纳米颗粒复合物并水洗3次待用。

步骤三、将步骤二制得多孔硅/金纳米颗粒复合物放入步骤一制得的水凝胶前驱液中，再将混合液放入温度为37℃的恒温水浴锅中静置15min，得到多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶2。

实施例3

步骤一、取95%脱乙酰度的壳聚糖3.0g，加入100ml的0.15mol/l盐酸溶液中搅拌12h，得到澄清的3%的壳聚糖盐酸溶液；取0.7gβ-甘油磷酸钠溶于水，制得42%甘油磷酸钠溶液。在冰水浴中，将1.2ml壳聚糖盐酸溶液与0.1ml甘油磷酸钠溶液混合搅拌均匀，得到半透明液体为水凝胶前驱液。

步骤二、将1.5mg多孔硅纳米颗粒加入1.5ml70℃的1.5mg/ml的haucl4溶液中，摇匀后得紫黑色液体，使用离心机（eppendorfcentrifuge-5418德国艾本德股份公司）以转速13000r/min进行离心分离，得到固体多孔硅/金纳米颗粒复合物并水洗3次待用。

步骤三、将步骤二制得多孔硅/金纳米颗粒复合物放入步骤一制得的水凝胶前驱液中，再将混合液放入温度为37℃的恒温水浴锅中静置25min，得到多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶3。

以下，对实施例1中制得的多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1进行性能测试。

红外和电镜分析

使用紫外/可见/近红外分光光度计（lambda950，英国珀金埃尔默公司），对多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1形成前的水凝胶前驱液和形成后的多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1进行红外光谱分析，结果如图1所示。在形成凝胶后，原本位于3426cm^-1附近的氨基及羟基的n-h和o-h重叠峰的伸缩振动吸收峰发生了红移，变为3275cm^-1，这表明氨基与磷酸根之间有相互作用，形成了配位键。由于配位键的形成，氨基中n电子的电子云发生了迁移，导致n-h减弱，使得伸缩振动和弯曲振动的能量降低，因此n-h的吸收峰随着β-甘油磷酸钠的加入向低频方向移动。同时，2935cm^-1处的c-h伸缩振动吸收峰以及另一个1388cm^-1处=ch2的吸收峰消失，1089cm^-1处的醇羟基的吸收峰变得更加尖锐,说明该凝胶是通过物理交联方式形成的复合凝胶。

另外，将壳聚糖/甘油磷酸钠和多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1（壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米复合水凝胶）冷冻干燥后用环境扫描电子显微镜（ls55quanta200，美国efi公司）来微观其形貌，如图2、3所示。图2为cs-gp（壳聚糖/甘油磷酸钠）水凝胶的esem照片，图3为壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米复合水凝胶的esem照片，从图2、3可以看到两种水凝胶均呈现三维的网络结构，且具有贯穿的孔洞。与cs-gp（壳聚糖/甘油磷酸钠）水凝胶相比，壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米复合水凝胶的结构更为松散，孔洞更多，这样有利于药物包裹和释放。

生物降解性

将多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1（壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米复合水凝胶）浸泡在1mlpbs缓冲液中，保温37℃。在不同的时间段取上层清夜，用钼蓝比色法分析溶液与上清液中已降解的硅元素反应，多孔硅作为对照，结果表示于图4。图4表示多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶（cs-gp/psinps/au）生物降解关系的图；图4（a）为多孔硅和多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶归一化紫外吸收强度的图；图4（b）为多孔硅和多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶随时间降解的照片；图4（c）为多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶的重量损失的图；图4（d）为多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶降解前后的照片。在4（a）、4（b）中，未分散在壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶中的多孔硅第一天降解迅速，两天内降解95%。而分散在壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶中的多孔硅由于壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶的保护，降解速率比多孔硅慢，但在生理环境下仍可降解。随着时间的推移，壳聚糖/甘油磷酸钠水凝胶逐渐解体，分散水凝胶中的多孔硅缓慢降解。从图4（c）和图4（d）中可以看出，28天后壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米复合水凝胶重量损失达到83%。这种生物可降解特性使得其在药物释放、体内化疗、光热治疗等领域更加具有应用前景。

光热效应

将1ml多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶1（壳聚糖/甘油磷酸钠/多孔硅/金纳米颗粒复合水凝胶）置于容积为1.5ml的塑料离心管中，使用1.6w近红外激光进行照射，并用红外热成像仪（tis40，美国福禄克公司）监控温度变化情况，结果如图5所示。

图5为水凝胶的光热升温曲线图。由图5可以发现，单纯的cs-gp水凝胶体系无光热特性，而当加入多孔硅得到cs-gp/psinps水凝胶后，温度缓慢的从室温升高到25℃左右，升温δt大约为8℃可以产生光热效果，但效果不佳。而当在单纯的cs-gp水凝胶体系加入多孔硅/金纳米颗粒得到cs-gp/psinps/au复合水凝胶后，光热效果则出现了质的改变，其在近红外激光的照射下在5min内升高20℃以上，往后稳步升高直到48℃。由于肿瘤细胞在42℃左右既可以被杀死，因而此材料在肿瘤治疗领域有一定的发展前景。由上述可知，多孔硅材料拥有良好的光热效果，未来可以作为热疗的一种治疗手段。而由于金原子对于近红外光的特殊吸收性质，在复合了金纳米颗粒后，材料的光热效果变得非常显著。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。