一种ZIF-8多孔凝胶微球的制备方法及应用与流程

本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种制备zif-8多孔凝胶微球的制备方法及应用。

背景技术：

zif-8是咪唑沸石类金属有机框架化合物的一种，其是由zn²⁺与2-甲基咪唑(2-mim)通过配位键自组装形成。zif-8拥有优良的热稳定性和化学稳定性的同时还具有高孔隙度和比表面积，被广泛应用于药物载体和吸附剂方面。根据合成方法不同，zif-8晶体尺寸分布在纳米到微米范围，且均以白色粉末形式呈现。粉末状晶体具有难收集，酸性条件下易降解的缺点，阻碍了zif-8的应用。近年来，关于zif-8的塑形一直是研究的热点，如何在保持晶型完整的前提下将zif-8粉末聚集成具有一定形状的复合物是问题的关键。大豆种皮多糖具有良好的凝胶特性和生物活性，在低ph环境下较稳定，其作为胶连剂应用于zif-8的塑形中不仅能够保护zif-8免受低ph环境侵蚀，同时形成的凝胶网络结构能够起到协同吸附作用。形成的zif-8微球可被用于口服药物运输，水环境中离子及燃料去除等，大大提高了该材料在实际中的应用价值。

技术实现要素：

发明目的：

本发明的目的在于提供一种制备zif-8多孔凝胶微球的简便方法。它是在成功合成zif-8的基础上引入大豆种皮多糖与不同金属离子，通过凝胶浴法，交联反应，真空干燥制备而成。获得的椭球状凝胶微球既具有抵抗压力的刚性结构，又保持完整的zif-8晶体构型。这一可再生的复合材料在环境保护，药物运载和气体储存等领域显示出潜在优势。此外，原料价格低廉易获取，毒性极小，安全性高，操作过程温和简单易操作，易商业化生产。

技术方案：

一种zif-8多孔凝胶微球的制备方法，该方法包括：(1)将二甲基咪唑溶液和锌离子溶液混合，搅拌离心，洗涤离心多次，抽滤，得到zif-8粉末；去除shp中多余离子，干燥备用；(2)将zif-8粉末分散在去离子水中，超声处理后加入去离子的shp，搅拌超声；(3)将shp和zif-8混合液利用蠕动泵逐滴滴入金属离子溶液中，凝胶；收集凝胶球，真空冷冻干燥后得到zif-8凝胶微球。

进一步的，步骤1中的二甲基咪唑溶液和锌离子溶液的摩尔比例为(8～12)：1；锌离子溶液选择七水合硫酸锌、六水合硝酸锌、二水合醋酸锌、六水氯化锌、磷酸锌、硼酸锌、氯酸锌、六水氯酸锌中的一种或者多种。

进一步的，搅拌离心是搅拌8～12h后4500rpm条件下离心15～30min；洗涤离心多次是利用酒精洗涤，离心三次，条件为4500rpm条件下离心15～30min；用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用。

进一步的，zif-8粉末和去离子的shp的质量和体积比例为1g∶(30～60)ml，去离子的shp浓度为4％w/v；取nacl，kcl，cacl2，mgcl2和fecl3中的一个或多个配置金属离子溶液；金属离子溶液的浓度为1％～5％w/v；shp摩尔质量为120～180kda。

进一步的，利用蠕动泵逐滴滴入金属离子溶液中，蠕动泵流速0.0002～49ml/min，软管内径0.5～6mm。

进一步的，凝胶过程保持20～40min。

利用制备的zif-8多孔凝胶微球在作为药物载体和吸附剂的应用。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明的技术方案有如下有益效果：

(1)本发明中除fe³⁺外，k⁺，na⁺，ca²⁺，mg²⁺诱导形成的zif-8凝胶微球大小均一，zif-8结构完整，且内部具有网络结构；

(2)ca²⁺，mg²⁺诱导形成的凝胶球具有优于单独zif-8的热稳定性；

(3)采用shp作为粘结剂可在低酸环境下为zif-8提供保护作用，避免降解；

(4)制备过程简单易操作，zif-8凝胶球大小可根据蠕动泵的转速和蠕动管粗细调节。

附图说明

图1为本发明中制备zif-8多孔凝胶微球的制备示意图。

图2为实施例中zif-8多孔凝胶微球复合材料的傅里叶红外变换光谱。421cm^-1处为zn-n拉伸振动，1145与1422cm^-1处为c-n拉伸振动，1017cm^-1为c-o-c伸缩振动，1609cm^-1为coo不对称伸缩振动。由图可看出实施例1、2、3、4所制备凝胶微球ft-ir图谱包含zif-8特征峰，说明其中的zif-8晶体主要化学键保持稳定。实施例5中凝胶微球ft-ir图谱与shp一致，且不存在zif-8特征峰，说明凝胶球中zif-8晶体遭到破坏。

图3为实施例中zif-8多孔凝胶微球复合材料的x射线衍射谱，由图3a可看出实施例1、2、3、4所制备凝胶微球x射线衍射谱特征峰与zif-8x射线衍射谱特征峰重合(2θ＝7.3°，10.4°，12.7°，14.7°，16.4°，17.9°)，说明其中zif-8晶体晶型完整。由图3b可看出实施例5制备的凝胶微球x射线衍射谱呈现无定型状态，表明其中zif-8晶体晶型被破坏，与图2结论一致。

图4为实施例中zif-8多孔凝胶微球复合材料的热重变化。由图4可看出在0-200℃内各样品存在5～10％质量损失，原因是凝胶网络与zif-8晶体中水分子蒸发引起。300-500℃内，实施例3，4制备的凝胶微球降解缓慢，而实施例1，2及纯zif-8晶体降解迅速，说明了二价金属离子ca²⁺，mg²⁺诱导产生的凝胶微球赋予zif-8晶体有良好的热稳定性。

图5为实施例中zif-8多孔凝胶微球复合材料的实物图。实施例1，2，3，4制备的凝胶微球为白色，实施例5制备凝胶微球为深棕色，且五种凝胶微球直径约为2.5mm，且从图中可以看出zif-8多孔凝胶微球直径均匀，成球度良好。

图6为实施例1中多孔凝胶微球k⁺-shp@zif-8复合材料场发射扫描电镜(a-c)。由图可看出k⁺-shp@zif-8表面(图6a)布满孔洞，内部(图6b)充满凝胶网络，呈片层堆叠状，片层由zif-8晶体粘结而成，且晶型完整。

图7为实施例2中多孔凝胶微球na⁺-shp@zif-8复合材料场发射扫描电镜(d-f)。由图可看出na⁺-shp@zif-8表面(图7d)内部(图7e)均呈片层堆叠状，内部结构与k⁺-shp@zif-8相似，片层由zif-8晶体粘结而成，且晶型完整。

图8为实施例3中多孔凝胶微球ca²⁺-shp@zif-8复合材料场发射扫描电镜(g-i)。与实施例1，2不同，实施例3中ca²⁺-shp@zif-8表面(图8g)光滑规则无空洞，内部(图8h)紧实孔洞较小，且zif-8晶型完整。

图9为实施例4中多孔凝胶微球mg²⁺-shp@zif-8复合材料场发射扫描电镜(j-1)。mg²⁺-shp@zif-8与ca²⁺-shp@zif-8相似，凝胶微球表面(图9j)规则光滑无空洞，内部(图9k)较紧实，空洞较小，且zif-8晶型完整。

图10为实施例5中多孔凝胶微球fe³⁺-shp@zif-8复合材料场发射扫描电镜(m-o)。fe³⁺-shp@zif-8表面(图10m)呈坍塌破碎状，内部(图10n)虽呈现片层状，但只能观察到shp凝胶网络，zif-8晶体被破坏。

具体实施方式

目前，根据合成方法不同，得到的zif-8直径在纳米到微米范围之间，主要应用于药物运载，活性物质包埋，气体吸附等领域。但无论何种合成方式其最终均呈现精细粉末状，限制了zif-8的应用。在前期研究中，发现大豆种皮多糖(shp)富含羧酸阴离子，可与k⁺，na⁺，ca²⁺，mg²⁺和fe³⁺等金属离子配位形成凝胶，具有良好的胶凝特性。为了将zif-8颗粒塑造成一定形状，如图1所示，通过向预先合成的zif-8中添加shp，充分混合后采用注射法将混合物逐滴滴入五种金属离子溶液中(k⁺，na⁺，ca²⁺，mg²⁺和fe³⁺)，经真空冷冻干燥后得到具有刚性结构的椭球形复合材料分别为k⁺-shp@zif-8，na⁺-shp@zif-8，ca²⁺-shp@zif-8，mg²⁺-shp@zif-8，和fe³⁺-shp@zif-8。这些包含zif-8晶体的具有固定形状的复合微球在环境保护和药物运载等领域显示出潜在的优势。此外，原料价格低廉易获取，毒性极小，安全性高，操作过程温和简单易操作，易商业化生产。

下面通过实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.5gznso4加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心10min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置3％(w/v)kcl溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入nacl溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为15ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例2zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.5gznso4加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌12h后4500rpm离心15min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置3％(w/v)nacl溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入kcl溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为20ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例3zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.1gznso4加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心10min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置4％(w/v)cacl2溶液。将0.8gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为15ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

现有的zif-8粉末并不能控制大小，而本发明利用蠕动泵的转速和蠕动管粗细调节zif-8凝胶球大小，方法简单，且制备的zif-8凝胶球直径均匀。

实施例4zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.1gznso4加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心10min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置4％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为15ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例5zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.1gznso4加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心10min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置5％(w/v)fecl3溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用30ml注射器将zif-8多糖混合物逐滴加入fecl3溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为10ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例6zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.7gzn(oac)2·2h2o加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10min后4500rpm离心15min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为120kda。

(2)配置3％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于40ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为10ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例7zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.7gzn(oac)2·2h2o加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10min后4500rpm离心15min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为130kda。

(2)配置3％(w/v)cacl2溶液。将1gzif-8分散于40ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为10ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例8zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.3gzn(no)2·6h2o加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌12h后4500rpm离心15min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为180kda。

(2)配置4％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于40ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为10ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例9zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.3gzn(no)2·6h2o加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.6g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌12h后4500rpm离心15min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为150kda。

(2)配置3％(w/v)cacl2溶液。将1gzif-8分散于50ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为10ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例10zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1gzncl2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为160kda。

(2)配置4％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用30ml蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例11zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1gzncl2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为170kda。

(2)配置4％(w/v)cacl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例12zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取2gzn(clo4)2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌12h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为180kda。

(2)配置5％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例13zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.8gzn(clo4)2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。用3500da透析袋去除shp中多余离子，干燥备用，shp摩尔质量为180kda。

(2)配置5％(w/v)cacl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例14zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.5gznbr2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置3％(w/v)mgcl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入mgcl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

实施例15zif-8多孔凝胶微球复合材料的制备。

(1)烧杯a中加入25ml去离子水，取1.3gznbr2加入烧杯a搅拌至完全溶解；烧杯b中加入25ml去离子水，取5.0g2-mim加入烧杯b搅拌至完全溶解。将烧杯a中溶液缓慢加入烧杯b中，室温搅拌10h后4500rpm离心30min，弃去上清液，加入100％乙醇洗涤，再次离心，洗涤，重复三遍，室温干燥，得到zif-8晶体。

(2)配置3％(w/v)cacl2溶液。将1gzif-8分散于30ml4％(w/v)多糖溶液中，搅拌0.5h至分散均匀。用蠕动泵将zif-8多糖混合物逐滴加入cacl2溶液中，期间软管与液面保持垂直高度5cm，流量为30ml/min。凝胶球在溶液中静置30min后收集，真空冷冻干燥，收集。

测定得到实施例1-15制得的复合材料的比表面积和微孔体积如表1所示。

表1实施例1～15的比表面积和微孔体积

由表1可知，实施例1-15制得的复合材料的比表面积高于zif-8。根据氮气吸附实验结果可知实施例1-15制备的zif-8凝胶微球具有微孔，可作为吸附剂应用。

本发明的zif-8多孔凝胶微球其吸附特性好，由于多糖的特性，其不存在任何危害，能够作为药物载体和吸附剂。