劉俊莉， 王　敏, 惠愛平

(1.陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安　710021; 2.昆山國顯光電有限公司， 江蘇 昆山　215300； 3.陜西科技大學 資源與環(huán)境學院， 陜西 西安　710021)

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碳微球?qū)χ锌語nO結(jié)構(gòu)和藥物緩釋性能的影響

劉俊莉1， 王敏2, 惠愛平3

(1.陜西科技大學 材料科學與工程學院， 陜西 西安710021; 2.昆山國顯光電有限公司， 江蘇 昆山215300； 3.陜西科技大學 資源與環(huán)境學院， 陜西 西安710021)

摘要：以碳微球為模板制備中空ZnO微球，接著采用浸漬法將防霉劑填充在中空ZnO微球中，同時對其在水中的緩釋效果進行了研究.采用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)研究了反應(yīng)時間和葡萄糖濃度對碳微球形貌的影響，以及不同碳微球模板對中空ZnO微球形貌和結(jié)構(gòu)的影響.SEM和TEM測試結(jié)果表明：采用水熱法成功地制備了尺寸為50～200 nm的碳微球和40 nm左右的中空ZnO微球.緩釋實驗結(jié)果表明：載藥中空ZnO微球從1 h到9 h釋放的防霉劑濃度從0.008 3 mg/mL增加到0.021 4 mg/mL，緩釋效果明顯.

關(guān)鍵詞：水熱合成； 碳微球； 中空ZnO微球； 藥物緩釋

0引言

納米材料是介于物質(zhì)的宏觀結(jié)構(gòu)與微觀原子、分子結(jié)構(gòu)之間的層次，對材料的物性起著決定性作用.隨著人們對于微觀世界的探索和認識，納米材料的研究引起人們廣泛的興趣.作為納米材料的一種，中空微球不僅具有常規(guī)納米材料所具有的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，而且空心結(jié)構(gòu)的存在，使其具有大的比表面積、小的密度、良好的絕緣性和過濾性[1-3]，被廣泛地應(yīng)用于光電及氣敏領(lǐng)域、催化及光催化領(lǐng)域、化工及生物等領(lǐng)域.由于中空微球具有明顯核殼結(jié)構(gòu)和巨大的內(nèi)部空間，因此可以利用其中空結(jié)構(gòu)對藥物進行包覆，將其作為藥物的載體來實現(xiàn)藥物的控釋或緩釋.這樣，不但可以獲得準確的治療定位和集中的治療效果，而且副作用小且藥物持續(xù)作用的時間長[4-6].與實心粒子相比, 中空微球使用最少的骨架物質(zhì)傳送最多的藥物，有效減少骨架物質(zhì)在體內(nèi)的代謝量和時間，減輕膽、腎等器官的負擔，在腫瘤和骨科疾病治療等方面可以起到一定的積極作用[7].

ZnO是一種典型的n型寬帶隙半導體材料，在光電轉(zhuǎn)換、氣敏元件等許多領(lǐng)域都起著很重要的作用.近年來，人們嘗試采用不同的原料和不同的制備方法，以期獲得形貌獨特、性能優(yōu)異的納米ZnO材料, 已相繼制備出ZnO納米棒[8]、納米環(huán)[9]、納米管[10]、納米花[11]、六角形狀的納米片以及一維ZnO納米棒陣列[12]、中空微球[13]等.目前，有關(guān)不同結(jié)構(gòu)的納米ZnO在藥物緩釋體系中的應(yīng)用已有研究報道.Jian Liu等[14]通過ATRP引發(fā)聚合法在球形ZnO表面接枝聚(N-異丙基丙烯酰胺)，成功地制備了具有pH和溫度響應(yīng)功能的ZnO/聚(N-異丙基丙烯酰胺)雜化材料，并將其應(yīng)用于抗癌藥物阿霉素的緩釋體系.Tong Chen等[15]以ZnO量子點-Au復合粒子為核，兩親性聚合物為殼，制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的納米載體應(yīng)用于藥物緩釋體系中.Q.Yuan等[16]采用殼聚糖封裝納米ZnO量子點應(yīng)用于腫瘤靶向藥物的緩釋體系中.但是，目前有關(guān)中空結(jié)構(gòu)ZnO作為藥物緩釋載體的研究還鮮見報道.

本研究即是基于以上研究背景，首先采用傳統(tǒng)水熱法以葡萄糖為碳源制備碳微球，再以碳微球為模板制備中空ZnO微球；接著采用浸漬法將防霉劑2-硫氰基甲基硫代苯并噻唑填充在中空ZnO微球中；研究不同碳微球模板對中空ZnO微球形貌的影響，并對載藥ZnO微球的藥物釋放情況進行研究，為其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用奠定理論和實踐的基礎(chǔ).

1實驗部分

1.1原料

葡萄糖(分析純，天津市盛奧化學試劑有限公司),乙酸鋅(分析純，天津市紅巖化學試劑廠),無水乙醇(分析純，天津市紅巖化學試劑廠)，防霉劑2-硫氰基甲基硫代苯并噻唑(工業(yè)級，廣州圣時立貿(mào)易有限公司).

1.2碳微球的制備

首先，將葡萄糖溶于水中形成一定濃度的溶液，然后將其轉(zhuǎn)移至100 mL的水熱反應(yīng)釜中，反應(yīng)一定時間，產(chǎn)物經(jīng)離心分離，水洗、醇洗3次，干燥后即得碳微球.

1.3中空ZnO微球的制備

將步驟1.2中所制備的碳微球和醋酸鋅水溶液混合，超聲一定時間，陳化12 h后離心分離，用去離子水和無水乙醇分別洗滌3次，干燥之后，煅燒即可得到中空ZnO微球.

1.4載藥中空ZnO微球的制備

將步驟1.3中所得中空ZnO微球在一定濃度的防霉劑水溶液中浸漬24 h，然后離心分離倒出上清液，將中空ZnO微球在室溫下干燥，即得載藥納米ZnO微球.

1.5檢測與表征

將樣品超聲分散在乙醇中，取一滴，將其滴于鋁箔上，室溫干燥后，采用S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)對產(chǎn)物的形貌進行表征，工作電壓為5.0 KV.

采用TU-1900型雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)通過光譜掃描確定防霉劑水溶液的最大吸收波長，在最大吸收波長處測定一系列濃度梯度溶液的吸光度，根據(jù)所測結(jié)果繪制濃度和吸光度的標準曲線并得到線性擬合方程.接著，將所得載藥中空ZnO置于含10 mL去離子水的離心管中，每隔一定時間移取2 mL上清液加水定容為10 mL，用紫外可見分光光度計測上清液的吸光度，并根據(jù)標準曲線擬合方程算出藥物釋放的濃度.

2結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件對碳微球結(jié)構(gòu)的影響

圖1為不同反應(yīng)時間下所得碳微球的掃描電鏡照片.由圖1可知，碳微球的球形度和粒徑均一度隨水熱時間的增加而增大.當水熱反應(yīng)時間為8 h時(如圖1(a)所示)，碳微球粒徑大小不一，其尺寸在50～120 nm之間，球體交聯(lián)度較小.當反應(yīng)時間為12 h時(如圖1(b)所示)，所得碳微球的粒徑為100 nm左右，但體系中仍存在一些尺寸較小的碳微球.當反應(yīng)時間延長為16 h時(如圖1(c)所示)，所得碳微球的粒徑在100 nm左右，粒徑較為均一.由圖1(d)可以看出，當水熱反應(yīng)時間為20 h時，碳微球尺寸達到200 nm左右，且交聯(lián)度較高.上述結(jié)果表明：水熱反應(yīng)時間既影響碳微球形貌，又影響粒徑的大小.這可能是因為本反應(yīng)是在高壓反應(yīng)釜中無攪拌的條件下進行的，當反應(yīng)時間較短時，液體流動不足，傳熱不及時，反應(yīng)釜局部過熱，導致碳微球生長不均勻且粒徑較小；但是，隨著反應(yīng)時間的增加，碳微球生長充分，使得其粒徑增大且趨向均勻.

(a)8 h (b)12 h (c)16 h (d)20 h圖1　不同水熱時間下所制備碳微球的SEM照片

(a)0.5 mol/L (b)1 mol/L (c) 1.25 mol/L圖2　不同葡糖糖濃度所制備碳微球的SEM照片

圖2為采用不同濃度葡萄糖溶液所制備碳微球的SEM照片.由圖2可知，當葡萄糖濃度為0.5 mol/L時, 碳微球的粒徑在100～150 nm左右，表面光滑，球形結(jié)構(gòu)完整，碳微球之間的交聯(lián)較少.當葡萄糖濃度為1 mol/L、1.25 mol/L時，碳微球的粒徑為150～200 nm，表面粗糙度增加，有凸起和凹槽的存在，球體的球形度較低且相互交聯(lián)現(xiàn)象嚴重，碳微球間傾向于相互連接成鏈狀.這主要是因為單位體積內(nèi)葡萄糖單體或低聚物濃度的增加使得反應(yīng)更易進行，碳微球的平均粒徑增大；但是，單位體積內(nèi)的晶核數(shù)及粒徑的增加導致晶核生長空間的減小，增加了晶核之間的碰撞，進而增加了碳微球相互間的交聯(lián).

2.2碳微球?qū)χ锌語nO形貌及結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1不同反應(yīng)時間所得碳微球?qū)χ锌語nO微球的影響

圖3是以不同反應(yīng)時間所得碳微球為模板制備中空ZnO的SEM照片.由圖3(a)可知，以水熱反應(yīng)8 h所得的碳微球為模板，制備的ZnO微球粘連在一起的現(xiàn)象比較嚴重，且ZnO微球大小不一；而以水熱反應(yīng)12 h所得的碳微球為模板，所制得的ZnO微球球形結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，粘連在一起的現(xiàn)象有所減弱(如圖3(b)所示)；當以水熱反應(yīng)16 h所得的碳微球為模板，所制得ZnO微球尺寸均一，通過放大圖可以看出ZnO微球表面比較粗糙(如圖3(c)所示)，且ZnO粒子的TEM照片結(jié)果如圖4所示：粒子周圍為深黑色，內(nèi)部為淺灰色，中空結(jié)構(gòu)較明顯.而以水熱反應(yīng)20 h所得碳微球為模板，制備的ZnO微球有明顯的粘連現(xiàn)象，ZnO微球表面比較光滑.上述實驗結(jié)果表明：無論是以何種反應(yīng)時間所得的碳微球為模板，所得ZnO微球尺寸均在40 nm左右，其尺寸遠遠小于碳微球模板(50～200 nm左右).這可能是由于碳微球松散的交聯(lián)結(jié)構(gòu)進一步脫水所致.由于膠體碳微球含有大量的羥基，故其表面帶有大量的負電荷，非常容易吸附溶液中的Zn2+，使Zn2+在碳微球表面聚集，形成鋅碳前驅(qū)體，通過高溫煅燒，鋅碳前驅(qū)體內(nèi)部的碳核骨架被氧化為氣體CO2和H2O溢出，而Zn2+則形成ZnO納米顆粒的晶核并不斷吸附反應(yīng)體系中新生成的ZnO，ZnO粒子隨著碳微球尺寸的減小圍繞其表面聚集.當ZnO納米顆粒組成的空心球殼骨架形成后，空殼的尺寸不再發(fā)生明顯變化，而內(nèi)部碳骨架繼續(xù)氧化，直至完全除去.

(a)8 h (b)12 h (c)16 h (d)20 h圖3　以不同反應(yīng)時間所得碳微球為模板制備中空ZnO的SEM照片

圖4　以水熱反應(yīng)時間16 h所得碳微球為模板制備中空ZnO的TEM照片

2.2.2不同葡萄糖濃度所得碳微球?qū)χ锌語nO微球的影響

圖5是以不同葡萄糖濃度所得碳微球為模板，制備的中空ZnO微球SEM照片.從圖5可以看出，當葡萄糖濃度為0.5 mol/L時，ZnO微球粘連現(xiàn)象不明顯；而以濃度為1 mol/L和1.25 mol/L葡萄糖溶液制備的碳微球為模板，所得ZnO微球之間粘連現(xiàn)象特別明顯.上述實驗結(jié)果與碳微球本身的粘連現(xiàn)象相吻合，且隨著葡萄糖濃度的增加，ZnO微球的尺寸進一步增大.因此，為獲得球形形貌比較完整的ZnO微球，最終選用0.5 mol/L的葡萄糖溶液制備碳微球.

(a)0.5 mol/L (b)1 mol/L (c)1.25 mol/L圖5　以不同葡萄糖濃度所得碳微球為模板所制備中空ZnO微球SEM照片

2.3中空ZnO微球的藥物緩釋性能

圖6是所得載藥中空ZnO微球?qū)Ψ烂箘┤芤涸诓煌瑫r間的釋放曲線.由圖6可知，隨著釋放時間的延長，防霉劑濃度逐漸升高.中空ZnO微球中防霉劑在1 h內(nèi)的釋放速度較快，可能是由于吸附在中空ZnO微球表面的藥物的脫附現(xiàn)象，2 h之后釋放速度變緩慢，可能是空腔內(nèi)部的藥物開始沿著殼層的孔道向外釋放，約在5 h之后，藥物還有釋放趨勢，緩釋效果明顯.

圖6　所得載藥中空ZnO微球?qū)Ψ烂箘┤芤旱尼尫徘€

3結(jié) 論

采用傳統(tǒng)水熱技術(shù)通過控制水熱反應(yīng)時間和葡萄糖濃度，獲得了尺寸在50～200 nm的碳微球；并以所得碳微球為模板，成功地制備了尺寸在40 nm左右的中空ZnO微球.藥物緩釋實驗結(jié)果表明：載藥中空ZnO微球從1 h到9 h釋放的防霉劑濃度從0.008 3 mg/mL增加到0.021 4 mg/mL，緩釋效果明顯.

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The influences of carbon spheres on the structure of hollow

ZnO and its application in drug release

LIU Jun-li1, WANG Min2, HUI Ai-ping3

(1.College of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China; 2.Kunshan Govisionox Optoelectronics Co., Ltd., Kunshan 215300, China; 3.College of Resources and Environment, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The carbon microspheres were used as the template in the preparation of hollow ZnO microspheres.Then mildew proof agent was filled in the hollow ZnO microspheres by dipping method,and its slow-release effect in water was discussed.The effect of the different reaction times,the concentrations of glucose and carbon microspheres on the morphology of hollow ZnO microspheres were investigated by field emission scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM).SEM and TEM results showed that carbon microspheres with the sizes of 50～200 nm and hollow ZnO microsphere with the size of 40 nm were prepared successfully.The concentration of mildew proof agent in hollow ZnO microspheres was released from 0.008 3 mg/mL to 0.021 4 mg/mL from the first hour to the ninth hour, which showed the better load and slow-release effect.

Key words:hydrothermal synthesis; carbon microspheres; hollow ZnO microspheres; drug release

中圖分類號：TQ050.4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)01-0062-04

作者簡介:劉俊莉(1986-)，女，陜西西安人，講師，博士，研究方向：有機/無機復合功能涂層材料、環(huán)境催化材料

基金項目：陜西省科技廳自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目(2014JQ6209)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1110); 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ13-23)

收稿日期:*2014-10-09