譚亞龍，杜月媛，林 萌，史猛猛，鮑相凝，李偉偉，周穎梅

（徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

枝狀介孔二氧化硅納米顆粒的制備及載釋性能測試

譚亞龍，杜月媛，林 萌，史猛猛，鮑相凝，李偉偉，周穎梅

（徐州工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

采用非油相法，以正硅酸乙酯（TEOS）為硅源，三乙醇胺（TEA）為催化劑，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，以具有低表面張力的三氟乙酸鈉（FC2）、全氟辛酸鈉（FC8）為添加劑，與CTAB相互作用，合成了粒徑、孔徑可微調(diào)的枝狀介孔二氧化硅納米粒子（DMSNs）。研究了TEOS和FC的用量以及FC的碳鏈長度對DMSNs的孔徑、粒徑大小的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TEOS的用量對于產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)影響不大。選擇FC8作為添加劑，當(dāng)FC8與CTAB的摩爾比為0.15時，可以合成大孔徑、小粒徑的DMSNs。通過負(fù)載和釋放溶菌酶實驗發(fā)現(xiàn)，具有這種微觀結(jié)構(gòu)的DMSNs具有最大的負(fù)載量及緩慢的釋放速率，負(fù)載釋放性能好。

枝狀介孔二氧化硅納米顆粒；全氟陰離子；無油相；負(fù)載載釋放性能

近年來，為抵制微生物感染對人類健康的影響，抗生素的過度使用已經(jīng)達到了一個臨界水平，由此引發(fā)的多藥耐藥性及各種副作用引起了人們的高度重視，而新型抗菌藥的研發(fā)也成為最新的挑戰(zhàn)。溶菌酶[1]是廣泛存在于自然界的一種天然酶，對革蘭氏陽性菌具有抗菌活性[2]，然而溶菌酶的穩(wěn)定性差，與細(xì)菌表面的親和力差，導(dǎo)致它的抑菌效果不理想，在實際使用中必須加大溶菌酶的用量，如此也提高了成本，極大地限制了溶菌酶的廣泛使用。

酶固定化是一種提高溶菌酶穩(wěn)定性和有效性的好辦法[3]。研究發(fā)現(xiàn)，小粒徑、大孔徑的載體能更好地承載和緩釋如溶菌酶、DNA這一類大生物分子[4]。其中介孔SiO2由于具有很好的生物相容性及微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)的優(yōu)點，成為最有發(fā)展前途的載體。然而傳統(tǒng)的制備方法都是在油-水雙相系統(tǒng)中完成，制備過程繁瑣，且有毒化學(xué)試劑會破壞所負(fù)載的溶菌酶活性。

全氟陰離子的氟化碳鏈具有疏水性[5]，有利于形成較大孔徑的DMSNs，另外，它還具有相對較低的表面張力，能夠降低產(chǎn)物的粒徑。本研究利用全氟陰離子和陽離子表面活性劑的相互作用，在無油相中合成結(jié)構(gòu)可控的DMSNs，研究了原料比及全氟陰離子碳鏈長度對產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的影響，并比較了它們對于溶菌酶的負(fù)載和釋放情況，為抗菌藥物領(lǐng)域制備可滿足不同要求的藥物載釋載體提供研究依據(jù)。

1 實驗試劑和儀器設(shè)備

1.1 實驗試劑

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，AR)，三乙醇胺 (TEA，AR)，正硅酸乙酯 (TEOS，AR)，三氟乙酸鈉(FC2，AR)，全氟乙辛酸鈉 (FC8，AR)，溶菌酶 (AR)。實驗用水為自制蒸餾水。

1.2 儀器設(shè)備

梅特勒-托利多EL204型電子天平，pHS-25型數(shù)顯pH計，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，80-2離心機，723C紫外/可見分光光度計，JSM-6510型發(fā)射掃描電子顯微鏡，JEM-2100F透射電子顯微鏡，ASAP 2020型比表面積分析儀，sx2-5-12型馬弗爐。

2 實驗部分

2.1 DMSNs的制備

準(zhǔn)確移取7.5mL三乙醇胺（TEA）至裝有200mL蒸餾水的燒杯中，加入380mg十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），再加入一定量的三氟乙酸鈉（FC2），燒杯上方用玻璃片蓋住以隔絕空氣，置于80℃恒溫水浴中，磁力攪拌1h后添加一定量正硅酸乙酯（TEOS），繼續(xù)攪拌2h，得到乳白色懸濁液。反應(yīng)結(jié)束后，將溶液離心分離，得到白色固體。將白色固體放入馬弗爐中，600℃下焙燒6 h，除去表面活性劑，得到 DMSNs。

為研究FC2和TEOS對產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)的影響，相同實驗條件下，分別加入 0.3g、0.7g、0.9g的FC2，將得到的3種DMSNs分別標(biāo)記為DMSNs1、DMSNs2、DMSNs3。固定FC2質(zhì)量，改變TEOS用量，將所得產(chǎn)品分別標(biāo)記為DMSNs4、DMSNs5、DMSNs6。為了比較全氟陰離子碳鏈長度以及其與CTAB的摩爾比對DMSNs孔徑、粒徑的影響，分別以三氟乙酸鈉（FC2）、全氟辛酸鈉（FC8）在相同實驗條件下制備了3組DMSNs-FCx-Ry，其中x、y分別代表FC碳鏈長度和FC與CTAB用量的摩爾比。這3組產(chǎn)品標(biāo)記為DMSNs-FC2-R0.4、DMSNs-FC2-R1、DMSNs-FC8-R0.15。

2.2 DMSNs的表征

2.2.1 掃描電子顯微鏡（SEM）

將樣品超聲分散在乙醇溶液中，滴在導(dǎo)電碳膜的鋁箔上并固定于掃描電子顯微鏡底座上，觀察介孔二氧化硅納米材料的形貌。

2.2.2 透射電子顯微鏡（TEM）

將樣品超聲分散在乙醇溶液中，滴在銅網(wǎng)的碳膜上干燥，100kV下觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.2.3 比表面積分析（BET）

溫度為77 K下，通過樣品對氮氣的吸附-脫附情況來測試樣品的比表面積和孔徑。

2.3 DMSNs對于溶菌酶的負(fù)載和釋放性能的研究

稱取2 g所制得的DMSNs-FCx-Ry超聲分散于1mL磷酸緩沖溶液（PBS）中，加入2mg·mL-1溶菌酶溶液1mL，將混合溶液在室溫下震蕩2 h，離心分離后得到負(fù)載溶菌酶的DMSNs。用紫外/可見分光光度計于285nm處測定上層清液的吸光度，通過吸附前后吸光度的變化來計算負(fù)載溶菌酶的量。將負(fù)載溶菌酶的DMSNs置于溶菌酶初始濃度相同的磷酸緩沖溶液中震蕩，在固定時間離心分離，于285nm處測定上層清液的吸光度，得到溶菌酶釋放量隨時間的變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 FC2用量的影響

圖1是相同實驗條件下，改變FC2用量所得3種產(chǎn)品的SEM圖。圖1中(a)～(c)分別為DMSNs1、DMSNs2、DMSNs3。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著FC2的用量逐漸變大，所得到的DMSNs的分散性變差。當(dāng)FC2的用量為0.3g時，形成單分散的納米顆粒，球形完整，粒徑大致在200nm左右。隨著用量的增加，開始出現(xiàn)團聚，當(dāng)用量為0.7g時，已經(jīng)看不到完整的球形，說明FC2對于顆粒的形成具有一定的影響。

圖1 不同用量FC所制備的DMSNs掃描電鏡圖Fig.1 The scanning electron microscope of DMSNs prepared with different dosage of FC2

圖2為DMSNs1的投射電鏡圖，從圖中可以清晰地看到，SiO2納米粒子內(nèi)部呈枝狀孔道結(jié)構(gòu)，且孔徑約為23nm。

圖2 DMSNs1的透射電鏡圖Fig.2 The transmission electron microscope of DMSNs1

3.2 TEOS用量變化的影響

圖 3 是 DMSNs4、DMSNs5、DMSNs6（即 TEOS的用量分別為 5.0mmol、7.2mmol、10.0mmol）的氮氣吸附-脫附曲線（A）及孔徑分布圖（B）。從圖中可以看出，TEOS的加入量對介孔的孔徑影響不大，但在低TEOS量條件下合成得到的產(chǎn)物存在二次孔隙[6]。

圖3 氮氣吸附等溫曲線（A）和孔徑分布圖（B）Fig.3 Diagram absorption isotherm (A) and pore size distribution( B)

3.3 FC碳鏈長度、FC/CTAB摩爾比對DMSNs孔徑、粒徑的影響

圖4為DMSNs-FCx-Ry的SEM圖，它們均為單分散的球形納米粒子，但是具有不同的微觀形貌。DMSNs-FC2-R0.4粒徑約為87nm左右，孔徑較小。DMSNs-FC2-R1粒徑大約為160nm，能明顯觀察到放射形枝狀孔道。當(dāng)使用FC2時，為了獲得較大的孔道，必須增加FC2與CTAB的摩爾比，然而，在增大孔道的同時，粒徑也相應(yīng)地增大。DMSNs-FC8-R0.15的普遍粒徑在80nm左右，明顯小于前兩種產(chǎn)品的粒徑，但是放射形枝狀孔道較DMSNs-FC2-R0.4更為明顯。當(dāng)全氟陰離子碳鏈增長時，較少的用量可以得到小粒徑、大孔道的SiO2納米顆粒。

圖4 掃描電鏡圖Fig.4 The scanning electron microscope (SEM)

圖5(A)為3種產(chǎn)品的N2吸脫附曲線，DMSNs-FC2-R0.4在P/P0≈1處出現(xiàn)突躍，這是由于納米粒子間的堆積而發(fā)生毛細(xì)管凝聚，DMSNs-FC2-R1和DMSNs-FC8-R0.15在P/P0≈0.9處出現(xiàn)突躍，說明存在較大介孔。從圖5(B)中BJH 的孔徑分布曲線可以看出，DMSNs-FC2-R0.4在2.4nm處有尖銳的峰，存在較小介孔；DMSNs-FC2-R1在2.7nm處有尖銳的峰，在22.4 nm處有稍寬的峰，表明存在較小介孔和較大介孔；DMSNs-FC8-R0.15在22.2 nm處有尖銳的峰，只存在較大介孔。

圖5 氮氣吸附等溫曲線（A）和孔徑分布圖（ B）Fig.5 Diagram absorption isotherm (A) and pore size distribution ( B)

3.4 DMSNs對于溶菌酶的負(fù)載和釋放性能

從圖6(A)可以看出，DMSNs-FC2-R0.4的負(fù)載量最小，主要是因為它的孔徑尺寸小于溶菌酶的尺寸（1.9nm×2.5nm×4.3nm）[7]，所以對于溶菌酶的吸附主要發(fā)生在納米粒子的表面[8]。由于存在較大介孔，所以DMSNs-FC2-R1的負(fù)載量有所增加。DMSNs-FC8-R0.15的負(fù)載量最大，主要是因為它具有較大介孔及較小粒徑。

從圖6(B)中可以看出，2h內(nèi)，DMSNs-FC2-R0.4表現(xiàn)出對溶菌酶100%的釋放，這主要是因為它對溶菌酶的吸附主要是表面吸附。相反的，DMSNs-FC2-R1和DMSNs-FC8-R0.15具有相似的緩釋模式，在48 h內(nèi)溶菌酶的釋放量約為67%。

圖6 DMSNs溶菌酶負(fù)載量（A）及釋放性能曲線（B）Fig.6 Lysozyme loading capacity of DMSNs(A) and release performance curve(B)

4 結(jié)論

在無油相中使用全氟碳陰離子，合成了具有可調(diào)粒徑和孔徑的枝狀介孔二氧化硅納米顆粒DMSNs。研究了TEOS和FC的用量以及FC的碳鏈長度對DMSNs的孔徑、粒徑的影響，得出了以下的結(jié)論：

1）FC2的用量對產(chǎn)品的分散性和形狀有一定的影響，使用過多會造成產(chǎn)品團聚。

2）TEOS用量在一定范圍內(nèi)，對介孔結(jié)構(gòu)影響不大，但是在低濃度下，會存在二次空隙。

3）合理選擇全氟陰離子碳鏈長度及其與CTAB用量的摩爾比，可以實現(xiàn)對產(chǎn)品粒徑和孔徑的精確調(diào)控。實驗證明小粒徑、大孔徑的DMSNs在負(fù)載和釋放溶菌酶方面表現(xiàn)出良好的性能。

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Abstract:In an oil-free approach, using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as silicon source, triethanolamine (TEA) as catalyst,cetyltrimethylammonium (CTAB) as structure directing agent, sodium tri fl uoroacetate (FC2) and sodium per fl uorooctanoate (FC8)as additive, interact with CTAB, dendritic mesoporous silica nanoparticles (DMSNs) with fi ne grain size and fi ne pore size was synthesized. The effect of TEOS and FC amount and the carbon chain length of FC on the pore size and grain size of DMSNs were investigated. The results showed that the amount of TEOS had little effect on the microstructure of the product. DMSNs could be synthesized with large pore size and small diameter with FC8 as additive and the molar ratio of FC8 to CTAB was 0.15. By loading and releasing lysozyme, it was found that the DMSNs with this microstructure had the largest load and slow release rate, and had excellent load and release performance.

Key words:dendritic mesoporous silica nanoparticles; per fl uorocarbon anion; in oil-free approach; load and release performance

Synthesis and Load Release Properties of Dendritic Mesoporous Silica Nanoparticles

TAN Yalong, DU Yueyuan, LIN Meng, SHI Mengmeng, BAO Xiangning, LI Weiwei, ZHOU Yingmei

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221108,China)

TQ 424.26

A

1671-9905(2017)09-0018-04

徐州工程學(xué)院省級實驗示范中心專項經(jīng)費項目

周穎梅（1975-），女，江蘇徐州人，實驗師，主要研究方向為納米材料的合成。E-mail: hgzym2012@163.com

2017-06-07