碳微球对中空ZnO结构和药物缓释性能的影响

刘俊莉， 王　敏, 惠爱平

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安　710021; 2.昆山国显光电有限公司， 江苏 昆山　215300； 3.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安　710021)



碳微球对中空ZnO结构和药物缓释性能的影响

刘俊莉1， 王敏2, 惠爱平3

(1.陕西科技大学 材料科学与工程学院， 陕西 西安710021; 2.昆山国显光电有限公司， 江苏 昆山215300； 3.陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安710021)

摘要：以碳微球为模板制备中空ZnO微球，接着采用浸渍法将防霉剂填充在中空ZnO微球中，同时对其在水中的缓释效果进行了研究.采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了反应时间和葡萄糖浓度对碳微球形貌的影响，以及不同碳微球模板对中空ZnO微球形貌和结构的影响.SEM和TEM测试结果表明：采用水热法成功地制备了尺寸为50～200 nm的碳微球和40 nm左右的中空ZnO微球.缓释实验结果表明：载药中空ZnO微球从1 h到9 h释放的防霉剂浓度从0.008 3 mg/mL增加到0.021 4 mg/mL，缓释效果明显.

关键词：水热合成； 碳微球； 中空ZnO微球； 药物缓释

0引言

纳米材料是介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次，对材料的物性起着决定性作用.随着人们对于微观世界的探索和认识，纳米材料的研究引起人们广泛的兴趣.作为纳米材料的一种，中空微球不仅具有常规纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，而且空心结构的存在，使其具有大的比表面积、小的密度、良好的绝缘性和过滤性[1-3]，被广泛地应用于光电及气敏领域、催化及光催化领域、化工及生物等领域.由于中空微球具有明显核壳结构和巨大的内部空间，因此可以利用其中空结构对药物进行包覆，将其作为药物的载体来实现药物的控释或缓释.这样，不但可以获得准确的治疗定位和集中的治疗效果，而且副作用小且药物持续作用的时间长[4-6].与实心粒子相比, 中空微球使用最少的骨架物质传送最多的药物，有效减少骨架物质在体内的代谢量和时间，减轻胆、肾等器官的负担，在肿瘤和骨科疾病治疗等方面可以起到一定的积极作用[7].

ZnO是一种典型的n型宽带隙半导体材料，在光电转换、气敏元件等许多领域都起着很重要的作用.近年来，人们尝试采用不同的原料和不同的制备方法，以期获得形貌独特、性能优异的纳米ZnO材料, 已相继制备出ZnO纳米棒[8]、纳米环[9]、纳米管[10]、纳米花[11]、六角形状的纳米片以及一维ZnO纳米棒阵列[12]、中空微球[13]等.目前，有关不同结构的纳米ZnO在药物缓释体系中的应用已有研究报道.Jian Liu等[14]通过ATRP引发聚合法在球形ZnO表面接枝聚(N-异丙基丙烯酰胺)，成功地制备了具有pH和温度响应功能的ZnO/聚(N-异丙基丙烯酰胺)杂化材料，并将其应用于抗癌药物阿霉素的缓释体系.Tong Chen等[15]以ZnO量子点-Au复合粒子为核，两亲性聚合物为壳，制备了具有核壳结构的纳米载体应用于药物缓释体系中.Q.Yuan等[16]采用壳聚糖封装纳米ZnO量子点应用于肿瘤靶向药物的缓释体系中.但是，目前有关中空结构ZnO作为药物缓释载体的研究还鲜见报道.

本研究即是基于以上研究背景，首先采用传统水热法以葡萄糖为碳源制备碳微球，再以碳微球为模板制备中空ZnO微球；接着采用浸渍法将防霉剂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对中空ZnO微球形貌的影响，并对载药ZnO微球的药物释放情况进行研究，为其在生物医学领域的应用奠定理论和实践的基础.

1实验部分

1.1原料

葡萄糖(分析纯，天津市盛奥化学试剂有限公司),乙酸锌(分析纯，天津市红岩化学试剂厂),无水乙醇(分析纯，天津市红岩化学试剂厂)，防霉剂2-硫氰基甲基硫代苯并噻唑(工业级，广州圣时立贸易有限公司).

1.2碳微球的制备

首先，将葡萄糖溶于水中形成一定浓度的溶液，然后将其转移至100 mL的水热反应釜中，反应一定时间，产物经离心分离，水洗、醇洗3次，干燥后即得碳微球.

1.3中空ZnO微球的制备

将步骤1.2中所制备的碳微球和醋酸锌水溶液混合，超声一定时间，陈化12 h后离心分离，用去离子水和无水乙醇分别洗涤3次，干燥之后，煅烧即可得到中空ZnO微球.

1.4载药中空ZnO微球的制备

将步骤1.3中所得中空ZnO微球在一定浓度的防霉剂水溶液中浸渍24 h，然后离心分离倒出上清液，将中空ZnO微球在室温下干燥，即得载药纳米ZnO微球.

1.5检测与表征

将样品超声分散在乙醇中，取一滴，将其滴于铝箔上，室温干燥后，采用S-4800场发射扫描电子显微镜(日本日立公司)对产物的形貌进行表征，工作电压为5.0 KV.

采用TU-1900型双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)通过光谱扫描确定防霉剂水溶液的最大吸收波长，在最大吸收波长处测定一系列浓度梯度溶液的吸光度，根据所测结果绘制浓度和吸光度的标准曲线并得到线性拟合方程.接着，将所得载药中空ZnO置于含10 mL去离子水的离心管中，每隔一定时间移取2 mL上清液加水定容为10 mL，用紫外可见分光光度计测上清液的吸光度，并根据标准曲线拟合方程算出药物释放的浓度.

2结果与讨论

2.1反应条件对碳微球结构的影响

图1为不同反应时间下所得碳微球的扫描电镜照片.由图1可知，碳微球的球形度和粒径均一度随水热时间的增加而增大.当水热反应时间为8 h时(如图1(a)所示)，碳微球粒径大小不一，其尺寸在50～120 nm之间，球体交联度较小.当反应时间为12 h时(如图1(b)所示)，所得碳微球的粒径为100 nm左右，但体系中仍存在一些尺寸较小的碳微球.当反应时间延长为16 h时(如图1(c)所示)，所得碳微球的粒径在100 nm左右，粒径较为均一.由图1(d)可以看出，当水热反应时间为20 h时，碳微球尺寸达到200 nm左右，且交联度较高.上述结果表明：水热反应时间既影响碳微球形貌，又影响粒径的大小.这可能是因为本反应是在高压反应釜中无搅拌的条件下进行的，当反应时间较短时，液体流动不足，传热不及时，反应釜局部过热，导致碳微球生长不均匀且粒径较小；但是，随着反应时间的增加，碳微球生长充分，使得其粒径增大且趋向均匀.

(a)8 h (b)12 h (c)16 h (d)20 h图1　不同水热时间下所制备碳微球的SEM照片

(a)0.5 mol/L (b)1 mol/L (c) 1.25 mol/L图2　不同葡糖糖浓度所制备碳微球的SEM照片

图2为采用不同浓度葡萄糖溶液所制备碳微球的SEM照片.由图2可知，当葡萄糖浓度为0.5 mol/L时, 碳微球的粒径在100～150 nm左右，表面光滑，球形结构完整，碳微球之间的交联较少.当葡萄糖浓度为1 mol/L、1.25 mol/L时，碳微球的粒径为150～200 nm，表面粗糙度增加，有凸起和凹槽的存在，球体的球形度较低且相互交联现象严重，碳微球间倾向于相互连接成链状.这主要是因为单位体积内葡萄糖单体或低聚物浓度的增加使得反应更易进行，碳微球的平均粒径增大；但是，单位体积内的晶核数及粒径的增加导致晶核生长空间的减小，增加了晶核之间的碰撞，进而增加了碳微球相互间的交联.

2.2碳微球对中空ZnO形貌及结构的影响

2.2.1不同反应时间所得碳微球对中空ZnO微球的影响

图3是以不同反应时间所得碳微球为模板制备中空ZnO的SEM照片.由图3(a)可知，以水热反应8 h所得的碳微球为模板，制备的ZnO微球粘连在一起的现象比较严重，且ZnO微球大小不一；而以水热反应12 h所得的碳微球为模板，所制得的ZnO微球球形结构较为规则，粘连在一起的现象有所减弱(如图3(b)所示)；当以水热反应16 h所得的碳微球为模板，所制得ZnO微球尺寸均一，通过放大图可以看出ZnO微球表面比较粗糙(如图3(c)所示)，且ZnO粒子的TEM照片结果如图4所示：粒子周围为深黑色，内部为浅灰色，中空结构较明显.而以水热反应20 h所得碳微球为模板，制备的ZnO微球有明显的粘连现象，ZnO微球表面比较光滑.上述实验结果表明：无论是以何种反应时间所得的碳微球为模板，所得ZnO微球尺寸均在40 nm左右，其尺寸远远小于碳微球模板(50～200 nm左右).这可能是由于碳微球松散的交联结构进一步脱水所致.由于胶体碳微球含有大量的羟基，故其表面带有大量的负电荷，非常容易吸附溶液中的Zn2+，使Zn2+在碳微球表面聚集，形成锌碳前驱体，通过高温煅烧，锌碳前驱体内部的碳核骨架被氧化为气体CO2和H2O溢出，而Zn2+则形成ZnO纳米颗粒的晶核并不断吸附反应体系中新生成的ZnO，ZnO粒子随着碳微球尺寸的减小围绕其表面聚集.当ZnO纳米颗粒组成的空心球壳骨架形成后，空壳的尺寸不再发生明显变化，而内部碳骨架继续氧化，直至完全除去.

(a)8 h (b)12 h (c)16 h (d)20 h图3　以不同反应时间所得碳微球为模板制备中空ZnO的SEM照片

图4　以水热反应时间16 h所得碳微球为模板制备中空ZnO的TEM照片

2.2.2不同葡萄糖浓度所得碳微球对中空ZnO微球的影响

图5是以不同葡萄糖浓度所得碳微球为模板，制备的中空ZnO微球SEM照片.从图5可以看出，当葡萄糖浓度为0.5 mol/L时，ZnO微球粘连现象不明显；而以浓度为1 mol/L和1.25 mol/L葡萄糖溶液制备的碳微球为模板，所得ZnO微球之间粘连现象特别明显.上述实验结果与碳微球本身的粘连现象相吻合，且随着葡萄糖浓度的增加，ZnO微球的尺寸进一步增大.因此，为获得球形形貌比较完整的ZnO微球，最终选用0.5 mol/L的葡萄糖溶液制备碳微球.

(a)0.5 mol/L (b)1 mol/L (c)1.25 mol/L图5　以不同葡萄糖浓度所得碳微球为模板所制备中空ZnO微球SEM照片

2.3中空ZnO微球的药物缓释性能

图6是所得载药中空ZnO微球对防霉剂溶液在不同时间的释放曲线.由图6可知，随着释放时间的延长，防霉剂浓度逐渐升高.中空ZnO微球中防霉剂在1 h内的释放速度较快，可能是由于吸附在中空ZnO微球表面的药物的脱附现象，2 h之后释放速度变缓慢，可能是空腔内部的药物开始沿着壳层的孔道向外释放，约在5 h之后，药物还有释放趋势，缓释效果明显.

图6　所得载药中空ZnO微球对防霉剂溶液的释放曲线

3结 论

采用传统水热技术通过控制水热反应时间和葡萄糖浓度，获得了尺寸在50～200 nm的碳微球；并以所得碳微球为模板，成功地制备了尺寸在40 nm左右的中空ZnO微球.药物缓释实验结果表明：载药中空ZnO微球从1 h到9 h释放的防霉剂浓度从0.008 3 mg/mL增加到0.021 4 mg/mL，缓释效果明显.

参考文献

[1] Jun Zhang,Shurong Wang,Yan Wang,et al.ZnO hollow spheres:Preparation, characterization,and gas sensing properties[J].Sensors and Actuators.B,2009,139:411-417.

[2] Ziwei Deng,Min Chen,Guangxin Gu,et al.A facile method to fabricate ZnO hollow spheres and their photocatalytic property[J].J.Phys.Chem.B,2008,112:16-22.

[3] Han Zhou,Tongxiang Fan,Di Zhang.Hydrothermal synthesis of ZnO hollow spheres using spherobacterium as biotemplates[J].Microporous and Mesoporous Materials,2007,100:322-327.

[4] Faheem Muhammad,Mingyi Guo,Wenxiu Qi,et al.Ph-triggered controlled drug release from mesoporous silica nanoparticles via intracelluar dissolution of ZnO nanolids[J].J.Am.Chem.Soc.,2011,133:8 778-8 781.

[5] Hongjin Qiu,Bin Cui,Guangming Li.Novel Fe3O4@ZnO@mSiO2nanocarrier for targeted drug delivery and controllable release with microwave irradiation[J].J.Phys.Chem.C,2014,118：14 929-14 937.

[6] 李亮,朱英杰,曹少文,等.碳酸钙纳米结构多孔空心微球的制备及其药物缓释性能研究[J].无机材料学报,2009,24(1):166-170.

[7] Q.Yuan,S.Hein,R.D.K.Misra.New generation of chitosan-encapsulated ZnO quantum dots loaded with drug:synthesis,characterization and in vitro drug delivery response[J].Acta Biomaterialia,2010,6:2 732-2 739.

[8] Xiang Wu,Fengyu Qu,Xu Zhang,et al.Fabrication of ZnO ring-like nanostructures at a moderate temperature via a thermal evaporation process[J].Journal of Alloys and Compounds,2009,486:13-16.

[9]Anukorn Phuruangrat,Titipun Thongtem,Somchai Thongtem.Microwave-assisted synthesis of ZnO nanostructure flowers[J].Materials Letters,2009,63:1 224-1 226

[10] Zhou Xingfu,Hu Zhaolin,Fan Yiqun,et al.Microspheric organization of multilayered ZnO nanosheets with hierarchically porous structures[J].J.Phys.Chem.C,2008,112:11 722-11 728.

[11] Jianzhong Ma,Junli Liu,YanBao,et al.Morphology-photocatalytic properties-growth mechanism for ZnO nanostructures via microwave-assisted hydrothermal synthesis[J].Crystal Research and Technology,2013，48(4):251-260.

[12] G.X.Qin,Q.Zou,B.Dong,et al.Pipelined fl ash-synthesis of patterned ZnO nanoarrays and nanodevices[J].Ceramics International,2014,40:9 671-9 674.

[13] Li Z Q,Xie Y,Xiong Y J,et al.A novel non-template solution approach to fabricate ZnO hollow spheres with a coordination polymer as a reactant[J].New J Chem,2003,27(10):1 518-1 521．

[14] Jian Liu,Licheng Tan,Weihua Zhou,et al.A novel thermal and pH responsive drug delivery system based on ZnO@PNIPAM hybrid nanoparticles[J].Materials Science & Engineering C,2014,45:524-529.

[15] Tong Chen,Tong Zhao,Dongfeng Wei,et al.Core-shell nanocarriers with ZnO quantum dots-conjugated Au nanoparticle for tumor-targeted drug delivery[J].Carbohydrate Polymers,2013,92:1 124-1 132.

[16] Q.Yuan,S.Hein,R.D.K.Misra.New generation of chitosan-encapsulated ZnO quantum dots loaded with drug:synthesis,characterization and in vitro drug delivery response[J].Acta Biomaterialia,2010,6:2 732-2 739.

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

中图分类号：TQ050.4

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)01-0062-04

作者简介:刘俊莉(1986-)，女，陕西西安人，讲师，博士，研究方向：有机/无机复合功能涂层材料、环境催化材料

基金项目：陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目(2014JQ6209)； 陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1110); 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ13-23)

收稿日期:*2014-10-09