枝状介孔二氧化硅纳米颗粒的制备及载释性能测试

谭亚龙，杜月媛，林 萌，史猛猛，鲍相凝，李伟伟，周颖梅

（徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221018）

枝状介孔二氧化硅纳米颗粒的制备及载释性能测试

谭亚龙，杜月媛，林 萌，史猛猛，鲍相凝，李伟伟，周颖梅

（徐州工程学院化学化工学院，江苏 徐州 221018）

采用非油相法，以正硅酸乙酯（TEOS）为硅源，三乙醇胺（TEA）为催化剂，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为结构导向剂，以具有低表面张力的三氟乙酸钠（FC2）、全氟辛酸钠（FC8）为添加剂，与CTAB相互作用，合成了粒径、孔径可微调的枝状介孔二氧化硅纳米粒子（DMSNs）。研究了TEOS和FC的用量以及FC的碳链长度对DMSNs的孔径、粒径大小的影响。结果发现，TEOS的用量对于产品的微观结构影响不大。选择FC8作为添加剂，当FC8与CTAB的摩尔比为0.15时，可以合成大孔径、小粒径的DMSNs。通过负载和释放溶菌酶实验发现，具有这种微观结构的DMSNs具有最大的负载量及缓慢的释放速率，负载释放性能好。

枝状介孔二氧化硅纳米颗粒；全氟阴离子；无油相；负载载释放性能

近年来，为抵制微生物感染对人类健康的影响，抗生素的过度使用已经达到了一个临界水平，由此引发的多药耐药性及各种副作用引起了人们的高度重视，而新型抗菌药的研发也成为最新的挑战。溶菌酶[1]是广泛存在于自然界的一种天然酶，对革兰氏阳性菌具有抗菌活性[2]，然而溶菌酶的稳定性差，与细菌表面的亲和力差，导致它的抑菌效果不理想，在实际使用中必须加大溶菌酶的用量，如此也提高了成本，极大地限制了溶菌酶的广泛使用。

酶固定化是一种提高溶菌酶稳定性和有效性的好办法[3]。研究发现，小粒径、大孔径的载体能更好地承载和缓释如溶菌酶、DNA这一类大生物分子[4]。其中介孔SiO2由于具有很好的生物相容性及微观结构可调的优点，成为最有发展前途的载体。然而传统的制备方法都是在油-水双相系统中完成，制备过程繁琐，且有毒化学试剂会破坏所负载的溶菌酶活性。

全氟阴离子的氟化碳链具有疏水性[5]，有利于形成较大孔径的DMSNs，另外，它还具有相对较低的表面张力，能够降低产物的粒径。本研究利用全氟阴离子和阳离子表面活性剂的相互作用，在无油相中合成结构可控的DMSNs，研究了原料比及全氟阴离子碳链长度对产物微观结构的影响，并比较了它们对于溶菌酶的负载和释放情况，为抗菌药物领域制备可满足不同要求的药物载释载体提供研究依据。

1 实验试剂和仪器设备

1.1 实验试剂

十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，AR)，三乙醇胺 (TEA，AR)，正硅酸乙酯 (TEOS，AR)，三氟乙酸钠(FC2，AR)，全氟乙辛酸钠 (FC8，AR)，溶菌酶 (AR)。实验用水为自制蒸馏水。

1.2 仪器设备

梅特勒-托利多EL204型电子天平，pHS-25型数显pH计，DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，80-2离心机，723C紫外/可见分光光度计，JSM-6510型发射扫描电子显微镜，JEM-2100F透射电子显微镜，ASAP 2020型比表面积分析仪，sx2-5-12型马弗炉。

2 实验部分

2.1 DMSNs的制备

准确移取7.5mL三乙醇胺（TEA）至装有200mL蒸馏水的烧杯中，加入380mg十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），再加入一定量的三氟乙酸钠（FC2），烧杯上方用玻璃片盖住以隔绝空气，置于80℃恒温水浴中，磁力搅拌1h后添加一定量正硅酸乙酯（TEOS），继续搅拌2h，得到乳白色悬浊液。反应结束后，将溶液离心分离，得到白色固体。将白色固体放入马弗炉中，600℃下焙烧6 h，除去表面活性剂，得到 DMSNs。

为研究FC2和TEOS对产品微观结构的影响，相同实验条件下，分别加入 0.3g、0.7g、0.9g的FC2，将得到的3种DMSNs分别标记为DMSNs1、DMSNs2、DMSNs3。固定FC2质量，改变TEOS用量，将所得产品分别标记为DMSNs4、DMSNs5、DMSNs6。为了比较全氟阴离子碳链长度以及其与CTAB的摩尔比对DMSNs孔径、粒径的影响，分别以三氟乙酸钠（FC2）、全氟辛酸钠（FC8）在相同实验条件下制备了3组DMSNs-FCx-Ry，其中x、y分别代表FC碳链长度和FC与CTAB用量的摩尔比。这3组产品标记为DMSNs-FC2-R0.4、DMSNs-FC2-R1、DMSNs-FC8-R0.15。

2.2 DMSNs的表征

2.2.1 扫描电子显微镜（SEM）

将样品超声分散在乙醇溶液中，滴在导电碳膜的铝箔上并固定于扫描电子显微镜底座上，观察介孔二氧化硅纳米材料的形貌。

2.2.2 透射电子显微镜（TEM）

将样品超声分散在乙醇溶液中，滴在铜网的碳膜上干燥，100kV下观察产品的内部结构。

2.2.3 比表面积分析（BET）

温度为77 K下，通过样品对氮气的吸附-脱附情况来测试样品的比表面积和孔径。

2.3 DMSNs对于溶菌酶的负载和释放性能的研究

称取2 g所制得的DMSNs-FCx-Ry超声分散于1mL磷酸缓冲溶液（PBS）中，加入2mg·mL-1溶菌酶溶液1mL，将混合溶液在室温下震荡2 h，离心分离后得到负载溶菌酶的DMSNs。用紫外/可见分光光度计于285nm处测定上层清液的吸光度，通过吸附前后吸光度的变化来计算负载溶菌酶的量。将负载溶菌酶的DMSNs置于溶菌酶初始浓度相同的磷酸缓冲溶液中震荡，在固定时间离心分离，于285nm处测定上层清液的吸光度，得到溶菌酶释放量随时间的变化情况。

3 结果与讨论

3.1 FC2用量的影响

图1是相同实验条件下，改变FC2用量所得3种产品的SEM图。图1中(a)～(c)分别为DMSNs1、DMSNs2、DMSNs3。通过对比可以发现，随着FC2的用量逐渐变大，所得到的DMSNs的分散性变差。当FC2的用量为0.3g时，形成单分散的纳米颗粒，球形完整，粒径大致在200nm左右。随着用量的增加，开始出现团聚，当用量为0.7g时，已经看不到完整的球形，说明FC2对于颗粒的形成具有一定的影响。

图1 不同用量FC所制备的DMSNs扫描电镜图Fig.1 The scanning electron microscope of DMSNs prepared with different dosage of FC2

图2为DMSNs1的投射电镜图，从图中可以清晰地看到，SiO2纳米粒子内部呈枝状孔道结构，且孔径约为23nm。

图2 DMSNs1的透射电镜图Fig.2 The transmission electron microscope of DMSNs1

3.2 TEOS用量变化的影响

图 3 是 DMSNs4、DMSNs5、DMSNs6（即 TEOS的用量分别为 5.0mmol、7.2mmol、10.0mmol）的氮气吸附-脱附曲线（A）及孔径分布图（B）。从图中可以看出，TEOS的加入量对介孔的孔径影响不大，但在低TEOS量条件下合成得到的产物存在二次孔隙[6]。

图3 氮气吸附等温曲线（A）和孔径分布图（B）Fig.3 Diagram absorption isotherm (A) and pore size distribution( B)

3.3 FC碳链长度、FC/CTAB摩尔比对DMSNs孔径、粒径的影响

图4为DMSNs-FCx-Ry的SEM图，它们均为单分散的球形纳米粒子，但是具有不同的微观形貌。DMSNs-FC2-R0.4粒径约为87nm左右，孔径较小。DMSNs-FC2-R1粒径大约为160nm，能明显观察到放射形枝状孔道。当使用FC2时，为了获得较大的孔道，必须增加FC2与CTAB的摩尔比，然而，在增大孔道的同时，粒径也相应地增大。DMSNs-FC8-R0.15的普遍粒径在80nm左右，明显小于前两种产品的粒径，但是放射形枝状孔道较DMSNs-FC2-R0.4更为明显。当全氟阴离子碳链增长时，较少的用量可以得到小粒径、大孔道的SiO2纳米颗粒。

图4 扫描电镜图Fig.4 The scanning electron microscope (SEM)

图5(A)为3种产品的N2吸脱附曲线，DMSNs-FC2-R0.4在P/P0≈1处出现突跃，这是由于纳米粒子间的堆积而发生毛细管凝聚，DMSNs-FC2-R1和DMSNs-FC8-R0.15在P/P0≈0.9处出现突跃，说明存在较大介孔。从图5(B)中BJH 的孔径分布曲线可以看出，DMSNs-FC2-R0.4在2.4nm处有尖锐的峰，存在较小介孔；DMSNs-FC2-R1在2.7nm处有尖锐的峰，在22.4 nm处有稍宽的峰，表明存在较小介孔和较大介孔；DMSNs-FC8-R0.15在22.2 nm处有尖锐的峰，只存在较大介孔。

图5 氮气吸附等温曲线（A）和孔径分布图（ B）Fig.5 Diagram absorption isotherm (A) and pore size distribution ( B)

3.4 DMSNs对于溶菌酶的负载和释放性能

从图6(A)可以看出，DMSNs-FC2-R0.4的负载量最小，主要是因为它的孔径尺寸小于溶菌酶的尺寸（1.9nm×2.5nm×4.3nm）[7]，所以对于溶菌酶的吸附主要发生在纳米粒子的表面[8]。由于存在较大介孔，所以DMSNs-FC2-R1的负载量有所增加。DMSNs-FC8-R0.15的负载量最大，主要是因为它具有较大介孔及较小粒径。

从图6(B)中可以看出，2h内，DMSNs-FC2-R0.4表现出对溶菌酶100%的释放，这主要是因为它对溶菌酶的吸附主要是表面吸附。相反的，DMSNs-FC2-R1和DMSNs-FC8-R0.15具有相似的缓释模式，在48 h内溶菌酶的释放量约为67%。

图6 DMSNs溶菌酶负载量（A）及释放性能曲线（B）Fig.6 Lysozyme loading capacity of DMSNs(A) and release performance curve(B)

4 结论

在无油相中使用全氟碳阴离子，合成了具有可调粒径和孔径的枝状介孔二氧化硅纳米颗粒DMSNs。研究了TEOS和FC的用量以及FC的碳链长度对DMSNs的孔径、粒径的影响，得出了以下的结论：

1）FC2的用量对产品的分散性和形状有一定的影响，使用过多会造成产品团聚。

2）TEOS用量在一定范围内，对介孔结构影响不大，但是在低浓度下，会存在二次空隙。

3）合理选择全氟阴离子碳链长度及其与CTAB用量的摩尔比，可以实现对产品粒径和孔径的精确调控。实验证明小粒径、大孔径的DMSNs在负载和释放溶菌酶方面表现出良好的性能。

[1] 陈艳，江明锋，叶煜辉，刘勇涛，李生伟. 溶菌酶的研究进展[J]. 生物学杂志，2009(2)：64-66.

[2] L. L. Li, H.Wang. Antibacterial Agents: Enzyme-Coated Mesoporous Silica Nanoparticles as Efficient Antibacterial Agents In Vivo[J], Adv. Healthc. Mater., 2013(2): 1351-1360.

[3] 薛建跃. 酶固定化及应用研究进展[J]. 巢湖学院学报，2010(6)：82-88.

[4] C.Xu, M.Yu, O.Noonan, et al. Core-Cone Structured Monodispersed Mesoporous Silica Nanoparticles with Ultralarge Cavity for Protein Delivery[J]. Small, 2016, 44(11):5949-5955.

[5] 张创. 新型氟碳表面活性剂的合成与性能研究[D].武汉：湖北大学，2013.

[6] 杨晓芬.纳米二氧化硅及其应用现状和发展前景[J].内蒙古石油化工，2011(18)：26-27.

[7] A. Salis, F. Cugia, D. F. Parsons, B. W. Ninham, M.Monduzzi.Hofmeister series reversal for lysozyme by change in pH and salt concentration: insights from electrophoretic mobility measurements[J]. Phys. Chem. Chem. Phys., 2012(14): 4343-4346.

[8] K.C. Kao, T.S. Lin, C.Y. Mou. Enhanced Activity and Stability of Lysozyme by Immobilization in the Matching Nanochannels of Mesoporous Silica Nanoparticles[J]. J Phys.Chem. C, 2014, 118: 6734-6743.

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

徐州工程学院省级实验示范中心专项经费项目

周颖梅（1975-），女，江苏徐州人，实验师，主要研究方向为纳米材料的合成。E-mail: hgzym2012@163.com

2017-06-07