一种高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒及其制备与应用

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒及其制备与应用。

背景技术

生物活性玻璃(bioactive glass,BG)是基于Si-Ca-P体系，应用于骨、齿、皮肤等组织修复的一类无机生物材料。其具有良好的生物相容性，易与骨组织及软组织发生化学键合，同时其溶出的离子可以促进骨细胞的增殖、分化以及内皮细胞增殖等生物响应,受到了研究者们广泛的关注。相对于传统溶胶－凝胶生物活性玻璃，介孔生物活性玻璃(mesoporous bioactive glass,MBG)具有高度有序的介孔孔道、超大的比表面积，展现出更加优异的生物活性，因此在生物医药领域具有巨大的应用潜力。

然而，目前报道的有序介孔生物活性玻璃材料仅局限于块体材料，而纳米颗粒的有序度较差，限制了其在生物医药领域的进一步应用。最重要的是，由于对自组装过程的认识不足，目前所报道的制备方法均不能实现对其形貌、尺寸的精确调控。因此，通过简单可控的方法，精细制备具有有序介观结构、形貌和尺寸可调的有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒具有重要的科研意义与应用价值。

如中国专利ZL 201910054427.2公开了一种纳米级球形生物活性玻璃及其制备方法，包括以下步骤：(1)将表面活性剂溶于混合溶剂中，得到混合溶液，加入碱性催化剂调节混合溶液的PH值，得到碱性混合液；(2)在步骤(1)中得到的碱性混合液中依次加入硅源、钙源和磷源，每次加入后均进行持续高速搅拌，得到生物活性玻璃溶胶状液体；(3)将步骤(2)中得到的生物活性玻璃溶胶状液体洗涤，得到湿态凝胶沉淀，然后放入烘箱中干燥，得到生物活性玻璃粉末；(4)经过洗涤和烘干后，将得到的生物活性玻璃粉末放置于高温炉中热处理，得到纳米级球形生物活性玻璃。该专利所制备的纳米级生物活性玻璃形貌为单一球形，不能实现对其形貌和尺寸的精确调控，限制了其在生物医药领域的应用范围和方向；所制备的生物活性玻璃微球并无清晰可见的介观结构，有序度差，无序的介孔孔道会阻碍离子溶出进程，降低其生物活性。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒及其制备与应用，以填补高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒的空白，解决现有技术中纳米颗粒形貌、尺寸可控性差的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：

(1)将阳离子表面活性剂、氨水依次溶于水中，得到澄清溶液，再将正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯及钙盐一并加入澄清溶液中，搅拌反应；

(2)反应结束后，离心、洗涤、烘干，再热处理，得到高度有序的介孔生物活性玻璃纳米颗粒，即为目标产物。

进一步的，步骤(1)中，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵中的任一种。

进一步的，步骤(1)中，阳离子表面活性剂的用量满足：其在澄清溶液中的浓度为0.01～10wt％。

进一步的，步骤(1)中，氨水的用量满足：其在澄清溶液中的浓度为0.01～10wt％。

进一步的，步骤(1)中，正硅酸四乙酯的用量满足：其在澄清溶液中的浓度为0.01～10wt％。

进一步的，步骤(1)中，磷酸三乙酯的用量满足：其在澄清溶液中的浓度为0.01～10wt％。

进一步的，步骤(1)中，所述钙盐为硝酸钙、氯化钙、硫酸钙中的任一种。

进一步的，步骤(1)中，钙盐的用量满足：其在反应体系中的浓度为0.01～10wt％。

进一步的，步骤(1)中，搅拌反应的温度为10～40℃，时间为18～30h。

进一步的，步骤(2)中，热处理在空气气氛下进行，其温度为500～900℃，时间为2～4h。

本发明的技术方案之二提供了一种高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒，其采用如上任一所述的制备方法制备得到，该纳米颗粒的孔道为有序介孔孔道，孔径均一。

本发明的技术方案之三提供了高度有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒在制备用于生物医疗领域的无机生物材料中的应用。

在反应初始阶段，阳离子表面活性剂在碱性水溶液中充分分散溶解，形成胶束。紧接着，在加入硅源、磷源、钙源之后，硅酸盐阴离子等骨架前驱体与阳离子表面活性剂通过静电库仑力发生相互作用，在界面区域发生水解交联，改变了无机层的电荷密度，使得表面活性剂的长链相互接近，无机物种和有机物种之间的电荷匹配控制了表面活性剂的排列方式。反应的进行将进一步改变无机层的电荷密度，整个无机-有机的固相组成也随之而改变，最终的物相则由反应进行的程度和表面活性剂电荷匹配的组装程度决定。通过对反应物浓度的调控，可以改变无机物种与表面活性剂之间的电荷匹配程度，操控复合胶束的组装行为，从而实现对所制备介孔纳米颗粒的有序度、形貌、尺寸等参数的精确调控。最后，经过高温煅烧过程，纳米颗粒脱去表面活性剂，即可得到具有高度有序介观结构的生物活性玻璃纳米颗粒。

此外，本发明还对反应过程中的工艺条件，如反应的温度、各原料的质量比等类似工艺条件进行了限定，是为了精确调控胶束的形成、定向组装等过程，如果超出该限定范围，纳米颗粒的结构、走向、尺寸均会失去控制。

与现有技术相比，本发明制备的介孔纳米颗粒具有高度有序排列的介观结构、超高的比表面积和大的孔体积。同时，所提供的方法可以精确控制胶束的组装行为，从而不仅可以得到高度有序的介观结构，还可以调控纳米颗粒的形貌和尺寸。

附图说明

图1本发明制备的二维六方相介孔生物活性玻璃纳米颗粒的扫描电镜图。

图2本发明制备的二维六方相介孔生物活性玻璃纳米颗粒的透射电镜图。

图3本发明制备的介孔生物活性玻璃微球(直径约150nm)的扫描电镜图。

图4本发明制备的介孔生物活性玻璃微球(直径约150nm)的透射电镜图。

图5本发明制备的介孔生物活性玻璃微球(直径约100nm)的扫描电镜图。

图6本发明制备的介孔生物活性玻璃微球(直径约100nm)的透射电镜图。

图7本发明制备的超小(直径约30nm)介孔生物活性玻璃微球的扫描电镜图。

图8本发明制备的超小(直径约30nm)介孔生物活性玻璃微球的透射电镜图。

图9本发明制备的空心介孔生物活性玻璃微球(直径约50nm)的扫描电镜图。

图10本发明制备的空心介孔生物活性玻璃微球(直径约50nm)的透射电镜图。

图11本发明制备的梭形介孔生物活性玻璃纳米颗粒的扫描电镜图。

图12本发明制备的梭形介孔生物活性玻璃纳米颗粒的透射电镜图。

图13本发明制备的无序生物活性玻璃纳米颗粒的扫描电镜图。

图14本发明制备的无序生物活性玻璃纳米颗粒的透射电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

将十六烷基三甲基氯化铵、氨水在水中充分溶解，形成澄清溶液，其中，十六烷基三甲基氯化铵的质量分数为1％，氨水的质量分数为0.5％。再加入正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、氯化钙，满足正硅酸四乙酯在反应体系中的质量分数为1％，磷酸三乙酯在反应体系中的质量分数为0.1％，氯化钙在反应体系中的质量分数为0.6％，搅拌均匀，反应24小时。反应结束后，用乙醇和水交替离心洗涤样品，100℃烘干。将产物在700℃条件下焙烧3小时后即得所需有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒。(在计算上述各原料的添加量时，不考虑加入过程中各原料之间的相互反应)

通过实施例1所制备颗粒的扫描电镜图(图1)，可以观察到纳米颗粒呈现规则形状，侧面柱状介孔孔道清晰可见，粒径约100nm，透射电镜图片(图2)进一步证实了其具有高度开放可及的二维六方相介观结构，介孔孔径约为2.7nm。此外，通过调节前驱体溶液的浓度，可以实现对其形貌和尺寸的精确调控。

首先，保持其它前驱体浓度不变，只增加表面活性剂浓度(例如，质量分数2％)可形成直径约150nm介孔生物活性玻璃微球(图3和图4)，进一步减少体系中钙源前驱体的浓度(例如，质量分数为0.4％和0.2％)，介孔微球的直径可以实现100nm(图5和图6)至30nm(图7和图8)的精确调控，通过扫描及透射电镜结果还可以清晰地观察到，不同直径的介孔微球均拥有有序的介观结构，表明这种方法具有高度的可控性。

此外，保持其它前驱体浓度不变，提高表面活性剂(例如，质量分数2％)和钙源浓度(例如，质量分数1.2％)，可以形成直径约50nm的空心有序介孔微球(图9和10)。如果在提高表面活性剂(例如，质量分数2％)、钙源浓度(例如，质量分数1.2％)的同时提高硅源浓度(例如，质量分数2％)，则可以形成长轴直径约250nm的梭形有序介孔纳米颗粒(图11和图12)。这种通过对前驱体浓度的调控从而实现对其形貌、尺寸精确调控的方法，体现出设计合成具有不同形貌的介孔生物活性玻璃纳米颗粒的可行性和简便性。

对比例1：

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了将体系中磷酸三乙酯替换为等摩尔量的磷酸。如扫描及透射电镜所示(图13和图14)，所得颗粒形貌、大小不均一，表面没有明显介孔结构，不能形成有序介孔生物活性玻璃纳米颗粒。

实施例2：

与实施例1不同的是，本实施例中，十六烷基三甲基氯化铵的添加量调整为：其在澄清溶液中的浓度为0.01wt％。

实施例3：

与实施例1不同的是，本实施例中，十六烷基三甲基氯化铵的添加量调整为：其在澄清溶液中的浓度为10wt％。

实施例4：

与实施例1不同的是，本实施例中，氨水的用量调整为：其在澄清溶液中的浓度为0.01wt％。

实施例5：

与实施例1不同的是，本实施例中，氨水的用量调整为：其在澄清溶液中的浓度为10wt％。

实施例6：

与实施例1不同的是，本实施例中，正硅酸四乙酯的用量调整为：其在澄清溶液中的浓度为0.01wt％。

实施例7：

与实施例1不同的是，本实施例中，正硅酸四乙酯的用量调整为：其在澄清溶液中的浓度为10wt％。

实施例8：

与实施例1不同的是，本实施例中，磷酸三乙酯的用量满足：其在反应体系中的浓度为1wt％。

实施例9：

与实施例1不同的是，本实施例中，磷酸三乙酯的用量满足：其在反应体系中的浓度为10wt％。

实施例10：

与实施例1不同的是，本实施例中，氯化钙的用量满足：其在反应体系中的浓度为0.01wt％。

实施例11：

与实施例1不同的是，本实施例中，氯化钙的用量满足：其在反应体系中的浓度为10wt％。

实施例12-15：

与实施例1不同的是，本实施例中，十六烷基三甲基氯化铵替换为等质量的十六烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基氯化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵。

实施例16-17：

与实施例1不同的是，本实施例中，氯化钙替换为等质量的硝酸钙、硫酸钙。

实施例18：

与实施例1不同的是，本实施例中，反应温度为10℃，时间为30h。

实施例19：

与实施例1不同的是，本实施例中，反应温度为40℃，时间为18h。

实施例20：

与实施例1不同的是，本实施例中，热处理的温度为500℃，时间为4h。

实施例21：

与实施例1不同的是，本实施例中，热处理的温度为900℃，时间为2h。

总的来说，本发明的方法可以通过控制胶束的组装行为，从而不仅可以得到高度有序的介观结构，还可以调控纳米颗粒的形貌和尺寸。解决现有介孔生物活性玻璃制备中存在的两个问题：其一，纳米颗粒的有序度差；其二，目前所报道的方法缺乏对所制备颗粒形貌、尺寸等参数的精确控制。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。