用響應性聚合物復合膠束為模板制備大介孔空心硅球

賀 歡，許艷玲，馬如江，史林啟

(南開大學高分子化學研究所，功能高分子材料教育部重點實驗室，天津300071)

用響應性聚合物復合膠束為模板制備大介孔空心硅球

賀 歡，許艷玲，馬如江，史林啟

(南開大學高分子化學研究所，功能高分子材料教育部重點實驗室，天津300071)

利用響應性聚合物聚(乙二醇-b-N-異丙基丙烯酰胺)(PEG114-b-PNIPAm130)和聚(N-異丙基丙烯酰胺-b-4-乙烯基吡啶)(PNIPAm106-b-P4VP102)在水溶液中自組裝形成核－殼型復合膠束，并以其為單一軟模版，以四甲氧基硅烷(TMOS)為前軀體，溫和條件下，一步法制備得到了形態、尺寸可控的介孔空心硅球。這種介孔空心硅球具有大的比表面積(1 018.11 m2/g)和介孔尺寸(12.1 nm)。研究了交聯劑、灼燒及不同pH值對所得空心硅球形態、尺寸等的影響。最后以牛血清蛋白為模型蛋白，研究了介孔硅球對大分子的吸附能力。

復合膠束;介孔;空心硅球

1 前言

因為介孔空心納米結構具有低密度、高比表面積、有序的介孔結構、可調的孔徑和孔容，越來越多地受到化學家和材料學家們的關注。空心介孔納米材料可廣泛應用于載體系統［1－2］、過濾系統［3］、(光)催化［4］和分離體系［5］等。介孔空心納米硅球具有價廉、質輕、無毒、制備條件溫和及產物形態尺寸可控，易于表面修飾，化學和熱穩定性高［6］等多種優點，因而更受青睞。

制備介孔空心硅球最常見的方法為雙模版法［7］，即利用一種物質如聚苯乙烯微球、Pluronic F127膠束［8］、碳酸鈣微球、金屬微球等為空心結構模版，以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)自組裝體為介孔結構模版，使硅前驅體進行水解縮合，最后采用灼燒或者溶劑萃取等方法除去模版［9］。這種用小分子為模版得到的介孔孔徑一般在5.0 nm左右，從而對材料的潛在應用造成了限制［10］。因為孔徑大于10 nm的介孔空心材料可以吸附蛋白、抗生素等眾多大分子客體，所以在生物醫藥領域引起了更廣泛的關注。已有課題組報道了關于大介孔空心材料的制備方法［11－13］。如利用乙烯基官能團橋連的有機硅氧烷為前驅體，Pluronic F127為模版，1，3，5-三甲基苯為增孔劑(Swelling Agent)，制備了孔徑為14.7 nm的超大介孔材料(Mesoporous Organosilicas with Ultra-Large Pores)。但是，前面提到的制備大介孔空心硅球的方法或者制備過程復雜，需要各種有機添加劑(配合使用致孔劑或者增孔劑以獲得不同尺寸的孔徑)，或者反應條件要求苛刻(如強酸、強堿)，或者所得到的形態和尺寸不易控制，實驗成本高，不易產業化，因而難以廣泛應用。為了解決這一問題，我們組［14］利用溫度敏感型復合膠束為單一軟模版，在無外加添加劑的情況下，一步法制備了形態可控的大介孔空心硅球。該實驗條件溫和，環境友好，操作簡便。本文將進一步詳細地討論聚合物膠束的形成，硅烷化，以及不同pH值下對形成介孔空心材料的形態、結構和孔尺寸等性質的影響。

2 實驗

2.1 材料

單羥基聚乙二醇(PEG114-OH)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAm)、4-乙烯基吡啶(4VP)、四甲氧基硅烷(TMOS))、1，2-雙(2-碘代乙氧基)乙烷(BIEE)均購自Aldrich。使用前經過簡單的處理:PEG114-OH在真空烘箱中過夜烘干除去水分;NIPAm在正己烷中重結晶，在真空烘箱中干燥;4VP經CaH2干燥后減壓蒸餾純化。3(2-二甲氨基乙基)胺 (Me6TREN)根據文獻方法［15］合成。氯化亞銅(CuCl)由亞硫酸鈉(Na2SO3)還原氯化銅(CuCl2)得到。其他試劑均為分析純，所有實驗都采用超純水(18.2 MΩ)。

2.2 合成步驟

嵌段共聚物PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP102通過原子轉移自由基聚合(ATRP)方法合成，具體步 驟 參 見 文 獻［14－15］。 合 成 嵌 段 共 聚 物 PEG114-b-PNIPAm130采用的原料比例為:大分子引發劑PEG-Br/單體NIPAm/催化劑 CuCl/配體 MeTREN6=1/130/1/1.2(物質的量比)，以水和N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為混合溶劑，在氮氣保護的條件下反應4 h。合成嵌段共聚物PNIPAm106-b-P4VP102采用的原料比例為:大分子引發劑 PNIPAm-Cl/單體4VP/催化劑CuCl/配體4，4'-聯吡啶=1/100/2/2(物質的量比)，以丁酮和異丙醇為混合溶劑，在氮氣保護的條件下反應8 h。

2.3 大介孔空心硅球的制備

將兩種聚合物溶液按不同比例加入到反應瓶中，室溫下攪拌1 h，混合均勻，加熱至45℃并繼續攪拌2 h，加入一定量的交聯劑BIEE(物質的量為4VP單元的30%)反應12 h。然后，加入一定量的硅前軀體TMOS，攪拌24 h，最后停止攪拌并恒溫陳化48 h。反應結束后，將樣品產物裝瓶，并在4℃冰箱中放置1 d。經離心并用水和乙醇分別洗3次后在真空烘箱中干燥待測。

2.4 蛋白吸附實驗

首先將BSA蛋白配置成2 mg/mL的tri-HCl緩沖溶液(pH 7.4)。取不同比例的大介孔空心硅球各5 mg，分別分散在5 mL BSA溶液中。搖床在100 r/min，25℃下攪拌12 h。反應結束后離心處理并取上層清液測試。

2.5 表征方法

嵌段聚合物的組成和結構用凝膠滲透色譜法(GPC)和1H核磁共振(1HMNR)確定。利用動態光散射表征了各個階段粒子的尺寸及分布。利用透射電鏡(120 kV)觀察了大介孔空心硅球的形態和結構。大介孔空心納米雜化硅球的組成和含量可以用熱失重分析得到。最后，為了檢測樣品的比表面積、孔容及孔徑，使用氮氣吸附、脫附技術，并采用 Brunauer-Emmett-Teller(BET)方程進行比表面積測試及Barrett-Joyner-Halenda(BJH)介孔徑分布分析孔容、孔隙。

3 結果與討論

圖1 以響應性聚合物膠束為模板制備大介孔空心硅球Fig.1 Formation of large-pore mesoporous hollow silica nano-capsule(LMHSN)templated by responsive polymeric micelles

圖1為制備大孔空心硅球的示意圖，本項研究利用PNIPAm在32℃發生親疏水相轉變的溫敏性，將PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP1022種嵌段共聚物水溶液升溫至PNIPAm的低臨界溶劑溫度(LCST)以上時，在弱酸性條件下，PNIPAm由親水變為疏水，PEG和P4VP鏈段保持親水狀態，形成以PNIPAm鏈段為核，以PEG/P4VP鏈段為混合殼層的復合膠束。其中混和殼層中的P4VP鏈段因部分質子化而帶有正電，這有利于帶負電的硅前軀體的吸附和沉積。并且P4VP對TMOS仿生礦化還具有催化作用［16－17］。混和殼層中的PEG鏈段在水中始終具有良好的溶解性，不僅能夠有效地避免納米硅球之間的聚集，而且能夠在硅烷水解沉積過程中，起到大介孔模版的作用。當溫度降至LCST以下時，PNIPAm核由疏水變為親水。PNIPAm106-b-P4VP102由于P4VP鏈段與SiO2存在靜電相互作用穩定在納米硅球內部。而PEG114-b-PNIPAm130嵌段則發生溶脹，從納米硅球逐漸逃逸出來，形成大介孔空心硅球。

3.1 復合膠束自組裝

圖2所示為聚合物溫度敏感性的表征。其低臨界溶解溫度(LCST)約為35℃。由于2種聚合物中的PNIPAm鏈分子量相當，在其LCST以上，2種PNIPAm鏈同時發生相轉變并聚集形成膠束核，而PEG和P4VP分布在PNIPAm核周圍形成膠束的混合殼。從曲線可以看出，復合膠束的透過率在45℃以上開始趨于平穩，這說明復合膠束的形態和結構基本穩定。因而我們選擇在此溫度進行硅氧烷的水解及沉積。從動態光散射(圖2)中可見，復合膠束的分散度均一，尺寸約為190 nm。并且我們可以通過改變嵌段聚合物分子量的大小，來調控復合膠束的尺寸，從而調節所得到的介孔空心硅球的空腔大小。

圖2 復合膠束最低臨界溫度的表征Fig.2 Thermo-sensitivity of the block copolymer complex micelles under the condition of w/w=1∶1，0.2 g/L and pH 4.0

3.2 介孔空心硅球形態表征

圖3 不同階段下粒子尺寸與分布:a)PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102復合膠束，b)復合膠束@BIEE，c)復合膠束@SiO2_45℃，d)復合膠束@SiO2_25℃Fig.3 Size and distribution of particles at different stages:a)PEG-b-PNIPAm/PNIPAm106-b-P4VP102complex micelles，b)complex micelle@BIEE，c)complex micelle@SiO2_45℃，d)complex micelle@SiO225℃

圖3所示為不同階段下粒子尺寸與分布。當混合溶液被加熱到45℃以后，復合膠束形成，其粒徑為190 nm(圖3a)。加入交聯劑BIEE后，復合膠束粒徑進一步增加到240 nm(圖3b)，可能是由于P4VP被季銨化后剛性大大增加，導致其向外伸展，從而引起粒子的流體力學直徑增加。加入TMOS后，體系的粒徑明顯增加，約至460 nm(圖3c)。這是由于硅氧烷水解后在膠束表面形成SiO2層導致粒子尺寸增加所致。當溫度下降到25℃，產品經過離心處理后測得粒子的尺寸為350 nm左右(圖3d)，這可能是由于PEG-b-PNIPAm逃逸以及硅球收縮導致尺寸下降造成的。

圖4所示為介孔空心硅球的透射電鏡照片。發現經過離心洗滌處理后，復合膠束誘導的介孔空心硅球的尺寸和形態與洗滌處理前有明顯的差別。處理前(圖4a)，體系中存在膠束誘導的納米硅球、未沉積硅的聚合物膠束、TMOS以及部分反應的硅烷寡聚物等，這造成了納米硅球的清晰形貌很難被觀察到，其粒徑較大約為300 nm。而經過離心洗滌處理后(圖4b)，空心結構出現，納米硅球形貌清晰，粒徑較小，約為200 nm。透射電鏡照片中樣品的尺寸、形態與動態光散射結果相吻合。圖4c為不加交聯劑BIEE時，形成的LMHSN，可以看出其殼層較厚圖。原因可能是未加BIEE時的Zeta電位較高(約為16 mV，加入BIEE降低為13 mV)，能夠吸引更多的TMOS進行水解和沉積。圖4d為LMHSN灼燒之后，硅球間的粘連現象減少，硅球分散度好，殼層變薄。這是由于LMHSN中聚合物被灼燒掉，除去了硅球間的有機交聯劑的緣故，當硅球被重新分散時，展現了很好的分散度。圖4e，4f為pH 2.0下，不同聚合物所得的介孔空心硅球的透射電鏡照片。對比圖4b和圖4e，在pH 2.0和4.0條件下，介孔空心硅球的形態和結構存在很大的差異。說明pH值對所形成的介孔空心硅球的形態和大小都有影響。究其原因，可能是pH值較低時，TMOS水解速率遠遠大于沉積速率，需要陳化的時間較長。在相同的反應時間下，TMOS沒有完全反應到聚合物模版上，致使模版上硅的沉積量減少，殼層減薄，在制備電鏡樣品時，硅球塌陷［18］，形成如圖中的紡錘體結構。而且在不同的聚合物膠束比例下(圖e 4/6，圖f 8/2)，都能夠形成規整的空心結構。聚合物比例并不會對LMHSN的形貌造成太大的變化。同時，為了研究聚合物膠束在誘導硅烷水解及沉積過程中所起到的模板和催化作用，我們設計了一系列的對比試驗。實驗結果表明，在沒有聚合物膠束存在時，同樣的反應條件(等量的BIEE，TMOS，相同反應時間，反應溫度和pH值)下，無法得到結構規整的納米硅球。

圖4 介孔空心硅球的透射電鏡照片:a)處理前，b)處理后，c)不加BIEE，d)灼燒后，e)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(4/6)，f)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(8/2)Fig.4 TEM image of ultra-large-pore mesoporous hollow silica nanocapsule(LMHSN)before a)and after b)centrifugation and washing，c)complex micelle without BIEE，d)After calcination，e)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(4/6)，f)pH 2.0，PEG114-b-PNIPAm130/PNIPAm106-b-P4VP102(8/2)

3.3 介孔硅球性質表征

圖5為不同制條件的介孔空心硅球的熱失重曲線。a，b為典型的干態聚合物熱失重曲線，熱分解溫度大約為400℃。而c是復合膠束負載SiO2后形成的介孔空心硅球的熱失重曲線。可以看出，雜化硅球中的無機SiO2含量高達60%。并且溫度升高到800℃時，依然顯示出良好的熱穩定性。

介孔空心硅球的孔徑和比表面積等參數可以通過氮氣吸附、脫附實驗得到，結果如圖6所示。圖6中氮氣吸附、脫附等溫曲線均為IV型，由此可知我們所獲得的LMHSN屬于介孔材料。通過BET公式擬合后計算出，灼燒前(圖6a)材料的比表面積為265.8 m2/g，BHJ計算出孔容為1.64 cm3/g，孔尺寸分布為20～100 nm，孔徑為44 nm。這種介孔尺寸的形成，可能是由于雜化材料中復合膠束的存在，使空心結構不是很明顯，而較大的介孔結構則主要是硅納米顆粒之間聚集的結果。當我們灼燒(圖6b)材料，材料的比表面積高達1 018 m2/g，孔容為0.94 cm3/g，介孔孔徑變為12 nm。在相對壓強為0.5時，等溫吸附、脫附回線有明顯的升高現象，說明了空心結構的存在。這是由于灼燒去掉了聚合物，減少了硅球間的粘連現象，使介孔空心硅球真實的性質被檢測到。正如我們所預測的，以復合膠束為模版，SiO2只能沉積在P4VP鏈段上，而未沉積SiO2的PEG鏈段則可以自由地穿過硅層，當PNIPAM鏈段溶解后，從介孔中逃逸出來，形成明顯的介孔和空心結構。

圖7為介孔空心硅球對牛血清蛋白分子的吸附實驗。Sample 1，2分別是以不同比例的聚合物復合膠束為模板制備的介孔空心硅球。結果表明，LMHSN對牛血清蛋白分子確有一定的吸附作用，并且不同的聚合物比例造成的吸附能力不同。Sample 1為PEG含量較少(3/7)的LMHSN，介孔孔徑較小，對牛血清蛋白分子的吸附較弱(328 mg/g)。Sample 2為PEG含量較多(7/3)的LMHSN，介孔孔徑較大，對牛血清蛋白分子的吸附較強(348 mg/g)。Sample 3是未加LMHSN的牛血清蛋白空白溶液，在經過同樣的攪拌和離心處理后，去掉上清液測試的對比實驗。計算結果表明，對比試驗中，經過相同的處理過程后，上清液中牛血清蛋白分子的濃度減少，下層溶液濃度增加，一部分原因是實驗的處理過程造成的。但是我們必須注意到，在pH 7.4時，LMHSN和牛血清蛋白分子表面都是帶負電荷的，由于靜電排斥作用，使LMHNS的吸附能力減弱。從這一點可見，所制備的LMHSN實際上具有很好的吸附能力。

圖7 LMHSN對牛血清蛋白分子的吸附實驗Fig.7 Adsorption of BSA by LMHSN

4 結論

利用2種嵌段聚合物PEG114-b-PNIPAm130和PNIPAm106-b-P4VP102的溫敏性，簡單有效地制備了復合膠束。并以聚合物復合膠束為軟模板，利用其表面所帶的正電荷誘導硅烷試劑的水解和沉積，成功地制備了大介孔空心硅球。詳細地討論了影響反應結果的各項參數，和介孔硅球對牛血清蛋白分子的吸附能力。大介孔空心硅球具有較大的空腔，可以容納更多的物質，例如藥物分子、治療性蛋白、大分子生物抗體等客體分子，并可為客體分子提供很好的保護屏障。這種核殼型介孔空心硅球在生物醫藥領域有望發揮其潛在的應用價值。

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Responsive Block Copolymer Induced Large-Pore Mesoporous Hollow Silica Nanospheres

HE Huan，XU Yanling，MA Rujiang，SHI Linqi
(Key Laboratory of Functional Polymer Materials，Ministry of Education，Institute of Polymer Chemistry，Nankai University，Tianjin，300071，P.R.China)

Controllable large-pore mesoporous hollow silica nanospheres(LMHSN)with large surface area(1 018.11 m2/g)and mesoporous width(12.1 nm)was synthesized through a general method.Firstly，responsive block copolymers poly(ethylene glycol-b-N-isopropyl acrylamide)(PEG114-b-PNIPAm130)and poly(N-isopropyl acrylamide-b-4-vinyl pyridine)(PNIPAm106-b-P4VP102)self-assembled into core-shell complex micelles，followed by silicification of the shell with the addition of the silica precursor tetramethoxysilane(TMOS)under mild condition.Then，the effects of addition of crosslinker and different pH values on the structure and morphology of LMHSN were discussed.Finally，we studied the ability of the adsorption of macromeolecular by the LMHSN.

complex micelle;large-pore mesopore;hollow silica nanospheres

R318.08

A

1674－3962(2012)06－0043－06

2012－04－11

賀 歡，女，1987年生，碩士

史林啟，男，1963年生，教授，博士生導師