pH響應性聚合物修飾的空心介孔硅球的制備

鐘　慶，張建華，郭睿威

(天津大學化工學院，天津 300072)

近年來，由于空心納米微球具有質量輕、密度小、比表面積大等獨特性質，越來越多的研究人員對其制備方法以及應用開展了廣泛的探索。通過對其進行物理和化學性質的調控與修飾，空心結構的納米微粒已經被廣泛應用于催化[1-2]、藥物控釋[3]、光電子[4]、能源儲存[5]以及環保[6]等諸多領域。二氧化硅材料具有卓越的機械性能，良好的熱穩定性，易修飾性，低毒性和優異的生物相容性。納米空心介孔硅球(HMS)則兼具空心微球與介孔微球的優點，中空內腔可以作為儲存容器或者微反應器，介孔外殼則允許物質通過孔道進行擴散，在藥物負載方面擁有難以比擬的優勢，經過修飾后的HMS可擁有刺激響應的特性，實現藥物的靶向輸送與控制釋放，在生物醫藥領域，尤其是智能型藥物控釋等方面具有巨大的潛力。

結合HMS與其他材料的特點，實現以HMS為基礎的多功能(如磁性、熒光、光熱作用等特性)材料是其在生物醫藥應用中的發展趨勢[7]。例如Shi等[8]制備出了用多環芳烴/聚苯乙烯磺酸層包覆介孔的IBU-HMS@PEM系統，有望用于癌癥藥物布洛芬在生物體內的響應控制釋放。

相比于聚合物與脂質體的藥物載體，用保護刻蝕法[9]制備的HMS工藝相對簡單，能夠批量生產，并且大大降低了生產成本，滿足未來臨床以及商業要求。RAFT聚合作為活性可控自由基聚合中適用范圍最廣的方法之一，操作條件溫和，引發條件簡單，適應單體范圍寬，常被用于表面接技改性，引入具有特定功能、可控相對分子質量的聚合物，對材料進行表面修飾改性，獲得需要的特性[10]。

Mei等[11]用硬模板法制備了空心介孔硅球，并在其表面修飾上溴代異丁酰溴，引入含有pH值敏感的縮醛基團的疏水單體和含有聚乙二醇結構的親水單體，成功用于阿霉素的負載和控制釋放。然而，接枝過程中容易覆蓋介孔通道，降低了藥物的負載與釋放效率，而本研究采用先接枝后刻蝕的方式避免了介孔通道被覆蓋的問題。

在之前的研究中，我們開發了以PDMAEMA為保護劑對硅球進行刻蝕制備HMS的方法[12]，本工作在此基礎上，將固載了有機硅RAFT試劑BTPT的硅球進行DMAEMA的RAFT表面接枝聚合反應，將得到的表面修飾聚合物PDMAEMA的納米硅球(SiO2@PDMAEMA)在常溫下進行刻蝕，獲得了pH值、溫度雙響應聚合物修飾的納米空心介孔硅球(HMS@PDMAEMA)，并利用多種表征方法對其結構和形貌進行了表征。

1　實驗部分

1.1　實驗原料

甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯(DMAEMA，阿拉丁試劑有限公司)，使用前減壓蒸餾精制。甲苯用金屬鈉除水，回流12 h減壓蒸餾。RAFT試劑三甲氧基硅基丙基三硫代羰基芐基酯(BTPT)參照文獻[13]合成。其他試劑均為分析純，直接使用。

1.2　制備過程

1.2.1二氧化硅微球的制備

采用St?ber法[14]制備單分散的二氧化硅微球，以200 nm硅球的制備為例，具體方法如下：常溫下將十六烷基三甲基溴化銨1.46 g溶解于90 mL蒸餾水和100 mL異丙醇的混合溶液中，再加入1.4 mL氨水(質量分數約為28%)，在劇烈攪拌下滴加正硅酸乙酯5.8 mL，滴加完畢后在40 ℃水浴中攪拌24 h。得到硅球的分散體系進行離心，用異丙醇和去離子水洗滌并離心數次，干燥得到白色粉末狀的二氧化硅微球。

1.2.2SiO2@BTPT的制備

將0.5 g硅球分散于10 mL甲苯中，攪拌下加入0.3 g BTPT，油浴加熱至120 ℃，在氮氣環境中回流12 h。冷卻到常溫后在8 000 r/min的轉速下離心10 min，將沉淀物用二氯甲烷洗滌并離心3次，放置在真空干燥箱中常溫干燥，最終得到SiO2@BTPT。

1.2.3SiO2@PDMAEMA的制備

取0.2 g的SiO2@BTPT、0.8 g的DMAEMA、0.01 g的AIBN和6 g THF于反應瓶中，磁力攪拌混合均勻，通氮氣除氧20 min后密封，置于60 ℃水浴中攪拌下聚合反應24 h，將所得產物用石油醚沉析3次，真空干燥，得SiO2@PDMAEMA。

1.2.4PDMAEMA的制備

稱取2.8 g的DMAEMA、0.1 g的BTPT、0.01 g AIBN和6 g THF于反應瓶中，磁力攪拌混合均勻，通氮氣除氧20 min后密封，置于60 ℃水浴中攪拌下反應24 h，將所得聚合物PDMAEMA用石油醚沉析3次，真空干燥。

1.2.5HMS@PDMAEMA的制備

將0.02 g的PDMAEMA溶解于10 g蒸餾水中，取0.05 g的SiO2@PDMAEMA分散于溶液中，混合均勻后滴加氨水，使NH3質量分數為0.3%，pH值約為10。在常溫常壓下攪拌7 d進行刻蝕，將得到的HMS@PDMAEMA分散體在12 000 r/min轉速下離心10 min，去除上層溶液，用適量去離子水洗滌并離心3次，真空干燥。

1.3　表征

1.3.1紅外(IR)測定

采用KBr壓片法，使用BIO-RAD FTS3000紅外分光光度計，在常溫下測定。

1.3.2熱重(TG)測定

分別取10 mg的SiO2、SiO2@BTPT、SiO2@PDMAEMA樣品，在梅特勒差示量熱分析儀上(Mettler Toledo TGA/DSC)對其進行熱重分析，氮氣為保護氣，從25 ℃升到700 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.3接枝PDMAEMA的相對分子質量測定

在聚四氟乙烯反應釜中，將10 mg的HMS@PDMAEMA分散于3 mL THF中，加入0.5 mL的HF水溶液(40%, 質量分數)，密封后在常溫下攪拌12 h，用Na2CO3水溶液中和，透析洗滌獲得了聚合物，冷凍干燥得到接枝鏈PDMAEMA(gPDMAEMA)，用于GPC測試。所用儀器為Agilent 1100型高效液相色譜，UV檢測器，色譜柱為KF-803L，柱溫30 ℃，流動相為THF，流速為1 mL/min，進樣量為50 μL。

1.3.4透射電鏡(TEM)測定

微球的外部形貌和內部結構采用JEM-2100F型透射電子顯微鏡觀測。將含有納米微球的乙醇分散液滴到碳支持膜上，干燥待測。

1.3.5HMS@PDMAEMA的pH值響應行為

用2 mol/L的磷酸鹽緩沖液配制pH值分別為4.75、5.96、7.38和9.12的水溶液，將少量HMS@PDMAEMA分散于上述水溶液中，用超聲清洗機震蕩后用馬爾文公司的Nano ZS型納米粒度及zeta電位儀(使用633 nm氦-氖激光器)測定微球的粒徑。

2　結果與討論

2.1　SiO2@PDMAEMA的制備

為了確定接枝過程中每個階段的產物是否成功合成，對于不同修飾階段的納米微球做了紅外分析和熱重分析，并對接枝PDMAEMA做了GPC測定。

2.1.1IR結果分析

圖1是不同修飾階段的硅球的紅外譜圖。

圖1　不同修飾階段的硅球的紅外譜圖Fig.1　FTIR spectra of the silica microspheres collected at different stages after modifying

其中圖1A為原始SiO2的紅外譜圖，在1 099 cm-1的彎曲振動峰屬于Si—O—Si，在954和3 300～3 660 cm-1范圍的振動峰為Si—OH，在805和471 cm-1的特征峰是由于Si—O的伸縮和彎曲振動，1 644 cm-1是吸附自由水的彎曲振動峰。圖1B中為SiO2@BTPT的紅外譜圖，除了硅球上的特征峰外，還可以看到圖1中2 929 cm-1的—CH3伸縮振動峰和2 844 cm-1的—CH2—伸縮振動峰。另外，修飾后在3 300～3 660 cm-1屬于Si—OH的伸縮震動峰變弱，這是由于硅球表面羥基與BTPT上三甲氧基硅烷發生了反應，證明硅球表面成功地接枝上了BTPT。圖1中C是SiO2@ PDMAEMA的紅外譜圖，除了上述特征峰外，還有明顯的1 729 cm-1酯羰基伸縮振動峰，以及2 775 cm-1處的—N—CH2—反對稱伸縮振動峰，表明在硅球表面成功地合成了聚合物PDMAEMA。

2.1.2TG結果分析

為了進一步說明每個階段的產物成功合成，對于不同的修飾階段的微球做了熱重分析，如圖2所示。

圖2　不同階段的熱重分析Fig.2　TG curves for different stages

將各階段樣品分別從常溫加熱到700 ℃，測試出SiO2(A)、SiO2@BTPT(B)、SiO2@PDMAEMA(C)的質量損失分別是13.85%、20.91%和32.13%。其中，SiO2@BTPT與SiO2質量損失相差7.06%，通過計算可知SiO2@BTPT中BTPT在硅球表面的接枝密度為0.12 mmol/g。而SiO2@PDMAEMA與SiO2質量損失相差18.28%，表明將PDMAEMA成功地接枝到了硅球表面。

2.1.3gPDMAEMA的GPC分析

為了測量接枝在硅球表面的PDMAEMA分子量的大小，用HF溶解了HMS@PDMAEMA中的硅球部分，測定了所獲聚合物的GPC，結果如圖3所示，數均相對分子質量為9 834，分布系數為1.028。表明采用RAFT表面接枝聚合得到的聚合物相對分子質量可控，且分布窄，為研究聚合物相對分子質量對藥物控釋的影響奠定了基礎。

圖3　gPDMAEMA的GPC圖Fig.3　GPC trace of the gPDMAEMA

2.2　刻蝕評價

為考察刻蝕效果，對HMS@PDMAEMA做了透射電鏡分析，并對經歷刻蝕條件后的PDMAEMA做了紅外測定，考察其結構變化。

2.2.1TEM分析

自模板法[15]能優先刻蝕掉二氧化硅微球的內部，并且產物尺寸均一性高、形貌可控，已被大量運用于制備中空結構。實驗中發現，如果在水中不加入PDMAEMA，將SiO2@PDMAEMA用氨水直接刻蝕，空心效果不佳。在水中加入在質量分數為0.2%的PDMAEMA后，刻蝕效果良好，所圖4所示。

圖4　HMS@PDMAEMA的透射電鏡圖(比例尺為100 nm)Fig.4　TEM image of HMS@PDMAEMA(Scale bar is 100 nm)

圖4中直觀地展現了其空心結構，并且硅球上存在接枝聚合物物收縮于其表面，說明刻蝕后PDMAEMA仍保留在硅球表面。

2.2.2PDMAEMA在刻蝕前后的IR分析

將質量分數為0.5%的PDMAEMA水溶液加氨水調節pH值為9.5，常溫下攪拌7 d，真空干燥后測定紅外(圖5B)，1 729 cm-1為酯羰基非對稱伸縮振動峰，并且有叔胺的特征峰N—CH3(2 820和2 770 cm-1)。與原始PDMAEMA紅外譜圖(圖5A)一致。其中圖5B在3 500 cm-1的振動峰為水的羥基，是干燥不徹底所致。證明經歷常溫刻蝕過程，PDMAEMA未發生水解反應，結構沒發生變化。

圖5　刻蝕前后的PDMAEMA的紅外譜圖Fig.5　FTIR spectra of PDMAEMA before and after etching

2.3　HMS@PDMAEMA的pH響應行為

為了檢測納米空心介孔硅球表面PDMAEMA在不同pH值環境中的響應性，采用動態光散射測定了0.1 mg/mL的HMS@PDMAEMA在不同pH值水溶液中的流體力學直徑，如圖6所示。

圖6　HMS@PDMAEMA粒徑隨pH值的變化Fig.6　pH dependence of hydrodynamic diameter of HMS@PDMAEMA

隨著溶液的pH值從4.75增加到9.12，HMS@PDMAEMA的流體力學直徑不斷降低。這是因為在酸性環境中，PDMAEMA鏈段部分或全部質子化，成為帶正電的聚電解質，鏈與鏈間的靜電排斥作用和鏈與溶劑間的相互作用使得聚合物鏈伸展，導致流體力學直徑較大。在中性或堿性環境中，PDMAEMA聚合物鏈去質子化，收縮成團，吸附于硅球表面。同時聚合物鏈與鏈間的相互吸引作用強于溶劑效應，聚合物鏈更傾向于收縮聚集，從而導致流體力學直徑的縮小。

HMS@PDMAEMA對pH值的響應特性為其作為藥物載體提供了可行性，滿足控制釋放的條件：在酸性條件下，聚合物鏈伸展，介孔通道呈開放狀態，可以進行藥物的負載和釋放；在弱堿性條件下，聚合物鏈收縮，覆蓋介孔通道，完成對藥物的儲存，避免藥物在人體正常組織中釋放。

3　結論

使用有機硅RAFT試劑BTPT對二氧化硅微球進行修飾，合成SiO2@BTPT，再利用RAFT表面接枝聚合制備SiO2@PDMAEMA。在常溫下，于PDMAEMA水溶液中用氨水對SiO2@PDMAEMA進行刻蝕，得到HMS@PDMAEMA，并利用多種表征手段對其結構和形態進行了表征。借助PDMAEMA的pH值敏感性，可通過控制HMS表面接枝鏈段在水溶液中的舒展或收縮，進而控制硅球表面介孔通道的開合，可用于藥物的控制釋放。因此，HMS@PDMAEMA在生物醫藥等領域具有潛在的應用價值。

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