氣溶膠輔助自組裝制備中空球形二氧化硅材料的機理及應用

付欣，張玉蒼，李瑞松，劉群，郭佳益

（1 海南大學化學工程與技術學院，海南 海口 570228；2 集美大學食品與生物工程學院，福建 廈門 361021）

原花青素（proanthocyanidins，PC）是一種由類黃酮單元組成的多酚聚合物，作為天然的抗氧化劑，具有優異的清除自由基能力。此外，Rocha等發現PC 能有效抑制α?葡萄糖苷酶和醛糖還原酶，顯示出PC 調節Ⅱ型糖尿病能力；Grau?Bové等和Nallathambi 等研究發現PC 可以減輕代謝綜合征的癥狀，從而調節腸道生物菌群。但PC 極易受酸堿度、溫度、胃腸環境等因素的影響而降解，由此破壞PC 的結構，影響PC 的生物利用度。因此，開發一種具有保護天然產物功能的載體是解決天然產物結構易被破壞、生物利用度低的有效途徑之一。

近年來，納米脂質體、納米膠束、納米凝膠、納米囊泡及無機納米顆粒等被廣泛應用于納米載藥體系。相比而言，納米介孔硅材料具有高比表面積、大孔容及孔徑均勻等結構特性，以及良好的生物相容性和穩定性，被認為是最安全的無機材料之一。大量實驗表明，納米介孔二氧化硅在生物活性物質的緩釋和靶向釋放方面顯示出良好的應用前景。

目前，二氧化硅納米顆粒常采用溶膠?凝膠法進行合成，通常將硅源在不同催化劑條件下水解，縮合形成凝膠，老化、干燥去除溶劑。然而，溶膠?凝膠法合成的介孔硅材料極易團聚且比表面積有限。相比而言，氣溶膠輔助技術由噴霧干燥技術衍生而來，是將液體霧化形成氣溶膠并快速干燥成粉末狀產品的一種簡單、經濟、環保的方法。氣溶膠法在納米粒子合成中已展現出特有的優勢：①反應是一個連續快速的過程（氣溶膠技術輔助材料形成只需要幾秒鐘）；②可以通過調節前體溶液的種類與配比來控制材料的比表面積大小及孔徑分布；③均勻分散，分子均勻分布在前體溶液中，氣溶膠經高溫迅速固化轉變為粉末，不存在水溶液中材料聚集生長產生團聚的現象。為此，Ding等采用氣溶膠輔助法在陶瓷和玻璃基底上制備了目標材料，減少了鍵斷裂步驟的需要，并促進了材料生長過程中的前體分解過程；Maruoka 等利用氣溶膠法制備了氧化鋁催化劑載體來增強催化劑性能；Chai等使用氣溶膠法合成了分級氧化鎂微球，對重金屬離子具有較高的吸附能力和較強的抗菌活性；Park等運用氣溶膠輔助合成了具有高硫負載率和高電導率的多孔空心碳納米管復合微球作為鋰?硫電池主體材料。因而，氣溶膠法廣泛運用于納米粒子的合成。

基于以上分析，本研究利用氣溶膠法輔助自組裝形成中空結構的介孔二氧化硅納米粒子，優化不同硅源比例獲得具有極大比表面積的材料，并作為原花青素的載體。進一步地，詳細研究了前體溶液霧化成氣溶膠并自組裝形成介孔二氧化硅過程的機理，為其制備及其運用提供科學基礎。

1 實驗

1.1 實驗試劑與設備

硅酸四乙酯（TEOS，99%）、甲基三乙氧基硅烷（MTES，99%）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB，99%）、氯化鈉（分析純）、香草醛（分析純）、原花青素（PC，分析標準品UV>95%），阿拉丁試劑公司；鹽酸（分析純）、硫酸（分析純），無水乙醇（分析純）、無水甲醇（分析純），西隴化工公司。實驗室用水均為超純水，電阻率為18MΩ·cm。單溫區管式高溫燒結爐OTF?1200X，合肥科晶材料技術有限公司；液體氣溶膠發生器HRH?WAG3，北京慧榮和科技有限公司；單層板過濾器SHXB?DC?150，上海信步科技有限公司。

1.2 樣品表征

場發射掃描電子顯微鏡（SEM），Su8020 型，日本日立公司；場發射透射電子顯微鏡（TEM），FEI Tecnai G2 F30型，美國FEI Com.；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），Nicolet IS10型，美國尼高公司；激光粒度儀（DLS），Zetasizer Nano ZS90，美國賽默飛公司；X 射線粉末衍射儀（XRD），BEUCKER D8 ADVANCE，德國布魯克公司；物理吸附儀（BET），ASAP 2460，美國麥克公司；熱重分析儀（TG），NETZSCH STA 449 F5/F3 Jupiter，德國耐馳公司；紫外分光光度計，MAPADA UV?3300PC，上海美普達公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 USPS與MSNs的制備

燒杯中按一定的摩爾比加入TEOS 與MTES 作為硅源，依次加入HCl（1mol/L，1.2mL）、無水乙醇（23mL）和超純水（57mL），充分攪拌，隨后添加4g CTAB和1g NaCl，在52kHz下超聲10min至透明混勻。一部分冷凍干燥得到前體固體粉末（USPS），另一部分以氮氣為載氣經氣溶膠發生器霧化成氣溶膠，400℃退火處理，單層板框過濾器收集產物二氧化硅樣品（MSNs）。其中，4 種樣品制備的硅源配比如表1所示。

表1 樣品的硅源配比及孔結構分析

1.3.2 HMSNs的制備

將1.3.1節中制備的MSNs于管式爐中氮氣保護400℃煅燒5h 以除去模板劑，超純水洗滌，轉速10000r/min，離心15min，重復兩次，所得固體粉末于60℃烘干，得到中空介孔二氧化硅樣品（HMSNs）。

1.3.3 PC@HMSNs的制備

采用循環變溫浸漬法，將20mL 原花青素溶液置于裝有100mg吸附劑的試管中，30℃下在搖床內吸附0.5h，然后4℃吸附0.5h，此為一組變溫浸漬，重復兩次。在轉速9000r/min條件下離心10min，所得固體于60℃烘干，并命名為PC@HMSNs（原花青素?介孔二氧化硅復合顆粒）。

1.4 負載性能的測定

取1.3.3節中離心后的上層清液，利用硫酸?香草醛比色法測定上清液中PC 的濃度。根據負載PC 前后溶液的吸光度值，按式(1)和式(2)計算出HMSNs 的負載率（%）以及HMSNs 的負載量（mg/g）。

式中，、分別為負載前后PC 溶液的吸光度；為未添加HMSNs 時PC 溶液的濃度，mg/mL；為負載時加入PC 溶液的體積，L；為負載時加入HMSNs的質量，g。

2 結果與討論

2.1 HMSNs形成機理分析

二氧化硅材料在納米藥物載體中已得到廣泛應用，目前主流的合成方法有軟模板法、硬模板法、改進的St?ber 法、氣凝膠法和快速自組裝法。本實驗采用氣溶膠輔助自組裝法制備二氧化硅納米材料，合成過程如下。

2.1.1 水解?縮合過程

首先硅源水解成具有一定聚合度活性的Si(OH)中間體，由于活性中間體表面存在大量的硅羥基，通過橋氧交聯形成聚合物。根據DLVO 理論，鹽離子濃度增加壓縮了雙電子層，分子劇烈碰撞造成活性中間體聚集在一起，發生縮合反應。Sakka等研究了鹽酸催化條件下正硅酸乙酯水解?縮合反應生成膠態聚合物的機制：溶劑過少時，產物形成鏈狀線型聚合物；溶劑過多時，產物形成球形網絡狀膠態聚合物。

2.1.2 氣溶膠自組裝過程

CTAB溶于乙醇/水混合液作為前體溶液USPS，此時USPS 中表面活性劑CTAB 的濃度遠低于臨界膠束濃度（CMC）。當溶劑揮發誘導自組裝（EISA）過程發生，液滴中的CTAB 迅速形成一個徑向濃度梯度，且液滴外表面CTAB濃度最大。霧化作用下，乙醇優先蒸發，非揮發性物質濃度逐漸增加。液滴外表面CTAB濃度超出臨界膠束濃度。

霧化蒸發改變CTAB濃度的同時，無機物種和CTAB 之間產生Si—OH、Br、N(CH)(CH)的靜電相互作用。無機物種向液滴中心擴散，形成二氧化硅?表面活性劑膠束，誘導無機物種進行連續自組裝。有研究表明，NaCl由凝膠劑逐漸轉變為模板劑介質，CTAB 用于支撐二氧化硅多孔網絡。液滴蒸發，溶質濃度將達到過飽和狀態并開始成核，多孔網絡逐漸形成。由于鹽基質沉淀后不能遷移，納米結構二氧化硅被固定在鹽基質中。

2.1.3 形貌分析

圖1 為USPS、MSNs 以 及HMSNs 的 掃 描 電 鏡圖。圖1(a)中USPS 顯示出片層結構相互疊加的形貌，歸因于前體溶液中CTAB 形成了層狀中間相。圖1(b)中MSNs 顯示大小不一的不規則球狀，與水解?縮合過程中形成球形聚合物對應。圖1(c)中HMSNs 顯示規則的球狀，顆粒尺寸約為500nm。證明經過煅燒、水洗過程，二氧化硅網絡骨架保存良好，沒有出現結構坍塌的情況。

圖1 形成過程的SEM圖

圖2(a)、(b)分別為MSNs、HMSNs 的TEM 圖，可以看出樣品均顯示球型顆粒，HMSNs 內部存在空腔結構，且表面分布介孔結構。為了證實NaCl被除去，利用XRD 進行分析，圖2(c)顯示出MSNs具有明顯的NaCl 特征衍射峰，對應的衍射面分別為（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（420）和（422）晶面，與NaCl 標準卡片PDF#05?0628衍射峰出現的位置基本吻合。

圖2 MSNs、HMSNs的TEM、XRD圖

此外，在20°～25°之間有一個較弱寬峰，表明樣品中存在無定形二氧化硅。經煅燒退火、水洗后，圖2(c)XRD 中NaCl 峰消失，顯示HMSNs 中的NaCl 完全去除，與圖2(b)HMSNs 的TEM 中空腔的出現吻合。圖2(d)中（100）晶面為介孔結構的特征衍射面，與圖2(b)HMSNs的TEM表面介孔結構相對應，歸因于CTAB 在退火、水洗過程中除去，對此進一步通過N吸附?脫附等溫線結果來確認。

2.1.4 BET分析

圖3(a)為USPS、MSNs 以及HMSNs 的N吸附?脫附等溫線。其中USPS 和MSNs 在整個相對壓力區的吸附量均較小；HMSNs 的吸附等溫線在低壓區（/<0.1）緩慢上升，并在高壓區（0.9

H4 型回滯環的吸附支和脫附支平行，吸附量在高相對壓力區快速增加是由于吸附質發生毛細管凝聚，發生吸脫附等溫線不重合現象，未達到吸附飽和度，這表明樣品中存在介孔結構。圖3(b)為USPS、MSNs 以及HMSNs 的孔徑分布，可以看出HMSNs中主要分布有2～4nm的介孔，而MSNs中存在大孔結構。

圖3 形成過程中N2吸附?脫附等溫線和孔徑分布圖

2.1.5 FTIR分析

圖4 展 示 了USPS、MSNs 和HMSNs 的 紅 外 譜圖。如圖所示，3440cm為Si—OH 伸縮振動，1630cm為水特征O—H 的彎曲振動峰，峰強度的降低源于硅羥基縮合反應。2979cm為—CH不對稱伸縮振動，2920cm為—CH—不對稱伸縮振動峰，2850cm為—CH—對稱伸縮振動峰，它們均為CTAB 的—C—H 鍵特征振動峰。1470cm為CTAB 中C—N 的彎曲振動。以上CTAB 特征吸收峰強度逐漸降低直至消失，說明HMSNs中CTAB被除去。1277cm為Si—CH的振動特征吸收峰，此峰強度逐漸增加，表明甲基在形成樣品后成功接枝到樣品表面。USPS中1060cm、1143cm處乙醇的C—O 伸縮振動峰逐漸消失，對應于自組裝時乙醇優先蒸發過程。

圖4 形成過程的FTIR圖

2.2 HMSNs表征分析

2.2.1 TEM分析

圖5 為負載PC 前后HMSNs 的透射電鏡圖，圖5(a)中空腔被PC充填，PC經介孔進入MSNs內部轉化為圖5(b)中的PC?HMSNs。歸因于HMSNs結構中有大量的硅羥基，通過氫鍵使PC 結合到納米粒子的內部，或通過一定的靜電作用與范德華力作用結合。

圖5 HMSNs、PC@HMSNs的TEM圖

2.2.2 FTIR分析

圖6 為采用不同硅源比制備的HMSNs 的紅外譜圖。如圖所示，1070cm處Si—O 伸縮振動峰、800cm處Si—O—Si 對稱伸縮振動峰和455cm處Si—O 彎曲振動峰強度基本不變，說明隨著TEOS/MTES摩爾比的降低，二氧化硅材料主體骨架的生成不會改變。1277cm處吸收峰為Si—CH特征振動吸收峰，2976cm處為—CH的特征振動吸收峰，隨著TEOS/MTES 摩爾比的降低，MTES 占比增加，特征峰強度逐漸增加，說明源于MTES的甲基逐漸增多。

圖6 不同HMSNs的FTIR圖

2.2.3 BET分析

圖7(a)為采用不同TEOS/MTES 摩爾比制備的HMSNs 的N吸附?脫附等溫線，圖中不同HMSNs均顯示出典型的Ⅵ型等溫線伴隨H4 型回滯環。結合圖7(b)的孔徑分布，表明HMSNs 均有分布在2～4nm之間的介孔結構。同時，根據表1樣品的孔結構數據分析，隨著TEOS/MTES 摩爾比降低，MTES 占比增加，樣品的比表面積先增大后減小；孔容積HMSNs?1 為0.32cm/g，其余孔容積均在0.37～0.40cm/g 之間波動；平均孔徑均都分布在2～4nm 之間。數據表明，樣品HMSNs?2 與HMSNs?3都具有大的比表面積和孔容積。最優樣品的選擇通過進一步分析粒徑與表面電位來判斷。

圖7 不同HMSNs的N2吸附?脫附等溫線和孔徑分布圖

2.2.4 DLS和zeta電位分析

圖8(a)和(b)為HMSNs?2樣品的粒徑和zeta電位分布圖，HMSNs?2的平均粒徑為548nm，與圖1(c)中SEM圖顯示出來的粒徑分布在500nm左右一致，且平均zeta 電位為?23mV。圖8(c)為不同HMSNs 樣品的平均粒徑與平均zeta 電位的變化圖，隨著TEOS/MTES 摩 爾 比 降 低，HMSNs、HMSNs?1 和HMSNs?2 的平均粒徑均在500nm，無明顯變化，表面電位絕對值略降低；HMSNs?3 的平均粒徑突增到1048nm，表面電位絕對值進一步降低至13mV。

圖8 粒徑和zeta電位分布圖

表面電位絕對值較大時，粒子表面的高電荷密度使粒子間產生較大的靜電排斥力，從而使體系保持較高的穩定性。當Si—O基團減少，S—CH基團增多，使得表面電位絕對值降低，導致溶膠粒子易于團聚，HMSNs?3 的平均粒徑驟然劇增。盡管HMSNs?3材料具有更大的孔容積，由于易團聚，HMSNs?2材料的硅源制備比例60/40被選取為最優比例并進行形成過程機理研究。

2.1.6 負載性能分析

圖9 為不同HMSNs 對PC 吸附的負載率和負載量的變化圖，表明PC被成功負載進入空腔結構中。隨著TEOS/MTES 摩爾比降低，MTES 占比逐漸增大，負載率與負載量均呈現先增加后下降的趨勢，可以看出其中PC@HMSNs?2 復合顆粒具有最大的負載率15.7%與負載量30.7mg/g，歸因于HMSNs?2材料具有最大的比表面積與相對較大的孔容積，PC可被最大限度地負載。

圖9 負載率和負載量變化圖

3 結論

（1）氣溶膠輔助自組裝的機理為水解?縮合和自組裝的協同作用。活性中間體在水解?縮合過程中形成二氧化硅網絡，與此同時，霧化后氣溶膠輔助法形成液滴，在徑向濃度梯度上自組裝成球狀。

（2）SEM、TEM 和FTIR 圖譜分析以及DLS 數據結果都表明合成的HMSNs 內部具有較大的空腔且表面分布均勻的介孔。

（3）BET 模型顯示HMSNs 具有典型Ⅵ型吸附等溫線特征，高壓區的H4 型回滯環再次證明中空介孔結構的形成。

（4）比較不同TEOS/MTES 摩爾比所制備的HMSNs樣品，HMSNs?2為最優載體，有利于PC的負載，負載量能夠達到30.7mg/g。