复合材料学作业4

多孔纳米二氧化硅的制备及其在药物载体方面应用

李志强

中国地质大学（北京）材料科学与工程学院10031121班1003112114

摘要

综述了纳米二氧化硅的性质及其在药物方面的应用，干法制备，湿法制备等制备纳米二氧化硅的工艺并对各工艺的进行了简述对纳米二氧化硅的应用前景进行了展望。同时，介绍几种纳米多孔二氧化硅作为药物载体的应用及发展动态。以国内外有代表性的文献资料为依据,对介孔二氧化硅、二氧化硅气凝胶、等多孔二氧化硅药物载体的结构特性、应用及发展动态进行分析、整理和归纳。了解到纳米多孔二氧化硅作为药物载体, 借助于其纳米孔道结构、形貌或孔道的控制及表面功能化修饰,可以实现药物的速释、缓释，p H 或温度敏感释放。结论纳米多孔二氧化硅作为药物载体具有广阔的应用前景。

关键词

多孔纳米二氧化硅制备方法干法制备湿法制备载体作用介孔二氧化硅二氧化硅凝胶药物载体

引言

纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一,因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。与传统的药物载体如脂质体、乳剂、聚合物纳米粒等相比, 无机载体由于其物理稳定性好、粒子大小及形态控制简单、易于表面功能化等方面的优势, 加上无机材料本身具有的独特的光学、磁学、电学及物理学性能, 显示出其在医药领域巨大的应用前景。许多不同结构特性的无机材料如羟基磷灰石, 金属纳米粒 ( 金、银、铂 ) , 四氧化三铁,二氧化硅, 量子点等在药物传递中的应用均受到广泛的关注与重视[ 1]。其中, 纳米多孔二氧化硅材料如介孔二氧化硅、二氧化硅气凝胶 ( aer o gel)及干凝胶 ( xer ogel ) 等, 由于其良好的生物相容性、较高的孔隙率、较大的比表面积及较好的稳定性,作为药物载体的研究成为近几年研究的热点。本文就几种纳米多孔二氧化硅材料在药物载体方面的应用做一点了解。

1 多孔纳米二氧化硅的制备

1.1 多孔纳米二氧化硅的概述

纳米二氧化硅是具工业应用前景的纳米材料，它的应用领域十分广泛，几乎涉及到所有应用二氧化硅粉体的行业。就作为添料而言其制品的各项性能指标均会大幅提高，而纳米二氧化硅的应用远不止于此。我国是继美、英、日、德国之后，第五个能批量生产此产品的国家，纳米二氧化硅的批量生产为其研究开发提供了坚实的基础。我国纳米二氧化硅的生产与应用落后于发达国家，该领域的研究工作还有待突破。纳米二氧化硅是无定型白色粉末( 指其团聚体) ，表面存在不饱和的残键及不同键合状态的羟基。其分子状态呈三维链状结构( 或称三维网状结构，三维硅石结构）。纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无机新材料之一，因其粒径很小，比表面积大，表面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。纳米二氧化硅俗称“超微细白炭黑”，广泛用于各行业作为添加剂、催化剂载体，石油化工，脱色剂，消光剂，橡胶补强剂，塑料充填剂，油墨增稠剂，金属软性磨光剂，绝缘绝热填充剂，高级日用化妆品填料及喷涂材料、医药、环保等各种领域。

1.2多孔纳米二氧化硅的性质

纳米二氧化硅是纳米材料中的重要一员。为无定型白色粉末，是一种无毒无味无污染的非金属材，微结构呈絮状和网状的准颗粒结构为球形这种特殊结构使它具有独特的性质，纳米二氧化硅对波长以内的紫外线反率高达，一将其添加在高分子材料可以达到抗紫外线老化和热老化的目的，纳米二氧化硅的小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其产生淤渗作用可深人到高分子链的不饱和键近并和不饱和键的电子云发生作用改善高分子材料的热光稳定性和化学稳定性从而提高。产品的抗老化性和耐化学性纳米二氧化硅在高温下仍具有强度韧度和稳定性高的特性，将其分散在材料中与高分子链结合形成立体网状结构从而提高材料的强度弹性等基本性。纳米二氧化硅的三维硅石结构大比表面积不饱和的配位,使其对色素离子具有极强的吸附作用可减低紫外线一起的掉色、

1.3 多孔纳米二氧化硅的制备方法、

多孔纳米二氧化硅的制备方法可分为干法湿法两大类。

干法工艺制备的产品具有纯度高、性能好的特点,但生产过程中能源耗大、成本高。而湿法所用原材料广泛、价廉田。无论采用哪种方法,其追求的目标是相同的,即制备出粒度均匀、分布窄、纯度高、分散性好、比表面积大的纳米二氧化硅。

1.3.1干法制备纳米二氧化硅

干法生产工艺的原料一般采用有机卤硅烷、氧或空气和氢,在高温下反应制备纳米二氧化硅。干法中还有硅砂和焦炭的电弧加热法、有机硅化合物分解法等。主要流程是将上述硅化合物在空气和氢气中均匀混合于高温下水解，再通过旋风分离器，分离出大的凝集颗粒,最后脱酸制得气相二氧化硅。段先健等川研究出一种高分散纳米二氧化硅的制备方法。将氧气氢气和有机卤硅烷按一定比例连续地输进燃烧喷嘴,在反应室中燃烧

应同时在反应室中输人保护气体卤硅烷利用燃烧生成的水以及产生的

热量进行高温水解缩合反应反应产物经过聚集、气固分离、脱酸等后处理工得到。

1.3.2溶胶一凝胶法制备纳米二氧化硅

该工艺是将硅酸醋与无水乙醇按一定的摩尔比混合,搅拌成均匀的混合溶液,在搅拌状态下缓慢加人适量去离子水,调节溶液的值,再加入合适的表面活性剂,将所得溶液搅拌后在室温下陈化制得凝胶, 胶在马弗炉中干燥得到所需纳米二氧化硅粉体。张立德等研究一种尺寸可控纳米级二氧化硅粉体的制备方法。采用硅酸醋加无水乙醇、盐酸、去离子水,在酸性环境下加人十六烷胺, 成二氧化硅凝胶再将凝胶烘干高温处理,即得到尺寸可控、量大的白色非晶态纳米二氧化硅粉体。霍玉秋研究了正硅酸乙醋在碱的催化下与水反应,通过水解聚合制备纳米二氧化硅。将一定量的水和乙醇混合搅拌滴人正硅酸乙酷和氨水搅拌后静置一段时间,即分层得二氧化硅沉淀将沉淀洗涤、干燥,制得纳米二氧化硅。

1.3.3从碱金属的硅酸盐制备纳米二级化硅

唐芳琼研究了从碱金属的硅酸盐制备纳米二氧化硅的方法。该法将表面活性剂溶解在非极性有姬溶剂中, 陪成溶液依据纳米二氧化硅粒径所要求的值及值来配制碱金属硅酸盐的水溶液将此水溶液搅拌下加人到表面活性剂的非极性有机溶剂溶液中,制成碱金属硅酸盐的反胶束溶液将此反胶束溶液加到酸化了的极性有机溶液分散相中,陈化一

段时间离心分离,制得粒径在的纳米二氧化硅。汪国忠等研究出一种粒度可控非晶纳米二氧化硅的制作方法。以商品级水玻璃和碱金属盐类为原料在表面活性剂的调制下,经酸性溶液和去离子水洗涤烘干得到非晶球形二氧化硅纳米粉。该法生产的非晶球形二氧化硅纳米粉可用作超膜中的填料,能改善橡胶填料的性质,使之耐磨、硬度增强在半导体技术中可用作绝缘层、掩埋层、衬底层的材料以及用作光学复合玻璃等。

。

1.3.4微乳液法制备纳米二氧化硅

微乳液法制备纳米二叙化硅微乳液法可制备粒度均一的纳米粒子, 王玉现等以一正辛醇环己烷水或氨水形成微乳液,在考察该微乳液系统稳定相行为的基础上,由正硅酸乙醋水解反应制备纳米粒子。该工艺的分析结果表明选择适当的水与表面活性剂量比和水与正硅酸乙醋量比,可以合成具有无定形结晶的疏松球形纳米级二氧化硅粒子,且反应后处理较简便

2 多孔纳米二氧化硅在药物载体方面的应用

随着当前城市生活垃圾的大幅增长以及环境污染的日趋严重，加大消灭“四害”的力度、预防疾病的传播已十分迫切。在树干上涂刷石灰、向垃圾箱喷洒药水已作用不大，现在大城市已采用喷涂中枢神经麻醉药类杀虫剂来消灭蚊子、苍蝇、蟑螂等昆虫类害虫，但这些杀虫剂多从国外进口，价格较高，喷涂后有效期较短（只有一个月）。采用纳米Si02为载体吸附该类杀虫剂，起到了很好的缓释效果，据测定，其喷涂后有效期长达一年以上。由此可见，纳米二氧化硅为载体的药物发展空间前景广阔，下面就纳米二氧化硅做药物载体的情况作一介绍、与传统的药物载体如脂质体、乳剂、聚合物纳米粒等相比, 无机载体由于其物理稳定性好、粒子大小及形态控制简单、易于表面功能化等方面的优势, 加上无机材料本身具有的独特的光学、磁学、电学及物理学性能, 显示出其在医药领域巨大的应用前景。许多不同结构特性的无机材料如羟基磷灰石, 金属纳米粒 ( 金、银、铂 ) , 四氧化三铁,二氧化硅, 量子点等在药物传递中的应用均受到广泛的关注与重视。其中, 纳米多孔二氧化硅材料如介孔二氧化硅、二氧化硅气凝胶及干凝胶等, 由于其良好的生物相容性、较高的孔隙率、较大的比表面积及较好的稳定性,作为药物载体的研究成为近几年研究的热点。

2.1 多孔纳米二氧化硅的药物载体作用概述

多孔二氧化硅纳米颗粒由于具有孔径可调易于表面功能化修饰以及良好的生物相容性在药物释放领域表现出巨大的应用潜力。采取不同的药物控释手段能够使其在特定的外界刺激下, 通过对孔装载门阀进行有效地调控以释放所包封药物该文对国内外多孔二氧化硅纳米颗粒在可控制药物释放领域中的研究加以综述并对这一研究领域的发展趋势进行展望。多功能纳米结构不仅具有功能调控的作用同时它的功能集成和空间局限效应使其在诸多领域上表现出卓尔不群的独特魅力。随着多孔二氧化硅尺寸形貌以及孔径的可控制备的发展多孔二氧化硅以其独特的结构特点及良好的生物相容性环境稳定性透光性抗微生物腐蚀等优点引起了广泛关注，成为多功能纳米材料的研究热点

之一。大量研究工作证明了多孔二氧化硅在吸附催化传感以及分离等诸多领域有着巨大的应用潜力，近年来多孔二氧化硅应用在生物医学方面特别是在药物载体上的研究逐渐成为新的热点，这里我们对多孔二氧化硅纳米颗粒在药物载体的方面进行了解。

2.2多孔纳米二氧化硅材料用于药物载体

2.2.1.有序介孔二氧化硅

介孔二氧化硅材料所具有的大的比表面积,较高的孔隙率, 规整有序的孔道结构, 均一可调的孔径及无生理毒性等优点使其成为药物的优良载体。其中作为药物载体研究最多最具代表性的有两种介孔二氧化硅材料。一般而言, 介孔二氧化硅利用其巨大的表面积及强的吸附能力, 可将药物分子负载于其纳米孔道内部, 并缓慢持续的释放药物; 此外, 通过对介孔二氧化硅表面硅醇基嫁接各种官能团可以很容易的进行表面改性处理, 改性后不会破坏其高度有序性及介孔结构, 便于产生表面基团与药物分子之间的相互作用, 增强药物分子与载体之间的相互作用力, 一方面可以提高药物的负载量, 另一方面可以有效调控药物的释放, 达到更长效缓释, p H 敏感或者温度敏感释放; 对难溶性药物而言, 通过对介孔二氧化硅孔径以及内部孔道拓扑结构的调节, 可以依靠其纳米孔道或者三维结构, 将药物以分子或者无定形吸附存在于孔道内部, 提高难溶性药物的溶解度及溶出速度。

2.2.2二氧化硅气凝胶

气凝胶是一种新型的纳米、多孔、低密度的非晶固态材料, 其孔隙率高, 孔径分布广 , 比表面积高，低的密度，其开放的内部孔道结构, 高的孔隙率、大的比表面积及无生理毒性使二氧化硅气凝胶成为药物的优良载体。一般来说, 二氧化硅气凝胶的制备分为两步,即先通过溶胶 - 凝胶工艺, 正硅酸乙酯 ( tet r aet hy lor t h osili c ate , TEO S ) 的水解缩合形成低密度网络结构的凝胶, 经过一定时间老化以后, 再用超临界干燥工艺去除凝胶内剩余的溶液而保持凝胶的网络结构不变. 从而获得密度极低而宏观上很均匀的 S i O2 气凝胶。制备工艺过程会对气凝胶孔径及比表面积产生影响。另外, 可以通过表面基团修饰来改变气凝胶的特性, 如亲水疏水性等。亲水性干凝胶遇水结构立即塌陷, 而疏水性干凝胶则漂浮于水上几个小时不润湿。S m i r n o va在 40 测量并分别绘制了模型物质萘, 模型药酮洛芬和咪康唑的吸附等温线, 结果表明两种药物对二氧化硅气凝胶有很好的亲和性, 这也表明可以将气凝胶作为药物的载体。利用吸附等温线中提供的信息可以控制载入气凝胶的药物含量。酮洛芬在疏水性气凝胶中吸附量低于亲水气凝胶, 是由于疏水气凝胶缺少能形成氢键的活性基团。 S m i r nov a应用酮洛芬等 3 种药物做二氧化硅气凝胶载药实验均获得了较

高的载药量数据, 并且在载药过程中药物的化学结构未生破坏。研究者还测定了酮洛芬和灰黄霉素在这种载体中的释放数据, 结果证明亲水性二氧化硅气溶胶中的药物溶解速度比相应的结晶型药物快, 这与载体增加药物的比表面积和药物的无定形态有关。

结语

作为一种高科技材料,纳米材料的制备方法多种多样,但仍然着许多问题。如怎样解决纳米二氧化硅的团聚问题,使其均匀如何有效地控制二氧化硅粒径和形貌如何降低成本,适合规模产。进一步的研究重点仍是寻求行之有效的纳米材料制备方,可以考虑将几种方法结合起来,取其利而去其弊同时,对纳米材的形成机理及微观结构进行深人探讨,建立起成熟的理论模型,对各种实验现象做出合理的解释。随着纳米二氧化硅相关研究工作的深人开展,这些难题终将会被逐步解决。总结了有序介孔二氧化硅、二氧化硅气凝胶纳米多孔二氧化硅作为药物载体的研究。纳米多孔二氧化硅材由于其较好的生物相容性, 较大的比表面积及较高的孔隙率等优势, 作为药物载体可以实现药物的速释、缓释及靶向传递。尤其是近几年新发展起来的无机多孔二氧化硅类载体材料, 其稳定的介孔结构、相对较大的比表面积、优良的生物相容性和低毒性、可调节的孔径以及表面功能化特征使其在化学药物及生物大分子等传递方面展现出可喜的应用前景。

参考文献

1 胡彦臣王岩竹王思玲纳米多孔二氧化硅作为载体的研究 1006-2858（2010）

12-0961-07

2 曹淑超伍林易德莲秦晓蓉纳米二氧化硅的制备工艺及进展 2005 （09)-0001-03

3 张瑞锐史建国丁露多孔纳米二氧化硅在药物释放领域的研究山东省生物所250014

4 张密林丁立国敬晓燕侯宪全纳米二氧化硅的制备改性与应用2003 06-0011-04

5 张立德,牟季美纳米材料和纳米结构北京科学出版社 2001 8-24

6 许可静杨新春段先封多孔纳米二氧化硅的微粉制备与表征 255091

7 蔡亮真杨挺纳米二氧化硅在高分子领域的应用 2002 14（6）20-23

8 张咏春,田明,张立群,等二氧化硅制备、改性、应用进展 1998 18（4）11-13