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1 浙江理工大学学报 ( 自然科学版 ), 第 39 卷, 第 2 期,2018 年 3 月 JournalofZhejiangSciGTechUniversity (NaturalSciences) Vol.39,No.2,Mar.2018 DOI: /j.issn.1673G3851(n) 介孔镂空生物玻璃微球调控及形成机制鞠凤宇 a, 刘涛 b, 张丽香 a, 訾园兴 a, 丁新波 a ( 浙江理工大学,a. 材料与纺织学院 ;b. 科技与艺术学院, 杭州 ) 摘要 : 以十六烷基三甲基溴化铵 (Cetyltrimethylammoniumbromide,CTAB) 为软模板剂, 结合溶胶 G 凝胶法, 制备介孔镂空生物玻璃球 (Mesoporousholowbioactiveglass,MHBG); 改变十六烷基三甲基溴化铵的添加量来调控所得介孔镂空生物玻璃微球的表面微观形态粒径大小以及孔径尺寸. 采用透射电镜场发射电镜能谱分析氮气吸附脱附测试 X 射线粉末衍射仪和傅里叶红外光谱测试表征介孔镂空生物玻璃微球的外观形貌内部结构分散状态及元素组成. 结果表明 : 添加不同质量的十六烷基三甲基溴化铵可以制备不同粒径和孔径, 内部呈中腔镂空状壳层含纳米孔道, 分散均匀的镂空介孔生物玻璃微球. 所制备的样品具有良好的生物活性, 在药物载体和骨组织修复领域具有潜在应用. 关键词 : 介孔镂空生物玻璃 ; 形成机制 ; 模板法 ; 溶胶凝胶法 ; 形貌控制中图分类号 :TQ127.2 文献标志码 :A 文章编号 :1673G3851 (2018)03G0171G05 0 引言生物活性玻璃是无机活性材料的一个重要分支, 主要成分以 SiO2 和 CaO 为基础, 是一种特殊组成和结构的硅酸盐玻璃材料 [1G2]. 自 20 世纪 70 年代初利用熔融法成功制备了生物玻璃 45S5 以来 [3], 生物玻璃已成为材料学医学以及生物化学等领域的研究热点 [4G7]. 生物玻璃具有良好的生物相容性, 对人体无毒副作用 ; 能够促进骨细胞增殖, 修复缺损的骨组织, 对骨形成具有诱导作用 ; 随着骨组织的生长, 生物玻璃在体内也不断降解成正常的代谢产物排出体外, 具有生物降解性 ; 生物玻璃组分可调, 可以掺入 Fe Na Zn 等其他元素复合应用. 随着纳米技术的发展, 具有新型结构的生物玻 [8] 璃材料逐渐引起了研究者的注意.Liu 等以聚丙烯酸 PAA 为模板, 成功制备了中空生物玻璃, 其在模拟体液环境下具有良好的生物活性, 可应用于骨 [9] 修复治疗.Wang 等以三嵌段共聚物 P123 为基础, 采用一步法合成功能化多级复合孔生物活性玻 [10] 璃, 具有很好的载药性能.Duan 等通过水热合成法制备中空介孔生物玻璃球 (HMBG), 并研究了 HMBG MCMG41 及 SBAG15 对纳米铝粒子的装载效果, 结果发现 :MCMG41 SBAG15 载药率分别为 14% 和 8%, 而 HMBG 载药率达到 39.24%, 是介孔生物玻璃 MCMG41 SBAG15 的 3~4 倍. 与传统的生物玻璃材料相比, 介孔镂空型生物玻璃不仅具有良好的生物活性生物降解性和生物相容性, 而且还具有介孔孔道以及明显的内部空腔结构, 具有高比表面积, 大的孔容 ; 其表面活位性点多, 流动性好 [11G12], 可作为装载抗癌药物 ( 阿霉素 ) [13G14] 生物大分子 ( 多肽 DNA RNA) [15G16] 等的载体材料, 应用于药物运输药物缓释及骨修复等领域. 本文以阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 为软模板剂, 通过熔融 G 凝胶法并控制生物玻璃组分的摩尔比来制备介孔镂空生物玻璃球. 进一步利用 EDS XRD FEGSEM TEM 等测试方法对介孔镂空生物玻璃的形貌及组成成分进行测试表征, 考察了模板剂 CTAB 添加量的多少对介孔镂空收稿日期 : 网络出版日期 : 基金项目 : 浙江省自然科学基金项目 (LY16E020012); 浙江省教育厅科研项目 (Y ) 作者简介 : 鞠凤宇 (1992-), 女, 山东诸城人, 硕士研究生, 主要从事现代纺织技术及新产品研究与开发. 通信作者 : 丁新波,EGmail:dxblt@zstu.edu.cn

2 172 浙江理工大学学报 2018 年第 39 卷生物玻璃球空腔尺寸及孔径排布的影响. 生物玻璃微球, 其中硅源磷源钙源的摩尔比分别 1 材料与方法为首先, 常温条件下将一定量的 CTAB 溶于 78 ml 无水乙醇和 165 ml 去离子水混合溶液 1.1 实验药剂十六烷基三甲基溴化铵 (Cetyltrimethylammonium 中, 搅拌均匀至澄清后, 加入 3 ml 氨水, 磁力搅拌 2h 后再加入 2.79g 正硅酸乙酯 (TEOS), 搅拌 2h, bromide,ctab, 分析纯 ); 无水乙醇 (Absolute ethylalcohol,etoh, 分析纯 ); 去离子水 (Deionized water,dw); 氨水 (NH3 H2O, 分析纯, 浓度为 33%); 正硅酸乙酯 (Tetraorthosilicate,TEOS, 分析纯 ); 磷酸三乙酯 (Triethylphosphate,TEP, 分析纯 ); 四水硝酸钙 (Ca(NO3) 2 4H2O,CaNT, 分析纯 ). 得到有白色沉淀生成的溶液. 然后, 加入 0.30g 磷酸三乙酯 (TEP), 搅拌 2h 至完全混合均匀后, 加入 0.59g 四水硝酸钙 (CaNT), 持续搅拌 4h, 得到白色溶胶混合液. 然后, 将其进行离心处理, 用无水乙醇去离子水洗涤, 重复离心清洗 3 次后, 在 70 条件下干燥 12h. 将得到白色粉末置于马氟炉中以 1.2 介孔镂空生物玻璃微球的制备以十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 为软模板 5 /min 的升温速率于 600 煅烧 8h, 完全去除模板剂, 即得介孔镂空生物玻璃微球. 在制备过程中, 剂, 正硅酸乙酯 (TEOS) 为硅源, 磷酸三乙酯 (TEP) 为磷源, 四水硝酸钙 (CaNT) 为钙源制备介孔镂空通过调控 CTAB 的添加量, 来考察对微球粒径及孔径的影响. 相对应的溶液组成如表 1 所示. 表 1 样品和相应的溶液组成样品 CTAB/g 无水乙醇 /ml 去离子水 /ml 氨水 /ml TEOS/g TEP/g 四水硝酸钙 /g MHBG MHBG MHBG 表征及性能测试 X 射线粉末衍射仪 (XRD) 采用粉末法, 在放射源为 Cu 靶 Kα 射线, 工作电压电流分别为 45kV 45mA 条件下, 以 0.02 的扫描步长, 在 2θ=10 ~80 扫描范围内利用 D8 discover 型 X 射线粉末衍射仪 ( 布鲁克 AXS 有限公司, 德国 ) 对样品的晶体结构和组成进行进行广角晶体结构分析 (WAXRD) 傅里叶红外光谱 (FTGIR) 采用溴化钾压片法, 在玛瑙研钵中以的配比加入适量样品和溴化钾, 进行充分研磨, 用压片机压成透明或半透明的薄片, 利用 Nicolet5700 型傅立叶红外光谱仪 ( 热电公司, 美国 ) 对样品的化学组成成分进行扫描测试, 扫描范围 4000~400cm -1, 扫描若干次场发射扫描电子显微镜 (FEGSEM) 和能谱分析 (EDS) 取适量待测样品超声分散在溶剂无水乙醇中, 分散均匀后, 用毛细管吸取少量分散液滴在干净的硅片上 ; 然后用导电胶粘贴在样品台上, 置于红外灯下干燥数小时. 在加速电压为 3kV 条件下, 利用 HITACHISG4800 型场发射扫描电子显微镜 ( 日立公司, 日本 ) 对样品的表面形貌及粒径尺寸进行测试分析. 在加速电压为 10kV 条件下, 利用附带的电子能谱仪进行测试分析对样品的元素组成进行测试分析透射电子显微镜 (TEM) 取适量待测样品超声分散在溶剂无水乙醇中, 用毛细管吸取分散好的溶液滴在铜网上, 然后将其放在红外灯下干燥数小时. 在 200kV 加速电压条件下, 通过日本 JEOLG2100 型透射电子显微镜 ( 电子公司, 日本 ) 对样品的微观结构形貌进行测试分析氮气吸附脱附测试将样品在烘箱内干燥 24h 后, 置于 ASAP2020 型物理吸附仪 ( 麦克公司, 美国 ) 上, 以 220 温度真空脱气 5h, 然后在 77 K 条件下, 以液氮为吸附介质, 对样品的比表面积和孔径分布进行测试表 [17] 征. 2 结果与讨论 2.1 介孔镂空生物玻璃微球的结构和形貌分析介孔镂空生物玻璃的各组分元素分析如图 1 所示. 由图 1 可知, 在 keV 及 3.72keV 处出现了明显的特征衍射峰, 相对应的分别为 O 元素,Si 元素,P 元素和 Ca 元素, 表明生物玻璃的主要成分 Si Ca 和 P 元素已经负载, 即该微球表面壳层为由 SiO2GCaOGP2O5 三组分构成的生物玻璃.

第 2 期鞠凤宇等 : 介孔镂空生物玻璃微球调控及形成机制 173 制备样品符合生物玻璃内部结构特征. 由图 3 可知, 在 2θ=22 ~25 的低衍射角区出现了一个馒头峰, 随后衍射强度逐渐衰减平滑, 没有出现晶体的特征峰, 表明所制备的复合粒子的表层为非晶态, 即在有机成分 CTAB 的表面已成功包覆无机成分.

在 605cm -1 附近的峰是 P O 的弯曲振动峰. 这些都是生物玻璃的特征峰吸收峰, 说明图 2 介孔镂空生物玻璃微球的红外光谱图图 3 介孔镂空生物玻璃微球的 X 射线衍射图介孔镂空生物玻璃微球的场发射扫描电镜 (FESEM) 和透射电镜图 (TEM) 分别如图 4 和图 5 所示.

3 第 2 期鞠凤宇等 : 介孔镂空生物玻璃微球调控及形成机制 173 制备样品符合生物玻璃内部结构特征. 由图 3 可知, 在 2θ=22 ~25 的低衍射角区出现了一个馒头峰, 随后衍射强度逐渐衰减平滑, 没有出现晶体的特征峰, 表明所制备的复合粒子的表层为非晶态, 即在有机成分 CTAB 的表面已成功包覆无机成分. 图 1 介孔镂空生物玻璃微球的能谱分析图图 2 和图 3 分别为介孔镂空生物玻璃微球的红外光谱图和 X 射线衍射图. 由图 2 可知, 谱图中出现了硅基纳米材料特征峰, 在 468cm -1 处的峰是 Si O Si 对称弯曲振动峰,796cm -1 处是 Si O 对称伸缩振动峰 1082cm -1 处是 Si O Si 不对称伸缩振动峰. 在 605cm -1 附近的峰是 P O 的弯曲振动峰. 这些都是生物玻璃的特征峰吸收峰, 说明图 2 介孔镂空生物玻璃微球的红外光谱图图 3 介孔镂空生物玻璃微球的 X 射线衍射图介孔镂空生物玻璃微球的场发射扫描电镜 (FESEM) 和透射电镜图 (TEM) 分别如图 4 和图 5 所示. 从图 4 可以看出, 介孔镂空生物活性玻璃微球的外观形貌为表面光滑的球体, 粒径均一, 无明显团聚现象, 分散性良好. 如图 5 所示, 制备所得的生物活性玻璃微球呈明显的核 G 壳结构, 其中中腔由实体部分的 SiO2 和煅烧去除模板剂后留下的蠕虫状微孔, 呈镂空状 ; 壳层为密度较高的生物活性玻璃. 当其他合成条件不变, 模板剂 CTAB 的添加量分别为 g 和 0.50g 时, 样品 MHBG1 MHBG2 和 MHBG3 的平均粒径分别为 nm 和 nm. 由此表明, 随着 CTAB 添加量的增加, 样品粒径逐渐减小, 且球形规则, 分散均匀. 图 4 不同粒径的介孔镂空生物玻璃球的场发射电镜图图 5 不同粒径的介孔镂空生物玻璃球的透射电镜图

4 174 浙江理工大学学报 2018 年第 39 卷图 6 为介孔镂空生物玻璃微球的孔径分布曲线图. 从图 6 可以明显看出, 制备的介孔镂空生物玻璃微球的整体孔径主要集中在大尺寸范围, 以大孔形式存在, 分布均匀 ; 在小尺寸区域有少量的孔径存在, 主要以微孔形式存在. 当其他合成条件不变, 模板剂 CTAB 的添加量分别为 g 和 0.50g 时, 样品 MHBG1 MHBG2 和 MHBG3 的比表面积分别为 m 2 /g 和 m 2 /g; 平均孔径为 nm 和 24.41nm; 孔容为 cm 3 /g 和 0.90cm 3 /g. 实验表明, 改变模板剂 CTAB 添加量对生物玻璃微球的比表面积及孔径大小有显著的影响, 介孔镂空生物玻璃微球的比表面积和孔径尺寸随着 CTAB 添加量的增大而增大. 制备的介孔镂空生物玻璃微球具有大的比表面积以及良好的介孔结构, 可以作为合成多壳层结构纳米粒子的基础, 也可以作为载体材料负载输送药物生物大分子等应用于生物医药等领域. 图 6 介孔镂空生物玻璃球的孔径分布曲线 2.2 介孔镂空生物玻璃微球形成机理分析介孔镂空生物玻璃微球的制备原理如图 7 所示. 首先, 将带正电的阳离子表面活性剂溴化十六烷基三甲铵 (CTAB) 溶于无水乙醇去离子水混合溶液中形成胶束, 通过自组装形成球状囊泡. 利用氨水进行调节混合溶液 ph 值, 使混合溶液 ph> 3.7, 加入硅源, 使得正硅酸乙酯 (TEOS) 在氨水催化作用下水解缩合形成 SiO2 纳米粒子, 其表面的硅羟基 (Si OH) 带负电荷, 由于静电吸附作用,SiO2 吸附到 CTAB 胶束表面发生聚合交联形成混合相. 然后, 再添加一定量的磷源钙源, 在界面区域通过静电自组装包覆在微球表面, 形成 CTAB@BG 复合微球. 最后, 通过离心水洗, 烘干煅烧完全移除模板剂, 得到介孔镂空生物玻璃微球. 同时, 可以通过改变软模板剂 CTAB 的添加量来调控生物活性玻璃微球的粒径及孔径尺寸. 图 7 介孔镂空生物玻璃微球的制备原理 3 结论以 CTAB 为软模板剂, 结合溶胶 G 凝胶法, 通过控制生物玻璃组分的摩尔比来制备介孔镂空生物玻璃微. 制备的介孔镂空生物玻璃微球微观形貌特征为核 G 壳结构, 其核呈中腔镂空状壳层为含介孔孔道的生物玻璃, 且其组分可调粒径尺寸可控. 主要研究结论如下 : a) 通过以阳离子表面活性剂溴化十六烷基三甲铵 (CTAB) 为模板剂, 利用改进的溶胶 G 凝胶制备方法,CTAB 胶束通过协调自组装形成球状囊泡, 加入硅源钙源和磷源发生聚合交联形成生物玻璃微球, 然后离心水洗, 煅烧烘干去除模板剂, 得到介孔镂空生物玻璃微球. b) 利用 TG EDS XRD FEGSEM TEM 以及氮气吸附 G 脱附等对介孔镂空生物玻璃微球的结构组成微观形貌及性能进行表征分析. 研究发现, 所制备的样品为中腔镂空状壳层为蠕虫状孔道, 粒径均一, 比表面积大, 表面光滑, 分散性良好, 壳层成功包覆 SiO2GCaOGP2O5 三组分的介孔镂空生物玻璃微球. c) 通过改变模板剂 CTAB 的添加量, 对所得样品的粒径大小及孔径尺寸产生一定影响. 随着 CTAB 添加量的增加, 所制备样品的粒径逐渐减小, 孔径逐渐增大, 表面积及介孔孔道也逐渐增大.

5 第 2 期鞠凤宇等 : 介孔镂空生物玻璃微球调控及形成机制 175 参考文献 : [1]JiangP P,Lin H M,Xing R,etal.Synthesis of multifunctional macoroporousgmesoporous TiO2Gbioglasses forboneengineering[j].solggelscienceandtechnology, 2012,61(2):421G428. [2] 轩肖娜, 朱海霖, 陈建勇. 丝素蛋白 / 生物玻璃复合多孔支架的结构与性能 [J]. 功能材料,2013,44(2):226G231. [3]HenchLL.Geneticdesignofbioactiveglass[J].Journalof theeuropeanceramicsociety,2009,29(7):1257g1265. [4]JonesJR.Review ofbioactiveglass:from Henchto hybrids[j].actabiomaterialia,2013,9(1):4457g4486. [5]SepulvedaP,JonesJ,HenchL L.Invitrodissolution ofmeltgderived45s5andsolggelderived58sbioactives glasses[j].journalofbiomedical MaterialsResearch, 2002,61(2):301G311. [6] 姜达君, 贾伟涛, 张长青. 生物玻璃在骨修复中的研究 [J]. 中国修复重建外科杂志,2017,31(12):1G5. [7]XiaW,ChangJ,LinJP,etal.ThepHGcontroleddualG drugreleasefrom mesoporousbioactiveglass/polypeptide graftcopolymer nanomicele composites[j].science Direct,2008,2(69):546G552. [8]LiuT,LiZ H,Ding X B,etal.Facilesynthesisof holowbioactiveglassnanosphereswithtunablesize[j]. MaterialsLetersl,2017,190(3):99G102. [9]WangD,LinHL,JiangJJ,etal.OneGpotsynthesisof magnetic,macro/mesoporousbioactiveglassesforbone tissueengineering[j].scienceandtechnologyofadvanced Materials,2013,14(2):1G9. [10]DuanH,DiaoJJ,ZhaoN,etal.Synthesisofholow mesoporousbioactiveglass microspheres with unable shelthicknessbyhydrothermalgassistedselfgtransformation method[j].materialsleters,2016,167(15):201g204. [11]LiX F,Jiang JJ, Qu F Y,etal.Synthesis of hierarchicaly porous bioactive glasses using natural plantsastemplateforbonetissueregeneration[j]. Journalof SolGGelScience and Technology,2012,3 (63):416G424. [12] 李鑫. 负载纳米金星的中空硅纳米颗粒的制备及其肿瘤多模态诊疗应用 [D]. 上海 : 东华大学,2017:2G12. [13]FangXL,ZhaoXJ,Fang WJ,etal.SelfGtemplating synthesisofholowmesoporoussilicaandtheirapplications incatalysisanddrugdelivery[j].nanoscale,2013,5 (6):2205G2218. [14]WuC T,Fan W,ChangJ.Functional mesoporous bioactiveglass nanospheres:synthesis,highloading eficiency,controlabledeliveryofdoxorubicinandinhibitory efecton bonecancercels[j].journalof Materials ChemistryB,2013,82(21):2675G2782. [15] 王祎帆. 氨基功能化的大孔介孔二氧化硅纳米粒子的合成 [D]. 吉林 : 吉林大学,2013:3G40. [16] 梁樱, 马莹, 陈霞. 高负载中空介孔二氧化硅微粒的可控药物释放 [J]. 东华大学学报,2017,43(1):64G70. [17] 李智慧, 张立, 刘涛, 等. 中空生物玻璃形貌结构及其活性研究 [J]. 浙江理工大学学报,2017,37(5):737G741. Controlandformationmechanismofmesoporous holowbioactiveglassnanospheres JUFengyu a,liutao b,zhanglixiang a,ziyuanxing a,dingxinbo a (a.colegeofmaterialsandtextiles;b.keyicolege,zhejiangscigtech University,Hangzhou310018,China) Abstract:The mesoporousholow nanosphericalbioactiveglasses(mhbg)werepreparedthough usingcetyltrimethylammonium bromide(ctab)asthesofttemplateandsolggelmethod.thesurface morphology,particle and cavity size ofthe mesoporous holow nanosphericalbioactive glasses were controledviaadjustingtheadditionofctab.thesurface morphology,internalstructure,dispersion stateandcompositionofthe mesoporousholow nanosphericalbioactiveglasses werecharacterized by transmissionelectron microscopy,scanning electron microscope,energy dispersive spectroscopy, N2 adsorptiongdesorption,xgraydifractionandfouriertransform IRspectroscopy.Theresultsshowthat evenlydispersedmesoporousholownanosphericalbioactiveglasseswithdiferentparticlesizeandholesize whoseshellayercontainsnanometerholechannelcanbepreparedbyaddingdiferentconcentrationof CTAB.Thesesamplesexhibitgoodbioactivitywhichmayhavepotentialapplicationsindrugdeliveryand bonetissueregeneration. Keywords:mesoporousholow bioactiveglass;formation mechanism;templatemethod;solggelmethod; morphologycontrol ( 责任编辑 : 唐志荣 )

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材料导报研究篇年月下第卷第期种球的制备单步溶胀法制备分子印迹聚合物微球洗脱处理种子溶胀聚合机理种球用量的影响水相中组氨酸单分散分子印迹聚合物微球的合成表征及其识别性能研究李思平等李思平徐伟箭较佳工艺条件下在水性体系中选用无皂乳液聚合法制得的单分散微米级聚苯乙烯微球为种球分别以组氨酸甲基丙烯酸或丙烯酸胺乙二醇二甲基丙烯酸酯为模板分子功能单体和交联剂合成了组氨酸分子印迹聚合物微球研究了形貌粒径及其分布以及模板分子与功能单体之间的相互作用分别以激光粒度分析仪紫外分光光度法和红外光谱表征功能单体与交联剂之间的共聚情况