一种元素掺杂硅基微纳米球颗粒的制备方法与流程

1.本发明涉及生物医用无机纳米颗粒的技术领域，尤其是指一种元素掺杂硅基微纳米球颗粒的制备方法。


背景技术：

2.通过溶胶凝胶法制备的硅基微纳米球颗粒具有规则几何形状，良好的流动性，可调节的孔隙率和可控制的粒度分布，大的比表面积和空隙容积，具有一定的降解性能，良好的生物相容性，其降解产生的si离子能够直接促进成骨和成血管相关基因的表达，促进多谱系的细胞分化，并在降解的过程中诱导生物矿化，促进生物体软硬组织的结合。因此在药物装载释放、促进细胞分化和组织再生领域有宽广的应用潜力。
3.法是一种合成单分散二氧化硅颗粒的物理化学方法，由werner等人最先发现。一般是指通过将正硅酸四乙酯加入乙醇和氨水中生成纳米二氧化硅微球的方法，在氨促进水解和缩聚的过程中，一般会发生溶胶和凝胶形态转变。通过这种“bottom
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up”方式制备粒径可控的纳米二氧化硅颗粒具有很强的设计性，能够通过投料的改变掺杂不同的功能元素，赋予硅基纳米材料以生物成像，细胞定位、诱导细胞自噬、巨噬细胞极化调控等多种功能。
4.单纯的氨水催化制备的纳米二氧化硅微球粒径较大，表面光滑，比表面积较少，降解速率较低，因此生物活性不足同时单一的离子释放也缺乏有效的促进组织再生的能力，通常在硅网络中添加多种促进其他网络改性剂促进网络的降解和生物活性的提高
5.十二烷胺是一种有机胺，具有疏水的长链烷烃和亲水的氨基，疏水的链段可以通过自组装形成球形水相腔体模板，溶胶体在水相腔体内自组装形成硅基微纳米球，通过调控十二烷胺的浓度调节反应生成的硅基微纳米球的尺寸大小。
6.在生物必须的元素中，常量金属元素共有4种，钾、钠、钙、镁的含量占到人体内金属元素总量的99％以上，微量金属元素有8种，包括有铁、锌、铜、锰、钴、钼、铬、钒等。人们对于微量金属元素所发挥生理功能的认知在不断进步。
7.锌被人们广泛认知为促进儿童生长的关键元素和智慧元素，长期以来一直被认为是维持人体健康和生理功能所必需的元素，对维持机体的生长、发育和功能至关重要。它参与了人体内300多种酶的构成及生理功能。锌离子通过螯合于氨基酸链中形成的指状结构(锌指)在dna合成、细胞增殖和分化等多种生物学过程中发挥作用。细胞内的游离锌离子通过与锌离子转运蛋白结合调节干细胞的增殖和分化来影响神经发育，锌的稳态除了对于神经系统的发育发挥着关键的作用，适宜浓度的血清锌离子能够促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，膳食锌的补充可以改善女性绝经后的骨质疏松症状。
8.在哺乳动物中，铁主要以血红素的形式存在，主要作为蛋白质的辅基包围在有机的原卟啉环中。铁的代谢平衡直接影响骨和软骨的发育，骨缺损的修复。铁超载会导致软骨退变和骨关节炎的发展，同时脑内铁的蓄积通过诱导铁死亡导致大量氧化自由基和过氧化物的产生，从而导致神经的变性和凋亡。另一方面，铁元素具有促进细胞迁移和提高细胞归
巢的能力，能够与多种生长因子关联从而释放提高材料的成骨性能。
9.铜是生物系统中一种独特而极为有效的催化剂，是30多种酶的活性成分，能够调节铁的吸收和转化，加速血红蛋白及卟啉的生成，参与体内多种活性氧的还原反应，对人体的新陈代谢起着重要的调节作用。单质铜、一价和二价的铜离子都可以破坏细菌细胞结构有效抗菌。铜离子还可以模拟低氧环境激活hif
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1通路促进成血管相关基因的表达，促进血管新生和组织再生修复。适宜浓度的微量铜离子可以直接促进骨髓间充质干细胞的成骨分化。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种元素掺杂硅基微纳米球颗粒的制备方法，该方法采用了以十二烷胺(dda)作为模板剂，将各种不同金属元素(比如cu、fe、zn)以硝酸盐/氯化盐的方式掺杂到单分散的硅基微纳米球当中，使用溶胶凝胶法结合模板法，通过正硅酸乙酯的水解和缩聚，在催化剂和模板剂dda的作用下形成纳米微球然后自助装形成微纳米球，具有良好的单分散性和球颗粒形貌。能够实现功能元素的梯度负载，具有良好的生物相容性和离子释放能力，能够结合有机
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无机复合、3d打印等多种手段制备新型材料，在骨质疏松治疗、骨组织修复、细菌感染和难愈创面的治疗、口腔修复、皮肤修复、神经再生修复及机体免疫调控等领域具有巨大的临床应用潜能。
11.为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种元素掺杂硅基微纳米球颗粒的制备方法，包括以下步骤：
12.1)将催化剂与水及乙醇配置成混合溶液，搅拌至完全溶解，得到催化剂溶液，然后依次加入正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水合硝酸钙以及离子盐，充分搅拌水解得到元素掺杂的硅基溶胶；
13.2)将步骤1)所得元素掺杂的硅基溶胶静置陈化，使水解缩聚反应充分进行，形成球状凝胶颗粒沉淀，然后使用乙醇和去离子水交替洗涤，后置于干燥箱中梯度干燥，得到元素掺杂的硅基微纳米球颗粒干凝胶前驱体；
14.3)将步骤2)所得元素掺杂的硅基微纳米球颗粒干凝胶前驱体研磨后置于程序控制高温马弗炉中进行热处理，得到具有单分散性的元素掺杂的硅基微纳米球颗粒。
15.进一步，在步骤1)，所述离子盐为含有cu、fe、zn中一种或多种的无机盐。
16.进一步，在步骤1)，催化剂：水：乙醇的摩尔比为(0.5～1.5)：50：(30～60)。
17.进一步，在步骤1)，所述催化剂为十二烷胺(dda)，水解搅拌时间为1～3小时。
18.进一步，在步骤1)，正硅酸四乙酯：磷酸三乙酯：四水合硝酸钙：离子盐的摩尔比为(50～80)：(0～10)：(5～40)：(0～10)。
19.进一步，在步骤1)，离子盐选择硝酸铜、硝酸锌、硝酸铁和氯化亚铁中的一种或多种。
20.进一步，在步骤2)，陈化温度为15～30℃，陈化时间为24～48小时。
21.进一步，在步骤2)，梯度干燥是设定干燥箱梯度温度为40～70℃及100～140℃，干燥时间2～5天。
22.进一步，在步骤3)，热处理的温度为600～700℃，热处理的保温时间为2～5小时。
23.进一步，在步骤3)，硅基微纳米球颗粒的粒径分布为100～900nm、比表面积为10～
400m2/g。
24.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
25.本发明方法将各种不同金属元素(比如cu、fe、zn)以硝酸盐/氯化盐的方式掺杂到单分散的硅基微纳米球当中，使用溶胶凝胶法结合模板法，通过正硅酸乙酯的水解和缩聚，在催化剂和模板剂十二烷胺的作用下形成纳米微球然后自助装形成微纳米球，具有良好的单分散性和球颗粒形貌。能够实现功能元素的梯度负载，具有良好的生物相容性和离子释放能力，能够结合有机
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无机复合、3d打印等多种手段制备新型材料，在骨质疏松治疗、骨组织修复、细菌感染和难愈创面的治疗、口腔修复、皮肤修复、神经再生修复及机体免疫调控等领域具有巨大的临床应用潜能。总之，本发明选取硅基微纳米颗粒和多种有益元素复合，该元素掺杂的硅基微纳米球颗粒具有良好的生物相容性和离子释放曲线；合成材料来源广泛、价格低廉、简单易得，制备方法简单方便、产量高，生物相容性好，治疗效果显著。
附图说明
26.图1分别为cu
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msn、fe
‑
msn、zn
‑
msn的光学图片。
27.图2为cu
‑
msn的离子释放曲线图。
28.图3分别为梯度掺杂cu
‑
msn的sem图片及元素含量分布。
29.图4为cu
‑
msn的xrd图。
30.图5为cu
‑
msn和bmsc共培养不同天数(7d，14d)后的细胞活性图。
具体实施方式
31.下面结合多个实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
32.实施例1
33.元素掺杂硅基微纳米球颗粒(msn)由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
34.先将4g十二烷胺加入溶解在20ml去离子水和80ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢16ml正硅酸四乙酯，持续搅拌30min后再缓慢滴加3.32ml磷酸三乙酯，持续搅拌30min后再加入11g硝酸钙，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌3h后反应结束，28℃静置陈化12h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于40℃和140℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台650℃保温3h得到msn。
35.实施例2
36.元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒(2cu
‑
msn)由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
37.先将8g十二烷胺加入溶解在40ml去离子水和80ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢32ml正硅酸四乙酯，持续搅拌3h后再缓慢滴加6.64mltep，持续搅拌30min后再加入17.4854g硝酸钙和2.21775g硝酸铜固体，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌3h后反应结束，22℃静置陈化24h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于60℃和120℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥
完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台680℃保温5h得到2cu
‑
msn。
38.实施例3
39.元素掺杂zn硅基微纳米球颗粒(10zn
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msn)由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
40.先将2g十二烷胺加入溶解在20ml去离子水和40ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢25.6ml正硅酸四乙酯，持续搅拌30min后，持续搅拌1h后再加入7.33g硝酸钙和3.62g硝酸锌固体，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌3h后反应结束，15℃静置陈化72h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于60℃和120℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台600℃保温3h得到10zn
‑
msn。
41.实施例4
42.元素掺杂fe硅基微纳米球颗粒(10fe
‑
msn)由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
43.先将12g十二烷胺加入溶解在90ml去离子水和480ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢62.4ml正硅酸四乙酯，持续搅拌30min后再缓慢滴加4.98ml磷酸三乙酯，持续搅拌1.5h后再加入22.00g硝酸钙和7.34g氯化铁固体，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌3h后反应结束，30℃静置陈化48h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于60℃和120℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台650℃保温3h得到10fe
‑
msn。
44.实施例5
45.元素掺杂cu
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fe
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zn硅基微纳米球颗粒(cu
‑
fe
‑
zn
‑
msn)由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
46.先将12g十二烷胺加入溶解在90ml去离子水和480ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢62.4ml正硅酸四乙酯，持续搅拌30min后再缓慢滴加4.98ml磷酸三乙酯，持续搅拌1.5h后再加入4.40g硝酸钙，2.44g氯化铁固体，1.31g硝酸锌固体和1.11g硝酸铜固体，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌3h后反应结束，30℃静置陈化48h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于60℃和120℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台650℃保温3h得到cu
‑
fe
‑
zn
‑
msn。
47.实施例6
48.梯度元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒由溶胶
‑
凝胶结合有机模板自助装技术制得，具体合成过程如下：
49.先将4g十二烷胺加入溶解在20ml去离子水和80ml无水乙醇的混合溶液中，40℃恒温，500rpm搅拌速率下使用微量注射泵缓慢18ml正硅酸四乙酯，持续搅拌1h后再缓慢滴加2ml磷酸三乙酯，持续搅拌1h后再分别加入硝酸钙和硝酸铜固体依次为10.15g无水硝酸钙或9.59g无水硝酸钙加0.44g无水硝酸铜或8.74g无水硝酸钙加1.11g无水硝酸铜或7.33g无水硝酸钙加2.22g无水硝酸铜，剧烈搅拌以避免产生凝胶，持续搅拌4h后反应结束，21℃静
置陈化24h后使用乙醇和水交替洗涤离心3次以除去未反应的有机组分和反应副产物，置于70℃和110℃烘箱中梯度干燥各一天，干燥完成后置于程序控温马弗炉中进行热处理，升温速率2℃/min，升温平台650℃保温3h得到msn，2cu
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msn，5cu
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msn，10cu
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msn。
50.将不同元素掺杂的硅基微纳米球颗粒溶解在去离子水中，其中不同含量掺zn硅基微纳米球颗粒溶于水后均呈现白色，而不同含量掺fe的硅基微纳米球颗粒溶于水后，随着fe掺杂量的提升颜色呈现出逐渐加深的褐色，而不同含量掺cu的硅基微纳米球颗粒溶于水后，随着cu掺杂量的提升颜色呈现出逐渐加深的蓝色，10cu
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msn呈现黑色，这是因为颗粒中形成了cuo微晶导致其吸光范围增加，如图1和图4所示。不同组别梯度元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒具有良好的离子释放曲线，随着cu元素掺杂含量的上升，离子释放也随之增加，如图2所示。使用扫描电镜观察梯度元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒并测量其元素含量得到图3。
51.分别取适量的梯度元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒溶解在高糖细胞培养基和内皮细胞培养基中，以1mg/ml的浓度在37℃，120rpm的摇床中孵育1天后得到cu
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msn的浸提液，使用cu
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msn浸提液分别培养bmscs和huvecs不同的时间以观察cu硅基微纳米球颗粒的细胞相容性，如图5所示。不同组别梯度元素掺杂cu硅基微纳米球颗粒具有良好的生物相容性，且可以有效促进成血管相关基因和成骨相关基因的表达，能够促进血管和骨组织再生的耦合，具有应用于血管化骨组织工程支架的潜能。
52.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。