多级介孔结构的聚多巴胺微球及其制备方法与流程

1.本发明涉及纳米结构合成领域，更具体地，涉及一种多级介孔结构的聚多巴胺微球及其制备方法。


背景技术：

2.黑色素是一类广泛存在于生物体中的大分子色素。由于其优异的抗紫外线能力以及自由基清除性能，而被认为是生物体中有效防止阳光灼伤、dna损伤以及预防皮肤癌的主要成分。此外，生物体内的黑色素对于毒素，金属和有机分子有良好的吸附能力，是一种用以防御自身中毒的天然生物吸附剂。聚多巴胺作为一种典型的人造黑色素材料，可以通过多巴胺单体在碱性条件下氧化聚合获得。由于其具有与天然黑色素相似的化学与物理性质以及良好的生物相容性，被广泛应用于材料表面修饰，生物成像，肿瘤生物治疗等领域。在聚多巴胺纳米材料中引入孔结构并调节其孔隙率，有利于提高该材料的应用效果。
3.中国专利cn 201910769130.4公开了一种形貌可控的多孔聚多巴胺纳米粒子的制备方法，其目的是以pluronic嵌段聚合物胶束为模板，通过控制pluronic嵌段聚合物中ppo/peo的比例，以期实现有效地调节多孔聚多巴胺纳米粒子的孔径及形貌。目前以嵌段共聚物胶束为模板在聚多巴胺材料中引入孔结构是较为常见的技术手段，然而，这类聚多巴胺具有的介孔尺寸为25nm，缺乏尺寸为2-5nm左右的有序介孔结构，并非多级介孔结构，且比表面积及总孔容较小。
4.cn201610249277.7公开了一种缓释纳米药物载体及其制备方法与应用，其目的是聚多巴胺通过粘附的方式包裹在嵌段共聚物胶束表面形成缓释膜，从而提高胶束中载带药物的缓释效果。然而通过该技术手段得到的聚多巴胺涂层纳米颗粒缺乏孔结构。
5.目前，研究者已经报道的多孔聚多巴胺的制备方法，如lou 等人以嵌段共聚物p123和f127形成的复合胶束为模板，合成出了核桃状且具有超大孔结构的聚多巴胺颗粒，但在合成中需要加入扩孔剂（如1,3,5-三甲苯） 或使用大分子量的嵌段共聚物来稳定胶束并增强胶束与多巴胺分子间的相互作用，导致合成出的聚多巴胺缺乏有序的介孔结构 ( angew. chem., int.ed., 2018, 57, 6176-6180 )，并且不具有多级介孔结构。最近，gianneschi 课题组以多级孔二氧化硅微球nkm-5 为硬模板，通过多巴胺单体灌注到nkm-5孔内氧化自聚，hf刻蚀除去二氧化硅等步骤，合成出具有微孔及介孔结构的聚多巴胺纳米材料。然而，该合成策略需要预先制备出硬模板，耗时且制备过程复杂，产物不具备有序介孔结构。此外，未注入硬模板孔中的多巴胺单体将在 nkm-5 模板的外表面上发生聚合，导致合成出的多孔聚多巴胺球发生严重粘连 (j. am. chem. soc. 2021, 143, 3094-3103)。因此，合成出具有规整形貌及丰富孔结构的聚多巴胺仍面临着巨大的挑战。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种多级介孔结构的聚多巴胺微球，可以克服现有技术中多孔聚多巴胺微球及其制备技术的不足。该多级介孔结构聚多巴胺微球结构稳定，球型形
貌规整，分散性良好，在聚多巴胺微球中具有有序介孔结构和二级纳米孔两种介孔结构，比表面积和总孔容大，在生物传感，药物/基因传送，生物成像，肿瘤生物治疗等领域具有广阔应用前景。
7.本发明的另一目的在提供所述多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，以长链烷基季铵盐和水溶性高分子聚电解质在碱性条件下形成的介晶复合物为模板，利用硅源水解缩合形成的硅酸低聚体与聚多巴胺中间物种通过氢键作用形成纳米复合物，通过模板与硅酸低聚体-聚多巴胺纳米复合物之间的共组装，实现多级介孔结构聚多巴胺微球的合成。本发明中硅源的加入起到两个方面的作用。一方面，与聚多巴胺中间产物形成纳米复合物并实现与模板之间的共组装；另一方面，形成的二氧化硅相当于一种原位自生硬模板，为聚多巴胺引入更多的孔结构。本发明科学合理设计配方，工艺步骤简单，制备的多级介孔聚多巴胺微球孔结构丰富，比表面积和总孔容大，稳定性好，具有良好的应用前景。
8.本发明提供的多级介孔结构的聚多巴胺微球，该微球具有规整的球型形貌，结构稳定，其结构中包括球型有序介孔和二级纳米孔的多级介孔结构，球型介孔有序排列，二级纳米孔穿插在有序的球型介孔之间；制备方法为：以长链烷基季铵盐和水溶性高分子聚电解质为原料制备模板乳液，在模板乳液同时加入硅源和多巴胺单体搅拌反应，索氏提取除去反应产物中的有机模板，分离得多级介孔结构聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球，再用氢氟酸溶液浸泡复合物微球，洗涤、干燥处理，得到多级介孔结构聚多巴胺微球。
9.所述的聚多巴胺微球平均直径为200-900nm，比表面积为100-302m2/g，总孔容为0.59-0.67cm3/g。
10.所述的有序介孔平均直径为2.0-3.0nm，所述的二级纳米孔分布在有序介孔之间，平均直径为20-30nm。
11.本发明提供的多级介孔结构的聚多巴胺微球的制备方法包括下述步骤：1) 复合物介晶模板的形成：将长链烷基季铵盐和水溶性高分子聚电解质溶于去离子水中，然后加入氨水溶液，调节ph值至8-11，充分搅拌后得模板乳液；2) 聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物的形成：向模板乳液同时加入硅源和多巴胺单体的水溶液，搅拌反应12-48小时；3) 有机模板去除：对步骤2) 中搅拌反应得到的反应物进行离心分离，通过索氏提取除去产物中的有机模板，经离心洗涤，得多级介孔结构聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球；4) 二氧化硅去除：对步骤3) 中离心洗涤得到的纳米复合物进行氢氟酸溶液浸泡处理，除去复合物中的二氧化硅，再经分子水洗涤、干燥处理，得到多级介孔结构聚多巴胺微球。
12.步骤1) 中水溶性高分子聚电解质为聚丙烯酸，平均分子量为240000g/mol；所述长链烷基季铵盐为十四烷基氯化铵，氯代十六烷基吡啶一水合物或十六烷基三甲基溴化铵中的一种。
13.步骤1) 中水溶性高分子聚电解质与长链烷基季铵盐质量比为 60-150:54，所用去离子水为25-100ml。
14.步骤2) 中所述硅源为正硅酸乙酯，所述多巴胺单体为盐酸多巴胺。步骤2) 中搅
拌反应温度为26-80℃，时间为12-48小时。
15.步骤2) 中所述硅源与多巴胺单体的摩尔比为8-10:1-4。
16.步骤3) 中有机模板去除过程以盐酸和乙醇混合溶液为萃取剂，萃取剂中盐酸与乙醇的体积比为95:5。
17.本发明在动态组装过程中，长链烷基季铵盐溶于去离子水后，会自组装形成胶束。而在碱性条件下，水溶性高分子聚电解质能参与长链烷基季铵盐的自组装，最终形成了具有介观有序相态的复合物介晶。
18.本发明以有机介晶复合物为模板，在碱性条件下无机硅源水解后产生硅酸低聚体，同时，多巴胺单体以空气中的氧气为氧化剂进行氧化自聚反应，产生聚多巴胺中间产物。硅酸低聚体与聚多巴胺中间产物通过氢键形成纳米复合物。由于纳米复合物中存在的硅酸低聚体带负电荷，可与长链烷基季铵盐胶束相互作用，参与到有机介晶复合物的共组装中。在共组装过程中，纳米复合物与有机介晶复合物中的水溶性高分子聚合物存在竞争作用，导致水溶性高分子聚合物发生相分离，为聚多巴胺引入二级纳米孔结构，同时，具有高度有序介观相态的长链烷基季铵盐胶束为聚多巴胺引入有序介孔结构。在反应过程中，通过调节反应体系的碱性环境，控制硅酸低聚体-聚多巴胺纳米复合物的产生速率，通过纳米复合物与有机介晶复合物模板之间的共组装实现了多级孔聚多巴胺微球的制备。
19.本发明中无机硅源正硅酸乙酯的作用有两方面，一方面，其水解形成的硅酸低聚体可与聚多巴胺中间产物通过氢键作用形成硅酸低聚体-聚多巴胺纳米复合物，并与介晶复合物模板进行自组装，另一方面，在自组装形成的二氧化硅/聚多巴胺复合物微球中，二氧化硅与聚多巴胺以纳米复合的形式存在，因此，其相当于一种原位自生模板，可以为聚多巴胺微球的孔壁引入一定的孔结构，有利于提高材料的比表面积和总孔容。
20.本发明提供的多级介孔结构聚多巴胺微球具有良好的单分散性、形貌规整、颗粒尺寸均一，孔结构丰富、大比表面积，能提高药物装载和运输能力。除了球型介孔外，在聚多巴胺微球上还有尺寸较大的二级纳米孔，通过有序介孔和二级纳米孔两种介孔增大了聚多巴胺微球的比表面积和总孔容。本发明提供的多级介孔结构聚多巴胺微球在药物传递、重金属吸附等领域有良好的应用前景。
21.本发明通过以水溶性高分子聚电解质和长链烷基季铵盐在碱性条件下形成的复合物介晶为模板，利用硅源水解缩合形成的硅酸低聚体与聚多巴胺中间物种通过氢键作用形成纳米复合物，通过模板与二氧化硅-聚多巴胺纳米复合物之间的共组装，实现多级介孔聚多巴胺的合成。本发明的制备工艺步骤简单，无需复杂的装置设备，反应条件温和，易于推广。
附图说明
22.图1为实施例1制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的扫描电镜图。
23.图2为实施例1制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的透射电镜图。
24.图3为实施例1制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的氮气吸附-脱附曲线和相应的孔径分布图。
25.图4为实施例1制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的低角度x射线衍射。
26.图5为实施例2制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的扫描电镜图。
27.图6为实施例2制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的氮气吸附-脱附曲线和相应的孔径分布图。
28.图7为实施例4制备的多级介孔结构聚多巴胺微球的扫描电镜图和透射电镜图。
29.图8为对比例1制备的聚多巴胺微球的透射电镜图。
30.图9为对比例2制备的聚多巴胺微球的扫描电镜图。
31.图10为对比例3制备的聚多巴胺微球的透射电镜图。
具体实施方式
32.为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体的实施例。
33.除非另有定义，下文中所使用的的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
34.除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
35.实施例1本实施例提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，具体步骤如下：1)复合物介晶模板的形成在锥形瓶中加入25ml去离子水，将4g质量分数为25%的聚丙烯酸（平均分子量为240000g/mol）和0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物加入去离子水中进行搅拌溶解，至溶液变无色透明状后即可，然后加入氨水溶液（25%~28%），调节ph值至9-10，透明溶液会瞬间变为牛奶状白色悬浊液且有少量白色团聚物，在室温下磁力搅拌30分钟，至溶液内产生的白色团聚物消失后，得模板乳液。
36.2)聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物的形成将0.25g盐酸多巴胺溶于5g去离子水中，配制成5.25g盐酸多巴胺溶液，将1.8g正硅酸乙酯和5.25g盐酸多巴胺水溶液加入到模板乳液中，搅拌30分钟直至混合均匀，然后26℃条件下以500rmp的转速持续搅拌24小时。
37.3)有机模板去除对步骤2)中得到的反应物进行离心分离，将所得产物与模板乳液分离，以盐酸（30~37wt%）与乙醇（99.8wt%）的体积比为95:5的混合液为萃取剂对产物进行索氏提取除去有机模板，得多级介孔结构聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球；4）二氧化硅去除采用氢氟酸溶液对步骤3)索氏提取处理后得到的聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球进行浸泡处理，除去复合物中的二氧化硅，将处理后的产物用分子水洗涤至中性，冷冻干燥（-50℃）处理，得到多级介孔结构的聚多巴胺微球。
38.实施例2本实施例提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，具体步骤如下：1)介晶复合物模板的形成在锥形瓶中加入25ml去离子水，将4g质量分数为25%的聚丙烯酸和0.54g氯代十六
烷基吡啶一水合物加入去离子水中进行搅拌溶解，至溶液变为无色透明状后即可，然后加入氨水溶液，调节ph值至8~9，透明溶液会瞬间变为乳白色牛奶状悬浊液且有少量白色团聚物，在室温下磁力搅拌30分钟，至溶液内产生的白色团聚物消失后，得模板乳液；2)聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物的形成将0.25g盐酸多巴胺溶于5g去离子水中，配制成5.25g盐酸多巴胺溶液，将1.8g正硅酸乙酯和5.25g盐酸多巴胺水溶液加入到模板乳液中，搅拌30分钟直至混合均匀，然后26℃条件下以500rmp的转速持续搅拌24小时；3)有机模板去除对步骤2)中得到的反应物进行离心分离，将所得产物与模板乳液分离，以盐酸（30~37wt%）与乙醇（99.8wt%）的体积比为95:5的混合液为萃取剂对产物进行索氏提取除去有机模板，得多级介孔结构聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球；4）二氧化硅去除采用氢氟酸溶液对步骤3)索氏提取处理后得到的聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球进行浸泡处理，除去复合物中的二氧化硅，将处理后的产物用分子水洗涤至中性，冷冻干燥（-50℃）处理，得到多级介孔结构的聚多巴胺微球。
39.实施例3本实施例提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，具体步骤如下：1)介晶复合物模板的形成在锥形瓶中加入25ml去离子水，将4g质量分数为25%的聚丙烯酸和0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物加入去离子水中进行搅拌溶解，至溶液变为无色透明状后即可，然后加入氨水溶液，调节ph值至10～11，透明溶液会瞬间变为乳白色牛奶状悬浊液且有少量白色团聚物，在室温下磁力搅拌30分钟，至溶液内产生的白色团聚物消失后，得模板乳液；2)介晶复合物模板的形成在锥形瓶中加入25ml去离子水，将4g质量分数为25%的聚丙烯酸和0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物加入去离子水中进行搅拌溶解，至溶液变为无色透明状后即可，然后加入氨水溶液，调节ph值至9～10，透明溶液会瞬间变为乳白色牛奶状悬浊液且有少量白色团聚物，在室温下磁力搅拌30分钟，至溶液内产生的白色团聚物消失后，得模板乳液；3)聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物的形成将0.35g盐酸多巴胺溶于5g去离子水中，配制成5.35g盐酸多巴胺溶液，将1.8g正硅酸乙酯和5.35g盐酸多巴胺水溶液加入到模板乳液中，搅拌30分钟直至混合均匀，然后26℃条件下以500rmp的转速持续搅拌24小时；实施例4本实施例提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，具体步骤如下：1)介晶复合物模板的形成在锥形瓶中加入25ml去离子水，将4g质量分数为25%的聚丙烯酸和0.54g氯代十六烷基吡啶一水合物加入去离子水中进行搅拌溶解，至溶液变为无色透明状后即可，然后加入氨水溶液，调节ph值至9～10，透明溶液会瞬间变为乳白色牛奶状悬浊液且有少量白色团聚物，在室温下磁力搅拌30分钟，至溶液内产生的白色团聚物消失后，得模板乳液；2)聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物的形成
将0.35g盐酸多巴胺溶于5g去离子水中，配制成5.35g盐酸多巴胺溶液，将1.8g正硅酸乙酯和5.35g盐酸多巴胺水溶液加入到模板乳液中，搅拌30分钟直至混合均匀，然后26℃条件下以500rmp的转速持续搅拌24小时；3)有机模板去除对步骤2)中得到的反应物进行离心分离，将所得产物与模板乳液分离，以盐酸（30~37wt%）与乙醇（99.8wt%）的体积比为95:5的混合液为萃取剂对产物进行索氏提取除去有机模板，得多级介孔结构聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球；4)二氧化硅去除采用氢氟酸溶液对步骤3)索氏提取处理后得到的聚多巴胺/二氧化硅纳米复合物微球进行浸泡处理，除去复合物中的二氧化硅，将处理后的产物用分子水洗涤至中性，得到多级介孔结构的聚多巴胺微球。
40.对比例1本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，与实施例1的不同之处在于：在步骤2)中未加入正硅酸乙酯，只加入了5.25g盐酸多巴胺水溶液。
41.对比例2本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，与实施例1的不同之处在于：在步骤2)中无机硅源加入的加入量为1.0g。
42.对比例3本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，与实施例1的不同之处在于：在步骤2)中无机硅源加入体系后搅拌10分钟再加入多巴胺单体水溶液。
43.对比例4本对比例参照实施例1的操作步骤，提供一种多级介孔结构聚多巴胺微球的制备方法，与实施例1的不同之处在于：在步骤1)中通过改变体系中氨水的加入量调节合成体系的ph》11。
44.下面结合附图对实施例与对比例进行分析：图1为实施例1制备的聚多巴胺微球扫描电镜图，从图1中可以看出聚多巴胺微球是一种形貌规整的球型颗粒，分散性良好，颗粒尺寸为200-600nm。
45.图2为实施例1制备的聚多巴胺微球的透射电镜图，从图2中可以清楚地观察到聚多巴胺微球中具有介孔结构和尺寸较大的二次纳米孔结构。
46.图3为实施例1制备的聚多巴胺微球的氮气吸附脱附曲线和相应的孔径分布图，从图中3中可以看出，是实施例1制备的聚多巴胺微球具有典型的介孔材料的吸附行为。通过bet方法计算得实施例1制备的聚多巴胺微球的比表面积为302m2/g，总孔容为0.67cm3/g。通过bjh法计算可以看出聚多巴胺微球中具有两种孔径分布，一种孔径尺寸在2nm左右的有序介孔，另一种为孔径尺寸在25nm左右的二级纳米孔。
47.图4为实施例1制备的聚多巴胺微球的低角度x射线衍射图谱，从图中4中可以看出实施例1制备的聚多巴胺微球在2θ=1.5-2.5处有一个宽衍射峰，其对应于立方介观结构，表明聚多巴胺微球中的介孔是高度有序排列的。
48.图5为实施例2制备的聚多巴胺微球的扫描电镜图和透射电镜图，从图5中可以看出，实施例2制备的聚多巴胺微球是一种形貌规整的球型颗粒，分散性良好，平均直径为500nn,颗粒中有二级纳米孔结构。与图2相比，图5中的孔结构尺寸变大，这说明在本发明反应体系中，体系的ph值对合成聚多巴胺微球的孔结构有显著的影响。
49.图6为实施例2制备的聚多巴胺微球的氮气吸附-脱附等温线和相应的孔径分布图，从图中6中可以看出，实施例2制备的聚多巴胺微球具有典型的介孔材料的吸附行为。通过bet方法计算得实施例1制备的聚多巴胺微球的比表面积为234m2/g，总孔容为0.61cm3/g。通过bjh法计算可以看出聚多巴胺微球中具有两种孔径分布，一种孔径尺寸在2.8nm左右的有序介孔，另一种为孔径尺寸在35nm左右的二级纳米孔。
50.图7为实施例4制备的聚多巴胺微球的扫描电镜图和透射电镜图，从图7中可以看出，实施例4制备的聚多巴胺微球一种形貌规整的球型颗粒，分散性良好，颗粒尺寸为300-500nm，且可以清楚地观察到聚多巴胺微球中具有介孔结构和尺寸较大的二次纳米孔结构。说明在本发明反应体系中，多巴胺单体的加入量可以在一个较宽的范围内进行聚多巴胺微球的合成。
51.图8为对比实施例1制备的聚多巴胺微球的透射电镜图，从图8中可以看出对比例1制备的聚多巴胺微球是平均粒径为150nm的纳米球，颗粒之间黏连，样品中没有介孔结构。对比例1中未添加无机硅源，在碱性条件下，多巴胺单体以氧气为氧化剂迅速发生氧化自聚反应，形成含有羟基、邻苯二酚、羧基、胺和亚胺等多种官能团的中间产物。但其与有机介晶复合物模板之间的相互作用较弱，难以进行有效的自主装，因此，其无法形成具有多级介孔结构的聚多巴胺微球。
52.图9为对比例2制备的聚多巴胺微球的扫描电镜图，从图9中可以看出对比例2制备的聚多巴胺材料中只有少量的聚多巴胺微球，大部分为无规则形貌的块状样品，这是由于无机硅源的加入量过少，导致只有少部分的聚多巴胺与硅酸低聚体形成纳米复合物，参与有机介晶复合物模板的自组装，阻碍了多级介孔结构聚多巴微球的形成。
53.通过对比例1-2的分析可知本发明中正硅酸乙酯的添加量会影响多级介孔结构聚多巴胺微球的形成，在制备过程中，需要严格控制其用量。
54.图10为对比例3制备的聚多巴胺微球的透射电镜图，从图10中可以看出，对比例3制备的聚多巴胺材料不具备规整的球形形貌，且介孔结构为无序排列，这是由于硅源加入后快速水解聚合形成二氧化硅骨架，后加入的多巴胺很难进入到二氧化硅孔道内，而只能粘附在二氧化硅表面，难以形成具有规整形貌的聚多巴胺微球。本发明中硅源与多巴胺单体的加入顺序会影响多级介孔结构聚多巴胺微球的形成，在制备过程种，需要进行严格控制。
55.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。