一种纳米超材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及超材料技术领域，具体涉及的是一种纳米超材料及其制备方和应用。


背景技术：

2.超材料是一种具有复杂的人工级次结构的复合材料，该结构包括人工设计的(常常呈现为周期性)结构单元。通过对涉结构单元的关键参数进行合理调控，使得复合材料能够获得超越常规(或传统)材料的理化性质，比如宽范围的热膨胀系数，可编程的刚度或耗散，刺激触发的负的本构参数等，进而获得在声学、热学、电磁学等领域的广泛应用。超材料无论是在基础研究还是实际应用都拥有巨大的潜力，是一个独具魅力的研究领域。
3.目前超材料的应用领域、结构特征及制备方法主要具有以下特点：首先，超材料的应用领域集中在声学、热学、电磁学等领域。借助尺寸范围在微米、毫米甚至厘米尺度的人工设计的结构单元，通过调制其与电磁波等因素的相互作用，进而产生自然界或者化学合成材料从来没有过的新颖的理化性质。在此基础上，超材料研究的新的子领域也逐渐出现，比如热学、声学等。再次，对于具有复杂级次结构的超材料的制备，制备方法多数为依赖温度的热力学方法。比如利用有机聚合反应、热学沉积等技术，制备获得人工设计的结构单元，并进一步地将其组装获得复合结构。
4.综上分析，目前超材料技术领域尚有一些技术问题和技术空白：1)当前的超材料大多是微米、毫米甚至厘米尺度。这种尺度范围在医药生物领域的应用过程中存在尺寸局限性，比如癌症治疗、药物运输、生物成像等领域常常需要材料为纳米尺度。2)具有复杂级次结构的超材料多采用热力学的制备方法，而极少利用不受温度限制的动力学方法。热力学方法依赖于体系的温度t
eff
(w)，限制了制备具有复杂级次结构的超材料的自由度。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种纳米超材料及其制备方法和应用，本发明的制备方法采用双动力学路径控制方法，其能够同时调控体系的两个动力学过程，实现对温度恒定的系统中非平衡状态的稳定；本发明获得的纳米超材料具有纳米尺度的结构单元与整体尺寸，借助内部复杂的级次结构，能够实现生物成像等领域的应用。
6.本发明首先提供了一种纳米超材料的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)将可与金属离子配位的嵌段共聚物、金属离子与溶剂混合，然后加入碱配制成分散相溶液；
8.(2)将表面活性剂与极性高的液体配制成连续相溶液；
9.(3)采用所述分散相溶液和所述连续相溶液制备一次乳液滴；
10.(4)将所述一次乳液滴通过过滤膜制备二次乳液滴，固化后得到所述纳米超材料。
11.上述的制备方法中，所述嵌段共聚物为含有聚乙烯吡啶(pvp)链段的嵌段共聚物；
12.具体可为聚苯乙烯-b-聚4-乙烯吡啶(ps-b-p4vp)、聚苯乙烯-b-聚2-乙烯吡啶(ps-b-p2vp)、聚氧化乙烯-b-聚2-乙烯吡啶(peo-b-p2vp)、聚二甲基硅氧烷-b-聚乙烯吡啶
(pdms-b-pvp)、聚甲基丙烯酸甲酯-b-聚乙烯吡啶(pmma-b-pvp)、聚n-异丙基丙烯酰胺-b-聚乙烯吡啶(pnipam-b-pvp)、聚丙乙烯-b-聚乙烯吡啶(ptba-b-pvp)、聚2-乙烯吡啶-b-聚4-乙烯吡啶(p2vp-b-p4vp)、聚硫酸铁-b-聚2-乙烯吡啶(pfs-b-p2vp)、聚丙烯酸-b-聚苯乙烯-聚4-吡啶(paa-b-ps-b-p4vp)、聚丁烯-b-聚2-乙烯吡啶-b-聚甲基丙烯酸叔丁酯(pb-b-p2vp-b-ptbma)、聚苯乙烯-b-聚2-吡啶-聚苯乙烯(ps-b-p2vp-b-ps)、聚苯乙烯-b-聚2-吡啶-聚氧化乙烯(ps-b-p2vp-peo)和聚丙烯酸-b-聚苯乙烯-聚4-吡啶(paa-b-ps-p4vp)中的至少一种；更具体可为聚氧化乙烯-b-聚2-乙烯吡啶(peo-b-p2vp)；
13.所述的金属离子为pb
2
、fe
3
、mn
2
、gd
3
、pt
2
、pt
4
和pd
2
中的至少一种；具体可为fe
3
；所述fe
3
以fecl3的形式加入；
14.所述溶剂为ch2cl2、n,n-二甲基甲酰胺、甲苯、氯仿、乙酸乙酯和四氢呋喃中的至少一种；具体可为ch2cl2和n,n-二甲基甲酰胺的混合溶剂；具体的，所述ch2cl2、n,n-二甲基甲酰胺的体积比为10:1；
15.所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。
16.上述的制备方法中，所述分散相溶液中，所述嵌段共聚物的浓度为0.001～0.1mg/ml；具体可为0.001mg/ml；所述碱的浓度为3～5μm；具体可为4μm；
17.所述金属离子和所述嵌段共聚物内的吡啶基团的摩尔比为0～80:1；具体可为20～60:1；更具体可为40:1或60:1；
18.上述的制备方法，步骤(1)中，配制所述分散相溶液的方法为将所述可与金属离子配位的嵌段共聚物、金属离子溶解于所述溶剂中，搅拌至少2h后加入所述碱并持续搅拌至体系平衡，得到所述分散相溶液。
19.所述碱以固体的形式加入。
20.上述的制备方法中，所述表面活性剂为聚乙烯醇(pva)、十二烷基硫酸钠、司班80、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠和吐温20中的至少一种；
21.所述极性高的溶剂为水、乙醇或甲醇；
22.所述表面活性剂在所述连续相溶液中的质量百分浓度为0.2～0.6％；具体可为0.4％。
23.上述的制备方法，步骤(3)中，所述制备一次乳液滴的方法为微流控、超声或机械搅拌；
24.步骤(4)中，所述制备二次乳液滴使用的过滤膜为孔径0.10～0.45μm的过滤膜；具体可为孔径为0.45μm的过滤膜；
25.所述固化为室温环境下溶剂自然挥发。
26.具体的，所述微流控的方法中，所用的微流控设备为通道形状为t型、l型、y型或十字交叉型的微流控芯片；
27.所述微流控芯片的材质为聚二甲基硅氧烷、石英、玻璃或不锈钢；
28.所述分散相的流速为1～1000μl min-1
，具体可为50μl min-1
，所述连续相的流速为1～1000ml min-1
，具体可为5～6ml min-1
。
29.本发明还提供了上述制备方法制备得到的纳米超材料。
30.具体的，所述纳米超材料可为fe
3 -ocpcs纳米超材料，其为具有复杂级次结构的复合纳米粒子；所述fe
3 -ocpcs是以交替的peo与fe
3
/p2vp为洋葱圈状的多层壳与核，以fe
3
/
p2vp为多孔冠的的球形纳米粒子，整体尺寸为520～600nm，核区尺寸为180～200nm，壳层区尺寸为8～15nm/层，冠区尺寸为0～100nm，冠内的孔径大小分布为0～60nm。
31.上述的纳米超材料在磁共振成像或7t超高场磁成像中的应用也属于本发明的保护范围。
32.上述的应用中，在所述磁共振成像或7t超高场磁成像中，所述纳米超材料作为t1造影剂。
33.本发明的技术路线采取了两级乳化的技术：一级乳化采用微流控技术制备微米级的乳液滴；二级乳化采用膜乳化技术制备微纳米级的乳液滴。
34.本发明的方法使用的双动力学路径控制制备，主要包括以下两个动力学过程的调控：
35.(1)非溶剂诱导的嵌段共聚物自组装的动力学过程；
36.(2)渗透压诱导的液滴内部自乳化的动力学过程。
37.通过调控fe
3
浓度等具体参数，能够在系统内同时实现对上述两个动力学过程的控制，进而精确调控纳米超材料所具有的复杂级次结构。
38.本发明具有如下优点：
39.(1)本发明基于微流控技术，采取了双动力学路径控制的制备策略，通过在单分散的乳液滴内调控嵌段共聚物的自组装与乳液滴的自乳化两个动力学过程，制备获得了整体尺寸为560
±
36nm、结构单元尺寸为5～10nm的具有核-洋葱圈状的多层壳-多孔冠的纳米超材料；
40.(2)相比于传统的制备超材料的热力学方法，本发明的方法不依赖于体系温度t
eff
(w)，通过调控fe
3
浓度等关键参数，成功将超材料的尺寸范围控制到了纳米尺度，并获得了优异的生物成像性能。
附图说明
41.图1为fe
3 0.02-ocpcs的sem图，比例尺为100nm。
42.图2为fe
3 0.02-ocpcs的tem图，比例尺为50nm。
43.图3为fe
3 0.02-ocpcs的三维模型示意图。
44.图4为fe
3 0.04-ocpcs的sem图，比例尺为100nm。
45.图5为fe
3 0.04-ocpcs的tem图，比例尺为50nm。
46.图6为fe
3 0.04-ocpcs的三维模型示意图。
47.图7为fe
3 0.06-ocpcs的sem图，比例尺为100nm。
48.图8为fe
3 0.06-ocpcs的tem图，比例尺为50nm。
49.图9为fe
3 0.06-ocpcs的bet数据图。
50.图10为fe
3 0.06-ocpcs的tem伪彩图。
51.图11为fe
3 0.06-ocpcs的三维模型示意图。
52.图12为fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp的t1加权mr成像。
53.图13为fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp的纵向弛豫率与造影剂投料的关系。
54.图14为fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp的生物毒性。
55.图15为小鼠腋下注射fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp后的mr成像。
56.图16为高磁场下的斑马鱼胚胎内注射fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp后的mr成像；图16中的(a)为fe
3 0.06-p2vp、(b)为fe
3 0.02-ocpcs；(c)为fe
3 0.06-ocpcs。
具体实施方式
57.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
58.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
59.以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
60.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
61.下述实施例所用peo-b-p2vp购自polymer source,inc.canada；其中数均分子量为13000、peo质量百分含量为77％。
62.下述所用p2vp(聚2-乙烯吡啶)的数均分子量为4800。
63.pva(聚乙烯醇)为1788型聚乙烯醇。
64.下述实施例中的fe
3 0.06-p2vp的制备方法：将0.01mg的p2vp(聚2-乙烯吡啶)与一定量的fecl3·
6h2o(摩尔比fe
3
/吡啶＝60)溶解于10ml的ch2cl2中，搅拌2h至均匀后得到的混合溶液作为分散相；以质量分数为0.4％的pva水溶液作为连续相；并将上述连续相与分散相分别注入到微流控芯片(材质为玻璃)的t型通道的不同通道中，分散相的流速为50μl min-1
，连续相的流速为6ml min-1
。分散相在微流控芯片中被连续相剪切成尺寸范围为80μm的磁性微液滴，通过孔径0.45μm的滤膜滤去尺寸较小的液滴后，收集所得产物，并放置于常温环境下，等待溶剂挥发固化；待固化完成后，通过透析净化去除不必要的杂质或污染，收集制备获得的fe
3
浓度为0.06mm的磁性纳米粒子(fe
3 0.06-p2vp)，并于4℃下保存。
65.下述实例中的微流控芯片的制备方法为通过拉针仪p-1000(sutter仪器有限公司，美国)将玻璃管的孔口拉至5～30μm，然后将内毛细管的锥形端同轴嵌套到内径为1.05mm的外方形毛细管中(vitro com,inc.)，并依次组装在玻璃片上。分散相通过毛细管内流动，连续相通过内毛细血管和外毛细血管的间隙流动。
66.实施例1
67.(1)将0.01mg peo-b-p2vp(聚氧化乙烯-b-聚2-乙烯吡啶)与一定量的fecl3·
6h2o(摩尔比fe
3
/吡啶＝20)溶解于10ml的dmf与ch2cl2的混合溶液中(dmf与ch2cl2的体积比为1:10)，搅拌2h至均匀后继续加入naoh固体(naoh在分散相中的浓度为4μm)，并持续搅拌过夜至体系平衡，得到的混合溶液作为分散相；
68.(2)配制质量分数为0.4％的pva(聚乙烯醇)水溶液作为连续相；
69.(3)将上述连续相和分散相分别注入到微流控芯片(材质为玻璃)的t型通道的不同通道中，分散相的流速为50μl min-1
，连续相的流速为6ml min-1
。分散相在微流控芯片中被连续相剪切成尺寸范围为80μm的磁性微液滴，通过孔径0.45μm的滤膜滤去尺寸较小的液滴后，收集所得产物，并放置于常温环境下，等待溶剂挥发固化；
70.待固化完成后，通过透析净化去除不必要的杂质或污染，收集制备获得的fe
3
浓度为0.02mm的磁性纳米粒子(fe
3 0.02-ocpcs)，并于4℃下保存。
71.fe
3 0.02-ocpcs的sem图见图1，tem图见图2。由图1和图2可知，fe
3 0.02-ocpcs磁性纳
米粒子具有明显的核-洋葱圈状的多层壳-多孔冠的结构，壳层内有着呈现六角形紧密排列的、尺寸范围为20～100nm的孔洞。这种独特的结构中，洋葱圈状的多层壳来自于双动力学路径控制的制备策略中对嵌段共聚物自组装过程的调控，多孔冠来自于双动力学路径控制的制备策略中对液滴自乳化过程的调控。fe
3 0.02-ocpcs的三维模型示意图如图3。
72.实施例2
73.(1)将0.01mg的peo-b-p2vp与一定量的fecl3·
6h2o(摩尔比fe
3
/吡啶＝40)溶解于10ml的dmf与ch2cl2的混合溶液中(dmf与ch2cl2的体积比为1:10)，搅拌2h至均匀后继续加入naoh固体(naoh在分散相中的浓度为4μm)，并持续搅拌过夜至体系平衡，得到的混合溶液作为分散相；
74.(2)配制质量分数为0.4％的pva水溶液作为连续相；
75.(3)将上述连续相和分散相分别注入到微流控芯片(材质为玻璃)的t型通道的不同通道中，分散相的流速为50μl min-1
，连续相的流速为6ml min-1
。分散相在微流控芯片中被连续相剪切成尺寸范围为80μm的磁性微液滴，通过孔径0.45μm的滤膜滤去尺寸较小的液滴后，收集所得产物，并放置于常温环境下，等待溶剂挥发固化；
76.待固化完成后，通过透析净化去除不必要的杂质或污染，收集制备获得的fe
3
浓度为0.04mm的磁性纳米粒子(fe
3 0.04-ocpcs)，并于4℃下保存。
77.fe
3 0.04-ocpcs的sem图见图4，tem图见图5。由图4和图5可知，fe
3 0.04-ocpcs磁性纳米粒子具有着明显的核-洋葱圈状的多层壳-多孔冠的结构，壳层内的孔洞中大孔的比例明显增加、平均孔径提高、孔隙率提高、孔隙的排列变得更加得紧密并失去了实施例1制备的fe
3 0.02-ocpcs中的几何规律性。这一结构的区别来自于通过提高fe
3
浓度，精确调控了液滴内部的双动力学路径，从而获得了结构更为复杂的纳米超材料。fe
3 0.04-ocpcs的三维模型示意图如图6。
78.实施例3
79.(1)将0.01mg的peo-b-p2vp与一定量的fecl3·
6h2o(摩尔比fe
3
/吡啶＝60)溶解于10ml的dmf与ch2cl2的混合溶液中(dmf与ch2cl2的体积比为1:10)，搅拌2h至均匀后继续加入naoh固体(naoh在分散相中的浓度为4μm)，并持续搅拌过夜至体系平衡，得到的混合溶液作为分散相；
80.(2)配制质量分数为0.4％的pva水溶液作为连续相；
81.(3)将连续相和分散相分别注入到微流控芯片(材质为玻璃)的t型通道的不同通道中，分散相的流速为50μl min-1
，连续相的流速为6ml min-1
。分散相在微流控芯片中被连续相剪切成尺寸范围为80μm的磁性微液滴，通过孔径0.45μm的滤膜滤去尺寸较小的液滴后，收集所得产物，并放置于常温环境下，等待溶剂挥发固化；
82.待固化完成后，通过透析净化去除不必要的杂质或污染，收集制备获得的fe
3
浓度为0.06mm的磁性纳米粒子(fe
3 0.06-ocpcs)，并于4℃下保存。
83.fe
3 0.06-ocpcs的sem图见图7，tem图见图8。由图7和图8可知，fe
3 0.06-ocpc磁性纳米粒子具有明显的核-洋葱圈状的多层壳-多孔冠的结构，壳层内孔隙率相比于实施例2制备的fe
3 0.04-ocpcs进一步提高、孔隙的排列更加地无规则、孔洞的尺寸范围呈现出微孔-介孔-大孔的无规律分布。fe
3 0.06-ocpcs的冠的厚度约为50nm，内部的孔径分布bet数据如图9。tem的伪彩图见图10，由图10可知，fe
3 0.06-ocpcs磁性纳米粒子内的洋葱圈状的壳层的厚
度分别为：peo层(蓝色)13nm，fe
3
/p2vp层(橙色)15nm。相比于实施例1与实施例2，本实例制备获得的fe
3 0.06-ocpcs拥有最为复杂的结构，这来自于通过改变fe
3
浓度对液滴内的双力学过程的精确调控。fe
3 0.06-ocpcs的三维模型示意图如图11。
84.实施例4
85.本实施例选取实施例1制备的fe
3 0.02-ocpcs与实施例3制备的fe
3 0.06-ocpcs，以及fe
3 0.06-p2vp为t1成像造影剂。上述实施例的t1加权成像如图12所示，纵向弛豫率r1与造影剂投料浓度的关系如图13。具体的实施方法为分别配制fe
3
浓度为0～0.1mm的fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp分散液，通过1.5t的小动物核磁成像仪的mouse body t1与fast spin echo 2d序列测得体外t1加权成像图(图12)；通过0.5t的磁共振成像分析仪的cpmg序列与ir序列测得纵向弛豫率r1与造影剂投料浓度的关系(图13)。这些数据表明相比于具有简单结构的fe
3 0.06-p2vp，具有着复杂级次结构的fe
3 0.02-ocpcs与fe
3 0.06-ocpcs具有着更好的t1加权体外成像效果。出于对造影剂的安全性考虑，我们考察了fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp的细胞毒性(图14)。具体的实施方法为将细胞状态良好的hela细胞接种至96孔板中在1640培养基中孵育过夜(每个孔内约有5
×
104个细胞)。待细胞贴壁生长后，将原有培养基替换成含有fe
3
浓度为0～20mm的fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs与fe
3 0.06-p2vp的100ul的新鲜培养基。培养箱中孵育30min。96孔板中每孔加入10ul的cck-8，培养箱中继续培养2.5h，在酶标仪中测量450nm波长下的吸光度，检测细胞存活率与生长状况。数据显示细胞的存货率基本保持在80％-90％之间，表明所制备的fe
3 0.06-p2vp、fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs均具有较好的生物安全性。
86.选择4～6周龄的balb/c裸鼠进行皮下瘤成像，每只小鼠右前肢腋下注射5
×
106个hela细胞，培养约一周后肿瘤直径达到1～4mm，此时对小鼠进行造影剂腋下瘤内注射(注射量200μl，含有fe
3
浓度为20μm的fe
3 0.06-p2vp、fe
3 0.02-ocpcs、fe
3 0.06-ocpcs)，后使用布鲁克biospec3t mri动物活体成像仪进行mr成像。注射后40min的mri t1成像数据如图15：相比于简单结构的fe
3 0.06-p2vp，具有复杂级次结构的纳米超材料fe
3 0.02-ocpcs与fe
3 0.06-ocpcs的信号变化更为明显；相比于壳层孔隙率更低的fe
3 0.02-ocpcs，通过调控fe
3
浓度获得具有更高孔隙率壳层的fe
3 0.06-ocpcs的信号变化更为明显。以上数据表明本发明制备的纳米超材料拥有超越简单结构的材料的生物成像性能，并且这个性能可以通过调控双动力学路径的关键参数进行合理控制。
87.实施例5
88.本实施例选取实施例3制备的fe
3 0.06-ocpcs，fe
3 0.06-p2vp以及二乙烯三胺五乙酸钆gd(dtpa)为t1成像造影剂。选取发育98h的斑马鱼胚胎进行高磁场mr成像检测。将fe
3 0.06-ocpcs，fe
3 0.06-p2vp以及gd(dtpa)配制成每个n-2-羟乙基哌嗪-n'-2-乙磺酸培养基(danieau培养基)内fe
3
或gd
3
的浓度为0.1m，并注射入从单细胞向四个细胞状态演化的斑马鱼胚胎内，待胚胎发育98h后，通过布鲁克biospec7tmri动物活体成像仪进行观察。成像数据如图16，相比于商用的t1成像造影剂gd(dtpa)以及具有简单结构的fe
3 0.06-p2vp，通过双动力学路径控制制备的、具有更复杂级次结构的纳米超材料fe
3 0.06-ocpcs的信号变化更为明显，t1成像效果更好。