介孔二氧化硅的應(yīng)用

介孔二氧化硅納米粒子序言Preface介孔Si02納米粒子(mesoporous

silicananoparticles，MSN)具有在2～50nm范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)的均一介孔孔徑、規(guī)則的孔道、穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)、易于修飾的內(nèi)外表面和無生理毒性等特點(diǎn)，非常適合用作藥物分子的載體．同時(shí)，MSN具有巨大的比表面積(>900m2/g)和比孔容(>0.9cm3/g)。1介孔二氧化硅的制備2介孔二氧化硅的表征3可控藥物傳輸系統(tǒng)4

介孔二氧化硅的應(yīng)用介孔二氧化硅的制備溶膠-凝膠法水熱法微波合成法溶膠凝膠法2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院5水熱法表面活性劑做為模板劑，并與酸或者堿等配成溶液，然后緩慢加入無機(jī)物原料，攪拌一段時(shí)間之后裝入高壓釜中，經(jīng)過水熱處理一段時(shí)間后得到反應(yīng)前驅(qū)體，后經(jīng)離心、洗滌、過濾等，最后采用鍛燒或者其他化學(xué)方法處理除去有機(jī)物得到納米介孔材料。

2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院6微波合成法利用微波加熱的主要原理：就是令其極性分子溶劑快速吸收微波，溫度快速上升。

按照物理學(xué)理論，分子可分為極性分子和非極性分子兩大類，其中極性分子的正、負(fù)電荷的中心不重合，因而極性分子具有永久偶極矩，分子在外加電場下，使原來無序的極性分子變成一定順序的排列方式，這就產(chǎn)生了偶極極化，因?yàn)槲⒉óa(chǎn)生的交變電場是具有高速的變向性，這就使得偶極轉(zhuǎn)向極化速度慢而沒有能夠迅速跟上交變電場導(dǎo)致滯后于電場，最后使得納米材料的里面結(jié)構(gòu)損耗，而且還導(dǎo)致少量的微波轉(zhuǎn)化成了熱能加熱了納米材料。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院7微波合成與水熱合成的主要區(qū)別是：加熱方式不同最常用的還是溶膠凝膠法介孔二氧化硅的表征小角度X射線衍射TEM低溫氮吸附儀小角度X射線衍射2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院92dsinθ=nλ孔徑大小用于分析特大晶胞物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析以及測定粒度在幾十個(gè)納米以下超細(xì)粉末粒子（或固體物質(zhì)中的超細(xì)空穴）的大小、形狀及分布。對于高分子材料，可測量高分子粒子或空隙大小和形狀、共混的高聚物相結(jié)構(gòu)分析、長周期、支鏈度、分子鏈長度的分析及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測量。TEMTEM是觀察有序納米介孔材料的最有效的方式，如使用TEM直接介孔孔徑的大小，孔徑和一維孔道的長程結(jié)構(gòu)，此外，摻雜引起的孔隙結(jié)構(gòu)的變化，反應(yīng)在TEM就是出現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)。

2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院10低溫氮吸附儀測定介孔二氧化硅的比表面積、孔徑分布及吸脫附等溫線。

2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院11可控藥物傳輸系統(tǒng)MSN的靶向功能生物相容性研究藥物控釋MSN的細(xì)胞內(nèi)吞藥物負(fù)載藥物傳輸機(jī)制MSN的生物相容性當(dāng)MSN濃度低于每105個(gè)細(xì)胞100μg/mL時(shí)，細(xì)胞的生存能力和繁殖能力基本不受影響。DNA染色結(jié)合流式細(xì)胞儀分析→細(xì)胞吸收MSN后仍舊保留了完整的細(xì)胞膜顯微鏡觀察→細(xì)胞形態(tài)正常3-(4,5-二甲基噻唑-2)-2,5-二苯基四氮唑溴鹽比色法(MTT)測試→線粒體活性仍然處于正常水平2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院132023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院14介孔二氧化硅MSN藥物傳輸系統(tǒng)的藥物負(fù)載載藥過程通常是將載體浸泡在高濃度的藥物溶液中，然后分離、干燥。MSN的孔徑大小決定了能夠進(jìn)入孔道內(nèi)的藥物分子的大小。載體對藥物的吸附能力決定了載藥能力。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院15對藥物的負(fù)載能力藥物與介孔表面的互相作用氫鍵作用離子鍵相互相作用靜電互相作用疏水性互相作用藥物與藥物之間的弱互相作用連續(xù)負(fù)載藥物可提高最大載藥量MSN藥物傳輸系統(tǒng)的靶向功能配體靶向利用抗體或特定配體的細(xì)胞靶向，它依賴于靶向劑與細(xì)胞表面抗體的選擇性結(jié)合。從而引起受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞．葉酸是目前研究得比較廣泛和深入的配體靶向，這是由于絕大多數(shù)的癌細(xì)胞表面其葉酸受體均表達(dá)過度。磁靶向磁性粒子和MSN結(jié)合的形式一般分兩種：一種是以磁性粒子為核。介孔二氧化硅為殼；另一種是磁性粒子通過一定的化學(xué)作用吸附到MSN表面。用超順磁性氧化鐵納米粒子封孔的介孔二氧化硅納米棒，該體系中氧化鐵粒子不僅起到藥物靶向的作用，還充當(dāng)控制藥物釋放的“門衛(wèi)”。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院162023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院17MSN的細(xì)胞內(nèi)吞研究發(fā)現(xiàn)非噬菌類真核細(xì)胞可以內(nèi)吞尺寸達(dá)500nm的乳膠粒子，內(nèi)吞效率隨著粒子尺寸的減小而增加。MSN與磷脂之問有較強(qiáng)的親和力。體外細(xì)胞試驗(yàn)結(jié)果表明MSN可以有效地被各種哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)吞。網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是非官能化MSN和絕大多數(shù)官能化MSN進(jìn)入細(xì)胞的主要途徑。葉酸改性的MSN則是通過葉酸受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞。胺和胍基官能化的MSN則可能是通過一種與網(wǎng)格蛋白和細(xì)胞質(zhì)膜微囊無關(guān)的內(nèi)吞機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞。不同官能團(tuán)修飾MSN的外表面，還可以控制MSN的吸收效率和吸收機(jī)制。外表面的官能化對MSN進(jìn)入細(xì)胞的途徑有很大影響2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院182023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院19MSN藥物傳輸系統(tǒng)的藥物控釋2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20藥物釋放不可控釋放進(jìn)入介質(zhì)立刻釋放藥物藥物的釋放地點(diǎn)和速度不可控制可控釋放有目的性地控制藥物的釋放地點(diǎn)和速度通過改變MSN的結(jié)構(gòu)參數(shù)．來實(shí)現(xiàn)對藥物的控制釋放MSN藥物傳輸系統(tǒng)的藥物控釋2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院21藥物釋放影響因素MSN結(jié)構(gòu)參數(shù)孔徑↑藥物釋放速率↑孔的連通性孔的幾何形態(tài)如：平行六方孔道釋放速度快，抗菌活性↑表面性質(zhì)MSN比表面積表面的官能團(tuán)外界刺激“門衛(wèi)”（各種化學(xué)實(shí)體）外界環(huán)境（光、pH、還原劑）介孔二氧化硅的應(yīng)用介孔二氧化硅納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用介孔二氧化硅納米材料在催化方面的應(yīng)用中空介孔二氧化硅殼納米材料的應(yīng)用介孔二氧化硅納米材料在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用基于MSNs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和較高的生物相容性，介孔二氧化硅納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。同時(shí)，納米粒子在水溶液中穩(wěn)定的分散性，也是其能夠被細(xì)胞吸收的前提，為藥物發(fā)揮作用提供了可能。介孔二氧化硅納米材料可用于藥物可控釋放體系、基因載體、生物傳感系統(tǒng)、細(xì)胞內(nèi)標(biāo)記以及和其它生物分子如蛋白質(zhì)的可控緩釋載體。其中應(yīng)用最廣泛的就是MSNs作為藥物和基因載體。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院23藥物可控釋放體系VictorLin首先合成了2-丙基二硫胺乙胺修飾的MSNs,采用巰基乙酸修飾的CdS納米粒子連接于孔道口，作為孔道的“開關(guān)”。CdS上的巰基基團(tuán)與孔表面的2-丙基二硫胺乙胺共價(jià)化合形成氨基骨架，將藥物分子和神經(jīng)傳遞素封存于孔道內(nèi)。當(dāng)加入還原試劑二硫化物時(shí)，連接CdS和孔道之間的鍵斷開，CdS納米球脫離，“開關(guān)”打開，藥物釋放。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院24基因載體VictorLin等報(bào)道了以MSNs為載體，進(jìn)行的基因轉(zhuǎn)染研究工作。首先合成了含有(3-異氰基丙基)三乙氧基硅烷，并在MSNs的孔道內(nèi)組裝了熒光劑。將第二代聚酞胺-胺型樹枝狀高分子G2-PAMAM引入材料中。作為孔道“門”

，G2-PAMAM上大量的氨基與(3-異氰基丙基)三乙氧基硅烷上的異氰基作用將熒光劑固定在孔道內(nèi)，同時(shí)充分結(jié)合質(zhì)粒DNA，pEGFP-C1。MSNs攜帶pDNA透過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞中，將DNA釋放并在細(xì)胞中表達(dá)出綠色熒光蛋白。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院25介孔二氧化硅納米材料的催化性質(zhì)介孔二氧化硅納米粒子由于具有獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性、光學(xué)透明性和化學(xué)惰性，是一種新型的催化劑的載體。最初的研究結(jié)果表明二氧化硅的支撐可以增強(qiáng)催化劑的穩(wěn)定性、反應(yīng)活性和選擇性。二氧化硅納米粒子首先被置入金屬鹽的溶液中。這些金屬鹽作為前驅(qū)體通過物理相互作用吸附在二氧化硅表面，之后通過還原反應(yīng)合成金屬納米粒子。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院26中空介孔二氧化硅殼納米材料的應(yīng)用中空介孔二氧化硅殼納米材料是指內(nèi)部中空，而外殼為介孔二氧化硅的一種納米材料。除了具有一般中空材料密度小、比表面積大等特點(diǎn)之外，二氧化硅殼層上的介孔還為其它物質(zhì)進(jìn)出粒子內(nèi)部空腔提供了通道。加之納米材料的特性，使得其在吸附、生物傳感、酶穩(wěn)定劑、選擇性分離、藥物載體及緩釋方面顯示出了獨(dú)特的發(fā)展?jié)摿?。相比于介孔二氧化硅材料，中空介孔SiO2殼納米材料具有更低的表觀密度、更大的物質(zhì)存儲空間和可持續(xù)釋放的性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)上得到了廣泛的關(guān)注。其中最重要的就是藥物的裝載與運(yùn)輸。2023/2/5同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院27中空介孔二氧化硅殼納米材料的應(yīng)用蘇忠民課題組報(bào)導(dǎo)了一種新型的中空介孔二氧化硅納米材料，這種材料同時(shí)具有光動(dòng)力療法和化學(xué)療法兩種功效。以立方PbS為核，