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自然界中的二氧化硅(SiO2)依靠生物体的控制,能够在非常温和的条件下,达到对其结构和微观形貌的精巧控制。受自然界Si1O2矿化过程的启发,我们设计并采用交联的阳离子聚胺Poly(AM-co-DMC)微凝胶为模板,四甲氧基硅烷(TMOS)为硅源,在室温和中性水环境下,仿生合成了Poly(AM-co-DMC)/SiO2杂化纳米粒子。经过交联的Poly(AM-co-DMC)微凝胶胶体模板呈网络结构,SiO2在该模板上仿生沉积后可保持模板的多孔结构。经过高温处理后的SiO2纳米粒子具有较高的比表面积,且内部有大量的纳米沟渠。这些性质使其有望成为优良的药物载体。于是,我们选取消炎镇痛药布洛芬(IBU)作为模型药物,研究了IBU在Poly(AM-co-DMC)胶体模板、Poly(AM-co-DMC)/SiO2杂化纳米粒子和SiO2纳米粒子中的释放行为。
首先,我们采用反相乳液聚合方法,以丙烯酰胺为主单体成功制备出不同功能单体(DMC)含量以及不同交联程度的Poly(AM-co-DMC)胶体模板。由FT-IR、1HNMR的分析结果可知,单体AM和DMC确实参与了共聚反应,Poly(AM-co-DMC)胶体粒子含有聚胺功能化基团。Poly(AM-co-DMC)的阳离子含量随着阳离子单体DMC投料比的增加而增加,与我们预先设计的配方一致。随着交联度的增加,Poly(AM-co-DMC)的起始热分解温度向高温方向移动,说明其热稳定性增加;同时也反映了Poly(AM-co-DMC)内部的疏松程度,即交联度越高,内部越密实,内部孔径越小。
然后,我们以Poly(AM-co-DMC)为模板,TMOS和TEOS为硅源,在室温和中性水环境下,仿生合成了SiO2杂化纳米粒子,并系统考察了不同高分子胶体模板、不同硅源以及反应时间长短对SiO2杂化纳米粒子仿生合成的影响,以期实现对SiO2杂化纳米粒子形貌与组成的可控制备。结果发现:①Poly(AM-co-DMC)的阳离子含量越高,催化TMOS水解转化成SiO2的效率越高,杂化粒子的表面粗糙度增加,沉积大量SiO2后则形成表面光滑结构致密的粒子。Poly(AM-co-DMC)交联度不同的情况下,杂化粒子的形貌和其在无水乙醇中的分散性差别不大;TMOS转化成SiO2的效率没有明显的规律。其中,以交联度为10％的Poly(AM-co-DMC)介导生成的杂化粒子仿生沉积SiO2的量最少,杂化粒子比较疏松。两者相比而言,阳离子含量对杂化粒子中SiO2的仿生沉积影响较大。从TEM照片可以看出杂化粒子表面有很多纳米小孔和类似蜂窝的结构。②TEOS与TMOS具有类似的结构和性质,但前者水解反应副产物为乙醇,对环境较友好。以单体组成比AM∶DMC=6∶6的Poly(AM-co-DMC)为模板,TMOS和TEOS为硅源,反应时间4h为例,表明同一模板介导的SiO2仿生沉积过程中,反应时间相同的情况下,TEOS的反应活性不及TMOS,所形成杂化粒子的周围有一些小颗粒存在。XPS和TGA对杂化粒子的元素分析比较得出:以TMOS为硅源时,杂化粒子中粒子外层比内层沉积SiO2的量多;以TEOS为硅源时,杂化粒子中粒子内层比外层沉积SiO2的量多。Zata电势结果表明可通过改变硅源或反应时间调整杂化粒子的表面带电性。固体29SiMASNMR表明:TMOS水解形成的Si-OH缩聚较完全,经高温煅烧后只有少量Si-OH发生进一步的缩聚反应;TEOS水解形成的Si-OH缩聚不是很完全,经高温灼烧后未反应的Si-OH进一步发生了热缩聚反应。③以TEOS为硅源的SiO2仿生沉积过程中,TEOS用量一定,控制其它反应条件不变,反应时间越长,杂化粒子表面粗糙度越大,SiO2的沉积量越多,沉积大量SiO2后则形成表面光滑结构致密的粒子。
最后,以Poly(AM-co-DMC)(AM/DMC/MBA=2/9/1.5wt)为模板,我们考察了Poly(AM-co-DMC)胶体模板、Poly(AM-co-DMC)/SiO2杂化纳米粒子和SiO2纳米粒子在pH=7.4磷酸盐缓冲溶液中对IBU的释放行为。结果表明:三种粒子对IBU都能达到一定的缓释效果,特别是在给药6h之后,其中杂化粒子的药物缓释时间最长,达到53h。IBU在三种粒子中的释放速度与载体的带电性、表面粗糙度有关。其中,带负电的IBU因与带正电的Poly(AM-co-DMC)相互吸引而难以快速释放出来;IBU因与SiO2均带负电,所以易于从SiO2载体中逃逸;IBU与Poly(AM-co-DMC)/SiO2杂化体系的静电作用介于二者之间,因而释放速度居中。从TEM可以看出,由于三种粒子的表面粗糙度不同,IBU在三种体系中的释放还应受扩散效应的控制。但同IBU与三种粒子之间的静电作用相比,该扩散效应的影响不大。
此外,Poly(AM-co-DMC)的交联度即孔径大小对IBU的释放速率几乎没有影响;Poly(AM-co-DMC)模板的阳离子含量越高,最终得到的多孔SiO2内部孔径较小,所以释放量较少;Poly(AM-co-DMC)模板的交联度为5％和10％时,SiO2米粒子的药物释放曲线相似,释放速度较快,在10h左右就释放完全,交联度为15％的Poly(AM-co-DMC)介导仿生合成的SiO2纳米粒子对IBU能达到一定的缓释效果,特别是在给药5h之后,药物缓释时间达到35h。