一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液，得溶液A；(2)将三嵌段共聚物F127溶于乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和HCl溶液水解，得溶液B；(3)将溶液B与溶液A混合，搅拌，静置，采用喷雾干燥器进行干燥，得到粉末料；(4)将步骤(3)制得的粉末料放入管式炉中，在氮气保护下，380‑440℃保温,再升温至880‑920℃焙烧，得碳硅复合材料；(5)碳步骤(4)制得的硅复合材料用NaOH水溶液除硅，最后用去离子水洗至中性，干燥后得到介孔碳材料。本发明专利技术的方法具有能够制备出孔径和粒径较小的介孔碳的特点；得到的介孔碳能够有效穿透细胞膜，且具有高效负载和缓释抗癌药物的功能。

Preparation of in-situ nitrogen-doped mesoporous carbon nanospheres

The invention discloses a method for preparing in-situ nitrogen doped mesoporous carbon nanospheres, which comprises the following steps: (1) dissolving chitosan into acetic acid aqueous solution, obtaining solution A; (2) dissolving three block copolymer F127 into ethanol solution, then adding ethyl silicate and HCl solution to hydrolyze, and obtaining B; (3) mixing solution B with solution A, stirring, static, and drying by spray dryer. (4) Carbon-silicon composites are obtained by putting the powder material prepared in step (3) into a tubular furnace under the protection of nitrogen, holding at 380 440 C, then calcining at 880 920 C; (5) Carbon step (4) Silicon composites are desilicated by NaOH aqueous solution, and finally washed in deionized water to neutral, and mesoporous carbon materials are obtained after drying. The method of the invention has the characteristics of preparing mesoporous carbon with small pore size and particle size, and the obtained mesoporous carbon can effectively penetrate the cell membrane, and has the functions of high efficiency loading and slow release of anticancer drugs.

【技术实现步骤摘要】
一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法
本专利技术涉及一种介孔碳纳米球的制备方法，特别是一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法。
技术介绍
专利(CN106744805B)以壳聚糖为碳氮源，F127和正硅酸乙酯为共模板,通过溶胶凝胶法可制备得到原位氮掺杂的超大孔径(17-26nm)介孔碳材料，该专利方法满足了介孔碳材料制备过程环境友好、生物医用材料无有害残余的要求，在生物医药领域具有极大的应用潜力。但其不足之处表现在，所得材料粒径为微米级，不能有效穿透细胞膜。另一方面，由于抗癌活性药物的分子动力学通常在1-2nm，过大的孔径对抗癌药物分子的吸附效率极低。再者，其亲水性较差。这极大制约其在抗癌药物负载和缓释方面的应用。因此，如何降低壳聚糖基介孔碳孔径及粒径尺寸，增加其亲水性，使其能高效负载和缓释抗癌药物，具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法。本专利技术的方法具有能够制备出孔径和粒径较小的介孔碳的特点；得到的介孔碳能够有效穿透细胞膜，且具有高效负载和缓释抗癌药物的功能。本专利技术的技术方案：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液，得溶液A；(2)将三嵌段共聚物F127溶于乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和HCl溶液水解，得溶液B；(3)将溶液B与溶液A混合，搅拌，静置，采用喷雾干燥器进行干燥，得到粉末料；(4)将步骤(3)制得的粉末料放入管式炉中，在氮气保护下，380-440℃保温,再升温至880-920℃焙烧，得碳硅复合材料；(5)碳步骤(4)制得的硅复合材料用NaOH水溶液除硅，最后用去离子水洗至中性，干燥后得到介孔碳材料。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(1)中，所述醋酸水溶液的体积分数为3-7％；所述壳聚糖是在35-45℃条件下溶于醋酸水溶液；所述溶液A中壳聚糖的浓度为2.1％。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(2)中，每50ml所乙醇溶液中溶解2-2.5g三嵌段共聚物F127；三嵌段共聚物F127与正硅酸乙酯中的SiO2的质量比为1:1.5-2.5；所述HCl溶液的浓度为0.2M，乙醇溶液与HCl溶液的体积比为3-5:1。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(2)中，所述三嵌段共聚物F127是在35-45℃条件下溶于乙醇溶液；所述水解的时间为5-15min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(3)中，溶液B与溶液A混合时，以溶液B中溶解的三嵌段共聚物F127与溶液A中溶解的壳聚糖的质量比为1-3:10进行混合；所述搅拌时间为40-80min，搅拌后静置40-80min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(3)中，所述喷雾干燥器进行干燥时，进行温度为160-180℃，进料流量为3-4ml/min。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(4)中，所述氮气保护时，氮气流量为180-220cm3/h。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(4)中，所述粉末料放入管式炉后，是以2-3℃/min的速度升温至380-440℃保温1-3h，然后再以4-6℃/min的速度升温至880-920℃焙烧1-3h。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(5)中，所述NaOH水溶液的浓度为1M；脱硅时，NaOH水溶液的温度为80-90℃。前述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，步骤(5)中，所述干燥温度为90-110℃，干燥时间4-8h。本专利技术的有益效果本专利技术以壳聚糖为碳氮源，采用喷雾干燥和碳化技术，一步法制得原位氮掺杂的介孔碳球。其优点为介孔碳球粒径在250-800nm，粒径小，能够有效穿过细胞膜；且介孔孔径分布较窄(在3nm左右)，具有较好的亲水性，且其亲水性随表面N含量的增加逐渐增大，作为载体负载难溶性抗肿瘤药物羟基喜树碱(HCPT)，吸附符合Langmuir模型，药物的饱和吸附量高，在药物释放过程中，可显著提高溶出度，具有高效负载和缓释抗癌药物的优点。附图说明附图1为实施例1-4制得的介孔碳的氮气等温吸附线；附图2为实施例1-4制得的介孔碳的孔径分布图；附图3为实施例1制得的介孔碳的透射电镜图；附图4为实施例1制得的介孔碳的元素分析图；其中a为SEM图，b、c和d依次是对C、O和N作出元素映射；附图5为实施例1-4制得的介孔碳的亲水性测试；其中a-e对应实施例2，f-j对应实施例3，k-o对应实施例1，p-t对应实施例4；附图6为实施例1-4制得的介孔碳在PH＝7.4PBS溶液条件下HCP从NMCS中的溶出率。由图1可见，在相对压力P/P0≥0.4后，四个样品的N2吸附等温线都有滞后回环，说明这些材料均含有中孔，为典型的介孔碳材料，其中NMCs-7/3的滞后回环最大。由图2孔径分布图可见，四个样品的孔径分布较窄，主要集中在2.01-3.65nm左右，为抗癌药物羟基喜树碱(HCPT)动力学直径的1.75-3.2倍。近藤静一指出，孔径过小，吸附质向孔内扩散的速度就越慢；孔径过大，吸附质和固体表面的吸附作用势变小，吸附质不能被很好地吸附在固体表面，孔径为吸附质分子动力学直径的1.5-3倍，吸附性能是最好的。因此，本专利技术制备的介孔碳孔径有利于对HCPT的吸附。由图3a,b可见，所制备介孔碳的孔道清晰，为典型的蠕虫状结构。图3c,d指出所制备的碳材料为球形结构，其直径约250-800nm，正好处于药物输送最适宜的尺寸范围100-1000nm。由于其尺寸较小，因此当其负载抗肿瘤药物后可通过一般的内吞途径进入大多数细胞，进而发挥一些独特的治疗学功能。图4为介孔碳材料NMCS-7/3的SEM图(a)及其表面C(b)、O(c)、N(d)元素扫描图。可见，C、O、N在介孔碳的纳米球形结构上均有分布。说明N元素被成功地掺杂到以壳聚糖为碳源和氮源制备的介孔碳材料中。由图5可见，接触时间为0s时，水液滴在这四种介孔碳材料上的接触角均较大，随接触时间的增加，接触角逐渐降低，当接触时间最长为2.8s时，水液滴全部铺展开来。可见，这四种介孔碳材料都展现出非常好的亲水性，远远低于未掺氮介孔碳材料129°的接触角。由图6可见，原料药在磷酸盐缓冲溶液中1h的释放量仅为9.96％，12h后仅释放出22.7％。与之相比，将HCPT药物分子吸附到四种掺氮介孔碳材料NMCs-x/3后再于磷酸盐缓冲溶液中进行释放，其释放速率明显提高。表现在1h时有35.42％、～50.80％的药物从载药材料NMCs-x/3中缓释出来，之后12h，药物释放量达到86.67％～93.75％。可见，HCPT药物负载于介孔碳后，其释放速率与原料药相比得到显著的提高，这是由于介孔碳具有独特的纳米孔道结构，在一定程度上可抑制药物的结晶，使药物以微晶或非晶的状态吸附于其中，从而增大了药物溶解度及释放速率。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但并不作为对本专利技术限制的依据。本专利技术的实施例实施例1：一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：(1)将9.8g壳聚糖于40℃下溶于5％醋酸水溶液制备2.1％的壳聚糖溶液A；(2)2.1g三嵌段共聚物F127于于40℃条件下溶于50ml乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯TEOS15本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液，得溶液A；(2)将三嵌段共聚物F127溶于乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和HCl溶液水解，得溶液B；(3)将溶液B与溶液A混合，搅拌，静置，采用喷雾干燥器进行干燥，得到粉末料；(4)将步骤(3)制得的粉末料放入管式炉中，在氮气保护下，380‑440℃保温,再升温至880‑920℃焙烧，得碳硅复合材料；(5)步骤(4)制得的碳硅复合材料用NaOH水溶液除硅，最后用去离子水洗至中性，干燥后得到介孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将壳聚糖溶于醋酸水溶液，得溶液A；(2)将三嵌段共聚物F127溶于乙醇溶液，随后加入正硅酸乙酯和HCl溶液水解，得溶液B；(3)将溶液B与溶液A混合，搅拌，静置，采用喷雾干燥器进行干燥，得到粉末料；(4)将步骤(3)制得的粉末料放入管式炉中，在氮气保护下，380-440℃保温,再升温至880-920℃焙烧，得碳硅复合材料；(5)步骤(4)制得的碳硅复合材料用NaOH水溶液除硅，最后用去离子水洗至中性，干燥后得到介孔碳材料。2.根据权利要求1所述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述醋酸水溶液的体积分数为3-7％；所述壳聚糖是在35-45℃条件下溶于醋酸水溶液；所述溶液A中壳聚糖的浓度为2.1％。3.根据权利要求1所述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，每50ml所乙醇溶液中溶解2-2.5g三嵌段共聚物F127；三嵌段共聚物F127与正硅酸乙酯中的SiO2的质量比为1:1.5-2.5；所述HCl溶液的浓度为0.2M，乙醇溶液与HCl溶液的体积比为3-5:1。4.根据权利要求1所述的原位氮掺杂介孔碳纳米球的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述三嵌段共聚物F127是在35-45℃条件下溶于...

【专利技术属性】
技术研发人员：林倩，潘红艳，曹建新，杨春亮，王贤书，王梦，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州,52