CN103521753A - 一种核壳结构材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核壳结构材料及其制备方法与应用。该具有核壳结构的材料，也即SiO₂AuNPs，由壳和核组成；构成壳的材料为金；构成核的材料为二氧化硅；壳与核之间通过所述带氨基的表面活性剂相连；其中，带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；所述核位于所述壳的中心，且被所述壳全包围。二氧化硅核的粒径为80-800nm，壳的厚度为0-20nm。该SiO₂AuNPs核壳材料与细胞共培养，不仅对细胞无毒，还能在一定程度上促进细胞的生长。

Description

一种核壳结构材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种核壳结构材料及其制备方法与应用。

背景技术

由于金纳米粒子制备简单、性质稳定、生物相容性好及特殊的光电性质等优点，在生物医学体系有诸多应用。但是目前大量文献报道认为纳米金颗粒对许多细胞是有毒的，其中包括Hela细胞，因此已被用于治疗癌细胞。本发明发现将纳米金颗粒固定在固体球上形成核壳结构材料时，能够促进细胞的生长，而且没有毒性作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种核壳结构材料及其制备方法与应用。

本发明提供的具有核壳结构的材料，也即SiO₂AuNPs，由壳和核组成；

构成所述壳的材料为金；

构成所述核的材料为二氧化硅；

所述壳与核之间通过带氨基的表面活性剂相连；

其中，所述带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；

所述核位于所述壳的中心，且被所述壳全包围。

上述材料中，所述核的粒径为80-800nm；

所述壳的厚度为0-20nm，且所述壳的厚度不为0；

所述带氨基的表面活性剂选自（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、（3-巯基丙基）三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、(3-氨丙基)三乙氧基硅烷、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷和N,N-二（氨基乙基酰甲基乙基）十八烷基胺（简称C₁₈N₃）中的至少一种；

所述核壳结构的材料亦为按照如下方法制备而得的产品。

本发明提供的制备前述核壳结构的材料（也即SiO₂AuNPs）的方法，包括如下步骤：

1）将氨基修饰的SiO₂溶液溶于金溶胶中搅拌过夜后，离心收集沉淀，再将所得沉淀溶于水中，得到SiO₂AuNPs金种溶液；

2）在pH值为9-10的条件下，将步骤1）所得SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂混合进行还原反应，得到所述材料。

上述方法的步骤1）中，所述氨基修饰的SiO₂溶液中，溶剂为乙醇；

所述金溶胶中，金的摩尔浓度为0-60mM，具体为48.6mM；

金的粒径为1-5nm；

所述氨基修饰的SiO₂溶液与金溶胶的体积比为0-0.08：1，具体为0.05：1，且所述氨基修饰的SiO₂溶液的体积不为0；

所述步骤2）中，保护剂选自PVP-K30、聚乙二醇和柠檬酸钠中的至少一种；其中，所述聚乙二醇的相对分子质量为200-900；

还原剂选自甲醛、硼氢化钠和盐酸羟胺中的至少一种；

所述SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的体积比为0-5：0-50：0-60：0-40，具体为1：10：0.02：0.01、1：25：0.04：0.025、1：40：0.06：0.04、1：10-40：0.02-0.06：0.04-0.04、1：10-25：0.02-0.04：0.01-0.025、1：25-40：0.04-0.06：0.025-0.04；其中，所述SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的用量均不为0；

所述还原反应步骤中，温度为室温，反应时间为8-24小时，具体为12小时。

另外，所述步骤1）中，SiO₂的乙醇溶液参照文献Stober,W.;Fink,A..ControlledGrowth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range.J.Colloid InterfaceSci.1968,26,62-69提供的方法制得；

该方法具体包括如下步骤：

（1）将正硅酸乙酯（TEOS）和无水乙醇按一定比例混合搅拌15min，形成A液；

（2）将氨水、去离子水和无水乙醇按一定比例混合搅拌5min，形成B液；

（3）室温下，将A液滴加到快速搅拌的B液中，搅拌过夜即得。

氨基修饰的SiO₂溶液按照包括如下步骤的方法制备而得：

将SiO₂的乙醇溶液和带氨基的表面活性剂混合搅拌过夜，离心收集沉淀后分散于乙醇中，得到氨基修饰的SiO₂溶液。

该方法中，所述SiO₂的乙醇溶液中，SiO₂和乙醇的质量比为0-5：100，且SiO₂的质量不为0，具体为2：100；

所述带氨基的分子结合剂与SiO₂的乙醇溶液的体积比为0-0.01：1，且所述带氨基的分子结合剂的体积不为0。

所述步骤2）中，所用金溶胶可参照文献T.Liu,J.A.Tang,L.Jiang,Theenhancement effect of gold nanoparticles as a surface modifier on DNA sensor sensitivity.Biochem.Biophys.Res.Commun.313(2004)3提供的方法制备而得，也即是按照包括如下步骤的方法制备而得：

（1）在20mL去离子水中加入85μL质量分数2%的氯金酸水溶液，64.5μL质量分数2%的柠檬酸钠水溶液，搅拌混匀；

（2）将2.85mg硼氢化钠溶于0.75mL去离子水中，剧烈搅拌下，快速加到上述步骤（1）的溶液中，室温反应30min后即可得到所需金溶胶。

所述步骤2）中，所用金种生长剂的水溶液可按照文献(ShiW.;SahooY.;SwihartM.and PrasadP.Gold Nanoshells on Polystyrene Cores for Control of Surface PlasmonResonance.Langmuir,2005,21,1610-1617)提供的方法制备而得，该方法具体包括如下步骤：

（1）称取0.05g碳酸钾溶于185mL去离子水搅拌15min，得到碳酸钾的水溶液；

（2）室温下将15mL5mM的氯金酸水溶液加到上述步骤（1）所得碳酸钾的水溶液中，继续搅拌，溶液逐渐由黄色变为无色后将其放置于暗处沉积至少24h而得。

此外，上述本发明提供的具有核壳结构的材料（也即SiO₂AuNPs）在制备促进小鼠成纤维细胞或***细胞生长的产品中的应用，也属于本发明的保护范围。其中，所述小鼠成纤维细胞为NIH/3T3细胞；所述***细胞为Hela细胞。

促进细胞生长包括：将所述具有核壳结构的材料与所述小鼠成纤维细胞或***细胞共同培养。

本发明提供的SiO₂AuNPs核壳材料是由金壳和二氧化硅核组成的一种球形分层纳米复合颗粒。本发明发现将纳米金颗粒固定在直径为80～800nm的二氧化硅球上形成SiO₂AuNPs核壳结构时，能够促进Hela细胞的生长。实验结果表明，对于相同覆盖度的SiO₂AuNPs，G1和G2随着摩尔浓度增加，Hela细胞的活性呈增加趋势；G3当摩尔浓度增加到9.3nM时，细胞活性最大，随后随着浓度增加，活性稍有下降。对于同一浓度的三种SiO₂AuNPs，随着硅球上的AuNPs增多，Hela细胞的增值率增加。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的200nm SiO₂AuNPs核壳材料的扫描电镜图片。

图2为本发明实施例3制备的G1核壳材料的扫描电镜图片。

图3为本发明实施例4制备的G2核壳材料的扫描电镜图片。

图4为本发明实施例5制备的G3核壳材料的扫描电镜图片。

图5为本发明实施例2-4三种500nm SiO₂AuNPs核壳材料对Hela细胞的活性影响曲线。

图6为本发明实施例2-4三种500nm SiO₂AuNPs核壳材料对小鼠成纤维细胞NIH/3T3的活性影响曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

下述实施例所用***细胞株（Hela）和小鼠成纤维细胞（NIH/3T3）购自美国模式培养物保藏所（American Type Culture Collection,ATCC）。

下述实施例中所用金溶胶均按照文献T.Liu,J.A.Tang,L.Jiang,The enhancementeffect of gold nanoparticles as a surface modifier on DNA sensor sensitivity.Biochem.Biophys.Res.Commun.313(2004)3提供的方法制备得到，具体包括如下步骤：

（1）在20mL去离子水中加入85μL质量分数2%的氯金酸水溶液，64.5μL质量分数2%的柠檬酸钠水溶液，搅拌混匀；

（2）将2.85mg硼氢化钠溶于0.75mL去离子水中，剧烈搅拌下，快速加到上述步骤（1）的溶液中，室温反应30min后即可得到所需金溶胶。

所用金种生长剂的水溶液均按照文献(ShiW.;SahooY.;SwihartM.and PrasadP.GoldNanoshells on Polystyrene Cores for Control of Surface Plasmon Resonance.Langmuir,2005,21,1610-1617)提供的方法制备得到，该方法具体包括如下步骤：

（1）称取0.05g碳酸钾溶于185mL去离子水搅拌15min，得到碳酸钾的水溶液；

（2）室温下将15mL5mM的氯金酸水溶液加到上述步骤（1）所得碳酸钾的水溶液中，继续搅拌，溶液逐渐由黄色变为无色后将其放置于暗处沉积24h而得。

实施例1、200nm SiO₂AuNPs核壳材料的制备

1）首先制备SiO₂的乙醇溶液：

根据Stober法，将正硅酸乙酯（TEOS）、质量百分浓度为25%的氨水、水、无水乙醇按照体积比1：0.67：1.2：16.6称量后，先将正硅酸乙酯和一半体积的无水乙醇混合搅拌15min，形成A液后；将氨水、去离子水和一半体积的无水乙醇混合搅拌15min，形成B液后，于室温，将A液滴加到快速搅拌的B液中，搅拌过夜，得到SiO₂的乙醇溶液；

其中，SiO₂的粒径为200nm，SiO₂和无水乙醇的质量比为2：100；

再制备氨基改性的SiO₂乙醇溶液：

然后按照3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES）和SiO₂的乙醇溶液体积比为0.01：1向所得SiO₂的乙醇溶液中加入APTES混合搅拌过夜，多次离心，每次均收集沉淀后重新分散到乙醇中，得到的氨基改性的SiO₂乙醇溶液。

2）将步骤1）所得氨基改性的改性SiO₂乙醇溶液1mL与20mL金的摩尔浓度为48.6mM、粒径为3.5nm的金溶胶混合，慢速搅拌30min，离心收集沉淀重新分散到4mL水中，得到200nm SiO₂AuNPs金种溶液。

3）将1mL步骤2）所得SiO₂AuNPs金种溶液和10mL金种生长剂的水溶液混合，加氨水调节pH值至9-10，20μL保护剂PVP-K30，10μL甲醛作为还原剂，缓慢搅拌于室温下进行还原反应12小时，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO₂AuNPs核壳颗粒。

该SiO₂AuNPs核壳颗粒的扫描电镜照片如图1所示。由图可知，该材料由壳、核和带氨基的表面活性剂组成；

构成壳的材料为金；

构成核的材料为二氧化硅；

壳与核之间通过表面活性剂APTES相连；

其中，APTES与核之间通过硅氧键相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；

核位于壳的中心，且被壳全包围。

核的粒径为200nm；壳的厚度为4nm。

实施例2、350nmSiO₂AuNPs核壳材料的制备

1）同实施例1步骤1），仅将步骤1）中正硅酸乙酯（TEOS）、氨水、水、无水乙醇的体积比替换为1：0.67：1.34：16.6，得到SiO₂粒径为350nm的乙醇溶液；后续步骤与步骤1）相同，仅将APTES替换为C₁₈N₃，得到氨基改性的乙醇溶液；

步骤2）和3）与实施例1相同，仅将步骤2）所用氨基改性的乙醇溶液替换为该实施例步骤1）所得氨基改性的乙醇溶液即可，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO₂AuNPs核壳颗粒。

该材料的结构与实施例1相同，区别仅在核与壳之间通过表面活性剂C₁₈N₃相连，C₁₈N₃与核之间通过物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连；SiO₂的粒径为350nm，壳的厚度为6nm。

实施例3、500nm SiO₂AuNPs核壳材料G1的制备

1）同实施例1步骤1），仅将步骤1）中正硅酸乙酯（TEOS）、氨水、水、无水乙醇的体积比替换为1：1：1.8：16.6，得到SiO₂粒径为500nm的乙醇溶液；后续步骤与步骤1）相同，得到氨基改性的乙醇溶液；

步骤2）和3）与实施例1相同，仅将步骤2）所用氨基改性的乙醇溶液替换为该实施例步骤1）所得氨基改性的乙醇溶液即可，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO₂AuNPs核壳颗粒（命名为G1）。

该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图2所示，区别仅在SiO₂的粒径为500nm，壳的厚度为4nm。

实施例4、500nm SiO₂AuNPs核壳材料G2的制备

1）和2）同实施例3的步骤1）和2）。

3）同实施例1步骤3），仅将金种生长剂的水溶液的体积用量替换为25mL，甲醛的体积用量替换为25μL，保护剂PVP的体积用量替换为40μL，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO₂AuNPs核壳颗粒（命名为G2）。

该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图3所示，区别仅在SiO₂的粒径为500nm，壳的厚度为10nm。

实施例5、500nm SiO₂AuNPs核壳材料G3的制备

1）和2）同实施例3的步骤1）和2）。

3）同实施例1步骤3），仅将金种生长剂的水溶液的体积用量替换为40mL，甲醛的体积用量替换为40μL，保护剂PVP的体积用量替换为60μL，得到本发明提供的具有核壳结构的材料SiO₂AuNPs核壳颗粒（命名为G3）。

该材料的结构与实施例1相同，扫描电镜照片如图4所示，区别仅在SiO₂的粒径为500nm，壳的厚度为20nm。

实施例6、SiO₂Au核壳材料与Hela细胞共培养

1）将实施例2、3、4制备的G1、G2、G3核壳材料分别溶于超纯水中配成6个不同的摩尔浓度，即1.9nM、4.7nM、9.3nM、18.7nM、37.3nM、56nM。在加入细胞前，紫外灯下灭菌1h。

2）取指数生长期的Hela细胞于96孔板中种板。设置5个空白组，5个对照组，每个SiO₂AuNPs浓度设置5个复孔。每孔细胞密度为1*10⁴个，每孔加100μL含10%新生牛血清（NCS）的DMEM血清，在37℃5%二氧化碳培养箱中过夜培养使细胞贴壁。然后每孔加样品10μL，继续培养24h。

3）吸取旧培养基，用PBS溶液洗两遍，每孔加90μL含10%新生牛血清（NCS）的DMEM血清、10μLCCK-8溶液，于5%二氧化碳培养箱中孵育1h。然后用酶标仪在450nm处测试每个孔的吸光度（即OD值）。

根据下面公式评估细胞的相对活性。可知增值率可达100%～200%。

Cell activity(%)=(OD_sample-OD_-)/(OD₊-OD_-)

其中，OD_-是只加含10%NCS的DMEM培养基的吸光值；

OD₊是加了Hela细胞和含10%NCS的DMEM培养基而没有加样品的吸光值。

所得Hela细胞活性曲线如图5所示。

由图可知，对于同种500nm SiO₂AuNPs，G1和G2随着摩尔浓度增加，Hela细胞的活性呈增加趋势；G3当摩尔浓度增加到9.3nM时，细胞活性最大，随后随着浓度增加，活性稍有下降。对于同一浓度的三种SiO₂AuNPs，随着硅球上的AuNPs增多，Hela细胞的增值率增加。

实施例7、SiO₂Au核壳材料与NIH/3T3细胞共培养

1)、2）和3）同实施例6的步骤1)、2）和3），仅将Hela细胞替换为NIH/3T3细胞。

所得NIH/3T3细胞活性曲线如图6所示。

由图可知，对于同种500nm SiO₂AuNPs，随着摩尔浓度增加，NIH/3T3细胞的活性呈增加趋势，对于同一浓度的三种SiO₂AuNPs，G3对细胞的增殖作用最好。

Claims (10)

1.一种具有核壳结构的材料，由壳、核和带氨基的表面活性剂组成； 

构成所述壳的材料为金； 

构成所述核的材料为二氧化硅； 

所述壳与核之间通过所述带氨基的表面活性剂相连； 

其中，所述带氨基的表面活性剂与核之间通过硅氧键或物理吸附作用相连，与壳之间通过正负静电作用力相连。 

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述核的粒径为80-800nm； 

所述壳的厚度为0-20nm，且所述壳的厚度不为0； 

所述带氨基的表面活性剂选自（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、（3-巯基丙基）三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷和N,N-二（氨基乙基酰甲基乙基）十八烷基胺中的至少一种。 

3.根据权利要求1-2任一所述的材料，其特征在于：所述核壳材料是按照权利要求4-7任一所述方法制备而得。 

4.一种制备权利要求1或2任一所述材料的方法，包括如下步骤： 

1）将氨基修饰的SiO₂溶液溶于金溶胶中搅拌过夜后，离心收集沉淀，再将所得沉淀溶于水中，得到SiO₂AuNPs金种溶液； 

2）在pH值为9-10的条件下，将步骤1）所得SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂混合进行还原反应，得到所述材料。 

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤1）氨基修饰的SiO₂溶液中，溶剂为乙醇； 

所述金溶胶中，金的摩尔浓度为0-60mM，且不为0，具体为48.6mM； 

金的粒径为1-5nm； 

所述氨基修饰的SiO₂溶液与金溶胶的体积比为0-0.08：1，具体为0.05：1，且所述氨基修饰的SiO₂溶液的体积不为0； 

所述步骤2）中，保护剂选自PVP-K30、聚乙二醇和柠檬酸钠中的至少一种；其中，所述聚乙二醇的相对分子质量为200-900； 

还原剂选自甲醛、硼氢化钠和盐酸羟胺中的至少一种； 

所述SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的用量比为0-5：0-50：0-60：0-40，其中，所述SiO₂AuNPs金种溶液、金种生长剂的水溶液、保护剂和还原剂的用量均不为0； 

所述还原反应步骤中，温度为室温，反应时间为8-24小时，具体为12小时。 

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，氨基修饰的SiO₂溶液是按照包括如下步骤的方法制备而得： 

将SiO₂的乙醇溶液和带氨基的表面活性剂混合搅拌过夜，离心收集沉淀后分散于乙醇中，得到氨基修饰的SiO₂溶液。 

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述SiO₂的乙醇溶液中，SiO₂和乙醇的质量比为0-5：100，且SiO₂的质量不为0，具体为2：100； 

所述带氨基的分子结合剂选自（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、（3-巯基丙基）三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷、（3-氨丙基）三乙氧基硅烷、(3-氨丙基)三甲氧基硅烷和N,N-二（氨基乙基酰甲基乙基）十八烷基胺中的至少一种； 

所述带氨基的分子结合剂与SiO₂的乙醇溶液的体积比为0～0.01：1，且所述带氨基的分子结合剂的体积不为0。 

8.权利要求1-3任一所述具有核壳结构的材料在制备促进小鼠成纤维细胞或***细胞生长的产品中的应用。 

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述小鼠成纤维细胞为NIH/3T3细胞； 

所述***细胞为Hela细胞。 

10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于：所述促进细胞生长包括：将所述具有核壳结构的材料与所述小鼠成纤维细胞或***细胞共同培养。 

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