TWI534085B - 磁性中空複合球及其製造方法 - Google Patents

Description

磁性中空複合球及其製造方法

本發明是有關於一種磁性中空複合球及其製造方法，且特別是有關於一種具有經二氧化矽包覆的金屬顆粒的磁性中空複合球及其製造方法。

磁性顆粒的應用範圍廣，尤其是在核磁共振成像、基因治療與藥物傳遞等應用上扮演了相當關鍵的角色。

傳統應用於生醫材料的功能性磁性顆粒例如有高氧化態的奈米氧化鐵(Fe₃O₄)。奈米氧化鐵由於尺寸效應而產生超順磁(Superparamagnetic)特性，因此奈米氧化鐵可以組成高效率對比試劑輔助水質子產生區辨性影像，然而超順磁性的奈米氧化鐵本身具有毒性，若要應用於人體內必須使奈米氧化鐵生物具生物相容性，因此常以氧化鐵粒子為核心，另外於其表面修飾一些生醫高分子，例如：聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)以及聚氧化乙烯(PEO)，用以改變其表面生物相容性。經表面修飾的奈米氧化鐵必須具有良好的穩定分散性，且必須擁有生物無毒與相容性，如果 奈米氧化鐵於生物體內凝聚而沈澱，容易會在血管或是細微組織中造成堵塞。

目前使磁性顆粒搭載於中空球內所形成的磁性複合中空球，依然存在如下問題：(1)中空球的強度不足而容易崩塌；(2)中空球的大小不足而容易被細胞吞噬；(3)中空球的空間不足而使藥物或汙染物沒有位置可以吸附；(4)磁性顆粒有被細胞吞噬之風險；(5)磁性顆粒有被空氣氧化而形成氧化鐵的問題。研究人員正努力研究出能夠解決上述(1)~(5)的問題的磁性複合中空球。

有鑑於此，本發明提供一種能夠同時解決上述(1)~(5)的問題的磁性中空複合球及其製造方法。

本發明提供一種磁性中空複合球，包括：多孔二氧化矽殼體；二氧化矽保護層，配置於上述多孔二氧化矽殼體的內側表面及外側表面上；以及多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒，分別分布在上述多孔二氧化矽殼體以及上述二氧化矽保護層中。

在本發明的一實施例中，上述金屬顆粒是選自鐵、鈷以及鎳金屬顆粒中的至少一種。

在本發明的一實施例中，上述磁性中空複合球的外徑為100nm~600nm。

在本發明的一實施例中，上述多孔二氧化矽殼體的厚度 為15nm~30nm。

在本發明的一實施例中，上述多孔二氧化矽殼體的平均孔隙度為10nm~20nm。

在本發明的一實施例中，上述磁性中空複合球用作生醫材料。

本發明的磁性中空複合球中，由於金屬顆粒經二氧化矽包覆，可避免金屬顆粒氧化以及團聚，從而可均勻分布在多孔二氧化矽殼體以及二氧化矽保護層中，並且藉由二氧化矽保護層可更避免磁性金屬顆粒氧化以及團聚。此外，本發明藉由將磁性中空複合球中的多孔二氧化矽殼體的厚度以及平均孔隙度設為上述範圍，則可使磁性中空複合球具有足夠的強度，即使經過熱處理，依然可以保持中空球的完整性。除此之外，本發明藉由將磁性中空複合球的外徑設為上述範圍，則當用於藥物載體時可避免被細胞吞噬。

本發明又提供一種磁性中空複合球的製造方法，包括：使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子的步驟；以及將吸附有金屬離子的多孔二氧化矽中空球體、含有矽烷氧化合物的溶液、以及還原劑進行混合，以獲得磁性中空複合球的步驟。

在本發明的一實施例中，更包括準備多孔二氧化矽中空球體的步驟。

在本發明的一實施例中，上述準備多孔二氧化矽中空球體的步驟包括：使含有矽烷氧化合物的溶液在高分子模板上水解 縮合的步驟；以及熱處理的步驟。

在本發明的一實施例中，上述金屬離子是選自鐵、鈷以及鎳離子中的至少一種。

在本發明的一實施例中，上述高分子模板的材質為聚丙烯酸酯。

在本發明的一實施例中，其中上述矽烷氧化合物是選自四甲氧基矽烷及四乙氧基矽烷。

在本發明的一實施例中，上述含有矽烷氧化合物的溶液包含碳數6~18的烷類。

在本發明的一實施例中，上述碳數6~18的烷類為正十二烷。

在本發明的一實施例中，上述還原劑為NaBH₄。

本發明使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子，然後使金屬離子還原成金屬顆粒的同時進行矽烷氧化合物的水解縮合反應以及油水乳化反應，藉此可獲得上述本案特定的磁性中空複合球。除此之外，藉由使用聚丙烯酸酯作為上述高分子模板，並搭配矽烷氧化合物的水解縮合反應，則可製作出多孔二氧化矽殼體的厚度以及平均孔隙度、外徑符合上述範圍的磁性中空複合球。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧磁性中空複合球

110‧‧‧多孔二氧化矽殼體

120‧‧‧二氧化矽保護層

130‧‧‧多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒

140‧‧‧孔洞

150‧‧‧空心部位

圖1是表示本發明之一實施例的磁性中空複合球的結構示意圖。

圖2是表示本發明之一實施例的磁性中空複合球的製造方法的流程圖。

以下搭配圖式詳細說明本發明，在本發明中，所謂磁性中空複合球是指包含磁性金屬以及二氧化矽(多孔)的複合材料的中空球，詳細結構如下所述。

圖1是表示本發明之一實施例的磁性中空複合球的結構示意圖。

請參照圖1，本發明之磁性中空複合球100包括：多孔二氧化矽殼體110；二氧化矽保護層120，配置於上述多孔二氧化矽殼體110的內側表面及外側表面上；以及多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒130，分別分布在多孔二氧化矽殼體110以及二氧化矽保護層120中。在一實施例中，多孔二氧化矽殼體110所包括的孔隙以孔洞140表示。

<多孔二氧化矽殼體>

多孔二氧化矽殼體的厚度並無特別限制，較佳為15nm~30nm。若多孔二氧化矽殼體的厚度設為15nm~30nm，則磁性中空複合球的強度充足，即使經過400℃以上的熱處理也能夠保 持中空球體的完整性。

多孔二氧化矽殼體的平均孔隙度為10nm~20nm，將本發明之磁性中空複合球用於生醫材料的藥物載體或吸附材料時，有足夠的表面積與活性，有利藥物傳輸或汙染物吸附。

<二氧化矽保護層>

二氧化矽保護層配置於多孔二氧化矽殼體的內側表面及外側表面上，藉此可保護分布在多孔二氧化矽殼體以及二氧化矽保護層中的金屬顆粒。二氧化矽保護層的厚度只要能夠包覆金屬顆粒，則可視需要而適宜選擇。

<多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒>

多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒中的金屬顆粒是選自鐵、鈷以及鎳金屬顆粒中的至少一種，因此本發明所述的磁性中空複合球具有磁性，可應用於與磁性相關的領域。就磁性特性優異的觀點而言，金屬顆粒較佳為鐵顆粒。此外，金屬顆粒的粒徑並無特別限制，較佳為奈米級的粒徑。雖然磁性奈米金屬顆粒相當容易氧化而使其磁性降低，但是由於本發明之金屬顆粒分別經二氧化矽包覆，因此不會氧化而使其磁性降低，也不會團聚而對其應用造成影響。

<磁性中空複合球>

磁性中空複合球的外徑較佳為100nm~600nm。若磁性中空複合球的外徑為100nm以上，則將本發明之磁性中空複合球用於生醫材料的藥物載體或吸附材料時，可避免磁性中空複合球 被細胞吞噬的問題，而且具有足夠的腔體空間來儲存藥物或吸附物。

本發明的磁性中空複合球中，由於金屬顆粒吸附於多孔二氧化矽殼體，並經二氧化矽包覆，可避免金屬顆粒氧化以及團聚，從而可均勻分布在多孔二氧化矽殼體以及二氧化矽保護層中，並且藉由二氧化矽保護層可更避免磁性金屬顆粒氧化以及團聚。此外，本發明藉由將磁性中空複合球中的多孔二氧化矽殼體的厚度以及平均孔隙度設為上述範圍，則可使磁性中空複合球具有足夠的強度，即使經過熱處理，依然可以保持中空球的完整性，當用於生醫材料的藥物載體或吸附材料時，有足夠的表面積與活性，有利藥物傳輸或汙染物吸附。除此之外，本發明藉由將磁性中空複合球的外徑設為上述範圍，則當用於藥物載體時可避免被細胞吞噬。

本發明之磁性中空複合球由於具有上述功效，而可應用於例如環境工程之觸媒載體、吸附材料；生醫工程之藥物載體、藥物磁導引、磁滯熱療、核磁共振成像；能源科技之燃料電池的觸媒載體、染料敏化太陽能電池中的半導體氧化物與有機染料分子的載體；磁流體密封技術等。

本發明所述的磁性中空複合球的製造方法包括：使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子的步驟；以及將吸附有金屬離子的多孔二氧化矽中空球體、含有矽烷氧化合物的溶液、以及還原劑進行混合，以獲得磁性中空複合球的步驟。本發明並不限於此， 在一實施例中，更包括準備多孔二氧化矽中空球體的步驟。在另一實施例中，準備多孔二氧化矽中空球體的步驟包括：使含有矽烷氧化合物的溶液在高分子模板上水解縮合的步驟；以及熱處理的步驟。此處，多孔二氧化矽中空球體是指圖1所示的磁性中空複合球100中的包括多孔二氧化矽殼體110以及空心部分150的部位。

圖2是表示本發明之一實施例的磁性中空複合球的製造方法的流程圖。請參照圖2，本發明所述的磁性中空複合球的製造方法包括：準備多孔二氧化矽中空球體的步驟S1；使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子的步驟S2；以及將吸附有金屬離子的多孔二氧化矽中空球體、含有矽烷氧化合物的溶液、以及還原劑進行混合，以獲得磁性中空複合球的步驟S3。以下將更詳細說明上述步驟。

<步驟S1>

在步驟S1中，可以使用公知的多孔二氧化矽中空球體，只要其外徑、殼體厚度以及平均孔隙度落在上述範圍中，則皆可用於本發明。此外，也可以自行製備多孔二氧化矽中空球體。製備多孔二氧化矽中空球體的方法並無特別限定，只要所製備出來的多孔二氧化矽中空球體的外徑、殼體厚度以及平均孔隙度落在上述範圍中，則並無特別限定。

在製備多孔二氧化矽中空球體的方法中，較佳為包括如下步驟的製備方法：使含有矽烷氧化合物的溶液在高分子模板上 水解縮合的步驟；以及熱處理的步驟。在一實施例中，將含有具有水解縮合能力的矽烷氧化合物的溶液加到具有高分子模板的溶液中，然後使矽烷氧化合物在高分子模板上水解縮合，之後在規定溫度下進行煆燒來移除高分子模板，藉此製備出多孔二氧化矽中空球體A。

高分子模板的材質只要是酯類皆可使用，但就可製備出外徑、殼體厚度以及平均孔隙度落於上述範圍的多孔二氧化矽中空球體的觀點而言，高分子模板較佳為聚丙烯酸酯。

具有水解縮合能力的矽烷氧化合物例如是四甲氧基矽烷、四乙氧基矽烷等。使含有矽烷氧化合物的溶液水解縮合的方法並無特別限定，可使用公知的矽烷氧化合物的水解縮合方法。

熱處理的溫度並無特別限制，就高分子模板的移除性的觀點而言，較佳為400℃以上。

本發明藉由在步驟S1中添加碳數6~18的烷類(孔洞形成劑)，而在所製備出的多孔二氧化矽中空球體的殼體形成孔洞，藉此調整多孔二氧化矽中空球體的平均孔隙度。在一實施例中，將含有具有水解縮合能力的矽烷氧化合物的溶液以及碳數6~18的烷類加到具有高分子模板的溶液中，而使矽烷氧化合物水解縮合，之後在規定溫度下進行煆燒來移除高分子模板，藉此製備出多孔二氧化矽中空球體B。以此方式獲得的多孔二氧化矽中空球體B與上述多孔二氧化矽中空球體A相比，多孔二氧化矽中空球體B的平均孔隙度大於多孔二氧化矽中空球體A的平均孔隙度。 此外，藉由調整碳數6~18的烷類的種類及含量，可使所獲得的多孔二氧化矽中空球體B的平均孔隙度變化，進而控制多孔二氧化矽中空球體的平均孔隙度。碳數6~18的烷類例如為正十二烷。

<步驟S2>

在步驟S2中，使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子的方式並無特別限制，較佳為將多孔二氧化矽中空球體浸泡在含有金屬鹽的溶液而使其吸附金屬離子。

金屬離子是選自鐵、鈷以及鎳離子中的至少一種。就磁性特性優異的觀點而言，金屬離子較佳為鐵離子。金屬鹽是視所欲吸附的金屬離子的種類而適宜選擇，例如是硝酸鐵、硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鈷、硫酸鈷、氯化鈷、硝酸鎳、硫酸鎳、氯化鎳等。氯化鐵、氯化鈷以及氯化鎳由於容易殘留在多孔二氧化矽中空球體不易去除乾淨而較不理想。

<步驟S3>

在步驟S3中，將吸附有金屬離子的多孔二氧化矽中空球體、含有矽烷氧化合物的溶液、以及還原劑進行混合會產生至少三種反應，分別為金屬離子還原成金屬顆粒的還原反應、矽烷氧化合物的水解縮合反應、油水乳化反應。

還原劑只要是能使上述金屬離子還原成金屬顆粒，則並無特別限制，較佳為NaBH₄。

含有矽烷氧化合物的溶液並無特別限制，只要是能夠產生矽烷氧化合物的水解縮合反應以及油水乳化反應，則可適宜選 擇。詳細而言，為了使矽烷氧化合物的水解縮合，在含有矽烷氧化合物的溶液中必須添加可以使矽烷氧化合物的水解縮合的成分；為了產生乳化反應，在含有矽烷氧化合物的溶液中必須添加有油相以及水相的成分。在步驟S3中的含有矽烷氧化合物的溶液中亦可包含上述碳數6~12的烷類作為油相成分。

在步驟S3中，由於還原反應，金屬離子會被還原成金屬顆粒，藉此形成金屬顆粒；由於油水乳化反應以及多孔二氧化矽中空球的親水特性，金屬離子的還原反應會被限制在多孔二氧化矽中空球體內，藉此不會有多餘的金屬顆粒夾雜於所獲得的磁性中空複合球之間，可降低金屬顆粒因分散於磁性中空複合球之間而被細胞吞噬之風險。此處，若是以單一水相進行金屬的還原反應，則會得到許多難以分離的金屬顆粒，此對磁性中空複合球往後的應用有很大的不良影響。除此之外，由於矽烷氧化合物的水解縮合反應而在多孔二氧化矽殼體的內側表面及外側表面上形成二氧化矽保護層，並且形成包覆金屬顆粒的二氧化矽，結果在多孔二氧化矽殼體以及二氧化矽保護層中形成多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒。這些金屬顆粒由於被二氧化矽包覆而不會氧化，也不會與其他金屬顆粒團聚，因此能夠均勻地分布在多孔二氧化矽殼體以及二氧化矽保護層中。

本發明之磁性中空複合球的製造方法藉由使多孔二氧化矽中空球體吸附金屬離子，然後使金屬離子還原成金屬顆粒的同時進行矽烷氧化合物的水解縮合反應以及油水乳化反應，而可獲 得上述本案特定的磁性中空複合球。除此之外，藉由使用聚丙烯酸酯作為上述高分子模板，並搭配矽烷氧化合物的水解縮合反應，則可製作出多孔二氧化矽殼體的厚度以及平均孔隙度、外徑符合上述範圍的磁性中空複合球。

以下以具體實施例更詳細說明本發明。

實施例

<準備多孔二氧化矽中空球體>

首先將2.4g聚丙烯酸(polyacrylic acid,PAA)溶解在36.5ml的氨水中攪拌30分鐘後，加入730ml的無水乙醇攪拌40分鐘，形成高分子模板溶液。接著，以每兩小時3ml的速度將15ml的四乙氧基矽烷(Tetraethyl Orthosilicate,TEOS)加入高分子模板溶液後，使其反應2小時。之後，加入2.83ml的氨水，再攪拌8小時，使其在高分子模板上進行水解縮合反應。反應後經過乙醇清洗兩次後，並經減壓濃縮乾燥後，製得多孔二氧化矽中空球體A’。由低倍率與高倍率之穿透式電子顯微鏡(TEM)影像可發現，所製得的多孔二氧化矽中空球體A’的外徑約250nm~400nm，殼厚約25nm~35nm。經BET比表面積量測儀分析得到的多孔二氧化矽中空球體A’的平均孔隙度約為10nm。

<多孔二氧化矽中空球體的平均孔隙度的調整>

首先將0.8g PAA溶解在12ml的氨水中攪拌30分鐘後，加入240ml的無水乙醇攪拌40分鐘，形成高分子模板溶液。接著，以每兩小時2.2ml的速度將8ml的TEOS與3.12ml正十二烷的 混合溶液加入高分子模板溶液後，反應2小時。之後，加入1.5ml的氨水，再攪拌4小時，使其在高分子模板上進行水解縮合反應，反應後經過乙醇清洗兩次後，並經減壓濃縮乾燥後，製得多孔二氧化矽中空球體B’。由低倍率與高倍率之TEM影像可發現，所製得的多孔二氧化矽中空球體B’的外徑約300nm，殼厚約50nm。經BET比表面積量測儀分析得到的多孔二氧化矽中空球體B’的平均孔隙度約為20nm。

此外將清洗過後的上述多孔二氧化矽中空球體，進行400℃/3h的煆燒後，由低倍率與高倍率之TEM影像可發現，煆燒後的多孔二氧化矽中空球體依然完整。

<製備磁性中空複合球>

首先將0.045g的經過400℃熱處理的多孔二氧化矽中空球體分散在1.2ml水和4.8ml無水乙醇的混合溶液中，超音波震盪30分鐘後，加入4ml鐵離子水溶液，並使用超音波震碎機，震盪5分鐘後，將此溶液轉換到超音波洗淨機持續震盪6小時，其間每兩小時使用超音波震碎機，震盪5分鐘，得到吸附有鐵離子的多孔二氧化矽中空球體水溶液。之後用減壓濃縮機移除溶劑後，在10ml的正十二烷油相中分散，並震盪15分鐘，分別加入微量的TEOS與5ml乙醇，各別震盪1分鐘後，加入2ml的0.2M NaBH₄水溶液，震盪5分鐘，將鐵離子還原。最後使用乙醇將產物清洗兩次後，製得Fe顆粒經SiO₂包覆的磁性複合中空球。將此磁性複合中空球分散於水溶液中，以磁鐵偵測其磁性，結果表 現具有良好磁吸效應。此外，從高倍率之TEM影像中可發現，經SiO₂包覆的鐵顆粒均勻地分散於中空球中。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧磁性中空複合球

110‧‧‧多孔二氧化矽殼體

120‧‧‧二氧化矽保護層

130‧‧‧多個經二氧化矽包覆的金屬顆粒

140‧‧‧孔洞

150‧‧‧空心部位

Claims (10)

1. 一種磁性中空複合球，包括：多孔二氧化矽殼體；二氧化矽保護層，配置於上述多孔二氧化矽殼體的內側表面及外側表面上；以及多個經二氧化矽包覆的磁性金屬顆粒，分別分布在上述多孔二氧化矽殼體以及上述二氧化矽保護層中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性中空複合球，其中上述磁性金屬顆粒是選自鐵、鈷以及鎳磁性金屬顆粒中的至少一種。
3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性中空複合球，其外徑為100nm~600nm。
4. 如申請專利範圍第1項所述的磁性中空複合球，其中上述多孔二氧化矽殼體的厚度為15nm~30nm。
5. 一種磁性中空複合球的製造方法，包括：使多孔二氧化矽中空球體吸附磁性金屬離子的步驟；以及將吸附有上述磁性金屬離子的上述多孔二氧化矽中空球體、含有矽烷氧化合物的溶液、以及還原劑進行混合，以獲得磁性中空複合球的步驟。
6. 如申請專利範圍第5項所述的磁性中空複合球的製造方法，更包括：使含有矽烷氧化合物的溶液在高分子模板上水解縮合的步驟；以及熱處理的步驟。
7. 如申請專利範圍第6項所述的磁性中空複合球的製造方 法，其中上述高分子模板的材質為聚丙烯酸酯。
8. 如申請專利範圍第5項所述的磁性中空複合球的製造方法，其中上述磁性金屬離子是選自鐵、鈷以及鎳離子中的至少一種。
9. 如申請專利範圍第5項所述的磁性中空複合球的製造方法，其中上述矽烷氧化合物是選自四甲氧基矽烷及四乙氧基矽烷。
10. 如申請專利範圍第5項所述的磁性中空複合球的製造方法，其中上述含有矽烷氧化合物的溶液包含碳數6~18的烷類。