[发明专利]一种Fe3O4@SiO2磁性单孔中空微球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机中空微球及其制备方法，具体涉及一种壳壁具有大单孔的Fe₃O₄@SiO₂中空微球及其制备方法。

背景技术

磁性纳米材料在工业、生物医学、电子信息等领域都具有其独特的应用价值。在生物医学领域，磁性纳米材料的应用范围包括了靶向药物载体、磁热疗、细胞筛选分离、磁性共振造影、免疫分析，磁颗粒的放射免疫标记等。其中，Fe₃O₄磁性纳米晶具有无毒，体内可降解代谢，在磁场下可方便的操控等优点，已被广泛用于生物医学研究。将磁性纳米粒子与高分子或无机氧化物复合可形成磁性微球。与磁性纳米粒子相比，磁性微球在磁场下的响应性更快，更易与生物活性物质的偶联以及具有更好的环境相容性与稳定性，这些优点使得磁性微球获得了广泛的应用。

为了适用于不同领域的要求，需要对磁性微球的结构进行合理的设计和构造。中空结构的磁性微球是指一类尺寸在纳米到微米量级，具有内部空腔的球壳型磁性材料。这种结构使得材料具有大的内部空腔，可以装载活性分子或药物，用于药物或生物活性分子的包埋和可控输运与释放，在生物科学和医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。为了提高物质进出中空微球的质量传输效率，通常需要在壳壁上构建孔结构。微孔（小于2 nm）和介孔(2～20 nm)中空微球适用于小分子的担载与释放，而对于大分子，如蛋白、聚合物以及纳米颗粒的担载与释放，则大孔(大于20 nm)中空微球更适合。根据孔数量多少，大孔中空微球可以分为两类：大通孔中空微球和单孔中空微球。大通孔中空微球是指壳壁上具有多个大孔，微球具有类似笼状结构的一类微球。这种笼状结构有利于大分子物质的进出，但当壳壁较薄时，由于多个大孔的存在，壳壁容易破碎，微球机械强度小。大单孔中空微球是指一类在壳壁上仅有一个大孔的中空微球。这种结构特征保证了大分子进出中空微球具有很高的质量传输效率，此外，在相同的壁厚条件下，此结构比大通孔中空微球具有更好的机械强度。可以预见，这类具有单孔中空结构的磁性微球可以作为一种载体材料，用于生物大分子的担载和靶向控释，将在生物医学领域中得以应用。

具有单孔中空结构的磁性微球仅有几篇文献报道。DongEn Zhang （Materials Letters 2008, 62, 4053–4055），Fangqiong Tang（J. of Colloid and Interface Science 2005, 281, 432–436），以及Dabin Yu（J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21667-21671）等人都报道了具有单孔中空结构的Fe₃O₄微球的制备。所报道的微球是有小尺寸的Fe₃O₄纳米粒子聚集形成的，虽然有部分微球具有单开口结构，但从文献提供的SEM以及TEM照片看，单开口微球所占比例不高。此外，微球由纯Fe₃O₄纳米粒子组成，表面并未有无机或有机材料包裹。由于Fe₃O₄纳米粒子化学性质不太稳定，容易在酸性溶液中溶解且容易氧化而转变为磁性弱的氧化铁。因此，将磁性纳米粒子包埋在化学性质稳定、生物相容性良好的材料中更有利于磁性微球的应用。Henghui Zhou 等人报道（Journal of Alloys and Compounds 2012，521，39- 44）通过水热方法联合碳热还原过程制备了Fe₂O₃-C单开口中空微球，这种微球是由大约20 nm的Fe₂O₃纳米粒子组装而成，并在表面覆盖了一层无定形的碳壳层，然后在氮气气氛下煅烧将此结构的微球转变为Fe₃O₄-C微球。这种方法制备的Fe₂O₃-C微球尺寸约2微米，单孔尺寸约70 nm。微球尺寸较均匀，团聚程度低。然后，转变为Fe₃O₄-C微球之后，其形貌由明显变化，尺寸变小，表面变粗糙且团聚明显。这种方法虽然可以制备具有单孔中空结构的磁性微球，但所得到的产物仍有明显的不足，比如α-Fe₂O₃的磁性很弱，而Fe₃O₄-C微球团聚较严重。Hyun Chung等人（Small 2009, 5, 324–328）采用乳液法制备壳壁内包埋超顺磁Fe₃O₄纳米粒子和荧光量子点的单孔SiO₂中空微球。这种方法制备的微球具有较好的均匀性，但壳层内不仅具有Fe₃O₄纳米粒子，同时还具有荧光量子点。且从文献提供的TEM照片中可以发现，此微球的空腔部分所占微球比例很小。若以此微球作为载体担载功能材料，不利用获得高担载量。