《用于基因治疗的纳米二氧化硅材料的合成与制备教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于基因治疗的纳米二氧化硅材料的合成与制备教材（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品A类北京化工大学第八届“萌芽杯”参赛作品A类作品名称：用于基因治疗的纳米二氧 化硅材料的合成与制备 类别（综述类/实验类）： 实 验 类指导教师： 负 责 人： 联系方式： 年 月 日目 录目 录3第1章 实验原理部分5第1.1节 纳米二氧化硅的合成5第1.2节 聚合物合成61. 2. 1 硅烷偶联剂原理61. 2. 2 ATRP（原子转移自由基聚合）反应7第2章 实验部分8第2.1节 实验试剂与器材82. 1. 1 实验试剂82. 1. 2 实验器材92. 1. 3 表征仪器9第2.2节 实验步骤92. 2. 1 制备二氧化硅纳米球92. 2. 2 用二氧
2、化硅纳米球进行ATRP反应合成聚合物92. 2. 3 制备二氧化硅纳米螺旋管92. 2. 4 用螺旋管进行ATRP反应合成聚合物9第3章 结果与讨论10第3.1节 表面活性剂模板法合成纳米二氧化硅103. 1. 1 二氧化硅纳米球的合成103. 1. 2 二氧化硅螺旋管的合成11第3.2节 聚合物的合成11结论11致谢11用于基因治疗的纳米二氧化硅材料的合成与制备摘 要：本实验采用表面活性剂模板法，以正硅酸四乙酯（TEOS）为硅源，和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作用，成功合成出二氧化硅纳米球，并进行表面改性，再进行原子转移自由基聚合（ATRP）阳离子多聚物，并作为基因表达载体，可
3、用于基因治疗。在三嵌段共聚物F127和阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）复配体系中，以HCl作为催化剂，利用TEOS作为硅源进行水解合成了螺旋状中孔SiO2 ，并初步探究F127、CTAB、HCl和TEOS的浓度对产物的形貌的影响。关键词：纳米二氧化硅材料；表面活性剂；原子转移自由基聚合；硅烷偶联剂；基因载体引言：纳米技术是21世纪发展起来的新学科，由于纳米材料尺寸介于11000nm，十分小，因此具有独特表面、界面效应，使它广泛运用到各领域1。在生物工程领域，由于人体细胞直径一般在20m-30m范围内，细胞核一般为7m。因此若以纳米材料构建目的基因载体，并导入细胞细胞核将拥有良
4、好的生物相容性。 基因载体有很多种，可分为病毒载体和非病毒载体，其中非病毒载体安全性好，但其效率差，但是靶向性的脂质体、靶向性的多聚物，以及脂质/多聚物/DNA复合物等新产品的出现，结合电脉冲、超声等新技术，明显提高了导入效率和靶向性，成为重要的发展方向2。阳离子多聚物是一种重要的非病毒载体。由于DNA带负电，利用带正电荷的多聚物与DNA之间的电荷相互作用，与DNA形成稳定的多聚复合物，使得DNA不易被核酸酶降解。可通过跑胶等实验来检验聚合效果。形成的多聚复合物可与细胞表面带负电的受体结合，从而有效地被内吞摄入介导基因转移3。本实验将采用ATRP（原子转移自由基聚合）反应对SiO2表面进行修饰
5、，接枝上阳离子多聚物，从而成为基因载体。 正文 第1章 实验原理部分第1.1节 纳米二氧化硅的合成目前纳米材料的制备方法有很多, 依据制备过程中反应物料状态可分为固相法液相法和气相法三大类, 也可以根据是否发生化学反应分为物理和化学方法两大类。模板合成法是一种新发展起来的纳米结构材料的制备方法4.。模板法又可分为硬模板法和软模板法。而表面活性剂模板法也叫微乳液法, 这是纳米材料合成中应用十分广泛的一种方法，特别是应用于合成介孔纳米材料5。本实验就是采用表面活性剂模板法合成介孔纳米二氧化硅材料。实验原理如图1-1。本实验采用的硅源是TEOS（正硅酸四乙酯），使用的表面活性剂是CTAB（十六烷基三
6、甲基溴化铵）。首先TEOS水解成硅酸盐，然后在该体系中带负电的硅酸盐与阳离子型表面活性剂CTAB之间通过静电作用形成自组装硅酸盐胶束，在NaOH环境下便可得到了六方中孔SiO2纳米球。在氨水环境下，添加表面活性剂F127（PEO基三嵌段共聚物EO106PO70EO106）可得到六方中孔SiO2纳米棒，当氨水浓度降低，也可得到六方中孔SiO2纳米球。其中氨水作用是调控硅酸盐纳米胶束的长度。F127仅在控制产物的形貌方面起作用，非离子型表面活性剂F127围绕在SiO2和CTAB共组合体的周围使产物轴径比变小6、7。 图1-1 表面活性剂法合成纳米二氧化硅的机理图 当将环境改成HCl时，加入F127
7、，便可生成螺旋状的纳米颗粒8。第1.2节 聚合物合成1. 2. 1 硅烷偶联剂原理 偶联剂是目前应用最广泛的表面改性剂。硅烷偶联剂是最具代表性的偶联剂，它对表面具有羟基的无机粒子最有效，非常适合纳米SiO2的表面改性9。硅烷偶联剂可在无机材料和有机材料的界面之间架起“分子桥”，能把两种性质悬殊的材料连接起来。其通式为：Y-R-SiX3 。其中Y是可以和有机化合物起反应的基团，如：乙烯基、氨基、环氧基、疏基等。R是短链烷撑基，起到连接Y和Si的作用。X是可进行水解并生成Si-OH的基团，如烷氧基、乙酰氧基、卤素等10。由于SiO2表面是含有大量羟基的，可与硅烷偶联剂X部分反应11。本实验采用的硅
8、烷偶联剂为KH-550（氨丙基三乙氧基硅烷HN3-(CH2)3-Si-(OC2H5)3）,其反应机理如图1-2所示。 图1-2 KH-550对纳米二氧化硅表面改性机理 1. 2. 2 ATRP（原子转移自由基聚合）反应ATRP反应以简单的有机卤化物为引发剂，以过渡金属配合物为卤原子载体，通过氧化还原反应，在活性种与休眠种之间建立可逆的动态平衡，从而实现对聚合反应的控制。其机理如图1-3所示。 图1-3 ATRP反应机理图过渡金属化合物通过氧化还原过程从有机卤化物“提取”卤原子，产生氧化物种和自由基R。接着自由基R和烯烃M 反应，生成自由基RM，即为活性种。RM与反应，得到目标产物RMx，同时过
9、渡金属被还原为，可以再次引发新轮的反应。由 催化的氧化还原过程，能使体系有效地保持一个很低的自由基浓度，从而大大减少自由基间的终止反应。聚合物卤化物可与进行原子转移反应，生成有引发活性的自由基也为活性种，进行链增长反应，生成新的自由基，再和反应生成相应的卤化物，而卤化物则不能和单体发生增长反应，这就是ATRP的反应机理12-15。本实验用的为CuBr与BPY（2，2-联吡啶）的络合物，烯烃M为DMAEWA(H2C=C(CH3)-COO-CH(CH3)-N(CH3)2)。要在二氧化硅表面进行ATRP反应，就要先在二氧化硅表面先接上溴，用来作引发剂。本实验通过硅烷偶联剂KH550（氨丙基三乙氧基硅
10、烷），已经在SiO2表面接上氨基生成SiO2-NH3，SiO2-NH3中的氨基再和BIBB（2-溴异丁酰溴）的酰溴发生亲核取代反应，脱去HBr,生成SiO2-Br，即使SiO2表面接上溴了16。然后再进行ATRP反应。其反应过程如图1-4所示。 图1-4 聚合物合成过程示意图第2章 实验部分第2.1节 实验试剂与器材2. 1. 1 实验试剂 CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）：SIGMA； F127（PEO基三嵌段共聚物EO106PO70EO106）：SIGMA； TEOS（正硅酸四乙酯）：98%，萨思化学技术（上海）有限公司； NaOH（分析纯，不少于96.0%）:北京化工厂； 浓盐酸（36.
11、0%-38.0%）：北京益利精细化学品有限公司； 溴化亚铜（CuBr）：99%，Alfa Aesar； 甲醇：99.5%，北京现代东方精细化学品有限公司（北京现代东方）； BIBB（2-溴异丁酰溴）：96%，梯希爱(上海）化成工业发展有限公司； KH550（氨丙基三乙氧基硅烷）：安耐吉； 甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯（DMAEMA）：98+%，梯希爱(上海）化 成工业发展有限公司； 实验用水为去离子水。2. 1. 2 实验器材 50mL烧杯，250mL烧瓶，移液枪（20-200L,100-1000L,1-5mL），称量 纸，离心管，振荡器，鼓风干燥箱，马弗炉，氮气瓶 电子天平：AL104、
12、PL203型，梅特勒-托科多仪器（上海）有限公司 集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101K，郑州恒岩仪器有限公司 离心机：3K15型，SIGMA 冷冻干燥机：LGJ-12型，北京松源华兴科技发展有限公司 落射荧光显微镜:XSY-1型,重庆光学仪器厂2. 1. 3 表征仪器SEM（扫描电镜），TEM(透射电镜），HRTEM(高分辨透射电镜)，XRD（X射线衍射）第2.2节 实验步骤2. 2. 1 制备二氧化硅纳米球 分别称取适量的CTAB、水、NaOH及TEOS组成反应液（c（CTAB）=5.62mM；c（NaOH）=14mM；c（TEOS）=0.046mM）。恒温50，不断搅拌，反应2h。反应
13、结束后，离心三遍，转速3000r/min，每次20min。2. 2. 2 用二氧化硅纳米球进行ATRP反应合成聚合物（1） 以乙醇和水为溶剂，加入适量纳米SiO2球，再加入300L KH550。反应12h。然后130固化3h。（2） 取适量的SiO2-NH3，溶于二氯甲烷溶剂中，加入等量的BIBB和三乙胺，反应3h，再用水与甲醇洗三次，然后真空干燥。（3）量取3mL水、2mL甲醇、2mLDMAEMA，加入适量的SiO2-Br再一质量比为2:1加入BPY和溴化亚铜，再加入溴化亚铜前先排气10min，再在30下反应20分钟。反应后，透析，冻干。2. 2. 3 制备二氧化硅纳米螺旋管 分别称取适量的
14、CTAB、水、F127、盐酸，依次加入烧瓶内，恒温搅拌均匀，再加入TEOS，搅拌10s，恒温反应8h。反应结束后，离心三遍，转速3000r/min,每次5min。在60下干燥。共做了六组。CTAB浓度F127浓度HCl浓度TEOS浓度备注方案一17.5mM0.391mM1.68M67mM+20%F127方案二17.5mM0.32mM1.68M67mM文献值方案三17.5mM0.352mM1.68M67mM+5%F127方案四17.5mM0.336mM1.68M67mM+10%F127方案五8.25mM0.176mM1.68M33.5mM相对于方案三CTAB、F127、TEOS减半方案六13.13mM0.264mM1.68M50.3mM相对于方案三CTAB、F127、TEOS降为75%2. 2. 4 用螺旋管进行ATRP反应合成聚合物 未完待续第3章 结果与讨论第3.1节 表面活性剂模板法合成
