北科大杜鑫、张美芹教授 ACS Nano：单胶束受限组装构建具有可控多尺寸孔和不对称蛋黄@壳结构的聚多巴胺@二氧化硅纳米复合粒子

2024-10-01 来源：高分子科技

具有可调结构、空间和化学特异性的中空纳米粒子被认为是前景广阔的载体。然而，赋予空心纳米粒子精确控制的多尺寸大孔/介孔结构仍然是一个艰巨的挑战。本文展示了一种聚多巴胺（PDA）膨胀-收缩策略结合单胶束界面受限组装方法，实现了一系列具有多尺寸孔和蛋黄@壳（yolk@shell）结构的PDA@SiO₂复合纳米粒子的可控制备。通过调整反应温度，可以在15.4～86.5 nm的范围内系统地调控狭缝孔的平均孔径。得益于不对称结构和多级孔隙率等优点，它们在双尺寸货物的按需负载、双驱动纳米马达以及粒子尺寸选择性封装和分离的应用中表现出优异的性能。这些发现为构建具有可调多尺寸孔隙的不对称yolk@shell结构提供了灵感，适用于生物与化学等广泛的应用。

近年来，具有集成功能和可控结构的核壳多孔纳米粒子因其优异的物理化学性能而受到越来越多的关注。yolk@shell纳米粒子具有孔径可调、负载能力强、比表面积高、核壳功能集成等特点。通过选择特定的组分作为核和壳制备的yolk@shell纳米粒子在催化、微反应器、药物输送、化学传感器、能源和环境、微纳米马达等领域具有重要的应用价值。迄今为止，在设计多功能yolk@shell纳米粒子方面已经取得了很大的进展。然而，目前报道的这些yolk@shell纳米粒子的外壳孔径单一，大多数孔径小于20 nm。外壳中的孔径决定了客体的质量扩散、化学修饰和封装。小的介孔限制了客体大分子或纳米粒子在中空腔中的负载。为了实现双尺寸货物的装载，甚至是功能性纳米粒子的捕获，通常要求材料具有足够数量的大孔隙作为传输通道，使其具有良好的渗透性，但过多大孔隙的存在会使材料存在易碎和韧性变弱的问题。因此，在yolk@shell的外壳中整合多尺寸孔隙对其在许多领域的应用至关重要。

近期，北京科技大学化生学院杜鑫和张美芹教授团队开发了一种简单、绿色且温和的方法用于制备具有不对称yolk@shell结构（核心锚定到多尺寸孔壳层）和壳中多尺寸大孔/介孔的PDA@SiO₂复合纳米粒子。利用PDA@CTAC复合微球的受控膨胀-收缩策略与单胶束界面受限组装方法相结合来实现其受控制备。在典型的方法中，以PDA微球为核，以三乙醇胺（TEA）为碱催化剂，十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）为模板和连接剂，以正硅酸四乙酯（TEOS）为二氧化硅前驱体，通过调节反应温度实现对SiO₂壳层中狭缝孔尺寸的调控。由于具有中空和多尺寸孔结构，PDA@SiO₂纳米粒子可用于双尺寸货物（阿霉素（DOX）和铁蛋白（Ft））的共负载。此外，通过改变货物的负载顺序，可以很容易地按需调节两种货物的负载比例。特别是，他们测试了不同尺寸的功能性模型粒子（如AuNPs和PtNPs等）的封装。有趣的是，合成的PDA@SiO₂可实现对具有特定尺寸纳米粒子的尺寸选择性捕获。由于不对称分布的PDA（锚定在壳上的PDA）的优异光热特性和PDA中PtNPs的选择性负载构建了近红外（NIR）光和过氧化氢（H₂O₂）双驱动的纳米马达。由于高效的自主微混合能力和多尺寸孔结构，双驱动纳米马达可用于增强双尺寸模型粒子的分离（AuNPs为15 nm，PtNPs为5 nm）。该工作以“Construction of Yolk@shell Nanocomposite Particles with Controlled Multisized Pore Structures by Monomicelle Confined Assembly”为题发表在《ACS Nano》上。文章第一作者是北京科技大学化生学院王志明博士。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

图 1.具有不对称yolk@shell和多尺寸孔结构的PDA@SiO₂纳米复合粒子的制备示意图。

具有不对称yolk@shell和多尺寸孔结构的PDA@SiO₂纳米复合纳米粒子的合成过程如图1所示。在典型的方法中，以PDA微球为核，以三乙醇胺（TEA）为碱催化剂，十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）为模板和连接剂，以正硅酸四乙酯（TEOS）为二氧化硅前驱体，通过调节反应温度实现对SiO₂壳层中狭缝孔尺寸的调控。首先，采用多巴胺氧化自聚合的方法，室温下，在于水、乙醇和氨的混合物中合成了粒径约为326 nm的PDA微球。由于极性和静电作用，CTAC分子被吸附在PDA微球表面。在高温作用下，PDA@CTAC复合微球会吸收溶液中的水分子，发生可逆溶胀。然后，溶液中的部分二氧化硅低聚物和CTAC胶束在溶胀的PDA微球表面进行自组装，形成了由小尺寸介孔SiO₂半球组成的二氧化硅壳。同时，较高的温度也促进了另一部分二氧化硅低聚物和CTAC胶束的自成核反应。由于二氧化硅低聚物的化学势较高，聚合反应继续进行。结果，半球形二氧化硅不断生长，并消耗掉了周围的二氧化硅低聚物。这就在二氧化硅外壳上形成了尺寸较大的不规则无序狭缝孔。当反应温度降低时，由于PDA核的收缩，在二氧化硅外壳上形成了具有较大空腔的yolk@shell PDA@SiO₂。最后，通过溶剂萃取去除CTAC模板，得到PDA@SiO₂纳米粒子。

图 2. 在不同CTAC溶液体积（mL）下合成的60-PDA@SiO₂-V的SEM和TEM图像：(a) 0.1、(b) 0.2和(c) 0.3。(d)加入不同重量TEA的PDA微球（36 mL，0.83 mg/mL）的Zeta电位。(e)在不同体积的CTAC溶液中加入52 mg TEA的PDA微球（36 mL，0.83 mg/mL）的Zeta电位。60-PDA@SiO₂-V(f)萃取前和(g)萃取后的Zeta电位。(h)不同浓度CTAC下PDA@CTAC复合微球的结构示意图。

在60 °C的反应温度下，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）研究了CTAC含量对PDA@SiO₂结构和形态的影响。图2a,b表明，将CTAC溶液的添加量从0.1 mL增加到0.2 mL，SiO₂外壳的结构就会从光滑的实心（无孔）表面转变为粗糙的多孔表面。然而，随着CTAC溶液添加量进一步增加到0.3 mL，制备的yolk@shell PDA@SiO₂纳米粒子的结构没有发生明显变化（图 2c）。为了验证PDA@SiO₂的形成过程，他们测试了不同反应物和产物的zeta电位。如图2d所示，去离子水中PDA的表面电荷为-18.2 mV。在上述溶液中加入26 mg TEA后，PDA的表面电荷急剧下降至-44.5 mV。随着TEA含量进一步增加到52 mg，PDA的表面电荷仅略有下降。接下来，他们研究了不同含量的CTAC在PDA（含52 mg TEA）表面的吸附和重组过程。图2e显示，当加入0.1 mL CTAC时，PDA@CTAC复合微球的表面电荷为+32.2 mV。当加入0.2 mL CTAC时，PDA@CTAC复合微球的表面电荷急剧增加到+52.7 mV。这是由于在弱碱性环境中，PDA表面带有更多的负电荷，可以吸附带正电荷的CTA⁺，被吸附的表面活性剂离子与本体溶液中表面活性剂离子的疏水基团相互作用。因此，CTAC双层膜胶束的形成反转了PDA的表面电荷。当添加CTAC的体积进一步增加到0.3 mL时，PDA@CTAC复合胶束的表面电荷仅略有增加。如图2f所示，测试了萃取CTAC之前PDA@SiO₂的表面电荷。当加入CTAC溶液的体积为0.1 mL时，PDA@SiO₂的表面电荷为-14.7 mV。大部分添加的CTAC被吸附在PDA表面，几乎没有CTAC参与壳层的组装。因此，在PDA表面生长出了无孔的SiO₂壳层。当CTAC的添加量从0.2 mL增加到0.3 mL时，PDA@SiO₂的表面电荷从+7.0 mV增加到+14.4 mV。这表明，当CTAC的浓度较高时，一部分CTAC吸附在PDA表面，成为PDA和SiO₂之间的连接剂。另一部分作为介孔模板剂参与了SiO₂低聚物的成核反应。此外，他们还测试了萃取CTAC后60-PDA@SiO₂-V的表面电荷。如图2g所示，60-PDA@SiO₂-V的表面电荷基本相同，均在-29.7至-31.7 mV之间。如图2h所示，当表面活性剂CTAC的浓度较低时，二氧化硅低聚物的成核反应主要发生在PDA@CTA⁺复合微球的表面，只有少量的CTA⁺与SiO₂低聚物共组装。随着表面活性剂CTAC浓度的增加，CTA⁺与二氧化硅低聚物之间的协同共组装反应增强。CTAC疏水基团之间的疏水相互作用也变得更强，从而导致表面活性剂吸附力骤增。表面正电荷的增加也加速了CTA⁺和二氧化硅共聚物在PDA@CTAC复合微球表面的生长过程。不均匀成核和快速生长过程导致在PDA表面形成了由许多小尺寸介孔二氧化硅半球组成的二氧化硅壳。

研究了反应温度对T-PDA@SiO₂-0.2结构和形貌的影响。如图3a-d中的SEM和TEM图像所示，T-PDA@SiO₂-0.2的结构在外壳中具有多尺寸的孔隙，这些孔隙由均匀的小介孔和大尺寸狭缝孔组成。随着温度的升高，二氧化硅壳上的不规则狭缝孔的孔径从15.4±4.6 nm逐渐增加到86.5±27.6 nm。此外，他们推测了T-PDA@SiO₂-0.2的形成机理，如图3e所示。PDA微球最初分散在含有CTAC和TEA的水溶液中。在弱碱性环境中，PDA表面带有负电荷。可以吸附CTA⁺阳离子。然后，被吸附的CTA⁺与溶液中CTA⁺的疏水基团相互作用，形成了CTAC双层膜胶束，使PDA的表面电荷反转。然后将TEOS缓慢滴加到上述混合溶液中。TEOS被TEA水解后，产生了带负电荷的二氧化硅低聚物。由于静电作用，二氧化硅低聚物吸附在PDA@CTAC复合微球的界面上，并与溶液中未吸附的CTAC共同组装。TEOS形成二氧化硅的过程包括水解和缩合两个步骤。水解和缩合的速率可受反应温度的调节。当合成过程中反应温度较低时（T=50 °C，图 3e，路线1），TEOS的水解和缩合速率较慢，从而导致在PDA@CTAC复合微球界面上的二氧化硅低聚物-CTAC复合物较慢的异质成核速率。此时，在PDA@CTAC复合微球界面上形成了粒径较小的半球形SiO₂。同时，部分二氧化硅低聚物和CTAC胶束在溶液中发生自成核反应，在溶液中形成了与PDA微球表面粒径相同的介孔SiO₂。然而，由于在溶液中的介孔SiO₂的体积限制，它们无法牢固地组装在PDA@SiO₂表面。根据奥斯特瓦尔德熟化机制，在二氧化硅外壳上形成大裂缝孔隙的一个可能的解释是，在碱性水相中，PDA表面早期生成的二氧化硅-CTAC复合材料（二氧化硅低聚物的化学势较高（交联度较低））不断解离并重新沉积在二氧化硅外壳上。因此，半球形介孔SiO₂的生长消耗了周围的二氧化硅低聚物，从而在PDA@SiO₂表面产生了尺寸较大的不规则的狭缝孔。当反应温度升高到60、70或80 ℃时（图3e中的路线2、3和4），形成过程与路线1相似。但是，反应动力学大大增强，促进了TEOS的水解和缩合。这使得二氧化硅低聚物-CTAC复合材料更快地在PDA@CTAC微球上成核，并进一步快速生长，从而形成了不同厚度的二氧化硅外壳，外壳由二氧化硅半球组成，其壳层厚度从35.7±3.0 nm增加到65.3±5.6 nm，外壳上的狭缝孔尺寸可在15.4±4.6 nm到86.5±27.6 nm的范围内调控。最终，只需简单调节反应温度，就能实现PDA@SiO₂外壳中狭缝孔孔径的调控。

图 3.产物的SEM和TEM图像：(a₁-a₄) 50-PDA@SiO₂-0.2、(b₁-b₄) 60-PDA@SiO₂-0.2、(c₁-c₄) 70-PDA@SiO₂-0.2和(d₁-d₄) 80-PDA@SiO₂-0.2。(e)通过调节反应温度，在动力学控制的界面沉积和共组装过程中，SiO₂低聚物-CTAC复合物在PDA核上成核和生长的示意图。

图4.(a)70-PDA@Pt@SiO₂-0.2和(b)70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2的合成方案。(c)70-PDA@Pt@SiO₂-0.2和(d) 70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2的TEM图像。

如图4所示，由于螯合作用Pt⁴⁺被吸附在PDA表面上。在存在或不存在柠檬酸盐的情况下，利用硼氢化钠进行原位还原，构建了两种类型的H₂O₂驱动纳米马达（70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2和70-PDA@Pt@SiO₂-0.2）。如图4c、d的TEM图像所示，在没有柠檬酸盐的情况下，生成的PtNPs倾向于形成大的聚集体，且负载位置比较随机。然而，在柠檬酸盐存在的情况下，形成的PtNPs主要分布且尺寸更加均匀。小尺寸PtNPs的提高了对H₂O₂的催化活性，PtNPs在PDA核上的分布构筑了70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2纳米马达的不对称结构。以上两种原因提高了纳米马达的驱动性能。

图5. (a)70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2马达在H₂O₂和近红外光双模式驱动下增强AuNPs和PtNPs分离的方案。(b)不同驱动条件下AuNPs和PtNPs的分离效率。(c)连续三次实验中AuNPs和PtNPs的分离效率。70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂在（d）第一次和（e）第三次分离实验后的TEM图像。

如图5a所示，所构建的近红外光和H₂O₂双驱动70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2 纳米马达用于提高PtNPs（5 nm）和AuNPs（15 nm）的分离效果。不同质量的70-PDA@cirate-capped Pt@SiO₂-0.2被用于分离AuNPs和PtNPs。图5b显示，在没有驱动的情况下，PtNPs和AuNPs的分离效率仅为23.30%。相比之下，H₂O₂驱动将AuNPs的分离效率提高到39.43%。此外，在H₂O₂和近红外光的双驱动作用下将AuNPs的分离效率进一步提高到43.98%（图5b）。对于相同的PtNPs和AuNPs混合溶液，连续进行了三次分离实验，70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2对AuNPs的分离率可达85.45%（图5c）。图5d和e中的TEM图像显示，经过连续三次分离后，封装在空穴中的AuNPs数量显著增加。这表明，利用双驱动70-PDA@citrate-capped Pt@SiO₂-0.2纳米马达对纳米粒子进行尺寸选择性分离是一种很有前景的方法。

总结：通过动力学调控的单胶束界面受限组装结合PDA膨胀-收缩策略，成功设计并制备了具有不对称yolk@shell结构和壳内多尺寸大孔/介孔的PDA@SiO₂ 纳米粒子。在合成过程中，通过调节反应温度，可在15.4-86.5 nm的范围内系统地调节多级孔的平均孔径。PDA@SiO₂纳米复合粒子具有多种结构和组分优势，包括大比表面积、大空隙、多孔壳、各向异性结构和优异的光热效应。双尺寸货物的负载比例可在0.13至2.46之间按需调节。合成狭缝孔径为46.1 nm的PDA@SiO₂，在9-33 nm模型粒子的范围内可实现对15 nm的AuNPs的最佳捕获性能。70-PDA@cirate-capped Pt@SiO₂-0.2的H₂O₂和近红外光双重驱动作用可将15 nm的AuNPs和5 nm的PtNPs的分离效率从23.30%提高到85.45%。考虑到多尺寸孔的开放性和可及性，预计这些PDA@SiO₂纳米粒子可应用于按需给药、生物分子分离、微反应器和分析传感等领域。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08285

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