胶体导论1

介孔材料的合成及其作为药物控释载体的应用王芳（厦门大学化学化工学院，厦门361005）摘要：介孔材料是近年来国际上跨学科的研究热点之一,其在催化、电、磁、传感器、纳米材料合成、光学器件和色谱载体等领域中有着许多潜在的应用价值。

本文综述了介孔材料的合成机理、分类，其作为药物控释体系的应用，并对未来的发展趋势进行了展望。

关键词: 介孔材料合成机理药物控释介孔材料是20世纪90年代迅速兴起的新型纳米结构材料，其特点是孔道大小均一、排列有序、孔径可以在2～50 nm范围内连续调节，从而将分子筛的规则孔径从微孔拓展到介孔领域，同时具有高的比表面积及较高的热稳定性和水热稳定性，在吸附、分离、催化等方面及光、电、磁等领域具有广阔的应用前景。

由于在催化、分离等方面的应用对材料的形貌有特殊要求，如何合成出尺寸较均一、具有一定规整外貌（纤维、薄膜、薄片和球状）的介孔材料已成为材料研究领域的一个热点。

1992年，美国Mobil 公司的科学家们首次运用纳米结构自组装技术，以季铵盐阳离子表面活性剂为模板，制备出具有均匀孔道、六方有序排列、孔径可调的MCM-41 介孔材料[1]，从而为介孔材料的制备拉开了序幕。

2 介孔材料的生成机理、分类及合成2. 1 介孔材料的生成机理目前,关于有序介孔材料的生成机理有多种,但最具代表性的是Mobil公司的科学家提出的液晶模板机理和协同作用机理,其他都是这两种机理的补充、改进和完善。

2. 1. 1 液晶模板机理( liquid-crystal templating ,LCT 机理)该机理认为:表面活性剂在加入无机反应物之前形成液晶相(先形成球形胶束,再形成棒状(柱状)胶束,浓度较大时生成六方有序排列的液晶结构) ,溶解在溶剂中的无机单体分子或齐聚物因与亲水端存在引力,沉淀在胶束棒之间的孔隙间,聚合固化成孔壁。

即认为表面活性剂形成的液晶相胶束是生成介孔结构的模板剂,如图1 (a) 。

LCT 机理简单直观,但对某些实验现象的解释存在矛盾。

2. 1. 2 协同作用机理(cooperative formation mechanism)该机理认为:表面活性剂的液晶相是加入无机反应物之后形成的,是胶束和无机物种相互作用的结果(具体表现为胶束加速无机物种的缩聚反应和无机物种的缩聚反应对胶束形成液晶相结构有序体的促进作用) ,此液晶作为介孔结构生成的模板剂,如图1(b) 。

图1介孔材料的结构导向合成机理：(a) 液晶模板机理；(b) 协同作用机理[2]2.2. 介孔材料的分类根据介孔材料骨架化学组成不同，可将其分为硅基和“非硅”组成两大类。

就硅基介孔材料而言，即构成骨架的成分是二氧化硅，又包括纯硅的和掺杂有其它元素的两大类材料。

和微孔沸石分子筛的研究发展历史一样，最初的介孔材料的研究也是从硅酸盐和硅铝酸盐开始的。

最著名的介孔分子筛材料当属于以MCM-41、MCM-48 和MCM-50为代表的M41S 系列材料。

Kresge等[2,3]采用季铵盐为模板剂，在水溶液中直接应用硅源物质作用合成了介孔材料，该方法工艺简单，对原料要求不高，制备的材料结构有序性高，性能稳定；因此，该材料一经报道，立刻引起材料化学界的广泛关注，使得对这类材料的研究迅猛发展。

通过使用不同的模板剂和硅源，采用不同的合成条件和合成手段，具有新颖结构、优越性能的介孔材料的合成层出不穷。

目前研究得最多的是SBA-n系列介孔材料。

1994 年以来由Stucky 等[4]，在强酸性条件下，利用嵌段聚合物P123 为模板剂制备而得。

其中的SBA-15 介孔材料，具有孔径更大(5-30 nm)、孔壁更厚、稳定性更高、有微孔连接介孔孔道形成三维连通的特点，备受广泛关注[5]。

利用一定比例的嵌段聚合物P123、F127为模板合成立方“cagelike”的SBA-16 介孔分子筛,空间群为Im3m,其笼和口径的大小可以通过调节水热合成的时间、温度及模板剂的比例来加以控制[6-8]。

其它的氧化硅介孔材料主要有Pinnavaia等[9]以长链伯胺为模板剂合成的HMS材料和以非离子型表面活性剂为模板合成的MSU材料。

Ryoo等[10]合成了具有三维结构交错的KIT-1介孔材料。

赵东元等[8,11]以嵌段共聚物为模板剂，以间三甲苯和氯化甲等为辅助添加剂，合成了具有面心立方的FDU-n系列介孔材料。

Che 等以手性生物大分子氨基酸为模板剂，以有机胺硅烷化试剂或季铵盐为共模板剂，采用新颖的S-N+I-合成路线，合成了一系列具有不同空间群的介孔材料。

其中以C14-L-AlaA 和APTES 合成的六方相介孔材料，不仅具有螺旋形的形貌，而且具有周期性螺旋走向的孔道[12]。

对于硅基介孔材料而言，由于骨架由氧化硅组成，虽然具有少量的弱酸中心，对某些酸催化反应具有一定的效果，但是对其它绝大多数催化反应，并没有明显的催化作用，不能充分发挥介孔材料的结构上的优越性。

因而，在不破坏介孔结构的前提下，通过向介孔孔壁上掺杂或镶嵌等方式来合成含杂原子的介孔分子筛，增加了酸中心的数量和强度，同时也改善了介孔材料其它多方面的性能，如骨架稳定性、亲/疏水性质、表面缺陷浓度、选择催化能力及离子交换性能等。

大大拓展了介孔材料的应用范围。

非硅介孔材料最早由美国加州大学的Stucky研究小组开始，现在研究此类材料的科研团体遍布全世界，并已经取得了丰硕的成果[13]。

现在已得到许多种类的“非硅”介孔材料，包括金属掺杂的介孔材料、各种介孔金属氧化物、介孔硫化物、介孔磷酸盐、介孔金属、介孔碳等。

2.3介孔材料的合成介孔材料的合成一般采用“模板法”进行，通常将其分为两类：“内模板”和“外模板”。

“内模板”法是通过选择表面活性剂、高分子聚合物作为模板，无机物种在一定条件下与有机模板相互作用，进行自组装形成有序的介孔材料，然后通过焙烧或者溶剂抽提的方法去除掉有机模板剂而得到规整的有序介孔孔道。

常见的介孔材料大多数都采用“内模板法”制备得到。

但是对于一些介孔材料制备时，使用“内模板法”受到一定的限制，所以选择“外模板法”构筑介孔材料。

“外模板法”也称作“纳米构筑法”，或者说一种结构复制的方法，将一些有序的多孔材料作为模板，通过在其孔道内填充无机物种或者有机碳水化合物，通过焙烧或者酸处理去处“外模板”而得到有序的介孔材料，常见的介孔碳材料就是采用此法制备得到。

图2油-水-表面活性剂相位图，图中展示作为介孔材料的模板剂的不同胶束结构[14]无论采用什么方法合成介孔材料，由于受到表面活性剂的种类以及它们与无机物种之间的相互作用力、反应温度、介质的酸碱度、反应时间、反应速度以及脱除模板剂方法等很多因素的制约，所以介孔材料的合成规律是相当复杂的。

通过改变这些因素条件，孔道结构的形状和对称性也将发生着变化，如图2所示，在一个典型的油-水-表面活性剂混合体系，通过改变上述的反应体系可以得到具有不同的空间构型的介孔材料[14]。

可用于介孔分子筛合成的表面活性剂种类很多，根据亲水基团性质的不同，主要分为四个类型：(1)阴离子型，具有带负电的极性基团，常用的有CmH2m+1COONa,CmH2m+1OPO3H2,C m H2m+1OSO3H 或C m H2m+1OSO3Na 等；(2)阳离子型，具有带正电的极性基团，常用的有C m H2m+1(CH3)3N+Br或C m H2m+1(CH3)3N+Cl；(3)非离子型，极性基团，不带电，常用的有长链烷胺以及聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物（PEO-PPO）和三嵌段共聚物（PEO-PPE-PEO）等；(4) 两性型，带两个亲水基团，一个正电，一个负电，例如甜菜碱类的表面活性剂。

通过模板法制备介孔材料的过程中，无论用何种机理来解释其具体形成过程，对于有机模板剂与无机物种之间的作用方式是整个过程的关键因素或者说主导因素。

通常这种相互作用方式可以根据表面活性剂的种类不同分为三大类，如图3所示[15]：（1）对于阳离子型表面活性剂作为模板，如果和阴离子型的无机硅物种在碱性条件下进行反应，那么合成的路线为S+I-。

如果反应在酸性条件下进行（其pH值低于2时），此时的无机硅物种具有正电性，那么同阳离子型表面活性剂相互作用时候需要增加具有负电荷的抗衡离子X-（如卤素离子Cl-或Br-），此时合成的路线为S+X-I+；（2）对于阴离子型表面活性剂作为模板，如果在碱性条件下进行且无机硅物种具有负电荷，那么需要加入具有正电荷的抗衡离子M+（如阳离子Na+或K+），则合成的路线为S-M+I-；当然若具有正电荷的无机硅物种，那么无需要额外加入其他电荷的离子，直接按照S-I+路线进行；（3）对于非离子型表面活性剂作为模板，如果和中性的无机硅物种作用那么是S0I0路线[16]；如果和离子对相互作用则是S0(IX)0路线。

图3 不同类型的硅-表面活性剂的表面示意图，S:表面活性剂分子;I:无机物的骨架;M+和X-:相对应的抗衡离子[15]在上述介绍的反应路线中，前两种在无机物种和有机模板剂分子之间是通过静电力相互作用，而后面的中性模板剂分子则是通过氢键与无机物种相互作用。

总之，对于介孔材料的合成，受到表面活性剂、无机物种的种类以及它们之间的相互作用方式等主导因素制约，同时受到外界的条件诸如温度、湿度，介质的pH和反应时间、搅拌速度等影响，合成过程中改变着无机物种与有机物种之间的作用方式和排列方式，使它们之间的界面形状发生改变，直接影响了所得到的介孔材料的孔道结构，从而得到了不同空间排列的介孔材料。

3介孔材料在药物控释载体系的应用近年来，药物控释系统的研究发展迅速。

作为药物控释的载体需具有以下性[16]：生物适应性、较高的药物负载量、药物分子零提前释放（零泄漏）、组织特异性和靶向引导能力以及合适的药物控释速率。

介孔材料具有高度有序的孔道排列，均匀可调的孔径，大的比表面及孔容等特性，使其在药物投递和控释领域具有广泛的应用前景。

药物发挥药效需要两个因素，一是药物到达病灶，二是药物在病灶位置具有一定的浓度并保持一定的时间。

对此，研究人员发展出各种靶向给药和控制释放体系,如胶束，脂质体，纳米球，多功能团超支化聚合物等。

介孔材料具有均匀可控的孔道和大的比表面积，可被有机官能团修饰及无明显的生物毒性等特点，使其成为一种良好的药物载体，实现对药物的靶向给药和控制释放.[17-20]Vallet-Regí等人第一次使用介孔材料作为药物载体，并发现介孔孔道对药物分子具有缓释作用。

[21]介孔材料还被用来做成各种药学装置，对各种外部刺激如pH、光照、温度等产生智能性响应释放。

3.1 pH响应与人体内正常组织的pH差别是病变组织的重要特征之一，一般病变组织（如癌组织）具有较正常值偏低的pH，因此需实现药物的低pH释放。