具有可調(diào)結構、空間和化學特異性的中空納米粒子被認為是前景廣闊的載體。然而，賦予空心納米粒子精確控制的多尺寸大孔/介孔結構仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。本文展示了一種聚多巴胺（PDA）膨脹-收縮策略結合單膠束界面受限組裝方法，實現(xiàn)了一系列具有多尺寸孔和蛋黃@殼（yolk@shell）結構的PDA@SiO2復合納米粒子的可控制備。通過調(diào)整反應溫度，可以在15.4～86.5 nm的范圍內(nèi)系統(tǒng)地調(diào)控狹縫孔的平均孔徑。得益于不對稱結構和多級孔隙率等優(yōu)點，它們在雙尺寸貨物的按需負載、雙驅動納米馬達以及粒子尺寸選擇性封裝和分離的應用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。這些發(fā)現(xiàn)為構建具有可調(diào)多尺寸孔隙的不對稱yolk@shell結構提供了靈感，適用于生物與化學等廣泛的應用。
近年來，具有集成功能和可控結構的核殼多孔納米粒子因其優(yōu)異的物理化學性能而受到越來越多的關注。yolk@shell納米粒子具有孔徑可調(diào)、負載能力強、比表面積高、核殼功能集成等特點。通過選擇特定的組分作為核和殼制備的yolk@shell納米粒子在催化、微反應器、藥物輸送、化學傳感器、能源和環(huán)境、微納米馬達等領域具有重要的應用價值。迄今為止，在設計多功能yolk@shell納米粒子方面已經(jīng)取得了很大的進展。然而，目前報道的這些yolk@shell納米粒子的外殼孔徑單一，大多數(shù)孔徑小于20 nm。外殼中的孔徑?jīng)Q定了客體的質(zhì)量擴散、化學修飾和封裝。小的介孔限制了客體大分子或納米粒子在中空腔中的負載。為了實現(xiàn)雙尺寸貨物的裝載，甚至是功能性納米粒子的捕獲，通常要求材料具有足夠數(shù)量的大孔隙作為傳輸通道，使其具有良好的滲透性，但過多大孔隙的存在會使材料存在易碎和韌性變?nèi)醯膯栴}。因此，在yolk@shell的外殼中整合多尺寸孔隙對其在許多領域的應用至關重要。
近期，北京科技大學化生學院杜鑫和張美芹教授團隊開發(fā)了一種簡單、綠色且溫和的方法用于制備具有不對稱yolk@shell結構（核心錨定到多尺寸孔殼層）和殼中多尺寸大孔/介孔的PDA@SiO2復合納米粒子。利用PDA@CTAC復合微球的受控膨脹-收縮策略與單膠束界面受限組裝方法相結合來實現(xiàn)其受控制備。在典型的方法中，以PDA微球為核，以三乙醇胺（TEA）為堿催化劑，十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）為模板和連接劑，以正硅酸四乙酯（TEOS）為二氧化硅前驅體，通過調(diào)節(jié)反應溫度實現(xiàn)對SiO2殼層中狹縫孔尺寸的調(diào)控。由于具有中空和多尺寸孔結構，PDA@SiO2納米粒子可用于雙尺寸貨物（阿霉素（DOX）和鐵蛋白（Ft））的共負載。此外，通過改變貨物的負載順序，可以很容易地按需調(diào)節(jié)兩種貨物的負載比例。特別是，他們測試了不同尺寸的功能性模型粒子（如AuNPs和PtNPs等）的封裝。有趣的是，合成的PDA@SiO2可實現(xiàn)對具有特定尺寸納米粒子的尺寸選擇性捕獲。由于不對稱分布的PDA（錨定在殼上的PDA）的優(yōu)異光熱特性和PDA中PtNPs的選擇性負載構建了近紅外（NIR）光和過氧化氫（H2O2）雙驅動的納米馬達。由于高效的自主微混合能力和多尺寸孔結構，雙驅動納米馬達可用于增強雙尺寸模型粒子的分離（AuNPs為15 nm，PtNPs為5 nm）。該工作以“Construction of Yolk@shell Nanocomposite Particles with Controlled Multisized Pore Structures by Monomicelle Confined Assembly”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。文章第一作者是北京科技大學化生學院王志明博士。該研究得到國家自然科學基金委的支持。
圖 1.具有不對稱yolk@shell和多尺寸孔結構的PDA@SiO2納米復合粒子的制備示意圖。
具有不對稱yolk@shell和多尺寸孔結構的PDA@SiO2納米復合納米粒子的合成過程如圖1所示。在典型的方法中，以PDA微球為核，以三乙醇胺（TEA）為堿催化劑，十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）為模板和連接劑，以正硅酸四乙酯（TEOS）為二氧化硅前驅體，通過調(diào)節(jié)反應溫度實現(xiàn)對SiO2殼層中狹縫孔尺寸的調(diào)控。首先，采用多巴胺氧化自聚合的方法，室溫下，在于水、乙醇和氨的混合物中合成了粒徑約為326 nm的PDA微球。由于極性和靜電作用，CTAC分子被吸附在PDA微球表面。在高溫作用下，PDA@CTAC復合微球會吸收溶液中的水分子，發(fā)生可逆溶脹。然后，溶液中的部分二氧化硅低聚物和CTAC膠束在溶脹的PDA微球表面進行自組裝，形成了由小尺寸介孔SiO2半球組成的二氧化硅殼。同時，較高的溫度也促進了另一部分二氧化硅低聚物和CTAC膠束的自成核反應。由于二氧化硅低聚物的化學勢較高，聚合反應繼續(xù)進行。結果，半球形二氧化硅不斷生長，并消耗掉了周圍的二氧化硅低聚物。這就在二氧化硅外殼上形成了尺寸較大的不規(guī)則無序狹縫孔。當反應溫度降低時，由于PDA核的收縮，在二氧化硅外殼上形成了具有較大空腔的yolk@shell PDA@SiO2。最后，通過溶劑萃取去除CTAC模板，得到PDA@SiO2納米粒子。
圖 2. 在不同CTAC溶液體積（mL）下合成的60-PDA@SiO2-V的SEM和TEM圖像：(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電位。(e)在不同體積的CTAC溶液中加入52 mg TEA的PDA微球（36 mL，0.83 mg/mL）的Zeta電位。60-PDA@SiO2-V(f)萃取前和(g)萃取后的Zeta電位。(h)不同濃度CTAC下PDA@CTAC復合微球的結構示意圖。
在60 °C的反應溫度下，通過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）研究了CTAC含量對PDA@SiO2結構和形態(tài)的影響。圖2a,b表明，將CTAC溶液的添加量從0.1 mL增加到0.2 mL，SiO2外殼的結構就會從光滑的實心（無孔）表面轉變?yōu)榇植诘亩嗫妆砻。然而，隨著CTAC溶液添加量進一步增加到0.3 mL，制備的yolk@shell PDA@SiO2納米粒子的結構沒有發(fā)生明顯變化（圖 2c）。為了驗證PDA@SiO2的形成過程，他們測試了不同反應物和產(chǎn)物的zeta電位。如圖2d所示，去離子水中PDA的表面電荷為-18.2 mV。在上述溶液中加入26 mg TEA后，PDA的表面電荷急劇下降至-44.5 mV。隨著TEA含量進一步增加到52 mg，PDA的表面電荷僅略有下降。接下來，他們研究了不同含量的CTAC在PDA（含52 mg TEA）表面的吸附和重組過程。圖2e顯示，當加入0.1 mL CTAC時，PDA@CTAC復合微球的表面電荷為+32.2 mV。當加入0.2 mL CTAC時，PDA@CTAC復合微球的表面電荷急劇增加到+52.7 mV。這是由于在弱堿性環(huán)境中，PDA表面帶有更多的負電荷，可以吸附帶正電荷的CTA+，被吸附的表面活性劑離子與本體溶液中表面活性劑離子的疏水基團相互作用。因此，CTAC雙層膜膠束的形成反轉了PDA的表面電荷。當添加CTAC的體積進一步增加到0.3 mL時，PDA@CTAC復合膠束的表面電荷僅略有增加。如圖2f所示，測試了萃取CTAC之前PDA@SiO2的表面電荷。當加入CTAC溶液的體積為0.1 mL時，PDA@SiO2的表面電荷為-14.7 mV。大部分添加的CTAC被吸附在PDA表面，幾乎沒有CTAC參與殼層的組裝。因此，在PDA表面生長出了無孔的SiO2殼層。當CTAC的添加量從0.2 mL增加到0.3 mL時，PDA@SiO2的表面電荷從+7.0 mV增加到+14.4 mV。這表明，當CTAC的濃度較高時，一部分CTAC吸附在PDA表面，成為PDA和SiO2之間的連接劑。另一部分作為介孔模板劑參與了SiO2低聚物的成核反應。此外，他們還測試了萃取CTAC后60-PDA@SiO2-V的表面電荷。如圖2g所示，60-PDA@SiO2-V的表面電荷基本相同，均在-29.7至-31.7 mV之間。如圖2h所示，當表面活性劑CTAC的濃度較低時，二氧化硅低聚物的成核反應主要發(fā)生在PDA@CTA+復合微球的表面，只有少量的CTA+與SiO2低聚物共組裝。隨著表面活性劑CTAC濃度的增加，CTA+與二氧化硅低聚物之間的協(xié)同共組裝反應增強。CTAC疏水基團之間的疏水相互作用也變得更強，從而導致表面活性劑吸附力驟增。表面正電荷的增加也加速了CTA+和二氧化硅共聚物在PDA@CTAC復合微球表面的生長過程。不均勻成核和快速生長過程導致在PDA表面形成了由許多小尺寸介孔二氧化硅半球組成的二氧化硅殼。
研究了反應溫度對T-PDA@SiO2-0.2結構和形貌的影響。如圖3a-d中的SEM和TEM圖像所示，T-PDA@SiO2-0.2的結構在外殼中具有多尺寸的孔隙，這些孔隙由均勻的小介孔和大尺寸狹縫孔組成。隨著溫度的升高，二氧化硅殼上的不規(guī)則狹縫孔的孔徑從15.4±4.6 nm逐漸增加到86.5±27.6 nm。此外，他們推測了T-PDA@SiO2-0.2的形成機理，如圖3e所示。PDA微球最初分散在含有CTAC和TEA的水溶液中。在弱堿性環(huán)境中，PDA表面帶有負電荷。可以吸附CTA+陽離子。然后，被吸附的CTA+與溶液中CTA+的疏水基團相互作用，形成了CTAC雙層膜膠束，使PDA的表面電荷反轉。然后將TEOS緩慢滴加到上述混合溶液中。TEOS被TEA水解后，產(chǎn)生了帶負電荷的二氧化硅低聚物。由于靜電作用，二氧化硅低聚物吸附在PDA@CTAC復合微球的界面上，并與溶液中未吸附的CTAC共同組裝。TEOS形成二氧化硅的過程包括水解和縮合兩個步驟。水解和縮合的速率可受反應溫度的調(diào)節(jié)。當合成過程中反應溫度較低時（T=50 °C，圖 3e，路線1），TEOS的水解和縮合速率較慢，從而導致在PDA@CTAC復合微球界面上的二氧化硅低聚物-CTAC復合物較慢的異質(zhì)成核速率。此時，在PDA@CTAC復合微球界面上形成了粒徑較小的半球形SiO2。同時，部分二氧化硅低聚物和CTAC膠束在溶液中發(fā)生自成核反應，在溶液中形成了與PDA微球表面粒徑相同的介孔SiO2。然而，由于在溶液中的介孔SiO2的體積限制，它們無法牢固地組裝在PDA@SiO2表面。根據(jù)奧斯特瓦爾德熟化機制，在二氧化硅外殼上形成大裂縫孔隙的一個可能的解釋是，在堿性水相中，PDA表面早期生成的二氧化硅-CTAC復合材料（二氧化硅低聚物的化學勢較高（交聯(lián)度較低））不斷解離并重新沉積在二氧化硅外殼上。因此，半球形介孔SiO2的生長消耗了周圍的二氧化硅低聚物，從而在PDA@SiO2表面產(chǎn)生了尺寸較大的不規(guī)則的狹縫孔。當反應溫度升高到60、70或80 ℃時（圖3e中的路線2、3和4），形成過程與路線1相似。但是，反應動力學大大增強，促進了TEOS的水解和縮合。這使得二氧化硅低聚物-CTAC復合材料更快地在PDA@CTAC微球上成核，并進一步快速生長，從而形成了不同厚度的二氧化硅外殼，外殼由二氧化硅半球組成，其殼層厚度從35.7±3.0 nm增加到65.3±5.6 nm，外殼上的狹縫孔尺寸可在15.4±4.6 nm到86.5±27.6 nm的范圍內(nèi)調(diào)控。最終，只需簡單調(diào)節(jié)反應溫度，就能實現(xiàn)PDA@SiO2外殼中狹縫孔孔徑的調(diào)控。
圖 3.產(chǎn)物的SEM和TEM圖像：(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)通過調(diào)節(jié)反應溫度，在動力學控制的界面沉積和共組裝過程中，SiO2低聚物-CTAC復合物在PDA核上成核和生長的示意圖。
圖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圖像。
如圖4所示，由于螯合作用Pt4+被吸附在PDA表面上。在存在或不存在檸檬酸鹽的情況下，利用硼氫化鈉進行原位還原，構建了兩種類型的H2O2驅動納米馬達（70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2和70-PDA@Pt@SiO2-0.2）。如圖4c、d的TEM圖像所示，在沒有檸檬酸鹽的情況下，生成的PtNPs傾向于形成大的聚集體，且負載位置比較隨機。然而，在檸檬酸鹽存在的情況下，形成的PtNPs主要分布且尺寸更加均勻。小尺寸PtNPs的提高了對H2O2的催化活性，PtNPs在PDA核上的分布構筑了70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2納米馬達的不對稱結構。以上兩種原因提高了納米馬達的驅動性能。
圖5. (a)70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2馬達在H2O2和近紅外光雙模式驅動下增強AuNPs和PtNPs分離的方案。(b)不同驅動條件下AuNPs和PtNPs的分離效率。(c)連續(xù)三次實驗中AuNPs和PtNPs的分離效率。70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2在（d）第一次和（e）第三次分離實驗后的TEM圖像。
如圖5a所示，所構建的近紅外光和H2O2雙驅動70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2 納米馬達用于提高PtNPs（5 nm）和AuNPs（15 nm）的分離效果。不同質(zhì)量的70-PDA@cirate-capped Pt@SiO2-0.2被用于分離AuNPs和PtNPs。圖5b顯示，在沒有驅動的情況下，PtNPs和AuNPs的分離效率僅為23.30%。相比之下，H2O2驅動將AuNPs的分離效率提高到39.43%。此外，在H2O2和近紅外光的雙驅動作用下將AuNPs的分離效率進一步提高到43.98%（圖5b）。對于相同的PtNPs和AuNPs混合溶液，連續(xù)進行了三次分離實驗，70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2對AuNPs的分離率可達85.45%（圖5c）。圖5d和e中的TEM圖像顯示，經(jīng)過連續(xù)三次分離后，封裝在空穴中的AuNPs數(shù)量顯著增加。這表明，利用雙驅動70-PDA@citrate-capped Pt@SiO2-0.2納米馬達對納米粒子進行尺寸選擇性分離是一種很有前景的方法。
總結：通過動力學調(diào)控的單膠束界面受限組裝結合PDA膨脹-收縮策略，成功設計并制備了具有不對稱yolk@shell結構和殼內(nèi)多尺寸大孔/介孔的PDA@SiO2 納米粒子。在合成過程中，通過調(diào)節(jié)反應溫度，可在15.4-86.5 nm的范圍內(nèi)系統(tǒng)地調(diào)節(jié)多級孔的平均孔徑。PDA@SiO2納米復合粒子具有多種結構和組分優(yōu)勢，包括大比表面積、大空隙、多孔殼、各向異性結構和優(yōu)異的光熱效應。雙尺寸貨物的負載比例可在0.13至2.46之間按需調(diào)節(jié)。合成狹縫孔徑為46.1 nm的PDA@SiO2，在9-33 nm模型粒子的范圍內(nèi)可實現(xiàn)對15 nm的AuNPs的最佳捕獲性能。70-PDA@cirate-capped Pt@SiO2-0.2的H2O2和近紅外光雙重驅動作用可將15 nm的AuNPs和5 nm的PtNPs的分離效率從23.30%提高到85.45%？紤]到多尺寸孔的開放性和可及性，預計這些PDA@SiO2納米粒子可應用于按需給藥、生物分子分離、微反應器和分析傳感等領域。
全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08285
