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结合电喷雾、自组装和基于溶剂的结构调控技术制备球形与蠕虫状胶束纳米晶体

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DOI：

10.3791/56657

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2018年2月11日

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1Department of Biomedical Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 2Institute of Materials Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Nanjing University, 3Collaborative Innovation Center of Chemistry for Life Sciences, Nanjing University, 4Department of Chemistry, Western Washington University

本文内容

摘要

本研究描述了一种制备胶束纳米晶体的方法，这类材料是新兴的重要纳米生物材料。该方法结合了自上而下的电喷雾技术、自下而上的自组装过程以及基于溶剂的结构调控。该制备方法具有高度连续性，可生产高质量产物，并具备低成本的结构控制手段。

摘要

胶束纳米晶体（包载纳米晶体的胶束）已成为一类新兴的重要纳米生物材料。本文描述了一种基于自上而下的电喷雾、自下而上的自组装以及溶剂介导结构调控相结合的胶束纳米晶体的制备方法。该方法首先利用电喷雾生成均匀的超细液滴，每个液滴作为一个微反应器，在其中发生自组装反应形成胶束纳米晶体，其结构（胶束形状和纳米晶体包载）由所用有机溶剂控制。该方法在很大程度上具有连续性，并以低成本的结构调控方式生产高质量的胶束纳米晶体产品。通过使用与水互溶的有机溶剂四氢呋喃（THF），可因溶剂诱导或促进的胶束融合而生成蠕虫状胶束纳米晶体。与常见的球形胶束纳米晶体相比，蠕虫状胶束纳米晶体可显著减少非特异性细胞摄取，从而增强生物学靶向性。通过在每个胶束中共同包载多种纳米晶体，可实现多功能性或协同效应。该制备方法目前存在的局限性主要包括胶束纳米晶体产品中包载效率不理想以及工艺连续性尚不完全，这些将是未来研究工作的重点方向。

引言

半导体量子点（QDs）和超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）等纳米晶体在生物检测、成像、操控和治疗方面已展现出巨大潜力1,2,3,4,5,6。将一种或多种纳米晶体包封于胶束中，已成为实现纳米晶体与生物环境相互作用的常用方法3,6。由此形成的胶束型纳米晶体（即包封有纳米晶体的胶束）已成为一类新兴的纳米生物材料7,8,9,10。制备包封各类物质（例如，纳米晶体、小分子药物和染料）胶束的常用方法包括薄膜水化法、透析法及其他多种方法7,11。

本研究描述了一种基于结合自上而下的电喷雾、自下而上的自组装以及溶剂介导的结构调控来制备胶束纳米晶体的方法。与其它胶束纳米晶体的制备方法相比，该方法具有若干优势：（1）它是一种高度连续的生产过程。这一特点主要归因于本方法采用电喷雾技术形成乳液液滴；相比之下，其他一些方法使用涡旋或超声处理来形成乳液液滴，因而本质上属于分批处理过程12。（2）所得产物具有高水分散性、优异的胶体稳定性，并能保持包封纳米晶体完整的物理功能。该工艺通常可获得质量优于其他胶束包封方法的产物，这在很大程度上得益于电喷雾能够形成超细且均匀的乳液液滴。（3）产物的结构（包括胶束形状及包封纳米晶体的数量）可通过溶剂进行调控，这种方法相比更换所用两亲性聚合物等其他调控方式成本显著更低，并且不仅可制备常见的球形胶束，还可通过胶束融合形成蠕虫状胶束结构13。研究表明，由此形成的蠕虫状胶束纳米晶体相较于球形结构可显著降低非特异性细胞摄取13。另一方面，需要指出的是，该方法需搭建电喷雾装置，其技术要求虽略高于其他方法所需的仪器条件，但远未达到难以实现的程度。

该制备方法首先通过电喷雾生成尺寸均一的超细液滴（通常为水包油乳液），随后通过有机溶剂的蒸发，诱导自组装形成胶束纳米晶体（图1）。电喷雾装置采用同轴结构，使用同心针头：含有两亲性嵌段共聚物和溶解于有机溶剂中的疏水性纳米晶体的油相，由注射泵输送至内层针头（27 G不锈钢毛细管）；含有表面活性剂的水相则由第二个注射泵输送至外层针头（20 G不锈钢三通接头）。同轴喷嘴施加高电压后，由于电动力克服了液体的表面张力和惯性应力，从而生成尺寸均一的超细液滴。每个液滴本质上作为一个“微反应器”，在有机溶剂通过蒸发被去除后，疏水相互作用会自发引发自组装“反应”。使用不同的有机溶剂可导致胶束纳米晶体形成不同结构：不溶于水的有机溶剂氯仿可形成球形胶束结构，而可溶于水的有机溶剂四氢呋喃（THF）在较长反应时间下则形成蠕虫状胶束结构，并提高纳米晶体的包封效率。

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方案

注意：由于使用有机溶剂，所有操作均应在化学通风橱中进行。由于使用高电压，当电源开启时应避免身体接触仪器设备。请采取所有适当的安全措施，例如佩戴个人防护装备（安全眼镜、手套、实验服、长裤和不露脚趾的鞋子）。查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。

1. 材料准备

  1. 制备量子点溶液：将10 mg疏水性量子点（荧光发射峰波长为605 nm，此处作为模型纳米晶体）溶解于20 mL有机溶剂中（使用氯仿制备球形胶束，或使用四氢呋喃制备蠕虫状胶束），涡旋振荡20秒。
  2. 制备PS-PEG溶液：将100 mg PS-PEG（两亲性嵌段共聚物，包含9.5 kDa的PS链段和18.0 kDa的PEG链段）溶解于10 mL有机溶剂中（使用氯仿制备球形胶束，或使用四氢呋喃制备蠕虫状胶束）。通过涡旋振荡1分钟（氯仿）或水浴超声2分钟（四氢呋喃）使溶液混合均匀。
  3. 取1 mL量子点溶液与1 mL PS-PEG溶液混合，涡旋振荡1分钟。将混合液加入注射器A中。该注射器由聚四氟乙烯（PTFE）制成。
  4. 制备PVA溶液：将400 mg PVA（分子量13–23 kDa，醇解度87–89%）溶于10 mL水中，在60–80 °C的恒温水浴中加热4–5小时。使用前让PVA溶液冷却至室温。
  5. 向注射器B中加入5 mL PVA溶液。该注射器由聚四氟乙烯（PTFE）制成。

2. 仪器设备的设置

  1. 将内层毛细管插入外层毛细管组件中，并轻轻旋紧至适当位置，切勿过度拧紧。图2展示了同轴电喷雾系统的整体装置。内层毛细管针为27 G（外径500 µm，内径300 µm）的不锈钢毛细管，外层针为20 G（外径1,000 µm，内径500 µm）的不锈钢三通连接器。所用PTFE管的内径为1.8 mm。
  2. 如图2所示，将注射器A安装在注射泵A上。使用PTFE管将注射器A连接至电喷雾同轴喷嘴的内层不锈钢毛细管。
  3. 如图2所示，将注射器B安装在注射泵B上。使用PTFE管将注射器B连接至电喷雾同轴喷嘴的外层不锈钢毛细管。
  4. 将电喷雾同轴喷嘴尖端置于接地钢环（直径1.5 cm）上方约0.8 cm处。
  5. 在同轴喷嘴下方约10 cm处放置一个玻璃收集皿。
  6. 在电源关闭状态下，将接地线（图2中的黑色导线）连接至接地钢环。
  7. 在电源关闭状态下，使用金属鳄鱼夹将电源的正极端子（图2中的红色导线）连接至同轴喷嘴的内层针头。

3. 胶束纳米晶体的制备

  1. 将注射泵 A 的流速设置为 0.6 mL/h。
  2. 将注射泵 B 的流速设置为 1.5 mL/h。
  3. 启动两个注射泵，并等待各自的流速稳定。当喷嘴处以稳定频率形成液滴时，表明流速已稳定。通常在启动注射泵后 60 秒内即可达到此状态。
    注意：管路中不应有气泡，液滴应在电喷雾同轴喷嘴处形成。
  4. 打开电源，向电喷雾同轴喷嘴施加正高压。调节施加的电压至 5–9 kV 范围内，直至在同轴喷嘴尖端观察到凹面锥形射流（即汇聚射流，通常称为“泰勒锥”）（如 图 3a 插图所示）。
    警告：当施加高电压时，切勿触碰电喷雾喷嘴。请遵循适当的安全防护措施。
    注意：施加电压不足会导致液滴在喷嘴尖端形成（如 图 3b 插图所示），而电压过高则会在喷嘴与接地钢环之间产生电弧。
  5. 在获得稳定的泰勒锥（图 3a）后，向一个洁净的收集皿中加入 10 mL 去离子水，并将装置中的玻璃收集皿更换为该皿。新皿将用于收集胶束纳米晶体产物。
  6. 运行胶束纳米晶体生成过程一定时间（制备球形胶束形态约需 40 分钟，制备蠕虫状胶束形态约需 90 分钟）。随后将收集皿从电喷雾喷嘴下方移除。
  7. 停止注射泵 A 和 B。
  8. 关闭高压电源。
  9. 将未加盖的收集皿置于通风橱中过夜，使有机溶剂充分挥发。
    注意：根据胶束纳米晶体产物的表征结果判断，过夜挥发足以去除有机溶剂，从而获得高质量的产物。
  10. 最后，将胶束纳米晶体产物转移至 15 mL 离心管中，用于表征（例如荧光光谱、动态光散射、透射电子显微镜和热分析）、应用或储存。将最终的胶束纳米晶体产物储存在 4 °C 冰箱中。
    注意：该产物在此储存条件下至少可保持稳定一个月。

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结果

图1 展示了一个示意图，总结了在制备过程中所用有机溶剂对胶束纳米晶体结构（形状和包封）的调控作用。简而言之，二氯甲烷生成无纳米晶体包封的球形胶束；氯仿生成包封少量纳米晶体的球形胶束；四氢呋喃（THF）在较短反应时间内生成包封大量纳米晶体的球形胶束，而在较长反应时间内则生成包封大量纳米晶体的蠕虫状胶束。

使用氯仿作为有机溶剂制备的球形胶束纳米晶体，其粒径约为35 nm（通过透射电子显微镜（TEM）测定；图3a）。确保成功制备的一个关键质量控制方法是观察泰勒锥（Taylor cone）：将电压调节至5–9 kV范围内，直至形成凹面锥状射流（即泰勒锥），从而确保“微反应器”的形成，自组装“反应”即在其中发生（图3a）。作为对比，图3b

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讨论

本文所述胶束纳米晶体的制备方法结合了自上而下的电喷雾、自下而上的自组装以及基于溶剂的结构调控。一种有效且便捷的质量控制方法是观察同轴喷嘴尖端形成的泰勒锥。这是因为一个形态良好的泰勒锥表明电场力与表面张力之间达到（或接近）平衡，进而说明已成功形成用于自组装反应自发进行的微反应器（即均匀的超细液滴）。如果泰勒锥未能正常形成，应调节电源电压和注射泵的流速，同时确保同轴喷嘴尖端与接地钢环之间的距离合适，直至观察到形态良好的泰勒锥。获得稳定泰勒锥的一种方法是逐步提高高压，直到电喷雾喷嘴尖端与接地钢环之间开始出现电弧放电；此时，将电喷雾电压降低0.5–1.5 kV，使电弧消失。若仍未能形成稳定的泰勒锥，需仔细观察从喷嘴尖端流出的液体：若液体以间歇性液滴形式出现，应系统性地降低注射泵流速，直至观察到稳定的泰勒锥；若喷嘴尖端无液滴出现，则应系统性地提高注射泵流速，直至形成稳定的泰勒锥。此外，同轴喷嘴尖端与产物收集皿之间的距离应保持在适当范围内。若距离过小，有机溶剂的蒸发可能过慢，从而对胶束纳米晶体的形成过程产生不利影响；反之，若距离过大，在生产过程中会有大量材料以气溶胶形式损失。最后，聚合物和量子点（QDs）的浓度也应维持在适当水平。若聚合物浓度过低，...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢以下机构提供的经费支持： "全球千名青年人才计划" 中国中央政府颁发的奖项，一个 "Shuang Chuang" 中国江苏省政府资助、南京大学工程与应用科学学院启动基金、奖项资助 "天-地" 江苏省高等教育优势学科建设工程优先发展基金（PAPD）、江苏省自然科学基金资助

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
疏水性量子点Ocean NanotechQSP固态疏水性 CdSe/ZnS 量子点，荧光发射峰值波长为 605 nm。
聚苯乙烯-嵌段-聚乙二醇（PS-PEG）Sigma-Aldrich666476-500MGPS 段分子量为 9.5 kDa，PEG 段分子量为 18.0 kDa。
聚乙烯醇（PVA）Sigma-Aldrich363170-500G分子量 13–23 kDa，87–89% 已水解。
四氢呋喃（THF）国药集团化学试剂有限公司80124418
氯仿国药集团化学试剂有限公司40007960
注射泵保定申晨SPLab01
管路上海莱兴外径 2 mm、内径 1.8 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）管。
注射器亿铭5.CC5 mL 一次性聚四氟乙烯（PTFE）注射器。
高压电源东文DW 系列直流电源（输出范围 0–50 kV）。
同轴电喷雾喷嘴湖南长沙纳仪不锈钢组件。内层毛细管针为 27 号（外径 500 μm，内径 300 μm）；外层毛细管为 20 号（外径 1,000 μm，内径 500 μm）。
涡旋振荡器西安赫贝生物科技有限公司 中国MX-SMX-S 型，转速范围宽（0–2,500 rpm），无级调速，支持触控和连续运行。
钢环义乌万图可制作不同直径的环（0.8–1.8 cm）。例如，将一段长约 25 cm、直径 0.5 mm（24 号，AWG）的钢丝卷曲可制成直径为 1.3 cm 的环。
玻璃收集皿Grainger1u5084高度 25 mm、直径 120 mm 的玻璃皿。
15 mL 离心管江苏新康医疗器械有限公司X-407离心管由透明聚丙烯（PP）制成。

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