具有压电催化性能的无机纳米材料和催化制氢纳米反应器及其制备方法和应用

摘要

本发明提供一种具有压电催化性能的无机纳米材料及其制备方法，所述无机纳米材料包括核层材料和壳层材料，所述壳层材料负载在所述核层材料的表面；其中，所述核层材料包括压电材料，所述壳层材料包括金属纳米颗粒。本发明还提供一种催化制氢纳米反应器及其制备方法，所述催化制氢纳米反应器包括如上所述的无机纳米材料、质子供体和脂质，所述纳米反应器为将所述无机纳米材料和所述质子供体共同包裹在所述脂质中形成在外场刺激下产氢的纳米粒子。本发明还提供一种如上所述的催化制氢纳米反应器在制备治疗炎症相关疾病的药物或医疗器械中的应用。

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料技术领域，具体涉及一种具有增强压电催化效应、结构单一、高稳定性、优异的产氢性能的催化制氢纳米反应器及其制备方法和在制备治疗炎症相关疾病的催化医学药物或医疗器械中的应用。

背景技术

氢气分子(H

发明内容

针对现有技术的局限性，本发明旨在提供一种具有超声响应性、压电催化产氢性能的催化制氢纳米反应器及其制备方法和在制备治疗炎症相关疾病的催化医学药物或医疗器械中的应用。

第一个方面，本发明提供一种具有压电催化性能的无机纳米材料，所述无机纳米材料包括核层材料和壳层材料，所述壳层材料负载在所述核层材料的表面；其中，所述核层材料包括压电材料，所述壳层材料包括金属纳米颗粒。

较佳地，所述核层材料选自钛酸钡、钛酸铅和氧化锌中的一种或几种，优选地为钛酸钡；所述壳层材料选自金纳米颗粒、银纳米颗粒和铜纳米颗粒中的一种或几种，优选地为金纳米颗粒。

较佳地，所述无机纳米材料为钛酸钡核层以及金纳米颗粒包覆层形成的Au@BTO纳米材料；所述Au@BTO纳米材料为粒径优选为100-150nm的立方体形貌颗粒，表面修饰的金纳米颗粒的粒径优选为不大于10nm。

第二个方面，本发明还提供一种如上所述的具有压电催化性能的无机纳米材料的制备方法，所述具有压电催化性能的无机纳米材料的制备方法包括化学合成法、水热合成-烧结法和磁控溅射法。

较佳地，所述具有压电催化性能的无机纳米材料为Au@BTO纳米材料，通过化学合成法制备得到，包括如下步骤：将钛酸钡粉体均匀分散在含金源和保护剂的溶液中，与还原剂混合后在95-120℃下进行还原反应，冷却至室温并离心、干燥，然后将离心收集的产物在250-350℃下退火1-4小时。

较佳地，所述含金源和保护剂的溶液包括溶剂，所述溶剂选自水、乙醇、丙酮和氯仿中的一种或几种，优选为水；所述金源选自四氯金酸、三氯化金和四氯金酸钾中的一种或几种，优选为四氯金酸，所述保护剂为聚乙烯吡咯烷酮；所述还原剂选自硼氢化钠、甲醛和抗坏血酸中的一种或几种，优选为硼氢化钠；所述钛酸钡和金源的摩尔比为20：1～10：1。

第三个方面，本发明还提供一种催化制氢纳米反应器，包括如上所述的具有压电催化性能的无机纳米材料或由如上所述的制备方法制备的具有压电催化性能的无机纳米材料、质子供体和脂质，所述纳米反应器为将所述无机纳米材料和所述质子供体共同包裹在所述脂质中形成在外场刺激下产生医用治疗性气体分子氢气的纳米粒子。

较佳地，所述外场为超声波。

较佳地，所述质子供体选自醋酸、脱氢醋酸、丙酸、乳酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、枸橼酸、山梨酸、甲酸、磷酸、苹果酸、酒石酸、己二酸、琥珀酸、辛酸、戊二酸、水杨酸、硼酸、单卤醋酸、重碳酸和富马酸中的一种或几种，优选为抗坏血酸。

较佳地，所述脂质选自磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、糖脂和脂酰甘油中的一种或几种，优选为磷脂酰胆碱。

根据本发明，将金属纳米颗粒修饰在核层材料表面后，复合结构的纳米粒子具有优异的增强压电响应特性，在超声波的机械力作用下，钛酸钡纳米颗粒发生形变进而使电子一空穴分离，而纳米粒子的异质结构有利于增强电子—空穴的分离与电子迁移。由此产生的压电电势可以在质子供体存在下催化产生氢气。并且，进一步利用脂质体将质子供体和纳米粒子共同包裹在脂质囊泡中形成在超声波等外场刺激下产氢的纳米反应器，提高产生氢气的浓度。在临床医学应用中，本发明的催化制氢纳米反应器可以在生物体内炎症部位原位产生高浓度的氢气，有效缓解氧化应激、治疗炎症，避免了口服或注射消炎药所带来的毒副作用。

根据本发明，经过退火处理的具有压电催化性能的无机纳米材料可以进一步提高无机纳米材料的结晶性，进一步提高由此制备得到的催化制氢纳米反应器的响应超声机械波的效率，提高产生氢气的浓度。

第四个方面，本发明还提供一种如上所述的催化制氢纳米反应器的制备方法，包括以下步骤：将如上所述的具有压电催化性能的无机纳米材料或由如上所述的制备方法制备的具有压电催化性能的无机纳米材料和质子供体包裹在脂质中形成脂质体，得到催化制氢纳米反应器。

较佳地，所述脂质体的形成方法包括薄膜分散法、过膜挤压法、French挤压法、逆相蒸发法和化学梯度法。

较佳地，所述制备方法包括以下步骤：将所述的具有压电催化性能的无机纳米材料和脂质相互混合分散、吹干成膜，然后用质子供体溶液水化，挤出成脂质体。

较佳地，所述质子供体选自醋酸、脱氢醋酸、丙酸、乳酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、枸橼酸、山梨酸、甲酸、磷酸、苹果酸、酒石酸、己二酸、琥珀酸、辛酸、戊二酸、水杨酸、硼酸、单卤醋酸、重碳酸和富马酸中的一种或几种，优选为抗坏血酸。

较佳地，所述脂质选自磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、鞘磷脂、磷脂酸、磷脂酰甘油、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、糖脂和脂酰甘油中的一种或几种，优选为磷脂酰胆碱。

根据本发明，本发明提供的上述催化制氢纳米反应器的制备方法，制备工艺简单易行、无污染、产量高、成本低，得到的纳米反应器的粒径可控、稳定性好，有高效的超声响应产氢特性，产生极好的治疗效果，是极具应用前景的抗炎、氧化应激保护的治疗方案之一。

第五个方面，本发明还提供一种如上所述的催化制氢纳米反应器在制备治疗炎症相关疾病的药物或医疗器械中的应用，所述催化制氢纳米反应器在外场刺激下产生医用治疗性气体分子氢气，所述外场优选为超声波。

根据本发明，本发明的催化制氢纳米反应器可以高效响应超声机械波产生治疗性气体分子氢气，用于缓解氧化应激，治疗炎症相关疾病。本发明通过一种新的炎症治疗理念，利用Au@BTO基超声制氢反应器将压电电子学和纳米催化化学相结合，以通过在外源超声波作用下产生治疗性气体分子氢气进行有效的炎症治疗，称为压电纳米催化医学，可以应用于制备炎症相关疾病的药物或医疗器械中。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种催化制氢纳米反应器，具有增强压电催化效应、结构均一、高稳定性、优异的产氢性能等优点，利用Au@BTO基超声制氢反应器将压电电子学和纳米催化化学相结合，以通过在外源超声波作用下刺激病灶原位产生治疗性气体分子氢气，有效缓解氧化应激、治疗炎症，避免了口服或注射消炎药所带来的毒副作用，可以应用于制备炎症相关疾病的药物或医疗器械中。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方式的具有压电催化性能的无机纳米材料的立体结构示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施方式的制备超声催化制氢纳米反应器的流程图。

图3示出了根据本发明实施例1制备的核层BaTiO

图4示出了根据本发明实施例1制备的纳米反应器的TEM图，显示出脂质的包裹效果。

图5示出了根据本发明实施例1制备的纳米反应器的细胞活性氧检测流式结果图，显示出通过本发明形成的高效超声制氢的纳米材料有利于缓解氧化应激。

图6示出了根据本发明实施例1制备的纳米反应器在超声作用10分钟后的气相色谱仪测试结果，显示出本发明的纳米反应器在超声机械力作用下能产生氢气。

附图标记：

10-核层材料，20-壳层材料。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

根据本发明的第一个方面，提供了一种催化制氢纳米反应器，包括具有压电催化性能的无机纳米材料、质子供体和脂质，所述纳米反应器为将所述质子供体和所述无机纳米材料共同包裹在所述脂质中形成在外场刺激下产氢的纳米粒子，其中所述外场例如可以为超声波。

根据本发明，本发明的催化制氢纳米反应器具有优异的增强压电响应特性，在例如超声波的外场刺激作用下，产生的压电电势可以在质子供体存在下催化产生氢气。并利用脂质体将具有压电催化性能的无机纳米材料和质子供体共同包裹在脂质囊泡中，形成在超声波等外场刺激下产氢的纳米反应器，进一步提高产生氢气的浓度。在临床医学应用中，本发明的催化制氢纳米反应器可以在生物体内炎症部位原位产生高浓度的氢气，有效缓解氧化应激、治疗炎症，避免了口服或注射消炎药所带来的毒副作用。

具体地，如图1所示，所述具有压电催化性能的无机纳米材料为立方体形貌颗粒，包括核层材料10和壳层材料20，所述壳层材料10负载在所述核层材料20的表面。其中，所述核层材料10包括但不限于压电材料，例如选自钛酸钡、钛酸铅和氧化锌中的一种或几种；所述壳层材料20包括但不限于金属纳米颗粒，例如选自金纳米颗粒、银纳米颗粒和铜纳米颗粒中的一种或几种。

根据本发明的催化制氢纳米反应器具有优异的增强压电响应特性的可能性原因在于：在本发明中所采用的具有压电催化性能的无机纳米材料为具有压电效应的材料，而压电效应的根源是晶体中离子电荷的位移，当给晶体施加应力则电荷发生位移，如果电荷分布不再保持对称就会出现净极化，并将伴随着产生一个电场，而这个电场就表现为压电效应。在本发明中，将金属纳米颗粒修饰在核层材料表面后，复合结构的纳米粒子具有优异的增强压电响应特性，在例如超声波的机械力作用下，钛酸钡纳米颗粒发生形变进而使电子一空穴分离，而纳米粒子的异质结构有利于增强电子—空穴的分离与电子迁移。由此产生的压电电势可以在质子供体存在下催化产生氢气。

根据本发明所采用的具有压电催化性能的无机纳米材料，位于核层的压电材料可以是未经极化处理的压电材料，也可以是经过极化处理的压电材料。对于核层中包括未经极化处理的压电材料的催化制氢纳米反应器可以在使用前进行极化处理，所述极化处理的步骤较为简单，只要将催化制氢纳米反应器作为工作电极放入两电极体系中进行通电处理即可实现极化处理。

根据本发明所采用的具有压电催化性能的无机纳米材料，位于壳层的金属纳米颗粒具有表面等离子体效应。在本发明中术语“表面等离子体”(surface plasmons,SPs)是指在金属(如金、银、铜等)表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。在本发明中，对于具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒的选择并没有特殊要求，只要满足在金属颗粒的表面存在自由振动的电子与光子，且两者相互作用能够产生沿着金属表面传播的电子疏密波即可。在本发明中可以使用的具有表面等离子体效应的金属纳米颗粒中的金属材料包括但不限于金、银和铜中的一种或几种。

根据本发明所采用的具有压电催化性能的无机纳米材料，在一个实施例中，所述无机纳米材料可以为钛酸钡核层以及金纳米颗粒包覆层形成的Au@BTO纳米材料。进一步地，所述Au@BTO纳米材料为粒径优选为100-150nm的立方体形貌颗粒，表面修饰的金纳米颗粒的粒径优选不大于10nm。

根据本发明的催化制氢纳米反应器中的质子供体包括但不限于如下的酸：醋酸、脱氢醋酸、丙酸、乳酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、枸橼酸、山梨酸、甲酸、磷酸、苹果酸、酒石酸、己二酸、琥珀酸、辛酸、戊二酸、水杨酸、硼酸、单卤醋酸、重碳酸(dicarbonic acid)和富马酸。这里所使用的酸的盐和酯也在本发明的质子供体的可选范围内。这里所述的酸、酸式盐、或酸式酯的组合和混合物也在本发明的质子供体的可选范围内。用于本发明的催化制氢纳米反应器中的一种优选的质子供体为抗坏血酸。

根据本发明的催化制氢纳米反应器中的脂质包括但不限于磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、鞘磷脂(sphingomyelin,SM)、磷脂酸(phosphatidic acid,PA)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)、糖脂和脂酰甘油中的一种或几种混合物。用于本发明的催化制氢纳米反应器中的一种优选的脂质为磷脂酰胆碱。

根据本发明的第二个方面，本发明还提供了一种根据本发明如上所述的催化制氢纳米反应器的制备方法，该制备方法包括如下步骤：将如上所述的具有压电催化性能的无机纳米材料与质子供体包裹在脂质中形成脂质体，得到所述催化制氢纳米反应器。图2示出了根据本发明的一个实施方式的制备超声催化制氢纳米反应器的流程图。

根据本发明的上述制备方法，所述的具有压电催化性能的无机纳米材料的制备方法根据核层材料的不同包括但不限于化学合成法、水热合成-烧结法和磁控溅射法。

在本发明的催化制氢纳米反应器以核层材料为钛酸钡(BaTiO

其中，所述含金源和保护剂的溶液包括溶剂，所述溶剂包括但不限于水、乙醇、丙酮和氯仿中的一种或几种，优选为水或乙醇，本发明实施例采用水作为溶剂。所述金源包括但不限于四氯金酸(HAuCl

在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，所述钛酸钡和金源的摩尔比优选为20：1～10：1。该摩尔比不同，生成的Au@BTO纳米材料的颗粒形貌各异，因此可通过调控所述钛酸钡和金源的摩尔比来控制生成的Au@BTO纳米材料的颗粒形貌，例如包括Au@BTO纳米材料的粒径和密度，本发明实施例中所述摩尔比例如为16：1、15：1或12：1。在上述制备步骤中，可将含金源和保护剂的溶液与还原剂同时加入到一反应器中混合或该两种溶液相互滴加来混合。在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，金源与保护剂的质量比可以为1：1，金源与还原剂的摩尔比可以为5：4。

在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，含金源和保护剂的溶液与还原剂之间的还原反应的反应温度优选为80-140℃，在该温度范围内，利于精确地控制生成的Au@BTO纳米材料的颗粒形貌。所述还原反应在一反应器中进行，可通过水浴或沙浴等加热方式，在所述混合过程开始之前就加热所述混合反应的反应器到预定温度，然后再进行混合，并一直保持该温度到反应结束。本发明实施例中采用水浴加热的方式在所述混合反应开始之前就加热所述混合反应的反应器到例如100℃，并一直保持该温度到反应结束。

另外，在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，还包括将还原反应产物冷却并离心收集、然后将离心收集的产物在250-350℃下退火1-3小时的步骤，通过这一步骤可以获得更加稳定、更加可控的颗粒形貌的Au@BTO纳米材料。同时，通过退火过程，制备的催化制氢纳米反应器可以进一步提高结晶性，提高响应超声机械波的效率，提高产生氢气的浓度。具体的退火方法可以为将离心干燥的粉体在马弗炉中升温，升温速率及最高退火温度可根据金纳米颗粒修饰量选择，例如可为10℃/min升温至250-350℃并保温1-4小时，本发明实施例中优选300℃、保温2小时。

在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，核层材料BaTiO

在上述化学合成法制备Au@BTO纳米材料的步骤中，在一实施方式中，将Ti(OC

通过上述制备方法制备的核层材料BaTiO

在上述催化制氢纳米反应器的制备过程中，还可采用水热合成-烧结法或磁控溅射法将壳层材料负载在核层材料的表面以制备所述的具有压电催化性能的无机纳米材料。

具体地，水热合成-烧结法的制备过程如下：将壳层材料的前驱体材料溶解在溶剂中形成前驱体溶液，然后将核层材料置入前述前驱体溶液中，在水热合成条件下，在核层材料的外周形成前驱体层，最后在烧结条件下分解前述前驱体层，形成所述的具有压电催化性能的无机纳米包覆材料。

其中，在水热合成的步骤中，可以根据需要选择可溶性的壳层材料的前驱体材料，例如以壳层材料为银纳米颗粒为例，将核层材料(例如BaTiO

在上述水热合成-烧结法制备所述的具有压电催化性能的无机纳米材料中，核层材料BaTiO

具体地，磁控溅射法的制备过程如下：将核层材料(例如BaTiO

根据本发明的催化制氢纳米反应器的制备方法中，将如上所述的具有压电催化性能的无机纳米材料与质子供体包裹在脂质中形成脂质体，其中所述脂质体的形成方法包括薄膜分散法、过膜挤压法、French挤压法、逆相蒸发法和化学梯度法。

根据本发明的催化制氢纳米反应器的制备方法中，所述制备方法包括以下步骤：将所述的具有压电催化性能的无机纳米材料和脂质相互混合分散，吹干成膜，然后用质子供体溶液水化，挤出成脂质体。

在上述催化制氢纳米反应器的制备过程中，所述质子供体包括但不限于如下的酸：醋酸、脱氢醋酸、丙酸、乳酸、苯甲酸、对羟基苯甲酸、抗坏血酸、异抗坏血酸、枸橼酸、山梨酸、甲酸、磷酸、苹果酸、酒石酸、己二酸、琥珀酸、辛酸、戊二酸、水杨酸、硼酸、单卤醋酸、重碳酸(dicarbonic acid)和富马酸。这里所使用的酸的盐和酯也在本发明的质子供体的可选范围内。这里所述的酸、酸式盐、或酸式酯的组合和混合物也在本发明的质子供体的可选范围内。用于本发明的催化制氢纳米反应器中的一种优选的质子供体为抗坏血酸。

在上述催化制氢纳米反应器的制备过程中，所述脂质包括但不限于磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine,PC)、磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine,PE)、鞘磷脂(sphingomyelin,SM)、磷脂酸(phosphatidic acid,PA)、磷脂酰甘油(phosphatidylglycerol,PG)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol,PI)、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)、糖脂和脂酰甘油中的一种或几种混合物。用于本发明的催化制氢纳米反应器中的一种优选的脂质为磷脂酰胆碱，例如二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)。

具体地，在一个具体实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：将二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)与由上述制备方法得到的Au@BTO共分散吹干成膜并利用抗坏血酸水溶液水化挤出成脂质体。

在另一个具体实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：将由上述制备方法得到的Au@BTO分散于二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)、DSPE-PEG、胆固醇的氯仿溶液中，超声振荡，随后用例如氮气的保护气体将共混体系吹干成脂质膜，然后用含抗坏血酸的水溶液水化，最后将水化后的脂质体悬液用滤膜挤出成脂质体。

在上述制备过程中，Au@BTO与二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)的质量比可以为1：8～10：1，挤出温度可以为50-60℃，例如55℃。

本发明提供了一种简单易行的、环境友好的方法合成出具有粒径可控、理化性质稳定、具有独特外场响应模式、安全性有保证的新型纳米材料体系。在此公开的制备方法合成工艺简单可行、反应条件可控制精确。在此公开的超声催化制氢纳米反应器采用一种新颖、无毒的超声控释气体治疗模式，可在有效避免抗生素带来的毒副作用和耐药性的同时大大提高炎症的治疗效果。这种功能纳米材料在抗炎气体的可控释放及治疗各类炎症方面的应用中有很好的应用前景。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并不一定要限定与下文示例的具体数值。

实施例1：

(1)制备核层BaTiO

(2)制备金纳米颗粒修饰的增强压电纳米材料Au@BaTiO

(3)材料退火处理：将经金纳米颗粒修饰后的纳米颗粒在马弗炉中以10℃/min升温至300℃并保温2小时后得到产物Au@BaTiO

图3是本发明实施例1中合成的核层BaTiO

实施例2：

退火后的增强压电纳米颗粒进行脂质包裹形成脂质体：将30mg DPPC、20mg胆固醇、2.5mg DSPE-PEG与5mg Au@BTO纳米颗粒共同溶于3mL氯仿中，并超声20min。随后，使用氮气将共混体系吹成含有纳米颗粒的脂质膜。将0.3g的抗坏血酸溶于去离子水中充分溶解后水化先前制备好的脂质膜。最后，在55℃下将水化后的脂质体悬液用滤膜挤出。

图4是本发明实施例2的脂质修饰后的压电纳米粒子的TEM图，可以看出脂质体的包裹效果。

实施例3：

活性氧测试：将PC12细胞以每孔1×10

图5是本发明实施例1中超声催化制氢纳米反应器的流式结果数据图，可以看出通过本发明的技术手段可以制备治疗性气体分子氢气，从而实现有效缓解氧化应激。

实施例4：

纳米粒子超声制氢性能测试：

将5mL(浓度为500μg·mL

图6是本发明实施例1的催化制氢纳米反应器在超声作用下生成氢气的气相色谱图结果，可以证明在超声波的刺激下超声制氢纳米反应器确实能够产生氢气分子。