CN102674312B - 水溶性富勒烯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水溶性富勒烯的制备方法，其包括如下步骤：步骤一、将富勒烯粉末和能与富勒烯产生稳定作用的水溶性分子用混料机进行强力混合形成混合物；步骤二、然后将所述混合物溶于水中进行充分搅拌；步骤三、用过滤器多次过滤得到的滤液即为水溶性富勒烯溶液；步骤四、加热蒸发掉溶剂水，然后真空干燥，得到粉末状固体的水溶性富勒烯。本发明还涉及一种利用此种制备方法制备出来的水溶性富勒烯。本发明的制备方法绿色环保、安全高效，又适于批量生产。

Description

水溶性富勒烯及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的水溶性富勒烯制备方法及用此制备方法制备的水溶性富勒烯，尤其是指一种具有抗自由基氧化等生理活性的水溶性富勒烯及其制备方法。

背景技术

自从1985年被发现以来，富勒烯就因其特殊的物理和化学性能而倍受关注。其中产量最丰的C₆₀、C₇₀两种富勒烯分子及其衍生物、复合物、包合物，更是被发现具有优异的抗氧化活性、抗菌性和抗癌性等生理活性。1992年，杜邦公司的Charles N.McEwen发现富勒烯具有超强的消除自由基性质，由此首次提出了富勒烯可以作为“自由基海绵”的概念。此后，围绕富勒烯去除自由基的应用研究广泛展开，日本的研究人员更成功将富勒烯引入化妆品中，制成了有抗自由基等特殊功效的护肤品并受到认可。但是经过多年的研究，人们发现富勒烯基化合物在应用过程时，既要保证其优异的生理活性，又要确保其良好的稳定性是非常困难的。在已有的报道中，解决这一问题主要有两种方法(Biomedicine & Pharmacotherapy 59(2005)351-358)：1)化学修饰法，即利用化学反应在富勒烯外修饰上羟基或者羧基；2)水溶性高分子包覆法，即利用聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、环糊精等水溶性分子将富勒烯分子进行包裹形成水溶性复合物)。目前基于上述两种方法制备水溶性富勒烯的相关报道中，所采用的工艺条件都极为复杂，涉及大量有机甚至对生物体有害试剂的使用。更重要的是已有研究(L.Xiao et al./Bioorg.Med.Chem.Lett.16(2006)1590-1595)指出，当水溶性富勒烯在水中分散形成的粒径小于100nm时，会增加水溶性富勒烯的生物毒性。而传统方法中制得水溶性富勒烯分子的粒径通常较小，从而使实际应用带来安全隐患。因此寻求绿色高效的制备方法，同时保证所得水溶性富勒烯分子具有合理的尺寸是富勒烯在实际应用中需要迫切解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种既绿色环保、安全高效，又适于批量生产的水溶性富勒烯制备方法及用此方法制备出来的水溶性富勒烯。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是：提供一种水溶性富勒烯的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一、将富勒烯粉末和能与富勒烯产生稳定作用的水溶性分子用混料机进行强力混合形成混合物；

步骤二、然后将所述混合物溶于水中进行充分搅拌；

步骤三、用过滤器多次过滤得到的滤液即为水溶性富勒烯溶液；

步骤四、加热蒸发掉溶剂水，然后真空干燥，得到粉末状固体的水溶性富勒烯。

在本发明的制备方法中，所述富勒烯包括空心富勒烯或内嵌富勒烯。优选地，所述富勒烯为C₆₀或C₇₀。

在本发明的制备方法中，所述水溶性分子选自聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙二醇，淀粉及其衍生物，羟甲基/丙基纤维素，聚丙烯酰胺，聚丙烯酸，阿拉伯胶，聚乙烯醇、或者聚丙烯醇的一种。优选地，所述水溶性分子为聚乙烯基吡咯烷酮。更优选地，所述聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为5000-1500000。

在本发明的制备方法中，富勒烯和聚乙烯基吡咯烷酮的质量比为小于1∶70。优选地，富勒烯和聚乙烯基吡咯烷酮的质量比为1∶80-1∶100。

在本发明的制备方法中，在利用混料机进行强力混合时，配合适当的冷却措施以确保富勒烯粉末不被氧化。

在本发明的制备方法中，强力混合时间应为12-96小时。

在本发明的制备方法中，步骤二中的水温为20-40℃。

在本发明的制备方法中，步骤二中的搅拌时间为2-12小时。

在本发明的制备方法中，步骤三中的过滤器孔径为0.7-1.0μm。优选地，所述过滤器孔径为0.8μm。

解决本发明的技术问题所采用的另一技术方案是：提供一种根据根据上述制备方法制备出来的水溶性富勒烯。

与其它现有技术比较，本发明具有以下优点：

1、在本发明提供的制备方法的整个过程中不使用任何有机试剂，因此产品中不存在溶剂残留问题。确保产品的使用安全性，同时也省去了后续去除残留溶剂所需要的复杂过程。整体工艺过程简单，所采用的设备低能耗、高产能，同时整个生产过程不存在任何污染物的排放，因此是一种绿色环保，安全有效的生产工艺。

2、本发明提供的制备方法中，水溶性分子与富勒烯之间通过物理混合方法充分结合，使富勒烯外围包覆上大量的水溶性分子，进而实现富勒烯在水中溶解性的提高。但富勒烯的分子结构并未发生改变，保持了富勒烯分子碳笼本身的稳定性和物理化学性质。

3、本发明提供的制备方法，适用于多种可以与富勒烯产生相互作用将富勒烯进行包覆的水溶性高分子，因此普适性强，易于进行推广应用。

4、本发明提供的制备方法，所涉及的整体工艺过程可以概括为：(1)、粉末混料——溶解——过滤——蒸发溶剂——干燥——粉碎——灭菌——包装；或者；(2)、粉末混料——溶解——过滤——定容——标定浓度——灭菌——包装，非常易于放大生产。

5、本发明提供的制备方法中制备的水溶性富勒烯与传统溶剂介导法所得同类型水溶性富勒烯相比具有更大粒径，同时本发明方法在制备过程中没有任何有机试剂的残留，因此在生物医学领域的应用会更加安全。

6、本发明提供的制备方法，生产过程中未实现有效复合的富勒烯和水溶性分子，可以通过溶剂萃取的方法实现回收再利用。

7、本发明提供的方法，所得到的水溶性富勒烯在去除自由基方面性能优异，因此在化妆品工业、生物医学领域中具有重要应用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1a为本发明实施例一所得的水溶性富勒烯的透射电镜照片图。

图1b为本发明实施例一所得的水溶性富勒烯的动态光散射尺寸分布图。

图2a为本发明实施例二所得的水溶性富勒烯的透射电镜照片图。

图2b为本发明实施例二所得的水溶性富勒烯的动态光散射尺寸分布图。

图3a为本发明实施例一所制备的水溶性富勒烯与传统溶剂介导法所得水溶性富勒烯的紫外吸收谱图的比较图。

图3b为本发明实施例一所制备的水溶性富勒烯与传统溶剂介导法所得水溶性富勒烯的动态光散射尺寸分布图的比较图。

图4a为传统溶剂介导法所制备的水溶性富勒烯的透射电镜图。

图4b为本发明的实施例一所得的水溶性富勒烯的透射电镜图。

图5a、5b、5c为不同浓度的C₆₀-PVP复合物去除羟基自由基的ESR谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述反应物如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例一：

将4.8g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、55mg C₆₀(C₆₀所占质量百分比为1.14％)用混料机(混料机可为全部适合固体原料进行混合的器械)混合均匀后置于球磨机中，向其中加入氧化锆球或玛瑙球进行12小时的充分球磨混合，其中，在利用混料机进行强力混合时，配合适当的冷却措施，优选循环冷却水系统，以确保富勒烯粉末不被氧化。

随后将混合物溶解于400ml水中，并充分搅拌2小时，后用过滤器将搅拌均匀的混合溶液过滤，所得透明黄褐色滤液即为水溶性富勒烯溶液；被滤除的沉淀物基本为未能完全进行复合的富勒烯剩余物，未完全复合的富勒烯和聚乙烯吡咯烷酮回收干燥。

然后，加热水溶性富勒烯溶液以蒸发掉溶剂水，然后在低温下用冻干机进行低压干燥，得到粉末状固体的水溶性富勒烯。未能和PVP进行复合的C60，利用甲苯进行萃取，萃取后的C60-甲苯溶液经过旋转蒸发仪蒸干溶剂后，在真空干燥器中干燥成粉末，干燥后的C60粉末重约4.1mg，与PVP进行复合的C60约为50.9mg，计算得到实际PVP-C₆₀复合物中C₆₀所占质量百分比为1.03％，复合物粒径尺寸约200nm。参考附图，图1a为本实施例一所得的PVP-C₆₀复合物的透射电镜照片图，图1b为本实施例一所得的PVP-C₆₀复合物的动态光散射尺寸分布图。

实施例二：

具体方法同实施例一，区别在于将C₆₀所占百分含量增加到1.56％，混料时间为48小时。此条件下得到实际PVP-C₆₀复合物中C₆₀所占百分比为1.01％，复合物粒径尺寸约200nm。图2a和图2b分别为本实施例二所得的PVP-C₆₀复合物的透射电镜照片图和动态光散射尺寸分布图。

实施例三：

将实施例一或实施二中所得水溶性富勒烯溶液蒸干溶剂后，置于冰箱冷冻室将样品充分冻结，然后置于冻干机中进行充分低压干燥处理，得到PVP-C₆₀复合物粉末，称重约4.7g。可以得出白色PVP粉末与黑色C₆₀粉末经过复合后形成浅棕黄色粉末，溶液为棕黄色。也进一步说明了PVP与C₆₀确实已经形成了均匀的复合物。

将该方法所得的样品与传统溶剂介导法所得样品进行对比。

传统溶解介导法(参考文献：L.Xiao et al./Bioorg.Med.Chem.Lett.16(2006)1590-1595)：4.8g PVP溶解到100ml乙醇或氯仿中，将55mg C₆₀溶解到60ml甲苯中，然后在搅拌的状态下将两者混合，后继续搅拌过夜，过程中发现有未能与PVP进行复合的C₆₀粉末沉积在烧杯底部。将烧杯上层的溶液蒸干溶剂后，加入100ml水充分搅拌使复合物溶解完全，随后将搅拌均匀的溶液加热除去残留乙醇或氯仿，最后加水至400ml。

传统溶解介导法与本发明的方法(如实施例一的方法)相比较，本发明的方法具有以下明显优势：一、本发明方法的工艺过程中更加绿色环保，既无有机试剂的使用，又无任何污染物的排放；二、本发明方法所得产物的颗粒尺寸较传统溶剂介导法所得产物的颗粒尺寸明显增大，且本发明的方法制备的颗粒尺寸完全可控，可显著提高所得产物生物应用的安全性。如图所示，图3a和图3b分别为两种方法所得样品的紫外吸收谱图和动态光散射尺寸分布图。从图3a中可知，两种方法所得PVP-C₆₀复合物的紫外可见吸收光谱没有明显差异，并且PVP-C₆₀复合物在340nm处具有明显的C₆₀的吸收峰，说明两者确实已经均匀复合。从图3b和图4a及图4b(图4a为传统溶剂介导法，图4b为本发明方法)中可以得知两种方法在粒径尺寸分布上却有着显著的差别：本发明方法所制备的PVP-C₆₀复合物的粒径(约200nm)要远远大于传统溶剂介导法所得PVP-C₆₀复合物的粒径(约60nm)，较大的粒径将使得所得复合物的生物安全性提高，更加有利于PVP-C₆₀复合物在生物相关领域的应用。

将实施例一所得液体样品在130-200℃的温度范围内搅拌回流48小时，未见样品性状发生变化，进行紫外和动态光散射表征发现其吸收和粒径均未发生任何变化。将实施例一所得样品在-20℃放置20天后再溶解进行紫外吸收和动态光散射表征，未见明显变化。可知本发明方法所制备的PVP-C₆₀复合物具有良好的热稳定性。

取实施例一所得液体样品10ml与20ml甲苯混合，超声48小时后静置分层，上层甲苯溶液进行质谱表征未见C₆₀(分子量720)峰值出现；下层水溶液进行紫外和动态光散射表征，紫外可见吸收谱图和粒径分布未见明显变化。将甲苯溶剂换做乙醇或DMF，进行同样的超声实验，也同样发现，所制备水溶性富勒烯可以稳定存在，PVP和C₆₀并不会因为其它溶剂的作用而分离。说明本发明方法所制备得到的水溶性富勒烯具有很好的溶剂稳定性，在大多数溶剂中可以稳定存在。取实施例一所得固体样品进行以上同样的测试，发现具有和液体样品相同的稳定性。

对于采用本发明方法所得到的C₆₀-PVP复合物，采用自旋捕获法(ESR)测定自由基去除效果。具体操作为：对于过氧化氢与亚铁离子反应产生的自由基，利用DMPO(5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物)作为自旋捕获剂，检测DMPO与羟基自由基反应生成的产物DMPO-OH的信号。

实际测试中：七水合硫酸亚铁的浓度为0.4mmol/L，双氧水的质量浓度为5％，PBS的pH值为7.4，C₆₀-PVP的浓度为15mmol/L，DMPO的浓度为0.4mol/L，各取以上五种溶液50μL混合均匀后进行测试。如图5a、5b、5c所示为不同浓度的C₆₀-PVP复合物去除羟基自由基的ESR谱图：图5a为空白试验，即DMPO-OH测试体系中未加入C₆₀-PVP复合物；图5b为DMPO-OH测试体系中加入C₆₀-PVP复合物，并且其最终浓度为300μmol/L；图5c为DMPO-OH测试体系中加入C₆₀-PVP复合物，并且其最终浓度为3000μmol/L。从图5a、图5b、图5c中可以得知，随着C₆₀-PVP复合物浓度的增加，去除羟基自由基的性能也随之增强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水溶性富勒烯的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一、将富勒烯粉末和聚乙烯基吡咯烷酮用混料机进行强力混合后再球磨混合形成混合物；利用混料机进行强力混合时，配合冷却措施以确保富勒烯粉末不被氧化；

步骤二、然后将所述混合物溶于水中进行充分搅拌；

步骤三、用过滤器多次过滤得到的滤液即为水溶性富勒烯溶液；

步骤四、加热蒸发掉溶剂水，然后真空干燥，得到粉末状固体的水溶性富勒烯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述富勒烯包括空心富勒烯或内嵌富勒烯。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述富勒烯为C₆₀或C₇₀。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述聚乙烯基吡咯烷酮的平均分子量为5000-1500000。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述富勒烯和聚乙烯基吡咯烷酮的质量比为小于1:70。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述富勒烯和聚乙烯基吡咯烷酮的质量比为1:80-1:100。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：强力混合时间应为12-96小时。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在步骤二中，水温为20-40℃。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中，搅拌时间为2-12小时。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，所述过滤器孔径为0.7-1.0μm。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：在步骤三中，所述过滤器孔径为0.8μm。