CN119613756A

CN119613756A - 一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子及其制备方法

Info

Publication number: CN119613756A
Application number: CN202411961738.4A
Authority: CN
Inventors: 张宗弢; 张洪玉; 柳博伦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2024-12-30
Filing date: 2024-12-30
Publication date: 2025-03-14

Abstract

一种金属‑没食子酸两亲性超小纳米粒子及其制备方法，属于两亲性纳米材料技术领域。本发明是在全水系的绿色制备条件下，采用低分子量(M.W.＝6000～10000)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水或tris缓冲溶液体系，依靠PVP中N原子与金属离子的弱配位相互作用，减缓金属离子与没食子酸之间的结合速度，抑制了金属‑没食子酸两亲性超小纳米粒子的生长，制备得到金属‑没食子酸酸两亲性超小纳米粒子。本发明反应条件温和、操作简单、绿色环保、产品分散性好、便于大规模量产，对多种金属‑没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备均具有良好适用性，制备的产品具有优异的水分散性能和不错的乳化能力，其HLB值为12～14之间。

Description

一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子及其制备方法

技术领域

本发明属于两亲性纳米材料技术领域，具体涉及一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子及其制备方法。

背景技术

具有一定尺寸的固体纳米粒子以及所期望的润湿性，已被证明是传统乳化剂的替代品。例如，羟基磷灰石、纳米二氧化硅、分子筛、碳材料、黏土等均有被改性并用于皮克林乳液的制备。皮克林乳液用固体颗粒代替传统的高分子表面活性剂，形成的乳液更加稳定，可以获得许多有用的性能。此外，当固体颗粒在体内相对安全时，它们的生物相容性更强。通过对纳米颗粒表面的选择性修饰实现材料的定向改性，满足目标使用环境的要求，可以广泛应用于生物医药、生物医学、食品、精细化学合成、化妆品等领域。

没食子酸(Gallic acid)是一种具有天然抗氧化活性的多酚类化合物，由于其分子两侧包含五个氧原子，且酚氧原子之间间距大，因此没食子酸可以与过渡金属离子形成稳定的络合物，从而具有很强的还原性和配位性能，没食子酸类衍生物在医药、食品、化妆品等领域具有广泛的应用。铁、钴、镍、铜离子的相关可溶性盐，价格低廉、来源易得，可以作为配位中心离子与没食子酸形成稳定的两亲性(既亲水又亲油)纳米粒子。

在两亲性纳米粒子的乳化应用领域，更小粒径的纳米粒子往往能够更容易形成小乳化液滴的致密乳液体系，并保持皮克林乳液的稳定优点。然而，受到比表面能的影响，从制备体系干燥得到固体后，超小纳米粒子再分散通常受到团聚的困扰。两亲性超小纳米粒子的大规模制备方法的缺失限制了其发展与应用。金属离子与没食子酸在一定条件下可以快速配位稳定形成超小纳米粒子，有研究已经被应用于生物医学领域。然而，“金属-没食子酸”超小纳米粒子的两亲性能(亲水亲油)研究未被重视。因此，以“金属-没食子酸”配合物为基础研究一种两亲性超小纳米粒子的制备方法是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子及其制备方法，金属元素为Fe、Co、Ni或Cu。

本发明在全水系的绿色制备条件下，采用低分子量(M.W.＝6000～10000)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的水溶液体系，依靠PVP中N原子与金属离子的弱配位相互作用，减缓金属离子与没食子酸之间的结合速度，抑制了金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的生长，制备得到金属-没食子酸酸两亲性超小纳米粒子。对于与没食子酸成核能力差的钴、镍金属离子，我们采用tris缓冲溶液调控pH值的方法，可控的促进了纳米粒子的生长速度。

本发明提供的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，反应条件温和、操作简单、绿色环保(不使用有机溶剂)、产品分散性好、便于大规模量产，对多种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备均具有良好适用性，制备的产品具有优异的水分散性能。将其用于甲苯/水、正辛烷/水两相体系的乳化，展现出了优异的乳化性能，在宽pH值溶液条件下均展现出了不错的乳化能力。另外，制备的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子作为一种偏亲水性固体乳化剂材料，其HLB值为12～14之间。

本发明所述的一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其步骤如下：

(1)将六水合氯化铁、氯化钴、六水合氯化镍或二水合氯化铜溶解于水中，制备得到金属离子水溶液；

(2)将步骤(1)得到的金属离子水溶液加入到低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的tris缓冲溶液体系或聚乙烯吡咯烷酮的水溶液体系中，搅拌分散促进聚乙烯吡咯烷酮与金属离子弱配位作用的进行；

(3)将没食子酸水溶液缓慢加入到步骤(2)得到的溶液中，在一定温度下持续搅拌反应一段时间；

(4)将步骤(3)得到的反应体系转移到透析袋(20000Da)中，每隔10～15h更换一次水，连续透析2～3天；

(5)将步骤(4)透析后的袋内物置于90～110℃条件下加热烘干，得到所述的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子。

将步骤(5)得到的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子(Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA)分散在水中制备浓度为2～10mg/mL的纳米粒子分散液，采用表面张力仪测定表面张力；

将步骤(5)得到的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子(Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA)分散在水中制备浓度为1～3mg/mL的纳米粒子分散液，将该分散液分别与甲苯、环己烷、正辛烷混合(体积比为1：1)，在一定功率(180W～360W)下混合超声乳化一定时间(1～3min)，静置24h后测定其乳化率，并用光学显微镜研究其乳化泡微观状态；

将步骤(5)得到的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子(Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA)分别分散在用HCl或NaOH调控酸碱度的水体系中(pH＝1～13)，制备不同pH下浓度为1～3mg/mL的金属-没食子酸水分散液以及聚乙烯吡咯烷酮水分散液。将不同pH值下的产品分散液及聚乙烯吡咯烷酮水分散液与正辛烷分别按照体积比1：1混合，在探针式超声仪下按照一定功率(180W～360W)超声一定时间(1～3min)，静置24h后测定其乳化率，并用显微镜检测其乳化泡微观状态。

优选地，步骤(1)的金属离子水溶液中，金属离子的浓度为0.3～0.5mol/L；

优选地，步骤(2)中，低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的tris缓冲溶液体系，是将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮加入到pH＝7.3～7.5的tris缓冲溶液中制备得到；低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的水溶液体系，是将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中制备得到；聚乙烯吡咯烷酮的浓度为6000～9000ppm，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为M.W.＝6000～10000；

优选地，步骤(2)中，金属离子水溶液加入到低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的tris缓冲溶液体系或低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的水溶液体系后，金属离子的浓度为6.67～11.1mmol/L；

优选地，步骤(3)中的反应温度为20～30℃，反应时间为2～12h，没食子酸与金属离子的用量摩尔比为0.6～0.9：1。

根据本发明的一个实施例与传统乳化剂相比能适用于更宽的pH范围，以此超小金属-没食子酸两亲性纳米粒子制备的甲苯/水、正辛烷/水乳液体系具有更优异的稳定性。另外，从表面张力的测定结果来看，制备的金属-没食子酸产品表现出了优异的表面活性，其能够显著降低水体系的表面张力。

附图说明

图1为实施例1制备的Fe-GA两亲性超小纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图像；

图2为实施例制备的超小纳米粒子的动态光散射粒径分布图；其中，图2a)为实施例1制备的Fe-GA超小纳米粒子的动态光散射粒径分布图；图2b)为实施例2制备的Co-GA超小纳米粒子的动态光散射粒径分布图；图2c)为实施例3制备的Ni-GA超小纳米粒子的动态光散射粒径分布图；图2d)为实施例4制备的Cu-GA超小纳米粒子的动态光散射粒径分布图；

图3为实施例1～4制备的Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA两亲性超小纳米粒子对甲苯/水、环己烷/水、正辛烷/水两相乳液体系的乳液液滴微观形态图；

图4为实施例1～4制备的Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA两亲性超小纳米粒子对甲苯/水、环己烷/水、正辛烷/水两相乳液体系的乳化率以及平均乳液粒径分布图；

图5为实施例1～4制备的Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA两亲性超小纳米粒子及聚乙烯吡咯烷酮在不同pH值下的正辛烷/水两相乳液体系的外观照片；

图6为实施例1～4制备的Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA两亲性超小纳米粒子及聚乙烯吡咯烷酮在不同pH值下的正辛烷/水两相乳液体系的乳化率以及乳液液滴平均粒径统计分布图；

图7为实施例1～4制备的Fe-GA、Co-GA、Ni-GA、Cu-GA两亲性超小纳米粒子在梯度HLB值的油水体系中乳液液滴的平均粒径变化图。

具体实施方式

为了更加详细的说明本发明中的技术要点以及应用场景，以方便本领域中的专业人员能够制造和使用本发明的技术内容，下面将结合附图说明和具体的实施例进行更加详尽、完整的描述。需要注意的是下面所述实施例并非全部实施例，而仅是本专利优选发明条件的实施例。本发明中涉及到的所需药品及仪器，均可以通过正常市售途径进行购买。

实施例1

将330mg的聚乙烯吡咯烷酮(M.W.8000)加入到44mL去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为7500ppm的聚乙烯吡咯烷酮水溶液体系；向其中加入1mL的六水合氯化铁(0.37mol/L)溶液，搅拌分散30min，以保证聚乙烯吡咯烷酮在后续纳米粒子形成过程调控纳米粒子的生长。将5mL、10mg/mL的没食子酸水溶液缓慢滴加至体系中，体系迅速变为黑色。在室温下搅拌反应10h后，将体系转移到透析袋(20000Da)中进行透析，每12h换一次水，连续透析2天，以除去游离的氯离子、聚乙烯吡咯烷酮等杂质。采用透射电子显微镜拍摄其微观形貌，其结果如图1所示，Fe-GA两亲性超小纳米粒子产品微观呈现为较均匀的球形。采用动态光散射(dls)测量Fe-GA超小纳米粒子的粒径分布如图2a所示，其平均直径为5.46nm。最后，透析后的袋内液在100℃下烘干得到224mg黑色的Fe-GA超小纳米粒子产品，Fe-GA中铁含量为1.59wt％,采用该产品分散制备的2mg/mL水分散液的表面张力比纯水时下降了8.07％。

实施例2

将330mg的聚乙烯吡咯烷酮(M.W.8000)加入到44mL、pH＝7.4的tris缓冲液中，室温下搅拌溶解，得到浓度为7500ppm的聚乙烯吡咯烷酮tris缓冲溶液体系；向其中加入1mL的氯化钴(0.37mol/L)溶液，搅拌分散30min，以保证聚乙烯吡咯烷酮在后续纳米粒子形成过程调控纳米粒子的生长。将5mL、10mg/mL的没食子酸水溶液缓慢滴加至体系中，体系迅速变为棕黄色。在室温下搅拌反应10h后，将体系转移到透析袋(20000Da)中进行透析，每12h换一次水，连续透析2天，以除去游离的氯离子、聚乙烯吡咯烷酮等杂质。采用动态光散射(dls)测量Co-GA超小纳米粒子的粒径分布如图2b所示，其平均直径为10.20nm。最后，透析后的袋内液在100℃下烘干得到265mg棕黑色的Co-GA超小纳米粒子产品，Co-GA中钴含量为1.21wt％,采用该产品分散制备的2mg/mL水分散液的表面张力比纯水时下降了8.38％。

实施例3

将330mg的聚乙烯吡咯烷酮(M.W.8000)加入到44mL、pH＝7.4的tris缓冲液中，室温下搅拌溶解，得到浓度为7500ppm的聚乙烯吡咯烷酮tris缓冲溶液体系；加入1mL的六水合氯化镍(0.37mol/L)溶液，搅拌分散30min，以保证聚乙烯吡咯烷酮在后续纳米粒子形成过程调控纳米粒子的生长。将5mL、10mg/mL的没食子酸水溶液缓慢滴加至体系中，体系迅速变为棕黄色。在室温下搅拌反应10h后，将体系转移到透析袋(20000Da)中进行透析，每12h换一次水，连续透析2天，以除去游离的氯离子、聚乙烯吡咯烷酮等杂质。采用动态光散射(dls)测量Ni-GA超小纳米粒子的粒径分布如图2c所示，其平均直径为9.18nm。最后，透析后的袋内液在100℃下烘干得到263mg棕黑色Ni-GA超小纳米粒子产品，Ni-GA中镍含量为0.86wt％，采用该产品分散制备的2mg/mL水分散液的表面张力比纯水时下降了7.37％。

实施例4

将330mg的聚乙烯吡咯烷酮(M.W.8000)加入到44mL去离子水中，室温下搅拌溶解，得到浓度为7500ppm的聚乙烯吡咯烷酮水溶液体系；加入1mL的二水合氯化铜(0.37mol/L)溶液，搅拌分散30min，以保证聚乙烯吡咯烷酮在后续纳米粒子形成过程调控纳米粒子的生长。将5mL、10mg/mL的没食子酸水溶液缓慢滴加至体系中，体系迅速变为棕黄色。在室温下搅拌反应10h后，将体系转移到透析袋(20000Da)中进行透析，每12h换一次水，连续透析2天，以除去游离的氯离子、聚乙烯吡咯烷酮等杂质。采用动态光散射(dls)测量Cu-GA超小纳米粒子的粒径分布如图2d所示，其平均直径为7.23nm。最后，透析后的袋内液在100℃下烘干得到230mg棕黑色的Cu-GA超小纳米粒子产品，Cu-GA中铜含量为0.68wt％，采用该产品分散制备的2mg/mL水分散液的表面张力比纯水时下降了6.68％。

表1为实施例1-4制备的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子(Fe、Co、Ni、Cu)水分散液在25℃下的表面张力

实施例5

以实施例1、2、3、4中制备得到的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子为原料分别制备2mg/mL的水分散液，再分别按照水与油体积比1：1，将分散液与甲苯、环己烷、正辛烷分别混合后超声乳化3min(仪器：宁波新芝生物科技股份有限公司SCIENTZ-1500F超声波分散仪；参数：3Min、30％、2.0Sed，超声功率为270W)，静置24h后测定其乳化率，并用光学显微镜研究其乳化泡微观状态，显微镜下乳液液滴状态如图3所示，乳液液滴稠密，并且液滴粒径分布相对均匀。图4展示了金属-没食子酸(Fe、Co、Ni、Cu、PVP)作为表面活性剂使用时乳化三种有机溶剂，制备得到乳液的乳化率以及平均乳液液滴粒径。结果说明金属-没食子酸超小纳米粒子相比于聚乙烯吡咯烷酮(8000M.W.)具有更优异的乳化表现。具体来讲，在甲苯/水体系中，PVP(8000M.W.)与金属-没食子酸(Fe、Co、Ni、Cu)虽然乳化率都在75％左右，但是后者的乳液液滴粒径仅为前者的50％～60％；在环己烷/水、正辛烷/水体系中，静置一天后，PVP(8000M.W.)的乳液体系已经完全破乳，而金属-没食子酸则仍然可以保持70％～75％的乳化率以及液滴平均粒径为20μm的稠密乳液状态，说明金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子乳化剂具有更佳的乳化性能，制备乳液的稳定性要明显优于(PVP,8000M.W.)。

实施例6

将实施例1、2、3、4中制备的超小金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子和聚乙烯吡咯烷酮(8000M.W.)分别分散在用NaOH或HCl调控的一定pH值的水体系中(pH＝1、3、5、7、9、11、13)，制备不同pH下浓度为2mg/mL的金属-没食子酸水分散液以及聚乙烯吡咯烷酮水分散液，再按照油水体积比1：1的比例将金属-没食子酸水分散液及聚乙烯吡咯烷酮水分散液与正辛烷混合，采用探针式超声仪在270W功率下超声3min，静置24h后测定其乳化率，并用显微镜观察并统计其乳液液滴的粒径的平均粒径。图5给出了超小金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子(Fe、Co、Ni、Cu)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP,8000M.W.)在不同的pH值条件下的乳化状况。图6给出了超小金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子和聚乙烯吡咯烷酮(PVP,8000M.W.)在不同pH值下的乳化率以及乳液液滴的平均粒径。结合图5和图6结果我们能够得出，金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子作为固体乳化剂具有更加广泛的pH值适用范围，其中Fe-GA、Co-GA、Ni-GA在pH值为1～13范围内，Cu-GA在pH值为5～11范围内的水溶液中仍然可以表现出优异的表面活性，并能够在油水两相体系中展现出良好的乳化性能。相较于传统的聚乙烯吡咯烷酮非离子表面活性剂展现出了更宽的适用范围。

实施例7

表2为棉籽油与松节油配制梯度HLB值混合油相比例数据

将实施例1、2、3、4制备的金属-没食子酸超小两亲性纳米粒子分散在水中制备得到1mg/mL的水分散液。根据传统乳化法的操作方法，按照表2的配比用棉籽油和松节油配置梯度HLB值的混合油相。向配置的HLB值为11、12、13、14、15的梯度油相中加入4mL的1mg/mL纳米粒子分散液，在270W功率下超声2min，静置1周，检测并统计其及乳化泡平均粒径。图7展示了梯度HLB值油水体系的乳液液滴的粒径状况，我们可以认为制备得到的金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子作为一种表面活性剂，其HLB值在12～14范围内，是偏亲水性的。

Claims

1.一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其步骤如下：

(4)将步骤(3)得到的反应体系转移到20000Da的透析袋中，每隔10～15h更换一次水，连续透析2～3天；

2.如权利要求1所述的一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其特征在于：步骤(1)的金属离子水溶液中，金属离子的浓度为0.3～0.5mol/L。

3.如权利要求1所述的一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的tris缓冲溶液体系，是将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮加入到pH＝7.3～7.5的tris缓冲溶液中制备得到；低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的水溶液体系，是将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮加入到去离子水中制备得到；聚乙烯吡咯烷酮的浓度为6000～9000ppm，聚乙烯吡咯烷酮的分子量为M.W.＝6000～10000。

4.如权利要求1所述的一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，金属离子水溶液加入到低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的tris缓冲溶液体系或低分子量的聚乙烯吡咯烷酮的水溶液体系后，金属离子的浓度为6.67～11.1mmol/L。

5.如权利要求1所述的一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，反应温度为20～30℃，反应时间为2h～12h，没食子酸与金属离子的用量摩尔比为0.6～0.9：1。

6.一种金属-没食子酸两亲性超小纳米粒子，其特征在于：是由权利要求1～5任意一项所述的方法制备得到。