專利名稱：一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑，該催化劑不僅具有催化活性，且具有溫度開關性能和磁性能。
背景技術：
人工細胞也稱為生物微膠囊，它是指用半透性薄膜固定了某些具有生物活性物質的微膠囊，由于半透性的微膠囊膜起到了細胞膜的作用，微膠囊的形態和功能酷似細胞，故稱之為“人工細胞”。加拿大McGill大學Chang首次提出人工細胞的概念，并運用具有半滲透性薄膜的微膠囊固定活體組織取得成功，從此開辟了人工細胞這一全新的研究領域。1980年加拿大多倫多大學的Lim和Sun發明了海藻酸-聚賴氨酸-海藻酸(Alginate-Polylysine-Alginate, APA)微膠囊，并用于包埋胰島細胞取得成功，標志著人工細胞的研究進入了一個新的階段。此后，醫學界開始嘗試以微膠囊作為基因重組細胞的免疫隔離和運載工具，利用重組細胞的代謝產物調節機體生理功能，治療相關疾病。傳統人工細胞的研究多用于組織工程與藥物負載領域，其外層人造細胞膜多為半透膜物質，起到對胞內外物質的過濾篩分作用。近年來，以聚(N-異丙基丙烯酰胺)為代表的溫敏性材料在生物醫學工程與仿生材料等領域受到了廣泛的重視，將其作為細胞膜用于制備人工細胞可以模仿生物細胞在某些場合的應激變化。磁性材料修飾聚合物微球是一類很重要的功能性聚合物微球，可以廣泛的應用于醫學、藥學和催化領域。例如可以做成固體磁性催化劑用于液相體系內的合成反應，反應結束后，通過簡單的磁性分離即可將催化劑從反應體系中分離出來，且分離效率極高，不需要離心等輔助分離手段，且能耗極低。將納米級的貴重金屬粒子固載于磁性聚合物微球表面，不僅可應用貴重金屬粒子的高催化活性，避免這些金屬粒子的團聚，還可以提高反應結束后的分離與收集效率，降低反應成本。因此，本專利所述仿生催化劑是使用磁性a-Fe2O3作為人工細胞的細胞核，在細胞核表面負載金納米粒子作為 催化活性中心，以具備溫度敏感特性的聚(N-異丙基丙烯酰胺)為細胞膜，構筑了一種全新的催化劑，這種催化劑具有良好地溫度開關特性，即當溫度升高時，聚(N-異丙基丙烯酰胺)細胞膜將逐漸收縮，并封閉其內部孔道，使磁性細胞核表面的金納米粒子與反應體系無法接觸，催化過程被延緩；當溫度降低時，聚(N-異丙基丙烯酰胺)細胞膜逐漸膨脹，其內部孔道逐漸打開，細胞核表面的金納米粒子將與反應體系充分接觸，催化反應被加速。所述催化劑具有磁性，可在磁場作用下分離。

發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明所要解決的主要技術問題是通過提供具有溫度開關特性和催化活性的人工細胞作為催化劑的制備方法。這種方法采用在磁性a-Fe2O3為細胞核，在核表面負載金納米粒子作為催化活性中心，以溫度敏感材料聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)為外層細胞膜，采用刻蝕的方法得到人工細胞的內部空腔，使本發明所述催化劑同時具有溫度開關特性和催化活性。( 二)技術方案本發明的技術方案是:在水相中使用三氯化鐵和NaOH溶液反應，所得沉淀通過高溫煅燒得到磁性的a-Fe2O3粒子。通過硅烷偶聯劑使粒子表面氨基功能化。在水中使用檸檬酸鈉還原氯金酸得到金納米粒子(AuNPs)的水分散液。在乙醇/水體系中，將金納米粒子水分散液與氨基功能化的a -Fe2O3粒子混合，利用金納米粒子與a -Fe2O3粒子表面氨基之間的相互作用，將金納米粒子自組裝于a-Fe2O3粒子表面，得到金納米粒子修飾的C1-Fe2O3粒子(a -Fe203/AuNPs)。然后，通過水解正硅酸乙酯(TEOS)，得到SiO2包裹的a -Fe2O3/AuNPs粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02)。使用硅烷偶聯劑在3102表面引入雙鍵，再以N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，引發a -Fe203/AuNPs/Si02粒子的表面雙鍵進行聚合，得到聚(N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)包裹的 a-Fe203/AuNPs/Si02 粒子(a-Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM)。使用HF刻蝕掉a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM粒子的SiO2中間層以后，得到具有磁性、溫敏性和催化活性的a -Fe203/AuNPs//PNIPAM人工細胞。(三)有益效果本發明所述的溫度敏感型催化劑與常規催化劑相比，具有如下獨特效果:催化劑的催化核心被溫度敏感材料所包裹，從而實現通過溫度控制催化效果的開關。催化劑具有磁性的內核，因此可以通過外加磁場作用從反應體系中分離出來。(四)具體反應過程本發明所述的催化劑擁有人工細胞的結構，即以磁性Q-Fe2O3為內核(人工細胞核)，以溫度敏感材料PNIPAM為人工 細胞膜，以金納米粒子作為催化反應活性中心并負載于a -Fe2O3內核表面。本發明所述的溫度開關型催化劑的制備方法包括以下步驟:1.制備氨基修飾的磁性a -Fe2O3粒子:三氯化鐵和NaOH溶液反應得到沉淀，再將得到的沉淀加入適量NaOH溶液中，混合均勻后，轉移至高壓反應釜中，160°C下反應16h得到C1-Fe2O3粒子。將得到的粒子溶于乙醇中，加入適量的3-氨丙基二乙氧基硅烷(APTS)，常溫震蕩24h，即可得到氨基修飾的磁性a -Fe2O3 粒子。2 制備金納米粒子:在經二次水煮沸過的燒杯中加入二次水和貴重金屬鹽(例如氯金酸)溶液，攪拌下加熱至亞沸騰狀態，迅速加入檸檬酸鈉溶液，繼續加熱至沸騰，保持沸騰30min后停止加熱。離心后將得到的金納米粒子(AuNPs)分散于二次水中。3.制備金納米粒子修飾的磁性a-Fe2O3粒子(a-Fe203/AuNPs):將步驟I中制備的氨基修飾磁性a -Fe2O3粒子溶于乙醇，逐滴加入步驟2制備的AuNPs水分散液，于超聲下分散20min后再常溫下至于搖床中水平震蕩24h，即可得到a -Fe203/AuNPso4.制備 SiO2 包裹的 a -Fe2O3AuNPs 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02)及其表面雙鍵修飾:將步驟3中制備a -Fe203/AuNPs粒子溶于乙醇-水溶液中，超聲分散20min，然后加入表面活性劑、體積分數為25% 28%氨水和正硅酸乙酯(TEOS)，反應3 8h后，加入
3-(甲基丙烯酰胺)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，繼續反應24h，產物經清洗干燥后得到雙鍵修飾的 a-Fe203/AuNPs/Si02 粒子。5.制備 PNIPAM 包裹的 a -Fe203/AuNPs/Si02 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM)將步驟4中制備的雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子，引發劑，單體，交聯劑混合于溶劑中，使用蒸餾沉淀聚合法得到a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM粒子。6.a-Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM 粒子的刻蝕將步驟5中制備的a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM粒子超聲分散于氫氟酸(HF)溶液中，浸泡I 3h，刻蝕掉SiO2中間層，即可得到具有人工細胞結構的溫度開關型催化劑a -Fe203/AuNPs//PNIPAM 粒子。所述的表面活性劑選自十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)中的一種。所述的貴重金屬鹽包括氯金酸、醋酸金。所述的氨水占乙醇水溶液的體積比為0.2-2 %。所述引發劑·是偶氮二異丁腈或過氧化苯甲酰，用量為交聯劑的總質量的2_4%。所述交聯劑是二乙烯苯基(DVB)或二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)。所述溶劑為乙腈或乙腈與甲苯混合。本發明可以通過改變單體和交聯劑用量、加入正硅酸乙酯(TEOS)、金屬鹽投入量等得到不同催化性能、溫度開關性能、粒徑與粒徑分布的催化劑。所得的催化劑擁有人工細胞的結構，即以磁性a -Fe2O3粒子為細胞核，溫度敏感材料PNIPAM為細胞膜和溫度開關，通過溫度的改變實現催化活性的開關，通過外加磁場作用可實現催化劑與反應體系的分離。


:圖1 本發明實施例1 所得的 a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM。圖2本發明實施例1所得的具有人工細胞結構的a -Fe203/AuNPs//PNIPAM粒子。
具體實施例方式以下是本發明的具體實施例，所述的實施例是用于描述本發明，而不是限制本發明。實施例1(I)分別取 0.0lmol FeCl3 WH2O 和 15mL 2mol/LNa0H 溶液分散于 30mL 二次水中，將得到的沉淀用二次水洗滌6次，然后分散于50mL 2mol/L NaOH溶液中，磁力攪拌Ih后，轉移至高壓反應釜中，在160°C下反應16h，冷卻后用無水乙醇洗滌3次得到純化，放入真空干燥箱40°C干燥至恒重，得到a-Fe2O3粒子。取0.1g a-Fe2O3粒子溶于IOmL無水乙醇中，在超生輔助下分散均勻，加入1.0mL APTS，在數顯氣浴恒溫振蕩器內震蕩24h，使氨基附著在a -Fe2O3粒子上,用無水乙醇離心洗滌3次，真空烘箱內40°C干燥至恒重。(2) 250mL經二次水煮沸過的燒杯中加入IOOmL 二次水和ImL lwt%的氯金酸溶液，攪拌下加熱至亞沸騰狀態，迅速加入1.8mL Iwt %的檸檬酸鈉溶液，繼續加熱至沸騰，保持沸騰30min后停止加熱。這期間溶液顏色呈現由灰-藍-紫-酒紅的變化。溶液自然冷卻至室溫后，在10，000r/min下高速離心30min,棄去上層清液,離心下來的紅色物質即為金納米粒子(AuNPs)。加入40mL 二次水,配制成AuNPs溶液備用。(3)稱取0.1g氨基修飾后的a-Fe2O3微球溶于IOmL無水乙醇中，在超聲波清洗器中分散均勻，加入20mL以上制備的金納米粒子溶液，室溫下震蕩24h。使金納米粒子吸附在a -Fe2O3表面，得到金納米粒子修飾的磁性a -Fe2O3粒子(a -Fe203/AuNPs),經離心分離后提純。(4)以上提純后的a -Fe2O3AuNPs分散在16mL H20、80mL乙醇、2mL氨水組成的溶液中，攪拌下加入0.2g聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，1.0mL正硅酸乙酯(TEOS)，持續攪拌6h后，得至IJ SiO2 包裹的 a -Fe2O3AuNPs 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02)。然后加入 1.0g 的 3_(甲基丙烯酰胺)丙基三甲氧基硅烷(MPS)，繼續室溫攪拌24h，最后經離心，乙醇洗滌3次，產物經清洗干燥后得到雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子。(5) IOOmL兩口燒瓶中加入0.1g經雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子，加入SOmL乙腈作為溶劑，經超聲分散均勻，形成磚紅色懸浮液，加入0.48g N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，0.32mL 二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和0.16g偶氮二異丁腈(AIBN)。經蒸餾沉淀聚合法引發NIPAM和EGDMA在雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子表面進行聚合，控制反應時間為1.5小時內蒸出40mL乙腈后停止反應,得到PNIPAM包裹的a -Fe2O3/AuNPs/Si02 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM)，經離心清洗后提純。(6)將 0.0lg a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM 粒子放入 IOmLl % 的氫氟酸(HF)溶液中，超聲分散后浸泡2h，以保證HF刻蝕掉上述粒子中間的SiO2層，得到具有人工細胞結構的a-Fe203/AuNPs//PNIPAM粒子，然后使用蒸餾水洗滌至中性。使用5mg a-Fe2O3AuNPs//PNIPAM作為催化劑，投入到含有0.lmmol/L 4-硝基苯酚和0.05g NaBH4的80mL水溶液中，在不同溫度下(25°C和40°C)下檢測溶液的紫外光譜，結果表明，當溫度較低(25°C)時，能在15min時將體系內的4-硝基苯酚催化還原為4-氨基苯酚。當反應溫度較高時(40°C )，PNIPAM細胞膜發生收縮，·導致反應孔道變窄，催化較難發生，因此，在50min左右才能將體系內的4-硝基苯酚催化還原為4-氨基苯酚。使用透射電子顯微鏡對a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM粒子和刻蝕后的a -Fe2O3/AuNPs//PNIPAM粒子的形貌進行觀察，其結果如附圖1所示。實施例2取實施例1的0.1g經雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子，加入80mL乙腈作為溶劑，經超聲分散均勻后加入0.24g N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，0.32mL 二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)和0.16g偶氮二異丁腈(AIBN)，經蒸餾沉淀聚合和后續HF刻蝕后所得a -Fe203/AuNPs//PNIPAM粒子，在40°C時，在35min內能將體系內的4-硝基苯酚全部催化還原為4-氨基苯酹。實施例3取實施例1的0.1g經雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子,加入8OmL乙腈作為溶劑，經超聲分散均勻后加入0.48gN-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，0.32mL 二乙烯基苯(DVB)和0.16g偶氮二異丁腈(AIBN)，經蒸餾沉淀聚合和后續HF刻蝕后所得Q-Fe2O3/AuNPs//PNIPAM粒子，在40°C時，在40min內能將體系內的4-硝基苯酚全部催化還原為4-氨基苯酹。實施例4取實施例1的0.1g經雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子，加入80mL乙腈作為溶劑，經超聲分散均勻后加入0.72g N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)為單體，0.20mL 二乙烯基苯(DVB)和0.16g偶氮二異丁腈(AIBN)，經蒸餾沉淀聚合和后續HF刻蝕后所得Q-Fe2O3/AuNPs//PNIPAM粒子，在40°C時，在60min內能將體系內的4-硝基苯酚全部催化還原為
4-氨基苯酹 。
權利要求
1.一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑，其特征在于使用磁性a-Fe2O3作為人工細胞的細胞核，在細胞核表面負載金納米粒子作為催化活性中心，以具備溫度敏感特性的聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)為細胞膜和溫度開關。
2.根據權利要求1所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)磁性a-Fe2O3粒子的制備與表面氨基修飾 三氯化鐵和NaOH溶液反應得到沉淀，再將得到的沉淀加入適量NaOH溶液中，混合均勻后，轉移至高壓反應釜中，160°C下反應16 32h得到a-Fe2O3粒子，將得到的粒子溶于乙醇中，加入適量的3-氨丙基二乙氧基硅烷(APTS)，常溫震蕩12 48h，即可得到氨基修飾的磁性a -Fe2O3粒子； 2)金納米粒子的制備 以金納米粒子為例，在經二次水煮沸過的燒杯中加入二次水和氯金酸或者醋酸金溶液，攪拌下加熱至亞沸騰狀態，迅速加入檸檬酸鈉溶液，繼續加熱至沸騰，保持沸騰20 50min后停止加熱，離心后將得到的金納米粒子(AuNPs)分散于二次水中； 3)金納米粒子在磁性a-Fe2O3粒子表面的修飾 將氨基修飾磁性a -Fe2O3粒子溶于乙醇，逐滴加入AuNPs水分散液，于超聲下分散20min后再常溫下至于搖床中水平震蕩12 24h，即可得到金納米粒子修飾的磁性a-Fe2O3粒子(a-Fe203/AuNPs)； 4)SiO2包裹的a -Fe203/AuNPs粒子制備及其表面雙鍵修飾 將a -Fe203/AuNPs粒子·溶于乙醇-水溶液中，超聲分散20min，然后加入表面活性劑、體積分數為20% 40%氨水和正硅酸乙酯，反應3 8h后，加入3-(甲基丙烯酰胺)丙基三甲氧基硅烷，繼續反應24 48h，產物經清洗干燥后得到雙鍵修飾的SiO2包裹的a -Fe2O3/AuNPs 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02)； 5)PNIPAM 包裹的 a -Fe203/AuNPs/Si02 粒子的制備 雙鍵修飾的a -Fe203/AuNPs/Si02粒子，引發劑，單體，交聯劑混合于溶劑中，使用蒸餾沉淀聚合法得到 PNIPAM 包裹的 a -Fe203/AuNPs/Si02 粒子(a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM)粒子； 6)a -Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM 粒子的刻蝕 將a _Fe203/AuNPs/Si02/PNIPAM粒子超聲分散于氫氟酸溶液中，浸泡I 3h，刻蝕掉SiO2中間層，即可得到具有人工細胞結構的溫度開關型催化劑a -Fe203/AuNPs//PNIPAM粒子。
3.根據權利要求2所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于所述的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或聚乙烯基吡咯烷酮。
4.根據權利要求2所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于所述的貴重金屬鹽為氯金酸或醋酸金。
5.根據權利要求2所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于所述的引發劑為偶氮二異丁腈或過氧化苯甲酰。
6.根據權利要求2所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于所述的交聯劑是二乙烯苯基或二甲基丙烯酸乙二醇酯。
7.根據權利要求2所述的一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑的制備方法，其特征在于所述的溶劑為乙 腈或乙腈與甲苯的混合物。
全文摘要
本發明涉及一種基于磁性人工細胞的溫度開關型催化劑及其制備方法。所述的催化劑以α-Fe2O3磁性材料為人工細胞的核，在核表面負載具有催化活性的金納米粒子以提供催化活性，以聚(N-乙烯基吡啶)溫度敏感材料作為細胞壁并起到溫度開關的作用。因此，所得到催化劑具有人工細胞結構和溫度控制開關。本發明所得到催化劑可應用于仿生催化等領域，且易于回收重復利用。
文檔編號B01J31/06GK103240120SQ201310192079
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優先權日2013年5月22日
發明者代昭, 劉霖, 楊秋鳳 申請人:天津工業大學