一種生物基介孔碳微球的制備方法及其在5?氟尿嘧啶緩釋中的應用與流程

本發明屬于廢棄生物質資源化與藥物緩釋載體開發領域，主要涉及生物基介孔碳微球的制備方法及其在抗癌藥物5-氟尿嘧啶緩釋中的應用。

背景技術：

介孔碳材料的開發在材料科學領域中一直是重要的前沿課題。近幾年，介孔碳材料已被廣泛用作吸附劑、儲能材料、催化劑載體以及藥物緩釋劑。目前，軟/硬模板策略是許多科學家廣泛認可的合成介孔碳材料的方法。然而，高成本原料的使用及繁瑣的操作步驟嚴重限制了通過軟/硬模板策略制備的介孔碳材料的實際應用。

生物質水熱碳化是一種制備碳材料的低成本環保策略。具有球形微觀結構和芳香碳骨架的碳材料可通過葡萄糖、果糖、木糖、糠醛、蔗糖等一些單組份生物質的水熱碳化過程輕松制得。更重要的是，一些科學家直接使用粗廢棄生物質為原料通過水熱碳化技術成功制備出具有潛在應用價值的碳材料。粗廢棄生物質的循環再利用不但降低了碳材料的生產成本而且有利于環境保護。然而，由于粗廢棄生物質的成分復雜，直接使用粗廢棄生物質為原料通過水熱碳化技術制備的碳材料普遍存在雜質多、形貌差等問題。

與軟/硬模板策略相比，氫氧化鉀化學活化是制備多孔碳材料的一種低成本且簡單的策略。然而，通過氫氧化鉀化學活化策略只能制備出微孔碳材料。在吸附、儲能、催化以及藥物緩釋過程中，由于微孔結構增加了碳材料與目標分子之間的傳質阻力，因此通過氫氧化鉀化學活化策略制備的多孔碳材料的實際應用受到嚴重限制。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種生物基介孔碳微球的制備方法，并將所制備生物基介孔碳微球應用于抗癌藥物5-氟尿嘧啶的緩釋。

本發明是這樣來工作和實施的，一種生物基介孔碳微球的制備方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

（1）分別將一定量廢棄油茶果殼粉末和間苯三酚加入至去離子水中，充分溶脹后將懸濁液轉移至聚四氟乙烯內襯不銹鋼水熱反應釜中進行水熱反應；

（2）以水作溶劑，經索氏提取和超聲-微波協同萃取步驟后，制得芳香碳微球；

（3）在氬氣氣氛下，將所制備芳香碳微球進行退火處理，制得退火碳微球；

（4）將所制備退火碳微球置于氫氧化鉀水溶液中劇烈攪拌3h，然后置于60℃烘箱中將懸濁液中的水分蒸干；

（5）在氬氣氣氛下，將退火碳微球和氫氧化鉀的混合物煅燒，用水洗至中性后制得微孔碳微球；

（6）將所制備微孔碳微球繼續按步驟（4）和（5）進行處理，最終制得介孔碳微球；

（7）通過場發射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及氮氣孔隙率分析表征證明，經由上述（1）~（6）步驟可成功將廢棄油茶果殼轉化為介孔碳微球。

步驟（1）所使用的原料為廢氣油茶果殼粉末，間苯三酚、油茶果殼粉末、去離子水的質量比為1：4：150，水熱反應釜的填充度為60%，水熱反應溫度為230℃，水熱反應時間為24h，水熱反應升溫速率為1℃/min。

步驟（3）中的退火溫度為650℃，退火時間為2h，升溫速率為5℃/min。

步驟（4）中退火碳微球、氫氧化鉀、去離子水的質量比為1：2：20。

步驟（5）中的煅燒溫度為850℃，煅燒時間為2h，升溫速率為5℃/min。

作為一種藥物緩釋載體，本發明所制備生物基介孔碳微球可應用于抗癌藥物5-氟尿嘧啶的緩釋，操作步驟如下：

（1）將一定量介孔碳微球和一定濃度5-氟尿嘧啶水溶液混合，室溫下劇烈震蕩24h后，過濾收集吸附飽和的介孔碳微球并在60℃下真空干燥12h。

（2）將吸附飽和的介孔碳微球轉移至燒杯中，在流速為0.5 mL/min條件下向燒杯中緩慢加水。由于吸附質在溶劑和吸附劑之間存在濃度差，因此5-氟尿嘧啶可從吸附飽和的介孔碳微球中緩釋出來。

（3）用高效液相色譜法監測介孔碳微球對5-氟尿嘧啶的吸附及緩釋效果。

為使介孔碳微球對5-氟尿嘧啶的負載達到極值，步驟（1）中介孔碳微球和5-氟尿嘧啶在水相中的質量分數均應為800 mg/L。

本發明的優點在于：在間苯三酚的結構導向作用下，通過水熱碳化技術成功將廢棄油茶果殼直接轉化為形貌完美的芳香碳微球，然后通過退火處理和兩次氫氧化鉀化學活化過程成功將所制備芳香碳微球轉化為介孔碳微球；介孔結構的成功構建，使所制備材料具有超大比表面積（2081 m²/g）以及對5-氟尿嘧啶的超高吸附容量（480.9 mg/g）；由于在介孔碳微球的制備中使用了粗廢棄生物質原料，因此與介孔二氧化硅等傳統藥物緩釋載體相比，所制備材料具有更強的生物兼容性；作為一種藥物緩釋載體，小尺寸球形微觀結構的構建使所制備材料有望實現生物細胞內緩釋；簡單的制造工藝和低成本原料的使用，使所制備生物基介孔碳微球藥物緩釋載體的成本顯著降低，因此適合大規模生產。

附圖說明

圖1為通過實施例1中的方法制備出的生物基介孔碳微球的場發射掃描電子顯微鏡（a和b）和透射電子顯微鏡（c）照片。從圖1a中可以看出，所制備生物基介孔碳微球具有完美的球形微觀結構。從圖1b和1c中可以看出，通過退火處理和兩次氫氧化鉀化學活化過程成功在碳微球表面構建了介孔結構。

圖2為通過實施例1中的方法制備出的生物基介孔碳微球的氮氣吸附-脫附等溫線及孔徑分布曲線。圖2a中具有H2滯留環的IV型等溫線表明，退火處理和兩次氫氧化鉀化學活化后，介孔結構在碳微球表面成功構建。從圖2b中可以看出，所制備生物基介孔碳微球具有均一的孔尺寸，最可幾孔徑為3.6 nm。

圖3為所制備生物基介孔碳微球對5-氟尿嘧啶的吸附及緩釋動力學曲線。從圖3a中可以看出，由于具有介孔結構和超大比表面積，所制備生物基介孔碳微球對水中5-氟尿嘧啶的吸附具有極高的容量和極快的速率。從圖3b中可以看出，在向燒杯中緩慢加水過程中，由于吸附質在溶劑和吸附劑之間存在濃度差，5-氟尿嘧啶可從吸附飽和的介孔碳微球中緩釋出來，緩釋百分率可達67.4%。

具體實施方式

實施例1

將回收的廢棄油茶果殼用水洗凈并在60℃下烘干12h，然后放入破碎機中粉碎，過200目篩后密閉保存。分別將1.6g油茶果殼粉末和0.4g間苯三酚加入至60ml去離子水中，然后用500W超聲波清洗器超聲分散1h。在室溫下攪拌6h后，將懸濁液轉移至容積為100ml的聚四氟乙烯內襯不銹鋼水熱反應釜中，在230℃下水熱反應24h，水熱反應的升溫速率為1℃/min。反應結束后，以水作溶劑，經索氏提取和超聲-微波協同萃取步驟制得芳香碳微球。在氬氣氣氛下，將所制備芳香碳微球在650℃升溫速率為5℃/min條件下進行退火處理2h，制得退火碳微球。將0.3g所制備退火碳微球和0.6g氫氧化鉀置于6mL水中，劇烈攪拌3h后將懸濁液置于60℃烘箱中將水分蒸干。在氬氣氣氛下，將退火碳微球和氫氧化鉀的混合物在850℃升溫速率為5℃/min條件下煅燒2h，用水洗至中性后制得微孔碳微球。將所制備微孔碳微球繼續按上述氫氧化鉀化學活化步驟進行處理，微孔在活化過程中擴張為介孔，最終制得介孔碳微球。通過場發射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及氮氣孔隙率分析來表征所制備材料的形貌和介孔結構。結果表明，所制備材料具有完美的球形微觀結構和尺寸均一的介孔結構（圖1和圖2）。

實施例2

將40mg所制備生物基介孔碳微球和50mL濃度為800 mg/L的5-氟尿嘧啶水溶液混合。室溫下劇烈震蕩24h后，過濾收集吸附飽和的介孔碳微球并在60℃下真空干燥12h。將吸附飽和的介孔碳微球轉移至燒杯中，在流速為0.5 mL/min條件下向燒杯中緩慢加水，使5-氟尿嘧啶從吸附飽和的介孔碳微球中緩釋出來。用高效液相色譜法監測介孔碳微球對5-氟尿嘧啶的吸附及緩釋效果。結果表明，由于具有介孔結構和超大比表面積，所制備生物基介孔碳微球對水中5-氟尿嘧啶的吸附具有極高的容量和極快的速率（圖3a）。在向燒杯中緩慢加水過程中，由于吸附質在溶劑和吸附劑之間存在濃度差，5-氟尿嘧啶可從吸附飽和的介孔碳微球中緩釋出來，緩釋百分率可達67.4%（圖3b）。