[发明专利]具有超高比表面积的硅酸钙超薄纳米片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米生物材料领域和水处理领域，涉及硅酸钙水合物超薄纳米片及无结晶水硅酸钙超薄纳米片及其制备方法。

背景技术

在自然界中，很多无机矿物具有层状结构，如石墨、云母、一些金属氧化物以及层状硅酸盐等。这些层状矿物的片层之间的重复间距一般介于几(如石墨)到十几(蒙脱土)之间，片层之间通过范德华力形成层叠结构。通过机械或化学剥离，这些层状结构材料可以转变为具有高比表面积的二维超薄纳米片材料，高比表面积扩展了它们在催化、离子交换、分子吸附、药物输送等方面的应用。到目前为止，单层或寡层的单质（如石墨烯）（K.S.Novoselov，A.K.Geim，S.V.Morozov，D.Jiang，M.I.Katsnelson，I.V.Grigorieva，S.V.Dubonos，A.A.Firsov.Nature 2005，438(7065):197-200）和二元化合物（如MoS₂、WS₂和BN）（J.N.Coleman，M.Lotya，A.O’Neill，et al.Science 2011，331(6017):568-571）纳米片已经被成功地制备出来，但是三元及多元化合物（如金属硅酸盐）的单层（或单晶胞厚度）纳米结构的制备仍然是个难题。

硅酸钙作为波特兰水泥、硅钙板和玻璃的主要组成部分，是目前硅酸盐材料中使用量最大、研究最为广泛的一类材料。它取材广泛、成本低廉、化学污染小，在工业产品中占有重要的地位。硅酸钙水合物（CSH）是波特兰水泥水化后的主要产物，由于其结晶性差、结构复杂，虽然相关研究已经历了近一个世纪，其精确结构目前仍存在争议；结构信息的匮乏也阻碍了该材料在相关应用领域中对其性能的设计和提升。例如，将聚合物混入水泥中有助于提高混凝土的机械性能，但是真正的分子水平的复合成功较少，这是因为聚合物容易吸附在CSH的表面而不是插入CSH片层之间。如果知道CSH的详细结构信息，就可以选择合适的聚合物或添加必要的小分子插层修饰，以实现目标聚合物与CSH分子级别的插层复合，从而大幅提高相关性能。单层硅酸钙的结构信息比较清晰，容易通过现有技术手段解读，这恰好弥补了传统硅酸钙材料在结构信息解读方面的不足。

当前，纳米科学技术与生物技术的有机结合是国际生物医药领域研究的前沿和热点，具有重大的科学意义和应用价值，其中纳米药物释放系统是纳米生物科技研究的重点之一，对疾病治疗具有不可估量的意义。预期在未来数年内，与医疗、卫生和健康领域相关的纳米技术的研究可能影响到数千亿美元的医药制造业（李玉宝.纳米生物医药材料.化学工业出版社:北京，2004）。

一般认为药物释放系统的载体对控制药物的储藏量、释放速率和释放过程至关重要。新型药物载体的研发是发展新型药物剂型的关键因素之一。性能优异的纳米药物载体可以发挥举足轻重的作用，往往是研究取得突破的关键。具有高比表面积和高化学活性的纳米药物载体材料，可以有效提高药物的装载量和药物缓释性能。

钙硅基（CaO-SiO₂）材料是近些年来兴起的新型生物材料，它是生物玻璃的重要活性成份，钙元素的引入使它比传统硅基材料具有更好的生物相容性、生物活性和生物降解性。它能在模拟体液环境下逐渐转变为类骨磷灰石，具有良好的生物活性，因而在生物医药领域有着良好的应用前景。钙硅基生物材料主要包括各种钙硅比的硅酸钙及其复合材料，它在生物医学领域的应用越来越受到重视，如生物涂层、骨组织修复、蛋白质吸附和药物输送等。

另外，在污水处理方面，钙硅基材料中的钙元素可以与污水中的重金属元素进行离子交换，从而起到吸附重金属的作用。因此，它在环境领域也有重要的应用前景。

发明内容

一个方面，本发明在此提供一种可应用于生物医药领域和水处理领域中的具有超高比表面积的硅酸钙基超薄纳米片。

本发明的硅酸钙基超薄纳米片，其化学组成中钙与硅的摩尔比为0.4－1.5；BET比表面积为200－550m²/g；超薄纳米片厚度为1－10nm。二维尺寸不限。

本发明的硅酸钙基超薄纳米片可以是硅酸钙水合物或无结晶水硅酸钙。所述硅酸钙水合物优选为托贝莫来石型硅酸钙水合物；该托贝莫来石型硅酸钙水合物脱水后的产物则为无结晶水托贝莫来石型硅酸钙。本发明的硅酸钙水合物超薄纳米片及无结晶水硅酸钙超薄纳米片形貌和尺寸比较均一，厚度超薄，比表面积大于目前已报道的其它硅酸钙材料。此外，本发明的硅酸钙水合物超薄纳米片及无结晶水硅酸钙超薄纳米片基本上没有细胞毒性，并具有良好的生物相容性和生物活性。