埃洛石纳米管在纳米材料研究中的应用

埃洛石是一种天然存在的硅铝酸盐纳米管，其已被人们所遗忘。埃洛石（Al₂Si₂O₅（OH）₄•2H₂O）是一种两层硅铝酸盐，主要为亚微米范围的中空管状结构，化学性质类似于高岭土^1,2。相邻的氧化铝和二氧化硅层及其水合水，由于填充混乱可通过弯曲并形成多层管（图1）。埃洛石是一种经济的材料，可以作为原始矿物从相应的矿床中开采获得。² 对于大多数天然材料，埃洛石颗粒的大小在1-15微米长和10-150 nm内径之间变化，具体取决于矿床。在我们的研究中，我们使用了Applied Minerals公司生产的埃洛石G（目录号：685445）该材料的平均管直径为50 nm，内腔直径为15 nm（图1）。该埃洛石的典型比表面积为65 m²/g；孔体积约为1.25 mL/g；折射率为1.54；比重为2.53 g/cm^3。 

化学上，埃洛石纳米管的外表面具有类似于SiO₂的特性，而内筒芯与Al₂O₃相似。埃洛石颗粒的电荷（ζ电位）行为可以粗略描述为主要具有负表面电势（pH为6-7）的SiO₂的叠加，同时加上少部分带正电的Al₂O₃内表面。^3,4 内腔的正电荷（低于pH 8.5）可增加埃洛石纳米管对负离子大分子的负载，而这些大分子同时被带负电荷的外表面排斥。各种活性剂，包括药物、^5-9 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）、以及海洋生物杀虫剂，⁹ 可包埋至其内腔以及多层铝硅酸盐壳的空隙中。经过包封之后可以再对药剂进行保留和释放，这使得埃洛石成为一种非常适合大分子递送应用的纳米材料。

我们对将大分子从埃洛石纳米管中进行装载和释放进行了研究。装载的操作如下：将包含埃洛石和目标分子饱和溶液的混合物的小瓶转移到真空罐中，然后使用真空泵反复抽真空。悬浮液轻微起泡，表明空气已从埃洛石内部除去。停止起泡后，将小瓶密封30分钟以达到分子分布平衡。将埃洛石悬浮液离心以除去过量的溶解分子并洗涤。该过程可以重复两次，以确保埃洛石被最大量的目标分子填充。通过这种简单的装载技术，研究人员可以类似于往枪口装子弹的形式，向纳米管腔中填充任何材料，例如药物、蛋白质、聚电解质、以及具有合适直径的纳米粒子。

在对埃洛石表面进行适当的预处理后，疏水剂和亲水剂都可以被截留。^10-11 例如，我们最近证明了尿素酶负载的埃洛石可用于在管腔内进行生物催化CaCO₃的合成。¹¹ 对于亲水性分子（例如kellin、NAD、四环素）来说，典型的释放时间为2-5小时；对于在水中溶解度较低的分子（例如地塞米松、呋喃苯胺酸、硝苯地平）来说，释放时间为5-20小时（图2）。通过纳米管腔开口的一维扩散模型可以很好的对从埃洛石中释放大分子的过程进行描述。