CN100554286C - 高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，属于生物分离材料领域。本发明先采用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁颗粒，接着制备高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体或微球，即采用基于细乳液一乳液聚合方法得到高磁含量单分散磁性微球，利用吐温在纳米磁性颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体，然后分别以上述两种磁性微球或磁性球状聚集体为亲水性磁微球的基核，再采用溶胶一凝胶方法对磁性基核进行氧化硅壳层包覆，最终得到单分散亲水性高磁含量的氧化硅磁性微球。本发明在保证最终得到微球具有良好的亲水性能的同时，又极大程度提高了所得亲水性纳米磁微球中磁性物质的含量以及微球尺寸、形貌的均一性。

Description

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物分离材料技术领域的方法，具体是一种高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法。

技术背景

近年来，纳米超顺磁性颗粒或微球以其卓越的特性在生物、医学领域得到广泛的应用。通常，应用于生物分离与纯化领域的磁性载体应具备以下几个特性：超顺磁性、颗粒或微球尺寸均匀、具有表面功能基团、快速的磁响应特性(高而且均一的磁性物质含量)、没有磁性材料泄露以及良好的生物相容性等。

作为最重要的磁性载体，磁性微球的研究始于20世纪70年代未，Ugelstad成功地采用活性溶胀方法制备了尺度均匀的单分散的磁性聚苯乙烯微球(目前商品名为dynabeads)，但是微球尺度为微米尺度，在进行下步应用时必须将微球从生物分子表面再解离下来，因而影响下游操作，另外由于技术本身的限制，微球中磁性物质含量较低，而且疏水的聚苯乙烯的表面使得磁球在生物应用体系中易发生团聚而影响分离效果的稳定性。另一类得到市场广泛应用的是Meltenyi公司的葡聚糖包被的一类尺寸小于50nm磁性颗粒，由于尺寸小，对下游应用与操作没有显著影响，因此在进行生物分离纯化过程中无须从生物分子表面解离磁性颗粒，使用起来十分方便，但是此类材料磁响应程度很低，需要很强的外加磁场才能对其进行捕获，也限制其应用。对于生物应用体系而言，除了具备高磁含量、单分散以及表面功能特性外，微球应能在各种应用条件下保持良好的分散而不团聚。近年来，研究发现采用氧化硅包覆了纳米四氧化三铁颗粒得到的磁性载体是继聚合物微球的另一类较理想的材料。

经对现有技术的文献检索发现，Younan Xia等在《纳米快报》第2卷183-186页发表的“采用溶胶-凝胶法修饰超顺磁性纳米氧化铁颗粒的表面性质研究”中，(Modifying the Surface Properties of Superparamagnetic IronOxideNanoparticles through A Sol Gel Approach，Nano letters，2002，Vol2，No.3，182-186)报道了利用商业的亲油性水基磁流体EMG 304，磁性颗粒表面氨基化后，利用溶胶-凝胶技术，在异丙醇溶剂中以氨水为催化剂，正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，在单颗的磁粒子表面发生水解和缩聚反应得到了单分散的氧化硅微球，所制备的微球合荧光素偶联后可在磁场下定向。此文虽然得到了亲水性的磁微球，然而不足之处是合成出的微球磁含量很低，每颗磁球的核是由一个磁粒子组成的，因而微球的磁响应程度很低，无法满足下游的生物医学应用需求。目前，采用氧化硅包覆超顺磁性材料均存在微球(或材料)中磁性颗粒含量低或者不是超顺磁性或者微球粒度不均一的问题，从而限制了他们的应用。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出一种高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，使其解决了以上的不足，在保证最终得到微球具有良好的亲水性能的同时，又极大程度提高了所得亲水性纳米磁微球中磁性物质的含量以及微球尺寸、形貌的均一性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明首先采用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁颗粒，接着制备高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体或微球，即采用基于细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散磁性微球，利用吐温表面活性剂在纳米磁性颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体，然后分别以上述磁性微球或磁性球状聚集体为亲水性磁微球的基核，再采用改进的溶胶-凝胶方法对磁性基核进行氧化硅壳层包覆，最终得到亲水性高磁含量(大于50wt％)单分散的氧化硅磁性微球。由于本发明采用高磁含量(磁性颗粒含量大于70wt％)单分散的磁性颗粒球状聚集体或微球基核，因此极大程度提高了最终亲水微球的总磁含量，另外，由于采用细乳液-乳液聚合方法和利用吐温等表面活性剂在纳米磁性颗粒表面自组装得到形貌与尺度均一的单分散高磁含量的磁性微球与磁性球状聚集体，保证了最终亲水性微球的均一形貌与尺度，同时由于采用氧化硅为壳层，所得到的微球表面丰富的硅羟基可以通过成熟的硅化学手段方便地实施各种功能化，因此本发明从真正意义上首次实现了集粒度均一、形貌一致、高磁含量、表面功能化于一身的亲水性磁微球的制备。

以下对本发明的方法作进一步的限定，具体步骤如下：

(1)采用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁颗粒。在保持通氮气的状态下在80℃下向含有Fe²⁺和Fe³⁺盐的水溶液中加入过量的氨水，保温反应0.5小时后，再向反应体系加入占Fe₃O₄重量比为20％-50％油酸，持续保温反应1h后，敞开反应体系将过量氨水蒸发完全，即可得到油酸包被的纳米Fe₃O₄颗粒。用去离子水充分洗涤后在直至上清为中性并磁场作用下弃去上清液，再用无水乙醇洗涤三次后，50℃真空干燥得到纳米Fe₃O₄颗粒，将此粉末分散到计量的辛烷中，得到油酸包被纳米Fe₃O₄颗粒的辛烷分散液，分散液中纳米Fe₃O₄颗粒含量为40-70wt％。

(2)采用细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散的磁性微球，以及利用吐温表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体。

所述的采用细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散的磁性微球，具体如下：首先分别制备两种不同的细乳液体系：将上一步得到的纳米Fe₃O₄辛烷分散液与水和表面活性剂按计量混合，超声后形成o/w型细乳液A，超声功率可调范围为200-800W，用来控制形成的含有无机纳米颗粒的分散相油滴的粒径。另一细乳液B是采用300r/min搅拌或模板乳化器将苯乙烯加入预先配制好的0.1wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液中乳化形成粒径均一的微米尺度的细乳液体系，细乳液A和细乳液B均必须保证体系无空胶束存在。然后将两种细乳液混合，加入水溶性引发剂，通氮气搅拌0.5小时后，置于60-80℃水浴中反应15小时以上得到单分散高磁含量的纳米磁性复合微球，微球直径60-200nm可控可调，微球中纳米Fe₃O₄含量大于70wt％。最后，将上述得到的磁性微球分散到浓度为0.5wt％的吐温20水溶液中，得到浓度为1wt％的悬浮体备用。

所述的利用吐温表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体，具体如下：首先将上述得到的纳米Fe₃O₄辛烷分散液加入到浓度为0.4-1.0％的吐温20水溶液中，其中纳米Fe₃O₄的含量为0.1wt％-0.03wt％，50-200W超声处理10min后得到黑色的乳液，然后将乘有乳液的烧杯置于磁场强度为400毫特的磁场一侧，待纳米Fe₃O₄聚集体完全吸附在靠近磁场的一侧后，弃去未被磁场捕获的清夜，然后再向烧杯中重新加入浓度为0.4-1.0％的吐温20水溶液，超声、磁场处理、再超声、磁场处理，如此反复3次以上，得到稳定分散在吐温20水溶液中的纳米Fe₃O₄颗粒的球状聚集体悬浮液，最终保持悬浮液中纳米Fe₃O₄浓度为1wt％。聚集体平均粒径为30-100nm，粒径大小可以通过吐温20的浓度与超声功率的大小调控。

(3)以上述制备得到的高磁含量单分散的磁性微球或磁性颗粒球状聚集体为基核，采用改进的溶胶-凝胶方法，对磁性基核进行氧化硅壳层包覆，最终得到亲水性高磁含量单分散的氧化硅磁性微球。主要是通过以下方法实现：以有机醇为溶剂，氨水为催化剂，正硅酸乙酯为形成氧化硅壳层的硅源，高磁含量单分散的磁性微球或磁性颗粒聚集体为待包覆的基核(以下简称磁基核水悬浮液)，先将计量的正硅酸乙酯充分溶解在有机醇中，再将预先混合有计量氨水的磁基核水悬浮液加入反应体系于室温反应10-48小时后，再将得到的产物用无水乙醇、去离子水洗涤三次并在50℃真空干燥后，最终得到高磁含量单分散亲水性磁性复合微球。其中有机醇∶氨水∶正硅酸乙酯∶高磁含量单分散的磁性微球或磁性颗粒聚集体水悬浮液之间的体积比为20∶10∶0.2∶10至20∶0.1∶0.05∶1.0。

本发明所述的制备纳米Fe₃O₄颗粒的Fe³⁺盐为三氯化铁，Fe²⁺盐为氯化亚铁或硫酸亚铁中的一种。

本发明所述的细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散的磁性微球制备方法中预先制备的细乳液A和细乳液B两个体系的分散相油滴直径存在至少一个数量级的差别，且数量相差10⁴以上。细乳液A体系中含有无机颗粒的分散相油滴直径范围在50-180nm，而细乳液B体系中分散相单体液滴直径大于1μm。所述的模板乳化器为SPG的膜乳化装置。

本发明所述的采用改进的溶胶-凝胶方法对磁性基核进行氧化硅壳层包覆制备方法中有机醇为异丙醇、乙醇中的一种。

本发明针对以往制备超顺磁性复合微球中存在磁性物质含量低且微球粒径分布不均匀以及在水中易发生团聚等问题，提出了一种新颖的制备高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，由于首先采用细乳液-乳液聚合方法和利用吐温等表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性微球与磁性颗粒球状聚集体两项创新技术，并以他们为磁基核，通过改进的溶胶-凝胶技术控制微球表面的氧化硅壳层厚度与表面状态，在保证最终得到微球具有良好的亲水性能的同时，又极大程度提高了所得亲水性纳米磁微球中磁性物质的含量以及微球尺寸、形貌的均一性。因此完全克服了对比技术的氧化硅磁微球中仅含有少量几颗纳米磁性颗粒的情况，本发明操作简单可行，氧化硅的壳的厚度可控，因而是一种非常适合作为生物磁性分离的载体材料。

附图说明

图1为本发明制备所得的高磁含量单分散亲水性磁性复合微球效果图

具体实施方式

结合本发明技术方案提供以下实施例：

实施例1采用细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散的磁性微球为基核制备高磁含量单分散亲水性磁性微球

1、Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备、表面修饰及Fe₃O₄辛烷分散液的制备

24gFe₃Cl.7H₂O和18gFe₂SO₄.7H₂O溶于100ml去离子水中，充分溶解后倒入三口烧瓶，并置于80℃水浴中，充氮气，200rpm搅拌半小时后，将50克氨水加入反应体系中开始反应。半小时后加入3.5g油酸。一小时后开放反应系统，使氨水全部蒸发出来后结束反应。在磁场的辅助下用去离子水充分洗涤后直至上清为中性，再用无水乙醇洗涤三次后，50℃真空干燥得到纳米Fe₃O₄颗粒粉末，将此粉末分散到辛烷中，得到油酸包被纳米Fe₃O₄颗粒的辛烷分散液，分散液中纳米Fe₃O₄颗粒含量为70wt％。

2、细乳液-乳液聚合方法制备高磁含量单分散的磁性微球基核

首先将0.04g十二烷基硫酸钠，48g去离子水，2g磁含量为70％的Fe₃O₄辛烷分散液，经600瓦超声30分钟后得到平均粒径为95.2nm的细乳液A。其次，将苯乙烯5g加入SPG的膜乳化装置中，压力0.048Mpa时挤入含SDS0.10g和去离子水80g的连续相中，得到平均粒径4.1μm的单体分散细乳液B。最后将磁细乳A、细乳液B混合后加入20mg引发剂过硫酸钾，保持通氮情况下200rpm机械搅拌半小时后将反应器置入80℃水浴中聚合15小时，得到平均粒径100.4nm的单分散纳米复合磁微球。

3、高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备

首先，将步骤2得到的平均粒径为100.4nm的单分散纳米复合磁微球分散到浓度为0.5％的吐温20水溶液中，最终得到固含量为1wt％的磁微球悬浮体，取上述悬浮体10ml，加入0.5ml 25％的氨水混合均匀得到微球悬浮体C，其次，将0.16ml正硅酸乙酯充分溶解于20ml异丙醇中，再将微球悬浮体C加入其中，室温反应24小时后，再将得到的产物用无水乙醇、去离子水洗涤三次后，真空50℃干燥后得到平均粒径为140nm的高磁含量单分散亲水性磁性复合微球。如图1所示。

实施例2利用吐温等表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体为基核制备高磁含量单分散亲水性磁性微球

1、Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备、表面修饰及Fe₃O₄辛烷分散液的制备

Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备同实施例1-1中所述。所不同的是油酸用量为2克，最后配成磁含量为50wt％的Fe₃O₄辛烷分散液。

2、利用吐温等表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体基核

首先将上述得到的5克的纳米Fe₃O₄辛烷分散液加入到150ml浓度为0.4％的吐温20水溶液中，50W超声处理10min后得到黑色的乳液，然后将乘有乳液的烧杯置于磁场强度为400毫特的磁场一侧，静置10min后纳米Fe₃O₄聚集体完全吸附在靠近磁场的一侧，弃去清夜，然后再向烧杯中重新加入150ml浓度为0.4％的吐温20水溶液，超声、磁场处理、再超声、磁场处理，如此反复3次，最终得到稳定分散在水相中的纳米Fe₃O₄颗粒的球状聚集体悬浮液，悬浮液浓度调整为1wt％。聚集体平均粒径为98nm。

3、高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备方法如实施例1-3所述，所不同的是磁基核悬浮液为上述步骤2得到的高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体，所用正硅酸乙酯的用量为0.13ml，氨水用量为0.4ml，反应时间为10小时，最终得到平均粒度为120nm的高磁含量单分散亲水性磁性复合微球。

实施例3

纳米Fe3O4颗粒制备方法如实施例1所述，所不同的是制备纳米Fe₃O₄所用的Fe²⁺为氯化亚铁，且用量为10克，所用的油酸为5克，制备的磁含量为60wt％的Fe₃O₄辛烷分散液。

高磁含量单分散磁基核的制备方法如实施例1所述，所不同的是采用200W超声制备得到平均粒径为176nm的细乳液A，采用300rpm搅拌0.5小时后得到平均粒径为6000nm的细乳液B，聚合反应温度为60℃，得到平均直径为198nm的高磁含量单分散复合磁微球。

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备如实施例1所述，所不同的正硅酸乙酯用量为0.12ml，氨水用量为0.35ml，室温反应48小时，最终得到平均粒径为230nm单分散高磁含量亲水性磁性复合微球。

实施例4

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备如实施例1所述，所不同的是采用细乳液-乳液聚合方法制备高磁含量单分散的磁性微球基核的聚合反应温度为70℃，在进行氧化硅壳层包被时所用的有机醇为乙醇最终得到平均粒径为141nm的单分散高磁含量亲水性磁性复合微球。

实施例5

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备如实施例2所述，所不同的是利用吐温等表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体基核的制备步骤时将得到的5克的纳米Fe₃O₄辛烷分散液加入到100ml浓度为0.7％的吐温20水溶液中，并采用100W超声得到粒径为60nm的高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体基核。同时采用溶胶-凝胶制备高磁含量单分散亲水性磁性复合微球时所用球状聚集体基核为1ml，正硅酸乙酯为0.05ml，氨水为0.1ml，反应时间为48小时，最终得到平均粒度为100nm的高磁含量单分散亲水性磁性复合微球。

实施例6

高磁含量单分散亲水性磁性复合微球的制备如实施例2所述，所不同的是利用吐温等表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体基核的制备步骤时将得到的5克的纳米Fe₃O₄辛烷分散液加入到50ml浓度为1.0％的吐温20水溶液中，并采用200W超声得到粒径为32nm的高磁含量单分散的磁性颗粒球状聚集体基核。同时采用溶胶-凝胶制备高磁含量单分散亲水性磁性复合微球时所用球状聚集体基核为5ml，正硅酸乙酯为0.15ml，氨水为10ml，反应时间为48小时，最终得到平均粒度为60nm的高磁含量单分散亲水性磁性复合微球。

Claims (3)

1、一种磁性颗粒含量大于70wt％的单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，其特征在于，首先采用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁颗粒，接着制备磁性颗粒含量大于70wt％的单分散的磁性颗粒球状聚集体或微球，即采用基于细乳液-乳液聚合方法得到磁性颗粒含量大于70wt％的单分散磁性微球，利用吐温在纳米磁性颗粒表面自组装得到磁性颗粒含量大于70wt％的单分散的磁性颗粒球状聚集体，然后分别以上述磁性微球或磁性球状聚集体为亲水性磁微球的基核，再采用溶胶-凝胶方法对磁性基核进行氧化硅壳层包覆，最终得到单分散亲水性磁性颗粒含量大于70wt％的的氧化硅磁性微球；

所述的采用细乳液-乳液聚合方法得到高磁含量单分散的磁性微球是指：

首先分别制备两种不同的细乳液体系：将上述采用共沉淀方法制备得到的油酸修饰的纳米四氧化三铁颗粒与水和表面活性剂按计量混合，超声后形成o/w型细乳液A，超声功率可调范围为200-800W，用来控制形成的含有无机纳米颗粒的分散相油滴的粒径；另一细乳液B是采用300r/min搅拌或模板乳化器将苯乙烯加入预先配制好的0.1wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液中乳化形成粒径均一的微米尺度的细乳液体系，细乳液A和细乳液B均必须保证体系无空胶束存在；

然后将两种细乳液混合，加入水溶性引发剂，通氮气搅拌0.5小时后，置于60-80℃水浴中反应15小时以上得到单分散高磁含量的纳米磁性复合微球，微球直径60-200nm可控可调，微球中纳米Fe₃O₄含量大于70wt％；

最后，将上述得到的磁性微球分散到浓度为0.5wt％的吐温20水溶液中，得到浓度为1wt％的悬浮体备用。

2、根据权利要求1所述的磁性颗粒含量大于70wt％的单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，其特征是，所述的利用吐温表面活性剂在纳米Fe₃O₄颗粒表面自组装得到磁性颗粒含量大于70wt％的单分散的磁性颗粒球状聚集体，具体如下：

首先将纳米Fe₃O₄辛烷分散液加入到浓度为0.4-1.0％的吐温20水溶液中，其中纳米Fe₃O₄的含量为0.1wt％-0.03wt％，50-200W超声处理10min后得到黑色的乳液，然后将盛有乳液的烧杯置于磁场强度为400毫特的磁场一侧，待纳米Fe₃O₄聚集体完全吸附在靠近磁场的一侧后，弃去未被磁场捕获的清液，然后再向烧杯中重新加入浓度为0.4-1.0％的吐温20水溶液，超声、磁场处理、再超声、磁场处理，如此反复3次以上，得到稳定分散在吐温20水溶液中的纳米Fe₃O₄颗粒的球状聚集体悬浮液，最终保持悬浮液中纳米Fe₃O₄浓度为1wt％，聚集体平均粒径为30-100nm，粒径大小通过吐温20的浓度与超声功率的大小调控。

3、根据权利要求1所述磁性颗粒含量大于70wt％的单分散亲水性磁性复合微球的制备方法，其特征是，所述的采用溶胶-凝胶方法对磁性基核进行氧化硅壳层包覆制备方法中有机醇为异丙醇、乙醇中的一种。

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