CN100999559A - 一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法 - Google Patents

一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法属于磁性材料领域。有高分子聚合物包覆、二氧化硅包覆的工艺过程。第一步是将疏水磁性纳米粒子分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成油相，将表面活性剂溶于水形成水相；搅拌将油相分散在水相形成水包油的悬浮液，加入引发剂引发聚合，制得的表面硅羟基功能化的高分子聚合物磁性微球；第二步是将高分子聚合物磁性微球分散在醇、水和氨水的混合溶液中，通过正硅酸乙酯水解缩合生长二氧化硅层。本发明引入硅烷试剂使二氧化硅层生长过程简单；可以实现磁性物质含量、粒径和二氧化硅壳层的可控；制备的磁性复合粒子有良好的生物相容性与化学稳定性，并且易于进一步的功能化。

Description

一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法
技术领域
本发明属于磁性材料领域，特别涉及一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法。
背景技术：
超顺磁性微球在生物科技和生物医药领域如细胞、蛋白、DNA和RNA的分离与纯化、磁共振成像造影、药物的定向输送等领域有着广泛的应用。这些应用要求磁性微球具有较强的磁性、良好的化学稳定性、良好的生物相容性和较均一的粒径分布。为满足上述要求，一般采用在磁性粒子表面包覆保护层的方法制备磁性微球。现有技术制备磁性微球的方法主要有生物分子包埋法、聚合物包覆法和二氧化硅包覆法。生物包埋法制备的磁性微球单分散性差、结构松散、化学稳定性较差；聚合物包覆制备的磁性微球生物相容性较差、胶体稳定性不好；而二氧化硅包覆法制备的磁性微球生物相容性好，但是磁性物质含量低且较难控制、粒径分布较宽。
与本发明最相接近的现有技术是一篇文献，题目为“Development of HighMagnetization Fe3O4/Polystyrene/Silica Nanospheres via CombinedMiniemulsion/Emulsion Polymerization”(J.Am.Chem.Soc.，2006，128，15582-15583)。文献中公布了一种Fe3O4/聚苯乙烯/二氧化硅磁性微球的制作方法，其制作方法有如下步骤：第一步，用已知的共沉淀方法制备出疏水磁性纳米粒子，并将其分散在庚烷中形成稳定的铁流体，然后将铁流体与溶有表面活性剂的水溶液混合，通过超声将其分散得到水包油的细乳液；第二步，将苯乙烯通过乳化装置(membrane emulsification equipment)形成苯乙烯油滴；第三步，将第一、二步中得到的细乳液和苯乙烯油滴混合，引发聚合制备得到疏水Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球；第四步，用表面活性剂(polyoxyethylene20 sorbitan monolaurate)将疏水Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球分散在水中，先后加入丙醇和正硅酸乙酯将Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球溶涨，加入氨水催化生长二氧化硅得到Fe3O4/聚苯乙烯/二氧化硅磁性微球。
背景技术采用一种混合了细乳液聚合/乳液聚合的方法制备Fe3O4/聚苯乙烯/二氧化硅磁性微球。但是，在制备过程中采用细乳液方法制备得到的Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球疏水，不能在其表面直接生长亲水的二氧化硅。因此，在制备过程中首先用表面活性剂将Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球分散在水中，然后加入丙醇和正硅酸乙酯将Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球溶胀，在氨水催化作用下正硅酸乙酯在Fe3O4/聚苯乙烯磁性微球表面生长二氧化硅。背景技术的制备方法步骤繁琐，操作复杂，并且在生长二氧化硅过程中引入大量的表面活性剂，而表面活性剂稳定的磁性微球生物相容性差且表面活性剂在SiO2表面不易去除，不利于进一步的生物应用。
发明内容
针对现有制备磁性微球技术的不足，本发明提出了一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构的磁性微球制备方法。该制备方法简单，在制备过程中引入硅烷试剂作偶联剂，制备得到表面硅羟基功能化的高分子聚合物磁性微球，利用高分子聚合物磁性微球表面的硅羟基直接在其表面生长二氧化硅。这种制备方法得到的磁性微球具有超顺磁性、较强的外磁场响应能力、粒径可控、二氧化硅层厚度可控且粒径分布较窄的特点，同时磁性复合微球有着良好的生物相容性和化学稳定性。
本发明的磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法，有高分子聚合物包覆、二氧化硅包覆的工艺过程。
所说的高分子聚合物包覆工艺，是制备疏水磁性纳米粒子，并将其分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成油相；将表面活性剂溶于水形成水相，表面活性剂在水中的重量比含量是0.2％～5％；搅拌或超声将油相分散在水相形成水包油的悬浮液或微悬浮液；在50～90℃下，加入引发剂引发聚合，反应6～12小时，得到表面硅羟基功能化的高分子聚合物磁性微球；其中，硅烷试剂与烯类单体的体积比为1∶50～1∶1，疏水磁性纳米粒子在硅烷试剂和烯类单体的混合溶液中浓度为0.3 g/ml～1.8g/ml；
所说的二氧化硅包覆工艺，是将高分子聚合物磁性微球分散在醇、水和氨水的混合溶液中，分1～10次加入正硅酸乙酯，每次加入时间间隔为3～6小时，正硅酸乙酯全部加完后，再继续反应5～15小时，制备得到磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构的磁性微球；高分子聚合物磁性微球在混合溶液中的浓度为0.1～5mg/ml，正硅酸乙酯在混合溶液中的浓度为0.1～85g/L；醇和水的体积比为5∶1～50∶1；氨水的摩尔浓度为0.25～1.2mol/L。
在本发明的磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法中，所说的硅烷试剂，是乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的1～3种；所说的烯类单体，是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯醇、丙烯酰胺中的1～3种；所说的表面活性剂，是十二烷基硫酸钠、十六醇、聚乙烯吡咯烷酮、次甲基蓝、十六烷基三甲基溴化铵中的1～2种；所说的引发剂，是过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈中的1～2种。
在高分子聚合物包覆过程中，是制备疏水磁性纳米粒子并将其分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成稳定的油相分散的磁流体。具体的是在50～90℃下，将摩尔比为1∶2的Fe2+或Co2+或Mn2+和Fe3+或Co3+的溶液快速加入到氨水溶液中，快速加入C8～C22硬脂酸，搅拌反应后得到疏水磁性纳米粒子，疏水磁性纳米粒子的粒径为5～15nm，最后分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成油相。
控制疏水磁性纳米粒子在油相中的含量，可以调控高分子聚合物磁性微球的磁性物质含量和高分子聚合物磁性微球的粒径。
在二氧化硅包覆工艺中，表面硅羟基功能化的高分子聚合物磁性微球分散在醇、水和氨水的混合溶液中，加入正硅酸乙酯，是利用了高分子聚合物磁性微球表面硅羟基的亲硅作用，通过正硅酸乙酯水解缩合生长二氧化硅层。
在二氧化硅包覆过程中，正硅酸乙酯也可以是分批加入，利于控制二氧化硅壳层厚度。
如上所述，本发明阐述了一种制备具有磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法，该制备方法具有以下特点：(1)制备方法简单，通过高分子聚合物包覆——二氧化硅包覆两步工艺实现；(2)制备过程中引入硅烷试剂，使二氧化硅层生长过程简单；(3)在制备过程中，调控反应条件可以实现磁性物质含量、微球粒径、高分子聚合物内核粒径和二氧化硅壳层的可控；(4)制备的磁性复合粒子，具有良好的生物相容性与化学稳定性，并且易于氨基、羧基、巯基等进一步的功能化。
具体实施方式
实施例1：疏水磁性纳米粒子的制备(1)
向100ml经过通氮除氧的水中加入0.046mol的Fe3+和0.023mol的Fe2+得到混合溶液。取400ml水在1L的反应瓶中通氮除氧，依次加入20ml的质量百分比浓度为25％的浓氨水和1.33g 10-十一烯酸，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的铁盐混合溶液，在50℃下反应1h。反应完毕后，用盐酸将反应溶液调至酸性，用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3～5次即得疏水Fe3O4纳米粒子。
将Fe3+和Fe2+分别替换成Co3+和Co2+，可得到疏水的Co3O4纳米粒子。
实施例2：疏水磁性纳米粒子的制备(2)
向100ml经过通氮除氧的水中加入0.046mol的Fe3+和0.023mol的Fe2+得到混合溶液。取400ml水在1L的圆底烧瓶中通氮除氧，依次加入20ml的质量百分比浓度为25～28％的浓氨水和5.52g豆蔻酸，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的铁盐混合溶液，在80℃下反应1h。然后向反应溶液中通入氧气2h。反应完毕后，用盐酸将将反应溶液调至酸性，用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离出红色的固体，所得固体用高纯水清洗3～5次即得疏水的γ-Fe2O3纳米粒子
实施例3：疏水磁性纳米粒子的制备(3)
向100ml经过通氮除氧的水中加入0.046mol的Fe3+和0.023mol Co2+的得到混合溶液。取400ml水在1L的反应瓶中通氮除氧，依次加入20ml的质量百分比浓度为25％的浓氨水和10.8g油酸，在剧烈搅拌下迅速向其中倒入上述的混合溶液，在90℃下反应1h。反应完毕后，用盐酸将反应溶液调至酸性，用0.1T的永磁铁从反应溶液中分离出黑色的固体，所得固体用高纯水清洗3～5次即得CoFe2O4疏水纳米粒子。
将Co2+替换成Mn2+，可得到疏水的MnFe2O4纳米粒子。
实施例4：高分子聚合物磁性微球的制备(1)
将实施例1中的疏水Fe3O4磁性纳米粒子1g分散于3ml甲基丙烯酸甲酯和0.06ml的乙烯基三乙氧基硅烷混合溶液中形成油相；取1.875g十二烷基硫酸钠和5.625g十六醇溶解在150ml的水中形成水相。分别将油相、水相转入反应器中，通过超声分散形成水包油的乳液。升温至50℃，加入0.1g过硫酸钾和0.2g过硫酸铵，在350rpm下反应6h。反应结束后，即得到包覆Fe3O4的高分子聚合物磁性微球。
也可以将甲基丙烯酸甲酯替换成下列的烯类单体的任一种：苯乙烯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯醇、丙烯酰胺；也可以将乙烯基三乙氧基硅烷替换成下列的硅烷试剂的任一种：乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷。
实施例5：高分子聚合物磁性微球的制备(2)
将实施例2中的疏水γ-Fe2O3磁性纳米粒子3g分散于2ml苯乙烯、0.5ml甲基丙烯酸丁酯、0.5ml丙烯醇、0.3ml烯丙基三甲氧基硅烷的混合溶液中，加入过氧化苯甲酰0.1g，形成油相；取1.5g聚乙烯吡咯烷酮和0.05g次甲基蓝溶解在150ml的水中形成水相。分别将油相、水相转入反应器中，通过超声分散形成水包油的乳液，升温至70℃，加入0.3g的过硫酸钾，在350rpm搅拌下反应9h。反应结束后，即得到包覆γ-Fe2O3的高分子聚合物磁性微球。
可将烯丙基三甲氧基硅烷替换成乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任一种。
实施例6：高分子聚合物磁性微球的制备(3)
将实施例3中的疏水CoFe2O4纳米粒子5g分散于0.5ml苯乙烯、0.5ml甲基丙烯酸异丁酯、0.5ml丙烯酰胺、0.5ml乙烯基三甲氧基硅烷、0.5ml乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、0.5ml 3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合溶液中，加入0.5g偶氮二异丁腈，形成油相；取0.3g十六烷基三甲基溴化铵溶解在150ml的水中形成水相。分别将油相、水相转入反应器中，通过高速搅拌形成水包油的乳液，升温至90℃，在350rpm下反应12h。反应结束后，即得到包覆CoFe2O4的高分子聚合物磁性微球。
可将疏水CoFe2O4纳米粒子替换成疏水MnFe2O4。
实施例7：二氧化硅包覆(1)
将实施例4中的包覆Fe3O4的高分子聚合物磁性微球0.1g分散于500ml乙醇、10ml水和10ml氨水(质量浓度25％)，加入0.1ml 正硅酸乙酯，在200rpm的搅拌下反应15h，即得到平均粒径75nm的磁性物质/高分子聚合物/二氧化硅磁性微球，其二氧化硅壳层平均厚度6nm。
实施例8：二氧化硅包覆(2)
将实施例5中的包覆γ-Fe2O3的高分子聚合物磁性微球0.5g分散于500ml的乙醇、50ml水和25ml氨水(质量浓度25％)，在200rpm的搅拌下分批次加入正硅酸乙酯，相邻两次加入时间间隔3h，每次的加入0.5ml正硅酸乙酯，共加入2.5ml的正硅酸乙酯，当正硅酸乙酯全部加完，继续反应10h即得到平均粒径310nm的磁性物质/高分子聚合物/二氧化硅磁性微球，其二氧化硅壳层平均厚度90nm。
实施例9：二氧化硅包覆(3)
将实施例6中的包覆CoFe2O4的高分子聚合物磁性微球2.5g分散于500ml的乙醇、100ml水中，加入50ml氨水(质量浓度25％)，在200rpm的搅拌下分批次加入正硅酸乙酯，相邻两次加入时间间隔5h，每次的加入5ml正硅酸乙酯，共加入45ml的正硅酸乙酯，当正硅酸乙酯全部加完，继续反应5h即得到平均粒径1280nm的磁性物质/高分子聚合物/二氧化硅磁性微球，其二氧化硅壳层平均厚度450nm。

Claims (3)

1、一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法，其特征在于，有高分子聚合物包覆、二氧化硅包覆的工艺过程；
所说的高分子聚合物包覆工艺，是制备疏水磁性纳米粒子，并将其分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成油相；将表面活性剂溶于水形成水相，表面活性剂在水中的重量比含量是0.2％～5％；搅拌或超声将油相分散在水相形成水包油的悬浮液或微悬浮液；在50～90℃下，加入引发剂引发聚合，反应6～12小时，得到表面硅羟基功能化的高分子聚合物磁性微球；其中，硅烷试剂与烯类单体的体积比为1∶50～1∶1，疏水磁性纳米粒子在硅烷试剂和烯类单体的混合溶液中浓度为0.3g/ml～1.8g/ml；
所说的二氧化硅包覆工艺，是将高分子聚合物磁性微球分散在醇、水和氨水的混合溶液中，分1～10次加入正硅酸乙酯，每次加入时间间隔为3～6小时，正硅酸乙酯全部加完后，再继续反应5～15小时，制备得到磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构的磁性微球；高分子聚合物磁性微球在混合溶液中的浓度为0.1～5mg/ml，正硅酸乙酯在混合溶液中的浓度为0.1～85g/L；醇和水的体积比为5∶1～50∶1；氨水的摩尔浓度为0.25～1.2 mol/L。
2、按照权利要求1所述的一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法，其特征在于，所说的硅烷试剂，是乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、烯丙基三甲氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的1～3种；所说的烯类单体，是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、丙烯醇、丙烯酰胺中的1～3种；所说的表面活性剂，是十二烷基硫酸钠、十六醇、聚乙烯吡咯烷酮、次甲基蓝、十六烷基三甲基溴化铵中的1～2种；所说的引发剂，是过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈中的1～2种。
3、按照权利要求1或2所述的一种磁性粒子/聚合物/二氧化硅结构磁性微球的制备方法，其特征在于，所说的制备疏水磁性纳米粒子，并将其分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成稳定的油相，是在50～90℃下，将摩尔比为1∶2的Fe2+或Co2+或Mn2+和Fe3-或Co3+的溶液直接加入到氨水溶液中，立即加入C8～C22硬脂酸，并搅拌反应0.5～2小时，得到疏水磁性纳米粒子，再分散在硅烷试剂和烯类单体组成的溶液中形成油相。
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