CN101440168A

CN101440168A - 一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品

Info

Publication number: CN101440168A
Application number: CNA2007101777046A
Authority: CN
Inventors: 马光辉; 曲剑波; 苏志国; 卫强
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: CN101440168B

Abstract

一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品，其特征是在聚苯乙烯表面通过稳定的化学键接枝偶联了一层亲水性大分子聚乙烯醇(PVA)，特别是对超大孔聚苯乙烯微球表面亲水改性。本发明的具体步骤包括：(1)在有机溶剂中，在酸性催化剂作用下利用Friedel－Crafts反应将聚苯乙烯的苯环卤乙酰化或卤甲基化，接上活性基团卤乙酰基或卤甲基；(2)在碱性条件和相转移催化剂作用下，利用Williamson醚化反应将亲水性PVA通过醚键偶联到聚苯乙烯表面。本发明的优点是操作简单、条件温和，亲水镀层稳定不易脱落，并且富含羟基，在生物技术尤其是色谱分离领域有很大应用潜力。

Description

一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品

技术领域

本发明涉及一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品。特别是对超大孔聚苯乙烯微球表面亲水改性，得到的产品特征是内部为高强度的疏水多孔骨架，表面(包括孔道内表面)偶联一层富含羟基的亲水性大分子聚乙烯醇(PVA)，进一步衍生后作为快速分离蛋白质等生物大分子的灌注色谱介质。属于高分子微球功能改性领域。

背景技术

在很多生物技术应用中都存在着蛋白质等生物大分子在疏水表面的非特异性吸附问题。比如固相诊断中抗体和抗原在96孔板的吸附会导致检测精度下降，色谱分离中蛋白在介质上的非特异性吸附会造成谱带变宽以及样品损失等(Analytical Biochemistry，1980，105：375～383；Journal of Chromatography，1988，445：1～11)。另外，细胞、细菌以及高等生物在材料表面吸附形成蛋白层也是生物污染的主要原因。疏水作用是疏水材料对蛋白非特异性吸附的最主要因素(Journal of colloid and interface Science，1989，132：176-187)，增加材料的亲水性将会大大降低蛋白的吸附量。因此对疏水材料进行表面亲水改性是一种降低蛋白非特异性吸附的理想方法。

聚苯乙烯材料由于其良好的机械性能和化学稳定性，亲水改性后在生物及分析分离领域有着广泛应用。常用的改性方法有两种：物理吸附镀层亲水性材料和化学偶联镀层亲水性材料。物理吸附镀层通常是在聚苯乙烯材料表面吸附一层亲水/疏水两亲性聚合物，然后进行交联，吸附类型多属于Langmuir型。两亲性聚合物主要有PVA，疏水改性多糖，聚氧乙烯—聚氧丙烯—聚氧乙烯嵌断共聚物等。物理吸附镀层后虽然材料表面的亲水性得到有效提高，抑制了蛋白的非特异性吸附。但是镀层容易脱落，特别是处于蛋白溶液当中时，这限制了材料的重复利用次数，特别是作为色谱分离介质时影响很大。

相比物理吸附法，化学偶联法接枝亲水性高分子的报道较少，已有的文献中，较多的是聚苯乙烯微球表面偶联聚乙二醇(PEG)的报道。聚苯乙烯改性首先要通过Friedel—Crafts反应在聚苯乙烯的苯环上接上活泼基团(—CH₂Cl，—OH，—COOH，—COCH₂Cl，—NH₂等)，然后再利用这些活泼基团进一步改性。Lee Yoon—Sik(U.S.Patent 5,466,758(1995).)等人发明了一种制备具有β羟基聚苯乙烯(PS-PO)的简便方法，并在此基础上制备出接枝PEG的聚苯乙烯微球。合成路线如下：

Holmberg等人研究了接枝分支型PEG和线型PEG的聚苯乙烯对降低人纤维蛋白原吸附能力的影响(Journal of biomedical materials research，1992，26：779～790)。结果表明，分支型和线型PEG(分子量在1500～20000)都能明显降低蛋白的吸附量，分支型PEG与线性PEG相比没有预想中明显优势，作者用体积排阻色谱证明了在水中分支型和线型PEG的排阻体积没有不同。反应示意图如下：

上述两个方法都属于在聚苯乙烯表面接枝PEG，能有效降低蛋白质的非特异性吸附作用。但是接枝后一条PEG链只含一个羟基，如果材料需要进一步改性会受到限制，比如改性后微球进一步衍生成离子交换色谱、亲和色谱介质等。

毛陆原等(功能高分子学报，1997，10：205～212)制备了一种表面固载环糊精的聚苯乙烯微球，以DMF为溶剂，碘化钾和四丁基溴化胺做相转移催化剂(Phasetransfer catalyst，PTC)，使β—环糊精在氢氧化钠或氢化钠存在下与氯甲基聚苯乙烯微球发生亲核取代反应。反应路线如下：

第一步：固载化反应路线

第二步：接枝反应路线

他们考察了β—环糊精共聚物对苯酚、对氯苯酚、邻氯苯酚的包合识别性能，结果表明包合作用对位>邻位>苯酚。这种β—环糊精共聚物属于低聚物，不能有效覆盖聚苯乙烯的疏水表面，不适合作为生物大分子分离基质。

本发明提供了一种有效的表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品，在前人工作(离子交换与吸附，2005，21(4)：289～296；成都科技大学学报，1993，76(6)：44～50)的基础上(聚苯乙烯卤甲基化或卤乙酰化)，将亲水性大分子聚乙烯醇成功偶联到超大孔聚苯乙烯微球表面，不但有效降低了蛋白质的非特异吸附作用，而且改性后的微球富含羟基，可以进一步采用传统方法衍生成各种色谱分离介质。

发明内容

本发明利用Williamson醚化反应原理，目的是在聚苯乙烯表面均匀偶联一层亲水性物质。普通聚苯乙烯材料改性后能够有效降低蛋白质的吸附，在生物应用领域有很大价值；超大孔聚苯乙烯微球改性后是一种很好的生物大分子色谱分离基质，进一步衍生后在蛋白质快速分离纯化领域具有很大的潜力和优势。

本发明提出了一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品，包括如下步骤：

a、在酸性催化剂作用下，利用Friedel-Crafts反应将聚苯乙烯的苯环卤乙酰化或卤甲基化，得到具备下述通式的物质A：

其中R可为C＝O，H，X可为Cl，Br。A的功能基团RCHX为卤乙酰基或卤甲基，优选氯乙酰基或氯甲基。

b、在碱性物质存在条件下，将所得的A与适量PTC加入到溶有PVA的有机溶剂中，使PVA与聚苯乙烯通过醚键偶联。当碱性物质为氢氧化钠时化学反应式如下：

本发明所述改性反应的步骤a中的聚苯乙烯为交联聚苯乙烯，优选为交联聚苯乙烯微球或者聚苯乙烯板。

当步骤a完成时，将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥后进行第二步反应。

本发明所述改性反应的步骤b是关键反应。如果控制不好，既可能导致聚乙烯醇分子链间脱水，交联成团后包裹在聚苯乙烯表面，也可能造成PVA偶联量太低无法充分覆盖聚苯乙烯疏水表面。理想的PVA的偶联量在0.8～1.0mg/m²范围内。

本发明所述改性反应步骤b中PVA是一种关键材料，文中提到的PVA2K和PVA22K醇解度分别为75％和87～89％，购于Acros Organics公司；PVA9k～10k和PVA13K～23K醇解度分别为80％和87～89％，购于Sigma-Aldrich公司。PVA后面的数字代表分子量，如2K表示分子量为2000。

本发明并不局限于给定的几种关键材料来源，PVA分子量范围可为2k～95K，优选为5-25K。

本发明所述改性反应的步骤b中所用的有机溶剂是N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)，使用前必须经过干燥脱水处理，否则会严重影响反应效果。

本发明所述步骤b中所用的碱性物质为选自叔丁基醇钾、丁基锂、氨基钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氢化钾和氢化钠中的一种，优选氢氧化钾和氢氧化钠。碱量与物质A中X的物质的量比为1～20，优选5—10。

本发明所述改性反应的步骤b中所用的相转移催化剂是四丁基溴化铵(TBAB)、十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)、十六烷基三甲基氯化铵(CTMAC)、四丁基硫酸氢铵(TBSB)、四丁基碘化铵(TBAI)。物质A中X与相转移催化剂的用量摩尔比为0.01～1，优选为0.1～0.5。

本发明所述改性反应的步骤b中所用PVA的浓度范围是1～50mg/ml，最佳范围是8～15mg/ml。

本发明所述改性反应的步骤b中所需反应时间范围1～100h，为保证卤乙酰基/卤甲基反应充分，优选反应时间24～36h；反应温度0～100℃，优选50～70℃。

本发明所述改性反应的步骤b中PVA分子链与卤乙酰化/卤甲基化聚苯乙烯以醚键连接，偶联方式与文献中端基接枝PEG不同，属于侧链接枝偶联，有利于形成均匀镀层。

当步骤b完成时，将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥。

本发明所述的固体产物是表面接枝偶联了PVA的交联聚苯乙烯，特别是表面偶联PVA的超大孔聚苯乙烯微球。

本发明产生的技术效果：在聚苯乙烯表面均匀偶联了一层PVA高分子，镀层通过稳定的化学键连接，使聚苯乙烯表面的亲水程度大大提高，对蛋白的非特异性吸附能力得到很大降低。

本发明的聚苯乙烯材料亲水改性方法，可得到一种新的聚苯乙烯改性材料，在生物技术和色谱分离中具有重要的应用价值。

具体实施方式

实施例一

A 聚苯乙烯的氯乙酰化反应

50ml烧瓶中加入0.8g普通聚苯乙烯板，20ml二氯甲烷，无水三氯化铝1.2g，磁子搅拌，溶液变成黄色，，然后滴加氯乙酰氯0.8ml，30℃油浴反应5h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。

干燥后的氯乙酰化聚苯乙烯用氢氧化钠熔融法测定氯含量，红外光谱(FTIR)分析表明，样品与反应前相比在1683cm^-1出现强的与苯环相连的羰基伸缩振动吸收峰，在645cm^-1处出现了一个很强的氯原子(—Cl)伸缩振动峰。

B 氯乙酰化聚苯乙烯偶联PVA

用5mlDMF将上述得到氯乙酰化聚苯乙烯0.6g溶胀过夜，加入35ml PVA2K的DMF溶液，保证反应体系中PVA浓度为20mg/ml，在搅拌状态下依次加入四丁基溴化铵0.4g，氢氧化钠0.8g，70℃油浴反应24h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥。FTIR分析表明在3433cm^-1处的出现很强的羟基吸收峰；在1114cm^-1处出现了C—O—C非对称伸缩振动吸收峰；在氯乙酰化聚苯乙烯红外光谱中645cm^-1处很强的C—Cl伸缩振动峰已经消失，上述这三处变化都表明PVA已经成功地偶联到聚苯乙烯微球上。

实施例二

A 聚苯乙烯的氯乙酰化反应

50ml烧瓶中加入0.8g聚苯乙烯微球，24ml二硫化碳，无水三氯化铝1.06g，磁子搅拌，溶液变成黄色，，然后滴加氯乙酰氯0.3ml，50℃油浴反应3h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量为12.02％。

B 氯乙酰化聚苯乙烯偶联PVA

用5mlDMF将上述得到氯乙酰化聚苯乙烯微球1.0g溶胀过夜，加入35mlPVA9K～10K的DMF溶液，保证反应体系中PVA浓度为20mg/ml，在搅拌浆搅拌状态下依次加入四丁基碘化铵0.76g，氢氧化钾1.15g，70℃油浴反应24h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥，得到的微球羟基含量4.212mmol/g干球，PVA偶联量为0.59mg/m²干球。

实施例三

A 聚苯乙烯的溴乙酰化反应

50ml烧瓶中加入1g聚苯乙烯微球，24ml二硫化碳，无水三氯化铝1.5g，磁子搅拌，溶液变成黄色，，然后滴加溴乙酰溴0.4ml，50℃油浴反应3h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。改性后微球溴含量为25.54％。

B 溴乙酰化聚苯乙烯偶联PVA

用5mlDMF将上述得到溴乙酰化聚苯乙烯微球0.6g溶胀过夜，加入35mlPVA22K的DMF溶液，保证反应体系中PVA浓度为10mg/ml，在搅拌桨搅拌状态下依次加入十六烷基三甲基溴化铵0.44g，氢氧化钾1.10g，70℃油浴反应24h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥，得到的微球羟基含量3.867mmol/g干球，PVA偶联量为0.86mg/m²干球。

实施例四

A 聚苯乙烯的氯甲基化反应

250ml烧瓶中加入10g聚苯乙烯微球，70ml氯甲醚，搅拌桨搅拌，25℃恒温1h，投入无水氯化锌8g，溶液变成棕褐色，然后开始升温，50℃油浴反应10h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量为19.28％。

B 氯甲基化聚苯乙烯偶联PVA

用50mlDMF将上述得到氯甲基化聚苯乙烯微球5g溶胀过夜，加入250mlPVA22K的DMF溶液，保证反应体系中PVA浓度为15mg/ml，在搅拌桨搅拌状态下依次加入四丁基硫酸氢铵4.61g，氢氧化钠8.70g，70℃油浴反应24h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥，得到的微球羟基含量3.837mmol/g干球，PVA偶联量为0.98mg/m²干球。

实施例五

A 聚苯乙烯的氯甲基化反应

100ml烧瓶中加入2g聚苯乙烯微球，40ml二氯甲烷，1，4—二氯甲氧基丁烷10ml，搅拌桨搅拌使白球充分溶涨，再加入无水四氯化锡3ml，40℃油浴反应6h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量为16.8％。

B 氯甲基化聚苯乙烯偶联PVA

用5mlDMF将上述得到氯甲基化聚苯乙烯微球0.6g溶胀过夜，加入35mlPVA13K～23K的DMSO溶液，保证反应体系中PVA浓度为10mg/ml，在搅拌浆搅拌状态下依次加入四丁基碘化铵0.53g，氢氧化钠0.91g，70℃油浴反应24h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥，得到的微球羟基含量4.012mmol/g干球，PVA偶联量为1.01mg/m²干球。

实施例六

A 聚苯乙烯的溴乙酰化反应

250ml烧瓶中加入10g聚苯乙烯微球，150ml二氯甲烷，无水三氯化铝19.5g，搅拌浆搅拌，溶液变成黄色，，然后滴加溴乙酰溴8.5ml，50℃油浴反应3h。将反应液在无水状态下抽滤，分离得到的固体物质迅速倒入冰盐酸中搅拌，再次过滤并用去离子水洗至中性，最后再用无水乙醇洗涤过滤，在真空烘箱中干燥。改性后微球溴含量为27.78％。

B 溴乙酰化聚苯乙烯偶联PVA

用50mlDMSO将上述得到溴乙酰化聚苯乙烯微球6g溶胀过夜，加入350mlPVA13K～23K的DMSO溶液，保证反应体系中PVA浓度为15mg/ml，在搅拌浆搅拌状态下依次加入四丁基溴化铵3.362g，氢氧化钠6.68g，70℃油浴反应36h。将反应液趁热过滤，然后将固体物质用大量热水洗涤，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后过滤并真空干燥，得到的微球羟基含量3.733mmol/g干球，PVA偶联量为0.95mg/m²干球。

Claims

1.一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品，包括如下步骤：

a.将聚苯乙烯的苯环经Friedel-Crafts反应得到具备下述通式的物质A，

b.在碱性物质存在条件下，将所得的A与相转移催化剂加入到溶有PVA的有机溶剂中，使PVA与聚苯乙烯通过醚键偶联。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯为交联聚苯乙烯，优选为交联聚苯乙烯微球或者聚苯乙烯板。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的R为C＝O或H，所述的X为Cl或Br。

4.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的物质A的功能基团RCHX为卤乙酰基或卤甲基，优选氯乙酰基或氯甲基。

5.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的PVA分子量范围为2k～95K，优选为5-25K。

6.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的碱性物质选自叔丁基醇钾、丁基锂、氨基钠、氢氧化钾、氢氧化钠、氢化钾和氢化钠中的一种或者几种。

7.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述步骤b中物质A中X与碱的用量摩尔比为1～20，优选为5～10。

8.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的有机溶剂选自于N，N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的一种或者几种。

9.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的步骤b中的反应时间为1～100h，优选24～36h；反应温度0～100℃，优选50～70℃。

10.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述的相转移催化剂选自于四丁基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、四丁基硫酸氢铵和四丁基碘化铵中的一种或者几种。

11.根据权利1要求所述的方法，其特征在于，所述步骤b中物质A中X与相转移催化剂的用量摩尔比为0.01～1，优选为0.1～0.5。

12.根据权利1要求所述的表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品，其特征是聚苯乙烯材料表面(包括微球孔道内表面)接枝偶联了一层富含羟基的亲水性PVA分子链，可用于进一步改性或衍生。

13.一种聚苯乙烯大孔微球亲水改性的产品，其特征是微球内部为高强度疏水多孔骨架，表面(包括孔道内表面)偶联一层富含羟基的亲水性大分子PVA，进一步衍生后可作为快速分离生物大分子的色谱介质。