CN101735367A - 一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法；由化学共沉淀法制备亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液：酸化制备疏水性超细Fe₃O₄粒子：将疏水性超细Fe₃O₄粒子、引发剂和超疏水剂溶于单体中，将离子型共聚单体加入去离子水中配成水相，将油相与水相混合，在冰浴中进行超声波乳化，得到无乳化剂细乳液，单体为疏水性单体；引发剂为油溶性引发剂；超疏水剂为十六烷；离子型单体为对苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；将得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，在50～90℃下聚合12～24小时，得到纳米磁性聚合物复合微球乳液；该复合微球具有自稳定作用的超顺磁性，磁含量分布均匀。

Description

一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法。

背景技术：

磁性聚合物复合微球(磁性复合微球)因对外磁场具有较强的磁响应性，并且能够被进一步功能化和进行表面修饰后固载各种生物分子，因此在生物医学、生物工程和生物技术等领域有着广泛的应用，如进行细胞分离、免疫测定、核酸提纯和DNA分离、酶固定、磁共振成像等。

磁性复合微球应满足一些要求以便应用于生物、医学领域。这些要求包括：磁性复合微球在体系中不沉淀；磁性复合微球粒径小且分布窄、磁含量高且均匀；磁性复合微球具有超顺磁性，且无毒、无磁性粒子泄漏；体系中没有未包覆聚合物的磁性粒子(未包覆磁性粒子)，也没有不含磁性粒子的纯聚合物微球(不含磁聚合物微球)，等等。磁性复合微球在体系中不沉淀，是为了避免磁性复合微球的聚集和合并；粒径小是为了具有高的比表面积以便固载更多的生物分子；分布窄、磁含量高且均匀是为了具有较强且均一的磁响应性；磁性复合微球具有超顺磁性是为了满足在外加磁场存在下的磁响应性和外加磁场撤除后磁性复合微球因无剩磁存在而能够进行重新分散；无毒是生物医学必然的要求，无磁性粒子泄漏是为了避免磁响应性的减弱；体系中没有未包覆磁性粒子，也没有不含磁聚合物微球是因为未包覆磁性粒子不能被进一步功能化，不含磁聚合物微球虽能够被进一步功能化，但其对外磁场无响应，因而无法满意生物医学的要求。

目前，已经有多种方法被用于合成磁性复合微球。

物理包覆法是最早被采用制备磁性复合微球的方法。它是采用在天然高分子(如右旋糖苷、明胶、壳聚糖、支链淀粉、蛋白质等)或合成高分子(如PVP，PEG，PVA等)存在下，原位化学沉淀铁离子和亚铁离子制得。该法所制备的磁性复合微球已经在核酸提纯和DNA分离、酶固定等领域得到应用。但是，该法只能制备亲水性磁性复合微球，应用领域受到很大限制，且所得到的磁性复合微球存在形态极不规整、粒径分布极宽、磁性粒子容易泄漏等诸多无法克服的问题，因此，该方法目前已经被淘汰。

PCT WO 83/03920介绍的在单分散、多孔聚合物微球的孔中进行铁离子和亚铁离子原位化学沉淀制备磁性复合微球的方法是目前唯一商品化的方法。该法制备的磁性复合微球具有粒径分布窄、磁含量均匀等优点。但是，该法制备的磁性复合微球粒径较大(1～10微米)，因而比表面积较小，进一步功能化或表面修饰后固载各种生物分子较少，且该法需要预先制备单分散、多孔聚合物微球，制备过程复杂且重复困难。另外，磁性粒子也容易从粒子孔穴中泄漏出去而降低磁性复合微球的磁响应性。

异相凝聚法(或称电荷中和法)是分别制备表面带有相反电荷的无机磁性粒子和聚合物微球，然后将二者混合在一起。因正负电荷的中和，磁性粒子被吸附并沉积在聚合物微球表面，形成聚合物核/磁性粒子壳的核/壳结构。为避免磁性粒子的泄漏，通常还需要在磁性复合微球表面再包覆一层聚合物，形成聚合物/磁性粒子/聚合物的多层结构。该法聚合物核/磁性粒子壳的制备较容易，但磁性粒子在聚合物微球表面的沉积不均匀，也很难控制，体系中通常存在大量的未被吸附的磁性粒子，该部分磁性粒子显然无法被进一步功能化。另外，聚合物/磁性粒子/聚合物多层结构的形成也很难控制，且在此过程中通常都会形成不含磁聚合物微球，而该微球虽能够被进一步功能化，但因不含磁性粒子而对外磁场无响应。

通过非均相聚合对磁性粒子进行微囊化是研究最广泛、最有效的磁性复合微球的合成方法。目前，已经用于合成疏水性磁性复合微球的非均相聚合法有传统乳液聚合、无皂溶液聚合、细乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合和ATRP等，而合成亲水性磁性复合微球的非均相聚合法有反相乳液聚合、反相微乳液聚合、反相细乳液聚合、沉淀聚合和种子沉淀聚合等。但是，上述方法所合成的磁性微球存在粒径大(多为亚微米级)且分布宽等问题。同时，上述方法都无法从根本上避免未包覆磁性粒子和不含磁聚合物微球的形成，因而磁性粒子的微囊化率较低，限制了其在生物、医学等领域的应用。

对于制备疏水性磁性复合微球来说，由于磁性粒子无法在聚合过程中从水相扩散到单体相，故需要在聚合前将亲水性磁性粒子表面进行疏水化处理，而得到可直接溶于单体的疏水性磁性粒子。因而，在上述各种非均相聚合法制备疏水性磁性复合微球的方法中，以单体珠滴机理进行聚合的细乳液聚合是最合适和有效的合成方法。但是，该方法无法从根本上避免未包覆磁性粒子和不含磁聚合物微球的形成。

发明内容：

本发明采用一种无乳化剂细乳液聚合(emul sifier-freeminiemulsion polymerization，也称作无皂细乳液聚合，soaplessminiemulsion polymerization)制备磁性聚合物复合微球，制备出一种具有自稳定作用、超顺磁性、较强的磁响应性、无未包覆磁性粒子、无不含磁聚合物微球、窄分布的纳米磁性聚合物复合微球。

本发明实施方法如下：

一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法：

1)化学共沉淀法制备亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液

用于合成磁性复合微球的磁性粒子是超细的Fe₃O₄粒子，其主要有机械研磨法、沉淀-氧化法和化学共沉淀法三种制备方法。

本发明采用化学共沉淀法制备Fe₃O₄粒子。该法是在稳定剂存在下用碱沉淀Fe³⁺/Fe²⁺溶液(Fe³⁺∶Fe²⁺∶OH^-＝2∶1∶8(mol))，形成表面被稳定剂包裹的亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液。其反应方程式如下：

2)酸化法制备疏水性超细Fe₃O₄粒子

酸化过程是为了将超细Fe₃O₄粒子的表面由亲水性转变为疏水性，从而Fe₃O₄粒子由水分散液转变为疏水性单体(油)分散液。采用稀的无机酸对上述1)得到的亲水性Fe₃O₄粒子进行酸化、分离，得到疏水性超细Fe₃O₄粒子。

3)制备单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液

将疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体，然后加入溶有离子型共聚单体的水相中，在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。

4)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液聚合

将上述3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，升温进行聚合反应，得到纳米磁性聚合物复合微球乳液。

5)上述1)化学共沉淀法制备亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液包括的组分及份数为：

FeCl₃·6H₂O    54.04g

FeCl₂·4H₂O    19.88g

去离子水       1000～1500ml

油酸           10～20g

25％氨水       130～180ml

6)上述2)酸化法制备疏水性超细Fe₃O₄粒子包括的组分及份数为：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液    1200～1800ml

1N盐酸                       500～1000ml

7)上述3)制备单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液包含的组分及重量份数为：

单体                   10～100份

疏水性超细Fe₃O₄粒子    1～20份

超疏水剂               3～18份

油溶性引发剂           0.1～3.0份

离子型共聚单体         1～20份

去离子水               100～1200份

作为一种优化方案：首先将上述组分中疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体形成油相，然后将离子型共聚单体加入去离子水中配成水相，然后油相与水相分别加入烧杯中进行混合，再将混合液在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。将无乳化剂细乳液加入反应器中，在50～90℃下聚合12～24小时，得到具有自稳定作用的超顺磁性纳米磁性聚合物复合微球乳液。

引发剂为油溶性引发剂或水溶性过硫酸盐引发剂，优选油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰或偶氮二异庚腈。

超疏水剂为十六烷；离子型单体为对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，优选苯乙烯磺酸钠。

制备出的具有自稳定作用、超顺磁性、较强的磁响应性、无未包覆磁性粒子、无不含磁聚合物微球、窄分布的纳米磁性聚合物复合微球。

具体实施方式：

实施例1：

1)亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液的制备

采用化学共沉淀法制备Fe₃O₄粒子包含的组分及份数为：

FeCl₃·6H₂O        54.04g

FeCl₂·4H₂O        19.88g

去离子水           1200ml

油酸               20g

25％氨水           150ml

制备过程为：FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O分别溶于600ml去离子水中，溶解后分别加入2L反应器中；搅拌条件下通氮气，加入油酸；搅拌5～10分钟后室温滴加25％氨水；保持室温1小时，升温到90℃，保持90℃搅拌1小时；降温出料。

2)对1)得到的Fe₃O₄粒子分散液进行酸化处理，制备疏水性超细Fe₃O₄粒子，其包含的组分及份数为：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液    1350ml

1N盐酸                       800ml

制备过程为：将亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液置于3L烧杯中，搅拌条件下加入稀盐酸；倾到上清液，用去离子水反复洗涤至洗涤水中性。

3)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液的制备包含的组分及重量份数为：

苯乙烯    80份

疏水性超细Fe₃O₄粒子    20份

十六烷                 15份

偶氮二异丁腈           1.0份

对苯乙烯磺酸钠         20份

去离子水               900份

操作过程为：将疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体配成油相；将离子型共聚溶于去离子水配成水相；将油相加入水相中，在电磁搅拌下在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。

4)无乳化剂细乳液聚合

将上述3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，升温到70℃进行聚合反应，聚合时间21小时，得到Fe₃O₄含量约20％、数均粒径为76.9nm、多分散指数为1.081、磁含量分布均匀、具有自稳定作用的超顺磁性纳米磁性聚合物复合微球乳液。

实施例2：

1)亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液的制备

采用化学共沉淀法制备Fe₃O₄粒子包含的组分及份数为：

FeCl₃·6H₂O    54.04g

FeCl₂·4H₂O    19.88g

去离子水       1200ml

油酸           20g

25％氨水       150ml

制备过程为：FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O分别溶于600ml去离子水中，溶解后分别加入2L反应器中；搅拌条件下通氮气，加入油酸；搅拌5～10分钟后室温滴加25％氨水；保持室温1小时，升温到90℃，保持90℃搅拌1小时；降温出料。

2)对1)得到的Fe₃O₄粒子分散液进行酸化处理，制备疏水性超细Fe₃O₄粒子，其包含的组分及份数为：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液    1350ml

1N盐酸                       800ml

制备过程为：将亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液置于3L烧杯中，搅拌条件下加入稀盐酸；倾到上清液，用去离子水反复洗涤至洗涤水中性。

3)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液的制备包含的组分及重量份数为：

苯乙烯                 85份

疏水性超细Fe₃O₄粒子    15份

十六烷                 10份

偶氮二异丁腈           1.0份

对苯乙烯磺酸钠         15份

去离子水               900份

操作过程为：将疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体配成油相；将离子型共聚溶于去离子水配成水相；将油相加入水相中，在电磁搅拌下在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。

4)无乳化剂细乳液聚合

将上述3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，升温到70℃进行聚合反应，聚合时间21小时，得到Fe₃O₄含量约15％、数均粒径为83.1nm、多分散指数为1.092、磁含量分布均匀、具有自稳定作用的超顺磁性纳米磁性聚合物复合微球乳液。

实施例3：

1)亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液的制备

采用化学共沉淀法制备Fe₃O₄粒子包含的组分及份数为：

FeCl₃·6H₂O    54.04g

FeCl₂·4H₂O    19.88g

去离子水       1200ml

油酸           20g

25％氨水       150ml

制备过程为：FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O分别溶于600ml去离子水中，溶解后分别加入2L反应器中；搅拌条件下通氮气，加入油酸；搅拌5～10分钟后室温滴加25％氨水；保持室温1小时，升温到90℃，保持90℃搅拌1小时；降温出料。

2)对1)得到的Fe₃O₄粒子分散液进行酸化处理，制备疏水性超细Fe₃O₄粒子，其包含的组分及份数为：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液    1350ml

1N盐酸                       800ml

制备过程为：将亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液置于3L烧杯中，搅拌条件下加入稀盐酸；倾到上清液，用去离子水反复洗涤至洗涤水中性。

3)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液的制备包含的组分及重量份数为：

苯乙烯                 90份

疏水性超细Fe₃O₄粒子    10份

十六烷                 12份

偶氮二异丁腈           1.0份

对苯乙烯磺酸钠         18份

去离子水               900份

操作过程为：将疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体配成油相；将离子型共聚溶于去离子水配成水相；将油相加入水相中，在电磁搅拌下在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。

4)无乳化剂细乳液聚合

将上述3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，升温到80℃进行聚合反应，聚合时间21小时，得到Fe₃O₄含量约10％、数均粒径为75.3nm、多分散指数为1.085、磁含量分布均匀、具有自稳定作用的超顺磁性纳米磁性聚合物复合微球乳液。

实施例4：

1)亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液的制备

采用化学共沉淀法制备Fe₃O₄粒子包含的组分及份数为：

FeCl₃·6H₂O    54.04g

FeCl₂·4H₂O    19.88g

去离子水       1200ml

油酸           20g

25％氨水       150ml

制备过程为：FeCl₃·6H₂O、FeCl₂·4H₂O分别溶于600ml去离子水中，溶解后分别加入2L反应器中；搅拌条件下通氮气，加入油酸；搅拌5～10分钟后室温滴加25％氨水；保持室温1小时，升温到90℃，保持90℃搅拌1小时；降温出料。

2)对1)得到的Fe₃O₄4粒子分散液进行酸化处理，制备疏水性超细Fe₃O₄粒子，其包含的组分及份数为：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液    1350ml

1N盐酸                       800ml

制备过程为：将亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液置于3L烧杯中，搅拌条件下加入稀盐酸；倾到上清液，用去离子水反复洗涤至洗涤水中性。

3)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液的制备包含的组分及重量份数为：

苯乙烯                 95份

疏水性超细Fe₃O₄粒子    15份

十六烷                 8份

偶氮二异丁腈           1.0份

对苯乙烯磺酸钠         20份

去离子水               900份

操作过程为：将疏水性超细Fe₃O₄粒子、油溶性引发剂和超疏水剂溶于单体配成油相；将离子型共聚溶于去离子水配成水相；将油相加入水相中，在电磁搅拌下在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液。

4)无乳化剂细乳液聚合

将上述3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，升温到80℃进行聚合反应，聚合时间21小时，得到Fe₃O₄含量约5％、数均粒径为72.6nm、多分散指数为1.083、磁含量分布均匀、具有自稳定作用的超顺磁性纳米磁性聚合物复合微球乳液。

Claims (6)

1.一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：

1)由下列成分和量进行化学共沉淀法制备亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液：

FeCl₃·6H₂O               54.04g

FeCl₂·4H₂O               19.88g

去离子水                  1000～1500ml

油酸                      10～20g

25％氨水                  130～180ml；

2)由下列成分和量进行酸化制备疏水性超细Fe₃O₄粒子：

亲水性超细Fe₃O₄粒子分散液 1200～1800ml

1N盐酸                    500～1000ml；

3)制备单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液：

按重量份将疏水性超细Fe₃O₄粒子1～20份、引发剂0.1～3.0份和超疏水剂3～18份溶于10～100份单体中，将离子型共聚单体1～20份加入100～1200份去离子水中配成水相，将油相与水相混合，在冰浴中进行超声波乳化，得到单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液，单体为疏水性单体；引发剂为油溶性引发剂；超疏水剂为十六烷；离子型单体为对苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；

4)单体/疏水性超细Fe₃O₄粒子复合的无乳化剂细乳液聚合：

将3)得到的无乳化剂细乳液置于反应器中，在50～90℃下聚合12～24小时，得到纳米磁性聚合物复合微球乳液。

2.根据权利要求1所述的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：引发剂是水溶性过硫酸盐引发剂。

3.根据权利要求1所述的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：油溶性引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰或偶氮二异庚腈。

4.根据权利要求1所述的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：聚合温度为70～80℃。

5.根据权利要求1所述的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：酸化的酸是稀硫酸、稀硝酸或高氯酸。

6.根据权利要求1所述的一种纳米磁性聚合物复合微球的制备方法，其特征在于：疏水性单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲基、丙烯酸乙酯中两种或两种以上的单体的混合物。