CN101817960A - 一种核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，是将静电自组装方法和种子乳液聚合方法相结合，首先采用静电自组装合成核壳结构粒子，然后以此为种子，结合引发剂，进行乳液聚合制备三层或三层以上夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子。该方法所制备的磁性复合粒子是以高分子微球为内核，中间为Fe₃O₄磁性粒子层，外层包覆不同聚合物层的多层夹心式核壳结构。制得的粒子结构稳定，磁性强且分布均匀，表面光滑，粒径可控，稳定性强，成本低，可在纳米尺度上控制各包裹层的厚度，具有较强的适应性。还可以根据需要制备具有特定表面基团的微粒，应用于生化分离、靶向制剂、固定化酶、免疫分析、催化研究等方面。

Description

一种核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁性复合纳米材料的制备方法，尤其是具有多层核壳结构的磁性复合纳米粒子的制备方法。

背景技术

磁性复合纳米材料是指通过适当的方法使高分子微球与纳米无机磁性物质结合起来，形成一种特殊结构且具有磁性的复合材料。该材料具有高分子微球和磁性微球的双重特性，如表面效应、体积效应、磁效应、生物兼容性和功能基特性等，同时该磁性材料易于提纯和回收。磁性复合纳米材料作为一种新型的功能高分子材料在生物医学(临床诊断酶标靶向药物)、细胞学(细胞标记细胞分离等)和生物工程(酶的固定化)等领域有着广泛的应用前景。

目前，核壳结构磁性复合纳米材料制备方法主要有包埋法、单体乳液聚合法、化学转化法和共沉淀法等。但这些方法均对原料的适应性不强，合成原理和工艺复杂，难以形成多层沉积，有一定局限性。Iler提出了利用静电作用力将带正、负电荷的物质层层交替沉积的层层静电自组装新技术来合成核壳结构复合纳米材料。

美国专利US4774265中采用静电自组装方法，采用聚苯乙烯胶粒为模板，利用带正电的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDADMAC)和带负电的二氧化硅纳米颗粒层之间的相互静电作用，进行交替包覆，制备多层核壳结构中空微球。运用该方法不仅实现了对孔径的控制，还能控制孔壁的厚度，制得的粒子应用于医学上药物的释放。

美国专利US6479146采用逐层聚电解质自组装的方法制备微米胶囊，以可溶解的胶粒作模板剂，胶体沉积聚电解质制成新型的三维空腔聚合物壳层，应用到生物医学上，可以利用改变壳层的厚度来控制药物的释放速率。

静电自组装方法的优点是可以实现对各包裹层厚度的控制，理论上具有较强的适应性，适合于不同外形、不同组分及粒径分布的胶体粒子。但是，该方法中用于逐层改变电荷正负性质所采用的聚电解质价格昂贵，成本高，包裹率低，目前技术成熟度也多限于制备纳米复合膜，多层核壳结构纳米粒子的制备鲜见报道。因此，亟需发展一种成本较低、工艺简便的磁性复合纳米粒子的制备技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能优良，稳定性好的多层核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，且成本较低、工艺简便。

本发明所要制备的核壳结构磁性复合纳米粒子是一种夹心式核壳结构，以高分子微球为核，中间为Fe₃O₄磁性粒子层，外层包覆不同聚合物层的多层核壳结构磁性复合纳米粒子。本发明所提供的这种核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，是将静电自组装方法和种子乳液聚合方法相结合，首先利用静电自组装技术，在高分子聚合物微球表面包覆一层磁性粒子，然后以此复合粒子为种子，通过半连续进料法引入聚合物单体，采用不同的引发剂进行种子乳液聚合，在其外层再包覆一层聚合物，形成以高分子微球为核，聚合物层包裹磁性粒子的三层磁性粒子结构，也可以通过重复此静电自组装和种子乳液聚合的过程，制备出三层以上的多层核壳结构磁性复合纳米粒子。该方法还可以根据需要制备具有特定表面基团的微粒，应用于生化分离、靶向制剂、固定化酶、免疫分析、催化研究等方面，具体包括如下步骤：

(1)高分子微球的制备：

先向装有去离子水的反应釜中通入N₂，将水中的O₂赶出，在35～95℃范围内加入合适的引发剂，引发剂浓度为1.6×10^-5mol·L^-1-1.6×10^-2mol·L^-1，再加入水体积1/5-1/200的高分子单体，采用无皂乳液聚合的方法制备出表面带电的高分子微球乳液；

(2)磁流体的制备：

取Fe₃O₄微粒置于去离子水中配成浓度为0.01-20.0wt％的Fe₃O₄水溶液，加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，CTAB的加入量为其临界胶束浓度值，进行超声分散至Fe₃O₄粒径小于100nm后，静置1-24h，制得Fe₃O₄磁流体，利用表面活性剂使Fe₃O₄微粒表面带与制备的高分子微球表面相反的电荷；

(3)静电自组装：

上述高分子微球乳液与Fe₃O₄磁流体按10∶1-1∶10的体积比混合，并用弱酸调节pH值约为5.5～6.5，再超声分散1-50min并搅拌，静置24h，制得具有磁性的核壳结构粒子，该粒子以高分子微球为核，Fe₃O₄磁性粒子层为壳；

(4)种子乳液聚合：

取步骤(3)制备的核壳结构磁性粒子为种子乳液200mL放入反应釜中，通入N₂排净系统内O₂，在35～95℃范围内加入合适的静电引发剂，引发剂浓度为1.6×10^-5mol·L^-1-1.6×10^-2mol·L^-1，再通过平流泵以每升反应釜料液的相对加料速率是0.001-50.0mL·min^-1速率滴加一定的聚合物单体，进行种子乳液聚合制得三层核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，以Fe₃O₄磁性微球层为中间层，以聚合物为外包覆层；

(5)多层组装：

将步骤(4)制得的磁性复合粒子与Fe₃O₄磁流体以体积比100∶1-1∶100混合，重复上述第(3)～(4)的步骤，制备多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，交替包覆Fe₃O₄磁性微球层和不同聚合物的包覆层；

或者，以步骤(4)制得的磁性复合粒子为种子乳液，以不同的聚合物单体重复进行种子乳液聚合过程，制备另一种类型的多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，包覆Fe₃O₄磁性微球层，外层为多层不同聚合物的包覆层；

上述步骤(1)和(4)中所述的高分子微球的单体和聚合物的单体均包括甲基丙烯酸酯类、丙烯酸酯类、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、二甲基丙烯酸乙二醇酯，二乙烯基苯、烯烃类、二烯烃类、环戊烯、环戊二烯和杂原子烯烃类所有可进行自由基聚合的单体。其中，甲基丙烯酸酯类单体包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸戊酯和甲基丙烯酸异戊酯；丙烯酸酯类单体包括丙烯酯甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸辛酯和丙烯酸异辛酯；烯烃类单体包括乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯和辛烯；二烯烃类单体包括丁二烯、戊二烯和异戊二烯；杂原子烯烃类单体包括氯乙烯和二氯乙烯。

上述步骤(1)和(4)中所述的引发剂均包括过硫酸盐类引发剂、水溶性偶氮类引发剂、氧化还原类引发剂、过氧化氢与金属盐的引发体系、过硫酸盐与亚铁盐的引发体系及过硫酸盐与亚硫酸氢盐的引发体系。其中，过硫酸盐类引发剂包括过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵；水溶性偶氮类引发剂包括偶氮二异丁脒盐酸盐(V50)和偶氮二异丙基脒唑啉盐酸盐(VA044)；氧化还原类引发剂包括过氧化氢与金属盐的引发体系、过硫酸盐与亚铁盐的引发体系和过硫酸盐与亚硫酸氢盐的引发体系。

本发明的有益效果是：采用静电组装与种子乳液聚合两种方法结合共同制备磁性复合纳米粒子，通过无皂乳液聚合得到高分子微球，将其与Fe₃O₄磁性粒子进行静电组装得到两层核壳结构微粒，然后以此为种子进行单体聚合得到三层核壳结构复合粒子，引入半连续进料方法使制得的微粒粒径更加均匀，重复静电组装与种子乳液聚合的操作，实现多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子的制备。该复合纳米粒子材料具有高分子微粒和磁性粒子双重特性，多层结构稳定，粒径均匀，磁性较强，易于快速从周围介质中分离出来。本发明所提出的制备方法结合了静电自组装和种子乳液聚合方法，不使用昂贵的聚电解质溶液，降低了生产成本；制备过程对合成材料本身性质无特殊限制，对磁性微球和包覆层结构及稳定性的要求较低，操作过程简便易行，整个制备过程稳定、易控制，具有很强的适应性。制得的多层磁性复合微粒呈球形，表面光滑，粒径可控，磁性均匀，可以应用于生化分离、靶向制剂、固定化酶、免疫分析、催化研究等方面。

具体实施方式：

下面结合实施例来详细描述本发明所提出的多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子及其制备过程，但不限于此。

实施例1：多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，主要包括高分子微球和磁流体的制备、静电自组装以及种子乳液聚合等过程。以三层夹心式核壳结构的PS/Fe₃O₄/PMMA微粒为例，其具体步骤如下：

取450mL去离子水置于反应釜中，通入N₂，恒温75℃下加入浓度为1.6×10^-2mol·L^-1的引发剂KPS 50mL和单体苯乙烯50mL，制备出PS微球。取4.0g Fe₃O₄固体置于200mL去离子水中，加入CTAB，超声分散制得Fe₃O₄磁流体。激光粒度仪(ZetasizerNano-S，Malvern Instruments.Ltd)测定粒径分布，所制得的PS微球粒径约为550nm，Fe₃O₄微粒平均粒径约为80nm。

取体积比为1∶2的PS微球乳液和Fe₃O₄磁流体，超声分散并搅拌后，恒温35℃静置24h，制得PS/Fe₃O₄微粒。激光粒度仪测定该复合微粒平均粒径约为730nm，基本与一个PS微球表面包覆单层Fe₃O₄微粒的粒径尺寸(550nm+80nm×2＝710nm)相当。实验中采用磁铁将该复合纳米粒子从乳液中分离，测定上清液中PS含量值远低于组装前乳液中PS含量，说明被磁铁吸附而分离的微粒中存在Fe₃O₄和PS。由实验现象、粒径增加值及组装前后乳液PS含量变化值可知，该静电自组装过程制得的磁性纳米粒子为PS/Fe₃O₄的两层核壳结构复合纳米粒子。

采用种子乳液聚合方法制备PS/Fe₃O₄/PMMA粒子，取200mL PS/Fe₃O₄复合粒子置于反应釜中，恒温75℃，加入1.6×10^-2mol·L^-1的KPS 20mL。稳定10min，用平流泵通入MMA作为聚合物单体，进料速率为0.01mL·min^-1，反应5h后停止进料再熟化1h，制得PS/Fe₃O₄/PMMA复合的三层核壳结构粒子。激光粒度仪测定其粒径分布，平均粒径约为1000nm，该值大于PS/Fe₃O₄复合纳米粒子的粒径(730nm)。测定乳液中该磁性纳米粒子所占比例约为40.0wt％。扫描电子显微镜(SEM)实验结果可知该三层核壳结构PS/Fe₃O₄/PMMA粒子呈球形，表面平滑，粒径分布均匀，粒径范围为700～800nm，该值小于粒度仪测定值，这是由于粒度仪测得的粒径为微粒与水作用后的粒径值。由实验过程、粒径改变值及微粒微观结构图(SEM照片)，可知，制备的磁性粒子为PS/Fe₃O₄/PMMA的三层核壳结构复合纳米粒子。

实施例2：

取100mL制得的PS/Fe₃O₄/PMMA复合的三层核壳结构粒子乳液与100mL Fe₃O₄磁流体进行静电自组装，制备PS/Fe₃O₄/PMMA/Fe₃O₄四层核壳结构复合纳米粒子，用激光粒度仪测定其平均粒径约为1180nm。再通过种子乳液聚合方法制备五层核壳结构复合粒子，取200mLPS/Fe₃O₄/PMMA/Fe₃O₄复合粒子乳液置于反应釜中，恒温75℃，加入1.6×10^-2mol·L^-1的KPS 20mL。稳定10min，用平流泵通入乙酸乙烯酯(VAc)作为聚合物单体，进料速率为0.01mL·min^-1，反应5h后停止进料再熟化1h，制得PS/Fe₃O₄/PMMA/Fe₃O₄/PVAc五层核壳结构复合纳米粒子。用激光粒度仪测定其平均粒径约为1350nm。

实施例3：

取200mL制备的PS/Fe₃O₄复合粒子乳液置于反应釜中，恒温75℃，加入20mL浓度为1.6×10^-2mol·L^-1的引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐(V50)，稳定10min后，用平流泵通入MMA作为聚合物单体，进料速率为0.02mL·min^-1，反应2.5h后停止进料再熟化1h，制得PS/Fe₃O₄/PMMA复合的三层核壳结构粒子。用激光粒度仪测定其平均粒径约为1000nm。

本发明将静电自组装方法和种子乳液聚合方法相结合，制备过程中无需昂贵的聚电解质，降低了成本，且引入半连续进料方法控制微球粒径分布，制得的多层核壳结构磁性复合纳米粒子具有表面光滑，粒径可控，磁性均匀等优点。

Claims (5)

1.一种核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，其特征是：是将静电自组装方法和种子乳液聚合方法相结合，首先利用引发剂使高分子微球表面带电荷，通过静电自组装在高分子微球表面包覆一层Fe₃O₄粒子，制得核壳结构复合微粒，然后以此核壳结构的微粒为种子，通过半连续进料法引入聚合物单体，采用不同的引发剂进行种子乳液聚合，制备三层核壳结构磁性复合纳米粒子，或重复此静电自组装与种子乳液聚合的过程，制备三层以上核壳结构磁性复合纳米粒子，具体包括如下步骤：

(1)高分子微球的制备：

先向装有去离子水的反应釜中通入N₂，将水中的O₂赶出，在35～95℃范围内加入合适的静电引发剂，引发剂浓度为1.6×10^-5mol·L^-1～1.6×10^-2mol·L^-1，再加入水体积1/5～1/200的高分子单体，采用无皂乳液聚合的方法制备出表面带电的高分子微球乳液；

(2)磁流体的制备：

取Fe₃O₄微粒置于去离子水中配成浓度为0.01～20.0wt％的Fe₃O₄水溶液，加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，CTAB的加入量为其临界胶束浓度值，进行超声分散至Fe₃O₄粒径小于100nm后，静置1-24h，制得Fe₃O₄磁流体，利用表面活性剂使Fe₃O₄微粒表面带与制备的高分子微球表面相反的电荷；

(3)静电自组装：

上述高分子微球乳液与Fe₃O₄磁流体按10∶1～1∶10的体积比混合，并用弱酸调节pH值约为5.5～6.5，再超声分散1-50min并搅拌，静置24h，制得具有磁性的核壳结构粒子，该粒子以高分子微球为核，Fe₃O₄磁性粒子层为壳；

(4)种子乳液聚合：

取步骤(3)制备的核壳结构磁性粒子为种子乳液200mL放入反应釜中，通入N₂排净系统内O₂，在35～95℃范围内加入合适的静电引发剂，引发剂浓度为1.6×10^-5mol·L^-1～1.6×10^-2mol·L^-1，再通过平流泵以每升反应釜料液的相对加料速率是0.001～50.0mL·min^-1速率滴加一定的聚合物单体，进行种子乳液聚合制得三层核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，以Fe₃O₄磁性微球层为中间层，以聚合物为外包覆层；

(5)多层组装：

将步骤(4)制得的磁性复合粒子与Fe₃O₄磁流体以体积比100∶1～1∶100混合，重复上述第(3)～(4)的步骤，制备多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，交替包覆Fe₃O₄磁性微球层和不同聚合物的包覆层；

或者，以步骤(4)制得的磁性复合粒子为种子乳液，以不同的聚合物单体重复进行种子乳液聚合过程，制备另一种类型的多层夹心式核壳结构磁性复合纳米粒子，该粒子以高分子微球为核，包覆Fe₃O₄磁性微球层，外层为多层不同聚合物的包覆层；

上述步骤(1)和(4)中所述的高分子微球的单体和聚合物的单体均包括甲基丙烯酸酯类、丙烯酸酯类、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、苯乙烯、甲基苯乙烯、二甲基丙烯酸乙二醇酯，二乙烯基苯、烯烃类、二烯烃类、环戊烯、环戊二烯和杂原子烯烃类所有可进行自由基聚合的单体；其中，甲基丙烯酸酯类单体包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸戊酯和甲基丙烯酸异戊酯；丙烯酸酯类单体包括丙烯酯甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸叔丁酯、丙烯酸戊酯、丙烯酸异戊酯、丙烯酸辛酯和丙烯酸异辛酯；烯烃类单体包括乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、己烯、庚烯和辛烯；二烯烃类单体包括丁二烯、戊二烯和异戊二烯；杂原子烯烃类单体包括氯乙烯和二氯乙烯；

上述步骤(1)和(4)中所述的引发剂均包括过硫酸盐类引发剂、水溶性偶氮类引发剂、氧化还原类引发剂、过氧化氢与金属盐的引发体系、过硫酸盐与亚铁盐的引发体系及过硫酸盐与亚硫酸氢盐的引发体系，其中，过硫酸盐类引发剂包括过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵；水溶性偶氮类引发剂包括偶氮二异丁脒盐酸盐(V50)和偶氮二异丙基脒唑啉盐酸盐(VA044)；氧化还原类引发剂包括过氧化氢与金属盐的引发体系、过硫酸盐与亚铁盐的引发体系和过硫酸盐与亚硫酸氢盐的引发体系。

2.根据权利要求1所述的核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，其特征是按该方法制备得到的多层核壳结构磁性复合纳米粒子是以高分子微球为内核，中间为Fe₃O₄磁性粒子层，外层包覆不同聚合物层的多层核壳结构，其中，包覆结构为Fe₃O₄粒子层与聚合物层的交替包覆，或者是不同聚合物层的交替包覆。

3.根据权利要求1所述的核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，其特征是：Fe₃O₄粒子的粒径为3～300nm。

4.根据权利要求1所述的核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，其特征是：所说的弱酸为无机酸或有机酸。

5.根据权利要求1所述的核壳结构磁性复合纳米粒子的制备方法，其特征是：所说的弱酸为盐酸、硫酸、醋酸或甲酸。