CN102432780A

CN102432780A - 一种表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球及其制备方法

Info

Publication number: CN102432780A
Application number: CN2011102746198A
Authority: CN
Inventors: 汪长春; 马万福; 唐倩倩
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-16
Also published as: CN102432780B

Abstract

本发明属于功能材料技术领域，具体为一种表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球及其制备方法。本发明核壳式磁性复合微球的核为磁性四氧化三铁纳米粒子团簇，壳为交联的含羧基的聚合物网络。制备方法如下：首先制备柠檬酸稳定的磁性纳米粒子团簇（简称磁簇），接着采用溶胶凝胶法，使磁簇表面修饰上活性的乙烯基官能团，然后通过蒸馏-沉淀聚合制备得高磁响应性单分散的表面富含活性羧基的核壳式磁性聚合物复合微球。该类核壳结构微球可通过化学改性的方法进一步使得微球表面结合各种生物活性分子，从而应用于生物医学领域。另外此方法可以精确的控制聚合物壳层的厚度以及交联度。本发明方法操作简单，过程可控，有良好的应用前景。

Description

一种表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种核壳式磁性复合微球及其制备方法。

背景技术

近年来，多功能的纳米材料特别是磁性复合微球受到人们的广泛关注。由于磁性复合微球同时具有无机磁性物质的磁性以及有机高分子的表面可修饰性，可以在磁场的作用下快速、方便、高效地分离目标生物活性分子，从而在细胞分离、蛋白纯化、磁共振检测、磁靶向载药等领域有良好的应用前景。从应用的角度考虑，对于快速分离和磁共振检测来讲，理想的磁性微球应该同时具有均一的粒子尺寸、高磁响应性、表面富含功能基团等特性。

目前，通过乳液聚合方法（包括传统的乳液聚合、无皂乳液聚合、微乳液聚合和细乳液聚合）可以制备出不同结构的磁性聚合物复合微球。但是乳液聚合对于结构以及磁含量的控制相对较差。要获得结构较好、磁含量可控的复合微球，通常需要采用较多步骤进行制备。首先是对磁性纳米粒子包覆一层中间层二氧化硅，接着对二氧化硅表面用硅烷偶联剂进行修饰使其带有双键，然后再用沉淀聚合在其表面包覆另一层聚合物层。但是包覆中间层二氧化硅层会降低整个微球的磁饱和强度。为了解决这一问题，基于magneto-template和细乳液聚合的制备方法可以不用借助过渡层，直接在磁性纳米粒子表面包覆聚合物壳层，并且可以很好的控制微球的尺寸以及磁含量（Xia, A.; Hu, J. H.; Wang, C. C.; Jiang, D. L. Small 2007, 3, 1811-1817.）。此方法虽然可以无需借助过渡层，但是只能用来制备壳层为疏水壳层的复合微球。因此，开发制备无需过渡层，壳层为亲水壳层的复合微球是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备过程简单、高效，磁含量高，表面富含功能的羧基官能团的核壳式磁性复合微球及其制备方法。

本发明针对背景技术中所存在的问题，提出了无需过渡层直接制备以无机磁性纳米晶团簇为核，聚甲基丙烯酸或聚丙烯酸为亲水壳层的核壳式磁性复合微球的制备方法。

本发明提出核壳式磁性复合微球的制备方法，具体步骤为：

1、首先，以六水合三氯化铁、醋酸盐和柠檬酸盐为原料制备柠檬酸稳定的磁性纳米粒子团簇（简称磁簇）；

2、接着，使用溶胶凝胶法对磁簇表面进行修饰，使其表面带上活性的乙烯基官能团；

3、然后，以表面含有乙烯基的磁簇为种子，通过蒸馏沉淀聚合的方法在磁簇表面包覆一层致密的含羧基聚合物的交联网络，得到以磁簇为核、含羧基聚合物网络为壳的亲水性磁性聚合物复合微球。

本发明制备得到的磁性聚合物复合微球，粒径分布均一，结构规整，并且具有高磁响应性以及表面复含活性羧基官能团的特性。另外，此制备方法还可以精确的控制亲水壳层的厚度以及交联度。微球表面富含的羧基被进一步修饰后，可以特异性结合多种具有生物活性的目标分子，从而成为这些生物活性分子的磁性载体。因此，该核壳式复合微球是一种非常有应用前景的生物磁性分离材料。

本发明上述步骤的具体操作如下：

步骤1．将0.6 -5.4g六水合三氯化铁、1.2-16g醋酸盐和0.2-2g柠檬酸盐溶解在20-80ml乙二醇中，在120-170℃下机械搅拌0.5--2h，然后置于含有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，将反应釜放置于180-220℃的烘箱中16-48h，取出，用自来水使其冷却至室温；用磁分离分离出产物磁簇，并用无水乙醇洗涤除去未反应的反应物，最后将产物磁簇分散在无水乙醇中，备用；

步骤2．将以上得到的产物、20-200ml无水乙醇、5-50ml去离子水、0.5-5ml氨水以及0.2-2g带双键的硅烷偶联剂（如KH 570）加入三口烧瓶中，在反应温度为50-90℃下机械搅拌20--30h，使磁簇表面修饰上活性的乙烯基官能团；反应结束后，用磁分离得到产物表面修饰有乙烯基的磁簇，并用无水乙醇除去过量的硅烷偶联剂；然后放入真空烘箱进行干燥；

步骤3．将25-500 mg表面修饰有乙烯基的磁簇、50mg-4g侧链带羧基的烯类单体、2.5mg -4g N, N’-亚甲基双丙烯酰胺、1-100mg 2,2-偶氮二异丁腈以及溶剂20-400ml乙腈加入单口烧瓶中，超声使其混合均匀；将烧瓶连接到装有精馏柱、直形冷凝管以及接收器的蒸馏装置上；从室温升温到沸腾状态，然后控制在1-5h内蒸出20-70wt％溶剂；反应结束后用磁分离，得到目标产物，并用无水乙醇进行洗涤。

本发明中，所述的醋酸盐可为醋酸钠、醋酸钾、醋酸锂、醋酸镁和醋酸铵中的一种。

本发明中，所述的柠檬酸盐可为柠檬酸和柠檬酸钠中的一种，也可以是聚丙烯酸，聚丙烯酸钠，聚谷氨酸及琼脂糖等亲水性高分子中的一种。

本发明中，所述的侧链带羧基的烯类单体为甲基丙烯酸、丙烯酸、富马酸和马来酸等水溶性的含有羧基的烯类单体中的一种或其中的几种。

本发明中，所述的侧链带羧基的烯类单体还可以进一步拓展到其他一些水溶性的烯类单体，例如，丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、二甲胺基丙基甲基丙烯酰胺等。

本发明中，所述的聚合反应体系（侧链带羧基的烯类单体及N, N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度之和）的浓度为0.001 wt%到10 wt%之间。

本发明中，所述的交联剂N, N’-亚甲基双丙烯酰胺的用量与N, N’-亚甲基双丙烯酰胺用量和侧链带羧基的烯类单体用量总和的百分比值为大于等于5 wt %。。

目前磁性复合微球的主要存在粒径分布不均一、磁含量低、表面缺乏足够的活性官能团等问题。本发明通过蒸馏沉淀聚合制备得到的具有核壳结构的磁性复合微球，具有以下特点：(1) 粒径分布均一，结构规整；(2) 磁性复合微球的磁含量高；(3) 核壳式磁性复合微球的表面富含功能的羧基官能团；(4) 核壳式磁性复合微球壳层的厚度和交联度可控；(5) 核壳式磁性复合微球的制备过程简单、高效。

附图说明

图1 本发明表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球的透射电镜照片。

具体实施方式

实施例1：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PMAA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备

将1.2g六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O），2.4g醋酸铵（NH₄Ac），0.3g柠檬酸溶解在70ml乙二醇中后，加入150ml三口烧瓶中，然后升温到120℃，保温反应1h后，将烧瓶中液体转入容量为100ml的含有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，再将反应釜放入200℃的烘箱反应24h后取出，用自来水使其冷却至室温。用磁分离分离出产物，并用无水乙醇洗涤除去未反应的反应物，最后将产物分散在无水乙醇中备用。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰

将以上得到的磁簇、60ml无水乙醇、20ml去离子水、1.5ml氨水以及1g硅烷偶联剂KH 570加入150ml三口烧瓶中，升温到50℃，保温反应24h后，磁分离得到产物并用无水乙醇除去过量的硅烷偶联剂。然后放入真空烘箱进行干燥。

3、核壳式Fe₃O₄/PMAA的制备

将以上干燥后得到的产物取约150mg和150ml乙腈一起加入250ml单口烧瓶中分散，再加入1ml甲基丙烯酸、250mg N, N’-亚甲基双丙烯酰胺、20mg 2,2-偶氮二异丁腈，使其溶解在反应体系中。然后将烧瓶连接到装有精馏柱、直形冷凝管以及接收器的蒸馏装置上。从室温升温到到沸腾状态，控制使2.5h蒸出约50%溶剂。反应结束后磁分离得到产物，并用无水乙醇进行洗涤，最终得到壳层厚度为30nm左右的Fe₃O₄/PMAA微球。

实施例2：壳层厚度为60nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PMAA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PMAA的制备同实施例1-3中所述。所不同的是甲基丙烯酸、N, N’-亚甲基双丙烯酰胺、2,2-偶氮二异丁腈的用量分别为2ml、500mg、40mg。

实施例3：壳层厚度为30nm左右，交联度为10%的核壳式Fe₃O₄/PMAA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PMAA的制备同实施例1-3中所述。所不同的是N, N’-亚甲基双丙烯酰胺的用量为110mg。

实施例4：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PAA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PAA的制备同实施例1-3中所述。所不同的是单体由甲基丙烯酸换成丙烯酸。

实施例5：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PAM微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PAM的制备同实施例1-3中所述。所不同的是单体由甲基丙烯酸换成丙烯酰胺。

实施例6：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PHEMA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PHEMA的制备同实施例1-3中所述。所不同的是单体由甲基丙烯酸换成甲基丙烯酸羟乙酯。

实施例7：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PNIPAM微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PNIPAM的制备同实施例1-3中所述。所不同的是单体由甲基丙烯酸换成N-异丙基丙烯酰胺

实施例8：壳层厚度为30nm左右，交联度为20%的核壳式Fe₃O₄/PDMAPMA微球的制备

1、柠檬酸稳定的磁簇的制备同实施例1-1中所述。

2、对磁簇表面进行活性乙烯基修饰同实施例1-2中所述。

3、核壳式Fe₃O₄/PDMAPMA的制备同实施例1-3中所述。所不同的是单体由甲基丙烯酸换成二甲胺基丙基甲基丙烯酰胺。

Claims

1.一种表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）首先，以六水合三氯化铁、醋酸盐和柠檬酸盐为原料，制备柠檬酸稳定的磁性纳米粒子团簇，简称磁簇；

（2）接着，使用溶胶凝胶法对磁簇表面进行修饰，使其表面带上活性的乙烯基官能团；

（3）然后，以表面含有乙烯基的磁簇为种子，通过蒸馏沉淀聚合的方法在磁簇表面包覆一层致密的含羧基聚合物的交联网络，得到以磁簇为核、含羧基聚合物网络为壳的亲水性磁性聚合物复合微球。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1的操作如下：将0.6-5.4g六水合三氯化铁、1.2-16g醋酸盐和0.2-2g柠檬酸盐溶解在20-80ml乙二醇中，在120-170℃下机械搅拌0.5--2h，然后置于含有聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，将反应釜放置于180-220℃的烘箱中16-48h，取出，用自来水使其冷却至室温；用磁分离分离出产物磁簇，并用无水乙醇洗涤除去未反应的反应物，最后将产物磁簇分散在无水乙醇中，备用。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2的操作如下：将得到的磁簇、20-200ml无水乙醇、5-50ml去离子水、0.5-5ml氨水以及0.2-2g带双键的硅烷偶联剂加入三口烧瓶中，在反应温度为50-90℃下机械搅拌20--30h，使磁簇表面修饰上活性的乙烯基官能团；反应结束后，用磁分离得到产物表面修饰有乙烯基的磁簇，并用无水乙醇除去过量的硅烷偶联剂；然后放入真空烘箱进行干燥。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3操作如下：将25-500mg得到的表面修饰有乙烯基的磁簇、50mg-4g侧链带羧基的烯类单体、2.5mg-4g N, N’-亚甲基双丙烯酰胺、1-100 mg 2,2-偶氮二异丁腈以及溶剂20-400ml乙腈加入单口烧瓶中，超声使其混合均匀；将烧瓶连接到装有精馏柱、直形冷凝管以及接收器的蒸馏装置上；从室温升温到沸腾状态，然后控制在1-5h内蒸出20-70wt％溶剂；反应结束后用磁分离，得到目标产物，并用无水乙醇进行洗涤。

5.根据权利要求1—4之一所述的制备方法，其特征在于：所述的醋酸盐为醋酸钠、醋酸钾、醋酸锂、醋酸镁和醋酸铵中的一种；所述的柠檬酸盐为柠檬酸和柠檬酸钠中的一种。

6.根据权利要求1—4之一所述的制备方法，其特征在于：所述的侧链带羧基的烯类单体为甲基丙烯酸、丙烯酸、富马酸和马来酸等水溶性的含有羧基的烯类单体中的一种或其中的几种。

7.根据权利要求1—4之一所述的制备方法，其特征在于：所述的聚合反应体系中，侧链带羧基的烯类单体及N, N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度之和为0.001 wt%到10 wt%之间。

8.根据权利要求1—4之一所述的制备方法，其特征在于：所述的交联剂N, N’-亚甲基双丙烯酰胺的用量与N, N’-亚甲基双丙烯酰胺用量和侧链带羧基的烯类单体用量总和的百分比值为大于等于5 wt %。

9.由权利要求1—4之一所述的制备方法制备获得的表面羧基功能化的核壳式磁性复合微球。