CN103012815A - 一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，先通过溶剂热法合成表面带有羧基的亚微米球形Fe3O4胶体纳米晶簇（MCNCs）；再将MCNCs分散于壳聚糖和丙烯酸或甲基丙烯酸的水溶液中；然后加入引发剂，通过自由基聚合反应在其表面包裹壳聚糖－聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸复合物壳层，再加入交联剂使其与壳聚糖分子链中的部分氨基发生交联反应；用碱性水溶液洗除聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸即可。本发明的优点是：制备过程使用的有机溶剂少，有机物残留低；磁性聚合物粒子的大小取决于预先制备的MCNCs的大小，易于调控且粒径分布窄；磁性聚合物粒子中此含量均匀并具有高磁含量和超顺磁性，特别适于分离、分析、酶固定化和催化等应用。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料制备，具体涉及一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法。
背景技术
含有磁性材料的聚合物粒子，利用其内部核的磁特性，可通过外加磁场实现粒子的快速磁分离或磁靶向，也可在外加交变磁场下实现磁加热功能；利用外层的聚合物，一方面可保护内部的磁性物质免受酸性介质或空气中氧的侵蚀，另一方面可提供特定应用如偶联配基时所需的功能基团，还可改善其生物相容性及在分散介质中的分散稳定性。磁性聚合物粒子在生物医学及其他领域有重要的应用前景，如可用于药物控释载体、核磁共振成像对照剂、肿瘤的磁热治疗、免疫测定、生物实体如蛋白质、酶、抗体、核酸序列、细胞及病毒等的固定或分离、催化剂载体及其他分离介质。其中粒径为200-500nm的亚微米尺度的磁性聚合物粒子，相比于纳米粒子有较快的磁响应速度，而相比于微米粒子有较高的比表面积，故特别适于体外应用，如分离、分析、酶固定化和催化。Fe3O4或γ-Fe2O3纳米粒子(iron oxide nanoparticles,IONPs)是构成磁性聚合物粒子最常用的磁性物质，其粒径一般为10nm左右。对于磁性聚合物亚微粒子的合成，通常是以IONPs为种子，采用乳液聚合或反相乳液聚合、细乳液聚合或反相细乳液聚合等非均相聚合法得到包含多个磁核的聚合物微球。目前存在的问题是：1）得到的磁性聚合物粒子的磁含量较低，大多低于25wt%，难以满足快速磁分离的要求；2）每个磁性聚合物粒子的大小及磁含量的均匀性不易控制，从而影响磁响应的均匀性；3）加入的表面活性剂不易清除，不利用生物医学应用。采用溶剂热法可方便地制备出亚微米球形Fe3O4胶体纳米晶簇（magnetite colloidal nanocrystal clusters,MCNCs），其大小均匀且通过改变反应条件可在100-800nm范围内调节，磁性物质的含量可达90%，具有超顺磁性（参见Angew.Chem.Int.Ed.2005,44,2782–2785；Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,5875–5879）。因此，这种MCNCs为磁性聚合物亚微粒子的制备提供了一个新途径，直接在其表面包裹聚合物壳层，易于达到高磁含量和粒径均匀。
壳聚糖（Chitosan，CS）是天然多糖甲壳素的脱乙酰基产物。甲壳素广泛存在于虾蟹等甲壳类动物，其在自然界每年通过生物合成的量达数十亿吨之多，是 仅次于纤维素的第二大类可再生资源。壳聚糖是唯一的碱性天然多糖，安全无毒，具有良好的生物相容性和生物可降解性等优点，且分子链中含有反应性氨基和羟基，是性能最为优异的天然高分子之一。磁性壳聚糖粒子集壳聚糖的优点与磁响应性于一体，在上述磁性聚合物粒子的应用方面都有独到的优点。其最常用的制备方法是反相悬浮交联法，即将含有IONPs的壳聚糖酸溶液分散于含有表面活性剂的有机介质中，再加入交联剂，得到微米尺度的粒子；其粒度分布较宽，磁含量较低，且表面残留有机物难以清除。在含有IONPs的壳聚糖酸性稀溶液中（常需加入表面活性剂），加入三聚磷酸钠等交联剂，可得到纳米尺度的磁性壳聚糖粒子；由于壳聚糖浓度较低，故制备效率较低。此外，将铁离子溶于壳聚糖酸溶液中或进一步将此溶液分散于有机介质中，再加入氨水等碱性溶液，使壳聚糖凝胶化，同时原位形成IONPs，据此原理也可制备磁性壳聚糖粒子。但通过这些方法，很难得到窄分散且具有高磁含量的磁性壳聚糖亚微粒子。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，以用于分离、分析、酶固定化和催化等领域。
本发明的技术方案：
一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，所述磁性壳聚糖亚微粒子的粒径范围为200-900nm、多分散指数小于10%、磁含量即Fe3O4含量大于50%，制备方法包括以下步骤：
1）通过溶剂热法制备表面带有羧基的亚微米球形Fe3O4胶体纳米晶簇（MCNCs）；
2）将上述亚微米MCNCs分散于壳聚糖和丙烯酸或壳聚糖和甲基丙烯酸的混合水溶液中得到分散液；
3）在上述分散液中通N2脱氧后加入引发剂，通过自由基聚合反应在MCNCs的表面包裹壳聚糖－聚丙烯酸或壳聚糖－聚甲基丙烯酸的复合物壳层，聚合反应温度为30-80℃，聚合反应时间为1-10h，再加入交联剂使其与壳层中壳聚糖分子链上的部分氨基进行交联反应，交联反应温度为20-80℃，交联反应时间为0.1-10h，经磁分离得到磁性聚合物粒子；
4）将上述磁性聚合物粒子用水洗后，再用碱性水溶液洗涤2-4次，最后以去离子水洗至中性，即可得到窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子。
所述混合水溶液中丙烯酸或甲基丙烯酸与壳聚糖糖单元的摩尔比为0.2-3，壳聚糖的质量浓度为0.1-1%；分散液中MCNCs的质量浓度为0.1-2%。
所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，引发剂的质量浓度为0.01-0.1%，聚合 反应温度为30-80℃，聚合反应时间为1-10h；所述交联剂为甲醛、乙二醛或戊二醛，交联剂与壳聚糖糖单元的摩尔比为0.1-1，交联反应温度为20-80℃，交联反应时间为0.1-10h。
所述碱性水溶液为质量浓度0.4%的NaOH溶液、质量浓度1%的Na2CO3溶液或质量浓度1%的氨水溶液。
本发明的优点是：该制备方法中，除乙二醇外，不涉及其它有机溶剂和表面活性剂，制备过程清洁、制备过程简单、可控性好、易于规模化；由于磁性壳聚糖亚微粒子的大小主要取决于MCNCs的大小，交联壳聚糖壳层的厚度为10-30nm，而亚微米MCNCs的粒径分布窄，粒径可控在200-800nm，磁含量高达90%，为超顺磁性，故与其它方法相比，本发明所述制备方法很容易得到具有窄分散性和高磁含量的超顺磁壳聚糖亚微球，且每个粒子的磁含量也很均匀；壳层中壳聚糖链上有丰富的氨基和羟基，便于进一步功能化，所以这种磁性壳聚糖亚微粒子很适于分离、分析、酶固定化和催化等应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。
实施例1：
一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，步骤如下：
1）将3.9g FeCl3、7.2g乙酸钠和1.2g柠檬酸钠加入120mL乙二醇中，搅拌溶解。将此溶液转移至带有聚四氟乙烯衬里的容积为150mL的反应釜中,密封后加热至200℃并保持10h。反应产物MCNCs用乙醇充分洗涤3次，60℃下真空干燥24h，得产物1.2g，平均粒径250nm。
2）将1.0g壳聚糖溶解于320mL浓度为0.138%的丙烯酸水溶液中，再将0.8g MCNCs分散到此溶液中，得到分散液。
3）在上述分散液中搅拌下通N2脱氧后，升温至70℃，注入5mL含0.22g过硫酸钾的水溶液，反应2h。将反应温度降至40℃，向反应体系中滴入0.6mL浓度为25%的戊二醛水溶液，反应2h，经磁分离得到磁性聚合物粒子。
4）将上述磁性聚合物粒子用水洗后，再分散于200mL质量浓度为0.4%的NaOH溶液中搅拌2h，更换NaOH溶液，重复3次；最后以去离子水洗至中性，60℃下真空干燥，得到窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子产物1.15g，其交联壳聚糖壳层的厚度为20nm，磁含量为63.2%，饱和磁化强度为34.7emu/g。
实施例2：
一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，步骤如下：
1）将3.0g FeCl3、7.2g乙酸钠和1.2g柠檬酸钠加入120mL乙二醇中，搅拌溶解。将此溶液转移至带有聚四氟乙烯衬里的容积为150mL的反应釜中,密封后加热至200℃并保持10h。反应产物MCNCs用乙醇充分洗涤3次，60℃下真空干燥，得产物0.9g，平均粒径205nm。
2）将0.5g壳聚糖溶解于300mL浓度为0.12%的丙烯酸水溶液中，再将0.9g MCNCs分散到此溶液中，得到分散液。
3）在上述分散液中搅拌下通N2脱氧后，升温至70℃，注入4mL含0.15g过硫酸钾的水溶液，反应4h。将反应温度降至50℃，向反应体系中滴入0.5mL浓度为25%的乙二醛水溶液，反应4h，经磁分离得到磁性聚合物粒子。
4）将上述磁性聚合物粒子用水洗后，再分散于200mL质量浓度为1%的Na2CO3溶液中搅拌2h，更换Na2CO3溶液，重复3次；最后以去离子水洗至中性，60℃下真空干燥24h，得到窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子产物1.0g，其交联壳聚糖壳层的厚度为10nm，磁含量为79.8%，饱和磁化强度为46.4emu/g。
实施例3：
一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，步骤如下：
1）将6g FeCl3、10.8g乙酸钠和1.8g柠檬酸钠加入120mL乙二醇中，搅拌溶解。将此溶液转移至带有聚四氟乙烯衬里的反应釜（容积150mL）,密封后加热至200℃并保持12h。反应产物MCNCs用乙醇充分洗涤3次，60℃下真空干燥24h，得产物2.0g，平均粒径340nm。
2）将1.2g壳聚糖溶解于320mL浓度为0.2%的甲基丙烯酸水溶液中，再将1.2g MCNCs分散到此溶液中，得到分散液。
3）在上述分散液中搅拌下通N2脱氧后，升温至70℃，注入5mL含0.15g过硫酸铵的水溶液，反应4h。将反应温度降至25℃，向反应体系中滴入0.8mL浓度为30%的甲醛水溶液，反应5h，经磁分离得到磁性聚合物粒子。
4）将上述磁性聚合物粒子用水洗后，再分散于200mL质量浓度为1%的氨水溶液中搅拌2h，更换氨水溶液，重复3次；最后以去离子水洗至中性，60℃下真空干燥，得到窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子产物1.5g，其交联壳聚糖壳层的厚度为18nm，磁含量为72.2%，饱和磁化强度为41.2emu/g。
Claims (4)
1.一种窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，其特征在于：所述磁性壳聚糖亚微粒子的粒径范围为200-900nm、多分散指数小于10%、磁含量即Fe3O4含量大于50%，制备方法包括以下步骤：
1）通过溶剂热法制备表面带有羧基的亚微米球形Fe3O4胶体纳米晶簇（MCNCs）；
2）将上述亚微米MCNCs分散于壳聚糖和丙烯酸或壳聚糖和甲基丙烯酸的混合水溶液中得到分散液；
3）在上述分散液中通N2脱氧后加入引发剂，通过自由基聚合反应在MCNCs的表面包裹壳聚糖－聚丙烯酸或壳聚糖－聚甲基丙烯酸的复合物壳层，聚合反应温度为30-80℃，聚合反应时间为1-10h，再加入交联剂使其与壳层中壳聚糖分子链上的部分氨基进行交联反应，交联反应温度为20-80℃，交联反应时间为0.1-10h，经磁分离得到磁性聚合物粒子；
4）将上述磁性聚合物粒子用水洗后，再用碱性水溶液洗涤2-4次，最后以去离子水洗至中性，即可得到窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子。
2.根据权利要求1所述窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，其特征在于：所述混合水溶液中丙烯酸或甲基丙烯酸与壳聚糖糖单元的摩尔比为0.2-3，壳聚糖的质量浓度为0.1-1%；分散液中MCNCs的质量浓度为0.1-2%。
3.根据权利要求1所述窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，其特征在于：所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，引发剂的质量浓度为0.01-0.1%；所述交联剂为甲醛、乙二醛或戊二醛，交联剂与壳聚糖糖单元的摩尔比为0.1-1。
4.根据权利要求1所述窄分散高磁性壳聚糖亚微粒子的制备方法，其特征在于：所述碱性水溶液为质量浓度0.4%的NaOH溶液、质量浓度1%的Na2CO3溶液或质量浓度1%的氨水溶液。
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