CN103601854B - 一种聚苯乙烯材料表面亲水改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚苯乙烯材料表面亲水改性领域，特别涉及一种超大孔聚苯乙烯微球表面亲水改性的方法。首先通过三步化学反应在聚苯乙烯材料表面偶联自由基聚合引发剂4,4’-偶氮双（4-氰基戊酸），然后引发醋酸乙烯酯和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺进行溶液聚合，可在聚苯乙烯材料表面接枝一层交联的聚醋酸乙烯酯聚合物层，进一步醇解后可得到亲水的交联聚乙烯醇凝胶层。本发明的优点是操作简单、条件温和，改性后聚苯乙烯材料表面的亲水性有效提高，亲水凝胶层稳定不易脱落，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

一种聚苯乙烯材料表面亲水改性的方法

技术领域

本发明涉及一种聚苯乙烯(PS)材料表面亲水改性的方法，特别是对超大孔PS微球表面亲水改性，利用该法可在超大孔PS微球表面(包括孔道内表面)聚合一层富含羟基的聚乙烯醇(PVA)水凝胶，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

有机高分子材料在纺织、建筑、生物医药等领域具有广泛的应用，是科学技术和经济建设中的重要材料。有些领域在实际应用当中对材料的亲水性要求很高。在纺织行业，涤纶纤维由于材料表面的疏水性导致纺织品不能吸收人体的汗液,不利于做衣物。在生物技术研究中，疏水性会带来蛋白质等生物大分子的非特异性吸附，如抗体和抗原在96孔板的吸附会导致检测精度下降，蛋白在色谱介质上的非特异性吸附会导致样品失活和损失。在医药行业，泪液里蛋白、细菌等在隐形眼镜表面的吸附会造成镜面粗糙而刮伤眼角膜，导致眼睛干涩、角膜发炎；医用介入导管大多由疏水材料制造，在介入人体时对组织的摩擦力较大，易损伤尿道、血管壁等上皮组织，有疼痛或灼伤感，且容易吸附细菌引起并发炎症，需要通过改性使其亲水润滑性得到进一步提高；在给药系统中血液蛋白在药物载体上的吸附会导致其被免疫系统识别，降低给药系统效率，并引起潜在的毒性。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。

PS材料具有优越的抗水防潮性、轻质、高硬度、高抗冲性、耐腐蚀、保温性能好等特性，可用于制备各种容器以及一次性饭盒。生化分析实验中很多实验器皿都是PS材料制备的(如微量滴定板)，蛋白质的非特异性吸附会产生误导性结果^[2]。如果在PS材料表面覆盖一层亲水材料就可以有效降低这种非特异性吸附，保证分析精确度。高度交联的PS微球刚性大，机械强度高，能够在高压下操作而不被压缩，经过亲水改性后可以作为一种优良的生化分离介质(Langmuir,2008,24:13646-13652；J.Chromatogr.A.2009,1216:6511-6516)，近年来在生化分离领域受到广泛关注。文献上PS常用的亲水改性方法包括两种：物理吸附亲水材料和化学偶联亲水材料。物理吸附通常是在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聚乙烯醇，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，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。

与物理吸附相比，化学偶联通过化学键接枝亲水性高分子，镀层稳定不易脱落，是比较理想的亲水改性方法。PS改性首先要通过Friedel—Crafts反应在PS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聚乙二醇(PEG)的PS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PS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。反应式如下：

在PS表面接枝PEG虽然能有效降低蛋白质的非特异性吸附作用，但是接枝后每条PEG链只剩一个羟基，如果材料需要进一步衍生改性会受到限制。我们前期采用化学法在PS微球表面均匀接枝了一层聚乙烯醇分子链(一种表面亲水改性聚苯乙烯材料的方法及产品.国家发明专利,专利号Zl 200710177704.6)，使PS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(7.72mg/g)，并且每条PVA链上含有多个羟基。反应式如下：

为了进一步增加PS材料的亲水性和生物相容性，我们还尝试在超大孔PS微球表面采用化学法偶联糖分子(Reactive&Functional Polymers,2012,72:606-612)，与接枝PVA相比，改性后的超大孔PS微球对牛血清白蛋白的吸附量(6.86mg/g)进一步降低。但与琼脂糖分离相比，蛋白吸附量仍然偏高。要想作为生物分离介质应用，微球的生物相容性仍需进一步提高。

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)，在超大孔聚苯乙烯微球表面聚合一层聚乙烯醇水凝胶，能够有效覆盖PS的疏水表面。与Zl 200710177704.6方法相比，改性后的微球对牛血清白蛋白的吸附量(2.18mg/g)降低了71.8％，并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

本发明利用自由基聚合原理，目的是在聚苯乙烯表面均匀覆盖一层亲水性凝胶。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新方法及产品，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O＝CCH₂，CH₂(下面各物质化学式中R均与A相同)，X可为Cl，Br。

A的功能基团RX为卤乙酰基或卤甲基，优选氯乙酰基或氯甲基。

b、参考文献方法(Journal of Heterocyclic Chemistry,1987,24:297-301)对A进行胺化：在一定温度下，将所得的A加入到溶有六亚甲基四胺的有机溶剂中，混合10分钟后加入碘化钠(钾)继续反应一段时间，用乙醇洗涤过滤后加入浓盐酸，50℃继续反应3h，得到具备下述通式的物质B：

c.利用物质B上的氨基，通过酰胺化反应在B上连接自由基聚合引发剂。在缩合剂的作用下，将所得的B加入到溶有4,4’-偶氮双(4-氰基戊酸)(自由基聚合引发剂ACV)的DMF溶液中，氮气氛围下反应30min得到物质C：

d.将所得的C，加入到溶有单体乙酸乙烯酯(VAc)和交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的有机溶剂中，在惰性气体氛围下进行自由基溶液聚合，在PS表面接枝一层交联的聚醋酸乙烯酯(PVAc)。反应结束后用乙醇充分洗涤过滤，除去没有在PS表面固定的聚合物，所得产品真空干燥后备用。

e.在碱性催化剂作用下，通过甲醇的酯交换反应将PS表面的PVAc醇解得到交联的PVA水凝胶层(见附图1)。

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。

步骤b中的有机溶剂必须能溶解六亚甲基四胺，如甲醇、乙醇、氯仿、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)等，优选DMF。反应温度范围0-100℃，优选25-50℃，反应时间范围5-48h，优选20-24h。

步骤c中的缩合剂可以选择1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)、N,N'-二环己基碳二亚胺(DCC)、2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1,2-二氢喹啉(EEDQ)中的一种，但并不限于这几种。反应温度0-50℃，优选20-30℃。

本发明所述改性反应的步骤d是关键反应。如果控制不好，既可能导致PS表面聚醋酸乙烯酯层太厚(对于超大孔PS微球来说可能堵塞孔道)，聚醋酸乙烯酯层太薄无法充分覆盖PS疏水表面。理想的聚合物层厚度在10-30nm。

本发明所述改性反应的步骤d中所用的有机溶剂可以是甲醇、乙醇、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、氯仿等一种或几种溶剂混合，但并不限于这几种。

本发明所述步骤d中所需反应时间范围1-48h，优选5-12h。所需反应温度范围60-90℃，优选70℃。

本发明所述步骤d中聚醋酸乙烯酯交联度范围1-10％，优选3-5％。

步骤e中聚醋酸乙烯酯的醇解是一种成熟工艺，采用的催化剂包括NaOH，KOH，NH₃·H₂O等。所得聚乙烯醇醇解度范围在80-100％之间。步骤e完成后用去乙醇、离子水充分洗涤过滤，真空干燥即得最终产品。

本发明所述的固体产物是表面接枝了PVA凝胶层的交联聚苯乙烯，特别是表面接枝PVA凝胶层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接枝了一层PVA交联凝胶层，凝胶层通过偶联在PS表面的引发剂引发聚合而得，稳定不易脱落，能够完全掩盖聚苯乙烯的疏水表面，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，并且可以利用PVA上丰富的羟基进一步改性。

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。

附图说明：

图1交联聚乙烯醇水凝胶改性聚苯乙烯材料表面示意图

图2实例一PS微球表面改性前后的红外光谱图

图中：a线为PS微球的红外光谱；

b线为氯乙酰化的PS微球(PS-Cl)的红外光谱；

c线为胺化PS微球(PS-NH₂)的红外光谱；

d线接枝引发剂ACV后的PS微球(PS-ACV)的红外光谱；

e线为接枝PVA水凝胶的PS微球(PS-PVA)的红外光谱。

从图中可知，氯乙酰化后PS微球的红外谱图上在1683cm^-1和645cm^-1处分别出现了C＝O(与苯环相连)和C-Cl的伸缩振动峰；胺化微球的红外谱图上在1358cm^-1和968cm^-1处分别出现了C-N伸缩振动峰和N-H面外弯曲振动峰，并且3423cm^-1处吸收峰明显增强(N-H伸缩振动)；接枝引发剂ACV后，PS-ACV的红外谱图上在2244cm^-1处出现了N＝N吸收峰，在1732cm^-1处出现了羧基的C＝O吸收峰，在1670cm^-1处出现了酰胺基特征吸收峰；接枝PVA凝胶层后，PS-PVA在3356cm^-1处出现了很强的羟基特征峰，并且由于PVA上存在部分酯基，在1735cm^-1处的C＝O吸收峰也有所增强。

具体实施方式

实施例一

A聚苯乙烯的氯乙酰化反应(PS-Cl)

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0.4ml，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。

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，改性后微球氯含量为13.95％。红外光谱(FTIR)分析表明，氯乙酰基已成功偶联到微球表面。

B氯乙酰化聚苯乙烯胺化反应(PS-NH₂)

用10mlDMF将上述得到的氯乙酰化聚苯乙烯微球0.5g溶胀过夜，加入0.55g六亚甲基四胺的DMF溶液25ml，在搅拌状态下加入碘化钠0.59g，室温下继续机械搅拌24h.过滤，用乙醇充分洗涤。将固体物质转入烧瓶中，加入无水乙醇30ml，浓盐酸8ml，50℃反应3h，用无水乙醇洗涤过滤，真空干燥即可。通过红外光谱表征，微球上有氨基峰的存在。

C PS-NH₂上接枝引发剂ACV(PS-ACV)

在100ml三口烧瓶中加入1.4g引发剂ACV和1.92g缩合剂EDC，用50ml DMF溶解后鼓氮气30min。加入0.5g胺化微球，继续鼓氮气30min。氮气氛围下20℃机械搅拌反应6h。分别用DMF和乙醇洗涤过滤PS-ACV，真空烘干备用。通过红外光谱表征ACV已经接到微球表面。

D PS-ACV引发VAc自由基聚合(PS-PVAc)

称取0.5g PS-ACV置于100ml四口烧瓶中，加入VAc(1.38g，16mmol)和MBA(0.062g,0.4mmol)的甲苯溶液50ml。机械搅拌下充氮气1h，升温至80℃聚合12h。固体物质用乙醇洗涤过滤三次，真空干燥。

E PS-PVAc醇解

称取0.5g的PS-PVAc，滴加5％的NaOH/甲醇溶液，50℃下反应6h。然后用去离子水充分洗涤，抽滤，得到表面接枝PVA凝胶的聚苯乙烯微球。通过红外光谱表征，3356cm^-1处羟基吸收峰明显增强，PVA已经接枝到PS微球表面。

实施例二

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。

B氯乙酰化聚苯乙烯胺化反应(PS-NH₂)

用10ml氯仿将上述得到的氯乙酰化聚苯乙烯0.5g溶胀过夜，加入0.6g六亚甲基四胺的乙醇溶液25ml，在搅拌状态下加入碘化钠0.64g，室温下继续机械搅拌20h.过滤，用乙醇充分洗涤。将固体物质转入烧瓶中，加入无水乙醇30ml，浓盐酸8ml，50℃反应3h，用无水乙醇洗涤过滤，真空干燥即可。

C PS-NH₂上接枝引发剂ACV(PS-ACV)

在100ml三口烧瓶中加入1.68g引发剂ACV和2.97g缩合剂EEDQ，用50ml DMF溶解后鼓氮气30min。加入0.5g PS-NH₂，继续鼓氮气30min。氮气氛围下25℃机械搅拌反应6h。分别用DMF和乙醇洗涤过滤PS-ACV，真空烘干备用。

D PS-ACV引发VAc自由基聚合(PS-PVAc)

称取0.5g PS-ACV置于100ml四口烧瓶中，加入VAc(1.25g，14.5mmol)和MBA(0.045g,0.29mmol)的乙醇溶液50ml。机械搅拌下充氮气1h，升温至70℃聚合5h。固体物质用乙醇洗涤过滤三次，真空干燥。

E PS-PVAc醇解

称取0.5g的PS-PVAc，滴加5％的NaOH/甲醇溶液，40℃下反应3h。然后用去离子水充分洗涤，抽滤，得到表面接枝PVA凝胶的聚苯乙烯板

实施例三

A聚苯乙烯的溴乙酰化反应

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1.5g，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氯乙酰化聚苯乙烯胺化反应(PS-NH₂)

用10ml乙醇将上述得到的氯乙酰化聚苯乙烯微球0.5g溶胀过夜，加入0.45g六亚甲基四胺的乙醇溶液25ml，在搅拌状态下加入碘化钠0.48g，室温下继续机械搅拌18h.过滤，用乙醇充分洗涤。将固体物质转入烧瓶中，加入无水乙醇30ml，浓盐酸8ml，50℃反应3h，用无水乙醇洗涤过滤，真空干燥即可。

C PS-NH₂上接枝引发剂ACV(PS-ACV)

在100ml三口烧瓶中加入1.4g引发剂ACV和1.92g缩合剂EDC，用50ml DMF溶解后鼓氮气30min。加入0.5g胺化微球，继续鼓氮气30min。氮气氛围下30℃机械搅拌反应4h。分别用DMF和乙醇洗涤过滤PS-ACV，真空烘干备用。

D PS-ACV引发VAc自由基聚合(PS-PVAc)

称取0.5g PS-ACV置于100ml四口烧瓶中，加入VAc(1.38g，15mmol)和MBA(0.077g,0.5mmol)的甲苯溶液50ml。机械搅拌下充氮气1h，升温至70℃聚合12h。固体物质用乙醇洗涤过滤三次，真空干燥。

E PS-PVAc醇解

称取0.5g的PS-PVAc，滴加6％的KOH/乙醇溶液，50℃下反应4h。然后用去离子水充分洗涤，抽滤，得到表面接枝PVA凝胶的聚苯乙烯微球。

实施例四

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氯乙酰化聚苯乙烯胺化反应(PS-NH₂)

用10mlDMF将上述得到的氯乙酰化聚苯乙烯微球0.5g溶胀过夜，加入1.33g六亚甲基四胺的DMF溶液50ml，在搅拌状态下加入碘化钠1.42g，室温下继续机械搅拌24h.过滤，用乙醇充分洗涤。将固体物质转入烧瓶中，加入无水乙醇40ml，浓盐酸12ml，50℃反应3h，用无水乙醇洗涤过滤，真空干燥即可。

C PS-NH₂上接枝引发剂ACV(PS-ACV)

在100ml三口烧瓶中加入3.97g引发剂ACV和7.02g缩合剂EEDQ，用50ml DMF溶解后鼓氮气30min。加入0.5g胺化微球，继续鼓氮气30min。氮气氛围下50℃机械搅拌反应3h。分别用DMF和乙醇洗涤过滤PS-ACV，真空烘干备用。

D PS-ACV引发VAc自由基聚合(PS-PVAc)

称取0.5g PS-ACV置于100ml四口烧瓶中，加入VAc(1.72g，20mmol)和MBA(0.077g,0.5mmol)的甲苯溶液50ml。机械搅拌下充氮气1h，升温至70℃聚合14h。固体物质用乙醇洗涤过滤三次，真空干燥。

E PS-PVAc醇解

称取0.5g的PS-PVAc，滴加6％的KOH/甲醇溶液，50℃下反应4h。然后用去离子水充分洗涤，抽滤，得到表面接枝PVA凝胶的聚苯乙烯微球。

Claims (10)

1.一种聚苯乙烯材料表面亲水改性的方法，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，

R代表O＝CCH₂或CH₂，X代表Cl或Br，

b.在催化剂作用下，将所得的A加入到溶有六亚甲基四胺的有机溶剂中，得到胺化聚苯乙烯，

c.在缩合剂的催化作用下，利用酰胺化反应将自由基聚合引发剂4,4’-偶氮双(4-氰基戊酸)偶联到聚苯乙烯表面，

d.在溶有单体乙酸乙烯酯和交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的有机溶剂中，加入偶联引发剂的聚苯乙烯，在惰性气体氛围下进行自由基溶液聚合，在PS表面接枝一层交联的厚度为10-30nm的聚醋酸乙烯酯，

e.在碱性催化剂的作用下，利用酯交换反应，将聚苯乙烯表面交联的聚醋酸乙烯酯醇解为聚乙烯醇水凝胶层。

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。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的交联聚苯乙烯是交联聚苯乙烯微球或者交联聚苯乙烯板。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的催化剂选自碘化钠和碘化钾中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的缩合剂选自1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐、N,N'-二环己基碳二亚胺、2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1,2-二氢喹啉中的一种或者几种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、氯仿、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d所述有机溶剂选甲醇、乙醇、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱性催化剂选自NaOH，KOH，NH₃·H₂O的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚乙烯醇水凝胶交联度为1-10％，醇解度为80-100％。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚苯乙烯材料为聚苯乙烯大孔微球。