CN105294899A

CN105294899A - 聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法

Info

Publication number: CN105294899A
Application number: CN201510831446.3A
Authority: CN
Inventors: 周雷激; 刘芳; 毛瑜; 杨朝勇
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen Shengke Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2035-11-25
Also published as: CN105294899B

Abstract

聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，涉及一种固相载体表面改性方法。1)将聚乙烯吡咯烷酮、偶氮二异丁腈、单体GMA加入装有乙醇和水混合溶剂的容器中，抽真空，充氮气，回流反应后，得乳白色液体；2)将步骤1)所得乳白色液体离心洗涤，干燥后，得呈白色固体粉末的PGMA微球；3)将步骤2)所得PGMA微球加入乙二胺和去离子水中回流反应，离心洗涤，干燥，得呈白色固体粉末的PGMA-NH₂微球；4)将步骤3)所得PGMA-NH₂微球加入两性离子羧基甜菜碱的甲醇溶剂中反应，离心洗涤，干燥，即得呈固体粉末的聚甲基丙烯酸缩水甘油微球。分散性好，反应条件温和，对微球的形貌影响较小，操作简便，反应成本低廉。

Description

聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法

技术领域

本发明涉及一种固相载体表面改性方法，尤其是涉及一种聚甲基丙烯酸缩水甘油(PGMA)微球的合成及表面改性方法。

背景技术

甲基丙烯酸缩水甘油(GMA)相对苯乙烯(St)等，具有较好的亲水性及生物相容性，容易聚合成球，并且含有易于功能化的环氧基团，便于对其进行改性形成氨基、羧基或巯基等基团，可以直接参与多种反应及修饰，用于生物医学靶标等的检测。

固体表面的非特异性吸附主要由静电作用和疏水作用引起。聚乙二醇及其衍生物是应用最广泛的一类抗非特异性吸附的材料，但是它是一种聚醚类物质，对有氧环境及过渡金属特别敏感，容易被氧化。所以找到一种可以替代PEG的抗污染材料引起了人们的极大兴趣。后来，两性离子类材料(zwitterionic)如磷酸胆碱类(PC)、硫代胆碱类(SB)及羧基甜菜碱类(CB)物质逐渐开始代替PEG。两性离子是一种同时含有阴阳离子基团的电中性物质，其抵抗非特性吸附主要是由于静电作用形成的水合层可大大降低蛋白与表面的直接接触。在这些两性离子中，羧基甜菜碱(ZhengZhang,ShengfuChen,andShaoyiJiang,Biomacromolecules,2006,7,3311-3315)由于含有易于功能化的羧基基团，可用于抗体等的固定，得到了广泛的关注。但是传统方法中均是利用转移自由基聚合反应(ATRP)反应进行羧基甜菜碱的修饰。在进行ATRP反应时，引入引发剂的过程需要避光操作，并且还需要在手套箱中称量CuBr等，造成了操作的不方便，且对环境造成污染。所以如何实现操作简便且环境友好的羧基甜菜碱修饰在PGMA微球的表面改性是一项非常有意义的工作。

羧基甜菜碱是一种具有共轭双键的α,β不饱和羰基化合物，可与氨基等亲核基团发生迈克尔加成等反应，且反应条件简单，易于操作等。而PGMA表面的环氧基团易于功能化为氨基等基团，与羧基甜菜碱发生迈克尔加成反应。所以本发明旨在利用该反应实现羧基甜菜碱在PGMA微球的表面改性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成工艺简单且环境友好型、非特异性吸附较低的聚甲基丙烯酸缩水甘油(PGMA)微球的合成及表面改性方法，所制得的产物可用于生物靶标的高灵敏检测。

本发明包括以下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、偶氮二异丁腈(AIBN)、单体GMA加入装有乙醇和水混合溶剂的容器中，抽真空，充氮气，回流反应后，得乳白色液体；

2)将步骤1)所得乳白色液体离心洗涤，干燥后，得呈白色固体粉末的PGMA微球；

3)将步骤2)所得PGMA微球加入乙二胺和去离子水中回流反应，离心洗涤，干燥，得呈白色固体粉末的PGMA-NH₂微球；

4)将步骤3)所得PGMA-NH₂微球加入两性离子羧基甜菜碱(CBAA)的甲醇溶剂中反应，离心洗涤，干燥，即得呈固体粉末的聚甲基丙烯酸缩水甘油微球(PGMA-NH₂—CBAA)。

在步骤1)中，所述单体GMA、偶氮二异丁腈(AIBN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的质量比可为(50～60)∶1∶10；所述乙醇与水的体积比可为(8～8.5)∶1；所述回流反应的温度可为72℃，回流反应的时间可大于8h。

在步骤2)中，所述离心洗涤可采用去离子水离心洗涤；所述干燥可采用真空干燥。

在步骤3)中，所述乙二胺与去离子水的体积比可为3∶2；所述回流反应的温度可为80℃，回流反应的时间可为12h；所述离心洗涤可采用去离子水离心洗涤；所述干燥可采用真空干燥。

在步骤4)中，所述反应的时间可为3天；所述离心洗涤可采用去离子水离心洗涤；所述干燥可采用真空干燥。

与现有技术比较，本发明的突出优点在于：

1)在利用分散聚合法合成PGMA微球时，GMA∶AIBN∶PVP质量比在(50～60)∶1∶10，乙醇∶水体积比为(8～8.5)∶1时可得到分散性较好的微球，且可控制PGMA微球的大小在2μm左右。

2)在利用羧基甜菜碱对PGMA微球进行表面改性时，避免了传统的ATRP反应中较严苛的反应条件，且避免了重金属离子Cu²⁺的使用，环境友好。

3)利用迈克尔加成反应修饰羧基甜菜碱时，反应条件温和，对微球的形貌影响较小，且操作简便。

4)后处理操作简单，反应成本低廉，有较大的合成应用前景。

附图说明

图1为本发明中PGMA微球合成及改性方法流程图。

图2为本发明中PGMA微球的SEM图。

图3为本发明中PGMA-NH₂微球的SEM图。

图4为本发明中PGMA-NH₂-CBAA微球的SEM图。

图5为本发明中PGMA微球改性前后的红外光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

由图2可见，本发明利用分散聚合法制备的PGMA微球大小均一，分散性较好，粒径约2μm。

由图3与图4可见，本发明所用聚合物微球改性方法对微球形貌影响较小，修饰后PGMA微球仍可保持较分散状态。

由图4可见，本发明利用迈克尔加成反应可成功的进行羧基甜菜碱在PGMA表面的修饰，1700cm^-1是PGMAC＝O的特征吸收峰，907cm^-1是PGMA环氧基团的特征吸收峰；乙二胺处理PGMA微球之后，907cm^-1处环氧基团的特征吸收峰消失，出现了3300cm^-1的-NH吸收峰；迈克尔加成反应之后，出现了CBAA–C(＝O)-N(-H)-特征峰，表明了CBAA在PGMA表面的成功修饰。

表1为本发明中PGMA微球改性前后表面对蛋白质的非特异性吸附表征。由表1可见，本发明进行PGMA微球表面改性前后，表面的蛋白质非特异性吸附降低，达到了对聚合物微球改性的目的。

表1

下面给出本发明的具体实施例：

实施例1

(1)称取0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，将其溶解在20mL8.5∶1的乙醇和水混合溶剂中，溶解后转移到四口烧瓶中。

(2)称取0.05g偶氮二异丁腈(AIBN)和2.5g甲基丙烯酸缩水甘油(GMA)单体，超声溶解后转移到四口烧瓶中。

(3)将四口烧瓶超声10min后，四口烧瓶的一口用橡胶塞封住，一口连接真空线管用以抽真空和充氮气，一口连接回流冷凝管，中口用以固定搅拌棒。安装完毕后，抽真空，充氮气，反复数次，180r/min搅拌速度下于72℃水浴中回流冷凝反应8h以上。

(4)反应结束后，取出四口烧瓶中的白色乳液，离心去上清，后加入去离子水反复洗涤3次以上。最后，去上清，将白色沉淀真空干燥，即得PGMA微球白色固体粉末。

从图2可以看出，该方法得到的PGMA微球大小均一，分散性较好，粒径约2μm。

实施例2

1)称取1g实施例1中所得PGMA微球白色固体粉末于100mL烧瓶中，加入20mL水和30mL乙二胺。

2)烧瓶口连接回流冷凝管，80℃水浴条件下磁子搅拌反应12h。

3)反应结束后，将白色乳液转移到离心管中离心去上清后，用去离子水离心洗涤3次以上。最后，去上清，将白色沉淀真空干燥，即得PGMA-NH₂微球白色固体粉末。

从图3可以看出，该方法得到的PGMA-NH2微球，形貌破坏很小，仍较好的保持分散均一的微球；从图5的红外谱图可以看出，乙二胺处理PGMA微球之后，907cm-1处环氧基团的特征吸收峰消失，出现了3300cm-1的-NH吸收峰，表明乙二胺对PGMA的环氧基团成功开环，引入氨基。

实施例3

1)称取实施例2中所得PGMA-NH2微球0.4g于25mL圆底烧瓶中，加入0.16g羧基甜菜碱(CBAA)和12mL甲醇溶剂。

2)磁力搅拌，常温下反应3天。

3)反应结束后，将白色乳液转移至离心管中，离心去上清，用去离子水离心洗涤，反复3次以上。最后，去上清，将白色沉淀真空干燥，即得PGMA-NH2-CBAA微球。

从图4可以看出，该方法得到的PGMA-NH₂-CBAA微球，形貌破坏很小，仍较好保持分散均一的微球；从图5的红外谱图可以看出，PGMA-NH2与羧基甜菜碱发生迈克尔加成反应之后，微球出现了CBAA的–C(＝O)-N(-H)-特征峰，表明了CBAA在PGMA表面的成功修饰。

实施例4

(1)称取0.001gPGMA和PGMA-NH2-CBAA微球，加入3mL5mg/mL的BSA溶液。

(2)混匀后，室温下旋转反应2h。反应结束后，取上清，测紫外280nm处吸收。计算微球对BSA蛋白的非特异性吸附。

从表1可以看出，该方法进行微球表面改性之后，微球表面对蛋白的非特异性吸附量大大降低，成功实现了微球的表面改性目的。

本发明的主要优点在于：1)在利用分散聚合法合成PGMA微球时，GMA∶AIBN∶PVP质量比在(50～60)∶1∶10，乙醇∶水体积比为(8～8.5)∶1时可得到分散性较好的微球，且可控制PGMA微球的大小在2μm左右。2)在利用羧基甜菜碱对PGMA微球进行表面改性时，避免了传统的ATRP反应中较严苛的反应条件，且避免了重金属离子Cu的使用，环境友好。3)利用迈克尔加成反应修饰羧基甜菜碱时，反应条件温和，对微球的形貌影响较小，且操作简便。4)后处理操作简单，反应成本低廉，有较大的合成应用前景。

本发明采用分散聚合法，在72℃，转速为180r/min，氮气氛围下合成分散性较好的PGMA微球。加入乙二胺在80℃条件下对PGMA微球的环氧基团进行开环，然后加入两性离子—羧基甜菜碱(CBAA)，常温下在甲醇溶剂中，利用氨基与羧基甜菜碱之间发生迈克尔加成反应将两性离子修饰在微球表面，获得非特异性吸附较低的亲水性固相载体。

Claims

1.聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮、偶氮二异丁腈、单体GMA加入装有乙醇和水混合溶剂的容器中，抽真空，充氮气，回流反应后，得乳白色液体；

4)将步骤3)所得PGMA-NH₂微球加入两性离子羧基甜菜碱的甲醇溶剂中反应，离心洗涤，干燥，即得呈固体粉末的聚甲基丙烯酸缩水甘油微球。

2.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤1)中，所述单体GMA、偶氮二异丁腈和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(50～60)∶1∶10。

3.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤1)中，所述乙醇与水的体积比为(8～8.5)∶1。

4.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤1)中，所述回流反应的温度为72℃，回流反应的时间大于8h。

5.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤2)、3)、4)中，所述离心洗涤采用去离子水离心洗涤。

6.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤2)、3)、4)中，所述干燥采用真空干燥。

7.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤3)中，所述乙二胺与去离子水的体积比为3∶2。

8.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤3)中，所述回流反应的温度为80℃，回流反应的时间为12h。

9.如权利要求1所述聚甲基丙烯酸缩水甘油微球的合成及表面改性方法，其特征在于在步骤4)中，所述反应的时间为3天。