CN106832339B - 一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子及其制备方法，有机无机杂化纳米粒子由六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)‑b‑聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)在水溶液中自组装得到；该制备方法简单，条件温和，制备的有机无机杂化纳米粒子同时具有温度、pH和氧化还原性响应的特点，易于通过调节环境中的温度、pH和氧化还原性等调控粒径大小，其在功能高分子领域具有潜在的应用价值。

Description

一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳 米粒子及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机无机杂化纳米粒子，特别涉及一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子及其制备方法，属于高分子材料领域。
背景技术
多面体低聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS)是最小的笼型的纳米二氧化硅，它具有非常稳定的结构，包含有一个无机的硅氧核，八个顶角连接着可以变换的基团，因此POSS是一种具有良好反应性的有机-无机杂化分子。由于POSS无毒，有良好的生物相容性，化学惰性，机械稳定性并且具有纳米级尺寸，所以POSS可用于生物医学材料。POSS在各种杂化材料中，能够均匀分布，从而可以提高杂化材料的热学性能和机械性能。
二茂铁是一种具有芳香族性质的有机过渡金属化合物，由于二茂铁具有夹心型结构和芳香性的高度富电子特性，热稳定性好，电化学活性和生理活性高，广泛应用于高灵敏生物传感器的构建。极化的二茂铁衍生物具有独特的电化学及光学特性，其在工业、农业、医药、航天、节能、环保等行业具有广泛地应用。
Hu等人合成了POSS-P(SPMA-co-DMAEMA)无规杂化材料，POSS将无机组分的热学特性引入光敏性杂化材料中，可以改善杂化纳米粒子应用于可控释放领域时形态稳定性差、光敏性杂化材料耐热稳定性差等问题。然而，该无规杂化材料是由两种单体毫无规律地共聚形成的，各组分的聚合度不易调控，同时，螺吡喃类单体制备步骤繁琐，价格昂贵。Zhang等人合成了对pH敏感的POSS-PAA杂化材料，该杂化材料并没有形成一种简单的以POSS为核以PAA为壳的纳米粒子，而是POSS组分分散在胶束中形成了一种更稳定的聚集体。但是，该纳米粒子只是具有较单一的pH响应性。Liu等人制备了一种具有氧化还原响应的PEG-PMAEFc嵌段杂化材料，该杂化材料作为纳米载体应用于药物(罗丹明B)的负载，具有负载量高、负载量可控、缓释效果好的特点。然而，同样的，该纳米粒子只是具有较单一的氧化还原响应性。目前，还未见基于POSS和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子相关报道。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的一个目的是在于提供一种同时具有温度、pH及氧化还原性响应，易于通过温度、pH和氧化剂及还原剂调控粒径大小的基于六面体低聚倍半硅氧烷(POSS)和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其在功能高分子材料领域具有潜在应用价值。
本发明的另一个目的在于提供一种操作简单、条件温和，低成本的制备所述基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其由六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)通过自组装得到：
所述六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)具有式1结构：
其中，
R为烷基；
m为聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯嵌段的聚合度，大小为10～200；
n为聚二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯嵌段的聚合度，大小为5～50。
本发明的六面体低聚倍半硅氧烷(POSS)封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)包含聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)嵌段和聚二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯嵌段(PMAEFc)，PDMAEMA嵌段对温度和pH具有响应性，而PMAEFc嵌段具有氧化还原响应性。通过六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)在水溶液中自组装形成的有机无机杂化纳米粒子是以憎水性POSS和PMAEFc为核，以亲水性PDMAEMA为壳的胶束，可以利用环境的温度和pH及氧化还原性来调节有机无机杂化纳米粒子的粒径。
本发明的有机无机杂化纳米粒子结构如式2所示：
其中，憎水性的POSS和PMAEFc为核，亲水性的PDMAEMA为壳。
优选的方案，R为异丁基。
优选的方案，所述有机无机杂化纳米粒子具有pH、温度及氧化还原响应，通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的pH和/或温度和/或氧化还原性实现其粒径大小的调控。
较优选的方案，通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的pH在3～11范围内实现其粒径在100纳米～500纳米调控。pH越小，有机无机杂化纳米粒子相应的半径越大，呈现规律变化。
较优选的方案，通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的温度在5～75℃范围内实现其粒径在100纳米～500纳米调控。温度越小，有机无机杂化纳米粒子相应的半径越大，呈现规律变化。
较优选的方案，通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的氧化还原性实现其粒径在100纳米～500纳米调控，其中，氧化性通过H2O2、Fe2(SO4)3、(NH4)2Ce(NO3)6、FeCl3中至少一种调节，还原性通过抗坏血酸、NaHSO3、Na2S2O3、KI中至少一种调节，通过采用不同的氧化剂或还原剂，以及调节它们的浓度，可以实现有机无机杂化纳米粒子粒径大小的调控。
本发明还提供了一种所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备方法，该方法是往含六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)的有机溶液中滴加水溶液，即得。
优选的方案，含六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)的有机溶液中有机溶剂为四氢呋喃和/或吡啶。
优选的方案，所述水溶液为纯水溶液、1.0wt％～10.0wt％的双氧水或1.0wt％～10.0％wt的Fe2(SO4)3溶液。
较优选的方案，所述六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)是以溴代异丁酰胺化的六面体低聚倍半硅氧烷作为大分子引发剂，以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯为聚合单体，通过两步原子转移自由基聚合法制备得到。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：
1、本发明的有机无机杂化纳米粒子兼具有机聚合物的柔性及无机聚合物的强度等特性，且同时对环境中的温度、pH及氧化还原性具有响应，易于通过温度、pH和氧化还原调控粒径大小，在功能高分子材料领域具有潜在应用价值，如利用刺激响应性大分子的自组装可以制备出具有环境刺激响应性、催化、药物控释、基因治疗作用等功能材料与器件。
2、本发明的有机无机杂化纳米粒子直接在水溶液中自组装生成，方法简单，条件温和，且易于通过环境中的温度、pH及氧化还原性实现有机无机杂化纳米粒子粒径的调控，以实现不同粒径有机无机杂化纳米粒子的合成。
附图说明
【图1】为本发明实施例4中合成的POSS-PDMAEMA108-PMAEFc30的核磁共振氢谱图。
【图2】为本发明实施例5中杂化纳米粒子的粒径分布图(DLS)。
【图3】为本发明实施例5中杂化纳米粒子的透射电镜(TEM)图。
【图4】为本发明实施例6中杂化纳米粒子在不同温度下的粒径分布图(DLS)。
【图5】为本发明实施例7中杂化纳米粒子在不同pH值下的粒径分布图(DLS)。
【图6】为本发明实施例8中杂化纳米粒子在加入氧化剂和还原剂时的粒径变化图。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明内容，而不是对本发明权利要求保护范围的进一步限定。
实施例1
二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯(MAEFc)的合成：
将10.0g(43.47mmol)二茂铁甲酸(Fc-COOH)，8.49g(65.21mmol)甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和0.64g(5.22mmol)N,N-二甲氨基吡啶(DMAP)加入到含300mL超干二氯甲烷溶剂的圆底烧瓶中，磁力搅拌，将反应体系放置低温反应釜中冷却至0℃。氮气保护下，从恒压滴液漏斗慢慢滴入10.75g(52.16mmol)N,N’-二环己基碳酰亚胺(DCC)和50mL超干二氯甲烷溶剂的混合溶液，滴加完后0℃继续反应2小时，随后室温反应24h。将反应液抽滤，滤液加入硅胶粉拌样，干法过柱，洗脱剂为石油醚：乙酸乙酯＝19:1，洗脱分离出第一个点，用旋转蒸发仪旋干溶剂，得到的黄色固体放置40℃真空干燥箱中干燥24h。
实施例2
溴代异丁酰胺化的六面体低聚倍半硅氧烷(POSS-Br)的合成：
向250mL的单口圆底烧瓶中加入8g(9.15mmol)POSS-NH2、3.71g(36.59mmol)三乙胺(NEt3)、150mL超干二氯甲烷溶剂并在磁力搅拌下溶解，将反应体系放置低温反应釜中冷却至0℃，从恒压滴液漏斗慢慢滴入4.21g(18.30mmol)α-溴代异丁酰溴(BIBB)和20mL超干二氯甲烷溶剂的混合溶液，滴加完后0℃再反应2小时，随后室温反应24h。将反应液抽滤除去白色沉淀，旋转蒸发仪浓缩至40mL，依次用1mol/L的稀HCl溶液、1mol/L的NaOH溶液、去离子水反复洗涤至溶液pH＝7～8，无水MgSO4干燥，过滤，旋蒸除去大部分溶剂。再湿法过硅胶柱，洗脱剂为乙酸乙酯：石油醚＝10:1，洗脱分离出第一个点，旋干溶剂，得到的白色固体放置于40℃真空干燥箱中干燥24h。
实施例3
POSS-PDMAEMA108-Br的合成：
将0.326g(0.318mmol)POSS-Br、5.0g(31.8mmol)DMAEMA、0.1102g(0.636mmol)PMDETA、5mLTHF加入到带支口的聚合物反应瓶中，液氮冷冻抽真空，乙醇解冻通氮气，如此反复3次，最后加入0.0472g(0.477mmol)CuCl，同样液氮冷冻抽真空，乙醇解冻通氮气，反复3次，以排除反应体系内的氧气。60℃反应3h，反应完后，淬冷，将体系暴露在空气中，并加入20mLTHF终止反应，以THE为流动相，过200～300目的中性氧化铝柱除去铜盐，旋转蒸发仪浓缩至5mL,逐滴滴加到40mL冰冻石油醚中沉淀，得到白色粘稠固体，倒掉上层液体，如此反复沉淀3～4次，以完全除掉未反应的单体，得到的固体放置于40℃真空干燥箱中干燥24h。
实施例4
POSS-PDMAEMA108-PMAEFc30的合成
将0.6g(0.033mmol)POSS-PDMAEMA108-Br、1.1292g(3.3mmol)MAEFc、0.0176g(18μL)Me6TREN、3mL甲苯加入到带支口的聚合物反应瓶中，液氮冷冻抽真空，乙醇解冻通氮气，如此反复3次，最后加入0.0033g(0.033mmol)CuCl，同样液氮冷冻抽真空，乙醇解冻通氮气，反复3次，以排除反应体系内的氧气。90℃反应48h，反应完后，淬冷，将体系暴露在空气中，并加入20mLTHF终止反应，以THE为流动相，过200～300目的中性氧化铝柱除去铜盐，旋转蒸发仪浓缩至2mL，逐滴滴加到16mL冰冻石油醚中沉淀，得到黄色粘稠固体，倒掉上层液体，如此反复沉淀3～4次，以完全除掉未反应的单体，得到的固体放置于45℃真空干燥箱中干燥24h。
实施例5
基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备：
取45mg聚合物POSS-PDMAEMA108-PMAEFc30，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力搅拌下，往其中缓慢滴加5mL去离子水，滴加完毕后，继续搅拌3h，然后将溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，去离子透析1天，每隔3h换一次水，得到浓度为5mg/mL的杂化纳米粒子水溶液。图3为列举实例，平均粒径为221.7纳米。
所制得杂化纳米粒子透射电镜(TEM)测试方法：用注射器吸取0.1mg/mL的组装体，滴在透射电镜专用铜网薄膜上，室温干燥24h。粒径结果见图2，杂化纳米粒子的平均粒径为168.0纳米。
实施例6
在温度为5℃和75℃时基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备
取45mg聚合物POSS-PDMAEMA200-PMAEFc31，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力搅拌下，往其中缓慢滴加5mL去离子水，滴加完毕后，继续搅拌3h，然后将溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，去离子透析1天，每隔3h换一次水，得到浓度为5mg/mL杂化纳米粒子水溶液。将杂化纳米粒子水溶液分别降温至5℃和升温至75℃，即得。图4为列举实例：温度为5℃和75℃，杂化纳米粒子的平均粒径分别是304.9纳米和157.4纳米。
实施例7
在pH值为5.01和10.97时基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备
取45mg聚合物POSS-PDMAEMA200-PMAEFc31，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力搅拌下，往其中逐滴缓慢滴加5mL去离子水，滴加完毕后，继续搅拌3h，然后将溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，去离子透析1天，每隔3h换一次水，得到浓度为5mg/mL的杂化纳米粒子水溶液。分别通过NaOH(1mol/mL)溶液和HCl(1mol/mL)溶液调节杂化纳米粒子水溶液的pH值至10.97和5.01，即得。图5为列举实例：pH值为5.01和10.97，杂化纳米粒子的平均粒径分别为457.5纳米和198.0纳米。
实施例8
在Fe2(SO4)3和抗坏血酸存在下有机无机杂化纳米粒子的粒径变化：
取45mg聚合物POSS-PDMAEMA108-PMAEFc30，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力搅拌下，往其中逐滴缓慢滴加5mL去离子水，滴加完毕后，继续搅拌3h，然后将溶液转移到截留分子量为3500的透析袋中，去离子透析1天，每隔3h换一次水，得到浓度为5mg/mL的杂化纳米粒子水溶液。取2mL 5mg/mL的纳米粒子水溶液，加入2.2mg的Fe2(SO4)3，搅拌1h，即得到处于氧化态的杂化纳米粒子水溶液。然后加入50μL 20.56mg/mL的还原剂Vc水溶液，搅拌12h，此时溶液中的杂化纳米粒子水溶液重新变回还原态，如此循环三次。图6为列举实例：原始态、第一次氧化、第一次还原、第二次氧化、第二次还原、第三次氧化和第三次还原后杂化纳米粒子的平均粒径分别是289.4纳米、369.0纳米、288.5纳米、366.4纳米、286.7纳米、370.0纳米和279.7纳米。

Claims (8)

1.一种基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其特征在于：由六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)通过自组装得到：
所述六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)具有式1结构：
其中，
R为异丁基；
m为10～200；
n为5～50。
2.根据权利要求1所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其特征在于：所述有机无机杂化纳米粒子具有pH、温度及氧化还原响应，通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的pH和/或温度和/或氧化还原性实现其粒径大小的调控。
3.根据权利要求2所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其特征在于：通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的pH在3～11范围内实现其粒径在100纳米～500纳米调控。
4.根据权利要求2所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其特征在于：通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的温度在5～75℃范围内实现其粒径在100纳米～500纳米调控。
5.根据权利要求2所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子，其特征在于：通过调节有机无机杂化纳米粒子所处环境的氧化还原性实现其粒径在100纳米～500纳米调控，其中，氧化性通过H2O2、Fe2(SO4)3、(NH4)2Ce(NO3)6、FeCl3中至少一种调节，还原性通过抗坏血酸、NaHSO3、Na2S2O3、KI中至少一种调节。
6.权利要求1～5任一项所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备方法，其特征在于：往含六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)的四氢呋喃和/或吡啶溶液中滴加水溶液，即得。
7.根据权利要求6所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述水溶液为纯水溶液、1.0wt％～10.0wt％的双氧水或1.0wt％～10.0wt％的Fe2(SO4)3溶液。
8.根据权利要求6所述的基于六面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的有机无机杂化纳米粒子的制备方法，其特征在于：所述六面体低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯)是以溴代异丁酰胺化的六面体低聚倍半硅氧烷作为大分子引发剂，以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和二茂铁基甲基丙烯酸羟乙酯为聚合单体，通过两步原子转移自由基聚合法制备得到。
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