CN1903890A

CN1903890A - 一种超大孔聚合物微球的制备方法及其产品

Info

Publication number: CN1903890A
Application number: CN 200510087138
Authority: CN
Inventors: 马光辉; 苏志国; 周炜清
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: CN100562530C

Abstract

本发明提供一种超大孔聚合物微球的制备方法及其产品。其特征是在含有单体的油相中添加高含量的表面活性剂，将含有单体和表面活性剂的油相分散到水相中，通过悬浮聚合，制备出超大孔微球。微球的粒径为1～200μm，孔隙率为10％～90％，内部具有两种孔分布，一种是1～60μm的超大孔，另一种是10～200nm的小孔。适合作为液相色谱固定相基质，高效催化剂载体及高效吸附剂，特别适合作为分离生物大分子的分离介质。

Description

一种超大孔聚合物微球的制备方法及其产品

发明领域

本发明属于高分子材料和生物化工交叉领域，涉及大孔聚合物微球的制造方法，特别涉及一种具有两种孔分布的超大孔聚合物微球的制备方法。

发明背景

随着生命科学的发展，与之相关的生物大分子的分离已成为极其重要的课题。目前，大规模制备蛋白的分离纯化技术已经成为生物技术发展的一个限制因素，国内外正在进行大量的研究，这个方向也成为科技投资的重点之一。

虽然生物分离介质的研究已经有几十年的历史，介质的性能(如机械强度、适用范围和使用寿命)及其分离能力都有很大提高，但分辨率、容量和分离速度这三个因素还是难于协调。尤其对生物大分子来说，由于其体积大、结构易变，对分离条件的要求更高。就通常使用的大孔介质和小颗粒无孔介质而言，大孔介质内部孔径小，孔道不规则，而且一端终止于孔道内部，溶质通过扩散进出颗粒内部，传质速度慢，直接影响分离速度和分辨率；小颗粒介质虽然传质速度很快，但表面积小、柱容量不高，装柱难度大，而且操作压力高，对介质的机械强度和设备的要求都很高，一般来说适于分析而不利于制备分离。

90年代初，Afeyan等^[1～3]申请了灌注色谱法及灌注色谱介质的专利，这种方法由于具有操作压强低、流速快、产量大、适于放大等优点，受到密切关注。该灌注色谱介质具有两类孔，一种是孔径为600～800nm的大孔，称为贯穿孔或对流孔；另一种是连接这些孔的小孔，孔径为50～150nm，称为扩散孔。颗粒内的传质主要靠贯穿孔内的对流传递过程，减小了蛋白质等生物物质在颗粒内的滞留时间，缩短了分离时间，而扩散孔的存在提供了较大的表面积和柱容量。灌注色谱无论是分析还是制备分离，产品的纯度、产率和产量都有明显提高，证明是生物大分子分离的理想介质。

灌注色谱介质的制备方法不很多，主要有以下几种。Afeyan等用悬浮、乳液或混合聚合技术制备出小颗粒，这些小颗粒互相粘附成簇，小颗粒簇进而聚集成团，再形成微米级颗粒。小颗粒之间的缝隙构成贯穿孔和与之相连通的微孔。粒径为20～100μm，孔径在1μm左右，孔隙率约为50％。

孙彦等^[4～7]用固体颗粒和溶剂双制孔剂法制备了具有两种孔型的分离介质。该方法先将单体甲基丙烯酸缩水甘油酯，交联剂二乙烯基苯和三聚异氰尿酸三烯丙酯，液体制孔剂环己醇和十二烷醇，以及引发剂偶氮二异丁腈混合均匀，再加入固体制孔剂混合均匀，然后通过原位聚合反应合成聚合物单块，将其粉碎、抽提，乙醇水溶液冲洗，干燥，即可得到两种孔型分离介质。使用的固体制孔剂为硫酸钠，其颗粒粒径为0.5～5μm，密度为2.68g/mL，用量占反应混合物体积含量的20％～40％；固体制孔剂与液体制孔剂体积比为0.4～2；制孔剂用量占反应混合物体积含量的50％～70％；交联剂二乙烯基苯和三聚异氰尿酸三烯丙酯的物质的量的比为0.5～4，交联剂用量与单体甲基丙烯酸缩水甘油酯的物质的量的比为0.2～0.7。制备出的介质含有两类孔，一类是55nm左右的微孔，一类是340nm左右的大孔，大孔在水溶液中可溶涨至1μm。

90年代初，Li和Benson等在高内相乳液聚合物(polyHIPE，high internal phaseemulsion polymer)技术的基础上，制备出一种新型超大孔球形介质，称为Magnapore材料，并申请了一系列专利^[8～12]。这种微球的特征是：孔道规整，孔径较大，相互联通的孔明显可见。微球直径在50～300μm，孔径为1～50μm，密度为0.05～0.2g/cm³，孔隙率为70％～90％，比表面积为2～30m²/g。制备过程是首先将内水相分散到油相形成高内相乳液(内水相体积超过70％)，再将高内相乳液分散到外水相，形成W/O/W乳液，然后进行聚合。由于高内相乳液内水相体积含量高，稳定性差，很多因素如油相单体的憎/亲水性及体积分数、表面活性剂的种类及浓度、连续相的粘度以及聚合温度，都会对其发生影响，控制不当，很容易造成破乳，导致无法形成微球。

针对上述几种制备技术普遍存在的制备过程麻烦、配方复杂、不宜放大等缺点，本发明提供了一种简单易行的制备超大孔生物分离介质的方法。本发明采用常用的悬浮聚合法，在含单体的油相中加入较高含量的表面活性剂，分散到水相后，进行聚合即可。微球的结构，如孔径、孔隙率和比表面积等，可以通过调节表面活性剂、稀释剂的加入量和交联度进行控制。本方法不受聚合体系限制，可以根据需要，选用合适的聚合体系。

发明内容

本发明提供一种超大孔聚合物微球的制备方法及其产品。制备方法如下：在含有单体的油相中添加高含量的表面活性剂，将含有单体和表面活性剂的油相分散到水相中，通过悬浮聚合，制备超大孔微球。微球的粒径为1～200μm，孔隙率为10％～90％，内部具有两种孔分布，一种是1～60μm的超大孔，另一种是10～200nm的小孔。适合作为液相色谱固定相基质，高效催化剂载体及高效吸附剂，特别适合作为分离生物大分子的分离介质。

附图说明

图1，苯乙烯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：ST＝37.5g，DVB＝12.5g，BPO＝2.0g，HD＝25.0g，span80＝35.0g

图2，苯乙烯-二乙烯基苯微球的孔径分布图

图3，苯乙烯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：ST＝35.0g，DVB＝15.0g，BPO＝2.0g，HD＝35.0g，span80＝45.0g

图4，苯乙烯-二乙烯基苯微球的孔径分布图

图5，苯乙烯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：ST＝37.5g，DVB＝12.5g，AIBN＝1.5g，HD＝25.0g，span80＝35.0g

图6，苯乙烯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：ST＝25.0g，DVB＝25.0g，BPO＝2.0g，HD＝25.0g，span80＝35.0g

图7，苯乙烯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：ST＝30.0g，DVB＝20.0g，BPO＝2.0g，HD＝40.0g，span80＝20.0g

图8，甲基丙烯酸缩水甘油酯-二乙烯基苯微球的电镜照片

反应条件：GMA＝35.0g，DVB＝20.0g，BPO＝2.0g，十二烷醇＝35.0g，span80＝35.0g

具体实施方案：

(1)在单体和交联剂的混合液中，加入引发剂(所有可聚合单体的0.01％～20％wt)、稀释剂(油相的0％～80％wt)和表面活性剂(油相的5％～80％wt)，搅拌，直至引发剂完全溶解；

(2)将稳定剂溶于蒸馏水，配制成一定浓度的水溶液，作为水相；

(3)将油相加入水相中，以100～300rpm的速度搅拌，通氮气1h，在30～100℃温度下聚合24h；

(4)反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得超大孔生物分离介质。

本发明通过在油相中添加较高含量的表面活性剂和适量的稀释剂，经过悬浮聚合制备超大孔聚合物微球。表面活性剂为油溶性表面活性剂，可以是失水山梨醇脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪酸酯，如失水山梨醇单油酸酯(span80)等。表面活性剂在油相中的含量为5％～80％，在15％～40％范围内更好。表面活性剂通过与油相各组分及水相的作用，在油相中形成一定的分布。聚合完成后，把表面活性剂和稀释剂清洗出去，就形成超大孔聚合物微球。微球的结构如孔径、孔隙率、比表面积等，可以通过调节表面活性剂、稀释剂和交联度进行控制。这种方法不受聚合体系的限制，可以根据需要，选用不同单体制备微球。

本发明使用的单体是任何一种油溶性带乙烯基的单体以及它们的混合物，可以是乙烯类、苯乙烯类、(甲基)丙烯酸类、(甲基)丙烯酸酯类、(甲基)丙烯酰胺类单体，以及环氧类单体和乙酸乙烯酯类单体等。单体在油相中的质量含量为1％～90％，在25％～45％范围内更为适合。交联剂是任何一种油溶性的、带双乙烯基或三乙烯基的化合物，可以是双乙烯基芳香族化合物，如二乙烯基苯(DVB)；可以是丙烯酸酯类化合物，如二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、丙烯酸三甲氧基丙烷三甲基酯(TRIM)等。交联剂在油相中的质量含量为1％～90％，在10％～45％范围内更为适合。稀释剂在油相中也起到制孔剂的作用，可以使用烷烃，如十六烷、十二烷、异辛烷等；可以是醚类，如石油醚等；可以是苯类，如甲苯等。油相中不加稀释剂时，也可以得到多孔性微球，因此稀释剂在油相中的质量含量为0％～80％，但限制在0％～50％范围内更好。油溶性聚合引发剂会影响单体聚合速率，以致影响微球的最终产率，因此要选择合适的引发剂及其用量。本发明所用聚合引发剂可以是过氧化物引发剂，如过氧化苯甲酰；可以是偶氮类引发剂，如偶氮二异丁腈；也可以是它们的混合物。油溶性聚合引发剂的用量为所有可聚合单体质量的0.01％～20％。

油相需要在搅拌下在水相中进行分散。反应装置应提供尽量均匀的剪切力分布，以使微球大小相对均匀。搅拌速度会影响微球的大小，可以根据所需粒径选择合适的搅拌速度。搅拌速度可以在10～1000rpm内，最好在100～300rpm之间。

水相中，选择浓度适当的稳定剂和水溶性表面活性剂，可以帮助油相液滴稳定的分散在水相中，并减小或防止粘球现象发生。稳定剂可以用水溶性聚合物，如聚乙二醇、明胶、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮等，含量为水相质量的0.1～10％。水溶性表面活性剂可以用十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠等，含量控制在水相质量的10％以内。

聚合完成后，微球要进行清洗，以脱除残留的未聚合单体以及表面活性剂、稀释剂等组分。一般说来，微球要分别用蒸馏水和乙醇洗涤数次。清洗后，干燥，得到产品。

本发明制备的超大孔聚合物微球，粒径为1～200μm，孔隙率可控制在10％～90％范围内，微球内部具有两种孔分布，一种是1～60μm的超大孔，另一种是10～200nm的小孔。适用于作为液相色谱固定相基质，高效催化剂载体及高效吸附剂，特别适用于作为分离生物大分子的分离介质。

上述方法将通过下面的实例进一步描述，但是提供的实例不能作为对此方法的限制。

实施例1

准确称取37.5g苯乙烯和12.5g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入2.0g过氧化苯甲酰、25.0g十六烷和35.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在75℃下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图1所示。对微球结构进行表征，测得：比表面积为126.9m²/g，孔隙率为65.5％，密度为0.40g/mL，具有两种孔分布，一种是1～60μm的超大孔，一种是30～100nm的小孔，如图2所示。

实施例2

准确称取35.0g苯乙烯和15.0g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入2.0g过氧化苯甲酰、35.0g十六烷和45.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在75℃下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图3所示。对微球结构进行表征，测得：比表面积为203.8m²/g，孔隙率为83.6％，密度为0.31g/mL，主要具有两种孔分布，一种是1～60μm的超大孔，一种是200～800nm的小孔，如图4所示。

实施例3

准确称取37.5g苯乙烯和12.5g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入1.5g偶氮二异丁腈、25.0g十六烷和35.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在75℃下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图5所示。

实施例4

准确称取25.0g苯乙烯和25.0g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入2.0g过氧化苯甲酰、25.0g十六烷和35.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在30～100℃温度下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图6所示。

实施例5

准确称取30.0g苯乙烯和20.0g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入2.0g过氧化苯甲酰、40.0g十六烷和20.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA、0.5g十二烷基硫酸钠(SDS)溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在75℃下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次；将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图7所示。

实施例6

准确称取35.0g甲基丙烯酸缩水甘油酯和20.0g二乙烯基苯置于100mL烧杯中，加入2.0g过氧化苯甲酰、35.0g十二烷醇和35.0g span80，搅拌，直至引发剂完全溶解。取1.0g PVA、0.5g SDS溶于500mL蒸馏水中，配成水相。将油相加入水相中，以200rpm的速度搅拌，通氮气1h，在75℃下聚合24h。反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗产品数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得产品。所得微球的电镜照片如图8所示。

参考文献

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Claims

1、一种超大孔聚合物微球的制备方法，包括：

(1)在单体和交联剂的混合液中，加入引发剂、稀释剂和表面活性剂，搅拌，直至引发剂完全溶解；

(3)将油相加入水相，搅拌，升温聚合；

(4)反应结束后，过滤，用蒸馏水和乙醇清洗数次，将稀释剂、表面活性剂等组分洗净，干燥后，即得超大孔生物分离介质。

2、按照权利要求1中所述，表面活性剂为油溶性表面活性剂，可以是失水山梨醇脂肪酸酯、聚甘油脂肪酸酯、聚氧乙烯脂肪酸酯，如失水山梨醇单油酸酯(span80)等，也可以是它们的混合物。

3、按照权利要求2中所述，表面活性剂在油相中的质量含量为5％～80％，优选为15％～40％。

4、按照权利要求1中所述，单体是任何一种油溶性带乙烯基的单体以及它们的混合物，可以是乙烯类、苯乙烯类、(甲基)丙烯酸类、(甲基)丙烯酸酯类、(甲基)丙烯酰胺类单体，以及环氧类单体和乙酸乙烯酯类单体等。

5、按照权利要求4中所述，单体在油相中的质量含量为1％～90％，优选为25％～45％。

6、按照权利要求1中所述，交联剂是任何一种油溶性的、带双乙烯基或三乙烯基的化合物，可以是双乙烯基芳香族化合物，如二乙烯基苯(DVB)；可以是丙烯酸酯类化合物，如二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、丙烯酸三甲氧基丙烷三甲基酯(TRIM)等。

7、按照权利要求6中所述，交联剂在油相中的质量含量为1％～90％，优选为10％～45％。

8、按照权利要求1中所述，稀释剂可以是烷烃，如十六烷、十二烷、异辛烷等；可以是醇类，如十二烷醇、环己醇、正丁醇等；可以是醚类，如石油醚等；可以是苯类，如甲苯等；也可以是它们的混合物。

9、按照权利要求8中所述，稀释剂在油相中的质量含量为0％～80％，优选为0％～50％。

10、按照权利要求1中所述，水相含有一种水溶性稳定剂，如聚乙二醇、明胶、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮等，在水相中的质量含量为0.1％～20％；可以含有一种水溶性表面活性剂，如十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠等，在水相中的质量含量在10％以内。

11、一种超大孔聚合物微球产品，其特征为微球具有双孔道，大孔在1～60μm范围内，小孔在10～200nm范围内；微球粒径为1～200μm，孔隙率为10％～90％。