CN1943560B - 具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一类具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球。从结构组成上，所述磁性复合微球具有如下特征：整体上为夹心结构，内核是高分子微球，中间层是磁性纳米粒子，外层是具有一定厚度的功能化壳层。所述功能化壳层材料包括生物相容性高分子材料、本身具有某种特定功能的聚合物或无机材料、分子结构上带有某种特定功能团的无机材料或有机聚合物材料、掺混了各种功能小分子组分的聚合物材料以及各种催化剂材料等。所得磁性复合微球在生物医学，生物工程和有机合成等领域将有重要应用。

Description

具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球及其制备方法

发明领域

本发明涉及一类具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球、其制备方法及其应用，属于新型磁性功能复合材料领域。

背景技术

磁性复合微球作为一类新型功能复合材料，在细胞分离、蛋白纯化、核酸提取、临床诊断、靶向给药、固定化酶等方面有着日益广泛和重要的应用。

磁性复合微球自20世纪70年代末出现以后，近三十年来得到了快速发展，见诸文献的各种磁性微球，有的已经作为产品在市场上销售。就磁性复合微球的组成方面，二氧化硅等无机材料和聚苯乙烯等高分子材料皆被尝试用作基体材料，氧化铁、镍等多种磁性材料以纳米形态被用作磁功能组分。从结构方面，出现了核壳结构、夹心结构和杂化结构等不同结构特征的磁性复合微球。从制备方法和工艺方面，涉及到在复合微球制备过程中的基体材料的原位合成，或纳米磁性组分的原位合成等方法以及预先分别制备好的两种组分以某种方式进行复合的方法等。

从性能方面，制备出了不同尺度的、磁性大小可控的磁性复合微球，而且可以引入其他功能特征，得到功能化的复合微球。将新型功能赋予磁性微球，可拓展其应用领域，提高磁性复合微球的品级和附加值，为磁性复合微球提供更为广阔的应用和发展空间。

就功能化磁性复合微球而言，其“功能化”的内涵包括两个方面：一是所谓的本体功能化，即构成微球的本体的组分本身具有特定的功能，如导电、荧光、温敏等。目前见诸报道的本体功能化的磁性复合微球，大多是以磁性粒子为核，以功能化包覆层为壳的核壳结构。二是所谓的表面功能化，即通过对磁性微球外层的制备配方工艺设计或后续的改性工艺，引入功能化组分或化学功能团，从而使微球具备诸如亲/疏水性，生物亲和性，可偶联酶、抗体、抗原等生物活性物质等特性。

中国专利申请00116133.4公开了一种具有光导性的磁性高分子微球；中国专利申请02139365.6公开了一种磁性荧光微球，可以通过荧光信号的测定值对与微球结合的靶物分子进行定性和定量分析；中国专利申请03108007.3公开了一种多孔氧化硅、镍和二氧化钛为组成的磁性复合微球，可同时对外界电场和磁场进行响应；论文(邓建国，彭宇行，丁小斌，王建华，龙新平，李蓓，陈兴滋；磁性聚苯胺纳米微球的合成与表征，化学物理学报2002，15(2)：149～52)报道了一种磁性聚苯胺纳米微球，核为四氧化三铁纳米粒子，外覆聚苯胺壳层，同时具有磁性和导电性；中国专利申请03130269.6公开了一种复合功能超微磁性粒子，内层为铁氧化物，中间层为高分子载体材料，最外层是生物活性功能制剂，可以兼具磁定位、生物靶向定位与药物控释复合功能；中国专利申请公开CN 1375507A公开了一种磁性复合微球，其表面以环氧基、羟基、醛基、羧基等功能基团进行修饰，可以作为在微阵列电磁单元生物芯片中对生物分子定向控制的载体；论文(Deng YH，Yang WL，Wang CC，FU SK；A novel approach forpreparation of thermoresponsive polymer magnetic microspheres withcore-shell structure，Advanced Materials 2003，15(20)：1729～32)报道了一种具有温敏功能的磁性复合微球，核为四氧化三铁纳米粒子，外覆交联的聚(N-异丙基丙烯酰胺)壳层。上述微球其结构设计上的短处在于不能够引入足够多的磁性组分，因而其磁性特征不够突出。

发明内容

本发明的目的是提供一类具有多种功能化壳层的夹心结构磁性复合微球，所述微球可以用于生物医学、生物工程和有机合成等领域。

本发明的另一目的是提供一种制备上述功能化磁性微球的方法。

本发明的再一目的是提供各种功能化磁性复合微球的用途。

本发明的这些和其他目的、特征和优点在结合附图阅读完下列说明之后将变得清楚明了。

附图简述

图1为本发明实施例1所制备的磁性复合微球的透射电子显微照片；

图2为本发明实施例4所制备的磁性复合微球的透射电子显微照片。

发明详述

本发明是申请人于2005年8月8日递交的中国专利申请200510087784.7的后继连续发明，该申请的整个公开内容在此作为参考引入。本发明所涉及到的各种功能化的磁性复合微球均以中国专利申请200510087784.7所述的具有核壳结构的高分子磁性复合微球作为初始材料。

本发明的具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球从结构组成上具有如下特征：整体上为夹心结构，内核是高分子微球，中间层是磁性纳米粒子，外层是具有一定厚度的功能化壳层。

在本发明的磁性复合微球中，所述的高分子微球为选自聚苯乙烯、交联聚苯乙烯或苯乙烯系共聚物的聚合物微球，其核聚合物微球特征为粒径单分散且粒径在0.05～20μm范围内；且所述磁性纳米粒子为纳米Fe₃O₄粒子、纳米γ-Fe₂O₃粒子或其他纳米级尺寸的铁氧体粒子以及其他纳米磁性粒子(如钴粒子、铁粒子、镍粒子、镍铁合金粒子等)。由纳米粒子所组成的中间层的厚度，可根据需要在一定尺寸范围内，例如在十几纳米到几百纳米调节。

在本发明的磁性复合微球中，所述的功能化壳层囊括了许多种类的材料，例如：

第一类：生物相容性高分子材料。具体实例包括聚乙烯醇、聚乙二醇、聚α-羟基乙酸、聚乳酸、聚羟基丁酸酯、聚羟基戊酸酯、聚己内酯、聚乙交酯、聚丙交酯、丙交酯-乙交酯共聚物、羟基丁酸-羟基戊酸共聚物、聚酸酐、聚原酸酯、聚亚胺、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯等合成高分子材料，以及淀粉、纤维素、蛋白质、多肽、胶原、明胶、葡聚糖、琼脂糖、甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐等天然高分子材料等；

第二类：本身具有某种特定功能的聚合物或无机材料。具体实例包括具有导电性的聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其衍生物等；具有pH敏感特征的聚合物，如聚(甲基)丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸甲酯-(甲基)丙烯酸共聚物、N，N-二甲基乙酯共聚物等；具有温敏特征的聚合物，如聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚(N，N-二乙基丙烯酰胺)，醋酸乙烯酯-乙烯醇共聚物、聚乙烯基甲基醚等；可对某些化学物质产生响应的聚合物，如对葡萄糖敏感的含苯基硼酸的乙烯基吡咯烷酮共聚物；具有半导体性质的无机物，如二氧化钛、硫化铬等；高折光材料，如二氧化锆、硫化锌等；以及压电陶瓷材料，如锆钛酸铅等。

第三类：分子结构上带有某种特定功能团的无机或有机聚合物材料。

第四类：掺混了各种功能小分子组分的聚合物材料。这些功能小分子组分主要指一些敏感分子，比如对生物活性物质敏感的分子、对光敏感的分子、对热敏感的分子、对毒性物质敏感的分子等，但不限于上述种类。

第五类：各种催化剂材料。具体实例包括铂、铑、铜、金、银等金属材料，二氧化钛等金属氧化物材料，硫化锌等无机非金属材料，等等。

所述的功能化壳层由上述五类材料的一类单独构成或两类复合构成。

所述的功能化壳层是将中间的磁性纳米粒子层完全覆盖不使其裸露，其厚度可在几纳米到几百纳米的范围内调控。

本发明的磁性复合微球的制备过程分为两个阶段：第一阶段是制备中国专利申请200510087784.7的具有核壳结构的磁性高分子复合微球；第二阶段是以此具有核壳结构的磁性高分子复合微球为初始材料，在其上包覆所述的某一类或两类功能化壳层。

功能化壳层的包覆方法根据其所属所类别不同而不同。即便是同一类别中，又因具体材料的不同，其所采用的具体配方工艺又各相异。各类功能化壳层的包覆方法，可概括归结如下：

第一类：一般是将具有核壳结构的磁性高分子复合微球分散于待包覆聚合物的溶液中。依靠静电力等相互作用，溶液中的大分子可被吸附于磁性层上面，从而形成一定厚度的聚合物壳层。具体相关工艺条件可参见中国专利申请200410057258.1，论文：S，Kacar Y，Denizli A，AricaM.Y.Hydrolysis of sucrose by invertase immobilized onto novel magneticpolyvinylalcohol microspheres.Food Chemistry.2001，74，281-288.以及论文：Denkbas E B，Kilicay E，Birlikseven C，et al..Magnetic chitosanmicrospheres.preparation and characterization.Reactive&FunctionalPolymers，2002，50，225～232，等。

第二类：对于聚合物材料，根据具体情况，可以采用如在第一类中所述的吸附沉积工艺形成壳层；或者可以采用聚合工艺，即先将反应单体和引发剂等吸附至核壳结构磁性高分子复合微球上，然后再引发单体聚合原位形成聚合物包覆层。聚合方法可以是分散聚合，乳液聚合，悬浮聚合等。聚合反应所设定的配方与工艺条件要保证不破坏作为初始材料的核壳结构磁性高分子复合微球上的磁性壳层的物理结构和化学组成。具体相关工艺条件可参见论文：邓建国，彭宇行，丁小斌，等.磁性聚苯胺纳米微球的合成与表征.化学物理学报.2002，15(2)，149-152。论文：邓建国，贺传兰，龙新平，等.磁性Fe₃O₄-聚吡咯纳米微球的合成与表征.高分子学报，2003，(3)，393-397。论文：Deng Y H，Yang W L，Wang C C等，A novel approachfor preparation of thermoresponsive polymer magnetic microspheres withcore-shell structure，Advanced Materials.2003，15(20)，1729～1732，等文献。

对于无机材料，如二氧化钛、二氧化锆、锆钛酸铅等，可以采用溶胶-凝胶工艺在核壳结构磁性高分子复合微球上形成包覆层。有关该包覆方法的具体相关工艺条件可参见文章如：Eiden S，Maret G.Preparation andCharacterization of Hollow Spheres of Rutile.Journal of Colloid andInterface Science.2002，250(2)，281-284.以及文章：Yin J L，Qian X F，Yin J等，Preparation of polystyrene/zirconia core-shell microspheres andzirconia hollow shells.Inorganic Chemistry Communications.2003，6(7)，942-945.以及文章：Chaki T K，Yang X.Hollow lead zirconate titanatemicrospheres prepared by sol-gel/emulsion technique.Materials Scienceand Engineering：B.1996，39(2)，123-128，等文献。

第三类：对于无机材料如二氧化硅，材料的表面富于-OH基团，可以采用工艺(溶胶-凝胶法)得到二氧化硅包覆壳层。有关该包覆方法的具体工艺条件可参见：

W，Fink A.Conrtolled Growth ofMonodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range.Journal of Colloidand Interface Science 1968，26，62-69，等文献。

对于聚合物材料，一般是将主体聚合物的单体与带有功能基团的单体混合，连同引发剂等其他反应组分，吸附至核壳结构磁性高分子复合微球上，然后再引发单体聚合原位形成聚合物包覆层。聚合方法可以是分散聚合，乳液聚合，悬浮聚合等。聚合反应所设定的配方与工艺条件要保证不破坏作为初始材料的核壳结构磁性高分子复合微球上的磁性壳层的物理结构和化学组成。也可以某种聚合物材料以涂层的形式引入，然后再通过化学反应产生特定的功能团。具体工艺条件可参见文章：刘学涌，丁小斌，郑朝晖等，两亲磁性高分子微球的合成与表征，高分子学报，2003(1)，104-108；以及文章：姜波，官月平等，聚乙二醇修饰的高分子磁性微球的合成及表征，过程工程学报，2001，(4)，382-386等文献。

第四类：所述的聚合物材料采用如在第一类中所述的吸附沉积工艺形成壳层。以掺混形式引入的功能小分子，既可以在聚合物壳层包覆过程中引入，亦可以在聚合物壳层形成以后再引入。掺混的相关具体方法及工艺条件可参见中国专利申请02139365.6等文献。

第五类：金属催化剂材料，一般采用液相化学还原法形成由纳米级金属颗粒聚集而成的壳层。其反应过程是将金属离子或金属络合物还原为零价原子，然后这些原子生长为纳米级颗粒。不同金属的具体制备方法，可参见中国专利申请03104627.4，中国专利申请03104628.2，文章：Zheng XW，Yi X，Zhu L Y等，Formation of vesicle-templated CdSe hollow spheresin an ultrasound-induced anionic surfactant solution.UltrasonicsSonochemistry.2002，9(6)，2002，311-316，以及实施例5等。

本发明具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球分别具有如下用途：

具有第一类壳层的磁性复合微球：可作为用于靶向给药或诊断的药物载体，或作为热疗介入栓塞剂被注入肿瘤的供血血管中；完成使命后，微球可以通过壳层聚合物材料被降解而逐渐使其结构发生破坏，最终被生物体消纳或通过循环、代谢排出体外。

具有第二类壳层的磁性复合微球：这类微球有的可以作为标记探针被用于人体疾病的诊断中，有的可以作为具有磁性的压电传感器、促动器等，其潜在的应用价值有待于进一步开发。

具有第三类壳层的磁性复合微球：此类磁性复合微球可以通过其表面上的功能团的化学反应活性，在微球上引入生物活性功能制剂，包括抗体、抗原、细胞因子与受体，病理诊断类物质，多肽片段、基因以及各类药物等，从而得到可用于人体局部病灶药物治疗，细胞标记与识别，细胞与核酸或各种可溶性抗原的分离与纯化，以及病理诊断与免疫分析等方面的所谓免疫磁性微球。

具有第四类壳层的磁性复合微球：这类微球可以作为具有磁性的生物传感器用于生物分子检测或临床检测，以及用作具有磁性的毒性气体微传感器等。

具有第五类壳层的磁性复合微球：这类微球实际上就是磁性高分子微球负载催化剂。这种磁载催化剂的特点和用途：(1)催化剂以微纳米级的微粒存在，表面能高，表面活性大，可以显示较高的催化活性；(2)在流化床工艺的催化反应中，磁载催化剂可以在磁场力的束缚下在流化床中均匀地有序排列，在反应时其位置相对固定，避免或减少了催化剂的碰撞、磨损和流失；(3)催化反应结束后，可以利用磁场对催化剂进行回收从而重复使用，减少了催化剂的流失，缩短了回收时间，提高了回收效率，降低了操作成本，尤其对贵金属催化剂而言有重大的经济意义。

实施例

下面是本发明的参考实施例和实施例，应理解的是这些实施例并不限制本发明的范围。

参考实施例1

通过分散聚合制备直径500nm的单分散聚苯乙烯微球

取0.22g十二烷基硫酸钠和0.20g过硫酸钾溶解于乙醇与水的混合溶剂中。将上述溶液移入250mL四口烧瓶中，然后在氮气氛围及高速搅拌下加入9mL的苯乙烯单体。在70℃的恒温水浴中进行聚合反应8小时。结束反应，将反应产物离心分离并用去离子水洗涤多次，最后冻干，保存备用。

参考实施例2

通过分散聚合制备直径1μm的单分散聚苯乙烯微球

取0.143g偶氮二异丁腈溶解于10g苯乙烯单体中。将1.0g PVP(K-30，进口分装，北京益利精细化学品有限公司)与0.5mL十二烷醇加入由乙醇和水组成的混合溶剂中，搅拌使其溶解，转移至250mL的四口烧瓶中，通氮除氧10分钟，并升温至60℃。向其中加入溶解了偶氮二异丁腈的苯乙烯单体，在氮气保护下进行聚合反应20小时。结束反应，将反应产物离心分离并用乙醇洗涤三次，最后冻干，保存备用。

参考实施例3

聚苯乙烯微球的通用磺化方法

将1g经过干燥的聚苯乙烯微球(参考实施例1或2)投入100mL的圆底烧瓶中，然后加入18mL浓硫酸，于40℃恒温水浴中，磁力搅拌作用下进行磺化反应一定时间。结束反应，将反应产物离心分离并用乙醇离心洗涤。

参考实施例4

直径500nm的单分散聚苯乙烯微球的磁功能化(一)

将1g来自参考实施例1的单分散聚苯乙烯微球按参考实施例3的通用方法在浓硫酸中磺化4小时。在50mL FeCl₃与FeCl₂·4H₂O的饱和水溶液中浸渍上述磺化聚苯乙烯微球48小时，磁搅拌，以氮气作保护。将浸渍后的磺化微球离心分离，分散于50mL去离子水中，以100mL四口烧瓶为容器，氮气保护，于65℃下恒温。然后在高速搅拌下加入2mol/L NaOH水溶液，使反应体系的pH达到12～13，恒温下反应60分钟。反应完毕，物料自然冷却至室温。利用磁场将产物沉降分离，并用去离子水离心洗涤，即得核壳结构的磁性复合微球1。此磁性复合微球1的饱和磁化强度为30.97emu/g。

参考实施例5

直径500nm的单分散聚苯乙烯微球的磁功能化(二)

将1g来自参考实施例1的单分散聚苯乙烯微球按参考实施例3的通用方法在浓硫酸中磺化4小时。在50mL FeCl₃与FeCl₂·4H₂O的饱和水溶液中浸渍上述磺化聚苯乙烯微球24小时，磁搅拌，以氮气作保护。将浸渍后的磺化微球离心分离，分散于50mL去离子水中，以100mL四口烧瓶为容器，氮气保护，于65℃下恒温。然后在高速搅拌下加入2mol/L NaOH水溶液，使反应体系的pH达到12～13，恒温下反应60分钟。反应完毕，物料自然冷却至室温。利用磁场将产物沉降分离，并用去离子水离心洗涤，即得核壳结构的磁性复合微球2。

参考实施例6

直径500nm的单分散聚苯乙烯微球的磁功能化(三)

将1g来自参考实施例1的单分散聚苯乙烯微球按参考实施例3的通用方法在浓硫酸中磺化8小时。在50mL FeCl₃与FeCl₂·4H₂O的饱和水溶液中浸渍上述磺化聚苯乙烯微球48小时，磁搅拌，以氮气作保护。将浸渍后的磺化微球离心分离，分散于50mL去离子水中，以100mL四口烧瓶为容器，氮气保护，于65℃下恒温。然后在高速搅拌下加入2mol/L NaOH水溶液，使反应体系的pH达到12～13，恒温下反应60分钟。反应完毕，物料自然冷却至室温。利用磁场将产物沉降分离，并用去离子水离心洗涤，即得核壳结构的磁性复合微球3。

参考实施例7

直径1um的单分散聚苯乙烯微球的磁功能化

将1g来自参考实施例2的单分散聚苯乙烯微球按参考实施例3的通用方法在浓硫酸中磺化8小时。在60mL FeCl₃与FeCl₂·4H₂O的饱和水溶液中浸渍上述磺化聚苯乙烯微球48小时，磁搅拌，以氮气作保护。将浸渍后的磺化微球离心分离，分散于50mL去离子水中，以100mL四口烧瓶为容器，氮气保护，于65℃下恒温。然后在高速搅拌下加入2mol/L NaOH水溶液，使反应体系的pH达到12～13，恒温下反应60分钟。反应完毕，物料自然冷却至室温。利用磁场将产物沉降分离，并用去离子水离心洗涤，即得核壳结构的磁性复合微球4。此磁性复合微球4的饱和磁化强度为32.02emu/g。

实施例1

PS/Fe₃O₄/SiO₂磁性复合微球的制备(方法一)

将0.01g来自参考实施例4的磁性复合微球超声分散到100mL无水乙醇中，用氨水调节体系的pH值至9，在40℃的恒温水浴中恒温；然后滴入0.1mL的正硅酸乙酯乙醇溶液(正硅酸乙酯与乙醇的体积比为1∶1)，保持恒温，在机械搅拌作用下反应12小时。反应完毕后，利用磁场将产物分离，并用无水乙醇洗涤数遍，最后分散在无水乙醇中冷藏保存。该复合微球的透射电子显微照片如图1所示。

实施例2

PS/Fe₃O₄/SiO₂磁性复合微球的制备(方法二)

将0.25g来自参考实施例6的磁性复合微球超声分散到100mL异丙醇中，加入7mL氨水(浓度为25％)，在40℃的恒温水浴中恒温；然后加入一定量的正硅酸乙酯，使体系中的正硅酸乙酯的浓度为4.0mmol/L，保持恒温，在机械搅拌作用下反应12小时。反应完毕后，利用磁场将产物分离，并用无水乙醇洗涤数遍，最后分散在无水乙醇中冷藏保存。产物的比饱和磁化强度为15.2emu/g。

实施例3

PS/Fe₃O₄/TiO₂磁性复合微球的制备(方法一)

将0.1g来自参考实施例5的磁性复合微球超声分散在100mL正丁醇/乙醇溶液(V/V＝10∶1)中，加入1mL去离子水，水浴恒温40℃；将10mL钛酸四丁酯的正丁醇溶液(浓度为0.15mol/L)，用恒压滴液漏斗缓慢滴入反应体系中。滴加完毕后，保持恒温，在机械搅拌作用下继续反应8小时。反应完毕后，利用磁场将产物分离，并用无水乙醇洗涤数遍，最后分散在无水乙醇中冷藏保存。产物的比饱和磁化强度为22.8emu/g。

实施例4

PS/Fe₃O₄/TiO₂磁性复合微球的制备(方法二)

将0.0542g来自参考实施例5的磁性复合微球超声分散在55mL正丁醇/乙醇溶液(V/V＝10∶1)中，加入0.5mL去离子水，水浴恒温40℃。将5mL钛酸四丁酯的正丁醇溶液(浓度为0.15mol/L)，用恒压滴液漏斗分三次(每次滴加三分之一的量)缓慢滴加反应体系。每滴加完一份后，继续反应2小时。产物利用磁场分离，并用无水乙醇洗涤数遍，最后分散在无水乙醇中冷藏保存。该复合微球的透射电子显微照片如图2所示。

实施例5

PS/Fe₃O₄/Pt磁性复合微球的制备

将0.1515g柠檬酸二氢钠溶于15mL去离子水中，制得浓度为1wt％的柠檬酸二氢钠水溶液。将0.0624g K₂PtCl₆溶于1mL去离子水中，制得质量百分比浓度为5wt％的K₂PtCl₆溶液，然后将0.2g来自参考实施例7的磁性复合微球分散其中。再将此分散体系转移至装有85mL去离子水的四口烧瓶中，通氮气保护，机械搅拌，水浴加热。当温度升至80℃后，将上述柠檬酸二氢钠溶液加入反应体系中。恒温1小时后，加入0.25mL甲醇，回流30分钟。停止加热，令体系自然冷却至室温。利用磁场将产物分离，并用无水乙醇洗涤数遍，最后分散在无水乙醇中冷藏保存。

Claims (2)

1.一种具有功能化壳层的夹心结构磁性复合微球，其中所述内核是聚苯乙烯微球，所述微球的特征为粒径单分散且粒径在0.05～20μm范围内；中间层是磁性纳米Fe₃O₄粒子；外层是选自无机材料的功能化壳层，所述无机材料选自SiO₂、TiO₂或Pt。

2.一种制备如权利要求1所述磁性复合微球的方法，包括以下步骤：

1)制备具有核壳结构的磁性高分子复合微球；

2)将来自步骤1)的具有核壳结构的磁性高分子复合微球作为初始材料，在其上包覆功能化壳层，所采用的包覆方法是吸附沉积法、聚合反应、溶胶-凝胶法或液相化学还原法。

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