一种超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料及其制备方法和用途

摘要

本发明公开了一种超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料及其制备方法和用途；其中聚合物纳米缓释材料的原料包括单体A、单体B、双官能团交联剂、引发剂、催化剂及配体；其中单体A、单体B、双官能团交联剂、引发剂、催化剂及配体的摩尔比为(30-50)∶(20-90)∶(0.8-1)∶1∶1∶2。本发明聚合物纳米缓释材料具有尺度可控、合成方便、无需自组装、客体物质装载量较大、适合大量生产、低毒、可引入多种官能团等特点及优点。本发明聚合物纳米缓释材料具有较高的装载能力和较好的稳定性。本发明聚合物纳米缓释材料可以用于非水溶性活性物质的装载和缓释。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种缓释材料，具体地说是一种超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料及其制备方法和用途。

二、背景技术

聚合物纳米材料(包括胶体粒子、交联胶体以及纳米胶等)备受关注。他们可以应用于很多领域，比如，药物的缓释(B.G.De Geest,et al.Chem.Soc.Rev.2007,36,636；A.I.Petrov,etal.Macromolecules 2003,36,10079；T.BShutava,et al.Macromolecules 2005,38,2850；D.E.Discher,et al.Prog.Polym.Sci.2007,32,838；S.P.Armes,et al.Macromol.Rapid Commun.2009,30,267；F.H.Meng,et al.Biomacromolecules 2009,10,197；J.M.J.Fréchet et al.J.Am.Chem.Soc.2004,126,11936)，传感器(C.W.Zhao,et al.Macromol.Rapid.Commun.2008,29,1810；D.Roy,et al.Chem.Commun.2009,2106)等。聚合物纳米材料一般由多步合成，乳液聚合，自组装技术等所制备。

虽然现有技术中已经报道了若干聚合物纳米材料的制备方法，但这些方法都有各自的缺陷。例如，树枝状聚合物的合成步骤多，纯化困难，从而导致其成本相当高；纳米胶体不稳定(胶体会随着环境的变化解离)，装载及释放活性物质的能力相对较弱，并且不适于大规模生产；交联的胶体和聚合物纳米胶由于高度交联的结构限制了它们的装载能力；乳液聚合很难制备功能性聚合物纳米材料，同时所得的纳米材料装载及释放活性物质的能力也比较弱。这些缺陷严重的限制了他们在相关领域的应用。进一步来说，自组装制备聚合物纳米耗时长、不利于扩大化生产。

总之，考虑到他们在相关领域的应用，制备稳定、高装载能力的聚合物纳米以及克服自组装技术的缺陷是个很大的挑战。

另一方面，在农药领域，为使绝大多数非水溶性原药便于施用，实际中使用大量的有机溶剂(乳油剂型)和表面活性剂(可湿粉、颗粒剂型等)等助剂使其分散于水中。使用这些有机溶剂和表面活性剂时存在原药分散性差、使用效率低下等不足之处。同时，它们毒性较高并不易挥发、对土壤(包括土壤本身，其中的微生物，及作物等)及环境会产生长期不利影响。农药的长期大量与低效施用，不仅对生物及人体健康构成了严重威胁，也导致了生态系统的结构和功能的破坏。

如何制备原药分散效果好、使用效率较高、毒性较低、对土壤及环境污染较小的新型助剂及其配合农药，克服目前缺陷是很大的挑战。对于缓解我国当前的农药残留与环境污染，保障国家粮食、食品与生态安全，促进农药产业的可持续发展具有重要意义。

三、发明内容

本发明旨在提供一种超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料及其制备方法和用途，所要解决的技术问题是提高聚合物纳米缓释材料的稳定性以及装载能力，简化其制备过程。

本发明聚合物纳米缓释材料是基于活性自由基聚合(Living Radical Polymerization)制备得到的，可以应用于农药原药等非水溶性活性物质的有效装载和缓释。

本发明超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料的原料包括单体A、单体B、双官能团交联剂、引发剂、催化剂及配体；其中单体A、单体B、双官能团交联剂、引发剂、催化剂及配体的摩尔比为(30-50)∶(20-90)∶(0.8-1)∶1∶1∶2，需严格控制双官能团交联剂的添加量，当双官能团交联剂的摩尔比率大于1时，整个体系会交联，不能得到可以溶解于溶剂的超支化聚合物。

所述单体A为适用于原子转移自由基聚合(ATRP)的两亲性聚合物的单体，选自聚乙二醇甲基丙烯酸酯或聚乙二醇丙烯酸酯，所述聚乙二醇甲基丙烯酸酯的数均分子量≤500；所述聚乙二醇丙烯酸酯的数均分子量≤500。

所述单体B为适用于原子转移自由基聚合(ATRP)的非水溶性聚合物的单体，选自甲基丙烯酸酯类单体、丙烯酸酯类单体或苯乙烯类单体，如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯或苯乙烯。

所述双官能团交联剂选自乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯或二乙烯基苯；其中聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的数均分子量≤800，聚乙二醇二丙烯酸酯的数均分子量≤800，优选EGDMA。

所述引发剂为原子转移自由基聚合的引发剂，如异溴丁酸乙酯(EBriB)。

所述催化剂为原子转移自由基聚合的铜类催化剂，如溴化亚铜(CuBr)。

所述配体为原子转移自由基聚合的催化剂配体，如五甲基二乙烯三胺(PMDETA)。

本发明超轻度交联超支化结构聚合物纳米缓释材料的制备方法，包括如下步骤：

将单体A、催化剂及配体加入溶剂中，经冷冻-抽真空-充氮过程除去氧气，再加入引发剂，在氮气保护下于75℃反应至单体A的转化率达到90-95％；接着加入已预先除氧的单体B和双官能团交联剂，在氮气保护下于75℃反应至单体B的转化率达到90-95％时终止反应；反应液移除残留催化剂之后，加入正己烷或石油醚中沉降并真空干燥得到超轻度交联超支化聚合物。反应中，各单体的转化率用核磁测定，所述溶剂为苯甲醚，溶剂的体积为单体A体积的两倍。

将制备的超支化聚合物溶于200-2000倍体积的THF中，水相透析(3000-10000g/mol Mwcut-off透析膜)后得到透明的聚合物纳米缓释材料的水相分散液。透析目的在于测定纳米颗粒原始尺寸，即装载前的尺寸。

将得到的聚合物纳米缓释材料的水相分散液直接用于动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)分析并确认纳米颗粒的存在及尺寸。

本发明超支化聚合物纳米缓释材料是通过原子转移自由基聚合(ATRP)得到的，该聚合过程属于活性自由基聚合，能够得到结构可控的超支化聚合物。

本发明首先以单体A为第一单体，合成单体A的均聚物，然后加入单体B作为第二单体合成嵌段共聚物，在共聚的过程中通过严格控制用量的双官能团交联剂的作用得到超轻度交联超支化聚合物。本发明整个聚合过程采用核磁监控。分子量和分子量分布采用凝胶渗透色谱法(GPC)测定。

基于聚合物纳米颗粒的超轻度交联超支化结构，本发明聚合物纳米颗粒很稳定，不会随环境变化而解体(相对于聚合物的胶束，聚合物的胶束会随环境变化如温度、浓度、酸碱度等而解体)，同时具有较高的装载能力(相对于高度交联的聚合物微米、纳米胶)。

为测试本发明的聚合物纳米颗粒的毒性，发明人进行了经口LD50毒性测试。LD50结果为>5000mg/Kg。鉴定结果为低毒至无毒。

本发明制得的聚合物纳米颗粒非常稳定，同时有较高的客体分子装载能力，可以用于如农药原药、染料等多种不同客体分子的缓释。作为代表，发明人实现了阿维菌素、丙溴磷、油红O的装载及相关缓释。

阿维菌素的装载：

将本发明超支化聚合物和阿维菌素共同溶于50ml THF中，阿维菌素的质量为超支化聚合物质量的10％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得透明的装载10％阿维菌素的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

丙溴磷的装载与缓释：

将本发明超支化聚合物和丙溴磷共同溶于50ml THF中，丙溴磷的质量为超支化聚合物质量的10-30％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得装载10-30％丙溴磷的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

将聚合物纳米水分散液放入透析袋(7000g/mol Mw cut-off)中，接着将透析袋放入1000ml水中，以测定丙溴磷的释放。在测试过程中，采用氯仿萃取水相，浓缩并用于气相色谱分析，以检测释放量。结果显示80％的丙溴磷经过60天被缓释出来，缓释速率均匀。

在丙溴磷的装载与缓释过程中，因透析过程较长，且透析过程中会有部分丙溴磷在制备聚合物纳米颗粒的过程中就被释放出来，为使测试结果准确，故采用蒸除THF的方法制备水相分散液，以确保缓释数据准确。

油红O的装载：

将本发明超支化聚合物和油红O共同溶于50ml THF中，油红O的质量为超支化聚合物质量的20％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得透明的装载20％油红O的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过简单的透析方法制备聚合物纳米缓释材料，不需要自组装，省时并可扩大化生产。

2、本聚合物纳米材料结构特殊，非常稳定，不会随外界环境和条件的变化而解体。

3、相对于高度交联的聚合物微米或纳米胶，本发明聚合物纳米缓释材料具有较高的装载能力，最大装载量可达30％。

4、本聚合物纳米材料的纳米尺寸可控，毒性较低甚至无毒(LD50大于5000mg/Kg)。

5、本发明聚合物纳米缓释材料能够很好的实现活性分子的装载与缓释，可应用于例如农药(原药的有效装载及水相均匀分散)、日化及个人护理(如染料、香料及其他活性客体分子的缓释)、生物医药(药物的缓释)、土壤处理和环境保护(活性物质或有害物质的释放和吸收，如水处理)等领域。

四、附图说明

图1是本发明聚合物纳米缓释材料的制备流程图。本发明首先以聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)为第一单体，通过原子转移自由基聚合(ATRP)首先得到均聚物，不终止反应，直接再加入甲基丙烯酸特丁酯(tBMA)作为第二单体合成嵌段共聚物，在共聚的过程中通过双官能团交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)的共聚作用得到超支化聚合物。将合成的超支化聚合物通过简单透析得到聚合物纳米颗粒。

图2是本发明制备的BCP1、BCP2、BCP3和BCP4聚合物纳米颗粒的DLS曲线。从图2可以看出所制得的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸分布较窄。

图3是本发明BCP1的TEM照片，图3中的标尺为500nm。从图3可以看出所制得的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸约为60纳米。

图4是本发明BCP2的TEM照片，图4中的标尺为500nm。从图4可以看出所制得的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸约为70-80纳米。

图5是聚合物纳米缓释材料装载10％阿维菌素的水分散液(右侧试管)，以及将阿维菌素直接放入水中的对比(左侧试管)。可见阿维菌素不溶于水，但经聚合物纳米缓释材料装载后可以纳米尺寸均匀分散并稳定于水中。

图6是聚合物纳米缓释材料装载10％阿维菌素的水分散液的DLS。从图6可以看出所制得的已装载10％阿维菌素的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸分布较窄。

图7是聚合物纳米缓释材料装载30％丙溴磷的水分散液(中间两个试管)、将丙溴磷直接放入水中(最左侧试管)、和采用聚合物纳米装载尼罗红(一种红色染料)的对比。可见丙溴磷不溶于水，但经聚合物纳米缓释材料装载后可以纳米尺寸均匀分散并稳定于水中。

图8是聚合物纳米缓释材料装载30％丙溴磷的水分散液的DLS。从图8可以看出所制得的已装载30％丙溴磷的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸分布较窄。

图9本发明聚合物纳米缓释材料对丙溴磷的水相缓释曲线。从图9可以看出丙溴磷能很好地被从此聚合物纳米中缓释出来，缓释速率均匀，80％的丙溴磷可经过60天缓释出来。

图10是本发明聚合物纳米缓释材料装载20％油红O的水分散液(右侧小瓶)，以及将油红O直接放入水中(中间小瓶)的对比，左侧小瓶是纯的油红O。可见油红O不溶于水，但经聚合物纳米缓释材料装载后可以纳米尺寸均匀分散并稳定于水中。

图11是本发明聚合物纳米缓释材料装载20％油红O的水分散液的DLS。从图11可以看出所制得的已装载20％油红O的聚合物纳米颗粒较均匀，尺寸分布较窄。

五、具体实施方式

材料及表征：

本发明所有原料均为市购，其中甲基丙烯酸特丁酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯使用前先经过中性氧化铝柱以除去阻聚剂，其它原料可直接使用。

核磁使用Bruker AC 400仪器，GPC使用Waters公司产品。DLS仪器为Malvern Nano-SDLS。TEM为Tecnai Spirit transmission electron microscope(TecnaiG212)，加速电压110kv。

因本发明所合成的超支化聚合物由若干条几近相同的聚合物链通过双官能团交联剂联接起来，而形成超支化聚合物后的分子量是无法测量的(目前国内不具备该检测设备)，故为表明本发明超支化聚合物的内在结构，以其中一条聚合物链的结构为代表命名，简记为P(OEGMAx/tBMAy)，其中x表示超支化聚合物中每一条聚合物链所含有聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA)的数均分子量，y表示超支化聚合物中每一条聚合物链所含有tBMA的聚合度。

实施例1：P(OEGMA₅₀/tBMA₂₇)

1、超支化聚合物的制备

异溴丁酸乙酯(65mg，0.33mmol)、溴化亚铜(47.8mg,0.33mmol)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA,5g,16.67mmol)、苯甲醚(10ml)被置于一个干燥的50ml Schlenk烧瓶中，液氮冷冻后抽真空-充氮反复三次除去氧气，接着用微量注射器加入五甲基二乙烯三胺(114.2mg,0.66mmol),接着Schlenk烧瓶被置入70℃的油浴中反应，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当OEGMA转化率达到90％时，加入已预先除氧的甲基丙烯酸特丁酯(1.42g,10mmol)，反应继续，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当PEGMA转化率达到90％时聚合被终止，将反应液通过中性氧化铝柱以移除残留催化剂之后，加入正己烷或石油醚中沉降并真空干燥得到超轻度交联超支化聚合物5.14g，简记为BCP1。

2、纳米缓释材料的制备

将步骤1制备的超支化聚合物溶解于THF中，质量体积比2.0mg/ml，水相透析8h(7000g/mol Mw cut-off透析膜)后得到透明的聚合物纳米颗粒的水相分散液。

将聚合物纳米颗粒的水相分散液可直接用于DLS和TEM分析。DLS测得的纳米尺寸为60nm，TEM测得的纳米尺寸为50至60nm。本发明制备的聚合物纳米颗粒是以PtBMA为核，POEGMA为壳的聚合物纳米颗粒。

实施例2：P(OEGMA₅₀/tBMA₄₅)

1、超支化聚合物的制备

异溴丁酸乙酯(65mg，0.33mmol)、溴化亚铜(47.8mg,0.33mmol)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA,5g,16.67mmol)、苯甲醚(10ml)被置于一个干燥的50ml Schlenk烧瓶中，液氮冷冻后抽真空-通氮反复三次除去氧气，接着用微量注射器加入五甲基二乙烯三胺(114.2mg,0.66mmol),接着Schlenk烧瓶被置入70℃的油浴中反应,，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当OEGMA转化率达到90％时，加入已预先除氧的甲基丙烯酸特丁酯(2.37,16.67mmol)，反应继续，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当PEGMA转化率达到90％时聚合被终止，将反应液通过中性氧化铝柱以移除残留催化剂之后，加入正己烷或石油醚中沉降并真空干燥得到超轻度交联超支化聚合物6.04g，简记为BCP2。

2、纳米缓释材料的制备

将步骤1制备的超支化聚合物溶解于THF中，质量体积比2.0mg/ml，水相透析8h(7000g/mol Mw cut-off透析膜)后得到透明的聚合物纳米颗粒的水相分散液。

将聚合物纳米颗粒的水相分散液可直接用于DLS和TEM分析。DLS测得的纳米尺寸为72nm，TEM测得的纳米尺寸为70至80nm。本发明制备的聚合物纳米颗粒是以PtBMA为核，POEGMA为壳的聚合物纳米颗粒。

3、阿维菌素的装载：

将步骤1制备的超支化聚合物2.0g和阿维菌素共同溶于50ml THF中，阿维菌素的质量为超支化聚合物质量的10％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得透明的装载10％阿维菌素的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

4、丙溴磷的装载与缓释：

将步骤1制备的超支化聚合物2.0g和丙溴磷共同溶于50ml THF中，丙溴磷的质量为超支化聚合物质量的10-30％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得装载10-30％丙溴磷的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

将装载丙溴磷的聚合物纳米水分散液放入透析袋(7000g/mol Mw cut-off)中，接着将透析袋放入1000ml水中，以测定丙溴磷的释放。在测试过程中，采用氯仿萃取水相，浓缩并用于气相色谱分析，以检测释放量。结果显示80％的丙溴磷经过60天被缓释出来，缓释速率均匀。

在丙溴磷的装载与缓释过程中，因透析过程较长，且透析过程中会有部分丙溴磷在制备聚合物纳米颗粒的过程中就被释放出来，为使测试结果准确，故采用蒸除THF的方法制备水相分散液，以确保缓释数据准确。

5、油红O的装载：

将步骤1制备的超支化聚合物2.0g和油红O共同溶于50ml THF中，油红O的质量为超支化聚合物质量的20％。在搅拌下缓慢滴加25mL蒸馏水，接着THF被完全蒸发，可得透明的装载20％油红O的聚合物纳米水分散液。存在及尺寸经DLS测定。

实施例3：P(OEGMA₅₀/tBMA₆₃)

1、超支化聚合物的制备

异溴丁酸乙酯(65mg，0.33mmol)、溴化亚铜(47.8mg,0.33mmol)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA,5g,16.67mmol)、苯甲醚(10ml)被置于一个干燥的50ml Schlenk烧瓶中，液氮冷冻后抽真空-充氮反复三次除去氧气，接着用微量注射器加入五甲基二乙烯三胺(114.2mg,0.66mmol),接着Schlenk烧瓶被置入70℃的油浴中反应,，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当OEGMA转化率达到90％时，加入已预先除氧的甲基丙烯酸特丁酯(3.31g,23.34mmol)，反应继续，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当PEGMA转化率达到90％时聚合被终止，将反应液通过中性氧化铝柱以移除残留催化剂之后，加入正己烷或石油醚中沉降并真空干燥得到超轻度交联超支化聚合物，简记为BCP3。经真空干燥后得到6.9g。

2、纳米缓释材料的制备

将步骤1制备的超支化聚合物溶解于THF中，质量体积比2.0mg/ml，水相透析8h(7000g/mol Mw cut-off透析膜)后得到透明的聚合物纳米颗粒的水相分散液。

将聚合物纳米颗粒的水相分散液可直接用于DLS和TEM分析。DLS测得的纳米尺寸为87nm。本发明制备的聚合物纳米颗粒是以PtBMA为核，POEGMA为壳的聚合物纳米颗粒。

实施例4：P(OEGMA₅₀/tBMA₈₁)

1、超支化聚合物的制备

异溴丁酸乙酯(65mg，0.33mmol)、溴化亚铜(47.8mg,0.33mmol)、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(OEGMA,5g,16.67mmol)、苯甲醚(10ml)被置于一个干燥的50ml Schlenk烧瓶中，液氮冷冻后抽真空-充氮反复三次除去氧气，接着用微量注射器加入五甲基二乙烯三胺(114.2mg,0.66mmol),接着Schlenk烧瓶被置入70℃的油浴中反应,，在反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当OEGMA转化率达到90％时，加入已预先除氧的甲基丙烯酸特丁酯(4.26g,30mmol)，反应继续，在反应反应过程中抽取样品作核磁以确定单体转化率，当PEGMA转化率达到90％时聚合被终止，将反应液通过中性氧化铝柱以移除残留催化剂之后，加入正己烷或石油醚中沉降并真空干燥得到超轻度交联超支化聚合物，简记为BCP4。经真空干燥后得到7.4g。

2、纳米缓释材料的制备

将步骤1制备的超支化聚合物溶解于THF中，质量体积比2.0mg/ml，水相透析8h(7000g/mol Mw cut-off透析膜)后得到透明的聚合物纳米颗粒的水相分散液。

将聚合物纳米颗粒的水相分散液可直接用于DLS和TEM分析。DLS测得的纳米尺寸为100nm。本发明制备的聚合物纳米颗粒是以PtBMA为核，POEGMA为壳的聚合物纳米颗粒。

实施例1-4中，经过简单的透析即可得到以PtBMA为核，POEGMA为壳的聚合物纳米颗粒。通过这种制备方法可以合成不同尺寸的纳米粒子，仅需要改变PtBMA的分子量。以实施例1-4中制备的纳米粒子的DLS数据为例，P(OEGMA₅₀/tBMA₂₇)纳米缓释材料的纳米尺寸为60nm，P(OEGMA₅₀/tBMA₄₅)纳米缓释材料的纳米尺寸为72nm，P(OEGMA₅₀/tBMA₆₃)纳米缓释材料的纳米尺寸为87nm，P(OEGMA₅₀/tBMA₈₁)纳米缓释材料的纳米尺寸为100nm。以上数据表明超支化聚合物中tBMA的聚合度越大，制得的纳米缓释材料的纳米尺寸也就越大，对于客体分子的装载量也就越大。反过来我们就可以根据客体分子所需要的装载量制备符合该装载量要求的一定纳米尺寸的纳米缓释材料。