对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球及制备方法

摘要

本发明属于对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球及制备方法；利用功能型RAFT试剂，通过RAFT活性聚合制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物，以表面带负电荷的二氧化硅微球为核，以含有PDMAEMA链段的聚合物纳米胶束为壳，利用胶束表面带正电荷的PDMAEMA链段与带负电荷的二氧化硅微球之间的静电吸附组装并键合而成；本发明制备过程条件温和，操作简单，原料易得，适合大规模工业生产。比用传统物理吸附方法制备的核-壳型覆盆子状复合微球更加稳定。当外部的温度或pH值发生变化时，核-壳型覆盆子状智能复合微球的粒径和水分散性会发生变化，在表面改性、药物或催化剂载体等领域具有很好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于有机无机杂化多功能材料领域，涉及一种对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子 状智能复合微球及制备方法。

背景技术

环境敏感性高分子材料是指对环境有可感知及可响应性的一类智能型材料，它们能够对 外界环境的各种类型的刺激信号(温度、pH值、离子强度、光电磁等)产生可逆或不可逆的物 理性质和(或)化学结构的改变。这种独特的功能，可用于制备功能可调控的智能材料，在多 种场合，如药物可控释放、基因传输、生物分离、蛋白质纯化等领域得到了广泛应用。

尽管如此，随着现代科学技术的日新月异，对材料提出了日益广泛和苛刻的要求。由于 受到低强度、易燃烧、高低温稳定性差等诸多缺点的制约，单一高分子智能材料已难于满足 社会的需要。由于既具备有机材料的易加工性、韧性以及生物相容性，又具有无机材料的刚 性、磁性能与光电性能等特殊性能，有机-无机复合材料越来越受到人们的关注。特别是核- 壳型有机-无机复合微球，这类材料不单单具有单一超细粒子所具有的表面效应、体积效应及 量子尺寸效应外，往往还可以复合协同多种功能，因而可望广泛应用于制备各种功能材料。 最近十年，核-壳型覆盆子状复合微球引起了人们极大的关注。相比较表面光滑的核-壳型有 机-无机复合微球，覆盆子状结构复合微球具有粗糙的表面、比表面积较高、光散射性能等特 性；基于这些性能，这类覆盆子状结构复合微球可以用来构筑超疏水和超亲水表面、药物或 催化剂载体以及制作光学器件等。目前为止，已有部分文献报道了的不同功能的核-壳型覆盆 子状结构复合微球的制备和应用，但是还未见环境敏感的，如对环境温度、pH值变化具有响 应性能的核-壳型覆盆子状智能复合微球的研究和报道。开发工艺简单、成本低廉的制备环境 敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球的新工艺或方法，对于拓宽高分子智能材料和核-壳型 复合微球的应用范围，理解有机无机复合胶粒的基本科学概念等具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过程简单可控、反应条件温和、原料价廉易得、重复性好， 易于大规模生产的制备温度/pH双敏感的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型（表示以二氧化 硅微球为核、以聚合物纳米粒为壳的核-壳型复合微球）覆盆子状智能复合微球及制备方法。 制备的核-壳型覆盆子状智能复合微球粒径均匀可控、形貌完整、核-壳型覆盆子状结构稳定。

聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）是一种典型的具有温度/pH双敏感的功 能性高分子，含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物在水中能够自组装成PDMAEMA为臂 的纳米胶束。本发明基于含PDMAEMA链段的纳米胶束和二氧化硅微球之间的静电吸附组装， 提供一种过程可控、工艺简单的制备温度/pH双敏感的二氧化硅聚合物纳米胶束核-壳型覆 盆子状智能复合微球及方法。由于含PDMAEMA链段的纳米胶束和二氧化硅微球之间通过共 价键链接，比用传统物理吸附方法制备的核-壳型覆盆子状复合微球更加稳定，有望用来构筑 可智能调控的超疏水和超亲水表面、药物和催化剂载体以及制作智能光学器件等。

本发明的技术方案如下：

一种对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球，以二氧化硅微球为核，以吸附 键合在硅球表面的含PDMAEMA链段的纳米胶束为壳的核-壳型覆盆子状智能复合微球。

本发明的对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球的制备方法，其特征是步骤 如下：

（1）利用功能型RAFT试剂，通过RAFT活性聚合制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌 段聚合物，并在水溶液中，通过两亲性嵌段聚合物的自组装，制备表面含有 PDMAEMA链段纳米胶束；

（2）以表面带负电荷的二氧化硅微球为核，以含有PDMAEMA链段的聚合物纳米胶束为 壳，利用胶束表面带正电荷的PDMAEMA链段与带负电荷的二氧化硅微球之间的静 电吸附，组装成二氧化硅聚合物纳米粒的核-壳结构；

（3）通过聚合物胶束表面PDMAEMA链段末端上的可键接基团与硅球表面羟基之间的 键合反应，得到本发明所述的核-壳型覆盆子状智能复合微球。

本发明的含有PDMAEMA的两亲性聚合物，为能够在水溶液中自组装为球形纳米胶束的、 含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段共聚物。

所述的PDMAEMA的两亲性聚合物优选包括聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙 酯、聚丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯或聚甲基丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸-N,N- 二甲氨基乙酯。

所述含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物的纳米胶束的粒径为50～200nm。

所述的二氧化硅微球粒径为300nm～2μm。

所述的二氧化硅微球为法制备的表面带负电荷的二氧化硅微球。

本发明典型的制备方法，步骤如下：

（1）将直径为300nm～2μm的二氧化硅微球分散到水或乙醇中，制备浓度为10～100 mg/mL二氧化硅微球分散液；

（2）利用Z基团含有三甲氧基硅烷基团的RAFT试剂，通过RAFT活性聚合制备含有 PDMAEMA链段的两亲性嵌段共聚物，通过嵌段聚合物的在水中自组装的机理制备50～200 nm的纳米胶束；

（3）通过向分散有含PDMAEMA链段纳米胶束的水溶液中，滴加盐酸调节体系pH值为 4.0～5.0，搅拌平衡2～4h后，滴加氢氧化钠稀溶液调节体系pH值为7.5～9.5之间，随后在磁 力搅拌下，滴加二氧化硅微球分散液，搅拌平衡4～24h，经离心、水洗、醇洗后除去过量 聚合物胶束，将所得沉淀在100～120°C下反应0.5～2h，得到核-壳型覆盆子状智能复合微 球；体系中聚合物胶束与硅球的质量比为5～10：1；

本发明的技术说明如下：

本发明的技术方案是以法制备的表面带负电荷的二氧化硅微球为核，以含有 PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物在溶液中自组装形成的纳米胶束为壳，利用带正电荷的 PDMAEMA链段与带负电荷的二氧化硅微球之间的静电吸附，组装成二氧化硅聚合物纳米 粒核-壳结构，最后，通过聚合物胶束表面PDMAEMA链段末端上的可键接基团（三甲氧基硅） 与硅球表面羟基之间的键合反应，得到以二氧化硅微球为核，以吸附键合在硅球表面的含 PDMAEMA链段的纳米胶束为壳的核-壳型覆盆子状智能复合微球。

利用RAFT聚合技术制备含有PDMAEMA链段的、不同分子量的两亲性嵌段聚合物及相应 的聚合物胶束。RAFT聚合利用一种结构为Z-C(=S)-S-R的RAFT试剂，可以非常方便的制备分 子量和分子分布可控的嵌段聚合物，已经得到了广泛的研究和应用。本发明特征在于所用的 RAFT试剂的Z基团含有三甲氧基硅烷基团。该RAFT试剂为三甲氧基硅基丙基三硫代羰基苄 基酯（BTPT）。BTPT这种RAFT试剂，与常见的RAFT试剂不同，它的Z基团含有三甲氧基硅 烷基团，可与硅球表面羟基发生键接反应。以BTPT为RAFT试剂，通过RAFT活性聚合技术制 备含有PDMAEMA链段的、不同分子量的两亲性嵌段聚合物，如聚苯乙烯-聚甲基丙烯酸-N,N- 二甲氨基乙酯(PSt-PDMAEMA)，聚丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯 (PMA-PDMAEMA)，聚甲基丙烯酸甲酯-聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯 (PMMA-PDMAEMA)等任何能够在水溶液中自组装为球形纳米胶束的、含有PDMAEMA链段 的两亲性嵌段共聚物。通过嵌段聚合物的在水中自组装的机理制备50～200nm的纳米胶束。

本发明中，BTPT的制备按照文献：Macromol.Symp.2009,275(1):1-12.本发明中，涉及 到含有PDMAEMA链段的、不同分子量的两亲性嵌段聚合物是以BTPT为RAFT试剂，通过 RAFT聚合来制备。RAFT聚合既具有普通自由基聚合的优点，适用单体范围广，聚合条件温 和，而且可以通过多种方式实施。同时RAFT聚合还具有阴离子活性聚合的优点，可以合成指 定分子量和窄分子量分布的聚合物、带特殊端官能团或侧官能团聚合物。此外，RAFT聚合的 制备的聚合物链绝大部分带有双硫代醋基。这些聚合物实际上也是大分子RAFT试剂，当加入 第二单体时，再次开启RAFT聚合过程制备特定分子量和链段结构的嵌段共聚物。近十多年来， RAFT聚合取得了巨大的进展，已经被广泛应用于制备分子量、分子量分布、结构、链长和链 长分布可控的嵌段聚合物。RAFT聚合技术也已经被广泛地应用于制备含有PDMAEMA链段 的、不同分子量的两亲性嵌段聚合物。

本发明中，尺寸均匀、结构稳定的、纳米/微米尺度的二氧化硅微球是通过法制备的； 或按照如下文献：J.Colloid Interface Sci.,1968,26,62-69.J.Colloid Interface Sci.1996,180, 237–241.J.Phys.Chem.C2009,113,3168–3175；法以正硅酸乙酯为原料，以乙醇或醇/ 水混合体为介质，通过氨水催化水解和凝聚制备出单分散二氧化硅颗粒。法是最为经典 的制备二氧化硅球的方法，在合成多尺度可调的规整硅球上得到了广泛的应用。

本发明通过调节反应体系的pH值，使二氧化硅微球和含有PDMAEMA链段纳米胶束带有 相反电荷，产生静电相互作用，形成组装体，随后通过聚合物胶束表面PDMAEMA链段末端 上的可键接基团（三甲氧基硅）与硅球表面羟基之间的键合反应，使复合微球的核-壳之间产 生共价键链接，结构非常稳定。

本发明的制备工艺的有如下优点：

1、通过调节体系中pH值，使含PDMAEMA链段的纳米胶束带正电荷，法制备的二 氧化硅微球表面带负电荷，静电吸附组装，制备过程条件温和，操作简单，原料易得、过程 安全环保，易于控制，适合于大规模工业化生产。

2、该方法制备的核-壳型覆盆子状智能复合微球的尺寸、结构和形貌取决于先行用法制备的二氧化硅微球和聚合物胶束的大小，可以通过调节二者的粒径大小，制备出从纳米 到微米尺度的各种复合微球。

3、该方法所制备的核-壳型覆盆子状智能复合微球的壳层（聚合物胶束）和核层（二氧化 硅微球）之间是通过共价键链接，比用传统物理吸附组装方法制备的核-壳型覆盆子状复合微 球更加稳定。

4、该方法所制备的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状智能复合微球，外层为含 PDMAEMA链段的纳米胶束，对外部的温度和pH值具有智能响应性能。当外部的温度或pH 值发生变化时，核-壳型覆盆子状智能复合微球的粒径和水分散性会发生变化。

5、所制备的复合微球，其核-壳之间通过共价键链接，不但结构非常稳定，且能够感知环 境中温度和pH值的变化而发生智能性响应，可以用于构筑智能可调的超疏水和超亲水表面、 药物或催化剂载体以及制作光学器件等等诸多领域。

附图说明

图1.制备工艺示意图；

图2.实施例1中PSt-PDMAEMA嵌段聚合物在水中自组装形成的纳米胶束的透射电镜照片；

图3.实施例1中法制备的单分散二氧化硅微球的透射电镜照片；

图4.实施例1中二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状智能复合微球的透射电镜照片。

具体实施方式

通过下述实施例有助于理解本发明，但并不限制本专利的发明内容。

实施例1：以PSt-PDMAEMA自组装胶束为壳层的核-壳型覆盆子状复合微球

通过RAFT活性聚合技术制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物：以BTPT为 RAFT试剂，偶氮二异丁氰(AIBN)为引发剂，以苯乙烯为单体，以四氢呋喃(THF)为溶剂。其 中，单体、RAFT试剂和引发剂的摩尔比选取为100:5:1，置于60℃水浴中通过RAFT活性聚 合制备分子量约为两千的PSt大分子RAFT试剂，随后以所制备的PSt为RAFT，AIBN为引 发剂，THF溶剂，按照上述类似过程制备分子量约为五千的PSt-PDMAEMA两亲性嵌段聚合 物。随后，称取0.1g PSt-PDMAEMA嵌段物完全溶解于5mL THF中，然后将聚合物溶液逐 滴滴入100mL的去离子水中，滴加完毕后室温继续搅拌12h，并使THF完全挥发，得到分 散有PSt-PDMAEMA自组装胶束的水溶液，纳米胶束粒径约为50～60nm，如图2所示。

利用法制备单分散的粒径为300nm的二氧化硅微球：在100mL烧杯中将4.16g正 硅酸乙酯和50mL的无水乙醇混合，搅拌均匀，再在另一个100mL烧杯中将25g去离子水和10 mL的浓氨水（质量分数约为28%）、20mL的无水乙醇混合均匀，磁力搅拌下，将正硅酸乙酯 的稀溶液加入到氨水溶液中，滴加完毕后继续室温搅拌反应3h，离心，将上层溶液倒掉，用 去离子水和乙醇洗涤，真空干燥，得到粒径为300nm的硅球。将上述制备的硅球分散到乙醇 中，配成10mg/mL二氧化硅微球分散液，如图3所示。

制备二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球：向分散有表面为PDMAEMA链 段的纳米胶束水溶液中滴加盐酸调节体系pH值约为4.0，搅拌平衡2h后，滴加氢氧化钠稀溶 液调节体系pH值为7.5，随后在磁力搅拌下，滴加二氧化硅微球分散液，体系中聚合物胶束与 硅球的质量比约为5：1；搅拌平衡4h，经离心、水洗、醇洗后除去过量聚合物胶束，将所得 沉淀在100°C下反应0.5h，即得到本发明所述的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复 合微球，如图4所示。

二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH值的响应行为：用动态 光散射研究所制备的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH值的响 应行为。在室温下，二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球水分散液为澄清透明 的，复合微球的粒径约为370～400nm；通常在300nm硅球，外面有一层聚合物胶束，胶束的 粒径虽然只有50nm，但是在溶液中有自然伸展开的PDMAEMA链段，因此试剂复合微球粒径 约为370～400nm。当温度上升到40°C时，复合微球的粒径缩小为300～310nm，温度降到室 温时，复合微球的粒径恢复到约为400nm。这说明，本发明所制备的二氧化硅聚合物纳米 粒核-壳型覆盆子状复合微球具有温度敏感性。对所制备的复合微球pH值敏感性能的研究，也 发现了类似规律，复合微球水分散液的pH低于9.8时，复合微球水分散液为澄清透明的，复合 微球的粒径约为400nm；当其pH高于9.8时，复合微球的粒径变小。

实施例2：以PMMA-PDMAEMA自组装胶束为壳层的核-壳型覆盆子状复合微球

通过RAFT活性聚合技术制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物：以BTPT为 RAFT试剂，AIBN为引发剂，以甲基丙烯酸甲酯为单体，以THF为溶剂。其中，单体、RAFT 试剂和引发剂的摩尔比选取为2000:5:1，置于70℃水浴中通过RAFT活性聚合制备分子量约 为四万的PMMA大分子RAFT试剂，随后以所制备的PMMA为RAFT试剂，AIBN为引发 剂，THF溶剂，按照上述类似过程制备分子量约为十万的PMMA-PDMAEMA两亲性嵌段聚 合物，并用上述类似方法制备分散有PMMA-PDMAEMA自组装胶束的水溶液，纳米胶束粒 径约为170～200nm。

随后，利用改进法制备单分散的粒径为1.7～2μm二氧化硅微球。将0.09g十二烷基 硫酸钠溶解于15g的氨水溶液中，将3.01g TEOS溶于与水溶液等量的混合醇（乙醇：异丙醇 =1:4）中，将两者在室温下混合，并剧烈搅拌，转速大于600rpm，1min后降低搅拌速度，转 速小于200rpm，反应时间20h。离心，将上层溶液倒掉，用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥， 得到粒径为1.7～2μm的硅球。将上述制备的硅球分散到乙醇中，配成100mg/mL二氧化硅微球 分散液。随后，在磁力搅拌下，将所制备的二氧化硅微球分散液滴加到上述分散有粒径为 170～200nm的聚合物胶束的水溶液中，聚合物胶束与硅球的质量比约为8：1，搅拌平衡8h， 经离心、水洗、醇洗后除去过量聚合物胶束，将所得沉淀在110°C下反应1h，即得到本发明 所述的微米级的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球。

二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH值的响应行为：用动态光 散射研究所制备的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH值的响应 行为。在室温下，二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球水分散液中复合微球的 粒径约为2.0～2.1μm当温度上升到47°C时，复合微球的粒径缩小为1.7～2μm，温度降到室温 时，复合微球的粒径恢复到约为2.0～2.1μm。这说明，本发明所制备的二氧化硅聚合物纳 米粒核-壳型覆盆子状复合微球具有温度敏感性。所制备的复合微球对pH值的变化也具有敏感 性能，复合微球水分散液的pH低于9.0时，复合微球的粒径约为2.0～2.1μm；当其pH高于9.0 时，复合微球的粒径变小为1.7～2μm。

实施例3：以PMA-PDMAEMA自组装胶束为壳层的核-壳型覆盆子状复合微球

通过RAFT活性聚合技术制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物：以BTPT为 RAFT试剂，AIBN为引发剂，以丙烯酸甲酯为单体，以THF为溶剂。其中，单体、RAFT 试剂和引发剂的摩尔比选取为1000:5:1，置于80℃水浴中通过RAFT活性聚合制备分子量约 为两万的PMA大分子RAFT试剂，随后以所制备的PMA为RAFT试剂，AIBN为引发剂， THF溶剂，按照上述类似过程制备分子量约为四万的PMA-PDMAEMA两亲性嵌段聚合物， 并用上述类似方法制备分散有PMA-PDMAEMA自组装胶束的水溶液，纳米胶束粒径约为 80～100nm。

随后，利用法制备单分散的700～800nm二氧化硅微球。在100mL烧杯中将8.2g正 硅酸乙酯和30mL的无水乙醇混合，搅拌均匀，再在另一个100mL烧杯中将25g去离子水和12 mL的浓氨水（质量分数约为28%）、20mL的乙醇和丙醇（1:1）的混合溶液混合均匀，磁力搅 拌下，将正硅酸乙酯的稀溶液加入到氨水溶液中，滴加完毕后继续室温搅拌4h，离心，将上 层溶液倒掉，用适量去离子水和乙醇洗涤，真空干燥，得到粒径为700～800nm的硅球。将 上述制备的硅球分散到乙醇中，配成50mg/mL二氧化硅微球分散液。随后，在磁力搅拌下， 将所制备的粒径为700～800nm的二氧化硅微球分散液，滴加到上述分散有粒径为80～100nm 的聚合物胶束的水溶液中，聚合物胶束与硅球的质量比约为10：1，搅拌平衡12h，经离心、 水洗、醇洗后除去过量聚合物胶束，将所得沉淀在110°C下反应2h，即得到本发明所述的二 氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球。

二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH值的响应行为：在室温 下，二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球水分散液中复合微球的粒径约为 850～900nm，当温度上升到43°C时，复合微球的粒径缩小为800nm，温度降到室温时，复 合微球的粒径恢复到900nm。所制备的复合微球对pH值的变化也具有敏感性能，复合微球 水分散液的pH低于9.0时，复合微球的粒径约为850～900nm；当其pH高于9.0时，复合微球的 粒径变小为800nm。

实施例4：以PSt-PDMAEMA自组装胶束为壳层的核-壳型覆盆子状复合微球

按照实施例1，通过RAFT活性聚合技术制备含有PDMAEMA链段的两亲性嵌段聚合物 PSt-PDMAEMA以及对应的粒径约为50～60nm纳米胶束。随后按照实施例3制备粒径为 700～800nm的二氧化硅微球。向分散有表面为PDMAEMA链段的纳米胶束水溶液中滴加盐 酸调节体系pH值为5.0，搅拌平衡3h后，滴加氢氧化钠稀溶液调节体系pH值为7.5，随后 在磁力搅拌下，滴加二氧化硅微球分散液，体系中聚合物胶束与硅球的质量比约为4：1；搅 拌平衡24h，经离心、水洗、醇洗后除去过量聚合物胶束，将所得沉淀在120°C下反应1h， 即得到本发明所述的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球。用动态光散射研究 所制备的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球在不同温度或pH值环境中粒径 的变化，结果表明所制备的二氧化硅聚合物纳米粒核-壳型覆盆子状复合微球对温度和pH 值的响应能力。

本发明公开和提出的对温度/pH双敏感的核-壳型覆盆子状智能复合微球及制备方法，所 有材料、方法和制备技术，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料和工艺路线 等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员 明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组 合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人 员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。