单分散多孔聚合物纳米微囊的新型制备方法

摘要

本发明涉及一种单分散多孔聚合物纳米微囊的新型制备方法。所述的多孔聚合物纳米微囊以不同粒径的聚合物核微球和氨基修饰的二氧化硅冠微球通过自组装得到草莓型核-冠微球作为下一步聚合的模板，制备出核-壳型复合微球。通过刻蚀、透析得到多孔结构的聚合物微囊。所得微囊内部空腔为500～1500nm可控，壁上孔径为30～150nm可控，壁厚为20～100nm可控，特别是微囊尺寸呈单分散。本发明具有设备简单，操作可控，产品纯净、单分散、孔径均匀等特点。本发明的多孔聚合物微囊可以作为载体广泛应用于药物的控制释放、涂料、微反应器、选择性催化、复合材料以及分离等领域。而且在类细胞结构的构建、疾病的诊断和靶向治疗等方面也具有极其重要的价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单分散多孔聚合物纳米微囊的制备方法，尤其是囊壁厚度、空腔直径和孔 尺寸可控，属于有机多孔材料技术领域。

背景技术

随着人们对物质微观结构的认识日渐成熟，通过材料精细结构的构建以得到相应的宏观 性能已成为科学家们的共识。新型结构材料的开发和研制作为材料科学发展的基石，不仅推 动了基础研究的发展，而且对工业技术革新亦起着重要作用，其中结构有序、孔径大小均一 的多孔材料倍受关注。

在聚合物材料中，聚合物微囊由于其尺寸小、比表面积大、内部空腔体积大及结构稳定 的特性，可在诸多领域得到应用。聚合物微囊的制备及应用已成为当今高分子科学研究的热 点之一，应用领域涉及药物的控制释放、化妆品和染料、光敏组分的保护、催化剂、涂料、 复合材料以及填料等[Jiang P，Bertone J F，Colvin V L Science，2001，291，453；Jin R，Cao Y， Mirkin C A，Kelly K L，Schatz G C，Zheng J G. Science，2001，294，1901.]。为了得到较好的应用 效果，要求制备的微囊具有良好的稳定性、渗透性，同时又要能对微囊的大小、形态、壁厚进 行有效控制。而多孔聚合物微胶囊恰恰能很好的解决了普通聚合物微囊在渗透性和机械强度 上所遇到的矛盾。Weitz[Dinsmore A D，Hsu M F，Nikolaides M  G， Marquez M，Bausch A R Weitz  D A.Science，2002，298，1006.]等人详细报道了各尺寸、渗透性、机械强度、相容性可控的胶 囊在精确控制释放方面的应用。

多孔微胶囊的制备是近年来出现的一个新的研究领域。当今所采用的制备方法主要为乳 胶粒液面自组装法，即通过在乳液液滴界面的乳胶粒微球的有序自组装行为来制备聚合物中 空、多孔微球／胶囊，并利用交联法将微囊固定[Croll L M，Stover H D H，Hitchcock A P， Macromolecules，2005，38，2903.]。但是这种方法制备的多孔微囊，其尺寸比较大，一般都在 几十个微米以上，难以获得纳米尺度的产物。何晓东等[He X D，Ge X W，Liu H R，Wang M Z， Zhang Z C，Chem.Mater，2005，17，5891.]又将此方法改进，利用磺化聚苯乙烯微球在单体和水 的界面自组装，将微囊尺寸降至几个微米。但是经过深入研究，由于存在多重乳液聚合，这 种方法会同时得到几种不同尺寸的产物[Xueping Ge，Qiang Yuan，Hua Wang，Mozhen Wang， Xuewu Ge，Chem.Commun，2009，2765.]，不能得到单分散的聚合物微囊。那么，寻找一种稳 定而有易于控制的方法，制备得到单分散纳米级的多孔微胶囊具有非常重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种拥有多孔结构的聚合物微囊的制备方法。这种方法采用草莓型 的核-冠微球作为模板，制备囊壁厚度、空腔直径和孔尺寸可控且均一的单分散多孔聚合物纳 米微胶囊，其中囊壁的组成可以有多种选择，从而使材料具备不同的功能特性和应用前景， 例如温度敏感、pH值敏感、亲水、疏水和荧光等特性的多孔聚合物微囊。较大的孔尺寸可以 解决现有聚合物空心微囊的传质问题，在提高传质速率的同时允许较大尺寸的分子进出壳层， 从而增大多孔聚合物微囊的应用范围。

(二)技术方案

本发明所采用的技术方案是：以大粒径的有机聚合物微球为核，小粒径的二氧化硅微球 为冠，利用自组装技术制备出的草莓型核-冠微球，并以此核-冠微球为模板包覆聚合物壳层， 制备出核壳型复合微球，随后用氢氟酸刻蚀掉二氧化硅微球部分，透析除去内部聚合物核微 球模板部分，即可得到多孔聚合物微囊。此微囊的空心内腔的大小与大粒径聚合物核微球的 粒径直接相关，而囊壁上孔的大小与小粒径二氧化硅冠微球的粒径直接相关。所述方法新颖， 通过调节大粒径聚合物微球的粒径，即可调节空腔部分的大小；而调节小粒径二氧化硅微球的 尺寸，可改变微囊表面孔的大小；通过改变单体的种类可以给微囊添加多种特性，如温度敏 感、pH值敏感、亲水、疏水和荧光等；改变单体和交联剂用量可以调整微囊壁厚。空腔与介 孔的孔径可控，空腔尺寸为500-1500nm可控，小孔孔径为30-150nm可控，壁厚为20-100nm可 控。

(三)有益效果

本发明所公布的聚合物多孔微囊的制备方法与现有方法相比，具有以下优异效果：

现有的多孔纳米微胶囊的制备多采用乳胶粒液面自组装法，而本课题将研制一种制备多 孔纳米微胶囊的新方法：模板蒸馏沉淀聚合法。乳胶粒液面自组装法只能制备较大(一般几 十微米)微囊，因此具有很大的局限性。本课题正是基于这样的现状，利用模板蒸馏沉淀聚 合法，来制备多孔聚合物纳米微胶囊，同时开发其新性能以及尝试在不同领域的新应用。

此多孔聚合物微囊内部具有大尺寸的空腔，囊壁上具有分布均匀的小孔结构，此方法使得 腔体积可控，小孔分布均匀，微囊壁厚可控。有些特殊的反应，特别是模拟细胞内部结构进行 的反应，需要限制在特定的狭小空间中进行，多孔纳米微胶囊可以提供这种反应的理想场所。 这种多孔纳米微胶囊既克服了现有普通聚合物微囊对于较大体积分子的传质困难问题，对比 相应的无机结构又有着易于溶胀、改性等优点。

(四)具体反应过程

本发明提供的多孔聚合物微囊内部具有大的空腔，孔径范围是500～1500nm；微囊表面有 孔径均匀的小孔，孔径范围是30～150nm；囊壁厚度均匀，范围是20～100nm。

本发明所述的多孔聚合物微囊的制备方法，模板蒸馏沉淀聚合法包括以下步骤：

1.制备大粒径的聚合物核微球：单分散可溶性酸性聚合物微球的合成。

用蒸馏沉淀聚合法，将丙烯酸类单体、引发剂溶于溶剂中，反应体系在15～30分钟从室 温加热至沸腾，1～2个小时内蒸馏出一半溶剂，结束反应。洗涤过滤后，即可得到聚合物 核微球。核微球的粒径从500～1500nm，可由聚合条件和反应次数进行控制。

2.制备小粒径冠微球：氨基修饰的二氧化硅纳米微球的合成。

以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源，利用法，通过改变浓氨水的用量制备粒径为30～ 150nm的单分散Si02纳米球，然后用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)与硅羟基进行缩和 反应，对Si02微球的表面进行改性，得到表面带有氨基的Si02微球。

3.将步骤1和2中得到的聚合物核微球和二氧化硅冠微球以一定的比例分散至干燥的溶 剂中，通过震荡或搅拌6～48小时，自组装得到草莓结构的核-冠微球，作为下一步聚合的模 板。

4.以步骤3制备的草莓型微球作为模板，加入功能性单体、引发剂、交联剂，进行种子 蒸馏沉淀聚合或者沉淀聚合，形成核壳型复合微球。

5.对步骤4制备的核-壳型复合微球进行刻蚀，除去二氧化硅冠微球，然后通过透析或 离心在弱碱性水溶液中除去聚合物核微球部分，即可得到具有多孔结构的聚合物微囊。

所述的溶剂为乙腈、乙酸乙酯、丁酮或它们的无水混合物。

所述的引发剂是偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰。

所述的引发剂用量为1～5wt％，相对于(总单体+交联剂)的质量。

所述的功能性单体为具有所需功能性官能基团的自由基聚合单体。

过程3中所用核微球和冠微球的质量比为2：1～1：2。

过程4中功能性单体用量为(总单体+交联剂)的0～50vol％。

过程4中交联剂用量为(总单体+交联剂)的50％～100vol％。

本发明可以通过改变单体和交联剂用量、蒸馏沉淀聚合次数、蒸出溶剂量、氨水加入量， 控制多孔聚合物微囊的孔腔尺寸、小孔直径及壁厚。其中，多孔聚合物微球内部空腔尺寸为 500～1500nm，表面小孔孔径为30～150nm。

所得多孔聚合物微囊大小均匀，颗粒洁净，不含分散剂和稳定剂。

所得多孔聚合物微囊根据加入的功能性单体不同，可以具有不同的特性，如：温度敏感、 pH值敏感、亲水、疏水和荧光等。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的草莓型核-冠微球模板。其中，(a)草莓型核-冠微球的SEM 图；(b)草莓型核-冠微球的TEM图。

图2为本发明实施得到的核-冠微球模板得到的介孔中空聚甲基丙烯酸微囊的TEM图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，所述的实施例是用于描述本发明，而不是限制本发明。

实施例1

1.PMAA核微球的制备

取0.04g的偶氮二异丁腈(AIBN)和2mLα-甲基丙烯酸(MAA)加入100mL两口烧瓶 中，分散于80mL无水乙腈中，加入沸石，连接上刺型分馏柱、直型冷凝管和接收瓶。用100mL 电热套进行加热，控制15分钟内沸腾，至蒸出约40mL乙腈，停止加热，即完成第一次聚合； 然后取10mL第一次蒸馏后的聚合物于烧瓶中，加入70mL乙腈，超声使之混合均匀，加入 0.04g AIBN，以及2mLα-甲基丙烯酸单体，进行第二次蒸馏，重复第一次聚合的过程，待蒸 出40mL乙腈停止加热；最后取10mL第二次蒸馏后的聚合物于烧瓶中，加入70mL乙腈， 超声使之混合均匀，加入0.04g AIBN，以及2mLα-甲基丙烯酸单体，进行第三次蒸馏，重复 第二次聚合的过程，待蒸出40mL乙腈停止加热。待产品冷却后，产物用G-6砂芯漏斗抽滤， 用无水乙腈连续清洗三次后，所得PMAA微球粒径为800nm，分散于40mL无水乙腈中备用。

2.SiO2冠微球的制备

将50mL乙醇，1mL蒸馏水，1.5mL浓氨水加入100mL烧瓶中，在25℃下搅拌20min， 加入1mLTEOS，继续搅拌5h，再加入APTES0.05mL，继续搅拌19小时，结束反应。然后 立即用离心机在转速为10000r／min下离心30min，用乙醇洗至PH＝7，所得SiO2微球的粒径 为50nm，分散于无水乙腈中备用。

3.自组装法制备草莓型复合微球

取PMAA核微球乙腈分散液10mL，SiO2冠微球乙腈分散液10mL，置于50mL锥形瓶中， 室温下超声30分钟，混合均匀。再用G-6砂芯漏斗抽滤，除去过量的SiO2冠微球，得到草 莓型的核-冠微球，分散于40mL无水乙腈中备用。

4.多孔聚合物纳米微囊的制备

以步骤3制备的草莓结构的核-冠微球作为模板，量取10mL于100mL的两口烧瓶中，加入 70mL乙腈，充分超声均匀，加入AIBN0.04g，4-乙烯基吡啶(4-Vp)0.02mL和二乙烯基苯 (DVB)1mL进行种子蒸馏沉淀聚合。加入沸石，连接上刺型分馏柱、直型冷凝管和接收瓶， 用100mL电热套进行加热，控制15分钟内沸腾，至蒸出约20mL乙腈，停止加热。聚合产物 用G-6的砂芯漏斗抽滤后，置于100mL四氟烧杯中，加入40％的HF溶液，磁力搅拌1小时后， 刻蚀除去SiO2部分。将混合液倒入离心管，于8000rpm进行离心，除去上清液，加入PH＝10 的NaOH溶液，超声混合均匀，装入透析袋中，透析除去微球的聚合物核部分，得到多孔聚 合物纳米微囊，壁厚为40-50nm，孔径为50nm。

实施例2

1.PMAA核微球的制备

取0.04g的偶氮二异丁腈(AIBN)和5mLα-甲基丙烯酸(MAA)加入100mL两口烧瓶 中，分散于80mL无水乙腈中，加入沸石，连接上刺型分馏柱、直型冷凝管和接收瓶。用100mL 电热套进行加热，控制30分钟内沸腾，至蒸出约40mL乙腈，停止加热。待产品冷却后，产 物在8000rpm下进行离心，用无水乙腈连续清洗三次后，所得PMAA微球粒径为500nm，分 散于40mL无水乙腈中备用。

2.SiO2冠微球的制备

将50mL乙醇，1mL蒸馏水，1.2mL浓氨水加入100mL烧瓶中，在25℃下搅拌20min， 加入1mL TEOS，继续搅拌5h，再加入APTES0.05mL，继续搅拌19小时，结束反应。然后 立即用转速为15000r／min的离心机离心30min，用乙醇洗至PH＝7，再离心换至无水乙腈相， 所得SiO2微球的粒径为30nm，分散于无水乙腈中备用。

3.自组装法制备草莓型复合微球

取PMAA核微球乙腈分散液10mL，SiO2冠微球乙腈分散液10mL，置于50mL锥形瓶中， 室温下超声30分钟，混合均匀。再用G-6砂芯漏斗抽滤，除去过量的SiO2冠微球，得到草 莓型的核-冠微球，分散于40mL无水乙腈中备用。

4.多孔聚合物纳米微囊的制备

以步骤3制备的草莓结构的核-冠微球作为模板，量取10mL于100mL两口烧瓶中，加入 70mL乙腈，充分超声均匀，加入AIBN0.04g，4-乙烯基吡啶(4-Vp)0.02mL和二乙烯基苯(DVB) 1mL进行种子蒸馏沉淀聚合。加入沸石，连接上刺型分馏柱、直型冷凝管和接收瓶，用100mL 电热套进行加热，控制15分钟内沸腾，至蒸出约15mL乙腈，停止加热。聚合产物用G-5的 砂芯漏斗抽滤后，置于100mL四氟烧杯中，加入40％的HF溶液，磁力搅拌1小时后，刻蚀除 去SiO2部分。将混合液倒入离心管，于8000rpm进行离心，除去上清液，加入PH＝10的NaOH 溶液，超声混合均匀，装入透析袋中，透析除去微球的聚合物核部分，得到多孔聚合物纳米 微囊，壁厚为20-30nm，孔径为30nm。

实施例3

步骤1，2，3同实施例2。

4.多孔聚合物纳米微囊的制备

以步骤3制备的草莓结构的核-冠微球作为模板，量取10mL于100mL两口烧瓶中，加入 70mL乙腈，充分超声均匀，加入AIBN0.04g，4-乙烯基吡啶(4-Vp)0.02mL，羟乙基甲基丙 烯酸酯(HEMA)0.2mL和乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)0.8mL进行种子蒸馏沉淀聚合。 加入沸石，连接上刺型分馏柱、直型冷凝管和接收瓶，用100mL电热套进行加热，控制15 分钟内沸腾，至蒸出约15mL乙腈，停止加热。聚合产物用G-6的砂芯漏斗抽滤后，置于100mL 四氟烧杯中，加入40％的HF溶液，磁力搅拌1小时后，刻蚀除去SiO2部分。将混合液倒入 离心管，于8000rpm进行离心，除去上清液，加入PH＝10的NaOH溶液，超声混合均匀，装 入透析袋中，透析除去微球的聚合物核部分，得到单分散的具有羟基的多孔聚合物纳米微囊， 壁厚为20-30nm，孔径为30nm。