具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷的制备方法。整个制备过程分四步完成：第一步，采用共沉淀法在碱性条件下制备四氧化三铁纳米磁性粒子；第二步，将磁性粒子分散在苯乙烯单体中，利用细乳液聚合得到粒径在100～250nm之间的聚苯乙烯(PS)微球；第三步，在细乳液聚合反应末期加入一种光引发剂，使其以化学键包覆在PS微球的表面形成光引发剂层；第四步，加入电解质单体，用紫外灯光照引发聚合，得到粒径在180～350nm之间的具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷。这种具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷可实现其在吸附贵重金属离子和废水处理后利用磁场快速回收和循环使用，也可以用于磁场导航下的靶向供药治疗。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物微球的制备方法，具体地说是利用细乳液聚合和光乳液聚合方法来制备具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷，并将其应用于废水处理后的快速回收和循环使用，也可以用于固载蛋白质或药物后的靶向治疗等领域。

背景技术

当带有电荷的聚合物链以一端固定的形式密集地分布在基体表面时，由于体积排斥和静电排斥作用，聚合物链的自由端就会向外伸展，形成称为聚电解质刷的结构。基体表面通过引入聚合物刷可以显著改善其粘结性、摩擦性及与外界物质的相互作用，在许多领域有着广阔的应用前景。

1999年本申请的第一发明人在德国首次实现了光乳液聚合制备纳米球形聚电解质刷(以下简称纳米球刷)，即将光引发剂接在核表面并在紫外光照射下引发单体原位聚合形成球形聚电解质刷，并采用这种方法合成出尺寸在100～200纳米的球形聚丙烯酸刷和聚乙烯基苯磺酸钠刷。不久前，申请人又开辟了新的热引发剂，拓展了纳米球刷的合成方法(中国专利申请号：200810201543.4和200810201547.2)。纳米球刷稳定性好而且在一定的条件下干燥后可以再分散，能够吸附和浓缩贵金属离子、蛋白质、生物酶和药物等，还可以对pH值、盐浓度和温度产生响应，在不同的环境下可以实现性能可控。本着应用时节约经济的理念，纳米球刷在使用后需要回收并可再利用，而单纯的纳米球刷在液相中非常稳定，不易回收，如果应用于生物制药领域，固载于纳米球刷上的药物或蛋白质也需要输送到特定的区域发挥作用，这样就需要一种方法有效地收集回收纳米球刷或者把功能性纳米球刷输送到给定的位置以实现它的作用。

发明内容

本发明的目的在于采用一种独特的方法实现上述提到的功能，即把具有超顺磁性的纳米粒子嵌入到纳米球刷的内部，这样在外界磁场的诱导下，可快速收集纳米球刷，也可以实现固载药物后的纳米球刷在磁场作用下的靶向给药。本申请开发了一种利用细乳液聚合和光乳液聚合制备具有磁性内核的纳米球刷的方法。

该具有磁性内核的纳米球刷的制备共分四个步骤，具体如下：

(1)共沉淀法制备油溶性的四氧化三铁纳米粒子

把二价(FeSO₄·7H₂O和/或FeCl₂·4H₂O)和三价(FeCl₃·6H₂O)的铁盐溶于一定量的去离子水中，倒入反应器，控制搅拌速率为100～500转/分钟，然后加入表面改性剂(油酸或十一碳烯酸等)和共沉淀剂(氨水或氢氧化钠溶液等)，在50～90℃下进行共沉淀反应，1～3小时后磁分离，用去离子水和乙醇等溶剂洗涤并收集产物，真空干燥后即可得到粒径在10～30nm的黑色四氧化三铁固体粉末；

(2)Schotten-Baumann反应制备光引发剂HMEM

所述光引发剂的结构式如下：

制备所述光引发剂的化学反应式如下：

其制备步骤为：首先，将2-羟基—4’-羟基乙氧基—2—甲基苯基乙基酮(HMP)溶解于丙酮并倒入反应烧瓶，在该烧瓶中加入新纯化的吡啶，然后将甲基丙烯酰氯(MC)滴加到反应烧瓶中，常温搅拌并反应10～20小时结束；反应液过滤，清液层析分离得到光引发剂HMEM；原料的质量比为HMP:吡啶:MC＝1:0.1～0.5:0.1～0.5。

(3)细乳液聚合制备磁性内核

把步骤(1)中制备得到的磁性纳米粒子(四氧化三铁)、引发剂(偶氮二异丁腈AIBN或过硫酸钾KPS)、助稳定剂(正十六烷HD或十六醇CA)与苯乙烯单体预混并超声分散后加入到溶有表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠SDBS或十二烷基磺酸钠SDS)的去离子水中，在超声仪中细乳化20分钟～2小时，细乳化结束后对反应体系抽充氮气3～5次，控制搅拌速率在150～500转/分钟；然后把油浴温度升至40～70℃后，聚合反应10～24小时后得到聚苯乙烯磁性微球，即磁性内核；

(4)制备表面包覆有光引发剂的磁性内核

在步骤(3)的细乳液聚合反应末期，缓慢地将步骤(2)中的光引发剂HMEM滴加到反应体系中，引发剂的加入量相当于所述苯乙烯单体质量的1～15％，滴加速度控制在10～20滴/分钟；滴加完毕后继续反应1～3小时，最后光引发剂以共价键形式包覆在所述磁性内核的表面，形成磁性内核乳液；也可以使用市场销售的光引发剂。

(5)光乳液聚合制备具有磁性内核的纳米球刷

将步骤(4)中得到的包覆有光引发剂的磁性内核乳液倒入光反应器中，加入电解质单体(丙烯酸AA或乙烯基苯磺酸钠NaSS)，所述电解质单体的加入量为所述磁性内核乳液固含量的25～100％；抽充氮气3～5次，在紫外灯照射下进行光乳液聚合2～6个小时，最后得到具有磁性内核的纳米球刷。所述球形聚电解质刷的刷子厚度为15～300nm。

本发明的具有磁性内核的纳米球形聚电解质刷可应用于在吸附贵重金属离子和废水处理后利用磁场快速回收并循环使用，也可以在其固载蛋白质或药物后利用磁场导航用于靶向治疗。

附图说明

图1是制备具有磁性内核的纳米球刷的示意图。

具体实施方式

下面，用实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

实施例1   共沉淀法制备油溶性的四氧化三铁纳米粒子

将48.0g FeCl₃·6H₂O和FeSO₄·7H₂O溶于100ml去离子水后，倒入1000ml的三口烧瓶中，补加去离子水300ml，并开启机械搅拌和油浴，油浴温度设置为90℃，搅拌速度设置为300转/分钟。待油浴稳定后，一次性加入21g油酸，待油酸加料完成后，立即滴加120ml的氨水，反应液在滴加氨水的过程中由红色逐渐变为黑色。共沉淀反应进行2小时后结束。黑色的反应液在强磁的作用下用去离子水和无水乙醇洗涤三次除去剩余的氨和油酸，对最后的处理液抽滤得到黑色滤饼，在冷冻干燥机中干燥除去水和乙醇，得到黑色的固体粉末即为四氧化三铁纳米粒子。

实施例2   Schotten-Baumann反应制备光引发剂HMEM

30.0g的光引发剂HMP倒入500ml的单口烧瓶中，加入150ml丙酮，搅拌至HMP完全溶解，接着加入10g新纯化的吡啶，在低温下继续搅拌，然后把13.6g的甲基丙烯酰氯(MC)溶于50ml的丙酮中，并缓慢滴加到反应烧瓶中，滴加完毕常温下反应12小时，得到桔黄色液体，过滤除去底部的米黄色沉淀，利用层析分离法得到纯净的HMEM光引发剂。

实施例3   细乳液聚合制备磁性内核

首先，把0.50g十二烷基磺酸钠溶于200g去离子水中，形成水相，接着配制油相，把0.42g正十六烷，0.30g的偶氮二异丁腈和10.0g苯乙烯单体混合溶解，再把2.0g由实施例1得到的四氧化三铁纳米粒子分散在该油相中得到磁流体，然后把磁流体倒入水相中超声细乳化2小时，得到均一的细乳液，该细乳液在65℃下搅拌反应20小时，细乳液聚合结束。

实施例4   制备表面包覆有光引发剂的磁性内核

在实施例2细乳液聚合的末期，缓慢滴加1g的光引发剂，控制滴加速度为10～20滴/分钟，滴加完毕后，继续反应2.5小时后结束。得到包覆有光引发剂薄层的磁性内核。动态光散射(DLS)测试结果显示该磁性内核的流体力学直径为230nm。

实施例5   光乳液聚合制备具有磁性内核的纳米球刷

把实施例3中得到的165g磁性内核乳液倒入光反应器中，加去离子水至总反应液质量为500g，测试实施例3中的磁性内核的固含量为2.78％，称取丙烯酸单体2.30g，为体系中磁性内核质量的50％，然后把丙烯酸加入到光反应器中，打开紫外灯照射反应液进行光乳液聚合，2.5小时后反应结束，得到具有磁性内核的纳米球刷，用DLS测试其在pH等于10左右时的流体力学直径为377nm。