聚丙烯酸酯类及其共聚物材料亲水改性产品及其亲水改性方法

摘要

本发明公开了一种亲水改性聚丙烯酸酯类或其共聚物材料的方法及由此方法制得的产品。改性方法包括：(1)用有机溶剂对微球进行溶胀预处理；(2)在碱性催化剂的作用下，催化环氧基团开环与多糖的羟基进行反应生成稳定的醚键，将亲水性多糖分子化学键合在微球的表面；(3)在碱性条件下，用双官能团的交联剂将键合在微球表面的多糖分子进行交联加固。本发明提供的方法，操作简便、反应条件温和，得到的亲水化材料稳定，镀层不易脱落，很好的抑制了聚合物微球对蛋白的非特异性吸附。亲水改性后的聚丙烯酸酯类微球，其亲水层具有丰富的羟基可以进一步衍生为其他各种官能团，在生物技术尤其是生化分离领域有很大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物材料改性领域，尤其涉及一种聚合物材料表面亲水性化 的方法及由该方法制得的产品，特别是对超大孔聚丙烯酸酯类材料的表面亲水 性化。

背景技术

聚合物微球作为生化分离介质，其优点在于机械强度高、化学性质稳定、 耐酸碱度好，能够在高压下操作等，因此在作为色谱介质的应用领域有很好的 前景。但聚合物本身的一些特点限制了它在生物大分子分离方面的应用，如聚 甲基丙烯酸缩水甘油醚与二乙烯基苯共聚(PGMA-DVB)微球，其微球表面带 有大量的环氧基，易于衍生为各种功能基团，但由于其表面具有疏水性，因此 容易和蛋白分子之间发生疏水作用而导致蛋白的不可逆吸附甚至变性。

研究表明这种疏水作用是引起蛋白在材料表面发生非特异性吸附的主要原 因(Journal of Colloid and Interface Science，1989，132：176-187)，解决这一问题 的途径之一，就是增加材料表面的亲水性。如CN 101011645A公开了一种两亲 性分子对聚丙烯多孔膜表面的亲水化改性方法，该方法是以嵌段结构的两亲性 分子作为亲水改性剂，先将聚丙烯多孔膜浸渍于溶有两亲性分子的溶胀剂中进 行表面处理，最后用真空抽提溶胀剂的方法进行表面消溶胀；采用具有嵌段结 构的亲疏水两亲性分子作为表面处理剂，其中疏水链段与聚丙烯的相容性较好， 易与表面溶胀区的聚丙烯分子链结合而提供了“锚定”的作用，亲水链段由于 相分离或取向作用而伸向膜表面的外侧，并赋予聚丙烯多孔膜表面的亲水性。

PGMA-DVB微球作为分离介质较传统的聚苯乙烯与二乙烯基苯(PSt-DVB) 微球更容易进行表面化学修饰，并且其骨架基质的疏水性较PSt基质弱，所以更 适合作为生化分离介质。文献报道的PGMA-DVB微球表面亲水改性多为将表面 的环氧基在酸性或者碱性条件下进行水解成双羟基，增强材料表面的极性以期 得到较好的亲水性(Chem Commun，2007，4614-4616)，如图1a所示；或者本实 验室前期专利技术中将材料表面偶联亲水性大分子聚乙二醇(PEG)(CN 100487011C)如图1b所示，改性后的PGMA微球可以应用于疏水相互作用色 谱模式下生物大分子的分离纯化。

发明内容

本发明的目的是开发一种聚合物材料表面亲水化的方法，将亲水性的多糖 分子以化学偶联的方式，将其镀层在聚合物材料表面，然后利用多糖表面的丰 富羟基来进行进一步的化学衍生。改性后的材料表面及孔道表面键合一层亲水 性物质，从而大幅度降低了材料对蛋白的非特异性吸附，改性后的表面由于可 以进一步衍生成各种功能基团，可以应用于生物大分子的分离纯化。

聚丙烯酸酯类或其共聚物微球材料表面亲水改性后能够有效的降低蛋白在 其表面的非特异性吸附，在生物应用领域有很高的价值；本发明中的超大孔 PGMA-DVB微球经过亲水改性后，能够继续保持原有的大孔结构，可以耐受较 高的压力操作，同时亲水的表面能够进一步的衍生，可以用作各种分离模式下 的生化分离用介质，因此在生化分离纯化领域有很好的应用前景和优势。

为达此目的，本发明所采用的对聚丙烯酸酯类或其共聚物材料表面进行亲 水改性的方法，包括如下步骤：

1)将聚丙烯酸酯类或其共聚物材料，用有机溶剂进行溶胀处理；

2)在碱性物质存在条件下，将亲水性多糖分子在溶剂存在下通过共价键化学 键合到步骤1)处理好的材料表面；

3)在碱性物质存在条件下，用交联剂将步骤2)所得到的材料表面的亲水多 糖进行交联加固。

聚丙烯酸酯类材料可以为聚丙烯酸酯改性产物、衍生产物或接枝共聚物等 材料。

作为优选技术方案，步骤1)中所述的溶胀处理过程如下：将聚丙烯酸酯类 或其共聚物材料放入有机溶剂中进行密封振荡1～4h，待聚丙烯酸酯类或其共聚 物材料在溶剂中完全溶胀后，进行抽滤，并用所用的溶剂进行洗涤，抽滤干净 溶剂。

溶胀预处理步骤在制备过程中是重要的不可省略的程序，充分溶胀后的微 球有利于亲水物质的完全扩散入微球内部，利于亲水物质的完全覆盖被改性材 料的表面。

作为优选技术方案，步骤2)中所述的键合过程为：步骤2)中所述的键合过 程为：将亲水性多糖、碱性物质、溶胀过的聚丙烯酸酯类或其共聚物材料放入 反应釜中，在溶剂中进行充分搅拌混合，在30～80℃下反应12～24h，反应结 束后去除未反应的物质，得到表面键合亲水物质的材料。

优选地，所述反应结束后去除未反应物质，其程序包括进行减压过滤，过 滤同时用热的去离子水进行洗涤，所述热的去离子水的温度优选为40～80℃。

作为优选技术方案，步骤3)中所述的交联加固过程为：向步骤2)所得的材 料中加入交联剂，在碱性条件下，20～50℃对亲水镀层进行交联12～24h后，交 联产物经洗涤、干燥，得到亲水改性材料。

优选地，交联反应结束后，交联产物的洗涤、干燥过程如下：减压抽滤并 用水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物质，然后50℃下真空干燥24h。以 质量法计算每克微球的镀层量，计算公式如下：

作为优选技术方案，所述的聚丙烯酸酯类或其共聚物材料为聚甲基丙烯酸 缩水甘油醚微球或者板材或聚甲基丙烯酸缩水甘油醚与二乙烯基苯共聚微球或 者板材。

作为优选技术方案，步骤1)中所述的有机溶剂选自二氧六环、乙醇、二甲 基亚砜、二甲基甲酰胺中的一种或者几种。在本发明中所用的溶胀溶剂不限于 以上几种，凡可与水进行混溶的其他极性有机溶剂均可。

优选地，所述有机溶剂的体积用量为所述被溶胀材料质量的10～20倍。即 微球质量∶溶剂体积＝1∶10～20(g/mL)。

作为优选技术方案，步骤2)中，所述的碱性物质选自氢氧化钠、氨水、三 乙胺、二甲基氨基吡啶中的一种或者几种，优选其用量为多糖质量的4～32％。

优选地，所述的亲水性多糖为琼脂糖或葡聚糖；优选琼脂糖重均分子量范 围为10～30W，葡聚糖重均分子量范围为5K～7W；进一步优选其质量用量为聚 甲基丙烯酸酯类或共聚物材料质量的1/3～3倍。

优选地，所述的溶剂为H₂O、DMSO或其混合物，优选其混合物，进一步 优选DMSO和H₂O以1∶10～1∶1(v/v)的比例混合；特别优选溶剂的体积用量与 步骤1)未处理前的材料质量的比为30∶1～50∶1(v/m)。DMSO的加入有利于聚 合物材料的溶胀。

作为优选技术方案，步骤3)中所述的碱性物质为氢氧化钠或/和氢氧化钾， 优选其浓度范围为1～7mol/L；

优选地，所述碱性物质溶液中所用的溶剂为H₂O和DMSO的混合物，优选 DMSO和H₂O的体积比为1∶10～1∶1(v/v)；

优选地，所述的交联剂选自于乙二醇二缩水甘油醚、环氧氯丙烷、二聚乙 二醇二缩水甘油醚中的一种或者几种；优选其用量为被交联材料质量的1～10倍。

本发明的目的之一还在于提供一种根据本发明所提供的制备方法制得的亲 水改性聚丙烯酸酯类或其共聚物材料，所述的材料表面包括微球孔道内表面化 学偶联了一层富含羟基的亲水性琼脂糖或者葡聚糖分子，可用于进一步改性或 衍生。

作为优选技术方案，所述的亲水改性聚丙烯酸酯类或其共聚物材料为亲水 改性的聚甲基丙烯酸缩水甘油醚材料或聚甲基丙烯酸缩水甘油醚与二乙烯基苯 共聚物材料。

为检验亲水改性后微球对蛋白非特异性吸附的抑制效果，将改性的微球装 填入不锈钢色谱柱管中，柱管规格为φ4.6×50mm，将装填好的色谱柱连接于高 效液相色谱上测试微球对蛋白BSA的非特异性吸附，具体实验方法见实施例部 分。结果表明其BSA非特异性吸附量接近于0。

本发明所述的亲水改性材料表面的方法是，将多糖类分子化学偶联至被改 性材料的表面，特别是针对超大孔聚甲基丙烯酸缩水甘油醚类微球的表面改性。

本发明所产生的技术效果是，在聚甲基丙烯酸缩水甘油醚类材料表面能够 均匀的键合一层亲水性多糖分子，改性后的材料表面的亲水性大大提高，能够 显著降低对蛋白的非特异性吸附量。

本发明所述的方法，能够应用于大多数聚合物材料的表面改性，尤其是超 大孔聚合物微球，亲水改性后的聚合物微球能够应用于生物技术和色谱分离领 域。

附图说明

图1为PGMA-DVB微球亲水化示意图。

图2为实施例二所得的聚合物微球改性前后的电子扫面显微镜照片，其中A 为改性前的微球；B为改性后的微球。

图3为实施例三所得的改性后聚合物微球的对蛋白的吸附量测定图，●代 表BSA无吸附时的色谱峰面积；■代表BSA经过亲水化微球后的色谱峰面积。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

1)超大孔PGMA-DVB微球在二氧六环中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入二氧六 环10mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡2h后，进行抽滤，并用同样体积的二 氧六环进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合琼脂糖(Mw＝13W)

称取1.0g琼脂糖(Mw＝13W)、0.32g NaOH放入100mL三口瓶中，然后向 其中加入50mL DMSO/H2O(1∶5；v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实施 例一中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至70℃，在此温度下保持反应24h，反 应结束后趁热，用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，同时用500mL 80℃热水进行洗 涤。

3)用EDGE交联加固PGMA-DVB微球表面键合琼脂糖

将实施案例一中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向 反应瓶加入10g NaOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H₂O (1∶5，v/v)混合溶剂，然后用恒压漏斗缓慢滴加3.5mL的EDGE，控制滴加速度， 在20℃下4h内将EDGE滴加完毕，保持反应12h，反应完毕，用G4砂芯漏斗 进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物质。洗涤 干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重，以傅里叶红外光谱(FTIR)表征镀层， 表明在3432cm^-1处的羟基吸收峰明显加强，同时在1071cm^-1附近也出现了琼脂 糖的C-O-C的伸缩振动峰，这些特征峰的出现表明琼脂糖已经成功镀层到 PGMA-DVB微球上。称重计算上述制得的改性微球，其琼脂糖镀层量为 110mg/g。

实施例二

1)超大孔PGMA-DVB微球在DMSO中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入DMSO 20mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡2h后，进行抽滤，并用同样体积的DMSO 进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝2W)

称取1.0g葡聚糖(Mw＝2W)、0.32g NaOH放入100mL三口瓶中，然后向其 中加入50mL DMSO/H₂O(1∶5，v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实施 例二中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至37℃，在此温度下保持反应20h，反 应结束后，趁热用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，同时用500mL 40℃去离子水进 行洗涤。

3)用EPCl交联加固PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖

将实施案例二中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向 反应瓶加入10g NaOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H₂O (1∶5，v/v)混合溶剂，然后升温至35℃用恒压漏斗缓慢滴加4.5mL的EPCl，控 制滴加速度，室温下4h内将EPCl滴加完毕，保持反应24h，反应完毕，用G4 砂芯漏斗进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物 质。洗涤干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重，以电子扫描显微镜观察改性 前后的微球，其形貌无明显变化，如图2所示，表明表面亲水改性反应未破坏 微球原来的孔道结构。上述改性后微球的镀层量为116mg/g。

实施例三

1)超大孔PGMA-DVB微球在DMF中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入DMF 15mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡2h后，进行抽滤，并用同样体积的DMF 进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝5W)

称取1.0g葡聚糖(Mw＝5W)、0.32g NaOH放入100mL三口瓶中，然后向其 中加入50mL DMSO/H2O(1∶5，v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实施 例三中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至47℃，在此温度下保持反应24h，反 应结束后，趁热用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，并用500mL 50℃去离子水进行 洗涤。

3)用EDGE交联加固PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝5W)

将实施案例三中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向 反应瓶加入10g NaOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H₂O (1∶5，v/v)混合溶剂，然后升温至40℃，用恒压漏斗缓慢滴加3.5mL的EDGE， 控制滴加速度，在4h内将EDGE滴加完毕，保持反应24h，反应完毕后，用G4 砂芯漏斗进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物 质。洗涤干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重，镀层量为120mg/g。改性后 微球以牛血清白蛋白(BSA)作为模型蛋白，测定其蛋白非特异性吸附，表明 其BSA非特异性吸附量接近于0，测定值为0.004mg/mL，其测试结果如图3所 示。

实施例四

1)超大孔PGMA-DVB微球在DMSO中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入DMSO 15mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡3h后，进行抽滤，并用同样体积的DMSO 进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝5W)

称取1.0g葡聚糖(Mw＝5W)、0.32g DMAP放入100mL三口瓶中，然后向其 中加入50mL DMSO/H2O(1∶3，v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实施 例四中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至37℃，在此温度下保持反应24h，反 应结束后，趁热用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，同时用500mL 40℃去离子水进 行洗涤。

3)用DEDGE交联加固PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝5W)

将实施案例四中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向 反应瓶加入10g NaOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H2O (1∶5，v/v)混合溶剂，然后升温至50℃，用恒压漏斗缓慢滴加3.5mL的DEDGE， 控制滴加速度，在4h内将DEDGE滴加完毕，保持反应24h，反应完毕，用G4 砂芯漏斗进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物 质。洗涤干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重。上述制得的微球镀层量为 116mg/g，BSA非特异性吸附量为0.01mg/mL。

实施例五

1)超大孔PGMA-DVB微球在DMSO中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入DMSO 15mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡2h后，进行抽滤，并用同样体积的DMSO 进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝1W)

称取2.0g葡聚糖(Mw＝1W)、0.24g三乙胺放入100mL三口瓶中，然后向 其中加入50mL DMSO/H2O(1∶3，v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实 施例五中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至60℃，在此温度下保持反应24h， 反应结束后，趁热用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，同时用500mL 70℃去离子水 进行洗涤。

3)用EDGE交联加固PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝1W)

将实施例五中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向反 应瓶加入14g NaOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H2O (1∶10，v/v)混合溶剂，然后升温至35℃用恒压漏斗缓慢滴加6.5mL的EDGE， 控制滴加速度，在4h内将EDGE滴加完毕，保持反应24h，反应完毕，用G4 砂芯漏斗进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物 质。洗涤干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重，镀层量为126mg/g，BSA非 特异性吸附量为0.02mg/mL微球，其非特异性吸附量亦接近于0。

实施例六

1)超大孔PGMA-DVB微球在DMSO中预处理

准确称取PGMA-DVB微球1.0g放入50mL的锥形瓶中，然后加入DMSO 15mL，120rpm振荡摇床中室温下振荡2h后，进行抽滤，并用同样体积的DMSO 进行洗涤，洗涤后将溶剂抽滤至微球表面无明显溶剂。

2)PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝4W)

称取2.0g葡聚糖(Mw＝4W)、0.24g DMAP放入100mL三口瓶中，然后向 其中加入50mL DMSO/H₂O(1∶4，v/v)混合溶剂，120rpm机械搅拌下，加入实 施例六中步骤1)溶胀处理后的微球，升温至47℃，在此温度下保持反应24h， 反应结束后，趁热用G4砂芯漏斗进行减压抽滤，同时用500mL 50℃去离子水 进行洗涤。

3)用DEDGE交联加固PGMA-DVB微球表面键合葡聚糖(Mw＝4W)

将实施例六中步骤2)制得的微球转移至100mL三口反应瓶中，然后向反 应瓶加入14g KOH固体粉末，在120rpm机械搅拌下加入50mL DMSO/H₂O (1∶10，v/v)混合溶剂，然后用恒压漏斗缓慢滴加10mL的DEDGE，控制滴加速 度，室温下4h内将EDGE滴加完毕，保持反应24h，反应完毕，用G4砂芯漏 斗进行减压抽滤，并用去离子水和乙醇先后洗涤三次，去除未反应的物质。洗 涤干净后的微球，在50℃真空干燥至恒重，镀层量为123mg/g，BSA非特异性 吸附量接近于0。

非特异性吸附量测定

1)填装改性后微球

将1.0g改性后微球放于20mL 50％乙醇水溶液中，超声分散30min后，放 于装柱机的匀浆器中，以10MPa压力装柱，持续时间1h，柱管规格为φ4.6× 50mm。

2)以BSA测试改性后微球的非特异性吸附

a将实施例七中，步骤1)所装填的色谱柱连接于液相色谱仪上，色谱条件 如下：样品浓度2mg/mL的BSA溶液；上样量200μL；流速1mL/min；流动 相ApH＝7.0，50mM磷酸缓冲溶液，B 1M NaOH水溶液；梯度条件0-10min A相；10.01-20min B相；20.01-30A相；重复进样5次，记录每次出峰面积A1； b用连接头替换色谱柱，同样色谱方法测试，记录每次出峰面积A₂；c计算BSA 在色谱柱上的吸附量，公式如下：

$Q_{\mathrm{BSA}}=\frac{0.4A_1}{{\mathrm{VA}}_2}$

Q_BSA：每毫升微球吸附BSA的质量(mg/mL)；

V：色谱柱中微球的体积(mL)。

以上实施例1-6所制得的亲水改性微球，测试BSA非特异性吸附量，均用 上述特异性吸附量测定的测试方法，图3为实施例三所测试结果。