CN101220187A

CN101220187A - 一种具有核壳结构的磁性复合微球及其制备方法

Info

Publication number: CN101220187A
Application number: CNA2008100333146A
Authority: CN
Inventors: 龚涛; 汪长春
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-01-31
Publication date: 2008-07-16

Abstract

本发明属于生物分离材料技术领域，具体为一种具有核壳结构的磁性复合微球及其制备方法。首先以油酸修饰的纳米四氧化三铁为原料，通过模板细乳液聚合制备了高磁含量单分散的磁性复合微球；然后通过种子乳液聚合，加入不同量的壳层单体制备得20wt％－80wt％磁含量的具有核壳结构的磁性复合微球。该核壳式复合微球粒径呈窄分布、磁含量可控、表面带有功能性的反应基团，可以表面改性成为通过化学交联生物活性分子的磁性载体而应用于生物医学领域。本发明方法操作简单，过程可控，有工业化前景。

Description

一种具有核壳结构的磁性复合微球及其制备方法

技术领域

本发明属于生物分离材料技术领域，具体涉及一种具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法。

技术背景

近年来，有机-无机杂化复合微球，尤其是磁性复合微球越来越受到人们的关注。由于磁性高分子微球同时具有无机磁性物质的磁响应性和有机高分子的表面功能性，在外加磁场下能方便、快速、高效地从介质分离目标生物分子。此外，磁性复合微球的高分子表面可以有目的地进行合理的修饰，因此，在医学、生物化学、分子生物学及工业应用等领域显示广泛的应用前景。从诊断学的角度考虑，理想的磁性微球应具有高的磁含量(快速的磁响应性)、均一的粒子尺寸、功能化的表面，从而实现高效、快速的分离生物目标分子。

目前，通过传统的乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合等方法制备的磁性复合微球的磁含量不超过30wt％，并且，由这些方法所制备的磁性微球要么粒径分布太宽，要么容易泄露磁性纳米粒子，从而限制了磁性微球的应用。相比较而言，细乳液聚合由于其独特的液滴成核机理，在制备有机-无机杂化材料等领域效率更高。通常，在细乳液聚合中，亲油的无机纳米粒子直接分散到单体液滴中，这些分散有无机纳米粒子的单体成为聚合的主要场所。在聚合过程中，单体液滴与聚合物微球始终保持1∶1的复制关系，因此，通过细乳液聚合，各种无机纳米粒子能均匀的包覆在聚合物微球里。为了制备高磁含量的复合微球，Ramirez和Landfester等人通过三步细乳液聚合法，得到磁含量为40wt％的磁性复合微球(Ramirez L.P.，Landfester K.Macromol.Chem.Phys.，2003，204：2231)，但所制备的磁性复合微球粒径分布较宽。最近，徐宏等人借助于膜乳化装置(SPG)，通过二步细乳液与一步乳液聚合步骤，制备得到了磁含量高达80wt％的单分散的磁性复合微球(Xu H.；Cui L.L.；TongN.H.，Gu H.C.J.Am.Chem.Soc.2006，128：15582)；Montagne等人借助于库爱特乳化仪，通过种子乳液聚合制备得到窄分布的60wt％磁含量的磁性复合微球(Montagne F.；Mondain-Monval O.；Pichot C.，；Elaissari A.J.Polym.Sci.，PartA：Polym.Chem.2006，44：2642)。这些方法虽然可以得到高磁含量、窄分布磁性复合微球，但是这些方法需要多重步骤、特殊的仪器，因而使制备过程繁琐、生产成本增加，降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制备过程简单，效率高，且磁含量可控的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法。

本发明提出的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法如下：首先，用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁粒子；接着采用模板细乳液聚合，制备高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球；然后采用种子乳液聚合，对核层磁性复合微球进行壳层表面功能化包覆，制备得具有核壳结构的磁性复合微球；其中，核壳结构的磁性复合微球的磁含量在20wt％-80wt％之间。

该核壳式复合微球粒径呈现单分散性、磁含量可控、表面带有功能性的反应基团，可以表面改性成为通过化学交联生物活性分子的磁性载体，是一种非常有应用前景的生物磁性分离材料。

具体操作步骤如下：

1.用共沉淀法制备油酸修饰的纳米四氧化三铁(Fe₃O₄)粒子，其步骤为：在75-85℃下向含有Fe²⁺和Fe³⁺盐的水溶液中加入过量的氨水，然后再向体系中加入占Fe₃O₄重量1-40％的油酸，保温反应2.5-3.5h后，通氮气蒸发过量的氨水，得到油酸改性的纳米四氧化三铁纳米粒子，分别用去离子水、乙醇、丙醇洗涤以除去多余的油酸，辛烷萃取，配制Fe₃O₄含量为10-80wt％的磁流体。

2.制备四氧化三铁/聚合物复合微球，其步骤为：在超声条件下，将步骤(1)制备的纳米四氧化三铁粒子磁流体分散到含表面活性剂的溶液中，超声乳化，超声功率范围为200-600W，超声时间为1-25min，得到稳定的磁性细乳液模板；然后将单体加入到磁性细乳液模板中，溶胀1-2h，得到富含磁性纳米粒子的单体液滴；然后加入引发剂，于65-75℃聚合20小时左右，得到高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球。

3.制备核壳结构的磁性复合微球，将步骤(2)得到的复合微球进行磁分离，用十二烷基硫酸钠的水溶液(浓度可为0.1wt％)洗涤，磁分离后，再分散到十二烷基硫酸钠的水溶液(浓度可为0.1wt％)中，然后加入壳层单体，于65-75℃聚合10-15h，得到具有核壳结构的磁性复合微球。

本发明所述核壳结构的磁性复合微球，磁含量20wt％-80wt％，可控。

本发明所述的Fe³⁺盐为三氯化铁，Fe²⁺盐为氯化亚铁和硫酸亚铁中的一种。

本发明所述的磁性纳米粒子为油酸改性的四氧化三铁粒子或油酸改性的四氧化三铁粒子/辛烷分散液。

本发明所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或烯丙氧基壬基酚聚氧乙烯(10)醚硫酸铵(DNS-86)，等离子型及非离子型乳化剂中的一种或几种。

本发明所述的单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、二乙烯基苯等苯乙烯及(甲基)丙烯酸酯单体中的一种或几种。

本发明所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵或偶氮二异丁腈中的一种。

本发明所述的壳层单体为苯乙烯(St)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、(甲基)丙烯酸和二乙烯基苯(DVB)等烯类单体及交联剂中的一种或几种。

目前磁性复合微球的主要存在磁含量低、粒径分布不均一等问题。本发明通过磁性模板细乳液聚合制备高磁含量、单分散的磁性复合微球，并通过种子乳液聚合制备得到具有功能基表面的不同磁含量的核壳结构的磁性复合微球。通过这种方法制备的微球具有以下特点：(1)模板细乳液聚合可以作为一种通用的方法制备有机/无机杂化材料；(2)磁性复合微球的磁含量高、粒径分布窄；(3)核壳结构的磁性复合微球的表面富含功能的反应基团；(4)核壳结构的磁性复合微球的磁含量可控；(5)核壳结构的磁性复合微球的制备过程简单、高效。

具体实施方式

实施例1：磁含量为76wt％的核壳结构磁性复合微球的制备

1、油酸改性的Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备

取25.0g的FeCl₃·6H₂O和15.0g的FeCl₂·4H₂O，溶于50mL的去离子水中，转入到500mL的四口烧瓶中，在氮气条件下升温至80℃，在快速搅拌下迅速加入50mL氨水，接着加入4.0g油酸，于80℃反应3h，再于80℃通氮30min除去过量的氨水，然后降至室温，用去离子水、乙醇、丙醇洗涤以除去多余的油酸，正辛烷萃取，配制Fe₃O₄含量为20-70wt％的磁流体。

2、磁性复合微球Fe₃O₄/P(MMA/DVB)的制备

取1.0g磁含量为25wt％的磁流体，分别用乙醇和丙酮洗涤后磁分离，然后与溶有0.17g的DNS-86的50mL水溶液混合，超声乳化得到磁性细乳液。然后将2.3g MMA与0.2gDVB的混合单体加入到连续相中，溶胀1-2h形成含Fe₃O₄的单体液滴。通氮除氧30min，升温至70℃后加入0.01g引发剂KPS，反应12h得到磁性Fe₃O₄/P(MMA/DVB)复合微球。

3、具有核壳结构的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球的制备

将Fe₃O₄/P(MMA/DVB)复合微球用0.1wt％的十二烷基硫酸钠的溶液洗涤三次，磁分离后，再分散到50ml的0.1wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液中，以其为种子，然后向反应体系中加入0.5g的壳层单体(壳层单体的质量比为：St∶GMA∶DVB＝9∶8∶8)，通氮30min后，补充加入0.01-0.02g的KPS，保持70℃反应12h，最终得到磁含量为76wt％的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球。

实施例2：磁含量为66wt％的核壳结构磁性复合微球的制备

1、油酸改性的Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备同实施例1-1中所述。

2、磁性复合微球Fe₃O₄/P(MMA/DVB)的制备同实施例1-2中所述。

3、具有核壳结构的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球的制备同实施例1-3中所述。所不同的是加入1.5g的壳层单体，最终得到的磁性复合微球的磁含量为66wt％。

实施例3：磁含量为47wt％的核壳结构磁性复合微球的制备

2、磁性复合微球Fe₃O₄/P(MMA/DVB)的制备同实施例1-2中所述。

3、具有核壳结构的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球的制备同实施例1-3中所述。所不同的是加入2.0g的壳层单体，最终得到的磁性复合微球的磁含量为47wt％。

实施例4：磁含量为28wt％的核壳结构磁性复合微球的制备

2、磁性复合微球Fe₃O₄/P(MMA/DVB)的制备同实施例1-2中所述。

3、具有核壳结构的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球的制备同实施例1-3中所述。所不同的是加入2.5g的壳层单体，最终得到的磁性复合微球的磁含量为28wt％。

实施例5：磁含量为20wt％的核壳结构磁性复合微球的制备

2、磁性复合微球Fe₃O₄/P(MMA/DVB)的制备同实施例1-2中所述。

3、具有核壳结构的Fe₃O₄/P(MMA/DVB)@P(St/GMA/DVB)复合微球的制备同实施例1-3中所述。所不同的是加入5.0g的壳层单体，最终得到的磁性复合微球的磁含量为20wt％。

Claims

1.一种具有核壳结构的磁性复合微球，其特征在于该复合微球以四氧化三铁/聚合物复合微球为核，以带有功能基团的聚合物为壳，其中，作为核的四氧化三铁经过油酸改性，作为核的聚合物单体为苯乙烯和(甲基)丙烯酸脂中的一种或几种，作为壳的聚合物为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸和二乙烯基苯中一种或几种；磁含量为20-80wt％。

2.一种如权利要求1所述的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法，其特征在于具体步骤为：首先，用共沉淀方法制备得到油酸修饰的纳米四氧化三铁粒子；接着采用模板细乳液聚合，制备高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球；然后采用种子乳液聚合，对核层磁性复合微球进行壳层表面功能化包覆，制备得具有核壳结构的磁性复合微球；其中，核壳结构的磁性复合微球中磁含量在20wt％-80wt％之间。

3.根据权利要求2所述的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法，其特征在于：所述的采用共沉淀方法制备油酸修饰的纳米四氧化三铁粒子的具体操作步骤如下：

在75-85℃下向含有Fe²⁺和Fe³⁺盐的水溶液中加入过量的氨水，然后再向体系中加入占Fe₃O₄重量1-40％的油酸，保温反应2.5-3.5h，然后通氮气蒸发过量的氨水，得到油酸改性的纳米四氧化三铁纳米粒子，分别用去离子水、乙醇、丙醇洗涤以除去多余的油酸，接着辛烷萃取，配制Fe₃O₄含量为10-80 wt％的磁流体；

所述的采用模板细乳液聚合制备高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球的具体操作步骤如下：

在超声条件下，将磁性纳米粒子分散到含表面活性剂的溶液中，超声乳化，超声功率范围为200-600W，超声时间为1-25min，得到稳定的磁性细乳液模板；然后将聚合物单体加入到磁性细乳液模板中，溶胀1-2h，得到富含磁性纳米粒子的单体液滴；然后加入引发剂，于65-75℃聚合15-25小时，得到高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球；

所述的采用种子乳液聚合，对核层磁性微球进行壳层表面功能化包覆，制备具有核壳结构的磁性复合微球，具体操作如下：

将以上得到的磁性复合微球磁分离，用十二烷基硫酸钠的水溶液洗涤，磁分离后，再分散到十二烷基硫酸钠的水溶液中，然后加入壳层单体，加入引发剂，于65-75℃聚合10-15小时，得到具有核壳结构的磁性复合微球。

4.根据权利要求3所述的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法，其特征在于所述的Fe³⁺盐为三氯化铁，Fe²⁺盐为氯化亚铁和硫酸亚铁中的一种。

5.根据权利要求2所述的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法，其特征在于采用模板细乳液聚合制备高磁含量单分散的四氧化三铁/聚合物复合微球的步骤中，所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠或烯丙氧基壬基酚聚氧乙烯(10)醚硫酸铵中的一种或几种；

所述的单体为苯乙烯和(甲基)丙烯酸酯单体中的一种或几种；

所述的引发剂为过硫酸钾，过硫酸铵或偶氮二异丁腈中的一种。

6.根据权利要求2所述的具有核壳结构的磁性复合微球的制备方法，其特征在于采用种子乳液聚合制备具有核壳结构的磁性复合微球的步骤中，所述的壳层单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、(甲基)丙烯酸和二乙烯基苯中的一种或几种。