磁性高分子复合微球

磁性高分子微球

专 业： 无机非金属材料工程1002班 姓 名： 蔡曼菲 学 号： 201002128053 指导教师： 段辉

2013年11月6日

磁性高分子复合微球

磁性高分子复合微球是指通过适当的方法使有机高分子与无机磁性物质结合形成具有一定的磁性和特殊结构的微球。通过对磁性复合高分子微球的学习，了解了非中空微球的无皂乳液聚合、种子乳液聚合、Picketing乳液聚合、细乳液聚合、反相乳液聚合、原位乳液聚合及分散聚合等制备方法及中空微球的设计与制备方法以及生物高分子磁性微球在固定化酶、靶向药物、细胞分离与免疫分析等领域的应用。

1 磁性生物高分子微球简介

近20 年来, 磁性高分子微球的研究非常活跃,已从最简单的高分子包裹磁性材料发展到多种类型的组成方式。磁性高分子微球由两部分组成: 具有导向性的核层( 磁核) 和具有亲和性、生物相容性的壳层, 其结构一般有4 种类型, 即: 核- 壳型、壳- 核型、壳- 核- 壳型和镶嵌型( 见图1) 。

磁性高分子微球的性质不仅与组成材料的性质有关, 还与制备方法有关。因此, 制备方法的研究十分重要。通常不同类型的磁性高分子微球其制备方法也有所不同。

2 生物高分子磁性微球的结构和性质

磁性微球的核心部位是超细磁粉, 被高分子材料严密包裹。核心部位赋予微球以分离功能, 外层生物高分子功能基团赋予微球载体的功能。磁性微球在磁场的作用下可以用来移动、分离和定位, 而生物高分子作为载体可与其它材料, 如药物、抗原、抗体和酶等结合。生物高分子磁性微球的壳层与磁核的结合主要是通过范德华力、氢键、配位键的作用。生物高分子借助于这些作用力, 牢牢地束缚于金属氧化物晶体表面, 形成坚实的球状结构。生物高分子磁性微球的分析方法: 磁性微球的粒径分布用激光散射法测定; 粒子形态用透射电镜拍照; 生物高分子磁性微球的组成用元素分析法测定; 其结构用红外光谱法测定; 微球中铁含量用原子吸收光谱法测定; 磁化率用热磁分析仪测定。磁性生物高分子微球主要有以下特性:

(1) 表面效应和体积效应: 即比表面积效应。随着微球的细化, 其粒径达到微米级甚至纳米级时, 比表面激增, 微球官能团密度及选择性吸附能力变大,达到吸附平衡的时间大大缩短, 粒子的稳定性大大提高。

(2) 磁效应: 具有磁性, 可使生物高分子微球在外加磁场作用下方便地进行分离和磁性导向。当磁性四氧化三铁晶体直径小于30nm时, 具有超顺磁性, 即在磁场中有较强磁性, 没有磁场时磁性很快消失, 从而使生物高分子微球能够在磁场中不被永久磁化。

(3) 生物相容性: 磁性微球在生物工程特别是生物医学工程中的应用, 有一个重要方面就是要有生物相容性。多数生物高分子如多聚糖、蛋白质类具有良好的生物相容性。

(4) 功能基特性: 生物高分子有多种反应活性功能基团, 如- OH、- COOH、- NH2, 可连接具有生物活性的物质。

3 磁性生物高分子微球的制备

就其制备方法而言, 主要有包埋法、单体聚合法、化学转化法、可控制自由基法等。 3.1 包埋法

包埋法是将磁性粒子分散于高分子溶液中, 通过乳化复合、透析、干燥等手段得到磁性高分子微球。其中, 磁性粒子的制备有两种途径: ①共沉淀, 反应原理为:

Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3O4↓+4H2O ②沉淀氧化, 反应原理为: Fe2++2OH-→Fe(OH) 2↓

3Fe(OH) 2+H2O2→Fe3O4↓+3H2O

由于磁性Fe3O4 为亲水性微粒, 所以包埋的高分子一般也为亲水性分子, 否则很难将磁性微粒完全包裹。包埋法得到的磁性高分子微球主要是通过范德华力、氢键、配位键或共价键等作用, 使得高分子链缠绕在Fe3O4 颗粒表面, 形成聚合物包被, 得到磁性高分子微球。包埋法制备磁性高分子微球简单方便, 且颗粒表面本身所含的活性功能基团得以保留。但此法所得的磁性高分子微球颗粒大小难以控制、粒度分布宽、形状不规则、颗粒的磁性不均匀, 且壳层中常含有乳化剂等杂质。

3.2 单体聚合法

单体聚合法是在有机单体和磁性粒子共同存在的情况下，根据不同的聚合方式加入表面活性剂、稳定剂、引发剂等聚合制备磁性高分子微球的方法。主要包括乳液聚合、分散聚合、(微)悬浮聚合法。其中乳液聚合又主要包括无皂乳液聚合、种子乳液聚合、Pickering乳液聚合法、细乳液聚合法、反相乳液聚 、原位乳液聚合。

3.2.1无皂乳液聚合法

无皂乳液聚合是指在反应过程中完全不加乳化剂或者仅仅加入微量乳化剂(其浓度小于临界胶束浓度(CMC)的乳液聚合过程。有人利用原位无皂乳液聚合法制备了具有超顺磁性的CoFe204／P(St(苯乙烯)-BA(醋酸丁酯)-AOS(a-烯基磺酸钠))纳米复合粒子，并研究了引发剂用量、反应温度等对反应的影响。分析表明，微球的结构为高分子链接枝在CoFe204纳米粒子表面的核壳结构。还有人利用共沉淀法制备出Fe3O4磁性纳米粒子，用无皂乳液法制备了具有更好的生物相容性的单分散核壳结构的磁性高分子复合微球。 3.2.2种子乳液聚合法

种子乳液聚合中的种子分为外加型和自生成型。目前常用的是自生成种子

法，首先用乳液聚合法将成核单体合成种子乳液，然后按一定的方式将第二种单体加入到种子乳液中聚合制得。利用种子乳液聚合可以得到形态各异的乳胶粒子，且聚合过程中，种子乳液用量及壳层单体、加料方式等对乳液聚合有较大的影响。

3.2.3Pickering乳液聚合法

1907年Pickering发现超细的固体颗粒可以代替表面活性剂稳定地存在于油/水界面，能阻止分散的油(水)微滴再次凝聚为大液滴而分相，起到了稳定乳液的作用。Wang等利用Pickering悬浮乳液聚合法制备出PSt／Fe3O4复合微球。用Fe3o4纳米粒子为乳化剂来稳定乳液体系，通过乳液聚合得到磁性复合微球，研究了Fe3O4纳米粒子的用量对乳液体系稳定性的影响。 3.2.4细乳液聚合法

Chou等将以亚微米(5O～500nm)液滴构成的稳定的液／液分散体系称为细乳液(mini emulsion)，相应的液滴成核聚合称为“细乳液聚合”。在稳定的细乳液聚合中，细乳液液滴是主要的成核点即聚合场所，聚合前液滴的数目和大小在聚合过程中基本保持不变，决定了最终的乳胶粒的数目和尺寸，不像常规聚合由聚合动力学决定

3.2.5反相乳液聚合法

反相乳液聚合可采用油溶性或水溶性引发剂，形成反相聚合物乳胶。由于体系与常规乳液聚合形成镜式对照，故称为反相乳液聚合。反相乳液聚合体系主要包括水溶性单体、引发剂、乳化剂、水以及有机溶剂。反相乳液聚合为水溶性单体提供了一个得到高聚合速率和高相对分子质量产物的聚合方法。 3.2.6原位乳液聚合

由于原位乳液聚合制备的聚合物纳米粒子具有颗粒尺寸小、分布均匀、分散稳定等优点，逐渐引导着乳液聚合新的发展方向。Chen等先利用乳液聚合制备P(St-MAA)／Fe3O4纳米复合粒子，其中Fe3O4 为经过油酸改性后使用，然后利用原位化学氧化聚合制备具有良好导热导电性和超顺磁性的P(St-MAA(甲基丙烯酸))／Fe304／PPy(聚吡咯)纳米高分子复合微球。 3.2.7悬浮聚合法

(反相)悬浮聚合法是将溶有引发剂的油溶性(水溶性)单体以液滴状悬浮于水(油)中进行自由基聚合的方法。聚合反应在每个小液滴内进行，反应机理与本体聚合相同。悬浮聚合的优点是聚合热易扩散、反应温度易控制、聚合产物分子量分布比较窄、聚合产物易分离、易干燥。 3.2.8中空磁性高分子复合微球的制备

磁性中空聚合物微球是内部中空并具有磁性能的特殊球形材料，具有特殊和优异的物理化学性质，如具有比表面积大、质轻、热传导率低、介电性好等优点。制备中空微球的方法一般分为三种：自组装法、模板法、乳液聚合法。由于自组装法和模板法比较繁琐，乳液聚合法工艺比较简单而得到广泛的研究和应用。 3.3 化学转化法

化学转化法是指先合成均一的多孔有机聚合物微球, 微球中含有- Cl、- CHO、- NO2、- COOH、- SO3H等官能团, 均匀地镶嵌于微球的表面和孔洞中, 然后将此合成出来的带有多孔的高分子微球浸渍在一定浓度的Fe2+ 和Fe3+ 离子混合液中, 使聚合物微球在铁盐溶液中溶胀、渗透,再升高pH 值, 得到铁的氢氧化物, 最后升温到适当的温度, 即可得到含有Fe3O4 微粒的磁性高分子微球。 该方法与上述方法比较所具有的优势为: 制得的磁性高分子微球具有良好

的单分散性; 保证了所有磁性高分子微球在磁场下都具有一致的磁响应性; 可以制备各种粒径的致密或多孔磁性的高分子微球, 并可制备磁含量大于30%的高磁含量微球。除了以上介绍的制备方法外, 有些学者还尝试用新的方法来制备磁性高分子微球, 如界面沉积法、生物来源法、声化学法等。 3.4 可控制自由基聚合

随着自由基聚合技术的出现, 可控自由基聚合法制备磁性复合微球也应运而生, 这种方法的原理至今仍然不是很清楚, 但基本思想是利用磁性无机粒子表面的羟基反应点, 首先在磁性无机粒子表面引入自由基或是直接在磁性无机粒子表面引入引发剂, 然后再将这种带有自由基或引发剂的磁性无机粒子加入到油相单体中, 由这些粒子来引发单体。如图2 所示。

利用可控制活性游离基聚合法制备磁性复合微球具有以下的优点: (1) 解决了磁性无机粒子在油相中的分散、磁性无机粒子表面难以发生聚合的问题, 从而使制得的磁性复合微球的规整性大大提高, 磁含量也明显提高;

(2) 由于无机粒子表面的活性是可控制的, 磁性复合微球的壳层可以根据需要来调节, 所以磁性复合微球的粒径便于控制, 而且可以制备出表面带有多种不同功能基的磁性复合微球;

(3) 这种方法由于不需要外加表面活性剂、乳化剂物质, 制得的磁性复合微球表面洁净, 给后续的应用提供了方便。由于该方法具有以上优点, 所以得到人们的广泛重视。可控自由基聚合法有两种重要的方法: 原子转移自由基聚合法和DPE 法。

4 磁性高分子微球在生物方面的应用 4.1 在免疫分析中的应用

免疫分析是利用抗体与抗原之间的特异性, 用抗体检测抗原或用抗原检测抗体的分析方法。磁性分离大大加速和简化了免疫物质的分离过程。由于抗原抗体的特异性好, 故损失小, 分离纯度高。目前,免疫分析测定方法主要有放反辐射免疫分析、荧光免疫分析、电化学免疫分析及发光免疫分析等方法。在免疫分析中引进磁性微粒, 是近年来才得以发展的新方法。将抗原或抗体固定在磁性微粒上, 经免疫反应后, 在固相磁性微粒形成抗原和抗体的复合物,外加磁场沉降复合物, 然后, 洗涤多余的抗原和抗体, 或不分离复合物和多余的抗体和抗原, 直接在游离的溶液中进行测定。磁性微粒分离技术采用磁性微粒偶联剂作为配体的生物分子, 去分离体系中与之特异性结合的物质, 从而使抗原和抗体的分离大大简化。

4.2 在生物分离分析中的应用