功能高分子微球的制备与发展

Feb .　2008　文章编号:1671-7147(2008)01-0122-05

　　收稿日期:2007-10-16;　修订日期:2007-11-18.

　　基金项目:国家自然科学基金项目(50443012,20671043);江苏省高等学校优秀科技创新团队项目(苏教科[2007]5号).　　作者简介:陈明清(1962-),男,江苏张家港人,教授,博士生导师,工学博士.主要从事功能高分子材料的研究.

E mail:mqchen@jiangnan .edu .cn

功能高分子微球制备技术研究进展

陈明清,　陆剑燕,　江金强,　刘晓亚

(江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡214122)

摘　要:介绍了近年来功能高分子微球若干制备技术的研究进展.功能高分子微球可采用多种方法制备得到,由于其结构组成的可设计性、粒径与形态可控、比表面积大,具有优异的表面、量子尺寸效应,应用前景诱人,已引起国内外学者的广泛关注.关键词:功能高分子微球;制备;进展中图分类号:O 631　　　

文献标识码:A

Research Progress i n Prepara ti on of Functi ona l Polym er M i crospheres

CHE N M ing 2qing,　LU J ian 2yan,　J I A NG J in 2qiang,　L I U Xiao 2ya

(School of Che m ical and M aterial Engineering,J iangnan University,W uxi 214122,China )

Abstract:Functi onal poly mer m icr os pheres p repared by different methods have the outstanding surface pr operty,quantu m size effect and g ood potential future in app licati onswith its designable structure,contr olled size and large rati o of surface t o v olu me .Scholars all over the world have f ocused on this hot t opic .The preparing ways f or and research pr ogress in functi onal poly mer m icr os pheres are addressed in the paper .Key words:functi onal poly mer m icr os phere;p reparati on;devel opment

　　高分子微球是指其直径在纳米至微米尺度,形状

为球形的高分子聚集体.随着高分子微球制备技术的

不断发展,已从传统的乳液聚合[1]、悬浮聚合[2]

、分

散聚合[3],发展到无皂乳液聚合[4]

、种子乳液聚合[5]

、种子溶胀聚合和大分子单体参与的分散共聚合[627]

以及自组装[8]

等新的制备方法.同时高分子聚集体的形貌和功能也呈现出多样性变化,已报道的聚

集形态包括实心微球、中空[829]

、多孔、哑铃形、雪人

形、草莓和花瓣形[5]等,其功能发展到双亲性[10211]

、

光敏[12]

、pH 响应性、温敏性、磁性和生理相容性等.有关功能性高分子微球的制备,近年来越来越受到科研工作者以及相关企业的高度重视.一方面这类高分子微球具有比表面积大、表面吸附性能

强、聚集体结构组成的可设计性等优点,同时颗粒

尺寸可控、形态多样,在相关领域有着广泛的应用前景,从涂料、纸张表面涂层、化妆品到有害金属离

子的检测与分离[13]、与生物分子的相互作用[14]

、细胞活性的检测、多肽化学物的合成和抗体或抗原的固定等领域.

1　高分子微球的一般制备方法

不同的聚合方法可得到不同组成、粒径的聚集体,其粒径的分散度也不同.乳液聚合和无皂乳液

聚合方法一般适合制备粒径不超过1

μm 的微球,分散聚合和大分子单体参与的分散共聚合方法可制

备得到粒径尺寸范围更大的高分子微球.

无皂乳液聚合是在乳液聚合基础上发展起来的一种聚合方法,是指体系中完全不含乳化剂或仅含微量乳化剂(低于乳化剂的临界胶束浓度).它解决了传统乳液聚合后处理的困难以及乳化剂对产品带来不良的影响;同时降低了生产成本,减轻了对环境的负荷.由于无皂聚合体系中无外加乳化剂,聚合和存储过程中微球的稳定性差,因此固含量一般较低,大规模应用于涂料和黏合剂还存在一些问题.目前提高乳液的稳定性是无皂乳液聚合研究的重点,具体有以下几种途径入手:

1)利用聚合物链上或末端存在的离子基团;

2)在乳胶粒表面引入活性物质,从而降低乳胶粒2水两相之间界面张力;

3)提高乳胶粒表面的电荷密度;

4)在乳胶粒表面引入亲水性物质.

以上4种方法均可在乳胶粒的表面形成保护电层以获得稳定的乳液.如在合成苯乙烯单封端的聚乙烯醇(PEG)大分子单体的基础上,使其与苯乙烯进行无皂乳液共聚,制得了单分散的纳米微球.由于PEG大分子单体起到乳化剂的作用,同时作为共聚单体参与反应,接枝在微球的表面,对微球起到了很好的稳定作用,改善了微球表面的性能[4]. 1.2　分散聚合

分散聚合是指单体溶于介质,而生成的聚合物不溶于介质中的聚合方法,分散聚合也常常被认为是一特殊类型的沉淀聚合.分散聚合与乳液聚合的区别在于其介质一般为有机相,反应前为均相体系,聚合形成的聚合物必须不溶解于介质。由于分散聚合的粒子成核和增长特性,在逻辑上也被认为是乳液聚合的拓展.目前该领域研究最多的是在极性介质中的分散聚合和分散共聚,用于制备单分散微米级高分子微球.随着基础研究的深入,已开发出功能性大分子单体参与的共聚和在超临界CO

2介质中的分散聚合[15].

分散共聚是向微球中引入功能基团或功能高分子链最方便的方法之一.本课题组利用链转移自由基聚合和端基置换反应开展了不同种类大分子单体的设计与合成,并制备了如聚N2异丙基丙烯酰胺(P N I P AAm)接枝聚苯乙烯微球[16217],聚(N2乙烯基异丁酰胺)接枝聚苯乙烯微球[18219],PEG接枝聚苯乙烯纳米微球[627],PEG接枝聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球[20];对大分子单体新的合成方法进行了探索,利用原子转移自由基聚合(AT RP)的特点,得到了相对分子质量可控、相对分子质量分布窄的聚甲基丙烯酸叔丁酯[21]和聚甲基丙烯酸大分子单体,使大分子单体分别与苯乙烯进行分散共聚,均可形成聚甲基丙烯酸接枝聚苯乙烯微球(P MAA2g2 PSt)[22].姚尚风等[23]以对氯甲基苯乙烯为功能单体,经分散聚合制备了表面带有适量氯原子、粒径均匀的交联聚苯乙烯微球,利用微球表面氯原子的活性,引发单体进行ATRP反应,可达到对微球表面的改性;杨吉等[24]合成了表面以P VAc为接枝链的聚苯乙烯(P VAc2g2PSt)微球,并且在碱性条件下对P VAc链进行醇解,形成了以亲水性聚乙烯醇( P VA)为壳、PSt为核的复合微球.通过改变共聚反应条件,可控制该类聚合物微球的大小、分布、形态和表面组成,并可根据需要在微球表面导入不同的化学组成.为进一步提高微球的性能,在分散共聚反应中有目的加入比苯乙烯疏水性小的第三单体,由分散共聚制备得到了一系列具有特殊形态的聚合物微球[25227],并实现了微球颗粒的二次组装[28]. 1.3　自组装

采用自组装技术制备聚合物胶束是近年来最热门的研究领域之一[29],它是通过分子间特殊的相互作用,如静电吸引、氢键、疏水性缔合等,组装成有序的纳米结构,实现高性能化和多功能化.将双亲共聚物溶于共同溶剂中(疏水、亲水部分均能溶于其中),再在搅拌下滴入选择性溶剂或将选择性溶剂滴入共聚物良溶剂中,诱发胶束形成,最后经透析除去良溶剂,也可直接将聚合物溶于选择性溶剂中透析而形成胶束颗粒.微粒的大小和形状可以通过溶剂的选择以及调节聚合物浓度加以控制.如将一定量的水滴入PSt2co2P MAA共聚物的T HF溶液中,使共聚物进行自组装得到了碗状结构的聚合物颗粒[30].

2　功能高分子微球的制备

目前,功能高分子微球在病毒的脱除[31],药物分子的缓释与控释[32],酶固定化[33]等高新技术领域有着广泛的应用前景,成为重要的研究方向.

2.1　磁性高分子微球

磁性高分子微球具有磁性和高分子的双重性能,可以在外加磁场作用下方便地分离,Ugelstad等最先以分散聚合开发了铁的质量分数高达30%的磁性微球,并以"Dynabeads"商品名上市,用于细胞分离;Kondo等采用沉淀聚合法用温敏性聚合物P N I P AAm包埋了磁性颗粒;刘学涌等在Fe3O4磁流体存在的条件下,通过St与PEG大分子单体分散聚合,制得两亲性磁性高分子微球;在近期的研究

321

　第1期陈明清等:功能高分子微球制备技术研究进展中,本课题组在合成纳米磁流体的基础上,对磁流体表面进行疏水改性,利用PEG大分子单体[20]与疏水性单体形成的共聚物将其包埋在微球的内部,同样得到了磁性高分子微球.由于磁性功能微球在磁场环境可以快速富集,为实现靶向给药提供了可能.借助外部磁场,对肿瘤病变部位进行靶向给药,并维持病变部位有较高的药物浓度,减轻了一些疗效强而毒性大的药物对人体的副作用.在聚合反应过程中,通过选择共聚单体可赋予微球表面多种反应性功能基团(—OH,—COOH等)以达到结合多种生物活性分子的目的.

2.2　温敏性高分子微球

在水中具有最低临界溶解度(LCST)的P N I P AAm,当水溶液温度超过LCST时会发生可逆的相分离,利用这种可逆相分离行为可进行蛋白质的分离和纯化.丁小斌等[34]报道了同时具有热敏性和磁性功能微球的制备方法,并进行了人血清蛋白(HS A)的吸附/解吸研究,微球在分离过程中无凝集现象,可循环使用.Leobandung等[35]采用PEG大分子单体与N I P AAm共聚,制得温敏性单分散纳米微球,低温时药物通过溶胀进入微球内部,当温度高于LCST时,微球的体积收缩,大量的药物被释放出来,达到有效治疗疾病的目的.吴奇等同样采用PEG大分子单体与N I P AAm共聚,制备了不同组成的接枝共聚物,通过改变共聚物水溶液的温度,使N I P AAm主链发生收缩,得到了温敏性高分子聚集体.本课题组利用合成的P N I P AAm热敏性大分子单体,与丙烯腈/苯乙烯进行的三元分散共聚合中,一步合成了P N I P AAm接枝聚丙烯腈/聚苯乙烯高分子微球.在LCST附近,分散状态下的微球粒径随体系温度的改变而发生可逆变化,具有明显的温敏性[27].

2.3　pH敏感性高分子微球

pH敏感性微球主要是以羧基为功能基团,原料为丙烯酸(AA)和甲基丙烯酸(MAA),该类微球根据pH的变化可发生溶胀与收缩.通常以苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯为主单体,加入少量的AA或MAA由乳液聚合制备.作者利用大分子单体技术,由分散聚合的方法合成了全同立构聚甲基丙烯酸接枝聚苯乙烯纳米微球[21]和聚N2乙烯胺接枝聚苯乙烯纳米微球[13],此类微球对于pH的敏感范围比较宽.Kashi w abara等还报道一种带有羧基和氨基的两性聚合物微球,具有灵敏的pH响应性.

2.4　催化性聚合物微球

将催化活性成分以吸附、包埋或化学键合作用等固定在聚合物载体上得到具有催化功能的高分子复合微球.Chen等[36237]采用P N I P AAm大分子单体参与的分散聚合制得了高分子微球,在乙醇介质中将Pt离子原位还原,在微球上形成粒径为n m尺度的Pt粒子,或同时还原Au和Pt离子,形成复合金属纳米粒子作为非均相催化剂加氢还原烯丙醇化合物,聚合物微球负载Pt纳米粒子的催化活性与普通的Pt/C和Pt/PSt的催化活性相比要高数倍,并且多次循环使用后仍能保持很高的催化活性[38].在近期的工作中,本课题组以得到的特殊高分子微球为媒介,实现了对Pt纳米粒子和Ag纳米粒子的有效负载.

2.5　生物活性高分子微球

功能高分子微球作为生物活性物质的固相载体,可减少使用过程中扩散的影响,并能保留其生物活性.张彩华等以羟乙基纤维素接枝聚丙烯酸(HEC2g2P AA)在选择性溶剂中进行自组装,制备了具有良好分散稳定性的纳米颗粒,作为布洛芬的载体,可以在选择性条件下实现药物可控释放的目的.Akagi等以聚(γ2谷氨酸)为基本原料,通过L2苯基丙氨酸的改性处理制成了纳米微球,作为蛋白质的载体,可有效保护蛋白质的原有活性[38].

3　展望

随着科学技术的发展,人们希望能根据不同的使用要求设计合成出不同结构与性能的新材料,而功能性高分子微球的发展正顺应了这种发展趋势.如何正确选择单体的类型、进行分子设计,开发合适的制备方法,并使高分子微球进一步功能化,是扩展高分子微球应用领域的有效保证.无论是上述功能高分子微球,还是拓展到具有荧光性、导电性等其他性能,将是高分子学科研究的热点.

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(责任编辑:邢宝妹)