單分散PS/PGMA核-殼型高分子微球的制備與表征

段 殷 ，左 鋒 ，柴宏森 ，劉建華 ，王冬梅 ，徐 亮 ，周 晶

（1.天津醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院,天津市臨床藥物關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300070；2.天津市出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津300457；3.湖北沙隆達(dá)股份有限公司，湖北434001）

核-殼型結(jié)構(gòu)的復(fù)合高分子微球制備簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)不同材料多種性能的互補(bǔ)，在醫(yī)學(xué)、檢驗(yàn)、生物工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。核-殼型高分子微球的制備方法有很多種，常用的有分散聚合[4-5]、乳液聚合[6]、沉淀聚合[7]、懸浮聚合[8-9]、種子聚合等[10-11]。其中種子聚合法(Seeded polymerization)是在粒徑均一的種子微球上共聚上特定的單體，制備得到核-殼型高分子微球，由于其具有可控性好，反應(yīng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。有研究者以聚苯乙烯（PS）為種子，采用種子聚合法將SiO2包覆于微球的表面，制備出了PS/SiO2復(fù)合微球[12]。在制備核-殼型微球的同時(shí)引入Fe3O4納米粒，制備了磁性SiO2復(fù)合納米粒[13]。這些研究工作的開(kāi)展都證明了種子聚合方法的優(yōu)越性。本研究采用種子乳液聚合方法制備核-殼型聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PS/PGMA）微球，通過(guò)本研究可以開(kāi)發(fā)出一種在PS微球的表面引入活性強(qiáng)的環(huán)氧基基團(tuán)（來(lái)自GMA）的制備方法，從而克服PS不易改性的缺點(diǎn)，拓展其應(yīng)用范圍。通過(guò)對(duì)制備條件進(jìn)行考察，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)此核-殼型微球粒徑的可控制備。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 TecnaiG2 F20場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（FEI公司）；Nicolet380型傅里葉變換紅外光譜儀（尼高力公司）；DelsaTMNano C納米粒度及zeta電勢(shì)分析儀（Beckman Coulter）；RE52CS旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；WE-2水浴恒溫振蕩器（天津市歐諾儀器儀表有限公司）

過(guò)硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、無(wú)水氯化鈣：均為分析純；十二烷基磺酸鈉（SDS）：電泳級(jí)；苯乙烯（St）：分析純，經(jīng)堿洗減壓蒸餾去除阻聚劑；GMA：純度為96%。上述試劑均購(gòu)自聯(lián)星生物科技有限公司（天津）。

1.2 單分散PS種子微球的制備 100mL錐形瓶中加入40mL 0.2%KPS與0.12%SDS水溶液，4mL St，吹N210min后，密封乳化 10min，水浴加熱至70℃振搖反應(yīng)12 h。

1.3 核-殼結(jié)構(gòu)的PS/PGMA微球的制備 在三口燒瓶中加入40mL上述制備的PS種子微球，再加入一定量的GMA與10mL 0.4%KPS水溶液，70℃攪拌反應(yīng)10 h。

1.4 微球的表征 高分子微球的形貌和表面結(jié)構(gòu)采用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM）觀察和測(cè)定，將分散在水中的高分子微球取一滴滴在覆有碳膜的銅網(wǎng)上，晾干后用TEM觀測(cè)。采用溴化鉀（KBr）壓片法測(cè)定PS種子和PS/PGMA微球的紅外光譜（IR）。

2 結(jié)果

2.1 PS/PGMA微球制備條件的考察和優(yōu)化

2.1.1 PS種子的粒徑對(duì)PS/PGMA微球粒徑大小的影響 本研究首先考察了PS種子粒徑對(duì)制備的PS/PGMA微球粒徑的影響，結(jié)果表明PS/PGMA微球粒徑隨著種子粒徑的增大而增大。例如實(shí)驗(yàn)中分別使用粒徑為（120.4±23.2）nm 和（131.2±30.4）nm的PS種子，所制得的PS/PGMA微球粒徑分別為（134.3±29.6）nm 和（147.7±40.8）nm。制得 PS/PGMA微球的多分散系數(shù)（PDI）分別為0.076和0.093。

2.1.2 KPS濃度對(duì)PS/PGMA復(fù)合微球粒徑的影響 實(shí)驗(yàn)采用種子聚合法制備核-殼型微球，要求能使反應(yīng)單體在PS種子上產(chǎn)生自由基鏈聚合反應(yīng)且反應(yīng)單體不單獨(dú)成核，因此對(duì)引發(fā)劑濃度的考察十分必要。由表1可見(jiàn)隨著KPS濃度的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑具有先增大后減小的趨勢(shì)。

表1 KPS加入量對(duì)微球粒徑的影響Tab 1 Effectof KPSconcentration on the particle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.3 SDS濃度對(duì)PS/PGMA微球粒徑大小的影響 乳化劑SDS的濃度對(duì)PS/PGMA微球粒徑的影響結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)隨著SDS濃度的增大，PS/PGMA微球粒徑逐漸增大，在SDS濃度為0.1%時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)SDS濃度繼續(xù)增大時(shí)，PS/PGMA微球粒徑反而變小。

表2 不同SDS濃度對(duì)微球粒徑的影響Tab 2 Effectof SDSconcentration on theparticlesizeof the preparedm icrospheres

2.1.4 GMA單體用量對(duì)PS/PGMA微球粒徑的影響 不同單體濃度對(duì)粒徑大小及分布的影響結(jié)果見(jiàn)表3，從表3中可看出PS/PGMA微球的粒徑隨GMA單體加入量的增加而增大。

表3 GMA單體用量對(duì)微球粒徑的影響Tab 3 Effectof theam ountsof GMA on theparticle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PS/PGMA復(fù)合微球粒徑的影響 在反應(yīng)進(jìn)行過(guò)程中，對(duì)所形成微球的粒徑進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，PS/PGMA微球的粒徑隨之增大。至反應(yīng)5 h后，測(cè)得粒徑大小幾乎保持不變，此時(shí)高分子微球粒徑增長(zhǎng)過(guò)程基本結(jié)束。在制備過(guò)程中，為了保證GMA轉(zhuǎn)化完全，反應(yīng)一般進(jìn)行時(shí)間為10 h。

2.2 PS/PGMA微球的表征

2.2.1 PS/PGMA微球的紅外光譜鑒定 PS種子和PS/PGMA微球的紅外光譜見(jiàn)圖2，比較兩種微球的吸收峰位發(fā)現(xiàn)，核-殼型PS/PGMA微球的紅外光譜分別在1 729 cm-1和1 128 cm-1處有兩個(gè)吸收峰。其中，1 729 cm-1處的吸收峰為GMA羰基伸縮振動(dòng)的特征吸收峰；1 128 cm-1處的吸收峰為碳氧單鍵的伸縮振動(dòng)峰。而在PS種子的紅外圖譜的相同位置并不存在吸收峰。該紅外譜圖的結(jié)果說(shuō)明了GMA成功的包覆在PS種子上，形成了PS/PGMA核-殼型結(jié)構(gòu)的微球。

2.2.2 PS/PGMA微球的形貌特征 由圖3可見(jiàn)，TEM照片中PS/PGMA微球具有良好的球形度，分布基本均勻。從圖中可清晰地看到所制備的微球具有核-殼型結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明了GMA包覆在了PS微球的表面。

3 討論

本文利用種子聚合法制備了納米級(jí)單分散核-殼型PS/PGMA高分子微球?？疾炝酥苽錀l件對(duì)微球粒徑產(chǎn)生的影響。其中KPS濃度、SDS濃度、GMA加入量是影響粒徑的關(guān)鍵因素。第一，以KPS為引發(fā)劑，將GMA共聚于PS種子的表面，當(dāng)增加引發(fā)劑濃度時(shí)，產(chǎn)生的自由基數(shù)目逐漸增多，形成微球的粒徑隨之增加。但是當(dāng)KPS濃度過(guò)高時(shí)，引發(fā)的自由基數(shù)目會(huì)顯著增加，即單體成核數(shù)目增加，從而導(dǎo)致微球粒徑減小。因此隨著KPS濃度的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑具有先增大后減小的趨勢(shì)。第二，在種子聚合過(guò)程中，乳化劑SDS對(duì)制備的微球的粒徑產(chǎn)生顯著影響。分析表2的結(jié)果認(rèn)為，GMA為疏水性單體，當(dāng)SDS濃度較低時(shí)，形成的膠束濃度低，對(duì)GMA的增溶作用較小，因此所形成的GMA殼層薄。而當(dāng)SDS濃度過(guò)高時(shí)雖然形成的膠束濃度高，但由于GMA單體的量有限，導(dǎo)致膠束中GMA的濃度較低，同樣使得形成的GMA殼層厚度變薄，最終使得微球粒徑減小。第三，隨著GMA單體加入量的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑隨之增大。這是因?yàn)楫?dāng)GMA含量逐漸增多時(shí)，聚合在PS種子上的GMA單體量也會(huì)隨之增加，因而微球的粒徑會(huì)增大。

本研究結(jié)果證明，采用本方法可以制備得到核-殼結(jié)構(gòu)的PS/PGMA微球。選用兩種性能互補(bǔ)的材料，PS為種子微球，GMA為聚合單體，與之前報(bào)道相比具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）采用簡(jiǎn)便、低成本的制備方法，以水為分散相，KPS為引發(fā)劑進(jìn)行乳液聚合反應(yīng)，避開(kāi)使用價(jià)格相對(duì)較高的陽(yáng)離子引發(fā)劑AIBN和穩(wěn)定劑PVP，最終制備出穩(wěn)定、球型度好且表面易改性的實(shí)用型納米級(jí)單分散復(fù)合微球。（2）通過(guò)在PS微球的表面引入GMA，利用其表面富含的環(huán)氧基，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PS/PGMA微球的功能基化改性，克服PS微球不易改性的缺點(diǎn)，同時(shí)GMA包覆在PS微球外部，可以克服PS微球本身非特異性吸附的缺點(diǎn)。

利用本方法制備的PS/PGMA微球易于表面改性，拓展了其應(yīng)用范圍，使其可以應(yīng)用于諸如免疫診斷、靶向藥物、蛋白分離等生物化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，本課題組已將該微球用作體外免疫診斷試劑的載體，將β2-微球蛋白（β2MG）抗體偶聯(lián)在此微球上，制備得到β2MG膠乳增強(qiáng)免疫診斷試劑，利用此檢測(cè)試劑測(cè)定人血液和尿液中的β2MG含量，檢測(cè)結(jié)果與商品化試劑（東甌RK66A/Z檢測(cè)試劑盒）測(cè)試的結(jié)果具有較高的一致性，且現(xiàn)有研究結(jié)果證明PS/PGMA微球制備的診斷試劑盒具有更好的穩(wěn)定性與測(cè)定結(jié)果重現(xiàn)性，相關(guān)工作正在進(jìn)一步開(kāi)展中。

[1]Johansson EM,BradleyM.Biocompatible polymer nanoparticles for intra-cellularapplications[J].Chimia(Aarau),2012,66（4）:237

[2]李如，于良民，高丙娟.高分子微球的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].廣州化工,2011,39（4）:14

[3]Sisman A R,Kume T,Tas G,et al.Comparison and evaluation of two C-reactive protein assays based on particle-enhanced immunoturbidimetry[J].JClin Lab Anal,2007,21（2）:71

[4]李廣錄，何濤，李雪梅.核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料的制備及應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展,2011,23（6）:1081

[5]Hu N,Wei L,Wang Y,etal.Graphene oxide reinforced polyimide nanocompositesvia in situ polymerization[J].JNanosciNanotechnol,2012,12（1）:173

[6]Cui L l,Xu H,He P,etal.Developing a hybrid emulsion polymerization system to synthesize Fe3O4/polystyrene latexes with narrow size distribution and highmagnetite content[J].JPolymer Sci:Part A:Polymer Chemistry,2007,45（22）:5285

[7]陳凱尹，劉俊渤，程志強(qiáng)，等.阿特拉津分子印跡聚合物微球的制備及表征 [J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，48（1）:117

[8]Tai Y,Wang L,Gao J,et al.Synthesis of Fe3O4poly（methylmethacrylate-co-divinylbenzene）magnetic porous microspheres and theirapplication in the separation ofphenol from aqueoussolutions[J].JColloid Interface Sci,2011,360（2）:731

[9]陳志軍，楊清香，李浩，等.懸浮聚合法制備聚苯乙烯磁性微球 [J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，28（1）:62

[10]Kloust H,P觟selt E,Kappen S,et al.Ultrasmall biocompatible nanocomposites:a new approach using seeded emulsion polymerization for the encapsulation of nanocrystals[J].Langmuir,2012,28（18）:7276

[11]Chen M,Wu LM,Zhou SX,etal.Amethod for the fabrication of monodispersehollow silicaspheres[J].AdvMater,2006,18（6）:801

[12]Graf C,Vossen D L,Imhof A,etal.A generalmethod to coat colloidalparticleswith silica[J].Langmuir,2003,19（17）:6693

[13]Lu Z,Qin Y,Fang J,etal.Monodispersemagnetizable silica composite particles from heteroaggregate of carboxylic polystyrene latex and Fe3O4nanoparticles[J].Nanotechnology,2008,19（5）:69