聚苯乙烯@聚(N-異丙基丙烯酰胺)核殼球的納米化制備

肖新才,譚宏飛,王振環(huán),官亞蘭

(1 中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074；2 杭州和澤醫(yī)藥科技有限公司，杭州 310018；3 海南普利制藥股份有限公司，?？?570100)

長期以來,藥物遞送系統(tǒng)引起科研工作者強烈的興趣,時常有新概念出現(xiàn)[1-3]. 特別是近年來,因為體積小,能夠穿越體內(nèi)最小的毛細血管,具有較高的比表面積[4]和多功能性,納米核殼球或納米囊等納米級載體一直是研究的熱點,研究的內(nèi)容涉及設(shè)計、特性和制造等問題. 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[5-8],疏水核的納米載體由于提高了疏水性藥物的穩(wěn)定性和生物利用度,在科學(xué)技術(shù)研究中具有重要意義.

目前已有一些方法來制造微納米載體，例如微型乳液法[9]、反乳乳狀微球聚合法[10]、一鍋反微型乳液聚合方法[11]以及種子乳液聚合法[12],但這些球的尺寸大多為微米級,不是嚴格意義上的納米級. 目前為止,仍有一些制備納米載體的方案在研究中[13].

本文在前期研究的基礎(chǔ)上[14]，將疏水單體苯乙烯(St)在四氫呋喃(THF)中聚合產(chǎn)物泵入到親水的單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)溶液中制備納米球.苯乙烯和聚苯乙烯(PSt)是疏水性,而NIPAM和聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)為親水性. 當隨反應(yīng)時間和單體劑量增加時,在THF中,伸展的PSt 鏈的分子量和鏈長都增加. 當含PSt鏈在內(nèi)的THF溶液被泵入到NIPAM和N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺水溶液時,THF迅速溶于水中,PSt鏈的構(gòu)象由伸展狀態(tài)變?yōu)槭湛s,這種收縮態(tài)被用來制備納米球的模板,而PSt鏈末端的自由基還能引發(fā)單體NIPAM的聚合. 本文探討了水中的攪拌速率、N-異丙基丙烯酰胺濃度和苯乙烯的反應(yīng)時間等因素對球體尺寸和單分散性的影響,以期為不同用途的納米顆粒或納米囊的設(shè)計和制備提供指導(dǎo).

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM),分析純,日本 Kohjin 有限公司,經(jīng)正己烷/丙酮(4/1,體積比)混合溶劑重結(jié)晶提純；N,N′-二亞甲基雙丙烯酰胺(BIS),化學(xué)純,長沙歐邁生物科技有限公司,經(jīng)正己烷/丙酮(4/1,體積比)混合溶劑重結(jié)；苯乙烯(St),化學(xué)純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司,經(jīng)NaOH溶液(10%,質(zhì)量比)洗滌4次,再用超純水反復(fù)洗滌至中性,存入冰箱待用；偶氮二異丁腈(AIBN),化學(xué)純,上海試四赫維化工有限公司；四氫呋喃(THF),分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司.

透射電子顯微鏡(TEM,TecnaiG2 20-type,Czech Republic)；掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S-450,Japan)；動態(tài)光散射儀(TP-PCS,Brookhaven BI-9000AT,USA).

1.2 聚苯乙烯核-聚(N-異丙基丙烯酰胺)殼納米球的制備

參考文獻[14],分兩步來制備：在THF中制備線性的聚苯乙烯；在水中制備核殼納米球. 探討了苯乙烯聚合時間、水中的攪拌速度、和NIPAM濃度對納米球的影響,具體配方方案如表1所示.

表1 核殼納米球的制備的實驗參數(shù) Tab.1 Experimental parameters for the preparation of core-shell nanospheres

1.3 納米球單分散性、粒徑及形貌的分析表征

采用TEM觀察納米球核-殼結(jié)構(gòu),SEM觀察納米球粒徑及單分散性. 在SEM觀測的過程中,所有的樣品都載玻片上,烘干、鍍金. 在TEM觀測之前,將樣品都滴在銅網(wǎng)上,在紫外光下干燥處理.

1.4 納米球的平均粒徑及粒徑分布的分析表征

納米球粒徑分布是在納米球SEM圖像基礎(chǔ)上,通過電子圖像分析系統(tǒng)來表征的. 采用平均粒徑Dm=∑Di×Ni來表征納米球粒徑,其中Di為單個粒子的直徑,Ni為直徑Di粒子所對應(yīng)的數(shù)量百分數(shù). 采用粒徑分布系數(shù)δ來表征納米球的單分散性.

(1)

其中D90、D50和D10分別為納米球累積分布曲線中百分數(shù)分別為90%、50%和10%時對應(yīng)的粒子直徑.δ值越小,納米粒單分散性越好(δ<0.4)；反之則越差[15].

1.5 樣品的水動力直徑的表征

用動態(tài)光散射測定制備的樣品在室溫下的水力學(xué)直徑. 在測量前,樣品在水中的熱平衡10～15 min. 利用Stokes-Einstein方程和擴散因子來計算球體的水力學(xué)直徑.

2 結(jié)果與分析

2.1 納米球的形成機制

在本文中,4 mL的St 溶解于200 mL的THF中,在70 ℃攪拌下,通過引發(fā)劑的作用引發(fā)聚合反應(yīng),隨后16 mL含有線性PSt鏈的THF溶液以滴加的方式泵入不同濃度的NIPAM和N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(占NIPAM劑量的1%)水溶液中. 因此,系統(tǒng)的各部分的溶解度參數(shù)是涉及到材料的形成、顆粒尺寸和分布的重要因素.當水溶液和THF溶液混合時,混合物的極性同時發(fā)生變化. 混合物的極性δm可計算如下:

δm=φ1δ1+φ2δ2=∑φiδi,

(2)

其中δi和φi分別是溶劑i的溶解度參數(shù)和體積分數(shù)[16]. 當含PSt鏈和單體St的16 mL THF溶液,被泵入175 mL的NIPAM和BIS水溶液時,THF立即溶解在水中,根據(jù)式(2),混合物的溶解度參數(shù)和水的溶解度參數(shù)幾乎相近,這意味著少量的THF溶液的加入不會根本改變混合物溶液的極性(混合物的溶解度參數(shù)如表2所示).

表2 溶液在不同配比下的溶解度參數(shù)Tab.2 Solubility parameter of solvent under the different ratio

PSt和St 的良溶劑是THF而不是水,因此泵入的線性PSt鏈的構(gòu)象由伸展變?yōu)槭湛s,而沒有反應(yīng)的單體St從混合液中分離,由于用量少,極性差,在NIPAM和BIS沒有聚合前,St不可能參與聚合. 故主要是NIPAM和BIS在收縮的PSt模板表面的自由基作用下引發(fā)聚合,而聚合NIPAM和BIS親水物質(zhì)有助于球體懸浮在水溶液中[15].

2.2 攪拌速度對球尺寸和單分散性的影響

圖1為在不同攪拌速率下制得樣品的TEM結(jié)果及對平均直徑和單分散性的影響曲線. TEM圖中可以清晰看到核殼結(jié)構(gòu)，由于不同的攪拌速率得到不同的剪切力,將線性PSt鏈泵入NIPAM水溶液時,模板大小由剪切力形成,模板表面的自由基可引發(fā)PNIPAM的聚合反應(yīng). 由圖1可知：隨著攪拌速率的增加,獲得的最終的球體直徑減小. 當攪拌速率大于800 r·min-1時,平均直徑的變化幅度減小而單分散性急劇增加.這是因為流體中的剪切力增加,產(chǎn)生的模板變??；同時,隨著攪拌速度的增加，模板的接觸機會增加,球體的單分散性也隨之增加. 因而將制備球的攪拌速率選擇為800 r·min-1.

a～c)攪拌速度分別為700、800、900 r·min-1，與表1對應(yīng)；d) 影響曲線圖1 不同攪拌速度下制得樣品的TEM圖及攪拌速度對平均直徑和單分散性的影響曲線Fig.1 TEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different stirring rates and effect curve of stirring rates on the mean diameter and monodispersity

2.3 NIPAM濃度對球的尺寸和單分散性的影響

圖2為不同NIPAM濃度下制備球體的SEM圖及NIPAM濃度對球體平均直徑和單分散性的影響曲線. PNIPAM層的制備是采用自由基聚合的原理,通過該方法,在得到的模板表面的自由基作用下完成聚合,其反應(yīng)方式實際上是接枝聚合. 由于每單位體積的基團數(shù)保持恒定,單體NIPAM只需在模板表面上反應(yīng)形成PNIPAM外殼. 因此,樣品的平均直徑幾乎隨著NIPAM劑量的增加而增大. 當其劑量大于1.04 mg·mL-1時,樣品球的平均直徑略有下降,這可能是由于從較大的PNIPAM鏈中脫落所致. 另一方面,隨著NIPAM用量的增加,單分散性也越來越差. 由于PNIPAM納米層增加,球之間的粘連增加. 因為不同的聚合時間導(dǎo)致PSt不同鏈的長度,當有一定長度的PSt鏈被泵入水溶液時,前體球體的收縮大小應(yīng)決定最終球的大小. 換句話說,不同的苯乙烯聚合時間導(dǎo)致球體大小不同.

a～c) NIPAM濃度分別為0.75、1.04、1.25 mg·mL-1，與表1對應(yīng)；d) 影響曲線圖2 不同NIPAM濃度下制備的球體的SEM圖及NIPAM濃度對球體平均直徑和單分散性的影響曲線Fig.2 SEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different NIPAM concentrations and effect curve of NIPAM concentrations on the mean diameter and monodispersity

2.4 苯乙烯的聚合時間對球的尺寸和單分散性的影響

圖3為苯乙烯在不同聚合時間下制備的樣品的SEM圖和對樣品的平均直徑和單分散性的影響曲線. 由圖3可見：制備的納米球較理想,平均直徑在40～70 nm. 隨著反應(yīng)時間從4 h增加到6 h,最終的平均直徑幾乎處于同一水平,且形貌越變越好. 然而,當聚合時間進一步增加時,樣品的平均直徑明顯增加,單分散性也隨之變壞. 在聚合時間小于6 h時,PSt的線性鏈長度相對較短,所以模板的尺寸不是很大,這都有助于制備具有良好單分散性的小球體. 然而，當聚合時間增加到6 h以上,PSt鏈的長度進一步增加,模板的直徑也隨之迅速增加,粘黏的效應(yīng)也造成了單分散性增加.

a～c)聚合時間分別為4、6、8 h，與表1對應(yīng)；d) 影響曲線圖3 不同聚合時間制備的樣品的SEM及聚合時間對樣品的平均直徑和單分散性的影響曲線Fig.3 SEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different polymerization time and effect curve of polymerization time on the mean diameter and monodispersity

2.5 水力學(xué)直徑的測定

從上述結(jié)果出發(fā),用該方法制備PSt核-PNIPAM殼的納米球,第一個主要影響因素是St的聚合時間,第二個影響因素是攪拌速率,最后為NIPAM濃度. 較好的實驗參數(shù)應(yīng)選擇為攪拌速度約為800 r·min-1,相對稀的NIPAM濃度如0.11×10-3g·mL-1,St的聚合時間約為6 h. 樣品8的制備參數(shù)接近這實驗條件,圖4為樣品8通過動態(tài)光散射測定的水力學(xué)直徑. 結(jié)果顯示樣品的水力學(xué)平均直徑約為63 nm，直徑在59～69 nm之間的所占百分比達95%,且單分散性良好；說明在一定條件下,該方法可以得到納米球.

圖4 25 ℃下樣品8的水動力直徑Fig.4 Hydrodynamic diameters of the sample 8 at 25 ℃

3 結(jié)語

本文以線性PSt鏈作為模板,改變反應(yīng)介質(zhì)的極性，成功制備了PSt核-交聯(lián)的PNIPAM殼納米球，系統(tǒng)地研究了攪拌速率、N-異丙基丙烯酰胺量和苯乙烯聚合時間等因素對納米球尺寸、單分散性的影響水平.樣品TEM和SEM的分析說明：納米球的成功制備的第一影響因子是St的聚合時間,第二是攪拌速率. 該方法為制備單分散好的納米顆粒或納米囊提供了一種新的手段,制備的產(chǎn)物可應(yīng)用在疏水性藥物的輸送系統(tǒng)、油水分離和傳感器等方面.