（高分子化学与物理专业论文）多功能复合微球的制备与表征.pdf

多功能复合微球的制备与表征 研究生：蔡杰导师：杨武利副教授 ( 复旦大学高分子科学系) 关键词：复合微球，功能化，多重响应性，核壳结构，药物载体，介 孔结构，量子点 摘要 近年来，随着现代科技的发展以及研究的深入，聚合物微球的功能化研究日 渐活跃。环境响应性聚合物微球由于其独特的化学、物理以及胶体性质，越来越 受到人们的关注，在生物医学领域具有广阔的应用前景。本文基于这样的一个研 究背景，同时结合本组在聚合物微球功能化方面的长期工作，利用不同方法，成 功制备了具有多重响应性的功能性微球，初步取得了以下几个方面的成果： 1 通过沉淀聚合成功制备了磁性p o l y ( n i p a m c o d m a ) 核一壳结构的复合微球， 制备得到的复合微球同时具有磁性、p h 以及温度三重响应性。实验考察了第 二单体的选择以及加入量对共聚物壳层的影响，体系中亲水性共聚单体的加 入量越多，复合微球的共聚物壳层也就越薄。同时研究了p h 以及温度的变化 对复合微球粒径的影响。实验发现，体系中加入共聚单体进行聚合，制备得 到的复合微球的溶胀比( ( d 2 5 0 c ，p h = 3 d o c p h 动3 ) 最大可达2 1 2 。 2 通过水解作用以及t e o s 与模板剂的缩合所形成的溶胶一凝胶法( s o l g e l ) 成 功制备出具有磁性的介孔二氧化硅球。体系中模板剂c 1 8 t m s 的加入量的不 同对制备得到的介孔二氧化硅球介孔尺寸以及比表面都有一定的影响。实验 选择t p s 对介孔二氧化硅球表面进行表面修饰，从而得到了表面巯基修饰的 介孔材料。 3 利用巯基表面修饰的介孔微球与水热法制备的量子点的络合作用成功将量 子点吸附在介孔材料的介孔中，证明可通过介孔材料对不同尺寸量子点吸附 i v 后的荧光表征来近似表征介孔微球的介孔尺寸。 4 在介孔微球的体系中加入温敏性单体n i p a m ，通过溶液聚合的方法，初步制 备接有p n i p a m 的介孔二氧化硅球；并探索了此介孔二氧化硅球对抗癌药物 d o x 的吸附释放过程，实验发现温度的变化可以基本实现d o x 的吸附与释放 ( 温敏性) ，可望用作药物载体。 v s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm u l t i f u n c t i o n a lp o l y m e r c o m p o s i t em i c r o s p h e r e s a u t h o r ：j i ec a i s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f w u l iy a n g ( d e p a r t m e n to fm a c r o m o l e c u l a rs c i e n c e ，f u d a nu n i v e r s i t y ) k e yw o r d s ：c o m p o s i t em i c r o s p h e r e s ，f u n c t i o n a l i z a t i o n ，m u l t i - r e s p o n s e ， c o r e s h e l l s t r u c t u r e ，d r u gd e l i v e r ys y s t e m ，m e s o p o r o u ss t r u c t u r e ， q u a n t u m d o t s a b s t r a c t r e c e n t l yt h ef u n c t i o n a l i z a t i o no fp o l y m e rm i c r o s p h e r e sh a sb e c o m em o r ea n d m o r ea t t r a c t i v ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y f u n c t i o n a lp o l y m e r m i c m s p h e r e sh a v ea t t r a c t e dl o n g s t a n d i n gi n t e r e s ti nt h ep a s td e c a d ed u et ot h e i r c h e m i c a l ，p h y s i c a la n dc o l l o i d a lc h a r a c t e r s b a s e do nt h eb a c k g r o u n da n do u rg r o u p r e s e a r c h e so nt h ef u n c t i o n a l i z a t i o no fp o l y m e r i c p a r t i c l e s ，t h e m u l t i f u n c t i o n a l m i c r o s p h e r e sw e r ep r e p a r e d ： 1 f e s o g s i 0 2 p ( n i p a m - c o d m a ) m u l t i r e s p o n s i v ec o m p o s i t em i c m s p h e r e sw i t h c o r e - s h e l ls t r u c t u r ew e r es y n t h e s i z e di nw a t e rb yp r e c i p i t a t i o np o l y m e r i z a t i o n t h em a g n e t i t en a n o p a r t i c l e se n d o w e dt h es u p e r p a r a m a g n e t i cp r o p e r t yf o rt h e c o m p o s i t em i c r o s p h e r e sa n dt h ec o p o l y m e re n d o w e dt h et h e r m o a n dp h r e s p o n s e t h ep r e s e n tw o r ki n v e s t i g a t e dt h ee f f e c to ft h es e c o n dm o n o m e ri n p u t o nt h ef o r m a t i o no fp o l y m e rl a y e rs h e l l t h eh y d r o d y n a m i cd i a m e t e ro f f e 3 0 d s i 0 2 ，p ( n i p a m - c o d m a ) m i c r o s p h e r e sd e c r e a s e dg r a d u a l l yw i t hp h i n c r e a s e d ，a n du n d e r w e n tav o l u m ep h a s et r a n s i t i o nw i t ht e m p e r a t u r e ，w h i c hw a s s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h ec o p o l y m e rc o m p o s i t i o n s t h es w e l l i n gr a t i o ( d 2 5 。c ，p h - 3 d 5 0 0 c 。p h 9 ) 3c o u p l i n go fp ha n dt e m p e r a t u r ev a r i a b l e sw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a t w i t h o u td m a ，a n dt h es w e l l i n gr a t i oc o u l d r e a c h2 1 2 v 1 2 an o v e lk i n do fm a g n e t i cc o r e m e s o p o r o u ss i l i c as h e l lm i c r o s p h e r e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yc o h y d r o l y s i sa n ds i t h s e q u e mc o n d e n s a t i o no ft e o s a n dc 1 8 t m s t h ei n p u to fc 1 8 t m sh a se f f e c to nt h ep o r ed i a m e t e ra n dt h e s p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fm i c r o s p h e r e s t h em e s o p o r o u sm i c r o p h e r e sw e r es u r f a c e m o d i f i e dw i t ht p si nf a v o rf o r t h en e x tp o l y m e r i z a t i o n 3 t h eq u a n t u md o t s ( q d s ) w e r ea b s o r b e di n t ot h e p o r e so fm e s o p o r o u s m i c r o s p h e r e sw i t ht h ec o m p l e x i n ga c t i o no fq d sa n dt h es u r f a c eo fm i c r o s p h e r e s ， a n dt h ep o r es i z eo fm e s o p o r o u sm i c r o s p h e r e sc o u l db em e a s u r e da p p r o x i m a t e l y b yt h ea b s o r b e dq d s 4 t h em e s o p o m u sm i c r o s p h e r e sw i t l lt h e r m o - r e s p o n s i v ec h a r a c t e rw e r eo b t a i n e d b ys o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n b a s e do nt h ep r i m a r yi n v e s t i g a t i o nt h ep r o c e s so f a b s o r p t i o na n dr e l e a s ea b o u td o x , a n d t h ea b s o r p t i o na n dr e l e a s eo fd o xc o u l d b ec o n t r o l l e db yt h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e s u c hm e s o p o r o u sm i c r o s h e r e sm a y p r o v i d ea n e ww a yf o rt h ed r u gd e l i v e r y i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明并表示了谢意 作糍：蠡楚日期：坦幸 二墨 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定1 1 i i ：学校有权保 留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阕：学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名：导师签名日期：鎏2 ：! ：璺 第一章绪论 1 1 纳米材料 第一章绪论 纳米科技被誉为未来影响人类生活和经济最深远的三大科技之一，使人类拥 有之前所没有的技能和知识。随着各种微观表征技术的发展，纳米科技近几年来 得到了飞速的发展，为我们的日常生活提供了便捷，并通过学科之间千丝万缕的 联系成功的发展了一系列新的学科。人类共同认为纳米科学和技术将在2 1 世纪 改变几乎所有微观物质的本质【1 】，由于纳米科技具有创造新的生产工艺、新的 物质和新产品的巨大潜能，因而纳米科技有可能在新的世纪掀起新的产业革命。 在科技发展的历史上，人类致力于发展各种学科的相互交叉、互相补充，努 力通过科技的发展来改善人类的生存，而其中，纳米技术及其相关技术是目前科 技领域研究最为活跃的方向之一，在提高人类生存和生活质量等方面发挥了重大 的作用。纳米材料本质上可以分为三类，无机纳米材料，有机纳米材料以及无机 有机复合纳米材料。其中纳米无机材料的研究主要包括纳米非金属氧化物、金属 及其氧化物或合金，纳米有机材料，有机聚合物纳米材料，常可以拓展应用于组 织工程与人工器官研究，也可以作为胶体粒子用于疾病诊断、酶的固化、细胞分 离以及免疫分析等 2 】。 无机有机复合纳米材料是将有机高分子与无机粒子复合制得无机一有机复合 粒子，并不是无机相与有机相的简单加合，而是由无机相和有机相在纳米至亚微 米范围内结合形成，两相界面自j 存在较强或较弱化学键( 范德华力、氢键) 。复合 后将会获得集无机一有机粒子的诸多特性于一身的具有许多特异性质的新型功能 材料，这些新材料将在诸如光学、电子学、机械、生物学等领域有许多新的应用。 无机一有机复合粒子的制备方法主要有3 种：1 ) 物理方法：喷雾干燥法、真空蒸发 沉积法、机械包埋法、机械研磨法、多孔离心法等；2 ) 物理化学方法：相分离法、 异相凝集法、凝胶法、粉末床法等；3 ) 化学方法：主要是无机粒子为种子的单体 聚合法，包括界面聚合法、原位聚合法、气相表面聚合法等。在上述3 大类制备 方法中化学方法和物理化学方法应用较多 3 ，4 。在化学方法中，单体聚合法是 制备异相结构粒子最重要的手段之一。其方法主要有悬浮聚合、分散聚合、乳液 聚合( 无皂乳液聚合、种子乳液聚合) 等。单体聚合法成功的关键在于确保单体 复旦大学硕士论文 第一章绪论 聚合反应在无机粒子表面顺利进行。 聚合物微球的制备方法通常包括乳液聚合法( 包括无皂乳液聚合 5 7 】，种子 乳液聚合【8 ，9 】) ，分散聚合法u o ，1 1 】、( 微) 悬浮聚合法【1 2 】、微乳液聚合法 1 3 1 5 、 细乳液聚合法 1 6 ，1 7 、种子溶胀聚合法以及界面聚合法等。此外，还可以利用大 分子组装或物理乳化法制备聚合物微球。通过不同的制备方法和机理制备得到的 聚合物的粒径及粒径分布有所不同。聚合物微球的大小可以通过使用不同的制备 方法或控制反应条件加以调节；聚合物微球表面易于功能化，利用不同的功能性 单体可以制备表面含有特定官能团的微球，也可以通过对制备得到的微球的后期 表面处理( 即各种化学改性) 使微球的表面得到改；聚合物微球的降解性、生物 相容性等物理化学和胶体性质都可以通过各种方式加以调节，聚合物微球的这些 特点使其在生物医学领域具有非常大的优势。随着现代科技的发展以及研究的深 入，为了拓展聚合物微球的使用范围，使其更好的为人类服务，功能性( 环境响 应性) 聚合物微球越来越引起人们的关注。 1 2 环境响应性聚合物微球的研究 随着现代科技的发展以及研究的深入，功能性( 环境响应性) 聚合物粒子越 来越引起人们的关注。环境响应性聚合物微球是一种新型的功能材料，与普通的 功能性材料不同的是，这类微球对其周围环境的某种或多种刺激( 如温度、p h 值、 离子强度、特定化学物质、电场、磁场等) 能够迅速作出响应，并由此使自身的 物理化学和胶体性质发生改变。目前研究得较多的响应性聚合微球主要包括温度 敏感的聚合物微球、p h 敏感的聚合物微球、磁性聚合物微球，光敏感聚合物微 球等。以下我们对几种常见的环境响应性微球展开讨论。 1 2 1 温度敏感的聚合物微球的研究进展 在众多的聚合物微球中，温度敏感的聚合物微球最为常见，温度的控制不仅 容易操作且温度的变化无论在体内还是体外都可以实现。温度敏感的聚合物微球 的最主要的特点即其有临界相转变温度( c s t ) ，即周围环境温度发生变化会影 响这些基团的亲水和疏水性以及大分子链间的相互作用，从而使微球的结构、性 质等发生变化，并伴随着体积相转变。 复且大学硕士论文 2 第一章绪论 聚合物微球按照其对温度的响应性可分为三种：升温时微球收缩的称为低 温溶胀型，聚合物具有最低临界溶解温度( l c s t ) ：升温时微球溶胀的称为高温 溶胀型，聚合物具有最高临界溶解温度( u c s t ) ：具有两种相图的凝胶，即升温 溶胀，再继续升温收缩的，叫做再回归型。下面我们主要介绍前两种温度敏感性 聚合物微球。 i 2 1 i 低温溶胀型微球( l c s t ) 对于具有l c s t 的温度敏感的微球，目前研究得最多的是聚( n 一异丙基丙烯 酰胺) ( p n i p a m ) 微球。自从1 9 8 6 年p e l i o n 等 1 8 首次报道以来，许多学者采用 不同的方法来制备p n i p a m 微球，也有不少学者针对p n i p a m 的相关应用做了了大量 工作。而聚合物随着温度的变化引起体积变化的过程如图1 1 所示 1 9 。 h ，h o 辩纠。纠 t l c s t 器：爱羹甏? “h - i t k - - 。l c 8 t 豁”气t l c 8 t ” “ 一气h 。h0 ” h 蚋蕾q p 纛涵耙 f i g u r e1 1 s c h e m a t i co f t - r e s p o n s i v ep o l y m e rr e s p o n s ew i t ht e m p e r a t u r e p e l t o n 等采用无皂聚合物法以过硫酸钾引发单体n 一异丙基丙烯酰胺 ( n i p a m ) 和交联剂n ，n - 亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 制备了p n i p a m 微球，反应过程 中增长的p n i p a m 链在反应温度下发生相分离，使得线性p n i p a m 收缩成为胶体粒 子，因此也有人称这这种方法为沉淀聚合法。对这过程e l a s s a r i 等 2 0 进行了 理论上的描述：在聚合反应引发之前，单体、交联剂和水形成均相体系，引发剂 分解并引发聚合后，体系中产生大量寡聚物，当聚合物链增长至临界链长或被交 联时，体系就产生聚合物粒子的前体核并通过聚集或交联形成成熟的粒子，经过 快速的成核期后，残余的单体继续在水溶液中、粒子的表面或粒子中被溶胀的区 域发生聚合反应。此时，由于交联剂m b a 的聚合反应速率很快，反应后期体系中 m b a 基本上被消耗，因此后期产生的聚合物p n i p a m 是线性大分子链，在高温下可 能沉积在已经生成的粒子表面，因此，所制备的聚合物p n i p a m 微球是一个内部高 复旦大学硕士论文 3 第一章绪论 度交联的微球，而接近微球表面的那部分聚合物交联度很低。 随着相关研究的工作的深入，为了调节p n i p a m 微球的l c s t 或者进一步对其进 行功能化，许多研究者尝试通过将n i p a m 与其它单体共聚来制备温度响应的聚合 物微球。n i p a m 与亲水性单体共聚可以使p n i p a m 的l c s t 升高，而通过与疏水的单 体共聚可以降低l c s t 2 3 ，2 4 。如通过甲基丙烯酸( m a a ) 和n i p a m 共聚，z h o u 等 2 5 制备了甲基丙烯酸改性的p n i p a m 微球，其l c s t 随着微球中m a a 含量的增大而升高。 通过改变聚合反应中共聚单体的加入量的改变调节聚合物微球的l c s t ，利用聚合 物微球l c s t 的变化来调节实际应用中所需要的温度，以拓宽聚合物微球的应用范 围。 y u 等 2 6 通过使用少量的阴离子或阳离子或其混合物作为n i p a m 的共聚单 体，制备了离子型的p n i p a m 微球。研究发现，改性后的p n i p a m 微球的l c s t 和温度 响应范围与共聚单体的类型和加入量密切相关，在高温下发生收缩后的共聚物微 球的收缩程度远低于收缩后的均聚物微球，而且这种共聚微球的收缩动力学比均 聚微球要快得多，在几秒内就可以达到收缩平衡。 l _ 2 1 2 高温溶胀型微球( u c s t ) 高温溶胀型聚合物微球是另一类温度敏感的聚合物微球，这些微球的温度敏 感特性主要来自于微球中大分子间的氢键作用，这类微球大多数由聚丙烯酰胺和 聚丙烯酸互穿网络组成。在低于其最高溶解温度( u c s t ) 时，互穿网络聚合物微 球内部的大分子之间存在氢键相互作用，微球处于收缩状态，并具有较小的粒径； 而在高于u c s t 时，氢键相互作用被破坏，微球发生溶胀，粒径增大，如图1 2 所 示。x i a o 等 2 7 通过无皂乳液聚合制备了丙烯酰胺( a a m ) 苯乙烯( s t ) 共聚微 球，并以其作为种子在其表面再聚合形成一层交联的p a a m 壳层。最后，将所得的 微球泡在丙烯酸( 从) 、m b a 和过硫酸钾的水溶液中进一步聚合物，从而获得壳交 联的并含有p a a 的温度敏感的聚合物微球。体系中p a a m 与p a a 在溶液中可以形成氢 键作用，当体系的温度低于微球的u c s t 时，p a a 与p a a m 之间形成氢键从而微球由于 链链相互作用呈收缩状态；当环境温度高于u c s t 时，p a a c 与p a a m 之间氢键由于高 温被破坏，链段的舒展从而使聚合物微球呈溶胀状态。表征结果表明微球的u c s t 大约为2 2 左右。且体系中a a m 的加入量对聚合物微球的溶胀比也有一定的影响， 复旦大学硕士论文 4 一 第一章绪论 当a a m 加入量比较少时，聚合物微球的壳层比较薄，因此微球受壳层厚度的影响 其溶胀比比较小；a a m 量增加后，壳层厚度增加，从而微球的溶胀比也相应增大； 但是如果从m 加入量过多，形成的壳层厚度过后则会限制p 从的交联从而微球的溶 胀比减小。因此可以通过a a m 的加入量来控制聚合物微球的溶胀比以得到不同性 质的温度敏感性微球。 f i g u r e1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ep r i n c i p l eo f t h e r m o r e s p o n s i v ev o l u m ep h a s e t r a n s i t i o ni nt h ei n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r ko f p a aa n dp a a m 1 2 2p h 敏感的聚合物微球的研究进展 p h 敏感聚合物微球最早l 主i k a t c h a l s k y 2 8 于1 9 4 9 年由聚甲基丙烯酸制得，这 种水凝胶在高的p h 值时可吸收自身重量上百倍的水，而p h 下降时逐渐收缩。 t a n a k a 2 9 在测定陈化后的丙烯酰胺凝胶的溶胀比时也发现t p h 敏感性，由于水 凝胶内的酰胺基在碱性条件下部分水解为羧基，而羧基的离解度依赖于p h 值，从 而导致了溶胀比的差异。p h 敏感水凝胶一般在大分子骨架中含有可电离或缔合的 酸碱基团 3 0 。3 1 ，如甲基丙烯酸、丙烯酸、苯乙烯磺酸、甲基丙烯酸( 二甲基胺 乙基) 酯等。此外，氨基酸也可用来制备p h 型敏感水凝胶，如响应型聚多肽水凝胶 复旦大学硕士论文 5 第一章绪论 就是由亲水的谷氨酰胺和疏水的亮氨酸制得的 3 2 。水凝胶发生显著体积变化的 p h 区域取决于其骨架上的基团，若水凝胶含弱酸基团，它将随p h 升高膨胀比增大： 若水凝胶含弱碱基团则相反。根据p h 敏感性基团的不同，可分为阴离子、阳离子 和两性型三类。 1 2 2 1 阴离子型 阴离子型p h 敏感聚合物( 又称聚弱酸) 的可离子化基团一般为- c o o h ，且常用 丙烯酸( a a ) 及其衍生物做单体，并加入疏水性单体甲基丙烯酸甲酯乙酯丁 酯( m 姒e m a b m a ) 共聚，以改善其溶胀性能和机械强度，在p h 敏感性聚合物中此类 相关研究较多 3 3 3 6 。其p h 敏感性来源于大分子链上的一c o o h ，羧酸基为弱酸， 因此发生溶胀突跃的p h 较高。p h 敏感性受到聚丙烯酸离解平衡、网链上离子静电 排斥作用及凝胶内外平衡影响，这些因素均与p h 和离子强度有关，其中静电排斥 作用为主要影响因素 3 7 。由于存在交联网络的限制，当阴离子一c o o h 之间斥力 与网络的回弹力达到平衡时，再增加羧基含量，膨胀比也不会增加：交联剂用量及 其官能度对膨胀行为也有影响 3 8 。另外，将阴离子聚电解质水凝胶p m a a 接枝到 如聚乙二醇聚合物上，在低p h 处二者通过氢键形成强的复合物，同样具有p h 敏感 性：而且这种复合物部分受到疏水化作用的稳定，还兼具热敏特性，在特定p h 值 当温度下降，膨胀比随之增加 3 9 。m e i e r 等 4 0 3 等通过乳液聚合制备了具有核壳 结构的具有p h 、离子强度的可逆响应的p a a 微囊泡。作者考察了p h 值微囊泡性质 的影响，随着体系p h 的升高- c o o h 发生解离，羧基解离产生的负电荷之间的电荷 相互排斥作用导致p a a 微囊泡粒径的增大，微囊泡的粒径随体系p h 改变而发生连 续性的变化( 图1 3 ) 。这种p h 值可调可控的行为可以广泛使用在靶向释药等生物 医药方面。 复旦大学硕士论文 6 第一章绪论 基 、 34567891 0 p h f i g u r e1 3h y d r o d ) r n a m i cr a d i u s 确o f p o l y ( a c r y l i ca c i d ) s p h e r e sa saf u n c t i o no f p h a tac o n s t a n ti o n i cs t r e n g t h 1 2 2 2阳离子型 阳离子型p h 敏感聚合物微球的可离子化基团一般为胺基( 又称聚弱碱) ，如 n ，n 一二甲基乙基氨乙基甲基丙烯酸甲酯( d m a d e a ) 4 1 ，4 2 、乙烯基吡啶( p v p ) 4 3 ，4 4 和丙烯酰胺，其p h 敏感性主要来自于胺基质子化，胺基越多，水凝胶水化 作用越强，平衡溶胀比越大。其溶胀机理与阴离子型相似。不同的p h 响应性单体 形成的聚合物拥有不用的等电点，如：d m a 的等电点约为7 0 ，d e a 的等电点约为 7 3 ，而乙烯基吡啶( p v p ) 的等电点相对较低约为5 0 5 9 ，所以实验中可采用不同 的p h 响应性单体来制备实验所需要的阳离子型p h 敏感性聚合物微球。j k r n l e s 等 5 9 】 研究了d m a d e a 与d m a - d p a 两嵌段共聚物在p h 发生改变时形态的变化。当p h 较低时，d m a 、d e a 以及d p a 均发生电离，呈现亲水性溶解在体系中而不形成 胶束：当p h 升高时，三者均不发生电离，d m a 呈亲水性d e a 与d p a 呈疏水性， 因此在体系中形成以d m a 为冠d e a 或d p a 为核的胶束。通过控制体系的p h 来控 制胶束的形成( 图1 4 ) 。 复旦大学硕士论文 7 第一章绪论 ， u n i m e r s涨滕“姒 m i c l l e s f i g u r e1 4s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p h - i n d u c e dm i c e l l i z a t i o nf o rb o t hd m a d e a a n dd m a d p ad i b l o c kc o p o l y m e r 1 2 2 3 两性型 4 5 两性p h 敏感性聚合物同时含有酸碱基团，如苯磺酸钠和甲基丙烯酰胺丙基三 甲基氯化铵共聚得到的水凝胶，其p h 敏感性来源于高分子网络上的两种基团离 子化，羧基在高p h 处离子化，胺在低p h 处离子化，故两性水凝胶在高低p h 处均有较 大的溶胀比，而在中间p h 处其溶胀比较小。与前面两种不同，它在所有p h 范围均 存在溶胀，而不需要存在一最低p h 要求，同时它对离子强度的变化更敏感。 1 2 3 具有荧光标记的聚合物微球的研究进展 近年来，荧光探针技术在生物医药、材料化学、环境检测、临床医学、基因 分析等各个领域都有很大的发展，这是由于荧光探针检测技术的发展赋予了该手 段高灵敏性、易操作性，低成本性和环境友好性等诸多独特的优点。荧光探针技 术已经成为标记示踪领域最热门的研究。荧光探针分为两种：一类为有机方向的 荧光分子富集体，另一类为无机方向的纳米晶。下面我们主要针对纳米晶进行进 一步的介绍。 i 2 3 1 纳米微粒与纳米晶 纳米微粒是指尺寸在纳米级的金属或半导体材料的细小颗粒，其尺寸范围在 l 1 0 0n m 。它们是介于体相材料与分子间的物质状态，展示出许多特殊的光、电、 磁、催化等性质。由于量子尺寸效应的存在，纳米晶的光学及电学性质强烈依赖 其尺寸通过化学方法合成纳米晶，对纳米晶进行适当的表面修饰能够明显的提高 其化学、光学及催化性质【4 6 】。纳米晶的众多特点中，量子尺寸效应最为主要。 复旦大学硕士论文 8 莩 第一章绪论 w 舶嘲阳蝎肿弧嘲 f i g u r e1 5t y p i c a lu v v i sa b s o r p t i o ns p e c t r ao f d i f f e r e n t l ys i z e dc d s en a n o c r y s t a l s 随着晶体尺寸的减小，光生电子及空穴受到空间限域效应，这些载流子占有 轨道的能量比体相晶体的更高。当纳米晶尺寸下降到某一值时，金属费米能级面 附近的电子能级由准连续变为离散，出现半导体连续能带( 价带和导带) 变为分立 的能级结构及带隙变宽的现象，就是所谓的量子尺寸效应 4 7 】。量子尺寸效应导 致纳米晶的吸收光谱及荧光发射光谱蓝移。图1 5 为c d s e 纳米晶的紫外可见吸 收光谱 4 8 1 ，随着纳米晶尺寸的减小，c d s e 的吸收带边明显蓝移，同时伴有多个 分立的激子吸收峰的出现，其光致荧光颜色也从红色变化到蓝绿色。其它纳米晶， 包括一族的c d s 、c d t e 、h g t e 、z n s e 和i i i v 族的i n p 、i n a s 等，都表现出这 一典型的光谱特征。这一变化仅仅是通过调节纳米晶尺寸这一个参数实现的，而 纳米晶的化学组成及晶体结构并不改变。纳米晶光致荧光颜色的可调性是它们最 突出的特点。 1 2 3 2 纳米晶的合成与复合 纳米晶可以通过物理或化学方法来制备，但以化学合成方法为主。而胶体化 学法又是最方便、最传统的方法【4 9 】。用于制备纳米晶的原料可以分为两类，前 驱体类和配体类( 也称稳定剂) 。前驱体类原料用于生成纳米晶的核心部分，而配 复旦大学硕士论文 9 第一章绪论 体类原料用于防止纳米晶聚集。胶体化学法正是合理的利用了这一关系。人们可 以通过胶体化学方法创造很多种前驱体类和配体类原料间的组合，形成不同尺 寸、形状的纳米级团簇，这些纳米团簇就是合成纳米晶的起始。目前在胶体化学 法框架内合成高质量的纳米晶的主要方法包括：有机金属法 5 0 、有机“绿色化 学”法 5 1 、巯基水相法 5 2 、羧基水相法 5 3 以及水热法 5 4 等。 目前，与纳米晶复合的材料主要有两类，无机硅、钛凝胶系列和有机大分子、 聚合物系列： s 无枧凝狡复合 m u l v a n e y 等人通过将油溶性c d s e 纳米晶与正硅酸乙酯共水解的方法，制备 了荧光玻璃 5 5 】。l i 等人通过将水溶性c d t e 纳米晶与可配位硅烷偶联剂共水解 的方法，制备了高荧光强度玻璃【5 6 】。n i e 等人利用纳米晶与介孔分子筛孔中修 饰物间的疏水疏水相互作用，将不同荧光颜色的纳米晶固定在几微米大的介孔 分子筛微球中( 图1 6 ) ，纳米晶具有良好的稳定性，可以潜在应用在生物编码领域 【5 7 】。a l i v i s a t o s 等人通过表面配体交换，成功的制备出以一个纳米晶为核的复 合微球体，硅壳厚度仅为几个纳米 5 8 。 f i g u r e1 6t r u e - c o l o rf l u o r e s c e n c ei m a g e so f m e s o p o r o u ss i l i c ab e a d sd o p e dw i t h s i n g l e - c o l o rq u a n t u md o t s 与有祝高分子复合 复旦大学硕士论文 1 0 第一章绪论 由于纳米晶聚合物复合微球在生命科学研究中的潜在应用，人们在这方面投 入越来越大的热情。n i e 等人把含c d s e 纳米晶的混合溶液溶胀进胶体微球，用 硅去封闭微球表面，制备了单色及复色荧光微球 6 0 】。m g h w a l d 等人将l b l 技术 引入到胶体微球表面，制备出组装有纳米晶的聚合物微球，微球具有可见及近红 外区的荧光，并在此基础上制备了含纳米晶的聚合物微胶囊 6 1 ，6 2 。r o s e n z w e i g 和d u b c r t r e t 等人分别用多糖及磷脂嵌段共聚物制备出几百个纳米的复合微球 【6 3 。p e n g 等人用可聚合树枝状分子包覆纳米晶，引发聚合后制备出几个纳米的 复合微球 6 4 1 。 1 2 4 磁性聚合物微球的研究进展 磁性高分子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起 来形成的具有一定磁性及特殊结构的微球。磁性高分子微球兼具高分子的众多特 性和磁性物质的磁响应性，一方面可通过共价键来结合酶、细胞和抗体等生物活 性物质，另一方面可对外加磁场表现出强烈的磁响应性，因此，它被用做酶、细胞、 药物等的载体广泛地应用到了生物医学、细胞学和生物工程等领域。此外，它也 可以作为有机一无机复合填料，应用于磁性塑料和磁性橡胶领域。 1 2 4 1 磁性纳米颗粒( 磁流体) 的制备 制备磁性纳米颗粒的主要方法包括：物理法( 机械研磨法) 和化学法，其中化 学法制备磁性纳米颗粒主要包括化学沉淀法、氧化法和热解法。化学沉淀法通常 是向铁盐溶液加入碱液并适当控制反应条件如温度、搅拌速度等，或者添加一定 的稳定剂制备磁性纳米颗粒。1 8 5 2 年l e f o r t 就首次报道了化学共沉淀法制备水性 和油性磁流体 6 5 。氧化法制备磁流体，即在向亚铁盐溶液滴加碱液的同时加入 一定量的过氧化氢水溶液，可以制备磁流体 6 6 。热解法制备磁性纳米颗粒是最 近几年才发展起来，由于这种方法制备的颗粒不仅粒径均一，而且晶形完善，因此 逐渐被用来制备各种金属及其合金纳米颗粒和氧化物纳米颗粒等 6 7 ，6 8 。 1 2 4 2 磁性聚合物微球的制备 制备磁性聚合物微球的方法多种多样，从早期的简单乳化交联法到随后 复旦大学硕十论文 第一章绪论 u g e l s t a d 首创的原位合成法再到常规单体聚合法( 乳液聚合，分散聚合等) 以及现 在一些先进的方法如活性聚合( 如基团转移聚合等) 。目前制备磁性聚合物微球的 方法越来越趋向以小尺寸、单分散、强磁性以及易功能化和生物相容性为目标。 常见的合成方法主要包括：包埋法、单体聚合法以及化学转化法( 原位法) 。 包埋法是制备磁性聚合物微球最早的一类方法，它是将磁性微粒分散于天然 或合成聚合物溶液中，通过雾化、沉积、蒸发等手段得到磁性聚合物微球 6 9 3 。 由于其制备过程简单，费用低等特点，至今仍被加以改进并应用包埋法虽然操作 简单，但所制备的微球形态不规整，微球平均粒径较大，且粒径分布宽。此外，包埋 法制备磁性聚合物微球通常要使用较大量的乳化剂，这样使磁性聚合物微球在生 物医药领域的应用受到限制。 单体聚合法是目前研究得最多、并且被广泛采用的制备方法。早在1 9 7 7 年 a v r e m a s 等 7 0 就报道了一种亲水性磁性聚合物微球的制备方法，即在铁氧体纳 米粒子存在下引发丙烯酰胺聚合制备了磁性聚丙烯酰胺微球。单体聚合法一般是 先制备无机磁性颗粒，然后在磁性颗粒存在下加入单体、引发剂、乳化剂或稳定 剂进行聚合反应从而制得包含无机磁性颗粒的聚合物微球。单体聚合法按照聚合 方式主要分为乳液聚合法( 包括无皂乳液聚合、种子乳液聚合，细乳液聚合以及反 相微乳液聚合等) 7 1 、分散聚合 7 2 3 和( 微) 悬浮聚合法 7 3 等。 原位法可以制备各种粒径的磁性聚合物微球，其中5 0 0 n m 至i j 2 0 um 最佳 7 4 。 其突出特点是合成的磁性聚合物微球粒径均一，无机磁性磁组分在每个磁性聚合 物微球中均匀分布，无空白聚合物微球，磁响应性强，微球中无机磁性组分高达 3 0 w t 。随着研究的深入，许多新方法、新途径 7 5 被提出用来制备磁性聚合物 微球。 1 3 介孔材料 多孔化合物与以多孔化合物为主体的多孔材料，它们的共同特性是具有规则 而均匀的孑l 道结构，其中包括孔道与窗口的大小尺寸合形状；孔道的维数、孔道 的走向、孔壁的组成与性质，孔道的大小尺寸是多孔结构中最重要的特征 7 6 】， 自从1 9 9 2 年m o b i l e 公司的科学家合成出m c m - - 4 1 有序介孔材料以来【7 6 - 7 9 ， 人们对它们的潜在应用进行了大量研究。在这些领域研究中，人们主要集中于它 复旦大学硕士论文 1 2 第一章绪论 们在催化、吸附和制备新的高新技术先进功能材料等方面。介孔材料的物化性能 独特 7 9 8 l 】，表现在其表面非常大，介孔孔径非常均匀，其孔径变化在2 5 0 n m 之间。介孔材料在分离提纯、生物材料、化学工业、催化、信息通讯、环境、能 源、新型组装材料( 或作为纳米反应器制备具有特殊光、电、磁等性能的新型纳 米材料等) 领域具有种种潜在的用途，因此介孔材料将在材料科学的发展中发挥 更重要的作用。 1 3 1 介孔材料的合成 在众多介孔材料中。氧化硅材料是最为广泛研究的体系，主要的原因有：结 构的可变性，水解作用和聚合反应的精确可控制性，良好的无定形网络结构的稳 定性，较强的表面可修饰性，另外，许多天然的复杂结构都是以无定形二氧化硅 为主体的。介孔材料的合成方法主要包括以下几种：水热法、溶剂热合成法、室 温合成【8 2 ，8 3 、微波合成 8 4 】、溶胶一凝胶法、溶剂挥发法合成以及非水体系中 合成 8 0 ，8 5 1 。 水热法 8 6 是指高温高压下在水( 水溶液) 或溶剂、蒸汽等流体中进行有关 化学反应通过在特制的密闭反应容器( 高压釜) 里，采用水溶液或其他溶剂作 为反应介质，对容器加热，使水或溶剂蒸发后自身创造一个高温、高压反应环境， 使得通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶 1 9 9 4 年，s t u c k y 等 8 7 首次合成m 4 1 s 时用完全相同的阳离子表面活性剂作 为模板，在强酸性( h c l ) 介质中，室温合成出了介孔僦护4 1 分子筛由于可用于酸 法合成的模板剂种类较多，几乎包括各种类型的模板剂，因此，目前关于模板剂的 种类及其相对含量对分子筛结构的影响还没有较系统的研究。 微波辐射法是将分子筛的合成体系置于微波辐射范围，利用微波对水的介电 加热作用，产生水热条件，进行分子筛合成，是一种新型的合成方法 8 8 。微波辐 射加热不同于传统的加热方式，它是在电磁场作用下，通过偶极子极化使体系中 的极性分子急剧扭转、摩擦产生热量来实现，具有内外加热、升温速度快、高效 节能、环保卫生等优点。和水热法相比，合成时间大大缩短，同时利用微波技术， 高效节能，操作便利，环境污染少 8 9 。 溶胶一凝胶法( s 0 1 g e l ) 由于表面活性剂、乳胶粒和单分散的聚合物微球等在溶 复旦大学硕七论文 一1 3 第一章绪论 剂中会形成一定形态的超分子阵列，人们就利用该超结构作为模板，在溶剂中加 入无机物前体，使其进行溶胶一凝胶反应，制备多孔材料。利用溶胶一凝胶法借助 乳液或聚合物微球为模板，是制备有序大孔材料较多采用的方法。该法的一般过 程为：首先，乳胶粒或聚合物微球自组织地 9 0 或在特殊条件下 9 1 聚集排列成 某种三维有序的晶态结构，即胶体晶体；然后无机氧化物的前驱液通过毛细作用 力渗透在胶体晶体的空隙中。溶胶一凝胶反应后，干燥，以除去溶剂，该渗透、溶胶一 凝胶反应、干燥过程可重复多次，以保证胶体晶体的空隙被填充完全；最后，用高 温焙烧或溶剂萃取除去聚合物颗粒，剩下与胶体晶体结构呈反演的有序大孔材 料。该三维有序孔的孔径大小可通过模板剂颗粒粒径的大小来调节。 介孔材料由于应用的需要，研究者在形貌控