（高分子化学与物理专业论文）两性核壳结构微球的制备及表征.pdf

摘要 本论文分别以干酪素( c a s e i n , c a ) 和聚乙烯亚胺( p e i ) 为壳材，以甲基丙烯酸甲酯 ( m m a ) 为核材，在不使用乳化剂的情况下，以叔丁基过氧化氢( t a n v ) 为弓l 发剂( 这里 应该体现氧化还原体系) ，通过简单的接枝聚合反应，制备出p m m a c a 和p m m a p e i 两种两性核壳纳米颗粒。使用透射电子显微镜( t e m ) 对所制得乳液粒子的结构形貌进 行了表征，以氯仿为溶剂用索氏提取法将产物中接枝p m m a 与p m m a 均聚物分离 并测算接枝率。对聚合实验过程中的各种影响因素，如反应温度、反应时间、引发剂 用量、c a ( 或p e i ) 与m m a 质量比、物料总浓度等进行了考察。 在对p m m a c a 两性核壳纳米颗粒的制备与表征中，通过控制单一变量，对影 响聚合实验的各种因素进行了考察。结果表明：反应温度为6 5o c 时，经过2h 的反 应，单体转化率即可达最大值，升高或降低温度都会使转化率降低，但接枝率随反应 温度的升高而下降；t b h p 与c a 在用量上存在一个最佳比值，即t b h p 用量为 7 2 x 1 0 。4g 、c a 为1g 时，可获得最大转化率；当c a m m a 质量比为1 ：4 时，m m a 转化率最高；使用上述最佳反应条件，可制得固含量约为3 1 的聚合物乳液，单体转 化率随物料总浓度的增大而提高。各因素对乳液粒径及其分布的影响较小，转化率是 影响粒径大小的主要因素，随着转化率的增大，乳液粒径也不断增大。通过t e m 照 片，可以清楚的观察到乳液粒子的核壳状球型结构，即相对致密的p m m a 内核和松 散的c a 外壳。干态下乳液粒径在6 0 - - , 7 01 1 i n 之间，分布较均匀。 对于p m m a p e i 两性核壳纳米颗粒的制各与表征，所用实验方法基本相同，也 是通过控制单一变量，对影响聚合实验的各种因素进行考察。实验结果表明：随着反 应温度的升高，转化率不断增大，反应温度为8 0o c 时，经过2h 的反应，转化率可 达最大值；t b h p 用量为7 2 x 1 0 4g 时转化率最高，但单体最终转化率不会因t b r p 过量而降低；p e i m m a 的最佳质量比为1 ：4 ；乳液粒径对p h 具有响应性，通过调节 乳液p h 可以有效改变乳液粒子的尺寸。通过t e m 照片可以观察到乳液粒子具有清 晰的核壳结构，p m m a 内核被发状p e i 外壳包裹着，且壳层较厚，干态下粒径在3 0 0 n m 左右，分布较均匀。 关键词：干酪素；聚乙烯亚胺；甲基丙烯酸甲酯；核壳结构；接枝共聚；纳米颗粒 i i a b s t r a c t w e l l d e f i n e da m p h i p h i l i cc o r e s h e l lp o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ( p m m a ) c a s e i n ( c a ) a n dp m m a - p o l y e t h y l e n e m i n e ( p e dn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e dv i aad i r e c t g r a f t c o p o l y m e r i z a t i o no fm e t h y lm e t h a c r y l a t e ( m m a ) o n t oa m i n o - c o n t a i n i n gp o l y m e r s ，c a a n dp e ii nt h ea b s e n c eo fa n ys u r f a c t a n t t h ep o l y m e r i z a t i o nw a si n d u c e db yas m a l l a m o u n to ft e r t b u t y lh y d r o p e r o x i d e ( t b h p ) i nw a t e rt og e n e r a t ef r e er a d i c a l so nt h ea m i n e n i t r o g e n sb yr e d o xr e a c t i o n ，w h i c hs u b s e q u e n t l yi n i t i a t e dt h eg r a f tp o l y m e r i z a t i o no f m m a t h eg r a f t e dp o l y m e r sa n dp m m ah o m o p o l y m e rw e r ei s o l a t e df r o mt h er e s u l t i n g p o l y m e r sb ys o x h e l te x t r a c t i o nw i t hc h l o r o f o r mt oc h a r a c t e r i z et h eg r a f te f f i c i e n c y t h e c o n v e r s i o na n dg r a f te f f i c i e n c yo ft h em o n o m e rs t r o n g l yd e p e n d e do nt h er e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，a m o u n to fi n i t i a t o r , c a ( o rp e i ) t om m a r a t i o t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p i c ( t e m ) i m a g e so ft h ep a r t i c l e sc l e a r l ys h o w e dw e l l - d e f i n e dc o r e - s h e l l m o r p h o l o g i e sw h e r ep m m a c o e r e sw e r ec o a t e d 、访t l lc a ( o rp e i ) s h e l l s f o rt h ef i r s tw h e r ec aw a su s e da st h es h e l lp o l y m e r , 6 5o cw a st h eo p t i m u mr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，i n c r e a s i n go rd e c r e a s i n gi tw o u l dl o w e rm m a c o n v e r s i o n t h ea m o u n to f t b h pr e q u i r e di no u rs y s t e mw a se x t r e m e l yl o w , b u ti tm u s tb ek e p ta tar a t i o ，7 2x10 珥，t o t h ea m o u n to fc a w h e nc at om m ar a t i ow a s1 ：4 ，t h eh i 曲e s tc o n v e r s i o nw a so b t a i n e d p m m a c ：an a n o p a r t i c l e sw i t has o l i dc o n t e n to fu pt o31 w e r eo b t a i n e d a l lt h e c o n d i t i o n sm e n t i o n e da b o v eh a dl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ep a r t i c l es i z ea n dd i s t r i b u t i o n ；t h e p a r t i c l es i z em a i n l yd e p e n d e do nt h ec o n v e r s i o n ，h i g h e rc o n v e r s i o nl e dt ob i g g e rp a r t i c l e s i z e t e mm i c r o g r a p h so fp m m a - c an a n o p a r t i c l e ss h o w e dw e l l - d e f m e dc o r e s h e l l m o r p h o l o g yw h e r e a c o m p a c tp m m a c o r ew a sc o a t e d 诵t l lar e l a t i v e l yl o o s ec a s e i ns h e l l f o rt h e p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o n o fp m m a - - p e ia m p h i p h i l i cc o r e - s h e l l n a n o p a r t i c l e s ，t h eo p t i m u mr e a c t i o nt e m p e r a t i o nw a s8 0o c w h e nas m a l la m o u n t , 7 2 x10 珥g ，o ft b h pw a su s e d ，an e a r9 0 c o n v e r s i o nc o u l db eo b t a i n e da f t e r2ho f r e a c t i o nt i m e ，a n da d d i t i o n a li n c r e a s eo ft b h ph a da l m o s tn oe f f e c to nc o n v e r s i o n t h e o p t i m u mr a t i oo fp e it om m a w a s1 ：4 v a r y i n gt h ep ho ft h ep m m a p e il a t e xh a d s i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h e p a r t i c l e s i z e t h et e mm i c r o g r a p h so fp m m a p e i n a n o p a r t i c l e ss h o w e dw e l l - d e f i n e dc o r e - s h e l lm o r p h o l o g ys i m i l a rt ot h a ti np m m a c a i i i c o r e s h e l l k e y w o r d s ：c a s e i n ；p o l y e t h y l e n e i m i n e ；m a t h y lm e t h a c r y l a t e ；c o r e s h e l ls t r u c t u r e ；g r a f t c o p o l y m e r i z a t i o n ；n a n op a r t i c l e s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果口除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 至丝日期：论文作者签名：! 生丛日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丝导师签名：华日期：垒笋岁 两性核壳结构微球的制各与表征 舅_ _ ! i i i i 一i i i 。蔓曼皇曼璺置曼 第一章绪论 1 1 核壳复合粒子技术综述 随着“复合技术一在材料科学中的发展，8 0 年代o k u b o 门j 提出了“粒子设计 的概念，其主要内容包括异相结构的控制、异型粒子官能团在粒子内部或表面上的分 布、粒径分布及粒子表面处理等，而研究的方法也从宏观的聚合物共混物发展到了微 观的高分子微球。其主要手段是核壳乳液聚合( 即种子乳液聚合或多阶段乳液聚合) 。 由性质不同的两种或多种单体在一定条件下按阶段聚合，使颗粒内部和外部分别富集 不同的成分，通过核和壳的不同组合，得到一系列不同形态的乳胶粒，从而赋予核壳 各不相同的功能。 近年来，新型核壳复合粒子的合成和功能研究已成为功能材料化学的前沿课题， 其重要性来源于他能够作为功能材料的良好模型，有效集成了内核以及外壳的特殊化 学性质，进而起到对这两种属性的协同作用。相关的研究主要围绕在有机呒机核模 板的基础上合成不同组分及化学性质的核壳微球和纳米球。研究表明，核壳复合粒子 的不同表面组分往往导致所得核壳结构具有与核模板截然不同的化学性质，这些特殊 性能表现在：( 1 ) 单分散性；( 2 ) 核和壳的组成可调控；( 3 ) 溶解性；( 4 ) 稳定性； ( 5 ) 可穿透性；( 6 ) 自组装能力；( 7 ) 光学、电子学、磁学、化学催化活性以及化 学生物现象等i a 。 1 1 1 核壳复合粒子的分类 核壳复合粒子一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成【5 】，核壳材料可以分别为 高分子、无机物和金属等。随着核壳材料的不断发展，其定义变得更加广泛。对于核 与壳由两种不同物质通过物理或化学作用相互连接的材料，都可称为核壳材料 6 1 。广 义的核壳( c o r e s h e l l ) 粒子不仅包括由相同或不同物质组成的具有核壳结构的复合粒 子，也包括空心球( h o l l o ws p h e r e s ) 、微胶囊( r n i c r o c a p s u l e s ) 等。核壳复合粒子外貌一般 为球形粒子，也可以是其它形状【7 1 。包覆在粒子外部的壳可以改变核材料的表面性质， 两性核壳结构微球的制备与表征 并赋予粒子光、电、磁、催化等特性，如改变粒子表面电荷、赋予粒子功能性、增强 表面反应活性、提高粒子稳定性并防止核与外部介质发生物理或化学作用等。 目前根据复合粒子核壳组分的不同，将其分为以下几类：( 1 ) 无机有机类，其 中，由于s i 0 2 中硅羟基具有良好的反应活性，被广泛应用在该类核壳复合粒子的构 建中，如s i 0 2 聚乙二醇( p e g ) ，s i 0 2 聚氧乙烯( p e o ) ，s i 0 2 聚苯胺( p a n i ) 8 ，川；( 2 ) 无机无机类，在该类核壳复合粒子中，报道最多的是金属金属纳米结构，如a u - p t ， n i - n i o ，a g - a u ，c u - a u 等【l o 。1 4 】：( 3 ) 有机有机类，如聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，p m m a 聚乙烯亚胺( p e i ) ，p m m a 干酪素( c a s e i n ) 等【1 5 - 1 8 】；( 4 ) 无机 生物材料类，如a u d n a ，f e 3 0 4 d n a 等【1 9 删。 1 1 2 核壳复合粒子的特性及应用 新型核壳复合粒子具有比表面积大、形状规整、材料尺寸可控、性能稳定和产品 易于回收等优点，在诸多领域有着广泛的应用，并且随着研究的不断深入，核壳复合 材料必将有一个更为广阔的发展空间，其应用价值也将得到进一步的提高。核壳复合 粒子的主要特性及应用可概括为以下几方面： 1 1 2 1 温度敏感性 b u n k e r l 2 1 】等报道了f e 和二乙基己基琥珀酸酯磺酸钠( a o t ) 核壳粒子的温度敏感 性，他们以芘作为荧光探针，依据随着0 2 含量增加，芘的荧光寿命缩短的原理，对 核壳纳米粒子中心f e 原子与0 2 的反应活性进行测定。结果表明，随着温度升高0 2 溶解度下降，芘的荧光寿命增加；在低温下，0 2 可以进入中心f e 原子，使f e 原子 被氧化，也可以延长芘的荧光寿命，相当于中心f e 原子被激活。 1 1 2 2 磁学性质 s e t o 1 2 1 等报道了镍( n i ) 氧化镍( n i o ) l 撇学性质，他们通过激光原位烧蚀技术在 纳米n i 表面烧蚀出一层n i o ，利用n i 的磁性和n i o 的反磁性调节n i - n i o 的矫顽力。 n i - n i o 的磁性与颗粒大小，氧化层厚度，金属晶态，以及晶体阵列的结构有关。纳 米颗粒半径的下降导致超磁性的产生，使磁滞曲线的斜率下降。另外，颗粒半径的增 加导致磁滞曲线斜率上升，这是因为局部区域反磁性的存在使n i 和n i o 界面之间存 2 两件核壳结构微球的制备与表征 在自旋交换，从总体上削弱了n i n i o 的磁性。 1 1 2 3 催化领域的应用 长春应用化学研究所z h a n gh o n g j i e 课题组黝研究了核壳结构a u p t 、a u - p d 纳 米粒子催化硫氰合铁酸钾和硫代硫酸钠反应的情况。他们发现核壳结构a u - p t 、a u p d 纳米粒子与单金属纳米粒子相比显示了更高的催化活性，更重要的是这种催化活性是 可调的。 m u r a l is a s t r y 研究组【2 3 1 也报道了a u p d 和a u p t 核壳纳米粒子的研究，获得了较 高的催化活性。k i ms a n g w o o k 研究组【2 4 】利用s i 0 2 微球作为模板，制备出了p d 中空 微球，利用它来催化碘代噻吩和苯基硼酸之间的s u z u k i 偶联反应。实验结果表明在 整个催化过程中，p d 中空微球具有较高的反应活性，并且很容易在反应后回收，再 次使用时仍保持较高的催化性能。解决了以往在催化一次以后由于催化剂自身的凝结 而导致再次使用时催化剂有较大失活的难题。 1 1 2 4 药物控释 核壳材料由于其核与外壳可以由完全不同的物质构成，这为不同物质间功能的组 合提供了新思路和方法。由此思路设计可控药物释放体系，把药物做成核，把可以控 制药物缓释的材料做成壳，就可以保持药物的定量持续释放，有效的拓宽了给药途径， 提高药物的生物利用度，同时降低了某些药物集中吸收对胃肠道所造成的刺激性，特 别是对肝肾的毒副作用。在药物控释方面，核壳材料已经被认为是最有应用潜力的材 料，关于这一方面的研究也在不断的发展深入。 例如在多孔核壳材料的孔中接枝对环境p h 2 5 2 7 1 、温度2 8 1 等有体积响应的水凝胶。 通过这种微球对p h 、温度的响应来控制其中内包物的释放。这种核壳材料的制备在 包囊药物和释放药物方面具有较大的应用价值。c h ul i a n g y i n l 2 9 , 3 0 】等利用界面聚合法 制备出响应性核壳微球。复旦大学的f us h o u k u a n l 3 1 1 等人在f e 3 0 4 的种子乳液中水解 四乙氧基硅烷( t e o s ) 得到f e 3 0 4 s i 0 2 复合粒子，通过交联聚合在其外层包覆一层聚 n 异丙基丙烯酰胺( p n i p a m ) 水凝胶。该法制备出的核壳复合微球，呈现出明显的超 顺磁性和热响应。由于热响应聚合物磁性微球容易分离，使其可以应用于生物医药和 生物工程方面，如酶固定和免疫测定、细胞分离和临床诊断。此外，由于它们对磁场 3 两性核壳结构微球的制备与表征 和温度的响应性，具有磁性，使该类物质能够在磁场的引导下，快速的富集：随着外 界环境温度的改变，该类微球表现出可逆的溶胀和退溶胀性质。由于热响应聚合物磁 性微球在目标药物释放体系具有很大的应用前景，并被认为是目标药物释放最安全有 效的方法，使用少量的热响应聚合物磁性微球就可以控制大量药物释放。而且在特定 磁场的作用下，双重响应的聚合物微球可以到达特定部位，在指定位置一定温度下引 发可以保证药物的准确释放。 1 1 2 5d n a 探针 d n a 的检测主要涉及两方面问题：一是灵敏度的提高，二是对d n a 识别能力的 增强。p a t o l s k y 3 2 1 等报道了把磁性纳米粒子作为内核，壳层为胺基类化合物的核壳复 合粒子用作生物标记材料，所得纳米粒子能够作为聚合酶的诱导交联标记，标记后的 磁性粒子在旋转磁场的作用下信号得到放大。基于这种核壳粒子的修饰电极，在旋转 磁场作用下，利用电化学荧光分析法对d n a 的结合情况进行了测定，所得修饰电极 对单个突变位点的d n a 具有很高的灵敏度( 如图1 1 所示) 。 1 1 2 6 载体材料和抗菌材料 y e 3 3 1 等报道了利用丙烯酸丁酯( b a ) 与c h i t o s a n 接枝聚合p b a c h i t o s a n 核壳结构， 并用作纺织品的抗菌材料涂层。z h u 1 6 1 等利用p e i 接枝共聚m m a 核壳纳米颗粒 ( p m m a 。p e i ) ，该粒子与血清d n a 混合后可形成单一分散系，有效的防止d n a 在酶 的存在下被降解，比色实验证明p m m a - p e i 具有非常低的生物毒性，因此具有用作 有效基因载体的良好潜力。 1 。1 2 7 光学晶体 由于在光学仪器方面的巨大应用潜力，使光学晶体的研究近年来引起了更大的关 注 3 4 , 3 5 1 ，单分散的核壳微球在形成光学晶体方面起到了十分重要的作用 3 6 - 3 8 1 。 y a r l g 3 9 , 4 0 1 研究组合成了表面具有羧基的单分散交联聚合物微球，并以有机液滴为模板 形成有序胶体晶体。近期该研究组又报道了单分散二氧化硅聚苯乙烯核壳微球的简 单制法。此外，金属为壳的复合纳米颗粒结构可调，使其在光子学方面的应用日益受 到人们的重视。研究人员发现当把纳米银掺杂在半导体或绝缘体中，可获得较大的三 阶非线性极化率。利用这一特性可制作光电器件，如光开关、光过滤器、光截止器等。 4 窒兰鳘耋耋垫茎耋馨盏耋茎童薹 因此，由核壳微球组成的光学晶具有很好的功能性和应用前景。 擎鎏釜，甜呻，一 ，! 。警t p 卜9 0c o 2 ；h 黧舞。 1 h c hc c c c c 丌 0 c g c g g c c a g t3 x 。“” t8 l 呻t , a l m j 嚣 ，。 靖豇。：3 裂琴一e 固 q 、譬 h r p ，l 塑生，靛 g g g t a a t c 5 - x ，a “0 i n h r p 85 - c 丌w 删c - c a a t e a a a c g - ”6 f 。”3 “” 图i1 磁性棱壳粒子作为d n a 探针的示意图吲 1 1 28 电催化 m a y e 4 1 1 等利用巯基与金的相互作用，合成了以纳米金为内核，巯醇作为外壳的 核壳纳米粒子，该粒子修饰电极对c o 具有良好的电催化性能。y a i l 一叫等报道了a u - p t 纳米结构对甲醇的电催化他们考察了核壳粒子中a u 与p t 的比例对催化电流的影响， 5 一篾 忡埔 ； o 鳖。； 一0 ，譬 。 口 两性核壳结构微球仃q 制备与表征 认为当a u 与p c 的比值为l 2 2 5 时，所得粒子修饰电极对甲醇的催化效率最大。l i u 【4 3 】 等利用层层组装技术( l b l ) 在热解石磨电极( p g ) 上面构建了基于陶土纳米粒子，聚苯 乙烯磺酸盐( p s s ) 以及血红蛋白的层层组装c 0 鹏一s h e l l 结构的c l a y - ( h b p s s ) n ，并 实现了h b 的直接电化学，这可归因于c l a y 一( - i b p s s ) n 具有多孔结构，有利于增加离 子的输送能力并减少了膜阻抗。 1 1 2 9 微传感器 核壳材料的响应性和易于回收等特性在微传感器方面也获得了成功的应用。例 如，基于荧光基团制得的荧光传感器作为一种高灵敏度的检测技术已在化学和生物物 质的检测上得到了广泛的应用。但是，普通的荧光传感器都仅仅溶于有机溶剂，给环 境带来了一定的污染，并且不能够被回收重复使用m 蛔。最近，x u m 等通过乳液共 聚苯乙烯和萘二甲酰亚胺制得的核壳材料作为一种新型荧光传感器，来检测环境中的 旷、a g + 和c u 寸，取得了较好的实验效果。 1 1 3 核壳复合粒子的制备方法 聚合物核壳复合粒子是指在聚合物粒子的内核和外壳分别富集着不同的聚合物。 通过核壳的不同组合，可以得到各种不同性能的复合粒子。聚合物核壳复合粒子的制 备方法主要有以下三种。 1 1 3 1 种子乳液聚合法 种子乳液聚合法【4 8 5 0 1 是核壳复合粒子的制备中应用最多、研究最广的方法。一般 方法是先合成种子乳液，再按一定方式加入第二阶单体和引发剂，使其在种子胶粒表 面聚合形成核壳结构的复合粒子。通过控制聚合条件、单体的种类、单体的添加顺序 和方式、乳化剂的种类和用量、引发剂的种类和用量等，可以实现对核壳粒子的分子 设计，从而得到一系列不同组成、不同结构以及不同性能的核壳复合粒子。采用乳液 聚合易于控制粒子尺寸，可根据需要，采用不同的聚合条件得到粒径从十几纳米到几 个微米的粒子。 1 1 3 2 包埋法或逐步异相凝聚法 包埋法【4 9 ，5 田是用玻璃化温度( t 9 1 ) 高的较大粒子作核，用玻璃化温度( 1 k ) 低的较小 6 两性核壳结构微球的制各与表征 粒子作壳，在k 伊 1 0 两性核壳结构微球的制备与表征 皇曼曼曼曼曼曼! 曼m i im i i m 鼍曼曼皇曼量皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇 酪蛋白净酪蛋白狲酪蛋白。肛酪蛋白中含有大量非均匀排列的疏水基和亲水基，能 在水相溶液中形成胶束，且临界胶束浓度非常低。伊酪蛋白总链的2 0 0 旷2 5 具有明 显的亲水性，该部分疏水基团的密度最小，7 5 - 8 0 具有明显的疏水性，亲水基团 包围在疏水基团的外面，而且内层较为集中，外层较为分散 9 7 1 。a a l 酪蛋白中亲水或 疏水片断的分布比伊酪蛋白更紧凑。由于二者结构上的原因，伊酪蛋白比较容易包裹 在酪蛋白外部。大部分酪蛋白是以胶体状球形颗粒形式存在，酪蛋白胶粒的“核 是由一酪蛋白和伊酪蛋白定量结合成的大小一致的多个玫瑰花结构所形成的，核的 外面是由肛酪蛋白排列形成的“壳 ，用以保护胶粒i 嘲，如图1 2 所示。 图1 2 干酪素胶束w a u g h 模型示意图 干酪素是一种含磷蛋白质【9 8 】，其化学组成大致为c 1 7 0 h 2 6 8 n 4 2 s p 0 5 l ，分子量在 2 5 2 3 0 - - 1 9 7 0 0 7 道尔顿之间，即平均分子量一般在7 5 0 0 0 - - - 3 5 0 0 0 0 之间，等电点约为4 6 ， 相对密度为1 2 5 1 3 1 。干酪素中超过5 5 的氨基酸含有极性基团，例如，2 5 8 含有 c o o h 基团( 包括谷氨酸，r = c h 2 c h 2 c o o h ：天氡氨酸，r = c h 2 c o o h ) ，1 5 1 含 有- n h 2 基团( 包括赖氨酸，r = ( c h 2 ) a c h 2 n h 2 ；精氨酸，r = c h 2 c h 2 c h 2 n h c ( n = h ) n h 2 ) ， 1 4 6 含有o h 基团( 包括丝氨酸，r = c h 2 0 h ：酪氨酸，r = c h 2 i c h ) 6 0 h ；谷氨酸和 苏氨酸，r = c h ( c h 3 h o h ) ，这些极性基团对酪蛋白的亲水性和分子问相互作用都有 影响【咧，因此对干酪素分子结构也有着重要影响。 1 2 2 千酪素的应用 干酪素的应用历史十分悠久，早在古埃及，人们就己认识到酪蛋白凝乳的粘附性。 在1 9 世纪早期，瑞士和德国就已有酪蛋白粘合剂商品。1 0 0 年之后，固体酪蛋白、 石灰和钠盐的混合物获得专利。干酪素曾在一段时间内广泛用于需要具有耐水性的家 l l 两性核壳结构微球的制备与表征 皇曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼量曼舅- - i i 一_ _ i 一 ； 一 = i 一 ； 。一i i i 曼曼曼量 具和胶合板的木材粘合剂，后来被合成树脂所代替。目前干酪素仍然作为木材粘合剂、 保护胶体、皮革涂饰剂、纸张颜料的粘料、金属箔层压剂、标签膏状粘合剂等。酪素 胶的优点是无毒、抗震性好，可以在低温o c ) 下操作和固化，粘接强度较高。主要 缺点是耐水性和抗腐蚀性差，配制不方便，固化时间稍长。 干酪素是皮革涂饰中应用最广的主要成膜剂之一，因为它与皮革表面粘合力强， 形成的涂层光泽柔和、手感好、防油、耐有机溶剂、耐高温熨烫且不粘板、耐打光。 但干酪素作为涂饰剂使用时存在一些缺点，如成膜发硬、平滑性差、无延伸性、易断 裂、可吸湿、不耐湿擦、皮革易生霉等。这是由于干酪素分子中含有较多的巯基、羟 基、羧基、氨基、亚氨基等亲水极性基，导致涂层防水性差，同时，干酪素分子链的 活性基团之间存在着大量分子内和分子问氢键，分子链刚性强，造成薄膜脆硬、易断 裂【1 咖。这些都限制了干酪素的应用。 干酪素与人体有很好的生物相容性。用戊二醛交联蛋清和酪素水溶液可制得蛋清 微球和干酪素微球，用作药物的缓释剂。生物体应用实验表明，干酪素的毒性较低， 但由于水溶性好，在人体内易被溶解，故作缓释剂必须通过适度交联改性。此外，酪 素还应用于食品行业，充当食品的乳化剂和稳定剂。 1 2 3 干酩素的改性 干酪素属磷蛋白类的复合蛋白，其结构基本和普通蛋白质结构相似，是由高分子 量的氨基酸缩合物，以肽键( 小m c o ) 互相连接而成，干酪素中大部分氨基酸含有极 性基团，包括羟基、羧基、氨基、亚氨基等亲水性基副1 0 1 1 。同时，干酪素分子链的 活性基之间存在着大量氢键和其它次价键，使得其分子主链的柔顺性和肽链间的相对 滑动性较差，从而在某些方面限制了干酪素的应用，这就需要对干酪素进行改性。蛋 白质改性主要有物理改性、化学改性。所谓物理改性是指利用热、电、磁、机械能等 物理作用形式对蛋白质的功能特性加以改善的方法。化学改性指通过接枝、共聚等方 法在分子链中引入其它链节和功能基团，包括共聚改性、交联改性、接枝改性等。接 枝改性可通过将官能团直接连接于表面，来实现化学修饰。接枝聚合物几乎不改变干 酪素的骨架结构，同时又将具有各种功能的单体接枝到干酪素分子主链上，从而在某 些方面扩大了干酪素的应用。 1 2 两性核壳结构微球的制备与表征 目前干酪素的接枝聚合较多采用自由基引发聚合【1 0 2 。引发体系有过氧化物热引 发、金属离子氧化还原引发等，引发剂为接枝共聚提供活性种，而后产生接枝点。活 性点处于链的中间，聚合后才形成接枝共聚物【1 叫。单体参与接枝共聚的能力及接枝 物综合性能的好坏，主要取决于单体的种类、组成和总量。二十世纪六十年代以来， 随着干酪素接枝聚合改性技术的发展，人们对干酪素接枝聚合改性机理的认识也不断 加深。 m o h 一1 0 4 1 等在研究b a 在过硫酸钾作为引发剂条件下与干酪素接枝共聚的反应 中发现，随着引发剂浓度增加，接枝率先升高，后下降。对于单体来说，单体浓度增 加可以提高总转化率，但对接枝率的影响和引发剂影响的变化趋势相同。 赵茂祥【1 0 习等对干酪素接枝共聚反应系统进行了研究。指出引发剂浓度对接枝效 率、乳液稳定性、残留单体含量都有不同程度的影响。采用高浓度引发剂，反应初期 接枝率可达9 5 以上，而采用低浓度引发剂，反应初期接枝率只能达到8 2 。在反 应的全过程中，采取引发剂浓度先高后低，接枝率可达8 5 ，而采用引发剂浓度前后 都高，接枝率最高不超过6 2 5 。不同种类的单体，对接枝共聚能力有不同的影响。 丙烯酸丁酯的接枝产物延伸性、耐寒性好，但耐高温、耐溶剂、耐打光性能差；用苯 乙烯接枝，耐高温、耐打光性能好，但柔韧性差；用丙烯腈接枝，贮存稳定性、耐溶 剂性能好，但耐干湿擦性能差，残留单体含量高；采用多种单体同时参与接枝，可以 取长补短，提高接枝物的综合性能。 董擎之【1 0 6 等研究了丙烯腈干酪素在硫氰酸钠浓溶液中以偶氮二异丁腈( 趾b 1 叼 作为引发剂的均相接枝共聚反应。随引发剂质量分数增加，体系中残留的未接枝干酪 素量降低，接枝率、产率随之升高。当引发剂为o 1 8w t 时，接枝率、产率均出现极 大值。随着单体质量分数的增加接枝率提高，并且在单体为1 2 6w t 时达到最大。 宋杏茹【1 0 r 等研究了a 9 3 + 引发丙烯酸甲酯与干酪素接枝共聚反应，以二过碘酸合 银( a g ( n 0 ) 钾为氧化剂，干酪素自身为还原剂组成引发体系，对反应机理进行了探讨。 当单体m a 浓度为0 4 8 7 8m o l l 时，接枝参数出现最大值，随后，随着单体浓度增大， 接枝率开始下降。 l i 1 0 s 等研究了在微量c u 2 + 存在和无氧化还原引发剂时，使甲基丙烯酸甲酯接枝 两性核壳结构微球的制备与表征 皇甍量曼量曼量舅曼量曼曼i i 一一一 !i i i i i l i 曼 到干酪素上的反应。认为此反应的机理是c u 2 十离子与作为配位体的干酩素形成的配 位结构是接枝聚合的活性中心，并且该活性中心位于构成干酪素的氨基酸的疏水性侧 基所形成的“疏水微区一中，在接枝聚合过程中，单体不断扩散进入“疏水微区 进 行反应。单体甲基丙烯酸甲酯的浓度变化对接枝效率影响不大。 董擎之【1 0 9 1 等对a n c a s e i n 纤维的截面及表面形态的观察及其密度、吸湿性、染 色性、力学性能等进行了测定。接枝纤维吸湿性能、染色性能优异，且对于酸性染料、 阳离子染料均能进行染色。刘剑洪等对干酪素接枝共聚产物进行了性能测试，结果表 明干酪素仅接枝甲基丙烯酸甲酯一种单体，热稳定性和抗酸性能较好。接枝混合单体， 热稳定性较好，但抗酸性有所下降。接枝后干酪素涂膜在甲苯、四氢呋喃、无水乙醚、 二甲基亚枫、乙酸乙酯、丙酮等溶剂中不溶解。仅接枝甲基丙烯酸甲酯的乳液制成的 膜一般较硬较脆，而接枝多种单体的乳液所形成的膜，性能有很大改善，具有弯曲不 断裂及可拉伸等特性。 1 3 聚乙烯亚胺的应用简介 聚乙烯亚胺( f e d 是一种水溶性聚胺，其分子链上带有大量的氨基，商品化的p e i 往往是带有支链的大分子，分子链上的伯、仲、叔胺基的比例一般为1 ：2 ：1 。聚乙烯 亚胺作为一种水溶性功能大分子，其特性引起了国内外学者的广泛关注，已将其应用 于多个研究领域【1 1 啦! 1 3 1 ，尤其在生物医学领域，如生物大分子的分离纯化、非病毒载 体、生物传感器、药物释放等多个方面。 b o u s s i f 等【1 1 4 1 1 9 9 5 年首次报道了p e i 可作为非病毒载体，它价格低廉、体内外转 染效果较好。p e i 中带正电的氨基基团能与d n a 分子中带负电的磷酸基团相互作用， 形成的纳米级复合物能被细胞内吞，使d n a 逃脱内体的吞噬，免受核酸酶降解【1 1 5 l 。 蔡佳【1 1 6 】等采用不同比例的单甲氧基聚乙二醇琥珀酰亚胺基丙酸盐( m p e g s p a ) 对 p e i 进行修饰，考察了不同接枝率的m p e g - p e i 与d n a 复合物的转染效率和细胞毒 性，试验表明低p e g 接枝率的p e i 转染效果与p e i 相当，且细胞毒性大大降低。 y a n g t l l 7 】等利用l b l 方法构建了壳聚糖负载n 分散碳纳米管，利用p s s 所带的 负电荷构成了层层组装结构，结合胆固醇醋化酶制成了胆固醇传感器。刘洪刭1 1 8 】以 1 4 两性核壳结构微球的制备与表征 p e i 为预聚体，h 2 0 2 为抽氢剂，采用光化学方法制备了p e i 包覆的磁性纳米凝胶 ( p e i - f e s 0 4 ) ，在p e i f e 3 0 4 表面共价偶联具有肿瘤靶向作用的叶酸分子，制备得到肿 瘤靶向p e i 包覆磁性纳米凝胶( f a p e i f e s o a ) 。陈志萍1 1 1 9 1 等将p e i 偶合接枝在聚甲基 丙烯酸缩水甘油酯( p g m a ) 交联微球表面，所形成的改性微球p e i - p g m a 由于其表面 具有高密度的胺基，对胆红素具有优良的吸附性能，且具有良好的生物相容性，可望 成为去除胆红素的医用吸附微球。 李延斌【1 2 0 1 等将p e i 偶合接枝于硅胶微粒表面，使p e i 的阳离子特性与硅胶的高 比表面和高机械强度相结合，制备了对铬酸根离子具有强吸附作用的复合微粒材料 p e i s i 0 2 ，并研究了其对铬酸根离子的吸附特性。 1 4 本课题的研究内容和创新之处 本论文分别以干酪素和p e i 为壳材，利用它们分子链上带有的氨基与叔丁基过氧 化氢( t b 船) 作用，在不使用乳化剂的情况下，引发与甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 的接枝 共聚，制备出以聚甲基丙烯酸甲酯为内核、干酪素( 或p e i ) 为外壳的两性核壳纳米 颗粒。使用透射电子显微镜( t e m ) 等手段对所制得乳液粒子进行了表征，并对聚合实 验过程中的各种影响因素，如反应温度、反应时间、引发剂用量、c a ( 或p e i ) 与m m a 质量比、物料总浓度等进行了考察。 与以往制各两性核壳复合颗粒的方法相比，本论文中使用的聚合方法在不加乳化 剂的情况下即可顺利进行，只需极微量的引发剂引发聚合，反应经过2h 即可完成， 整个实验操作方便、设备简单，并且通过此法可以制备出具有较高固含量的乳液，具 有一定的商业价值。 两性核壳结构微球的制各与表征 2 1 实验试剂 试剂名称 干酪素( c a s e i n , c a ) 聚乙烯亚胺( p e d 叔丁基过氧化氢( t b h p ) 甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 苯乙烯( s t ) 偶氮二异丁腈( a m n ) 过氧化二苯甲酰( b p o ) 无水碳酸钠 三氯甲烷 水性防腐剂 盐酸 氢氧化钠 去离子水 2 2 实验仪器 仪器名称 激光粒度仪 p h 计 激光粒度分布仪 透射电子显微镜 真空干燥箱 第二章主要试剂与仪器 规格产地 生物试剂北京奥博星生物技术有限责任公司 5 0 水溶液美国a c r o s 公司 7 0 水溶液中国医药集团上海化学试剂公司 分析纯天津市大茂化学试剂厂 分析纯天津市永大开发中心 分析纯北京化工研究院 化学纯天津市科密欧化学试剂开发中心 分析纯天津市北方天医化学试剂厂 分析纯天津市大茂化学试剂厂 m b 1 1 德谦( 上海) 化学有限公司 分析纯淄博临淄天德精细化工研究所 分析纯山东省化工研究院 自制 型号 n a n o z s m e t r o h m 7 1 2 b t - 9 3 0 0 h j e m 1 0 0 c xi i d z f 6 0 3 0 a 型 1 7 产地 英国m a l v e m 公司 瑞士万通公司 丹东市百特仪器有限公司 日本日电公司 上海一恒科技有限公司 两性核壳结构微球的制备与表征 皇曼曼蔓i i i i | 一一一 ；i i | 曼皇! 皇量曼曼曼皇皇曼曼舅舅曼皇曼皇曼曼鼍舅蔓曼曼皇曼量量鼍曼曼曼曼曼皇 电热恒温鼓风干燥箱d h g 9 0 7 0 a 型上海一恒科技有限公司 电子分析天平 可控速电动搅拌器 数控超级恒温槽 自动双重纯水蒸馏器 循环水式多用真空泵 控温磁力搅拌器 微量移液器 a b 2 0 4 s 型 r s 型 s c 1 5 型 1 8 1 0 d 型 s h b 一型 h j 3 型 w k y i i i 一2 5 0 瑞士m e t t l e rt o l e d o 公司 上海申顺生物科技有限公司 宁波天恒仪器厂 上海申生科技有限公司 郑州长城科工贸有限公司 江苏金坛医疗仪器厂 上海宙辉生化仪器有限公司 两性核壳结构微球的制各与表征 曼皇曼曼曼i i i ：, i i 皇曼曼皇皇曼量量曼曼曼 第三章p c a 核壳纳米微球的制备及其表征 3 1 引言 前已叙及，c a 的应用历史十分悠久，应用十分广泛。有关c a 与多种单体的共 聚改性的研究多有报道，但将c a 和共聚单体通过接枝聚合制备成核壳型纳米颗粒的 研究鲜见报道。 最近，l i 1 8 , 1 2 1 1 等介绍了一种新的制备核壳型纳米颗粒的方法，以烷氧基过氧化 氢为引发剂，将乙烯基单体接枝共聚于分子链中含有氨基的水溶性聚合物上，制备出 了多种核壳型纳米颗粒。本章中，我们使用这种新的方法，在不使用乳化剂的情况下， 以叔丁基过氧化氢( t b h p ) 为引发剂，通过简单的接枝共聚合反应，制备出以c a 为外 壳、p m m a 为内核的两性核壳纳米颗粒，对影响单体转化率、接枝率和乳液粒径及 其分布的各项因素进行了探索，并对所制得的乳液粒子的结构形貌进行了表征。 该反应的机理为：t b h p 与c a 分子链上的氨基作用，形成氧化还原离子对，氮 原子上的一个电子转移到氧原子上，脱去一分子水后，生成一个- h n 。和一个