（材料学专业论文）汽巴蓝功能微球与蛋白的吸附性能研究.pdf

摘要 摘要 通过链转移自由基聚合和端基置换反应制备了苯乙烯单封端的p v a c 大分子单体， 用凝胶渗透色谱( g p c ) 、傅里叶变换红外光谱( f t i r ) 等对大分子单体的分子量、分子量 分布与结构组成进行了测定，发现p v a c 大分子单体的结构明确，分子量在1 0 4 左右。 以得到的p v a c 大分子单体为反应性分散稳定剂，一定比例的乙醇水为反应介质，采用 分散共聚法制得了核为聚苯乙烯( p s t ) ，壳为聚醋酸乙烯酯( p v a c ) 大分子链的聚醋酸乙烯 酯接枝聚苯乙烯( p v a c - g - p s t ) 核壳结构复合微球。用f t i r 、扫描电子显微镜( s e m ) 对所 得聚合物微球的结构、粒径和形态进行了表征，发现所得微球保持规整的球形结构，粒 径分布均一。 将p v a c - g - p s t 核壳结构复合微球在碱性条件下醇解，得到了表面亲水性聚乙烯醇 接枝聚苯乙烯( p v a - g - p s t ) 核壳结构复合微球，利用汽巴蓝f 3 g a ( c b ) 与p v a - g - p s t 微球 表面的羟基进行亲核反应，制得了c b 功能化的p v a - g - p s t 微球( c b 微球) 。由f t i r 和 元素分析表征结果证明功能化反应成功，s e m 观察发现：微球表面在c b 功能化后， 粒径大小与形态基本保持不变。进而由元素分析仪测得了固定在微球表面的c b 含量。 将c b 微球用于蛋白质的吸附，讨论了起始人血清白蛋白( h s a ) 浓度、p h 值、吸附时间 及温度对c b 微球吸附h s a 的影响。在室温下，当h s a 浓度为1 0m g m l 、p h 为5 1 4 时，c b 微球对h s a 的最大吸附量为4 0 9m g ，并利用z e t a 电位探讨了微球与蛋白质 问的相互作用机理。最后用硫氰酸钠( n a s c n ) 对吸附在c b 微球表面的h s a 进行解吸， 计算出解吸率最高可达到9 2 1 1 ，该c b 微球可多次重复利用，吸附率仅减少5 3 。 关键词：大分子单体，分散共聚，汽巴蓝功能微球，人血清白蛋白，吸附 a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y ( v i n y la c e t a t e ) m a c r o m o n o m e r 谢t i las t y r y le n dg r o u pw a ss y n t h e s i z e db yc h a i n t r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o ni nt h ep r e s e n c eo f2 - m e r c a p t e t h a n o la sc h a i nt r a n s f e ra g e n t a n de n dr e p l a c e m e n tr e a c t i o nw i t hp - c h l o r o m e t h y ls t y r e n e t h ep r o p e r t i e so fm a c r o m o n o m e r , s u c ha sm o l e c u l a rw e i g h t ，m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n , s t r u c t u r ew e r ec h a r a c t e r i z e db y u s i i l gg e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e df i r m ) i tw a sf o u n d t h a tm o l e c u l a rw e i g h to fp v a cm a e r o m o n o m e rw a s10 4a n dt h es t r u c t u r ew a sc l e a r p o l y ( v i n y la c e t a t e ) g r a f t e dp o l y s t y r e n e ( p v a c - g - p s 0m i c r o s p h e r e sw e r e o b t a i n e db y d i s p e r s i o nc o p o l y m e r i z a t i o n i nt h ec a s e ，p v a cm a c r o m o n o m e rp l a y e da l li m p o r t a n tr o l en o t o n l ya sc o m o n o m e rb u ta l s o a sr e a c t i v es t a b i l i z e r i n t h ep o l y m e r i z a t i o ns y s t e m t h e p v a c - g - p s tm i c r o s p h e r eh a sac o r e - s h e l ls t r u c t u r e 、析t i lp s ta sc o r ea n dp v a ca ss h e l l t h e m o r p h o l o g y , s t r u c t u r ea n dd i a m e t e ro ft h em i c r o s p h e r e sw e r es t u d i e db yu s i n gs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) 、1 h o n m ra n df t i r i tw a sf o u n dt h a tp v a c - g - p s tm i c r o s p h e r e r e m a i n e dr e g u l a rs p h e r ec o n f i g u r a t i o na n dt h ed i a m e t e rk e ：p tu n i f o r l ns i z ed i s t r i b u t i o n p o l y ( v i n y la l c o h 0 1 ) g r a r e dp o l y s t y r e n e ( p v a - g - p s t ) c o m p o s i t em i c r o s p h e r e sw e r e d e r i v e df r o ma l k a l i n eh y d r o l y s i sf r o mp v a e - g - p s tc o r e s h e l lm i c r o s p h e r e s t h ef 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 dv i at h en u c l e o p h i l i ca c t i o nb e t w e e np v a - g - p s tm i c r o s p h e r e sa n d c i b a c r o n b l u ef 3 g a ( c b ) t h es u c c e s so ft h en u c l e o p h i l i cr e a c t i o nw a sp r o v e db yf t i ra n d e l e m e n t a la n a l y s i si n s t r u m e n t ，a n dr i os i g n i f i c a n tc h a n g e so fs i z ea n ds h a p ew e r eo b s e r v e d b e t w e e np v a - g - p s ta n dc bf u n c t i o n a l m i c r o s p h e r e si ni m a g e so fs c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) t h ea m o u n to fc bo ns u r f a c eo ft h ef u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e sw a s o b t a i n e db yu s i n ga ne l e m e n t a la n a l y s i si n s t r u m e n t t h ee f f e c t so fo r i g i n a t i o nc o n c e n t r a t i o n o fh u m a ns e r u ma l b u m i n ( h s a ) ，a d s o r p t i o nt i m e ，p ha n dt e m p e r a t u r eo na d s o r p t i o na m o u n t o ft h ec bf u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e sw e r es t u d i e d w h e nt h eh s ac o n c e n t r a t i o ni s1 0m g m l ， a n dp hi s5 1 4 ，t h el a r g e s tc a p a c i t yo fc bf u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e so nh s aa d s o r p t i o nw a s 4 0 9m g 儋a tr o o mt e m p e r a t u r e t h ei n t e r a c t i o nw a sf u r t h e rd i s c u s s e db yc h a r a c t e r i z a t i o no f t h ez e t ap o t e n t i a l t h eh i g h e s td e s o r p t i o nr a t i o ( 9 2 11 ) w a sa c h i e v e db yu s i n ga ne l u e n to f 0 5m o l ln a s c n ( p n8 0 ) t h ef u n c t i o n a lp v a - g - p s tm i c m s p h e r e sc o u l db em u s e dw i t h o u t s i g n i f i c a n td e c r e a s e si nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t i e s k e y w o r d s ：m a c r o m o n o m e r ，d i s p e r s i o nc o p o l y m e r i z a t i o n , c i b a c r o nb l u ef 3 g af u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e ， h u m a ns e r u ma l b u m i n , a d s o r p t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本j , d e 导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 洫五楚 日 期： 型：2 ：2 ：竖 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，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、缩印或扫描等复制手段保存， 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名：池血选 导师签名：一：王皇迎堑臣 日 期：一型宰：了：哆 绪论 第一章绪论 1 1 前言 功能高分子微球具有比表面积大、凝聚作用大、表面吸附性能强、表面活性高、聚 集体结构组成的可设计性和易于分离回收等特点，已广泛地应用于涂料、纸张表面涂层、 化妆品到有害金属离子的检测与分离【、与生物分子的相互作用【2 1 、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。功能性高分子微球在生物领域中除具有 比表面积大、廉价、单分散性好、易于制备及功能化的优点外，还具有固相化载体特有 的易于分离和提纯，及对生物体相容性可调等特点，所以有利于用于研究其与生物体成 分的相互作用。这类微球之所以适用于生物医药领域是因为微球有着相对较大且特殊的 表面，但由于吸附机制本身的复杂性，现有的研究结果并不太一致。公认的蛋白质吸附 主要作用是：静电作用，疏水作用和氢键相互作用三种。这些相互作用主要是依赖于功 能微球表面所含有的功能基团。制备具有良好功能与性质的高分子材料的成功与否，在 很大程度上是取决于设计方法和制备路线的制定。在功能高分子研究中经常会碰到这种 情况，只有一种高分子功能材料是难以满足某种特定需要的，目前研制新材料的一种常 用的方法就是将不同结构和性能的高分子材料通过一定方式复合，使之优势互补，这时 单体的选择与制备就是实现它的基础。 1 2 功能高分子微球的制备 单分散聚合物微球是1 9 4 7 年美 m i c h i g a n 大学电子显微镜学家在d o w 化学公司送来 的一批聚苯乙烯乳液样品中无意间发现的【3 1 ，至1 9 6 4 年d o w 化学公司己经制备出1 5 0 0 0 种不同的样品。目前，单分散、大粒径( 即微米级) 、不同颗粒形态、具有不同分子量和 表面特征的聚合物微球己广泛应用到许多科学技术领域( 如调色剂、油墨、涂料及分离 填料等) ，尤其是已经深入到某些高新技术领域中( 如催化剂载体、药物及信息记忆等) ， 成为了不可缺少的材料和工作物质。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l g m 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。7 0 年代以来，国外学者开发出很多种行之有效的用来合成聚合物微球的新技 术，其中最重要的是溶胀法和分散聚合法，根据需要用这些方法可以制成不同粒径级别 ( 1 1 0 0 p m ) 且具有良好单分散性的聚合物微球。现将各种制备微米级单分散性聚合物微 球的方法比较列入表1 1 中。 绪论 1 2 1 乳液聚合 乳液聚合是以单体和水在乳化剂作用下配制成的乳状液，加入引发剂在一定温度下 进行的聚合反应。它具有聚合反应速度快，分子量高；聚合反应热容易排除；用水作介 质，生产安全及减少环境污染；聚合物以乳胶粒子( 微球) 形态存在，可以根据需要来控 制聚合物粒子大小和胶体形态：聚合物乳液产物可以直接应用于多种工业和其他科学技 术领域等一系列优点，但易发生体系热力学不稳定，在贮存、加工和稀释过程中易发生 分相和絮凝等问题。 1 2 2 无皂乳液聚合 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，从而降低乳胶粒和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。 以上四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( p e g ) 大分子单体的基础上，使其与苯乙烯进行无皂乳液共聚，制 2 绪论 得了单分散的纳米微球。由于p e g 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 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【5 1 ，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 p s t c o p m a a 共聚物的t h f 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 1 6 】。 s e l f - a s s e m b l y 1 2 4 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 也常常被认为是一种特殊类型的沉淀聚合，单体、引发剂和稳定剂都溶解在介质中，反 应开始前为均相体系，反应后所生成的聚合物不溶解在介质中，聚合物链达到临界链长 后，会从介质中沉淀出来。和一般沉淀聚合的区别是沉析出来的聚合物不是粉末状或块 状的聚合物，而是聚结成小颗粒，这些小颗粒是借助于分散剂稳定地悬浮在介质中，形 成类似于聚合物乳液的稳定分散体系【_ 7 1 。分散聚合是一种微粒尺寸可受控制的特殊类型 的沉淀聚合。有人把分散聚合作为乳液聚合与悬浮聚合的一种统称，认为这两种聚合的 起始状态一致，都是液体单体分散在另一种液体中，随着聚合反应的进行逐渐转化为固 体聚合物分散于液体中，更有人把在高速搅拌和稳定剂的作用下产生在水相中分散的单 体液滴，在引发剂的引发下直接转化成聚合物粒子的微悬浮聚合也称为分散聚合。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。在制备聚合物微球时避免了传统乳液聚合、分散聚合所需乳化剂 或稳定剂的后期处理烦琐问题，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。随着基础研究的深入，发展了大分子单体技术。大分子单体参与的 分散共聚是一种新发展起来的聚合体系，其操作也相对比较简单，同时可根据用途设计 聚合物微球表面的分子结构，因此近年来大分子单体技术被越来越多的研究者采用。以 下介绍一些大分子单体参与的分散聚合。 3 绪论 1 3 大分子单体结构性质与制备方法 大分子单体( m a c r o m o n o m e r ) 这个概念是由美国化学家m i l k o v i c h i s l 首次提出的，它指 的是一种末端具有可聚合基团的线型反应性聚合物。大分子单体的分子结构明确，可以 用来进行聚合物的分子设计和改性，因此在制备接枝聚合物，嵌段聚合物，聚合物微球 等方面引起了人们的极大兴趣。大分子单体的链端或链中一般具有可进行化学反应的功 能团或双键。根据大分子单体的定义，其结构由两部分组成，主要部分由高分子主链构 成，它表现出聚合物的物理特性；另一部分是反应性功能基团或不饱和双键，在聚合反 应中显示出化学反应活性。 根据功能基团的数量，可以把大分子单体分为单功能基、双功能基和多功能基大分 子单体这三大类。根据功能基的类别，则可把大分子单体主要划分为乙烯基型和缩合型 两种。目前在合成的新聚合物中，最具有使用价值的是单功能基型大分子单体，特别是 在化学改性中显示出巨大的优势的、末端为不饱和双键的大分子单体。常见的大分子单 体末端不饱和双键大多为苯乙烯基或甲基丙烯酰基，其结构通式如下： r 。 i 口2 2 c ll 1 r i i _ x + q 1 2 一体h r 2 x 为端基与高分子主链的连接基团，r 和r 1 一般为h 或c h 3 ，r 2 的结构决定大分子单 体的物理特性。 大分子单体的合成方法被不断改进和发展，从最初的活性阴离子聚合发展到活性阳 离子聚合、开环聚合终止反应及使用功能性引发剂或链转移剂的自由基聚合反应等。 m i l k o v i c h 首先合成出的是疏水性聚苯乙烯大分子单体，并对其性质进行了相关的研究 与表征。随着人们对高分子材料性能要求的不断提高，仅用疏水性大分子单体的组分来 改变材料特性已不能满足需要，因而近来人们开始转向开发和合成亲水性大分子单体或 双亲性大分子单体。正是由于大分子单体既具有聚合物的物理性能，又具有化学反应性， 因而常被用于制备接枝高分子。 根据制备大分子单体所用单体的类型可以选用自由基、阴离子、阳离子和缩聚合等 方法，并接上可聚合官能基团。接上的方式有两种，一种是在聚合末期用含有可聚合官 能团的封端剂封端，如甲基丙烯酰氯( m a c ) 、乙烯基苄基( v b c ) ，反应生成大分子单体； 另一种是聚合时引发剂本身即含有可聚合的官能基团，聚合产物即为大分子单体，有关 这方面的工作谢洪泉【9 】曾综述报道过。而大分子单体和小分子单体共聚时，其共聚机理 取决于大分子单体的端基类型和小分子单体的类型，可按自由基共聚合、离子共聚合、 配位共聚合、基团转移共聚合和逐步共聚合多种聚合机理进行。 目前，在设计合成大分子单体方面，通常采用下述四种方法将可聚合基团引入到大 分子聚合物的链端制成大分子单体【1 0 】： ( a ) 通过活性聚合物的封端法 4 绪论 pn + x f - - p n f ( 1 ) ( b ) 含可聚合基团的引发剂( f i ) 引发活性聚合 卜i + n m 一卜i pn 一p n 一卜f ( 2 ) ( c ) 末端功能基团的转换 p n y + ) ( - f p n f ( 3 ) ( d ) ；0 n 聚方法 f _ - i l x f l 巾。一x ( 4 ) f _ 一p f + ) ( 一_ c 卜- x f p q 】。广- x ( 5 ) 式中：卜可聚合基团；卜引发剂部分； 。一活性链端；x ，y - 一相应的功能基团； m 一单体；p ，q 一重复单元；n 一聚合度。 1 4 亲水性大分子单体的合成方法 亲水性大分子单体具有较好的生理相容性，在医学和生命科学中将显示出越来越重 要的作用【1 1 1 。亲水性大分子单体使用水作为溶解或分散介质，避免了有机溶剂的使用。 亲水性大分子单体可由多种合成方法制备得到，包括原子转移自由基聚合( a t r p ) 、自由 基聚合、活性聚合、生物合成法等方法，各种方法具有不同的特点。 1 4 1 原子转移自由基聚合( a t r p ) 法 原子转移自由基聚合( a t r p ) 是以简单有机卤化物为引发剂，过渡金属络合物为卤 原子载体通过氧化还原反应，在活性种与休眠种之间建立可逆动态平衡，从而实现对聚 合反应的控制，因为卤化基团本身就是一种官能团，由此可以演变转化为其它官能团， 如- n h 2 、c o o h 等。也可用带有另一种官能团f ( 如o h ，c o o i - i ) 的有机卤化物作引 发剂，1 0 0 的末端官能团可引入聚合物末端。 卜r x + i l i i l 璎f x ( x 为c 1 ，b r ；f 为- o h ，- c o o h , - c h c h 2 ，等) 采用原子转移自由基聚合来合成亲水性大分子单体的文献报道还不多见，y a g c i 等 利用1 ，4 二溴2 ，5 二溴甲基苯c u b r 联吡啶引发苯乙烯原子转移自由基聚合，制备出 相应的聚苯乙烯大分子单体，再利用s u z u k i 偶联反应，以2 ，5 二乙基苯1 ，4 二硼酸发 生s u z u k i 偶联聚合，制备出可溶性的聚( 亚苯基g 苯乙烯) 大分子单体【1 2 1 ，得到了相对 分子质量分布窄的聚甲基丙烯酸亲水性大分子单体。 1 4 2 生物合成法 随着生物技术的不断发展，将生物技术利用到化学领域为制备新的化合物提供了思 路与方法，但目前利用生物技术直接合成完全亲水性大分子单体的方法却少有报道。脂 肪酶作为脂肪酸化合物水解的催化剂，通常在水溶液中进行，但某些脂肪酸在有机溶剂 5 绪论 中能够稳定存在，因此脂肪酶可用于酯化和酯交换反应的催化。以脂肪酶 p f ( p s e u d o m o n a sf l u o r e s e e n t s ) 作为催化剂，在乙烯基酯存在下引发聚内酯的开环聚合， 从而赋与聚内酯特定的功能团，这种酶催化的开环聚合反应是通过活化单体机理进行 的，其合成方法如下所示，所得聚合物的另一端基为羧基，因此有一定的亲水性【1 3 , 1 4 1 。 1 4 3 自由基聚合 自由基聚合是最普遍的合成聚合物的方法，在用自由基聚合制备亲水性大分子单体 时，一般需要分两步来进行。首先采用链转移常数大且带特定官能团( 如羟基或羧基) 的 链转移剂，合成末端带有羟基或羧基的低聚物( o l i g m e r ) ，低聚物的分子量通过改变链转 移剂的加入量进行控制。回收低聚物后再使其与含有可聚合官能团的封端剂反应，如对 氯甲基苯乙烯( c m s 0 或甲基丙烯酰氯( m a c ) 可得到末端带双键的大分子单体，目前人们 主要利用此种方法来合成一些亲水性的大分子单体。 在自由基聚合中含官能团的链转移剂如巯基乙酸，通过链转移反应生成末端含羧基 的聚合物，进一步与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应则生成甲基丙烯酰型的大分子单体【1 5 】， 采用该种方法已制备出n 异丙基烯酰胺【1 6 】大分子单体。直接使用烯丙基硫醇可以一步 制备出烯丙基型大分子单体；使用巯基乙醇作为链转移剂可合成出端羟基聚合物，进一 步与甲基丙烯酸酰氯反应生成甲基丙烯酰型的大分子单体【1 7 1 。 1 4 4 其他合成方法 将聚环氧乙烷( p e o 一1 0 0 0 ) 和二异氰酸酯( 2 ，4 - t d i ) 预聚，调节n ( t d i ) n ( p e o ) 在0 6 1 0 之间，加入过量丙烯酸p 羟乙酯( h e a ) 与端c n o 反应，使链增长终止。通过调节n ( t d i ) ： n ( p e o ) 和链增长时间，控制产物的单端双键比例及聚合度，合成出嵌段式水溶性聚氨酯 大分子单体【l 引，如下所示，其分子量较大，共聚接枝的支链较长，该大分子单体具有非 离子高分子表面活性剂的性质。 o | i c h 2 = c h o o f l| i c c c h 2 c h 2 0 n c n h - o c h 2 c h 2 0 h h n ：p o l y m e r i z a t i o nd e g r e eo fp e om ：p o l y m e r i z a t i o nd e g r e eo fp u 1 5 大分子单体参与的分散聚合 1 5 1 聚合机理 分散聚合反应开始前，单体、引发剂和稳定剂均溶解在介质中，形成均相溶液。反 应过程中形成的聚合物链长达到临界值后，便会从介质中沉析出来，借助稳定剂的作用 悬浮子介质中，形成稳定的核颗粒。其形成机理人们倾向于齐聚物沉淀机理和接枝共聚 6 喘吼p _ 吾 啦归产 噼弘u _ 啡啦胆 h k v 绪论 物聚结机理。 1 5 2 稳定机理 分散聚合反应中，稳定剂稳定微球的机理通常认为：稳定剂是吸附于聚合物粒子表 面，形成表面水化层使粒子不易聚并，而稳定地悬浮于介质中；或者是含有活性氢的稳 定剂在自由基作用下与低聚物形成接枝共聚物，“锚 嵌到聚合物粒子表面，稳定剂支 链伸向水相形成“毛发粒子 ，靠空间位阻使体系稳定。一般而言，化学接枝比物理吸 附起到更有效的稳定作用。大分子单体参与分散聚合主要是通过接枝机理来稳定粒子： 首先大分子单体与单体共聚形成共聚物，当共聚物链长达到临界链长时，共聚物不再溶 于介质中，会与其它不溶性低聚物凝集或被形成的粒子捕获而分布在粒子表面。接枝共 聚物如果形成的接枝密度不足以稳定粒子时，这些不稳定小粒子相互间聚沉，以致总粒 子数目减少。当粒子表面的接枝链数( q ) 满足稳定粒子所需最少接枝链数( q m i 。) 时，稳定 的粒子形成。少鳊i i l 后形成的稳定颗粒数不变，在此后的反应中聚合物接枝密度起着 重要作用，当q 鳊瓢( 最大接枝链数) 时，多余的接枝链易使分散相中聚合物链稳定而 发生二次成核或多次成核现象，两种情况制得微球粒径呈多分散性。所以反应体系中； 大分子单体的接枝链数应在( ) m i i l 和q l 懈之间，才可得到稳定且粒径均匀的微球粒子。 1 5 3 动力学因素 p a i n e 撙】等人地研究了通过接枝聚合稳定机理的一系列分散聚合体系，最终建立了 两个制备单分散聚合物颗粒的动力学方程，第一个是假定形成的两亲接枝共聚物全部分 布住聚合物颗粒表面，得到： d = k ( s ) 。0 5 ( 劬七- 1 1 1 2 ( 胸o 6 7( 1 ) 其中s 为稳定剂浓度，坻为稳定剂重均分子量，i 为引发剂浓度，m 为主单体浓度。当稳 定剂为p v p 时，b = 0 3 2 。当认为两亲接枝共聚物部分地吸附在颗粒表面时，方程式为： d f = k ( s ) 。0 5 0 ( 1 m o 1 概p ( a 5 2 o 6 7 ( 2 ) 6 为溶剂与接枝链间的溶度积参数之差，当稳定剂为p v p 时( 1 2 b ) 2 = 0 1 7 。前者适用于 像甲醇或乙醇类的极性溶剂体系，而后者对当溶剂为弱极性如丁醇( 或乙醇甲苯) 且可产 生大粒径的体系，此时两亲接枝共聚物在溶剂中有一定的溶解性，因而部分地吸附于颗 粒表面。s e i g o u k a w a g u c h i 等人在氘代甲醇体系中通过1 h n m r 法研究了甲基丙烯酸丁 酯( b m a ) 与p e o 大单体的分散聚合，根据p e o 氢原子核磁共振吸收峰的变化确认就是在 极性溶剂中两亲接枝共聚物中的支链也不是全部吸附于颗粒表面，因而有部分地固定或 包埋，且在颗粒表面有较好移动性的支链才有稳定性，因而第二个方程式更有普适性， 实验结果也证实了这点。基于p a i n e 的方法，k a w a g c u c h i 等人大胆地引人大单体参与的分 散聚合体系，考察了b m a 与一系歹f j p e o 大单体在甲醇水溶液中的分散聚合，得到： d f o o0 1 仃( 单体) 奶( 大单体) 1 尼( i ) 。1 7 1 2 ( 3 ) 1 5 4 大分子单体对微球粒径及其分布的影响 在大分子单体参与的分散聚合体系中，它是作为稳定剂的前体与主单体形成两亲接 7 绪论 枝共聚物来稳定微球，它的浓度、分子量以及末端反应功能基团结构的不同，都会影响 微球的粒径大小和分布。k a w a g u c h i 等a 2 0 】研究了大分子单体作用下分散聚合的动力学， 提出了粒子半径与反应体系中的各种参数的关系： r ：p m ( 一3 w m o ) ( 当m ( 0 3 8 6 k 2 ) ( 堡) 川2 p n a w o o m 。4 廊2 m 明 式中：i l 粒子半径；旺单体聚合成聚合物的转化率；旷聚合物密度( g c m 3 ) ； n a a v o g a d r o 常数；w 腑投入的反应单体的量( g l ) ；r l 一单体与大分子单体共聚反应 的竞聚率；s e f i t 一临界值时大单体占据的粒子表面积；k p - 增长速率常数( l m o l s ) ；k 2 - - - 粒径相似的粒子凝结时的扩散控制速率常数l m o l s ) ；k r 一终止速率常数( l m o l s ) ； i 】一 引发剂初始浓度( m o l l ) ：k r 引发剂分解速率常数；仁引发剂引发效率。 c h e n 等人【2 卜2 6 】在采用大分子单体与s t 分散共聚，制备功能性高分子微球方面，做 了大量研究工作。实验表明，微球的粒径随大分子单体浓度的增加而减小。大分子单体 浓度的改变，影响它在微球表面的吸附速率，进而影响核的聚集程度，所以高浓度大分 子单体更易趋向于吸附或接枝到疏水性粒子表面，以增加对颗粒的空间稳定性。他们还 采用结构不同的大分子单体与s t 分散共聚，研究了大分子单体浓度对粒径的影响。结 果表明，随大分子单体浓度增加，微球粒径都呈减小趋势，但随大分子单体的浓度变化 的指数值不同。大分子单体末端功能基团不同，其与s t 共聚时的速率不同，对制备微 球的影响结果也不同。 c h e n 等人还研究不同分子量的p e g 大分子单体对微球粒径的影响。发现p e g 大分 子单体分子量对微球粒径的影响与p e g 大分子单体分子链在微球表面占据大小有关。 由于高分子量的大分子单体能更有效阻止粒子成核的聚集程度，因此在相同大分子单体 浓度下，采用高分子量大分子单体可制得粒径更小的微球。 1 5 5 大分子单体法制备微球机理 聚合物微球具有比表面大，吸附能力强，凝聚作用大和特定的表面反应能力等独特 的性质，在医学免疫，生物技术，精细化工，催化载体等方面具有很多重要的应用。把 具有优良物理化学性能的亲水性大分子单体导入到聚合物微球的表面，可以合成出具有 生理相容性和特定功能的聚合物核壳结构微球，将聚合物核壳结构微球用于药物的输 送体系，可以缓释药物，延长药物的作用时间，达到靶向给药的目的，同时在保证药物 疗效的前提下，可以减少药剂用量，降低药物对人的副作用风险。合成核壳结构聚合 物微球一般有分散共聚法与自组装法两种方法。分散共聚法是将亲水性大分子单体、疏 水性第二单体、引发剂溶于反应介质中成均相体系，将亲水性大分子单体接枝到疏水性 第二单体上形成双亲型接枝共聚物，并逐渐形成胶粒，形成核为疏水，壳为亲水的聚合 物微球【2 ”，亲水性大分子单体在整个聚合过程中不仅参与了共聚，同时还起到了分散剂 的作用。 8 绪论 单体 的晰 大分子单体 c ， b ， 1 6 大分子单体参与分散聚合的应用 高分子微球具有比表面大，吸附性强，凝聚作用大及表面反应能力等特异性能，因 而在医学免疫，生物技术，化学化工及电子信息领域有着及其广阔的应用前景。具体的 如物理过程模型研究、细胞免疫检测、生物大分子及细胞的分离，核酸杂交的固定， 酶的固定化、药物缓释与靶向、催化载体、色谱柱填料等等。现如今研究的微球有催化 性功能微球、磁性功能微球、热敏性功能微球、生命科学与生物领域等等。 1 6 1 催化性功能微球 c h e n 等人【2 8 】采用聚( - 异丙基丙烯酰胺) 大分子单体( p n i p a a m ) 参与苯乙烯分散聚 合制得高分子微球，然后在乙醇介质中通过还原h p t c i ，在微球原位上形成粒径为2 0 9 m n ，具有催化性质的胶态铂金属。此纳米级胶态金属在水介质中，能作为非均相催化剂 还原烯丙醇化合物。通过这种方法制得的p n i p a a m - p s p t 的催化活性与普通的p t c 和 p s p t 的催化活性相比都要高，并且多次循环使用后p n i p a a m - p s p t 仍能保持很高的催化 活性。 1 6 2 磁性功能微球 刘学涌等人 2 9 , 3 0 1 在f e 3 0 4 磁流体存在的条件下，通过s t 与p e o 大分子单体分散聚 合，制得两亲性磁性高分子微球。磁性微球平均粒径为1 6l u n ，粒径分布虽然具有多分 散性，但接近正态分布，9 5 以上磁性微球粒径为6p m 3 4t t r n 。由于磁性功能微球不仅 具有高分子微粒的特性，还可以通过表面改性等方法赋与其表面多种反应基团( o h ， c o o h ，c h o 等) 来结合多种生物活性分子。因此磁性功能微球在磁性材料、靶向药物 等领域都有着广泛的应用前景。 1 6 3 热敏性功能微球 l e o b a l l d u i l g 等人【3 1 】采用p e g 大分子单体与n i p a a m 共聚，制得热敏性单分散纳米 微球。通过p c s 表征：在不同温度条件下，纳米微球的粒径在2 0 0n i n 11 0 0n m 范围内变 化。在5 时微球粒径溶胀为11 0 0h i l l ，而在3 5 时微球粒径收缩为2 0 0n m 。利用这种 热敏性质，微球能有效地结合药物，进行药物传输和控制释放：低温时药物通过溶胀行 9 绪论 为进入微球内部，当温度高于最低临界溶液温度( l c s t ) 时，微球的体积收缩，大量的药 物被释放出来，达到有效的治疗疾病目的。 1 6 4 生命科学和医学领域 以烯丙醇钠为引发剂引发环氧乙烷开环聚合再与含羧基药物烟酸，布洛芬，酮洛 芬，萘普生反应，可得到含药物端基 拘p e g 大分子单体【3 2 1 。近年来，人们发现两亲聚合 物网络的微观相分离结构和表面结构具有良好生物相容性和生物稳定性，如由聚异丁烯 - l - 聚( n ，n 二甲基丙烯酰胺) 两亲聚合物网络合成的材料的凝血现象和血小板吸附远 低于p e ，p v c ，聚氨酯等常用的高分子材料【3 3 1 ，能用来拟制血栓形成，适于做血液相容 性材料。利用高分子纳米微球对生物大分子的吸附解吸可进行纯化分离生物大分子【3 4 1 ， 如p n i p a a m 微球在其相转变温度上下流体动力学尺寸和亲水疏水性发生变化，这种热 敏特性已被用来纯化分离一些生物大分子【3 5 】，如肌红蛋白，溶菌酶，核糖核酸酶等蛋白 质及糖类、酯类。利用高分子纳米微球包裹药物微粒【3 6 1 ，将其运送到特定的受药部位， 再将其缓慢释放出来，可以最大程度地发挥药效和减少用药剂量，尽可能避免大剂量药 物对其它正常组织的伤害，实现靶向给药。 1 7 立题依据 高分子微球除具有廉价、比表面积大、单分散性好、易于制备及功能化的优点外， 还具有固相化载体特有的易于分离和提纯，以及对生物体相容性可调等特点，所以可用 于药物分子的负载、用于研究其与生物体成份的相互作用。 功能性的接枝共聚物是高分子领域的一个重要的研究方向，有着广阔的应用前景， 大分子单体技术为接枝共聚物的合成提供了一个很好的途径。大分子单体是一类末端含 有可进一步聚合官能团的可聚合性中间体，利用大分子单体和小分子单体共聚，形成以 大分子单体为接枝链，小分子单体的聚合链为主链的接枝共聚物。由于大分子单体结构 明确，种类繁多，和各种小分子单体共聚可以得到数量巨大的接枝共聚物，并且接枝效 率高，接枝共聚物的组成可以通过调节大分子单体与小分子单体的配比来进行控制，有 利于进行高分子的分子设计。 随着高分子材料在生物，医学和环境领域的应用增多，亲水性的接枝共聚物和两亲 聚合物的制备显得尤为必要。鉴于此，近年来有关亲水性大分子单体合成及用亲水性大 分子单体制备接枝共聚物的研究日益受到人们的重视，目前已合成出的亲水性大分子单 体有聚丙烯酸大分子单体，聚乙二醇大分子单体和聚n 异丙基丙烯酰胺大分子单体等， 但种类还不是很多，从而限制了其在高分子结构设计中的应用。接枝型核壳结构的聚合 物微球具有表面分子结构的可设计性，分散稳定性好和易控制其尺寸大小等优点。在以 前的研究中，人们已合成出了聚n 异丙基丙烯酰胺，聚n 乙烯基异丁酰胺接枝聚苯乙烯 等热敏性聚合物微球，聚乙二醇接枝聚苯乙烯聚合物微球，聚乙二醇接枝聚甲基丙烯酸 甲酯聚合物微球等。 c i b a c r o nb l u ef 3 g a ( 简称c b ) 、p r o c i o nb l u em x r 、p r o c i o nr e dh e 3 b 等三嗪染料 具有价廉、化学及生化稳定性，其生色团与许多蛋白质存在一定的亲和作用，已广泛应 1 0 绪论 用于蛋白质的纯化，也可用作基团专一亲和配体，其固定化过程简单，键联过程快速， 不引入有毒的化学物质。在水溶液中，经过基团专一亲和配体修饰的聚合物微球可用于 对蛋白质的吸附，从而达到分离与提纯蛋白质的目的。由配体和聚合物微球制得的亲和 吸附剂有很好的稳定性，可以保存数月而不影响对蛋白质等生物大分子的结合能力，并 且易于回收利用。 本文合成了聚醋酸乙烯酯大分子单体，将其与苯乙烯单体进行分散共聚，合成以聚 苯乙烯为核，聚醋酸乙烯酯为壳的聚醋酸乙烯酯接枝聚苯乙烯核壳结构聚合物微球。 考虑到蛋白质等生物大分子具有特有的分子尺寸、形状、电荷分布和亲疏水性的特性， 从应用的角度出发，将此聚合物微球水解，再在微球表面导入活性色素汽巴蓝，制备出 能选择性分离蛋白质的功能化聚合物微球。以人血清白蛋白为模型蛋白，研究功能微球 在吸附过程中的影响因素，探讨该功能性聚合物微球人血清白蛋白的吸附性能，以及吸 附机理。希望能将这种功能化聚合物微球应用于生物活性分子和蛋白质的分离、纯化方 面。 同时分别通过无早乳液聚合和分散共聚制备得到表面带有o h 的p s t c o p h e m a 复 合微球和以疏水性的聚苯乙烯为核，表面带磺酸基的功能性微球。p s t - c o p h e m a 复合 微球表面导入活性色素汽巴蓝，得n c b 化p s t c d p h e m a 的聚合物微球。将c b 化的 p s t c o p h e m a 复合微球与表面带磺酸基的功能性微球分别用于人血清白蛋白和鸡蛋白 蛋白的吸附，研究影响这两种功能微球在蛋白吸附过程中的因素，以得到更有利