（材料学专业论文）高分子磁性微球的制备及应用.pdf

武汉理：l ：大学硕：l 学位论文 摘要 磁性高分子微球( m a g n e t i cp o l y m e rm i c r o s p h e r e s ，简称m p m ) 掇一 秘默，瓯续寒粒予为孩，聚苯乙矮为麦约薰癸磁注耪辩移赢势了嚣耠睦缝 的新擞功能材料，幽于粒径小，比表面积大，可偶联的生物分子容量大，且 能分散在体系中不易沉降，非常邋合在生物体系中使用，遮今已在细胞擞物 学、生貔医学稆生甥王程等诸多领域震瑗了广耀瓣应用懿焱，本文在总结兹 入的研究成果的蘩础上，改进了实验方法，制备出了单分敝、强磁晌瘟程的 聚苯忍烯磁性高分子微球( p s m p m ) 。本论文的主要内容有： 1 + 采焉化学共泼淀法制各出了可达至纳涨级分散躲f e 3 0 4 皱米粒子。深 入探讨了沉淀剂的种类、加入方式、表面活穗裁、反应溢波、熟化温度等各 种因索对产物的粒径及磁性能的影响，对f e 3 0 4 纳米粒子进行了晶体结构、 粒径、磁性能、铁会量等性能的表征。产物舆育完美的晶体结聿每，粒襁约 1 6 r i m ，蹴魄和磁亿强度为5 5 4 e m u g ，磁纯率为8 2 8 1 0 一e m u o e ，磁 响应愀强。具有超顺磁性，剩磁和矫顽力均为舔，粒径分布均匀，分散性良 好。 2 本文采薅酒酸雩# 灸表覆滔髋裁对f e 3 0 4 纳米粒子遗释了改毪，实瑷了 f e 3 0 4 由亲水性向桊油性的转变，并利用t a ma i r 等温微擞热检测仪研究了 在不阍温度下，油黢与f e 3 0 4 吸附过程中的热凝变化情况，讨论这个过糨中 蒸量豹交纯，势耩了两者之阕瓣缀瓣捷蘧。 3 本文采用了一种难溶助剂，用改进了的微悬浮聚合法制备出了聚苯 乙烯磁性高分子微球，对产物进褥了结构、粒径、磁性能的袭征，分析了反 痘瓤联，著搽嚣了滚溶蘩裁、分教裁、表瑟淫稳裁、弓| 发裁溺量、搅捧遴度 等因素对磁性高分予微球性能的影响。产物粒径约1 5 l li n ，表面光滑，分散 性好，磁含量可达判6 “，比饱和磁化强度为3 9 2 8 e m u g ，磁化率分别为 3 。2 4 擎1 0 m u o e 。裁磁窝辑鬏宠均为零，爨鸯超鬏磁 雯。 4 本文采用免疫学方法，谯聚苯乙烯磁性微球表面包覆了抗体，并与 i 武汉理工大学硕士学位论文 特定的抗原发生特异性反应，利用t a ma i r 等温微量热检测仪测量了微球与 抗体吸附过程及与抗原发生特异性反应过程中的热量变化，探讨了微球与抗 体之间的吸附机理和与抗原之间的特异性反应，为更为深入地研究磁性微球 在生物方面的应用奠定基础。 关键词：磁性微球，f e 3 0 。，纳米粒子，微悬浮聚合，聚苯乙烯，生物材制 武汉理i ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cp o l y m e rm i c r o s p h e r e s ( m p m ) a r e ak i n do f n o v e lf u n c t i o n a l m a t e r i a l s ，w h i c hb e h a v ep r o p e r t i e so fm a g n e t i cm a t e r i a l sa n dp o l y m e r m a t e r i a l s m p ma r eq u i t ef i tf o ra p p l i c a t i o ni nb i o l o g i c a ls y s t e mb e c a u s eo ft h e i rs m a l l p a r t i c l es i z e ，l a r g es p e c i f i c s u r f a c ea r e a , g r e a tc a p a c i t yo fc o u p l i n gb i o l o g y m o l e c u l e s ，a n dg o o ds u s p e n s i o ni nd i s p e r s es y s t e m h e r e t o f o r e ，m p mh a v e e x h i b i t e de x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h i sp a p e r , p s m p mw a sp r e p a r e d w i t hm o n o d i s p e r s i t ya n ds t r o n gm a g n e t i cr e s p o n s i v i t yo nt h eb a s eo fo t h e r s r e s e a r c h t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri ss u c h 幽f o l l o w i n g ： 1 f e 3 0 4n a n o p a r t i c l e s ，w h i c h c a nb e d i s p e r s e d i nn a n os c a l e ，w e r e p r e p a r e db y m e a n so fc h e m i c a l c o - p r e c i p i t a t i o n m e t h o d s u c hi n f l u e n c i n gf a c t o r s a st h et y p eo fp r e c i p i t a n t ，t h ef e e d i n gm o d e ，t h es u r f a c t a n t s ，t h e r e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，t h ec u r i n gt e m p e r a t u r ew e r es u r v e y e d s o m ep r o p e r t i e s s u c ha s c r y s t a ls t r u c t u r e ，p a r t i c l es i z e ，m a g n e t i cp r o p e r t i e s a n di r o nc o n t e n tw e r e c h a r a c t e r i z e d t h ep a r t i c l es i z eo f t h ep r o d u c ti sa b o u t1 6n l nw i t hp e r f e c tc r y s t a l s t r u c t u r e n l e p r o d u c t e x h i b i t s s u p e r p a m m a g n e t i s m a n d s t r o n gm a g n e t i c r e s p o n s i v i t y , t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nb e i n g5 5 4 e m u g a n dt h e m a g n e t i c s u s c e p t i b i l i t yb e i n g 8 2 8 x 1 0 3 e m u o e t h e p a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o ni s h o m o g e n e o u s w i t h g o o dd i s p e r s i o n 2 t h ef e 3 0 4l l a n o p a r t i c l e sw e r ec o n v e r t e df r o mh y d r o p h i l i ct oo l e o p h y l i c b yb e i n gm o d i f i e db yo l e i ca c i d n 他h e a tc h a n g ei nt h ea d s o r p t i o np r o c e s so f f e 3 0 4n a n o - p a r t i c l e s t oo l e i ca c i dw a sm e a s u r e da n dd i s c u s s e d b yu s i n g m i c r o c a l o r i m e t r y t h ea d s o r p t i o n m e c h a n i s mw a s a n a l y z e d 3 p s - m p mw a sp r e p a r e db yi m p r o v e dm i c r o s u s p e n s i o np o l y m e r i z a t i o n p r o d u c ts t r u c t u r e ，p a r t i c l es i z ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s ，w e r ec h a r a c t e r i z e da n d t h er e a c t i o nm e c h a n i s mw a s a n a l y z e d s u c hi n f l u e n c i n g f a c t o r s 站t h e i n d i s s o l u b l e a s s i s t a n t ，t h ed i s p e r s a n ta g e n t ，t h es u r f a c t a n t s ，t h e a m o u n to f i n i t i a t o ra n dt h es t i r r i n gs p e e dw e r e s u r v e y e d t h ep r o d u c t p a r t i c l e s i z ei sa b o u t n i 武攫理董火学颈士学缱论文 15 m ，w i t hs m o o t hs u r f a c ea n d g o o dd i s p e r s i o n t h ep r o d u c t e x h i b i t s s u p e r p a r a m a g n e t i s m ，t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o nb e i n g3 9 2 8e m u ga n dt h e m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yb e i n g3 2 4 9 x 10 。e m u o e t h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n i sh o m o g e n e o u sw i t hg o o d d i s p e r s i o n t h em a g n e t i c c o n t e n tw a s6 。4 4 。 4 a n t i b o d y , w h i c hw a sc o a t e dt op s m p mb yu s i n gi m m u n o l o g ym e t h o d ， r e a c t e dt o s p e c i a lc o r r e s p o n d i n ga n t i g e n t h e h e a tc h a n g ei nt h ea d s o r p t i o n p r o c e s so fa n t i b o d yt om p m a n dt h er e a c t i o np r o c e s st oa n t i g e nw e r em e a s u r e d b yu s i n gm i c r o c a l o r i m e t r y t h ea d s o r p t i o nm e c h a n i s m a n dt h es p e c i a lr e a c t i o n w e r ea n a l y z e d ，w h i c he s t a b l i s h e dt h ep r i m a r yb a s eo fp r o f o u n ds r l a yo nt h e a s p e c to f b i o l o g ya p p l i c a t i o n f o rm p m k e yw o r d s ：m a g n e t i cm i c r o s p h e r e s ，f e 3 0 4 ，n a n o - p a r t i c l e s ，m i c r o s u s p e n s i o n p o l y m e r i z a t i o n ，p o l y s t y r e n e ，b i o l o g i c a lm a t e r i a l s i v 此页若属实请申请人及导9 l i 签名 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，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， 也不包含为获得武汉理工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了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 日期 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：导师签名 注：请将此声明装订在论文的目录前。 日期 武汉理= i ：大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章零l 富 缡米科技( n a n o - - s t ) 楚2 0 世纪8 0 年代束籍诞生并难在强起酌耨幂尊 技，怒研究尺寸在1 1 0 0 n m 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用 以及可能的实际应用中的技术阅艇的科学技术。科技界认为，纳米技术是人 类谈谈鞠改造超赛簸力夔重大突蔽，将弓l 发下一场瑟懿鼓零革会襄产照攀 命，戮在已经成为2 1 世纪科学技术发展的前沿，它不仅魑阐际竞争焦点领 域信息产业的关键技术之一，也怒先进制造业最主要的发展方向之一。中国 工程院戮院长、中黧秘学院技术辩学罄主任烬器绪院士也躜臻缝把维米技术 列为“我国要高度霪视并大力发鼹的丸大关键技术”之一”| 。 纳米材料技术则是纳米科技领域中最富活力，研究内涵最丰富的学科分 支。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细徽粒，它的尺度太子原子簇 ( c l u s t e r ) ，小于逶鬻熬徽粉，一般在l 1 0 0 n m 之闻。绫米微粒墓骞基大豹 比表谢积、表面原予数、表面能和寝面张力。当小粒子尺寸避入纳米量级( 1 1 0 0 r i m ) 时，其本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应和宏观擞予 隧遂效应，因恧震瑗墨谗多特鸯豹整震，在热、磁、光、敏感特性巍表瑟稳 定控等方面展现出肖剐于常规粒予的特性【2 】，i 塞种变纯使纳米材料在力学性 能、磁学性能、热举性能、光学性能、电学性能、催化性能、生物活性等方 面发生了变化，从蕊使纳米技术广泛地应用谯缱构陶瓷、怒塑性纳米陶瓷、 粉末增强复合毒孝辩( 随瓷、橡荻、塑耨) 、超磺材料、磁记激奔度、磁流体、 永久磁铁、吸波材料、热交换材料、低维烧络材料、耐热材料、吸光材料、 光过滤材料、光导电体、感光材料、有机颜料、压电材料、介电材料、婚电 耪辩、黄感器、臻豫裁捧辩、浚涤耪辩韵裁、缘妆品、入逡蚤、人造雾鼗， 以及记忆与显示材料、液体燃料替方面1 3 。 纳米材料技术怒- - i l 跨科学、跨行业的筒新科学技术，近几十年来发展 迅速，菇且日趋成为各国研究和发展的重点。尤其是将纳米颗粒技术应用予 开发新功能豹耪体材瓣方蟊，曼是成为该学辩豹研究熬点，并将成为下鬣纪 武汉理工大学硕士学位论文 秘技发袋蕊一令重要方淘。入髓鬏富，二卡一邀纪涛楚生镑、镕崽、撵精三 大学科的发展变革时代，足以可见与材料科学相关的纳米技术发展的重要 瞧。纳米材精程电子学、光学、傣惑器帮磁性存储等方帮弓| 起了极大的关注。 同时随蛰新技术的日热发展，对磁性材料的要求也正不断提高。在电子工业 的微型仪器、宇航控制系统、空间动力系统和隐形飞行器等方面，都需要轻 质的磁性材料；另外，在医学、巧像、分予生物学等方蕊也都嚣要能易与套 质分离的磁性物质。 f e 3 0 4 纳米粒子在粒径小于3 0 r i m 露，兵育怒蔟磁性，嚣在没寿终器磁 场作用时，没有磁性；而存在外界磁场作用时，则极易被磁化；外界磁场撤 销后，又会在檄短时间内返磁，没有磁滞现象，矫顽力为零。超颓磁性的出 现可归因为：农小尺寸下，当各向努性能敞小到与热运幼能可楣比拟时，磁 化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导 致趣蹶磁性熬出现。苓同秘类魏纳米磁性微粒显蠛超j 嚷磁性毂錾爨尺寸是l i 同的。目前，f e 3 0 4 纳米材料已经猩化工、机械、电子、印刷、医学等行业 褥至l 应羽，荠蔽其显著熬磁敏、气滋敏特瞧在商密度磁记录秘瓣、气温敏传 感器件、磁性免疫细胞分离、核磁欺振的遗影成像以及药物控制释放等领域 有巨大的应用前景。 磁鼓褒分予擞球舆毒磁瞧，在磁场作耀下可定向运动到特定邦馒，或遗 速从周围介质中分离出来，鼠质轻，易加工，流动性好，在细胞生物学( 细 爨分离、缎蕤椿记等) ，生耱貘学( 靶囱药物、稳窳诊瑟等) 嚣整凌工程( 酶 的固定化等) 诸多领域展现了广阔的研究和应用前景。尤其是纳米级磁性高 分子徽球，由予粒径，i 、，眈表面积犬，可伪联的生物分子容量六，置能分散 在体系中不易沉降，非常适合在生物体系中使用。这些性能使其具有广阔的 应用前景，因而在生化分离、靶向制剂、瀚定化酶、免疫分析、催化研究等 方嚣起到了投必广泛鹣应用【4 “。 1 。2 磁性高分子徽球在生物学上的戚用 1 。2 。1 缎胞分燕 磁性微球作为不溶性载体，对冀表面进行修饰，接上具有雾种反应活性 功藐基霞，翔- - c o o h 、- - o h 、一n 珏2 等，使霹有效蟪暖黪舞有生携活毪 2 武汉理l ：大学硕士学位论文 的吸附荆或其它配体( 如抗体、荧光物质、外源凝结素等) 活性物质，利用 宅稻舄指定缨雾毽鹣祷舜性结合，在矫麓磁场鹣佟霜下将舔藏分离、分类黻及 对其种类，数量分布进行研究。磁性粒子在分离癌细胞和旗常细胞方面的动 物临床试验已获成功，有人将敉径为3 “m 的p s f e 3 0 4 微球，外接抗小鼠f c 蕊镕( 免疫球蛋鑫) ，援 ：奎羲羹穗中歪零缁蕤蠢瘗缨毖瓣分褰，分离率这 9 9 9 以上。f r i e d l l 7 j 等应用p o l y c l o n a la n t i f a b 抗体修饰的磁性微球成功嫩对 人体c d 4 、c d 8 、c d l 9 、c d 3 4 等细胞进行了分离，分离率也达9 9 9 以上。 p o 粥t o n l 埘则用含霄抗生素蛋白、植物凝结素铃配体结合的磁性微球，送行 曹麓审t 缨瑰静分离，露予鑫叔瘸的治疗；j o s e 曲s o n l 哭涛戊二醛活识鹣硅 烷化磁性微球用予人血中淋巴细胞的分离：b j e r k e 阳谰来分离，纯化人舡中 嗜碱细胞，分离效果比传统的分离方法都要好。u g e l s t a d 1 l j 认为作为 d y n a b e a d 戆磁瞧锾球蠲予续藏分离霉考虑毅下豆个关键麓豢：1 在绥藏分离 介质中不凝结；2 具有灵敏的磁响应性；3 不向非特定细胞结台：4 能快速、 彻底分离；5 最低稷度的吞噬细胞。有关细胞分离的原理及过程如图1 - 1 所示。 鸟爱苯乙埔的 抗，、鼠b - c 骨强童宰摊 为岛鸯孔辍藐嚣( 睾)经毒嚣嚣霜 燕慧鲤蓬 一 - ，1 一 ( 国qf 歹石) 督璐抗神经母强挹毫 l v 4 草蔑璇抗体 l 小甑 a 、 c 图l - 1 包覆聚苯己烯f e 3 0 4 纳米粒子分离小鼠骨髓液中瘸细胞实验示意图 1 2 2 靶向制剂 磁性药物徽球跫磁装药物捌裁煞一静类熬，是靶自绘嚣系统兹象翔蘩。 在磁j f 生纳米粒子袭颡包覆高分予，再与蛋白蟥相结合。以这种磁性缡米粒子 汐 憧 伊 武汉理工大学硕士学位论文 乍为药物的载体，然后静脉注射到动物体虑，在外加磁场下通过纳米微粮的 磁瞧静簸，佼其移怒瘸交部位，簸霹达到定巍浚疗戆霾的。动物旗床实验证 实，带宵磁性的纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象。w i d d e r 等人 在1 9 8 6 年制成一种磁性白蛋白微球，使其在外磁场的引导下集中于治疗部 蕴，缓竣释敖菱谚。燕；验鹾究表爨，耒鸯鬟磁场按期露，翳黢代滚4 0 ，薄簸鼗 谢4 5 ；施加磁场控制时，肝脏代谢仅5 ，脾脏代谢1 0 。这说明磁撩制 可减轻化疗药物对脏器的毒副作用【1 2 】。a n d e r s o n 【1 3 】等联合殿用免疫磁性微 球和化学分离法从援零骨髓中溥除c a m a 1 飘黥瘙缨胞，缡果表鼹兔疫磁 性分离后运翔1 0 u g m l 靛4 - h c 潘涂残余翁癌缀勰可获褥4 5 个对数级静癌 细胞清除率。r u s e t s k i 和r u u g e 将右旋糖苷与磁性载体结合，制备了包脊右 旋糖赞的磁性高分子微球，并用其作为药物裁体【h 】。按照靶向药物给药方 式爵分受主动绘芬( a c t i v ed e l i v e r yo f d r u g ) 擞鼗囊绘芬( p a s s i v ed e l i v e r yo f d r u g ) ，被动给药怒依靠改变药物栽体表面的亲水、疏水特性以及粒子大小 向目标给药；而主动绘药主要依靠外加磁场等的定向作用以及药物载体耦合 如单觉隆菝体、步 源凝结素、搿系蒙等对绘药嚣标斡特殊聚会性，来实瑷定 向绘药。作为成功缒药物载体，磁性微球必袋满足：1 宥2 按预期的方式蠢效 地到达病变区；2 药物的载量及释放特征能按预期方式进行i3 具有良好的 生物棚容性。 。2 。3 鬻定踅酶 运用磁性高分予微球作为结合酶的载体，具有以下优点：有利于嘲定 化酶从反应体系中分离和回收，操作简便。对于双酶反应体系，当一种酶的 失滔较抉霹，裁可辨用磁性奉孝辩浓霾载勇一静薅，嚣收露反炭使臻，降低藏 本；磁性载体固载酶放入磁场稳定的流动寐反应器中，可以减少持续殷应 体系中的操作，适合于大规模连续化操作；利用外部磁场可以控制磁性材 料固定化酶的运动方式和方向，替代传统的机械搅拌方式，提高固定化酶的 疆纯效率。m u n k o 穆e e l l u l o s e - f e 3 0 4 、p o l y a e r y l a m i d e f e 3 0 4 、n y l o n - 、f e 3 0 4 等磁性微球用于凝乳化蛋白酶的圈定，详细考查了不同壳艨、不同磁核及粒 径对酶活性及固定擞的影响【”】。y o s h i m o t o 等谯用过氧化氢还原三价铁离子 会或f e 3 0 4 磁流体瓣，渡二羧攀基聚乙二黪缛努鼗裁，然螽矮n 羟蒸渡 珀酰渡胺法活纯磁瞧微球，将微球和脂肪酶域l 天门冬酰胺酶的磷酸缓冲 4 武汉理| 太学颈士学位论文 液混合后，室温下搅拌l h ，得到的磁性圈定化酶很容易从葳成混合物中回 收，并且没有酶的活性损失【1 6 】。 1 2 4 环境食品微擞物检测。1 默磁性徽球为綦磷晒免疫磁性分离( i m s ) 技术不但广泛疲瘸予医学、 囊貔学豹各令颁装，霹| ；嚣在繇= | 蹇察食磊翌裳捡嚣方瑟懿疫弱瑰甥冤戆院。涉 门氏菌是引起食物中毒最常见豹菌属之一。s k i e i v e 等报道了阁免疫磁性分 离技术从乳及乳制晶、肉类和蔬菜中分离出沙门氏菌，其检测限为每克1 叫0 2 个细刮 i 。免疫磁分离技术可快速将目标微生物从样品中分离出来，如果 和其它检验方法，如辩联免疫吸附分析( e l i s a ) ，多聚酶链式反应( p c r ) ， 荧光受疫分撰( f 弧) ，壤子位学菱竞( e c l ) 程结舍，鬃数穆建搀毒劳离 效率和检测极限。b r u n o 等利用以免疫磁憔徽球为固相载体豹e c l 技术探 测士壤中的b a n t h r a c i s 孢子【1 引。y u 等利用i m s f i a 技术，不进行过滤等预 处理，直接对环境水样本进行检测。用该方法能快速有效地探测环境中水的 s e b ( 1 0 n g m 1 ) 和e 。c o l i 0 0 1 5 7 ：h 7 ( 2 1 0 3 个细胞m 1 ) ，其分析灵敏度为 8 4 8 7 1 9 l 。s y l v i e 簿鞫震i m s p c r 滚，w 在7 h 蠹捡测5 - 1 0 0 l 襻本中多 擞一个的c p a r v u m 卵囊珏镯。该方法鹣怏遮性和灵敏性足戬使其胜任饮用水 中污染的常规检测。目前，磁性高分子微球的研究多限于实验糍阶段和初步 的应用研究，但其中仍有一些成功应用的例子。如挪威的d y n a l 公司丌发了 一系列盼商品化磁蚀离矜予微球d y n a b e a d s 。该公司的系列产黯已经成功的 疲籍予微生甥学、受疫学、分子生兹学、痰瘥疆究等领域，秘籍誊还在美、荚、 德、嚣、澳等国建立了分支辊稳。另器缀滋，澳大幂l 亚联邦辩学与工韭研究 组织( c s i r o ) 研制成功粒径为1 0 0 | im 的磁性离子交换树脂珠粒，用于除 去饮用水中的有机物。该产品即将实现商业化。 1 3 磁性高分子徽球研究现状 磁性高分子徽琢俸为颓鍪的功能材料近年被广泛她研究，其匿大魏应用 前灏和潜力，特别是襁焦物医学、生物工糕等领域的应用，引怒了各国研究 者的高度重视，成为生物医学材料领域中的热门课题。 目前，国外在磁憾微球的应用研究方嘲的论文和专利很多。丽国内在这 秀鬻懿磅究巍处予起步除段，在磁缝擞球瓣涮冬方嚣，褥到翁徽球靛经分毒 5 武汉理工大学硕士学位论文 较宽，对微球的粒径的控制以及对粒径和磁性能的关系问题尚无定论，而且 研究很不系统。一些做磁性微球应用研究机构所采用的微球产品几乎全部由 国外进口，价格昂贵，每毫克高达几百美元。这也使得国内磁性微球的应用 研究受到一定的限制。针对这种现状，开发磁性微球的制备以及相关的应用 技术已经成为必然的趋势。该技术具有非常大的开拓前景和潜力，确实是一 项极具研究价值的高新技术。迄今为止，虽然有些基础理论研究的报道，但 在磁性高分子微球的研究中，还有许多方面有待进一步探索。( 1 ) 完善不同 结构的磁性高分子微球的形成机理，如制备方法和反应参数间的关系等。( 2 ) 探讨磁性高分子微球的磁性起源、结构和性能的关系，如无机物、聚合物对 磁性的贡献，无机物间、无机物与聚合物间的磁相互作用。( 3 ) 深入研究磁 性高分子微球的物理性质，尤其是磁性能。 就目前的研究现状来看，磁性高分子微球按结构可分为三类1 4 ：一是以 高分子材料为核，磁性材料为壳层的核壳式结构：二是内层、外层皆为高 分子材料，中间层为磁性材料的夹心式结构；三是核为磁性材料，壳为聚合 物的核壳式结构，该类微球研究得最多。聚苯乙烯磁性高分子微球 ( p s f e 3 0 4 ) 是目前应用最为普遍的一种磁珠。p s f e 3 0 4 微球本身以及其表 面改性产品可用于细胞分离、靶向制剂、固定化酶、环境食品微生物检测、 蛋白质提纯以及d n a 分离及核酸杂交等领域。目前的研究者大都选择 p s f e 3 0 4 作为先期开发的微球产品。首先将把这种p s f e 3 0 4 微球应用于对 特种细胞进行高效、高纯的分离。该方法于传统方法相比，具有高纯、高效、 分离迅速等优点，且磁性微球可以重复使用，所分离的细胞捕集容易。分离 的设备简单、工艺操作不复杂，适于放大后的工业生产。 从目前研究的情况看，磁性高分子微球的制备方法主要有包埋法、单体 聚合法、化学转化法和共沉淀法【6 2 1 琊】。 1 3 1 包埋法 包埋法是将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸 发等手段得到磁性高分子微球。d e k k e r 将磁性粒子悬浮于聚乙烯亚胺( p e d 溶液中，通过过滤，干燥处理得到外包p e i 的磁性微球；c u y p e r 等用磷脂 处理纳米级的磁性粒子，制得磁性脂质体微球；g u p t a 等将磁性粒子与牛血 清清蛋白和棉籽油进行超声处理，然后加热至1 0 5 1 5 0 0 ，得到外包牛血清 6 武汉理工大学硕十学位论文 清蛋白的磁性微球；利用类似的方法，可制得c e l l u l o s e f e 3 0 4 、n y l o n f e 3 0 4 、 p o l y a m i d e f e 3 0 4 、p o l y a c r y l a m i d e - f e 3 0 4 等磁性微球；而j o s e p h s o n 利用含羟 基的硅烷聚合物与表面含羟基的磁性粒子进行加热脱水，得到硅烷化的磁性 微球，如图1 2 所示： o ho h 早 r 孓r 。 i l + h o i i o ：i 旦h o j i o 一卜 磁性粒子表面 i i ii o h o h oo 图1 2 磁性粒子的硅烷化 一般而言，包埋法得到的磁性微球其磁性粒子( 磁核) 与外壳层的结合 主要通过范德华力( 包括氢键) ；磁粒表面的金属离子与高分子链的螯合作 用以及磁性粒子表面功能基与高分子壳层功能基形成的共价键。利用包埋法 制备磁性微球，方法简单，但所得的粒子粒径分布宽，形状不规则，粒径不 易控制，壳层中难免混杂一些诸如乳化剂之类杂质，用于免疫测定、细胞分 离等领域会受到很大的限制。 1 3 2 单体聚合法 单体聚合法是在磁性粒子和单体存在下，加入引发剂、稳定剂等聚合而 成的核壳式磁性高分子微球。迄今为止，单体聚合法合成磁性微球的方法 主要有：悬浮聚合、分散聚合、乳液聚合( 包括无皂乳液聚合、种子聚合) 等。单体聚合法成功的关键在于确保单体的聚合反应在磁粒表面顺利进行。 一般而言，磁性粒子为亲水性，对于亲水性单体如戊二醛，单体易接近磁性 粒子，聚合容易在磁性粒子表面进行，而对于大多数油性单体如苯乙烯、甲 基丙烯酸甲酯等，聚合反应则难以在磁粒表面顺利进行。适当改进悬浮聚合 的有机相组成，或对磁性粒子进行表面处理，可使单体在磁粒表面顺利聚合。 d a n i e l 将f e 3 0 4 ( d - 0 0 1 1 x m ) 用烃油处理，在乳化剂、引发剂存在下进行乳 液聚合，得到粒径小于l l a m 的聚苯乙烯磁性微球；i m a n 将粒径2 0 岬的磁 粒同s t d v b b p o 超声处理，用改进的悬浮聚合法聚合得到1 0 4 2 9 5 1 m a 的 磁性微球；孙宗华等用磁性流体作为磁核，采用改进的乳液聚合法和分散聚 合法，合成得到粒径范围分别在o 0 6 1 0 ) t m 及1 0 0 1 0 0 0 p m 的聚苯乙烯微 球，同时，其课题组直接利用f e j 0 4 磁粉作为磁核，加入p e g 进行超声处 武汉理： 大学硕士学位论文 理，采用分散聚合法，制得5 0 6 0 0 1 t m 分布均匀，磁感应强的聚苯乙烯微球； f u r u s a u a 将磁粒沉积到带功能基的高分子胶乳粒子上，然后，再用种子聚合 法，得到夹心式结构的磁性微球。 1 3 3 化学沉淀法 化学沉淀法是指将一定浓度的磁性金属阳离子渗透和交换到大孔树脂 中去，然后利用化学反应使金属离子转化为磁性金属氧化物，使之均匀分布 在聚合物的孔结构中，渗透和转化步骤可反复进行：另一种办法是将树脂硝 化，然后在酸的存在下，用硝酸将金属( 如铁) 氧化成金属氧化物，但这样 得到的磁性微粒仅限于树脂表面。 该方法操作简便，树腊中磁性分布均匀，磁含量容易控制，但对树脂的 要求比较严格。例如用一定比例的二价和三价铁离子溶液溶液浸泡阳离子交 换树脂，然后将树脂置于碱性溶液中，使铁离子转化为f e 3 0 4 ，这两步操作 可以反复进行。 1 3 4 共沉淀法 共沉淀法是指二价与三价铁离子在碱性条件下沉淀生成f e 3 0 4 或利用氧 化还原反应生成f e 3 0 4 的同时利用高分子材料( 例如聚乙二醇) 作分散剂， 从而得到外包有高分子的磁性微球。共沉淀法得到的磁性微球通常粒径较 小，因而具有较大的比表面积和固载量，但其磁响应性较弱，操作时需要较 强的外加磁场。 1 4 本文的选题思路 磁性高分子微球具有巨大的应用前景和潜力，但国内的研究水平与国际 水平相比还有很大差距，本文凭借我们现有的条件，本着创新性和系统性的 思想，不仅进行材料制各及结构分析，而且将结构、特征与作用机制结合起 来研究，形成了材料学、生物医学、物理化学的交叉点，具有极大的现实意 义。 1 4 1f e 3 0 4 磁性纳米粒子的制备 制备f e z 0 4 磁性纳米粒子的方法主要有球磨粉碎法、溶胶法、水热法、 真空蒸镀法、液相沉淀法等，其中，液相沉淀法简便易行，不需要复杂的仪 器及设备，反应时间较短，是应用较多的一类方法。液相沉淀法包括共沉淀 武汉理：c 大学硕士学位论文 法和沉淀氧化法两类。本文主要采用化学共沉淀法。在这种方法中，影响 f e 3 0 4 粒子的磁性及粒径的因素较多，如铁盐的种类、沉淀剂的种类及加入 方式、p h 值、熟化温度等都有影响 2 4 - 3 t ，本文将深入探讨各种因素的影响， 并试图寻找一种合适的表面活性剂，以期得到具有粒径小于3 0 r i m 、强磁响 应性、粒径分布均匀且窄、分散性良好的真正意义上的f e 3 0 4 纳米粒子。 1 4 2f e 。0 磁性纳米粒子的改性 本论文中制备的f e 3 0 4 是用于高分子生物材料中的磁性内核，需要在其 外部包覆一层聚苯乙烯，而f e 3 0 4 是一种亲水性物质，因此，实现f e 3 0 4 由 亲水性向亲油性的转变，就必须对其进行表面处理。本文选择了油酸作为表 面活性剂。 油酸在f e 3 0 4 表面上既可发生物理吸附，也可发生化学吸附。本论文借 助于t a ma i r 等温微量热检测仪研究在不同温度下，油酸与f e 3 0 4 发生吸附 前后的热量变化情况，这个过程中包含有丰富的热力学和动力学信息，讨论 这个过程中热量的变化，从而分析吸附机理。通过量热法对吸附体系的研究， 无论从热化学还是从动力学方面来看都在经典领域的基础上向前跨进了一 大步，对促进学科之间的交叉渗透起着重要作用，同时也深化了各学科自身 的研究水平。 1 4 3 磁性高分子微球的制备 本文选择了一种难溶助剂，采用改进了的微悬浮聚合法制备聚苯乙烯磁 性高分子微球，探讨难溶助剂、分散剂、表面活性剂、引发剂用量等因素对 磁性高分子微球各性能的影响，并对反应机理、产物的粒径分布、磁性能等 进行深入研究。 1 4 4 磁性高分子微球在生物学上的应用 预期的利用微悬浮聚合法制备出聚苯乙烯磁性高分子微球，是一种单分 散、窄分布的核壳型磁性高分子微球，其粒径约1 0 l u n ，分布均匀，具有高 度分散性、稳定性和良好的磁性能。在磁性微球表面吸附包覆特定的抗体， 与特定的抗原发生特异性反应，测量微球与抗体吸附过程及与抗原发生特异 性反应过程中的热量变化，探讨微球与抗体之间的吸附机理和与抗原之间的 特异性反应，并在此基础上进行在肝癌细胞与正常细胞分离上的应用研究。 9 武汉毽工大学礤圭学位论文 第2 章f e a o 。纳米粒子的制备及表征 2 1 实验部分 2 1 1 主要原材料 本实验以氯化豫铁、氯化铁、氯氧化钠及氨水为主露原料，利用化学共 沉淀法合成f e 3 0 4 磁往粒子。实验中所搿原科及试箭如表2 - l 所示。 袭2 - 1 实验所用原材料列表 本实验所用的水均为实验室自制的= 次去离予水。 2 1 2 仪器及设备 p t h w 登电热套( 琉义带英略予华仪器厂) j j 1 型精密增力电动型搅拌器( 零鲻国豢电嚣窍陵公霹) k q 5 0 b 型超声波分散器( 昆山市超声仪爨有跟公司) w t - 2 2 1 6 c 可控硅温度控制器( 中匡上海电机( 集团) 公司实验电炉厂) 7 2 1 黧分光光度计( 上海第三分析仪器厂) f d - t x - f m - a 鹫磁天平( t 海美显天歇雾 技教佼器蠢限公司) j s 0 4 g + 型微电泳仪( 上海中晨数字技术设冬鸯眼公司) 问本电子j e m - 1 0 0 e x i i 透射电镜 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 x 射线荧光光谱仪( 日本r i g a k u 公司) 真空干燥器( 大连第四仪表厂) 2 1 3 实验过程及流程图 2 1 _ 3 1f e 3 0 4 纳米粒子的制备 将o 8 m f e c l 2 溶液与o 8 m f e c t 3 溶液各5 0 m l 加入三口烧瓶中，搅拌， 混合均匀。同时电热套加热，冷凝回流，待混合物温度升至5 0 时，缓慢 滴加1 5 m 的碱溶液3 2 0 m l ，再加热至8 0 c ，熟化3 0 m i n 。停止加热，搅拌 下冷却，此时溶液p h = 1 2 。加入一定量的表面活性剂，降至室温后，抽滤， 用去离予水洗涤至中性，真空干燥，即得纯黑色的f e 3 0 4 磁性粒子【2 1 3 0 1 。 该反应的方程式为： 凡“+ 2 f e “+ 8 0 h 一一心0 4 + 4 h 2 0 ( 1 ) 凡“+ 2 0 h 一_ f 4 0 h ) ， ( 2 ) 综合( 1 ) 、( 2 ) 可得： f e c l 2 + 2 乃c 屯+ 8 矗。曰= f e 3 0 4 山+ 8 n a c i + 4 h 2 0 ( 3 ) 仪器装备图如图2 1 。 图2 1f e 3 0 4 纳米粒子制备仪器装置图 2 1 3 2f e a 0 4 纳米粒子的制各流程图 其流程如图2 - 2 。 武汉理二l ：大学硕士学位论文 图2 - 2f e 3 0 4 纳米粒子制备流程图 2 1 4f e 。0 磁性粒子的分析及表征手段 用x 射线衍射( x m y d i f f r a c t i o n ，x r d ) n 量样品晶体结构，用j f m 1 2 0 0 型透射电镜测定样品粒径及其分布，用j s 9 4 g + 型微电泳仪测量磁流体的 电位，衡量其稳定性。用4 h f 振动样品磁强计测量比饱和磁化强度等磁性 能。用古埃磁天平测量样品的磁化率。用分光光度计测量溶液的吸光度，得 到样品的铁含量。用可控硅温度控制器测量样品的磁含量。 2 2 结果分析与讨论 2 2 1 f e 。0 磁性粒子的x r d 图谱分析 3 0 0 ，、 筮2 0 0 g 言 重 一1 0 0 20 ( d e g ) a 武汉理工大学硕士学位论文 6 0 0 窃4 0 0 o3 0 0 = 2 0 0 1 0 0 o 1 0 20 ( d e g ) c 图2 - 3 不同制备条件下产物的x r d 图谱 a ：f e 2 + ：f e 3 + ：o h 。= 1 ：2 ：8b ：f e 2 + ：f e 3 + ：o h 。= 1 ：1 ：6c ：f e 2 + ：f e 3 + ：o r = 1 ：1 ：8 1 3 ) g ；柏 b 日 2 ； 一正u一丽c口ui 武汉理1 ：大学硕士学位论文 将图2 3 中b 图与文献【3 2 】比较，可以看出，衍射峰比较尖锐，本实验方法制 备出的f e 3 0 4 具有较完美的晶态结构。图a 、c 中可以看到有f e 2 0 3 的衍射峰， 这是因为反应是在空气中进行的，而且f e 3 0 4 纳米粒子因为具有较大的比表 面能也易被空气中的氧气氧化。 2 2 2 磁化率的测量 本论文采用古埃磁天平，通过测量某一特定磁场下磁增重变化来确定样 品的磁响应性。 古埃磁天平的工作原理为【3 3 】：将粉末或液体的样品装入均匀细长的玻 璃样品管中，悬挂在分析天平的一个臂上，使样品底部处于电磁铁的两极中 心，此处磁场强度最大，样品顶端离磁场中心较远，磁场强度较弱，可近似 看作为零。这样整个样品处在一个非均匀的磁场中，于是在垂直方向上，存 在磁场梯度，顺磁场样品就沿垂直方向受到磁力的作用而产生磁增重。因此， 可通过测量的磁重大小及磁增重变化的方向来衡量磁响应性的大小。古埃及 磁天平的工作原理如图2 - 4 所示。 图2 - 4 古埃磁天平工作原理示意图 表2 - 2 不同的反应温度对应产物的磁化率 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 4 不同的碱液对应产物的磁化率 反应温度( )6 59 0 采用n h 3 h 2 0 测得磁化率( 1 0 4 c m 3 儋) 2 2 8 2 8 8 采用n a o h 测得磁化率( 1 0 。4c m 3 幢) 3 8 73 9 1 f e 3 0 4 磁性粒子在外磁场作用下会发生磁化现象，通过测定磁化率z ，可 以知道f e 3 0 4 磁性粒子的磁性种类和磁响应性。当磁化率z 。为较小正值 ( 1 0 4 1 0 。c m 3 g ) 时，该材料为顺磁体：当磁化率z 。为负值时，该材料为 逆磁体；当磁化率z 。为特大正值时，该材料为铁磁体。超细的磁性粒子呈 单畴状态，在每个粒子内部，磁化矢量因自发磁化而沿同一方向取向，粒子 和粒子间由于表面有表面活性剂不会凝聚在一起，但各粒子磁化强度的取向 是混乱的，通常称这种超细微粒所具有的磁性为超顺磁性【3 4 】。一般