（应用化学专业论文）功能高分子聚合物微球的制备及其应用.pdf

摘要 摘要 在乙醇水的混合介质中，用分散聚合法制备了表面具有2 丙烯酰胺基2 一甲基丙 磺酸( a m p s ) 的聚苯乙烯( p s t ) 功能微球。合成了含稳定剂p v p 和不含p v p 的两种功能 微球。运用红外和核磁共振分别对其结构进行表征，并用激光光散射和扫描电子显微 镜对微球粒径与形态进行表征。结果显示，两种微球均保持球形结构，且有较好的单 分散性。 考察反应介质、反应时间、反应温度、振荡转速、苯乙烯浓度、a p m s 浓度和引 发剂浓度等因素对微球粒径的影响。实验结果表明，最佳的反应条件为：乙醇与水的 体积比6 ：4 ，反应时间2 4 h ，反应温度6 0 ，振荡转速1 6 0r m i n 。同时，微球直径 被发现随苯乙烯起始浓度的增加而增大，随a m p s 浓度的和引发剂a i b n 浓度的升 高而缩小。微球的数均直径服从关系式： 风= k e s q o7 8 a m p s 。0 3 8 a i b n m1 6 。 p s t 功能微球对牛血清蛋白b s a 的吸附在1 2 0r a i n 时基本达到吸附平衡。同时当 p h 由4 0 增加到7 0 过程中，b s a 的吸附量先增大后减小。p s t 功能微球在b s a 等 电点( p i = 4 7 ) 达到最大吸附量，说明疏水作用是吸附的主要驱动力。 运用三种不同吸附理论模型( l a n g m u i r 吸附模型、f r e u n d l i e h 吸附模型和t e m k i n 吸附模型) 拟合吸附曲线。结果发现：f r e u n d l i c h 模型和t e m k i n 模型比l a n g m u i r 模型 的拟合效果好，更接近b s a 吸附的实际情况。 关键词：分散聚合，功能微球，牛血清蛋白，吸附，模型 a b s t r a c t p o l y s t y r e n e ( p s t ) f u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e sh a v e b e e ns y n t h e s i z e db yd i s p e r s i o n p o l y m e r i z a t i o ni na l le t h a n o v w a t e rm i x e ds o l v e n t 1 1 1 ef u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e sa r cm a d e w i t h2 - a c r y l a n m i d o 一2 一m e t h y lp r o p a n es u l f o n i ca c i d ( a m p s ) o nt l l e i fs u r f a c e t w ok i n d so f t h ef u n c t i o n a l m i c r o s p h e r e s a r e s y n t h e s i z e d , o n e o ft h e mi n c l u d e s p o l y ( n v i n y l p y r r o l i d o n e ) ( p v p ) a n da n o t h e rd o e sn o t ，t h e i rs t r u c t u r e sa r ec h a r a c t e r i s e db y m e a n so ft w om e t h o d s ，i n v o l v i n gf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) a n dn u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e ( 1 h n m r ) t h em o r p h o l o g ya n dp a r t i c u l a rs i z e o ft h em i c r o s p h e r e sa r e c h a r a c t e r i z e db yu s i n gl a s e rl i g h ts c a t t e r i n g ( l l s ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) i ti si n d i c a t e dt h a tt h ep r o d u c t sa r es p h e r i c a la n dh a v ef i n em o n o d i s p e r s i o n 1 1 1 er e a c t i o np a r a m e t e r s , s u c ha sp o l y m e r i z a t i o ns o l v e n t , t i m e , t e m p e r a t u r e , r o t a t i o n a l s p e e d ，s t y r e n ec o n c e n t r a t i o n 【s t ，a m p sc o n c e n t r a t i o n 【a m p s 】a n di n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n a i b n 】a r cf o u n dt ob ea b l et oa f f e c tt h ef i n a ld i a m e t e ro ft h ef u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e s t h eo p t i m u mr e a c t i o nf a c t o r sa r e ：v ( e t h a n 0 1 ) ：v ( w a t e r ) = 6 ：4 ，r e a c t i o nt i m e2 4h ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e6 0 r o t a t i o n a ls p e e d1 6 0r m i n t h ep a r t i c u l a rs i z ei ss h o w n t oi n c r e a s ew i t h t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o n s t o nt h eo t h e rh a n d ，i td e c r e a s e sw i t h 【a m p s 】a n d 【a i b n t h e p a r t i c u l a rs i z e i nd i a m e t e rf o l l o w st h er d a f i o n s h i p ： 岛= k s t o 7 8 a m p s m 3 8 a i b n 加1 6 t h ea d s o r p t i o no fb o v i n es c r u n la l b u m i n ( b s a lb yt h em i c r o s p h e r e sr e a c h e st h e i r b a l a n c e da d s o r p t i o nc o n c e n t r a t i o ni n1 2 0r a i n a d s o r p t i o no fb s ai ns o l v e n tw i t ht h e d i f f e r e n tp hv a l u e s ，f r o m4 0t o7 0 ，i sd i s p l a y e db yt h ef i r s ti n c r e a s ea n dt h e nd e c r e a s e i t s h o w st l l a tp r o t e i n sr e a c h e st h e i r h i g h e s ta d s o r p t i o nc o n t e n tw i t ha p p r o a c h i n gt h e i s o e l e c t d cp o i n t ( p i = 4 7 ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a th y d r o p h o b i cf o r c ep l a y st h em a i nf a c t o ri n b s a a d s o r p t i o n t h r e ea d s o r p t i o nm o d e l s ( l a n g m u i rm o d e l ，f r e e n d l i c hm o d e la n dt e m k i nm o d e l ) a r eu s e dt of i tt h eo b t a i n e da d s o r p t i o nc u r v e s f r e u n d l i c hm o d e la n dt e m k i nm o d e la r e s h o w nt oh a v et h eb e t t e rr e s u l t st h a nl a n g m u i rm o d e l k e yw o r d s ：d i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o n ；f u n c t i o n a lm i c r o s p h e r e s ；b o v i n es e r u ma l b u m i n ； a d s o r p t i o n ；m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在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面使用过的材料。 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： 日期：年月日 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：导师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 单分散聚合物微球 第一章绪论 上世纪五十年代，v a n d e r h o f f 和b r a d f o r d 成功地合成了单分散的聚合物微球，为 高分子科学开辟了一个新的研究领域【l 】。目前，单分散微球已经被广泛地应用到许多 科学技术领域( 如油墨、涂料及填料等) 【2 1 ，尤其已经深入到某些高新技术领域中( 如信 息存储，药物研制等) ，成为重要的材料和工作物质。一种或多种物质以不连续的形 式存在于另一种介质当中形成的体系，称为分散体系。单分散体系是指具有相同化学 组成、粒径及界面性质的分散体系。单分散聚合物( m o n o d i s p e r s e d p o l y m e r m i c r o s p h e r e s ) 是指粒径分布高度均匀、表面组成相同的聚合物微球【3 5 1 。 制备聚合物微球的常用方法有悬浮聚合法、乳液聚合法、微乳液聚合法，无皂乳 液聚合法、种子溶胀法和分散聚合法等。不同的方法适用于制备组成、尺寸、性质等 不同的颗粒，所得颗粒分散度也不同 6 - l o 】。 一般悬浮聚合法制备的微球粒径在1 0 0 1 0 0 0 岬之间，且是多分散性的。近年来， o m i 【l l j 也发展出一种改良的悬浮聚合法s p g ( s h i r a s u p o r o u s g l a s s ) - 孚 , 化法，可制 备均匀多孔、微米尺度的聚合物粒子。 无皂乳液聚合、种子溶胀法和分散聚合是制备单分散聚合物微球的有效方法。无 皂乳液聚合，即完全不含乳化剂或仅含微量乳化剂( 小于临界胶束浓度c m c ) 的乳液聚 合。无皂乳液聚合中乳胶粒是由于聚合物链上或末端存在离子基团，其稳定性由乳胶 粒的表面形成保护电层来获得稳定；同时，在反应过程中，由于介质中加入的电解质 产生的离子可以吸附在乳胶粒表面，也可形成保护电层。无皂胶粒具有粒径单分散性 和表面比较“洁净”的特点。避免了传统乳液聚合中乳化剂带来的许多弊端，如乳化剂 消耗大、不易从聚合物中除去从而影响产品纯度及性能等。无皂乳液聚合制备的粒子 一般为几百纳米，加入共溶剂( 如乙醇、丙酮) 可获得大于1 微米的微球，但难以得到2 微米以上的粒子l l 。 种子溶胀法是先用无皂乳液聚合、分散聚合或雾化法等方法制成小粒径单分散聚 合物颗粒，然后以此为种子用单体进行溶胀，使颗粒长大，再引发聚合，这样就可以 制得单分散、大粒径聚合物微球。根据合成工艺又可将种子溶胀法分成常规溶胀法、 逐步溶胀法、二步溶胀法及动力学溶胀法四种方法【1 3 】。 利用常规溶胀法，o k u b o 等人【1 4 】以分散聚合制得的约为2g m 的单分散聚苯乙烯颗 粒为种子，在0 下用苯乙烯一氯甲基苯乙烯或苯乙烯- - 7 , 烯基苯单体混合物溶胀 2 4 h ，最后进行聚合反应，制成了粒径约31 a m 的单分散微球。 逐步溶胀法【”】是指把种子颗粒进行多次溶胀，多次聚合最终制得聚合物微球的 方法。从理论上讲，小粒子增长速率大于大粒子，经过一连串溶胀聚合步骤以后，粒 坚堕查兰堡圭兰竺堡兰 径分布应当趋于变窄；但若控制不好，每一步都有可能产生新的小颗粒，表面活性剂 的用量和种类是关键。另外，这种方法需要很长时间，会造成颗粒间相互碰撞而导致 聚结，使体系稳定性变差，粒径分布变宽。 上世纪7 0 年代末，u g e l s t a d 等人提出二步溶胀法，用这种方法可以制得粒径为l 1 0 0i t m ，粒径分散系数 2 的聚合物微球 2 1 。这种方法第一步是向种子分散体系中引 入一种在水中的溶解度比单体还要低的齐聚物溶胀剂，以使颗粒溶胀度提高。第二步 把经第一步溶胀的种子分散体系用单体和油溶性引发剂进行溶胀，待达到溶胀平衡 后，升温进行聚合反应，即可得到大粒径单分散聚合物微球。若第二步用单体和交联 剂的混合物进行溶胀，将生成核壳型聚合物颗粒，外层为高度交联的壳。但有人指出 此程序实验上会有困难，溶胀方法的成功依赖于种子粒子能否吸收全部加入的单体， 否则会导致二次成核或发生凝聚。 近几年来，日本神户大学o k u b o 提出一种制备大粒径单分散聚合物微球的新方 法一动力学溶胀法。通过向单分散种子分散体系中加入单体、引发剂、稳定剂及某种 溶剂，然后慢慢加入水，使单体在介质中的溶解度降低，以改变单体在颗粒和介质问 的分配系数，使更多的单体进入聚合物颗粒，获得溶胀的单分散颗粒，最后升温进行 聚合反应。在动力学溶胀法中加水的目的是为了降低单体在介质中的溶解度，其技术 关健是如何使水缓慢而均匀地进入体系，而避免出现水的局部过多。 以上叙述可以看出，单分散聚合物微球的制备，o m i 改良悬浮聚合需要特殊的装 置；无皂乳液聚合难以制备较大粒径的单分散微球；种子溶胀法步骤复杂，耗时长。 而分散聚合可一步法方便地制备l 2 0p m 的单分散聚合物微球，且适用单体范围广， 因此有很强的应用前剥1 章m 】，特别自8 0 年代在极性介质中聚合成功以来，备受人们 的关注f 2 3 】；在九十年代，超临界c 0 2 中的分散聚合也获得了充分的发展【州。下面将重 点论述分散聚合的原理、方法及最新进展。 1 2 分散聚合 分散聚合( d i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o n ) 指单体溶于介质，而生成的聚合物不溶于 介质，借助立构稳定剂而分散于反应介质中的聚合方法。因此，分散聚合也常常被认 为是一特殊类型的沉淀聚合。分散聚合区别于乳液聚合：其介质为有机相，反应前为 均相体系，采用分散稳定剂。但由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。 分散聚合起初用于在烃类溶剂中制备稳定的聚合物粒子，b a r r e t t 2 5 】于1 9 7 5 年撰写 的“d i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o ni no r g a n i cm e d i a 一书总结了这之前分散聚合领域的发 展状况，特别是非水分散聚合技术。进入八十年代，该领域最活跃的工作是在极性介 质中的分散聚合，用于制备单分散微米级的聚合物微球。同时，相关的基础研究也更 加广泛深入，使人们对分散聚合的认识也进一步提高。到九十年代，出现了与功能化 大分子单体共聚而不使用分散剂和超临界c 0 2 介质中的分散聚合。目前具有代表性的 2 第一章绪论 祖仁口8 1 和复旦大学府寿科2 9 增研究小组。 1 2 1 分散聚合原理 1 2 1 1 立体稳定机理 若分散聚合中不存在分散稳定剂时，得到的粒子是不稳定的，会聚集起来( 这样 的过程实际上就是沉淀聚合) ；适量的聚合物稳定剂的加入使分散聚合得到稳定的颗 粒。常用的稳定剂有聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 、羟丙基纤维素( h p c ) 和聚丙烯酸( p a a ) 等均聚物，现在一般认为真正起作用的稳定剂是这些聚合物与单体反应生成的接枝共 聚物口”。接枝共聚物的非极性部分结合在粒子的表面，极性部分形成保护刷阻止 粒子之间的凝并，即“立体稳定机理( s t e r i cs t a b i l i z a t i o n ) ”【3 2 1 。它是指在粒子表面作为稳 定剂的聚合物分子之间因占有空间所引起的相互作用而产生的稳定能力，这种稳定作 用同一般乳液聚合物中静电稳定作用的差别在于：它不存在长程的排斥作用，而只有 当分散剂构成的保护层外缘发生物理接触时，粒子之间才产生排斥力，导致粒子自动 弹开。由于在非水介质中，聚合物的溶解热通常大于零，因此，从焓的角度看，由粒 子相互靠近造成的局部分散剂浓度上升是有利的。但是，这同时又引起了熵的减小， 而在分散聚合体系中后者往往是占主要地位的【3 3 】，于是，立体稳定作用主要取决于 体系的熵变，因而，也称之为“熵稳定作用”。 1 2 1 2 颗粒形成和增长机理 分散聚合的过程非常复杂，对其颗粒生成和增长的机理研究尚不充分，人们提出 了一些构思并得到了一定的实验证明，但是还不能定论。目前主要倾向于两种机理： 一是齐聚物沉淀机理p ”，主要适用于描述在非极性介质中的反应体系；二是接枝共 聚物聚结机理【3 ”，目前公认适用于在极性介质中的反应体系。本文主要就相关的后 一种机理进行展开讨论。在反应前，所有的组分形成均相溶液。引发剂分解产生自由 基，引发单体聚合，一小部分活性自由基齐聚物向分散剂分子链的活泼氢位置发生链 转移反应，就地形成接枝共聚物，充当真正的分散稳定剂【3 6 1 。由于反应介质对单体 溶解而对聚合物不溶解，当单体生成的齐聚物增长到一定的链长( 临界链长) 时，就会 沉淀出来形成原核。实验测得在聚苯乙烯乙二醇单甲醚羟丙基纤维素体系中，齐聚 物的临界相对分子质量在9 0 0 0 3 5 0 0 0 【3 ”。原位动态光散射测得甲基丙烯酸甲酯甲醇 体系原核的直径在2 5n l n 左右，相应的链节数为2 0 0 左右。这些原核是不稳定的，会迅 速聚并形成较大的粒子，同时吸附分散稳定剂于其表面，获得稳定。一旦获得足够的 稳定剂分子，颗粒稳定后，粒子间的聚并可避免。至此，成核阶段结束，粒子数保持 恒定p ”。此后，粒子的增长通过吸收单体在粒子相进行自由基聚合以及俘获连续相 生成的齐聚物及低分子量的死聚合物来进行。 1 2 2 分散聚合模型 坚塑查兰堡主兰竺丝苎 相对于微米级单分散微球的制备及应用，这方面的研究很少。l a e r o i x d c s m a z e s 和l u 提出了分散聚合的热力学模型，研究了分散聚合体系中的聚合物颗粒内的溶胀 现象及单体、引发剂和溶剂在颗粒内外的分布，发现单体的分配系数在聚合全过程中 变化不大。p a i n e i ”1 研究了分散聚合体系稳定机理、溶剂作用及聚合反应场所，提出 了个简单的分散聚合机理模型。其基本思路是，用一种几何增长的级数来给粒子分 类，即第j + l 级粒子是由两个第j 级粒子聚并而得，第1 级粒子为单链的核，对于整个 粒径范围的粒子只需分成2 0 3 0 级，这就大大简化了计算容量。根据这个模型可以较 成功地预计聚合物粒子的直径。k a w a g u c h i 在此基础上改进了模型以适用于大分子单 体为分散剂的分散共聚合体系。 1 2 3 分散聚合因素 1 2 3 1 分散介质 分散聚合要求所用的分散介质能溶解稳定剂、引发剂及单体，而不溶解聚合物， 因此分散介质的选择很重要。分散介质会影响形成的接枝型分散稳定剂的溶解能力， 影响反应生成的聚合物的临界链长，以及后期聚合时单体和引发剂在粒子相和介质相 中的配分。近来人们研究了很多极性介质中的分散聚合，应用最多的介质为乙醇，甲 醇和乙醇水介质体系，也有采用其他醇类，乙醇乙氧基乙醇和乙醇- - 甲氧基乙醇等 体系的。人们发现，介质与聚合物溶度参数之差越小，所得粒子直径越大。p a i n e 研 究苯乙烯h p c 直链醇体系时，进一步指出h a n s e n 溶度参数中介质的氢键项和极化项 离h p c 的氢键项和极化项越近，所得到的粒径越大。对特定的醇水体系，醇含量增 加，极性减小，粒径增大。 1 2 3 2 单体 分散聚合对单体没有特别的要求，原则上，不管是油溶性单体还是水溶性单体都 可以进行。现在研究最多的是苯乙烯( s t ) 和甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 的均聚合。最近， 也有人研究了丙烯酰胺，氯甲基苯乙烯，n 乙烯基甲酰胺等单体的分散聚合。关于共 聚合，报道很少，主要是苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯与其它单体的共聚合，且缺乏系统 性。分散聚合对反应条件高度敏感，由于单体间的差异，不同单体的组合，甚至两种 单体的不同比率，就会导致起始体系和其后体系的溶度参数的改变，从而形成不同的 反应体系，得到的微球的粒径大小和粒径分布差异很大。 单体作为分散聚合的主体，且是分散介质的一个组成部分，会影响反应介质对聚 合物的溶解能力，常常使临界链长增加，同时使低聚物链增长速率提高，界面张力下 降使粒子能被单体溶胀至更大程度等。因此，提高单体浓度，常常使粒子变大。但另 一方面，也提高了分散剂的接枝物含量，从而稳定能力提高，倾向形成小粒子。两方 面竞争的结果使得某些体系中，单体在某一浓度时会有极小的粒径。单体作为介质的 一部分，随着反应的进行逐渐消耗，会使反应介质的溶度参数变化，在变化较小时， 会得到窄分布的粒子；但是，变化较大时会造成二次成核，使粒径分布变宽。 4 第一章绪论 1 2 3 3 稳定剂与助稳定剂 由于真正起作用的分散稳定剂为亲粒子相和亲连续相的两亲结构，因此两部分的 比例会影响分散剂的分散性能，主要表现为分散剂相对分子量和用量的影响。实验表 明增大分散剂相对分子量和增加分散剂用量，均使粒径变小，并指出粒径( d ) 与分散 ) l j ( p v p ) 浓度有如下的关系： d o c k p v p 一0 a 0 5 p a i n e 运用接枝共聚物的全吸附和部分吸附两种模型得出a 均为0 5 ，简单的吸附模 型指出a 为l 。一般当稳定剂浓度增大时，一方面会使连续相粘度增大，粒子间撞合聚 并的阻力增加：另一方面使稳定剂的接枝共聚物浓度提高，从而提高了吸附速率。同 时，稳定剂浓度的增加，也增加了聚合物粒子对稳定剂的物理吸附速率。上述作用均 使聚合物粒径变小。当稳定剂分子量提高时，介质粘度和粒子表面吸附层厚度增加， 稳定性提高会导致粒子尺寸减小。 助稳定剂也对聚合物粒子有一定的稳定作用。一般认为，分散剂的含量越低，共 稳定剂作用越明显，加入共稳定剂会使粒径变小，粒径分布变窄，当分散剂用量较高 时，共稳定作用变得不明显。p a i n e 等用二次离子质谱研究 p v p 为分散剂，t r i t o n n 一5 7 、a o t 为共稳定剂合成的洁净粒子，发现粒子表面并无共稳定剂存在的证据。 这说明共稳定剂并不接枝于粒子表面，而为物理吸附，最终为接枝型p v p 取代。 1 2 3 4 引发剂 分散聚合多用油溶性引发剂，实验中使用最多的是过氧化苯甲酰( b p o ) 和偶氮二 异丁腈( a i b n ) ，也有采用其它偶氮类引发剂的。当反应体系内引发剂浓度提高时， 介质内由于自由基浓度的增大使活性链终止速率提高，稳定剂接枝共聚物分子中接枝 链段变短，从而更易于溶解在介质内，降低了对粒子的稳定效果。研究中几乎所有体 系的微球粒径均随引发剂浓度增加而变大，在高引发剂浓度时由于成核期变长，粒径 分布变宽。引发剂浓度 i 】的最佳范围为单体浓度的0 1 0 4 ，在该范围内可得到 窄分布粒子。 i j 会明显影响聚合反应速率r p 和聚合物分子量，【i 越大，r p 越大；而数 均分子量则降低。 1 2 3 5 聚合温度 聚合温度的影响是多方面的，随着温度升高，体系会发生以下变化：( 1 ) 由于连 续相溶解性提高，使聚合物临界链长变大；( 2 ) 引发剂分解速率增加，链增长速率增 加，析出的低聚物浓度增加；( 3 ) 分散剂溶解度增加，使分散剂吸附速率下降；( 4 ) 连 续相粘度下降，原核之间的聚并加剧。所有这些变化都使粒径变大。温度升高，也会 使体系稳定性下降，粒径分布变宽，聚合物的分子量降低。 分散聚合是制备微米级单分散聚合物微球的有效方法，可通过一步聚合在适当的 条件方便地制得1 2 0 岬的单分散粒子。粒径及粒径分布的控制是研究的重要内容， 上面讨论了各个因素对粒径及分布的影响。 1 2 4 分散聚合的新进展 江南大学硕士学位论文 由于微球的巨大潜在用途，特别是含有功能基团的微球在生物医学上的应用，近 年来功能单体的分散均聚合或分散共聚合引起了研究者的广泛关注。m a r g e l 等制备出 聚氯甲基苯乙烯功能微球，氯甲基可作为功能基团合成出一系列衍生功能微球。 t u n c e l 等用分散聚合制备的聚苯乙烯微球为种子，用含功能基的单体如a a ， d m a e m a 和h e m a 等进一步聚合，在粒子表面上接上c o o h 、- n ( c h 3 ) 2 、o h 等基 团。l e e 通过三步非水分散聚合制备出含有羧基的功能微球。t s e n g 等人通过分散共聚 合，制得含少量功能基，如羟基，羧基，胺基等的聚苯乙烯微球。o b e r 和l o k 报道了 乙醇水体系的苯乙烯和甲基丙烯酸正丁酯的分散共聚合。随后，h o r a k x t _ 苯乙烯甲基 丙烯酸正丁酯体系作了更进一步的系统研究。最近，也有人研究了在极性介质中苯乙 烯丙烯酸丁酯的分散共聚合。交联的聚苯乙烯微球和聚甲基丙烯酸甲酯微球也已经 被合成出来，但以二乙烯苯( d v b 一5 5 ) 为交联剂时，d v b 含量只能低于0 6 ，否则只 能得到宽分布的颗粒或不规则形状的颗粒。为得到高交联度的微球，k i m 等合成出特 殊的异氰酸酯型交联剂，制备了交联剂含量高达5 的聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯 微球 4 0 1 。 由于人们对环境污染问题的重视，开发清洁生产技术，生产环境友好产品的“绿 色技术”成为化工技术与化学研究的重要科技前沿。超临界c o z 由于无污染，临界条 件( 3 1 1 ，7 2 8p a ) 容易达到，是常规有机溶剂的理想的替代物。在超临界状态下， c 0 2 通常具有液体的密度与介电参数，因而有常规液态溶剂的强度；同时，它又具有 气体的粘度，因而拥有很高的传质速度。由于内在的可压缩性，流体的密度、溶剂强 度和粘度等均可由压力和温度的变化来调节。此外，由于没有偶极矩，内聚能密度低， 超临界c 0 2 可溶解许多有机小分子；但即使压力达至t j 2 0 0p a 以上，除氟代聚合物、聚 烷氧烷及低分子量的齐聚物外，大多数聚合物均不溶于超l 临界c 0 2 中。超临界c 0 2 的 能溶单体但不溶聚合物的特性，使其特别适合于分散聚合。也正是如此，九十年代后 期分散聚合的一个重要方向就是在超临界c 0 2 中的聚合反应。 1 3 高分子微球的功能化 功能高分子微球，一般通过如下方法引入功能基团：( 1 ) 功能单体共聚法。即少 量功能单体与主单体进行共聚的方法，有时可以加入交联剂以获得交联的微球。其优 点在于功能单体共聚由于易控制功能度及交联度，不易产生副产物而倍受青睐。例如 o h 等人将苯乙烯与苯乙烯磺酸钠共聚，得到了含有磺酸官能团的聚合物微球；l a u s 等人用甲基丙烯酸乙基丙烯酸存在下与苯乙烯共聚得到粒径在3 1 0 岫的微球，并 且该微球可与酶结合形成核壳结构。他们都是采用乳液聚合的方法聚合得到功能微 球。( 2 ) 微球载体表面修饰法。微球载体表面修饰法也较常用，它可以作为对方法( 1 ) 的补充。比如b u l m u s 用聚乙烯醇做稳定剂，通过分散聚合制备聚甲基丙烯酸甲酯微 球，得到羟基改性微球，再用碘酸钠氧化羟基得到含有醛基的微球。实际应用中，高 6 翌二兰丝堡 分子微球表面亲水疏水结构的调控很重要，所以常将疏水性单体( 如苯乙烯) 与亲水 性功能单体( 如丙烯酸) 共聚，有时还需加交联单体以获得交联型的高分子微球。 1 4 蛋白质的吸附 目前，纳米级的功能微球因其特有的表面形态和表面结构在生物领域和医药领域 有着潜在的应用前景，而得到了科学界的广泛关注。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。 有些科学家认为疏水作用在蛋白质吸附过程中的作用是最重要的，微球的亲水性 将导致其对蛋白质吸附量的减少。比如o k u b o 等人在研究中发现：微球的表面特性 如亲水性和非均相结构对于抑制非特异性吸附和提高胶体稳定性具有重要作用。基于 此，他对p ( s t h e m a ) 微球的表面结构提出了三种模型，如图1 1 所示。( 1 ) 微球的 表面大部分是疏水性的，抗体主要以尾朝下的形式被吸附，这种定向吸附可以保持抗 体的免疫活性。但由于h e m a 在表面含量较少，未吸附抗体的空隙以疏水性为主， 因此易发生非特异性吸附( 对于目标蛋白质以外的其它蛋白质的吸附) ；( 2 ) 微球的表 面大部分是亲水性的，h e m a 成分覆盖了整个表面，因此可以完全抑制非特异性吸 附，但抗体在这种大极性表面上是以侧向形式被吸附的，故无法发挥免疫活性；( 3 ) 微 球的表面由于具有适当的亲疏水平衡以及非均相结构，抗体在疏水性区域以尾朝下定 向吸附保持了免疫活性，同时未吸附抗体的空隙是亲水性的，不仅避免了非特异性吸 附而且提高了胶体稳定性，因而成为理想的免疫载体。 l 广一掌 夕飞厂飞 图1 1 微球表面结构和抗体在其上的吸附状态( 阴影代表亲水性区域) f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m so f t h es u r f a c es t r u c t u r eo f m i c r o s p h e r e sa n dt h ea d s o r p t i o no f a n t i b o d yt h e r e o n 而其他人则主张氢键和静电作用比起疏水作用在蛋白质吸附中更重要些。如胡杰 等用p m m a 和a m p s 共聚制备微球并对b s a 吸附进行了研究，得出结论是静电 作用强于疏水作用，而疏水作用则快于静电作用。而最近的研究表明：疏水作用是吸 附的主要驱动力，而静电分布是重要因素。 7 江南大学硕士学位论文 1 5 单分散微球的应用 单分散、具有不同聚合物分子量、不同结构形态以及在表面上有不同功能基团的 聚合物微球具有比表面大、吸附性强、凝集作用大等特异性质，在许多领域里有着广 阔的应用前景。目前在美国、英国、日本、瑞典等许多国家已有多种牌号的聚合物微 球商品生产。 单分散微球可用作分子、原子的结晶模型，模拟凝聚态物理中的许多过程。胶体 晶和原子固体间弹性常数、融化潜热在数量上的惊人相似，使人们可以把它看作原子 固体的成比例版本，也就是“大的固体”。例如，粒子浓度为1 0 1 3 c m 3 的胶体分散体系， 其弹性常数为l on 锄2 ；原子浓度在1 0 2 2 c n l 3 的原予固体，其弹性常数为1 0 m n 锄2 。 这种完美的物理常数的比例意味着胶体体系的粒子间相互作用能必然和原子体系的 原子间相互作用能在同一数量级。这使得很多科学家用胶体晶体系模拟凝聚态物质。 对于原子或分子体系，相应的空间和时间尺度为0 1n m 和1 0 。1 2 s ，通常是在同一个实验 中难以同时解决的。而在胶体体系中，相应的空间和时间尺度为1 0 0n l n 和1 0 。s ，这使 得在同一个实验中很容易对空间和时间两个量进行实时监控。 单分散聚合物微球可用作标准计量的基准物，可用作电镜、光学显微镜及c o u l t e r 粒径测定仪等仪器的标准粒子，可用于胶体体系和聚合物乳液的研究以及半透膜孔径 的测定，还可在电子工业检测仪器中用作标准物质。可作液晶片之问的间隙保持剂， 将其施加在液晶片之间，可准确控制和保持间距，这样就大大提高了液晶显示的清晰 度。 聚合物微球在医学和生物化学领域中应用日益广泛，它可用于临床检验、药物释 放、癌症和肝炎的诊断、细胞的标记、识别、分离和培养、放射免疫固相载体及免疫 吸收等方面。若在聚合物微球内引入染料、荧光物质或放射性标记物质，可使微球易 于用光学显微镜进行观察及便于放射自显影检测。表面带有羟基直径为2 1 斗m 的微球 用于各种放射免疫检n ( r t h ) 和免疫放射测定( i r m a ) 时，效果极佳。 聚合物微球在分析化学中可以作高效液相色谱填料，适当粒径的单分散微球可大 大提高分离效果及检测精确度，并可改善流动性。新近开发的新型快速蛋白液相色谱 以多孔型单分散聚合物微球为填料，可实现蛋白质、肽及核苷酸的快速而精密的分离。 在化学工业中单分散并具有多孔结构的聚合物微球可用作催化剂载体，其催化活性 高，副反应少，反复利用率和选择性高，并且催化剂易于回收。这种聚合物微球还可 用作高效离子交换树脂。通过表面改性得到的强烈亲水性微球可用于新型离子交换体 系，能够在低压下高效率地分离蛋白质。 近来，还报道了在烧孔记忆中采用染色的单分散聚合物微球，这样，就不必将操 作温度局限在超低温范围。这一新技术是基于著名的形态依赖性共振( m d r ) ，但 是，与常见的固态物质烧孔记忆的不同在于，由于利用了窄分布的聚合物微球和染料 的作用，记忆的读写可在室温下进行。 第一章绪论 1 6 立题依据 由前文的综述可以知道：高分子微球在生物领域中除具有廉价、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，所以有利于研究其与生物体成分的相互作用。聚合 物微球与蛋白质的相互作用研究，对生物传感器、细胞分离、药物输送体系、人造器 官及固相免疫分析等有很重要的价值，因此近年来受到了越来越多的重视。因此有必 要深入研究微球表面的功能化，将某些特定功能的物质接枝到微球表面，从而使得其 具有新的功能。 依据本课题的计划安排，主要进行以下四方面的工作安排： 1 合成含有p v p 和不含p v p 的功能微球，对两种功能微球的结构进行了红外图 谱、核磁图谱表征和元素分析。两种功能微球的形态和粒径，用s e m 电镜和激光光 散射仪表征。 2 考察反应介质、聚合时间、聚合温度、振荡转速等外界因素对微球粒径的影响： 同时考察苯乙烯起始浓度、a m p s 浓度、引发剂a i b n 浓度对微球粒径的影响。 3 研究疏水作用、静电作用对于微球吸附蛋白质的作用，考察二者在吸附过程中 谁是主要的作用力，同时考察b s a 吸附量与时间，a m p s 含量之间的关系。 4 研究运用吸附理论模型i 肋g m u i r 吸附理论模型、f r e u n d l i c h 吸附理论模型 和t e m k i n 吸附理论模型来拟合吸附曲线。研究三者之间的差别，并适当对经典模型 进行修正。另外考察离子强度对蛋白质吸附体系的影响作用。 总之，研究功能高分子聚合物微球的制备及其对蛋白质吸附的应用，为实际的生 产运用提供理论指导和依据。 9 江南大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章表面带有磺酸基团的功能微球的制各 人们现己成功制备了各种功能聚合物微球。功能聚合物微球的应用涉及到色谱 学、细胞测量学、显微学、组织分离技术、癌症医治和d n a 技术等众多交叉领域，应 用前景非常诱人。美国、日本、英国等国己将此项技术投入到商品化的生产之中。 研究微球表面的功能化，将某些特定功能的物质接枝到微球表面，从而使得其具 有新的功能。目前制备功能微球的方法有很多种，而通过分散聚合的方法向微球表面 引入功能基团是较为方便的一种。 本文制备微球的方法是，乙醇水的混合介质中，合成含有p v p 和不含p v p 的两 种功能微球，分别对两种功能微球结构进行红外图谱和核磁图谱表征。两种功能微球 的形态和粒径，用s e m 电镜和激光光散射仪表征。并利用元素分析和电导率仪测定 微球表面电荷。分析讨论微球的a m p s 含量和表面携带电荷量。 试验考察反应介质、聚合时间、聚合温度、振荡转速等外界因素对微球粒径的影 响；同时考察反应物苯乙烯起始浓度、a m p s 浓度、引发剂a i b n 浓度对微球粒径的 影响。优化合成实验条件，确定各反应物之间物质的量的合适比例。 2 2 实验部分 2 2 1 原料 苯乙烯( s o ，化学纯，减压蒸馏精制，中国医药集团上海化学试剂公司 偶氮二异丁氰( a i b n ) ，无水乙醇重结晶，日本和光工业公司 2 丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸( a m p s ) ，直接使用，临邑威思化工有限公司 聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) ，直接使用，国药集团化学试剂有限公司 无水乙醇( c h 3 c h 2 0 h ) ，分析纯，直接使用，上海试剂公司 氮气( n 2 ) ，工业用高纯氮，直接使用，中国华晶电子集团公司动力工厂 酚酞，直接使用，中国医药集团上海化学试剂公司 邻苯二甲酸氢钾，直接使用，天津市化学试剂研究所 2 2 2 仪器与设备 电子天平：j a 2 0 0 3 ，上海天平仪器厂 高速离心机：t g l - 1 6 g ，上海安亭科学仪器厂 真空干燥箱：z k - 8 2 a ，上海市实验仪器总厂 l o 第二章表面带有磺酸基团的功能微球的制备 激光光散射仪( l l s ) ：a l v - 5 0 0 0 型，德国 扫描电子显微镜( s e m ) ：h i t a c h i7 0 1 0 a ，日本 数显电导率仪：d d s _ 一1 1 c 型，上海天达仪器有限公司。 数控超声波清洗器：k q 1 0 0 d b 型，昆山市超声仪器有限公司 台式水浴恒温振荡器：s h z 一8 8 ，江苏太仓市实验设备厂 元素分析仪：v a r i o e l i i i ，德国 傅立叶红外可见光分光光度计( f t i r ) ：p e r k i n e l m e r 9 8 3 g ，加拿大a b b 公司 2 2 3 原理与方法 呻2 艿皤蛾。 图2 1 功能微球的合成示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f u n c t i o n a lm i e r o s p h l = t e $ 图2 1 是通过分散聚合方法向p s t 功能微球表面引入磺酸功能基团的合成示意 图。苯乙烯( s t ) 和2 一丙烯酰胺基一2 一甲基丙磺酸( a m p s ) 为聚合反应单体，偶氮二异丁 氰( a i b n ) 为反应引发剂，无水乙醇与水的混合溶液为反应介质，聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 为反应的分散稳定剂。 2 2 4 含有分散稳定剂p v p 功能微球的制备 标准配方( 摩尔比) ：苯乙烯s t ：a m p s ：a i b n ：p v p = 1 ：0 0 4 ：0 0 1 ：0 0 15 具塞试管中，将单体s t 、a m p s 、引发剂a i b n 和稳定剂p v p 溶于1 0m l 的乙 醇水混合溶剂中，高纯氮气鼓泡1 0m i n ，密封。将试管置于6 0 水浴恒温振荡器中 反应2 4h 。反应结束趁热将试管在1 0 0 0 0r m i n 下离心3 0m i n ，将离心所得的固体在 6 0 热水中重新分散后再离心分离得固体，此过程重复3 次。最后将离心产物放入 纤维素透析膜( 截流分子量c u to f f m a s s ：1 2 0 0 0g t 0 0 1 ) 中透析3 天。 2 2 5 不含分散稳定剂p v p 功能微球的制备 对于含有分散稳定剂p v p 的功能微球，通过文献报道可知，稳定剂p v p 对后期 牛血清蛋白吸附研究有影响( 具体影响下一章有具体讨论) ，同时考虑到所使用的单体 a m p s 带有磺酸基团，本身即可作为反应的分散稳定剂。所以尝试在不加入分散稳定 剂p v p 的情况下进行分散聚合。所采用的实验方法和实验条件与前面2 2 4 所述相同， 主要区别在于没有加入分散稳定剂p v p 。 1 1 瓯眵 叱吒心 c c c 洲6 。川 江仁 心 y 眺 啡白 江南大学硕士学位论文 2 2 6 产物表征的实验： 1 红外和核磁定性表征聚合物微球的结构。 采