（生物医学工程专业论文）磁性高分子微球的制备与表征.pdf

四川大学硕士学位论文磁性高分子徽球的制备与表征 粒径分布的影响，以确定出制备微球的最佳实验条件。研究表明较低的反应 温度、较低的引发剂含量、较高的乳化剂用量、较低的醇水比有利于得到小 粒径，高均匀性的p s 磁性微球。 运用扫描电镜和光学显微镜研究了磁性微球的表面形貌、粒径大小及分 布；通过磁铁，分光光度计分析了微球的磁性能；红外光谱仪分析了微球的 结构；利用热重分析研究了微球的热稳定性。研究表明磁性微球有较好的磁 性能，良好的稳定性和分散性，表面光滑，且具有很好的耐酸性。 关键词：磁性微球，f e 3 0 4 粒子，乳液聚合，聚苯乙烯 四川大学硕士学位论文磁性高分子微球的制各与表征 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 no fm a g n e t i c p o l y m e rm i c r o s p h e r e s m a j o r ：b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t ：c a iq i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gq i a n 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 sa r ek i n d so fm i e r o s p h e r e sw i t hm a g n e t i s m a n ds p e c i a ls t r u c t u r e ，w h i c hc o m p o s e do fp o l y m e ra n di n o r g a n i cm a g n e t i c m a t e r i a l s t h e yn o to n l yc a l lb ee n d o w e dw i t hf u n c t i o n a lg r o u p so ns u r f a c eb y c o p o l y m e r i z a t i o no rs u r f a c em o d i f i c a t i o n , b u ta l s oc a l lb es e p a r a t e dc o n v e n i e n t l y f r o mm i x t u r e su n d e re n f o r c e dm a g n e t i cf i e l d t h e r e f o r et h e yh a v eg a i n e db r o a d a p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c i n e ，b i o e n g i n e e r i n g , c y t o l o g ya n ds e p a r a t i n ge n g i n e e r i n g b e c a u s eo ft h e i rs u p e r - p a r a m a g n e t i cp r o p e r t i e s ，t h e yc a nb er a p i d l ys e p a r a t e d f r o ms o l u t i o nu n d e rm a g n e t i cf i e l d ，i nt h ep a s td e c a d e s ，ag r e a tn u m b e ro f s c i e n t i s t sh a v ed e d i c a t e dt h e i re f f o r t st op r e p a r a t i o no f d i f f e r e n tk i n d so f m a g n e t i c p o l y m e rm i c r o s p h e r e sa n dm a n ys t r a t e g i e sh a v eb e e np e r f o r m e dt op r o d u c i n g 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 u pt on o 、矾t h e r ea r et h r e ew a y st 0p r e p a r e 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 ：( 1 ) e n c a p s u l a t i o no fm a g n e t i cp a r t i c l e s 祈t h p r e f o r m e dn a t u r a lo rs y n t h e t i cp o l y m e r si st h es i m p l ea n dc l a s s i c a lm e t h o dt o p r e p a r em a g n e t i cp o l y m e rm i c r o s p h e r e s ；( 2 ) a n o t h e rm e t h o di sd e v e l o p e db y u g e l s t a dt h r o u g hd i r e c tp r e c i p i t a t i o no fi r o ns a l ti n s i d et h ep o r o u sp 0 1 y s t y r e p a r t i c l e s ；( 3 ) t h et h i r dm e t h o di st os u s p e n dm a g n e t i cp a r t i c l e si nt h ed i s p e r s e d p h a s ea n dt h e np o l y m e r i z et h em o n o m e r i nt h ep r e s e n c eo ft h em a g n e t i cp a r t i c l e s t of o r mm a g n e t i cp o l y m e rm i c r o s p h e r e s i nt h i s a r t i c l e 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 w e r e p r e p a r e d w i t h i n 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 m o n o d i s p e r s i wa 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 f e 3 0 4p a r t i c l e sw e l - eu s e dt ob et h ec o r em a t e r i a lo f t h em i c r o s p h e r e s ，w h i c hw e r e p r e p a r e db y c h e m i c a lc o - p r e c i p i t a t i o nm e t h o d t h em o n o d i s p e r s em a g n e t i c p o l y s t y r e n em i c r o s p h e r e so f s m a l lf e 3 0 4 p a n i c l e sw e r ep r e p a r e db yi m p r o v e d e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o nu s i n gd i s p e r s i o np o l y m e r i z a t i o no fs t y r e n e ，s d b sa s e m u l s i f i e r w a t e r a l c o h o lm i x t u r ea sr e a c t i o nm e d i u ma n dk p sa si n i t i a t o r t h e c o n d i t i o n so ft h ep o l y m e r i z a t i o nw e r eo p t i m i z e db yo n h o g o n mt e s t t h e i n f l u e n c eo f p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，i n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n ，e m u l s i f i e rd o s a g e , r a t i oo f a l c o h o l | w a t e ra n dt h es t i r r i n gs p e e do np a n i c l es i z ea n dp a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o nw a sd i s c u s s e d ，a n dt h eb e s tr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eg o t t e n t h e s t u d i e ss h o w e dt h a tl o w e rp o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，l o w e ri n i t i a t o r c o n c e n t r a t i o n ，h i g h e re m u l s i f i e rd o s a g ea n dl e s sr a t i oo f a l c o h o l w a t e rw e r e a d v a n t a g e dt og e tm a g n e t i cp sm i c r o s p h e r e sw i t hs m a l l e rp a r t i c l es i z ea n dh i l g h e r u n i f o r m i t y t h es u p e r f a c et o p o g r a p h y ，p a n i c l es i z ea n dp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no f t h e m a g n e t i cm i c r o s p h e r e sw e r eo b s e r v e dw i t ha no p t i c a lm i c r o s c o p ya n ds e m t h e m a g n e t i s mc a l lb ec a r r i e do u td e a r l yu s i n gam a g n e to f m a g n e t i cf i e l da b o u t 4 0 0 g sa n ds p e c t r o p h o t o m e t e r t h es t r u c t u r ew a sc a r r i e do u tw i t hf u r i e rt r a n s f e r i n f r a r e d t h ed e g r e eo f t h et h e r m a ls t a b i l i t yo f t h em a g n e t i cm i c r o s p h e r e sw a s c a r r i e do u tw i t hat h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s 耽er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e m a g n e t i cm i e r o s p h e r e sw e r es u p e r p a r a m a g n e t i c ，e x c e l l e n ts t a b i l i t y , d i s p e r s i b i l i t y a n da c i d r e s i s t i v i r y ，w e l ls h a p e ds p h e r e sa n ds m o o t hs u r f a c e 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 4p a n i c l e s ，e m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ， p o l y s t y r e n e i v 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制各与表征 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所取 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，也不包含为获得四川大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归四j f l 大学所有，特此声明。 研究生： 指导老师： 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 第一章绪论 1 1 概述 磁性高分子微球由高分子化合物( 或聚合物) 与无机磁性物质两部分复 合而成。其性质依赖于无机磁性物质、高分子化合物的性质及其复合机制，特 别是不同的磁性物质展示出的磁性质多种多样。高分子微球具有许多独特的 优点；比表面积大；微球粒径大小均一且可控；聚合物来源广泛；可选择各 种共聚功能单体和聚合工艺。磁性高分子微球的研究开始于7 0 年代，以磁性 金属或其氧化物为核、高分子化合物或聚合物为壳层的磁性微球，它除了具 有高分子微球的特性，而且可以通过共聚、表面改性等方法赋予其表面多种 反应性功能基( 如：o h 、- c o o h 、- n h 2 、c o h 等) ，既可直接结合生物酶、 细胞、抗体、药物、金属离子及有机物等，也可经过化学修饰后再结合，以 满足不同的需要；内部有磁性物质存在，在外磁场作用下可有效地富集、分 离、回收和再利用，在生物医学、环保、生物工程、细胞学、分离工程、材 料学等众多领域已有着广泛的应用 i - 9 。而以高分子微球为基质、金属或金 属离子以物理或化学作用附着在表面形成的磁性高分子微球，在化工( 如催化) 和医学诊断( 如磁共振成像的对比剂等) 领域也有着相当重要的应用价值 1 0 , 1 1 。因此，近二十年来磁性高分子微球一直是人们研究的热点之一。磁性 高分子微球在国内外已是商品化的高分子材料，但人们对获得种类更多、性 能更好、价格更优的磁性高分子微球，对探索微球在更多领域应用的追求始 终没有停止，研究成果和改进技术仍层出不穷。 1 2 磁性高分子微球的特性 磁性高分子微球越来越受到人们的关注，有着十分广泛的应用前景。它 主要有以下四个特性。 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 1 2 1 表面效应和体积效应 表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着微粒粒径变小 而急剧增大，表面原子的晶体场环境与结合能与内部原子的不同，具有很大 的化学活性，其表面能大大增加。这是由于表面原子的周围缺少相邻原子而 具有不饱和性，易于其它与原子结合而稳定下来，可见表面效应是一种影响 化学特性的因素。体积效应是指由于超细微粒包含的原子数减少而使带电能 级加大，从而使物质的一些物理性质因能级的不连续性而发生异常，上述两 个效应可具体反应在微球比表面积激增，微球官能团密度及选择性吸收能力 变大，达到吸附平衡的时间缩短，粒子的稳定性大大提高。 1 2 2 磁效应 具有磁效应可使生物高分子微球在外加磁场作用下方便的进行分离与磁 性导向。当磁性四氧化三铁晶体的直径小于3 0 纳米时，具有超顺磁性，即在 # t , = c j l l 磁场中具有强的磁性，没有磁场时磁性很快消失。从而磁性高分子微球 在磁场中不被永久磁化。 1 2 3 生物兼容性 磁性高分子微球在生物工程，特别是生物医学工程中的应用有一个重要 的方面就是要有生物兼容性。多数生物高分子如多聚糖，蛋白质类具有良好 的生物兼容性。它们在人体内安全无毒，可降解，不与人体组织器官产生免 疫原性，这种性质在靶向药物中尤其重要【1 2 1 。 1 2 4 功能基特性 生物高分子有多种活性功能基团，如o h ，c o o h ，c h o ，- n i - 1 2 ，s h 等可 连接具有生物活性的物质，如免疫蛋白，生物酶等。 2 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 1 3 磁性高分子微球应用研究进展 由于磁性高分子微球具有磁性，在磁场作用下可定向运动到特定部位， 或迅速从周围介质中分离出来，具有磁响应性和不同的表面功能性，且质轻， 易加工，流动性好，因此自7 0 年代中期以来，磁性高分子微球不仅在免疫测 定、细胞分离、靶向制剂、固定化酶等领域得到广泛的研究，而且在有机和 生化合成、环境食品生物检测等方面的应用研究也日益增多。 1 3 1 免疫测定 免疫测定的目的是确定溶液中免疫活性分子，如抗原、抗体的浓度。研 究者利用磁性高分子微球比表面积大，易分离，表面可功能化等优点将其用 于免疫测定。例如用于氨甲蝶呤、甲状腺素、催乳激素、地谷新等的放射免 疫测定( r n ) ；内质醇( 氢化可的松) 的荧光免疫测定( v i a ) ；i g e 的酶免疫测 定n ) ：v b l 2 的非放射免疫测定( n o n - r i a ) 等。与传统方法相比，它们具有 特异性好，灵敏度高，准确性好的优点，如用抗免i g g p s 磁性微球对苯甲酸 胺的测定效果增加近4 0 倍；将磁性微球用于免疫电化学发光分析，对食品和 环境水样中的大肠杆菌和沙门氏伤寒菌进行了快速准确的测定：利用硅烷化 正铁盐进行放射性免疫测定。 1 3 2 细胞分离 磁性微球作为不溶性载体，对其表面进行修饰，接上具有多种反应活性 功能基团，如- c o o h 、o h 、- n h 2 等，便可有效地吸附具有生物活性的吸附 剂或其它配体( 如抗体、荧光物质、外源凝结素等) 活性物质，利用它们与 指定细胞的特异性结合，在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对其种 类，数量分布进行研究。磁性粒子在分离癌细胞和正常细胞方面的动物临床 试验己获成功，有人将粒径为3 p m 的p s f e 3 0 4 微球，外接抗小鼠f c 抗体( 免 疫球蛋白) ，用于小鼠骨髓中正常细胞和癌细胞的分离，分离率达9 9 9 以上。 f r i c d l l l 驯等应用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地对人体c d 4 3 四川大学硕士学位论文磁性高分子微球的制备与表征 c d b ，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 y n t o n ”】 则用含有抗生素蛋白、植物凝结素等配体结合的磁性微球，进行骨髓中t 细 胞的分离，用于白血病的治疗；j o s e p h s o n 1 5 】贝u 将戊二醛活化的硅烷化磁性微 球用于人血中淋巴细胞的分离；b j e r k e t l 6 】用来分离，纯化人血中嗜碱细胞， 分离效果比传统的分离方法都要好。u g e l s t a d 1 7 】认为作为d y n a b e a d 的磁性微 球用于细胞分离需考虑以下几个关键因素：在细胞分离介质中不凝结； 具有灵敏的磁响应性；不与非特定细胞结合；能快速、彻底分离；最 低程度的吞噬细胞。有关细胞分离的原理及过程如图1 1 所示。 包美蓑乙建的 抗班慧恐 着骚甚窜享考 f e ，0 8 蔫孟花芋嚣豁( 事) 龟莺三三急蜀芷髯盘魏 9 汐嚣蚕羹瑟雾髫 l 。l c 啦曰 扣v ，。 b 图1 - 1 包覆聚苯乙烯f e 3 0 4 纳米粒子分离小鼠骨髓液中癌细胞实验示意图 1 3 3 靶向制剂 磁性药物微球是磁性药物制剂的一种类型，是靶向给药系统的新剂型。 在磁性纳米粒子表面包覆高分子，再与蛋白质相结合。以这种磁性纳米粒子 4 廖 四川大学硕士学位论文磁性高分子微球的制备与表征 作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内，在外加磁场下通过纳米微粒的 磁性导航，使其移向病变部位，就可达到定向治疗的目的。动物临床实验证 实，带有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位， 缓慢释放药物。实验研究表明，未加磁场控制时，肝脏代谢4 0 ，脾脏代谢 4 5 ；施加磁场控制时，肝脏代谢仅5 ，脾脏代谢1 0 。这说明磁控制可减 轻化疗药物对脏器的毒副作用【1 8 1 。a n d e r s o n 等【1 9 】联合应用免疫磁性微球和化 学分离法从正常骨髓中清除c a m a 1 乳腺癌细胞，结果表明免疫磁性分离后 运用1 0 g m l 的4 - h c 清除残余的癌细胞可获得4 5 个对数级的癌细胞清除率。 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有右旋糖苷的磁性 高分予微球，并用其作为药物载体 2 0 l 。按照靶向药物给药方式可分为主动给 药( a c t i v ed e l i v e r yo f d r u g ) 及被动给药( p a s s i v ed e l i v e r yo f d r u g ) ，被动给药是依 靠改变药物载体表面的亲水、疏水特性以及粒子大小向目标给药；而主动给 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克隆抗体、外源凝 结素、荷尔蒙等对给药目标的特殊亲合性，来实现定向给药。作为成功的药 物载体，磁性微球必须满足：能按预期的方式有效地到达病变区；药物 的载量及释放特征能按预期方式进行；具有良好的生物相容性。 1 。3 4 固定化酶 运用磁性高分子微球作为结合酶的载体，具有以下优点：有利于固定 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 失活较快时，就可以用磁性材料来固载另一种酶，回收后反复使用，降低成 本；磁性载体固载酶放入磁场稳定的流动床反应器中，可以减少持续反应 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 催化效率。m u n k 0 9 2 l j 将c e l l u l o s 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 ，n y l o n f e 3 0 4 等 磁性微球用于凝乳化蛋白酶的固定，详细考查了不同壳层，不同磁核及粒径 对酶活性及固定量的影响。y o s h i m o t 掣捌在用过氧化氢还原三价铁离子合成 f e 3 0 4 磁流体时，以c o - 一- - 羧甲基聚乙二醇作分散剂，然后用n - 羟基琥珀酰亚 5 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 胺法活化磁性微球，将微球和脂肪酶或【广天门冬酰胺酶的磷酸缓冲液混合后， 室温下搅拌l h ，得到的磁性固定化酶很容易从反应混合物中回收，并且没有 酶的活性损失。 1 3 5 有机和生化合成 近几年来，组合化学因能快速合成巨大的化合物库，用以满足生物学测 试的要求，因此得以迅猛发展，从而使固相有机合成技术得以复兴。而以磁 性微球为载体的固相有机合成技术，不仅可充分发挥固相合成的优势，而且 在反应完成后，可迅速地将目标产物从剩余反应物、副产物及溶剂中方便地 分离出来，且不影响产物的性质与纯度。 c h a n g 等口副合成了一种新型的高分子磁球，即在微球羟基化与甲基丙烯 基氧化丙烯基三甲基硅烷( k h 一5 7 0 ) 反应后加入铁粉，以及n 一异丙基丙烯 酸酯所得。利用i r ，x r d ，s e m 测定了其对乳化剂的吸收和沉积，证明了此 种微球具有良好的热敏性。s u c h o l e i k i 等【2 4 】分别制各了具有高浓度悬垂功能 基和具有亲水性表面的复合磁性微球，并将该复合磁性微球用于寡核苷酸、 多肽、寡糖、多糖的合成。该微球外层为低度交联的p s 壳体，内部为含有 f e 3 0 4 磁粒的高度交联p s 核。由于内外交联度的不同，既保证了在各种有机 溶剂( - - 甲基甲酰胺( d m f ) 、二甲基亚砜( d m s o ) 等1 中的充分溶胀，又可 确保磁粒不损失。 刘颖等【”1 研究了二茂金属高分子铁磁粉( o p m ) - 黜钕铁硼磁粉复合制 成的一种新的粘结永磁复合材料的性能，并与非磁性高分子粘结钕铁硼的性 能进行了比较。结果表明，磁性高分子的含量降低，磁性高分子粘结钕铁硼 永磁材料的最大磁能积( b h ) m ，剩磁b r 、矫顽力h b c 升高，内禀矫力h ? 略为下 降；但在含相同体积分数磁粉情况下，磁性高分子粘结n d f e b 的磁性能比非 磁性的高分子粘结n d f e b 的磁性能高，其温度稳定性几乎相同。 1 3 6 环境食品微生物检测 以磁性微球为基础的免疫磁性分离( i m s ) 技术不但广泛应用于医学、生物 6 四川大学硕士学位论文磁性高分子微球的制各与表征 学的各个领域，而且在环境和食品卫生检测方面的应用也初见端倪。沙门氏 菌是引起食物中毒最常见的菌属之一。s k j c r v e 等1 2 6 1 报道了用免疫磁性分离技 术从乳制品、肉类和蔬菜中分离出沙门氏菌，其检测限为每克l x l 0 2 个细菌。 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，如酶联免疫吸附分析( e l i s a ) ，多聚酶链式反应( p c r ) ，荧光免疫分析 0 ：i a ) ，电子化学发光( e c l ) 相结合，则可数倍地提高分离效率和检测极限。 b r u n o 等鲫利用以免疫磁性微球为固相载体的e c l 技术探测土壤中的 b a n t h r a c i s 孢子。等【2 9 1 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 ：t - 1 7 ( 2 x 1 0 3 个细雕g m 1 ) ，其分析灵敏度为8 4 8 7 。s y l v i e 等【2 9 1 利用i m s p c r 法，可在7 h 内检测5 1 0 0 l 样本中少至一个的c p a r v u m 卵囊。 该方法的快速性和灵敏性足以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室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 公司开发了一系列的商品化磁性高分子微 球d y n a b e a d s 。该公司的系列产品己经成功的应用于微生物学、免疫学、分 子生物学、癌症研究等领域，同时还在美、英、德、日、澳等国建立了分支 机构。另据报道，澳大利亚科学与工业研究组织( c s m o ) 研制成功粒径为 1 0 0 _ m 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 4 磁性高分子微球的制备方法 目前，国外在磁性微球的应用研究方面的论文和专利很多。而国内在这 方面的研究尚处于起步阶段，在磁性微球的制备方面，得到的微球粒径分布 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 技术己经成为必然的趋势。该技术具有非常大的开拓前景和潜力，确实是一 7 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制各与表征 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。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。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。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 3 0 】：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 聚合法和原位法 7 9 ，1 2 ，3 m 3 3 1 。 1 4 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 ，得到外包牛血清蛋 白的磁性微球；利用类似的方法，可制得c e u 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l 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 8 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制各与表征 徼球，如图l - 2 所示： i ： i ：+ 帅一辜一。一。垦旦帅一曼曼一j _ 一上+ 帅一一。一! 。上。帅一曼s l i 一 磁性粒子表面 o l ho i h 0l0 l 图i - 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鳌合作用以 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 4 ，2 单体聚合法 单体聚合法是在磁性粒子和有机单体存在的条件下，根据不同的聚合方 式加入引发剂、表面活性剂、稳定剂等物质聚合制备磁性高分子微球的方法。 制造高分子微球的方法除了常规的悬浮聚合、乳液聚合( 包括无皂乳液聚合、 种子聚合) 、分散聚合等方法外【3 4 。3 7 】，近年来还出现了辐射聚合法、化学聚合 法和生物合成法等新方法。 ( 1 ) 悬浮聚合 悬浮聚合法制备磁性聚合物微球的主要原理是在磁性粒子、悬浮稳定剂 和表面活性剂存在的条件下，用引发剂使一种或几种单体在磁性粒子表面引 发均聚或共聚，将磁性粒子包裹在聚合物里面。d c n k b a s 等【3 8 谰悬浮交联技 术制备了1 0 0 2 0 0 m m 磁性壳聚糖微球，并研究了搅拌速度、f e 3 0 d 壳聚糖用 量比和壳聚糖分子量对微球粒径大小和分布的影响，作者认为搅拌速度、 9 四川大学硕士学位论文磁性高分子微球的制备与表征 f e 3 0 4 壳聚糖用量比是微球粒径大小和分布的主要因素，而壳聚糖分子量无 影响。r e m b a u m 【3 9 】采用悬浮聚合法制备了平均粒径约1 0 0 r i m 磁性聚戊二醛 微球。王胜林等 4 0 】在分散有磁流体的苯乙烯中加入引发剂和交联剂，然后将 此磁流体分散在水中，经过高速剪切乳化形成较稳定的微悬浮液，采用微悬 浮聚合法进行聚合，合成了0 4 p m 一6 p r o ，主要分布在o 7 “m 2 0 p r o 的磁性微 球。万惠文等【4 l 】对pf e 2 0 3 进行表面处理，使其能够很好地分散在苯乙烯和 二乙烯基苯单体中，然后以聚乙烯醇为分散剂，过氧化苯甲酰为引发剂，采 用悬浮聚合法并结合超声波技术制备了粒径约lg m 磁性聚苯乙烯微球，所制 备的磁性聚合物微球具有超顺磁性和蛋白吸附能力。 ( 2 ) 乳液聚合 乳液聚合是目前应用较多的一种制备磁性高分子微球的方法，它还包括 无皂乳液聚合、种子乳液聚合等方法。 传统的乳液聚合 s o l e h 2 在分散有磁性粒子的水相体系中乳化单体，得到稳定的乳化体系， 然后应用乳液聚合得到了胶体尺寸的疏水磁性高分子微球。邱广明等【4 3 】利用 乳液聚合法，制备出单分散的亚微米级磁性微球，研究了分散介质、单体、 种子粒子及p h 调节剂等因素对聚合行为和磁性微球的影响。作者认为，采 用磁流体合成磁性高分子微球的关键是在磁流体表面产生聚合引发点，形成 理想聚合场所。 无皂乳液聚合 磁性高分子微球在生物医学领域的应用较广，如用作诊断试剂等，但该 领域对磁性微球的要求较高，不但要求其单分散性好，并且应无非特异性凝 聚因素( 如乳化剂等) 。而普通乳液聚合产品由于其中的乳化剂量较多等原因， 无法满足这些要求。因此人们又开发了无皂乳液聚合技术。无皂乳液聚合是 指在不含乳化剂或仅含微量乳化剂( 其浓度小于临界胶束浓度c m c ) 的条件下 进行的聚合反应。 y a n a s e 掣4 4 彤1 在磁流体存在的条件下，不外加表面活性剂，制得了磁性 聚苯乙烯微球。并详细地讨论了磁流体中的表面活性剂、引发剂用量、单体、 1 0 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 添加剂( c a c l 2 、荧光染料) 等对聚合反应和微球特征的影响。作者认为，在磁 流体存在下的乳液聚合行为和通常的乳液聚合行为类似，但前者的反应机理 比后者复杂得多。同时，他们对商业磁流体进行超滤处理，以除去体系中存 在的游离表面活性剂和其它添加剂，从而得到了超滤磁流体，并比较了这两 种磁流体存在下的乳液聚合反应。由未经处理的磁流体得到的微球粒径较小， 微球彼此间的磁含量差异大，粒径分散性较大，且磁粉倾向于靠近微球的边 缘。而由超滤磁流体得到的微球粒径较大，分散性小，且磁粉在微球内分散 均匀。该课题组还就磁性聚合物微球的磁含量的测定方法进行了研究，作者 认为，用热失重一差热分析( t 6 - d t a ) 的方法来确定磁含量是一种切实可行的 方法。 k o n d o 等m 】在共沉淀法合成超细磁流体的基础上，用两步无皂乳液聚合 技术，制备出热敏性的磁性聚苯乙烯n 异丙基丙烯酰胺甲基丙烯酸 ( p ( s t n n a m m a a ) ) 微球。在s e m 和t e m 观察胶乳微粒的形态和分布，动 态光散射法测定流体动力学直径，超显微电泳分析测定争电位，热重法分析 磁含量的基础上，他们认为，磁性胶乳微粒的流体动力学直径( h y d r o d y n a m i c d i a m e t e r ) 随磁流体单体重量比的提高而明显减小，这与y a n a s e 等得出的结 论一致。 h w e e 等1 4 ”采用一步无皂乳液聚合技术，在磁流体存在的条件下，合成 出平均粒径为3 0 n m 的磁性高分子微球，并对平均粒径及粒径分布、表面羧 基含量、磁含量、酸碱稳定性进行了测定。他们发现，用丙烯酸钠( n a a a ) 代替甲基丙烯酸( m a a ) 不但能提高磁性微球的单分散性，还能提高其表面羧 基含量。 种子乳液聚合 为了得到大粒径的磁性聚合物微球，可采用种子乳液聚合。 a e l a i s s a r i 掣4 8 】用种子乳液聚合制备了温敏性的磁性聚合物微球，以购 买的磁性胶乳为种子，单体采用苯乙烯、n 异丙基丙烯酰胺( n n a m ) ，外加 少量氢氧化( 2 胺乙基甲基丙烯酰胺) ( a e m h ) 作为功能性单体。交联剂采用 n ，n 一二亚甲基双丙烯酰胺( m b a ) 。微球用于核酸的提取、纯化、浓缩。 作者又以磁性聚苯乙烯微球为种子，合成了用于蛋白质的吸附与解吸的温敏 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 性磁性聚合物微球【4 9 】。 f l u r e n c e 等【5 0 】也以聚( 苯乙烯n 异丙基丙烯酰胺) 为种子，以n _ 异丙基丙 烯酰胺为聚合单体，以n , n - z 亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，衣康酸为功能性 单体进行种子乳液聚合，得到了亲水性的温敏性磁性聚合物微球，并将其在 免疫测定中用作固相载体。 ( 3 ) 分散聚合 利用无皂乳液聚合技术难以得到粒径大于l p m 的磁性高分子微球，而当 磁性高分子微球用于细胞分离、固定化载体的领域时，为了能在磁场下快速 分离，多希望利用粒径大于i b m 的磁性高分子微球。分散聚合法对于合成大 粒径、单分散性的磁性高分子微球具有得天独厚的优势。同时，该方法是向 微球表面引入功能基最为方便的方法。 分散聚合是指一种由溶于有机溶剂( 或水) 的单体通过聚合生成不溶于该 溶剂的聚合物，而且形成胶态稳定的分散体系的聚合方式。 孙宗华等 5 1 - 5 3 利用分散聚合法，以水乙醇为分散介质，合成了含有 - c o o h 、一o h 、c h o 等不同表面功能基的核壳型磁性复合胶乳微球，作者 研究了分散介质、引发剂、聚合单体、种子粒子等因素对复合微球形成的影 响，并控制合成条件，得到了粒径为5 0 5 0 0 1 m a ，f e 3 0 4 含量为0 5 2 5 的磁性 高分子微球。同时，该课题组还在磁流体存在的条件下，采用分散聚合，在 乙醇水体系中，共聚合成出热敏性的磁性聚苯乙烯n 异丙基丙烯酰胺微球。 r i c h a r d 等m 1 制得了用于诊断试剂、亲和色谱方面的o 1 5 1 m a 的复合微 球，所选单体为苯乙烯类或丙烯酸类，微球的标准偏差小于1 5 ，磁含量为 0 5 一5 0 。作者认为，为了得到单分散微球，制备过程中必须满足以下条件： 成核阶段快，所有核应同时形成；微球成长阶段，连续相中的所有齐聚 物自由基在达到临界凝聚尺寸之前，必须被体系中已存在的微球所捕获，避 免形成新的微球；在微球的成长阶段必须避免微球间彼此的凝聚。d a n i e l h o r a l ( 【”】等在磁粉存在下，用h e m a 与二甲基丙烯酸乙二醇酯( e d m a ) 得到磁 性聚合物微球，分散剂采用的是乙酸丁酯纤维，微球具有单分散性。作者发 现，氧化铁的晶型及对它的处理方法，所选溶剂的溶解度参数对得到单分散 四川大学硕士学位论文 磁性高分子微球的制备与表征 性的微球至关重要。作者采用类似的方法也得到了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯 磁性微球，f e 2 0 3 含量可达2 5 【5 6 】。 ( 4 ) 辐照聚合 a v i v i 掣57 】通过紫外光照射的方法合成了一系列磁性微球。这种磁性微球 中添加了氧化铁粉并且包裹在牛血清白蛋自( b s a ) 上。这种微球由b s a 与铁 蛋白质或是b s a 与铁盐化合物合成。通过t e m 和s e m 可以观察到颗粒呈 球形，尺寸分布为一系列微米级的高斯分布。通过化学分析，计算得到氧化 铁的含量为3 9 4 2 。r e m b a u m 等【5 8 】开发了一种制备单分散性好、纯度高 的磁性高分子微球的无容器环境法”( c o n t a i n e r l e s se n v i r o n m e n t ) - 。所谓“无容 器环境法”是指与乳液聚合、分散聚合等方法相比较而言，在制备过程中单体 液滴并不与容器壁相接触。其原理是：在一个充满惰性气体或高真空狭长容 器中，喷射分散有磁粉的单体液滴，在单体液滴下落的过程中用紫外线或y 射线引发聚合。这是一个简单的一步制备方法，可合成粒径范围为0 0 1 1 0 0 v m 的磁性高分子微球。该方法制备的磁性高分子微球具有以下几个特点：制备 过程中可不使用溶剂、催化剂、悬浮剂、乳化剂等会对徼球造成污染的各种 添加剂，从而得到的是纯净的干燥微球，且不需要任何的纯化后处理技术， 可直接收集使用；单分散性好，粒径偏差不超过士5 ；反应时间短，聚 合时间根据单体的不同而控制在3 0 r a i n 左右；适用于任何一种亲油性的或 亲水性的单体，只要能以液态方式存在即可。 ( 5 ) 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