利用帶自由基的線型聚苯乙烯鏈為模板制備聚苯乙烯核-聚(N-異丙基丙烯酰胺)殼微球的初步研究

肖新才，王振環(huán)，杜歡歡，魏海勝，楊芳云

(中南民族大學(xué)藥學(xué)院，武漢430074)

具有核殼結(jié)構(gòu)的高分子微球是一類具有一層或多層結(jié)構(gòu)的聚合物粒子.由于其具有尺寸小、體積小、比表面積大、比表面易修飾、粒徑大小均一等特點(diǎn)［1］而廣泛用作分離與吸附的材料，并很好地應(yīng)用于色譜分離［2］、生物醫(yī)學(xué)［3］、情報(bào)信息、單分子檢測(cè)［4，5］、膠體科學(xué)及藥物釋控［6］等方面，作為蛋白質(zhì)抗體酶和藥物的固定載體用于臨床檢查和診斷［7，8］.文［9］采用種子乳液聚合法制備以 PSt為核、NIPAM及 AAC共聚物為殼的核-殼粒子;文［10］采用乳液法制備了聚苯乙烯/油酸/氟化鑭復(fù)合納米微球;文［11］采用層層自組裝法制備PSt/SnO2核殼微球;文［12］采用分散聚合法［13］制備SiO2/PAM核殼復(fù)合微球.上述方法普遍存在如微球的粒徑大，微球壁厚難以控制等問(wèn)題，限制了微球的應(yīng)用.而模板法為近年開(kāi)發(fā)的一種制備具有核殼結(jié)構(gòu)高分子微球的方法，該法為在預(yù)定制備好的模板顆粒上形成聚合物殼，從而形成具有核殼結(jié)構(gòu)的微球.所得微球大小和形狀均一，并可良好地控制微球壁組成和壁厚［14］.

當(dāng)溶液的極性由小至大發(fā)生改變時(shí)，疏水性線型聚合物能縮聚成團(tuán)，且不同鏈長(zhǎng)的聚合物也將得到不同粒徑的團(tuán)，利用此團(tuán)作為模板將得到不同大小核的微球或微囊.基于迄今止，未見(jiàn)用聚合物鏈做模板的相關(guān)報(bào)道，本文選用聚合進(jìn)行中的線型聚苯乙烯鏈為研究對(duì)象，將其從小極性溶劑泵送入大極性溶劑中，用縮聚成團(tuán)的聚苯乙烯作為模板，鏈端的自由基引發(fā)單體N-異丙基丙烯酰胺的聚合，得到聚苯乙烯核-聚(N-異丙基丙烯酰胺)殼微球，期望為微球或微囊的制備探索一種新的方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

1.1.1 試劑

N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)，分析純，日本Kohjin Co.Ltd公司生產(chǎn)，經(jīng)正己烷/丙酮(體積比4/1)混合溶劑重結(jié)晶提純;N，N'-二亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)，化學(xué)純，長(zhǎng)沙歐邁生物科技有限公司，經(jīng)正己烷/丙酮(體積比4/1)混合溶劑重結(jié);苯乙烯(St)，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，經(jīng)NaOH溶液(質(zhì)量比10%)洗滌4次，再經(jīng)超純水反復(fù)洗滌至中性，放入冰箱保存待用;偶氮二異丁腈(AIBN)，化學(xué)純，上海試四赫維化工有限公司;四氫呋喃(THF)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.1.2 儀器

DF-101S聚熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;TecnaiG2 20S-TWIN透射電子顯微鏡，F(xiàn)EI公司;S-3000型掃描電子顯微鏡，日本HITACHI公司;BT100-2J蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)器，保定蘭格恒流泵有限公司.

1.2 聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球的制備

1.2.1 帶自由基的線型聚苯乙烯鏈的制備

聚合反應(yīng)均在裝有回流冷凝管、導(dǎo)氣及加料裝置250 mL三口圓底燒瓶中，通過(guò)恒溫加熱磁力攪拌器進(jìn)行攪拌、控制溫度，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行.三口圓底燒瓶中加入200 mL的THF作溶劑，通氮?dú)?0 min排除裝置和溶劑內(nèi)的氧氣，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下，恒溫至70℃后，向溶劑中加入含有偶氮二異丁腈的苯乙烯，聚合8 h，此時(shí)獲得含帶自由基的線型聚苯乙烯鏈的四氫呋喃溶液.

1.2.2 聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球的制備

將配好的含BIS(單體質(zhì)量的1%)的NIPAM水溶劑，固定至恒速攪拌器上.在一定轉(zhuǎn)速和氮?dú)獗Ｗo(hù)下，用蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)器泵送一定量帶自由基的線型聚苯乙烯鏈(上述反應(yīng)所得)至NIPAM水溶劑中，聚合4 h，得聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球，將所得樣品溶液抽真空，除去可能未反應(yīng)的苯乙烯.實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖1.

圖1 聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球制備流程Fig.1 Synthetic route ofmicrosphereswith polystyrene cores-poly(N-isopropylacrylamide)shells

1.3 微球形貌及粒徑的分析表征

因微球形貌及粒徑為2個(gè)較重要的參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)分別采用透射電子顯微鏡(TEM)觀察其核殼結(jié)構(gòu)和粒徑，掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其形貌和粒徑.

為避免不帶自由基的聚苯乙烯鏈(在水中懸浮于表面)的影響，用干凈的滴管取少許中層樣品溶液，滴2滴于規(guī)定的銅網(wǎng)上，在紅外燈下將溶劑烘干，然后用透射電子顯微鏡觀察并拍攝照片;同樣操作，滴2滴于規(guī)定的載玻片上，烘干，鍍金，掃描電子顯微鏡觀察并拍攝照片.

2 結(jié)果與討論

2.1 制備原理

于70℃水浴加熱下，偶氮二異丁腈熱裂解產(chǎn)生自由基引發(fā)苯乙烯聚合，由于濃度較稀且無(wú)交聯(lián)劑的情況下，在THF溶液中將得到線型的帶自由基聚苯乙烯鏈.由于自由基在氮?dú)夥諊驴纱婊钜欢螘r(shí)間，因而將聚苯乙烯鏈的THF溶液泵送至NIPAM的水溶液后，可繼續(xù)引發(fā)單體的聚合.此時(shí)THF立即溶于水中，而線型聚苯乙烯鏈的環(huán)境已變成極性更強(qiáng)的水溶液，因而其縮聚成團(tuán).同時(shí)，由于環(huán)境變成親水性，此時(shí)自由基將引發(fā)親水性單體的聚合，未反應(yīng)完的苯乙烯單體將等待單體NIPAM反應(yīng)結(jié)束后方可繼續(xù)聚合，由此控制住了聚苯乙烯的鏈長(zhǎng)或核的大小，同時(shí)親水單體聚合將在核表面進(jìn)行.文獻(xiàn)［15］和樣品均勻穩(wěn)定存在于水溶液中可證明得到的微球?yàn)榫郾揭蚁┖?聚(NIPAM)殼.

2.2 苯乙烯濃度對(duì)微球的粒徑的影響

苯乙烯濃度是控制聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球粒徑的一個(gè)重要參數(shù).由于苯乙烯的濃度影響模板的大小，從而影響微球的粒徑.為得到粒徑適宜的微球，首先要控制好苯乙烯的濃度.在其他條件不變的情況下，苯乙烯濃度不同，所得聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球粒徑不同(見(jiàn)圖2)，由圖2可知:苯乙烯的濃度越小，所得微球的粒徑越小.這是因?yàn)楸揭蚁┑臐舛仍叫?，則單位體積THF溶液內(nèi)帶自由基的聚苯乙烯鏈的量越少，因而縮聚成團(tuán)的模板越小，最終導(dǎo)致微球的粒徑越小.

圖2 苯乙烯濃度不同時(shí)微球的透射電子顯微鏡圖Fig.2 TEM ofmicrospheres with different styrene dosages

2.3 NIPAM水溶液中的攪拌速度對(duì)微球粒徑的影響

攪拌器的攪拌速度對(duì)聚苯乙烯核-聚(NIPAM)殼微球粒徑具有相反的2種影響:① 攪拌速度越大，則THF溶液中帶自由基聚苯乙烯鏈越易分散于水中，聚苯乙烯縮聚成團(tuán)越小，因而模板的粒徑就越小，最終導(dǎo)致微球粒徑越小;②攪拌速度太大時(shí)，油相與水相間的自由基結(jié)合不穩(wěn)固，可導(dǎo)致聚苯乙烯核偏移甚至跑出NIPAM殼(見(jiàn)圖3).由圖3可知，圖3A中，聚苯乙烯核即將從殼中跑出;圖3B中聚苯乙烯核發(fā)生偏移;圖3C中聚苯乙烯核的位置正常;圖3D中聚苯乙烯核的位置正常但核過(guò)大.因此，攪拌器的攪拌速度過(guò)大或過(guò)小均不利于生成適宜的微球粒徑.

圖3 轉(zhuǎn)速不同時(shí)微球的透射電鏡圖Fig.3 TEM ofmicrospheres with different stirring speeds

圖4分別為微球樣品的掃描電鏡圖(見(jiàn)圖4A)和透射電鏡圖(見(jiàn)圖4B).由圖4A可知，部分微球呈現(xiàn)凹陷.這是因?yàn)閷HF溶液中帶自由基聚苯乙烯鏈泵送入NIPAM水溶液中，THF溶劑中不僅有帶自由基的苯乙烯鏈，還存在苯乙烯單體，當(dāng)帶自由基的線型苯乙烯鏈遇水縮聚成團(tuán)，引發(fā)單體NIPAM的聚合后，不能縮聚成團(tuán)的苯乙烯單體能滲透到球內(nèi)，導(dǎo)致3層結(jié)構(gòu)微球生成(見(jiàn)圖4B).對(duì)這樣的3層結(jié)構(gòu)微球進(jìn)行電子顯微鏡掃描時(shí)，在抽真空過(guò)程中苯乙烯單體被抽走，最終因球內(nèi)空隙而導(dǎo)致微球凹陷.

圖4 微球的掃描電子顯微鏡圖和透射電子顯微鏡圖Fig.4 SEM and TEM of the finalmicrospheres

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)線型聚苯乙烯鏈從非極性溶劑進(jìn)入極性溶劑而縮聚成團(tuán)的特性，以縮聚成團(tuán)的聚苯乙烯作為模板，制備了聚苯乙烯核-聚(N-異丙基丙烯酰胺)殼的微球，初步表明利用此方法制備微球可行，但對(duì)其微囊的幾何形狀、大小、殼層厚度以及單分散性等問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究.

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