HMS@PEG-PLA中空微球的制备与表征.doc
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1、HMSPEG-PLA中空微球的制备与表征摘要 通过分散聚合法制备PS微球13,共沉淀法制备Fe3O4/PS19,通过溶胶凝胶法以TEOS的水解包覆SiO2,高温煅烧制备中空SiO2/ Fe3O4粒子。以Sn(Oct)2作为催化剂,使PEG和聚丙交脂开环聚合,最后用包埋法合成HMSPEG-PLA。经透射电子显微镜,红外光谱分析仪,X衍射分析仪, 磁强度计,同时对HMSPEG-PLA细胞毒性进行分析。结果表明,合成了核壳结构的HMSPEG-PLA,具有空腔结构,磁性强度大,没有毒性,有望作为新型药物载体。关键词: 中空微球 HMS 聚合 PEG-PLA1前 言1.1中空结构粒子概述中空结构粒子是一
2、种特殊类型的核壳结构粒子,中空结构的微纳米粒子一般是由相应的核壳结构粒子经过去核处理得到,因此可以通过调节核壳复合粒子的结构、尺寸及成分达到对中空结构粒子性质的调节,从而实现对其光学、热学、电学、磁学以及催化性质的大范围裁剪。中空结构粒子的特性主要是由其结构的独特性造成的,该结构的粒子具有密度低、比表面积大、稳定性高以及表面渗透性好等优异性能,在生物化学、催化学、材料科学等领域具有特殊的应用前景。其空心部分可容纳大量的客体分子或大尺寸的客体,可以产生一些奇特的基于微观“包裹”效应的性质,使得空心粒子在医药、生化和化工等许多技术领域都有重要的作用。例如,可以用中空结构的微纳米粒子作为药物载体、细
3、胞和酶的保护层、燃料稳定剂、人造细胞、电学组件、填料、催化剂、分离材料、轻质填料、涂料以及声学隔音材料等。1.2中空粒子的制备方法 目前,制备中空结构微纳米粒子的方法较多,但是不同类型的空心粒子需要用不同的制备方法才能够赋予空心粒子特定的结构和表面性能,进而满足各种应用的要求。有研究者指出12,目前空心微球型材料的应用受到限制的主要原因是因为空心微球的制备过程较为复杂,不易于产业化。因此,寻找一种简单的制备空心微球的方法是非常重要和有意义的。空心微球的制备方法主要分为两大类:模板法和非模板法。模板法分为软模板法和硬模板法;非模板法分为喷雾干燥法、超声波法和界面法。1.2.1模板法模板法是制备聚
4、合物空心球最典型的方法,其基本原理是:以预先制备的模板球为核,通过组装、吸附、沉淀反应、溶胶-凝胶等作用在模板球核外包覆一定厚度的材料,形成核/壳结构复合微球,最后,通过热处理、化学反应或溶剂溶解除去模板球,制备空心微球。通过模板法制备空心聚合物微球的优点是实验方法灵活简单,球的大小由模板颗粒的尺寸决定,可控性强,不同的表面官能团使微球在很多领域存在应用前景;而且可以通过改变模板球的粒径来调节空心球空心部分的体积,可以根据使用目的来选择共聚单体,这样实验就具有了可设计性。根据模板粒子的属性常分为硬模板和软模板。硬模板是指一些具有相对刚性结构,形态为硬性的粒子,如无机颗粒、金属粒子等。软模板通常
5、指聚合物、囊泡、胶束、液滴等。模板的大小和形貌直接决定了核壳材料的大小和形貌,模板法具有可预见性、产物形态均一、可重复性等优点。1.2.2喷雾干燥法喷雾法也是制备空心微球一种方法,多用于制备无机空心微球。其和模板法制备空心聚合物微球相比,喷雾法在制备过程中没有引入模板粒子,其制备机理是在反应的过程中通过热分解或燃烧等化学方法制备空心微球,一步反应就可以制备空心微球。该方法常见的制备过程是:首先,以水、乙醇或其他溶剂将目标前驱体配成溶液,然后,通过喷雾装置将溶液雾化,雾化液经过喷嘴形成液滴进入反应器中,液滴表面的溶剂迅速蒸发,溶质发生热分解或燃烧等化学反应,沉淀下来形成一个空心球壳,从而制备了空
6、心球的结构。由于采用液相前驱体气溶胶,使溶质在短时间内析出,制备过程连续、操作简单、反应无污染,而且所形成的产物纯度高、粒径分布均匀、比表面积大,组成、颗粒尺寸以及形态均可控,因此用该法制备空心球结构的纳米材料有其特殊的优势。Tartaj等13用该法制备了直径在50-250 nn的SiO2/-Fe2O3空心球;Bruinsm等14用该法制备了SiO2空心球;sasaki等15用该法制备出壳层厚度是50 nn的TiO2空心球。1.2.3超声波法超声波法的原理是:利用超声波释放出的能量,产生局部的高温高压环境以及具有强烈冲击力的微射流,以此来驱动化学反应制备空心球。Zhu等16在室温条件下用超声技
7、术制备空心结构的微球材料,其以CdCl2以及Na2SeSO3为原料,原位合成了直径120 nm的高纯度CdSe空心球。超声波法具有室温反应、反应时间短、通用性强等优点,使其成为一种非常吸引人的制备空心球新方法。1.2.4界面法界面法制备空心球的原理是:化学反应被限制在核模板的表面,模板作为反应物参加反应,而生成物则作为壳包覆在未反应的模板上,随着反应的进行,核模板的量逐渐减少,壳层的厚度则不断增加,最后形成了空心结构。这种全新的制备空心球的方法,最早是由中国科技大学谢毅等17在2000年提出的,具体合成路线是基于乙二胺以及二硫化碳之间的反应,合成出了直径在150250 nm的CdS空心球。Hu
8、等18在谢毅工作的基础上,将射线引入反应,反应在油一水界面发生,生成直径为500 nm、壳层厚为20 nm的NiS空心球。Li等19将还原反应引入到此方法中,创造性的提出用模板-界面协同还原反应法来制备金属碳化物空心球,具体做法是:将金属钠同时作为还原剂以及核模板,生成了直径分别为70 nm以及170 nm的TiC及VC的空心球。1.3中空微球的应用由于具有较高比表面积、较低密度、“包裹”效应等特性,空心球在生物医药领域、催化领域、微反应器领域等众多方面具有广泛应用,下面举例简单介绍。1.3.1生物医药领域在生物医药领域,药物的控释、定点运输、抗氧化一直是研究热点,空心微球在这些方面都具有独特
9、的作用。Gao20等合成了硒空心球,其抗OH自由基的比率为68%,而实心纳米硒粒子的抗氧化率为22%,所以空心球结构更适于抗氧化药。zha等21采用硅颗粒作为模板,以交联聚N异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)为感温材料、亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,制备了温敏型微囊。由于PNIPAM在其低临界溶解温度(LCST)附近发生体积相变,当环境温度发生变化时,微囊膜发生可逆的膨胀收缩转变,壳层的渗透性也发生响应改变。这种微囊可用于酶、蛋白质、DNA等生物分子的装载和释放,在药物靶向运载等方面具有应用前景。zhu等22在室温下以聚乙烯毗咯烷酮(PVP)和溴化十六烷三甲基铵(CTAB)为共模板制备了表面多孔的Si
10、O2微球,并研究了其作为布洛芬(IbuProfen)药物载体的性质,客体分子储存性研究表明,该形貌的SiO2空心粒子与传统的MCM-41载体相比可以容纳更多的药物。1.3.2催化领域应用催化领域是目前中空结构粒子应用研究最为广泛的领域之一,这是因为中空结构的微纳米粒子比表面积大,作为催化剂或催化剂的载体有着明显的优势。从粒子设计角度看,如果在壳层材料中引入催化剂或将催化剂包于具有选择渗透性的球壳内,可以将中空结构的粒子在反应工程中作为微反应器,使化学反应在限定的微小区域内进行。纳米过渡金属粒子经常被作为催化剂应用于液相反应中,中空结构的纳米过渡金属粒子与实心粒子相比具有更大的比表面积、更多的表
11、面原子数,可为反应提供更多的催化活化中心,从而使金属粒子的催化性能得到进一步发挥。Kim等23以二氧化硅为模板制得的空心钯粒子,研究发现,该空心粒子在Suzuki偶合反应中显示出极好的催化性能和重复使用性能。第一次的反应产率为97%,催化剂循环使用7次,反应的产率仍为96%。Liang等24以Co的纳米颗粒作为模板,采用一种简单的合成方法制备了Pt空心纳米球,并研究了其作为催化剂的性能。通过实验研究表明,Pt的空心纳米球的催化能力是普通实心Pt颗粒的2倍,这主要是因为空心Pt球具有较高的比表面积,极大提高了其与反应物接触的面积。xu等人25制备了空心Ni微球,并研究了其在碱性条件下催化甲醇和乙
12、醇的电氧化反应,测试结果表明,空心结构的Ni微球在低的加载量条件下,对乙醇的电氧化反应仍显示出非常优异的催化性能,该空心Ni球在乙醇传感器和乙醇燃料电池领域有着潜在的应用前景。1.3.3微反应器领域由于具有独特的微环境,空心球可以作为特殊用途的化学反应微反应器。Shchukin等26, 27通过电解质层层自组装制备了聚电解质胶囊,通过控制胶囊内外pH值的不同,使胶囊内pH值适合于磁性粒子生成,这样通过控制反应条件就使空心球内外反应具有了选择性,从而控制磁性粒子生成反应仅限于球内部发生,在PSS/PAH中胶囊装载了磁性物质(CoFe2O4、ZnFe2O4、MnFe2O4以及Fe2O3),使胶囊可
13、以在外部磁场的作用下快速分离,为生物分离提供了新的途径。Dahne等28把盐基桃红(Mrho)以及苯乙烯磺酸钠(SS)放入微胶囊中,进行共聚反应,将共聚物装载入在胶囊。1.3.4其他领域微纳米结构或纳米结构的空心球的应用除了上面领域外,还有在许多领域有应用,比如光电材料领域、轻体材料领域、涂料领域等Xie29等制备的CdS空心球表现出了明显的量子尺寸效应,对紫外光吸收有明显的蓝移,而且在室温下呈现出光致发光现象,发光带的峰位在373 nm,比块状CdS蓝移了130 nm,可以作为光电材料使用。Baumeister等30研究发现,空心球结构的硅酸盐具有良好的热学性质以及力学性质,将它们和铝合金混
14、合后,可用于制作机器人的手臂,这要比纯铝合金的材料轻10%-25%,而且性能可以和铝合金制作的相媲美,这种轻体材料在机械工程中有广泛的应用前景。在涂料领域,Seiner等31提出了空心微球可以作为非常有效的遮盖性涂料添加剂,具体原理如下:虽然空心微球的壳层、内部包含的空气以及周围的涂料膜质都是透明的,它们的折光指数存在差异,这样,当光线从一种物质进入另一种折光指数不同的物质时,光线会被散射,通过空心微球的光线在遇到空心部分的空气时就会被散射,而当遇到另一端的球壳时会被再次散射。最终,在光线穿过涂膜时,多次反射的积累就会显著增强涂膜的遮盖性。现在市场上己经有了商品化的中空微球,其空腔部分占总体积
15、的25-40%,使用时添加量一般占涂料重量的40%左右。中空微球的引入降低了TiO2的用量,也就降低成本,并且在不影响光泽度的情况下提高了遮盖性、亮度以及耐磨性。磁性材料,尤其是中空磁性材料。该结构的粒子具有密度低、比表面积大、稳定性高、“包裹”效应等特性,提供空间能够负载大量的药物;同时它借助于磁场使药物载体聚集在靶部位,平稳释放药物,提高靶部位药物浓度,增强治疗效果5-7。研究表明,磁性粒子容易团聚、稳定性差、易被氧化和在生物体内容易被分解等8,9。为了解决这些问题,高分子材料的具有双亲性、生物相容性等特性,同时可以对其表面进行化学修饰从而赋予其表面多种具有生物活性的官能团,如-OH,-N
16、H2,-COOH等10-12。磁性微球在生物医学生物工程等领域有大的应用前景和潜力尤其是药物磁性微球在肿瘤上的应用磁性高分子复合材料是近几年发展起来的一种新型材料。聚乳酸-聚乙二醇(PEG-PLA),作为一种双亲性、生物相容性、中性高分子物质生物相容性和溶于大量溶剂11,13,14。PEG的引入不但提高了PLA的亲水性,同时还赋予材料新的特性和功能,它可以减少生物体内蛋白质在材料表面的吸附和细胞的黏附;它可以保护被改性的PLA不受免疫系统的破坏,且形成的两亲性共聚物具有可修饰性,可引入端基活性基团15。PEG改性PLA共聚物可有效地调控载体的亲疏水性、药物释放速率和载药率,延长药物在血液中的循
17、环时间、加强药物靶向给药能力16,17。高分子磁性复合材料。如ren等18,采用相分离的方法准备磁性/PEG-PLA复合粒子,他们发现反应产率低而且步骤复杂。Sun等19,同样需要多步才能完成反应。本实验中,我们合成HMSPEG-PLA, 其具有良好的生物相容性和中空磁性等特点,作为药物载体不但可以负载大量药物同时在外部磁场作用下达到靶向定位,提高药物的利用率。此外,方法简便,PEG-PLA的合成和包覆是一步完成的。HMSPEG-PLA合成步骤如下:通过煅烧模板合成中空磁性微球。PEG和聚丙交脂,Sn(Oct)2作为一个催化剂,通过开环聚合。与此同时,我们对HMSPEG-PLA细胞毒性进行分析
18、。用顺铂作为模拟药物进行释放行为研究。结果表明, HMSPEG-PLA有望作为新型药物载体。2 实验部分2.1 材料和仪器D,L-丙交酯,聚乙二醇单甲醚,辛酸亚锡,KH-550(APETS),苯乙烯(St),化学纯,上海凌峰化学试剂有限公司;过硫酸钾(KSP),十二烷基硫酸钠(SDS)正硅酸乙酯(TEOS);水合氯化亚铁(FeCl24H2O);六亚甲基四胺(HMTA);硝酸钾;无水乙醇;浓氨水;实验用水均为蒸馏水。超声波发生器(KQ-500DE),频率40KHz,功率90W,昆山超声波仪器厂产品;DZF-6050真空干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;飞鸽牌系列高速台式离心机(TGL-16G型)
19、,上海安亭科学仪器厂;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,陕西康泰科技产品;SHZ-D循环水式真空泵,河南省巩义市英峪仪器一厂;傅立叶变换红外光谱仪(德国Brucher公司EQUINX55);透射电子显微镜(日本日立公司JEM-2100);全自动X-射线衍射仪(日本Rigalcu D/max 2000 PC);振动样品磁强计(美国Lake Shore公司JDM-13)。2.2磁性中空粒子PEG-PLA Fe3O4/SiO2的合成2.2.1 中空SiO2/ Fe3O4的制备 通过分散聚合法制备PS微球13,共沉淀法制备Fe3O4/PS19 通过溶胶凝胶法以TEOS的水解包覆SiO2。称取一定
20、量的Fe3O4/PS于50 ml水和150 ml乙醇的混合溶液中,加入15 ml浓氨水,室温下搅拌30 min,后加入10 mlTEOS(正硅酸乙酯)搅拌6 h,磁分离,无水乙醇洗涤三次,室温真空干燥。通过高温煅烧技术制备中空SiO2/ Fe3O4粒子,在马弗炉中以4 /min的速度升温至400 下煅烧5 h。2.2.2 制备中空SiO2/ Fe3O4PEG-PLA通过KH550对HMS氨基化(HMS-NH2)。将0.2gHMS在 30ml甲苯中超声分散30min,将分散后的溶液转入250 ml的三口瓶中,在磁力搅拌下,通N2除O2 30min,加入KH550 2ml。70 反应6h。在磁场吸
21、引的条件下,将溶液用无水乙醇洗涤三次,室温真空干燥。HMSPEG-PLA的合成采用包埋法。烘干的0.2g HMS-NH2在30ml甲苯中超声分散30min,将分散后的溶液转入三颈烧瓶,同时加入D,L-丙交酯(0.4 g)和PEG(0.1) g,溶剂用量1% 的Sn(Oct)2作为合成PEG-PLA合成时的开环剂,110 油浴中磁性搅拌,回流冷凝,反应24 h,此反应过程均用 N2 保护。反应结束后,将产物用二氯甲烷洗涤,除掉没有结合到磁性粒子上的PEG-PLA,再用石油醚除掉催化剂,在室温下干燥真空48小时。2.3细胞毒性实验为了对HMSPEG-PLA生物相容性和确定安全剂量进行研究,采用 M
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