专利名称：复乳法制备磁性高分子微球的制作方法
技术领域：
本发明属高分子材料技术领域，具体涉及具有磁性的磁性高分子微球及其制备方法。
背景技术：
磁性高分子微球是指通过适当的方法将磁性颗粒包埋在高分子微球内形成具有一定磁响应性及特殊结构的微球。它是20世纪70年代后期发展起来的一种新型功能高分子复合材料。一方面，它具有高分子微球的特性，可通过共聚、表面改性等化学反应使高分子微球表面带有多种功能基团，从而可以结合多种生物活性物质；另一方面，它又具有磁性，在外加磁场下可以快速和其它不具有磁性的物质分离，而且能量消耗小。因此，磁性高分子微球作为新型功能高分子材料，在生物医学(临床诊断、靶向药物)、细胞学(细胞分离)、固定化酶、亲和分离及磁共振图象的造影剂等领域有着广泛的应用。
目前，文献和专利中已有的磁性高分子微球的制备方法共有四种单体聚合法[1，2，3]、活化溶胀法[4，5]、界面沉积法[6，7]、反相微乳法[8，9]。(1)单体聚合法，将磁性流体或磁性小颗粒分散在高分子溶液或单体中制成混合溶液后，将该混合溶液与水混合制成O/W型(水包油型)乳液，然后采用抽去溶剂或聚合单体的方法得到固化微球。其缺点是磁性颗粒与高分子材料之间的亲和性差，而且磁性颗粒的亲水性强，在单体聚合或抽去溶剂时，磁性小颗粒容易逃逸到表面和外水相中，不仅包埋率低，而且微球表面吸附着大量磁性颗粒，难以洗脱，用于生物活性物质分离或固定时，影响生物活性物质的活性。(2)活化溶胀法，1993年Ugelstad提出的活化溶胀法是迄今报道的制备磁性高分子微球的较好方法。具体步骤是用乳液聚合法制备均一尺寸的聚(苯乙烯-2-羟乙基甲基丙烯酸酯)微球后，继而再用溶胀法制成较大的微球。然后，将苯乙烯硝化，再利用硝基与铁离子的亲和作用，使微球吸收二价铁和三价铁离子水溶液。将吸附了铁离子的微球分离出来后，与碱性溶液混合，使微球内的铁离子转换为Fe3O4颗粒而沉淀在微球内。但该法存在耗时长、反应步骤多、反应条件苛刻等问题，从而导致成本过高，因此限制了磁性高分子微球在生物化工、医药工业和临床上的应用。(3)界面沉积法，先使带正电的磁性小颗粒吸附在带负电的高分子微球表面，然后再在其表面镀上一层高分子材料。因为一个高分子微球表面只能吸附一层磁性颗粒，磁体的包埋量很低。(4)反相微乳液法，在氧化还原或热引发体系中，对丙稀酰胺类和丙烯酸类等亲水性单体，加入乳化剂、引发剂、交联剂、不同价态的铁盐，控制反应在一定的投料范围内，在反相微乳液中一步直接合成具有超顺磁性的磁性高分子微球。但此方法只适用于亲水性单体，微球的粒径也比较小(在200nm以下)，反应条件也不易控制。综上所述，现有制备方法只适用于实验室或小规模工业生产，因此，有必要开发新的制备磁性高分子微球的方法，以期制备性价比更高的磁性高分子微球。
理想磁性高分子微球微球应具有如下特点磁性颗粒具有超顺磁性；微球粒径均一；微球含磁量高；化学稳定性好，磁性颗粒无泄露，无污染；机械强度高；生物相容性好；工艺简单、重复性好，易于规模化生产，价格低。
通过上文对现有的制备方法的介绍，不难看出现有的方法中没有一种方法制备的微球可以达到理想微球的要求，这也限制了磁性高分子微球在医疗和生物分离中的应用。本发明提供一种新型制备方法——复乳法，以期达到制备理想磁性高分子微球的要求，从而产生重大的经济效益和社会效益。
参考文献1、J.C.Daniel，J.L.Schuppiser，M.Tricot，US Patent 4,358,388(1982)2、李孝红，丁小斌，孙宗华，功能高分子学报，1，73(1995)3、官月平，刘会洲，安振涛，柯家俊，陈家镛 中国专利98124516.1(1998)4、J.Ugelstad，P.Stenstad，L.Kilaas，Blood Puri.，11，349(1993)5、J.Ugelstad，P.C.Mork，R.Schmid，T.Ellingsen，A.Berg，Polymer International，30，157(1993)6、K.Furusawa，K.Nagashima，C.Anzai，Kobunshi Eonbunshu，50，337(1993)7、S.James，WO Patent，96/37131(1996)8、王雷、邓勇华、阿德尔哈米特·欧拉萨、府寿宽 中国专利01126181.1(2001)9、邓勇辉、王雷、杨武利、府寿宽、Elaissari Abdelhamid高等化学学报，24(5)，920，(2003)
发明内容
本发明提供一种新型的磁性高分子微球的制备方法。该方法采用复乳化法制备磁性高分子微球，微球所包埋的磁性颗粒占整个微球的质量比为1-50％，化学性质稳定，耐酸碱。其主要工艺流程为两种初乳液的制备、初乳液的混合、复乳化、溶剂去除、磁性微球的洗涤等。具体制备方法为将金属离子水溶液分散在聚合物溶液或单体溶液中，得到W11/O型初乳液；另将碱性水溶液分散在另一聚合物溶液或单体溶液中，得到W12/O型初乳液；将两种初乳液混合均匀，得到(W11+W12)/O复合型初乳液；将该复合型初乳液与外水相混合并制备成(W11+W12)/O/W2复乳；最后，升温聚合或除去有机溶剂和水份，边使磁性颗粒生成边使其包埋在高分子微球内。本发明的特征在于不需事先制备磁性颗粒或高分子微球，微球粒径可由复乳化时外水相转速和外水相稳定剂含量来控制，磁含量可由内水相中溶质的浓度和内水相与油相的比例来控制。该磁性微球可作为酶、抗体、药物的载体，用于细胞分离、临床诊断、靶向药物载体、固定化酶、亲和分离等。本发明具有方法简单、重复性好、成本低、微球粒径可控、磁含量可控等特点。
本发明提供了一种快捷、高效、磁含量可控的制备磁性高分子微球的方法，此方法完全不同于已报道的所有方法。
图1 磁性高分子微球的制备流程示意图。
图2 实施例1制备的磁性高分子微球在无磁场时在水中的悬浮状态。
图3 实施例1制备的磁性高分子微球在2000T的磁场中的放置后的分离效果。
图4 实施例1制备的磁性高分子微球的光学显微照片。
图5 实施例2制备的磁性高分子微球的光学显微照片。
图6 实施例3制备的磁性高分子微球的光学显微照片。
图7 实施例4制备的磁性高分子微球的光学显微照片。
具体实施方案本发明的目的是提供一种快捷、高效、磁含量可控的制备磁性高分子微球的方法，此方法完全不同于已报道的所有方法。其制备流程如图1所示。
具体步骤(1)将金属离子盐溶液W11与油相O混和，制成W11/O型稳定的初乳液。
油相是聚合物有机溶液或预聚物有机溶液或单体及引发剂，以及表面活性剂的混合物。
(2)与(1)相同，将碱性水溶液W12制成W12/O型稳定的初乳液。
(3)将W11/O和W12/O混合，生成(W11+W12)/O型稳定的初乳液。
(4)将(W11+W12)/O加到以一定转速转动的外水相W2(含稳定剂)中，制备成(W11+W12)/O/W2型复乳。
(5)若油相中含有单体，复乳液在搅拌下，通入N2保护，升温，使单体聚合。
(6)采用升温或减压的方法去除油相中的有机溶剂和内水相中的水分。由于聚合或油相中有机溶剂蒸发和体系温度的升高，W11液滴和W12液滴碰撞合并，W11液滴中的金属离子盐溶液与W12液滴中的碱性水溶液发生反应生成磁性颗粒。同时由于聚合和溶剂蒸发，油相固化成微球，从而生成磁性高分子微球。
(7)加入乙醇或水洗涤三次，利用磁分离技术，将磁性高分子微球分离，再进行真空干燥，得到产品。
现有报道方法中，单体聚合法是首先制备磁性颗粒，再制备微球；界面沉积法和活化溶胀法是首先制备纳米级微球，再在微球表面生成磁性颗粒，最后以此为种子微球制备磁性高分子微球；反相微乳法是采用W/O型(油包水型)微乳液，只适合于亲水性单体或聚合物。而本发明使用的复乳法有别于现有的所有方法，其特征是边生成磁性颗粒，边使复乳固化成球，从而使磁性颗粒包埋在高分子微球内。
本方法使用复乳法，其特征是聚合前或溶剂蒸发前，金属离子盐溶液液粒和碱性水溶液液粒分别独立存在，聚合后或抽去溶剂和水分时，两种液粒混合，导致金属离子盐溶液液滴和碱性水溶液液滴混合并发生化学反应生成磁性颗粒，同时由于单体聚合或溶剂蒸发，油相固化成微球，从而生成磁性高分子微球。本方法可以控制磁含量并达到高包埋量的要求。
实施例1取0.9g的PSt(聚苯乙烯)和2.0g的Span85(失水山梨醇三油酸酯)，溶解于40ml甲苯中，形成油相O，再将其分成两份。一份中加入W11(0.1ml浓度为0.50mol/l的FeCl3水溶液和0.2ml浓度为0.50mol/l的FeCl2水溶液)，另一份中加入W12(0.3ml浓度为2.0mol/l的NaOH水溶液)。分别用乳化均质机搅拌一定时间，转速为9000转/分，再将两份乳液混合均匀，形成稳定的复合型初乳(W11+W12)/O。配制外水相W2(H2O 225g，聚乙烯醇1.5g)，将外水相W2用搅拌浆搅拌，转速为400转/分。将已制备的复合型初乳(W11+W12)/O缓慢倒入搅拌中的外水相中，形成复乳(W11+W12)/O/W2，在自然条件下继续搅拌1hr，再升温至65℃搅拌6hr，最后在外加磁场中分离、洗涤、真空干燥即得产品。无外加磁场时，将产品分散于水中，微球可以悬浮于水中，如图2所示；当外加磁场为0.2T时，微球可以与水快速分离，如图3所示。磁性高分子微球的照片如图4所示，磁性颗粒被很好地包埋在高分子微球内，没有泄漏现象。
实施例2取0.9g的PSt(聚苯乙烯)和2.6g的Aracel83(失水山梨醇倍半油酸酯)，溶解于40ml二氯甲烷(DCM)中，形成油相O，再将其分成两份。一份中加入W11(0.1ml浓度为2.0mol/l的CoCl2水溶液和0.1ml浓度为2.0mol/l的FeCl2水溶液和0.2ml浓度为0.2mol/l的FeCl3水溶液)，另一份中加入W12(0.4ml浓度为6.0mol/l的NaOH水溶液)。分别用超声乳化法乳化一定时间。再将两份乳液混合均匀，形成复合型初乳(W11+W12)/O。配制外水相W2(H2O 225g，聚乙烯醇1.5g)，将外水相用搅拌浆搅拌，转速为500转/分。将已制备的复合型初乳(W11+W12)/O缓慢倒入搅拌中的外水相中，形成复乳(W11+W12)/O/W2。再将复乳乳液升温至84℃，以200转/分的转速搅拌4hr，最后在外加磁场中分离、洗涤、真空干燥即得产品。磁性高分子微球的照片如图5所示，磁性颗粒被很好地包埋在高分子微球内，没有泄漏现象。
实施例3取0.6g的St(苯乙烯)与HEMA(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)的共聚物(比例为9∶1)和2.4g的HCO10(聚氧乙烯10氢化蓖麻油)，再加入23ml的甲苯和17ml二氯甲烷(DCM)搅拌2hr，形成油相O，再将其分成两份。一份中加入W11(0.10ml浓度为0.52mol/l的Fe2(SO4)3水溶液和0.10ml浓度为0.52mol/l的FeSO4水溶液以及0.2mol/l浓度为0.26mol/l的MgCl2水溶液)，另一份中加入W12(0.4ml浓度为6mol/l的NaOH水溶液)。分别用均质乳化机乳化一定时间，转速为7500转/分，再用超声波乳化法乳化一定时间，再将两份乳液混合并混合均匀，形成复合型初乳(W11+W12)/O。配制外水相W2(H2O 225g，聚乙烯醇1.5g)，将外水相用搅拌浆搅拌，转速为400转/分。将已制备的复合型初乳(W11+W12)/O缓慢倒入搅拌中的外水相中，形成复乳(W11+W12)/O/W2，在30℃下搅拌2.0hr，60℃下搅拌2.0hr，85℃下搅拌3.0hr，复乳乳液的搅拌转速均为200转/分。最后在外加磁场中分离、洗涤、真空干燥即得产品。磁性高分子微球的照片如图6所示，磁性颗粒被很好地包埋在高分子微球内，没有泄漏现象。
实施例4取0.8g的St(苯乙烯)、0.1g的DVB(二乙烯基苯)、0.03g的BPO(过氧化苯甲酰)和2.0g的Span85，溶解于40ml甲苯中，形成油相O，再将其分成两份。一份中加入W11(0.1ml浓度为0.50mol/l的FeCl3水溶液和0.2ml浓度为0.50mol/l的FeCl2水溶液)，另一份中加入W12(0.3ml浓度为2.0mol/l的NaOH水溶液)。分别用乳化均质机搅拌一定时间，转速为9000转/分，再将两份乳液混合均匀，形成稳定的复合型初乳(W11+W12)/O。配制外水相W2(H2O 225g，聚乙烯醇1.5g)，将外水相W2用搅拌浆搅拌，转速为400转/分。将已制备的复合型初乳(W11+W12)/O缓慢倒入搅拌中的外水相中，形成复乳(W11+W12)/O/W2，在N2保护下继续搅拌1hr，再升温至75℃搅拌8hr，最后在外加磁场中分离、洗涤、真空干燥即得产品。磁性高分子微球的照片如图7所示，磁性颗粒被很好地包埋在高分子微球内，没有泄漏现象。
权利要求
1.一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于采用复乳法制备出内部包含磁性颗粒的高分子微球，其中磁性颗粒的质量占微球总质量的0.5％～50％。
2.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于磁性颗粒的种类包括氧化铁(γ-Fe2O3、Fe3O4)；铁氧体(CoFe2O4、MgFe2O4)等各种可用化学法制备的磁性颗粒。
3.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于磁性颗粒由铁离子、镁离子、钴离子等一种或多种金属离子的盐溶液与碱溶液发生化学反应生成。
4.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于磁性颗粒包括铁磁性颗粒和超顺磁性颗粒，其磁学性质可以通过内水相中金属离子和碱溶液的浓度、两者的比例以及去溶剂速率控制。
5.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于磁性颗粒的大小为1nm～1μm，高分子微球的大小为100nm～800μm。
6.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的磁性高分子微球中的聚合物可以是均聚物、共聚物、均聚物的混合物、共聚物的混合物、也可以是均聚物和共聚物的混合物。其中，均聚物是一种疏水性单体形成的聚合物；共聚物是一种或一种以上疏水性单体与一种或一种以上亲水性单体形成的共聚物，疏水性单体和亲水性单体的总质量比在2∶8至10∶0之间。
7.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于可以使用聚合物或预聚物为原料也可以使用单体为原料。
8.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于使用聚合物或预聚物为原料制备时，具体的制备流程如下；(1)将聚合物或预聚物和其它添加物溶解于有机溶剂(含表面活性剂)中，制备成油相O；(2)将金属离子盐溶液W11与油相O(含聚合物、有机溶剂、表面活性剂)混合，使用超声破碎法或均质乳化法的一种或两种方法联用，制成W11/O型稳定的初乳液；(3)与(2)相同，将碱性水溶液W12(氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、吡啶等)分散到油相中，制成W12/O型稳定的初乳液；(4)将W11/O和W12/O两种初乳液混合均匀，形成(W11+W12)/O型稳定的混合型初乳液；(5)将(W11+W12)/O加到以一定速率搅拌的外水相W2(含稳定剂)中，制备成(W11+W12)/O/W2型复乳液；(6)采用升温、减压等一种或多种方法联用去除油相中的有机溶剂和内水相的水分并使预聚物聚合，由于油相中的有机溶剂蒸发和体系温度的升高，W11液滴和W12液滴碰撞合并，W11液滴中的金属离子盐溶液与W12液滴中的碱性水溶液混合并发生反应生成磁性颗粒，同时由于溶剂蒸发，溶解于油相有机溶剂中的高分子聚集，微球固化，从而生成磁性高分子微球。(7)利用磁分离技术分离磁性微球，并用乙醇和去离子水反复洗涤分离物并干燥，得到成品的磁性高分子微球。
9.如权利要求1所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于使用单体为原料制备时，具体的制备方法如下；(1)将单体及其引发剂和溶剂、表面活性剂、交联剂混合，溶解于有机溶剂中，制备成油相O；(2)将金属离子盐溶液W11与油相O混合，使用超声破碎法或均质乳化法的一种或两种方法联用，制成W11/O型稳定的初乳液；(3)与(2)相同，将碱性水溶液W12(氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、吡啶等)分散到油相中，制成W12/O型稳定的初乳液；(4)将W11/O和W12/O两种初乳液混合均匀，生成(W11+W12)/O型稳定的混合型初乳液；(5)将(W11+W12)/O加到以一定速率搅拌的外水相W2(含稳定剂)中，制备成(W11+W12)/O/W2型复乳液；(6)搅拌复乳液，在N2保护下，升温使引发剂分解，引发单体聚合；(7)采用升温、减压等一种或几种方法联用去除油相中的有机溶剂和内水相的水分。由于单体的聚合、油相中的有机溶剂蒸发以及体系温度的升高，W11液滴和W12液滴碰撞合并，W11液滴中的金属离子盐溶液与W12液滴中的碱性水溶液混合并发生反应生成磁性颗粒，此步骤也可以与步骤(6)合并；(8)利用磁分离技术分离磁性微球，并用乙醇和去离子水反复洗涤分离物并干燥，得到成品的磁性高分子微球。
10.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的复乳结构为(W11+W12)/O/W2，聚合或溶剂蒸发前，金属离子盐溶液和碱性水溶液分别独立存在，聚合或抽去溶剂和水分时，两种液滴合并，导致金属离子盐溶液液滴和碱性水溶液液滴混合并发生化学反应生成磁性颗粒，同时由于聚合或溶剂蒸发，油相固化成微球，从而生成磁性高分子微球。
11.如权利要求8所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述聚合物和预聚物可以是均聚物、共聚物、均聚物的混合物、共聚物的混合物、也可以是均聚物和共聚物的混合物。其中，均聚物是一种疏水性单体形成的聚合物；共聚物是一种或一种以上疏水性单体与一种或一种以上亲水性单体形成的共聚物，疏水性单体和亲水性单体的总质量比在2∶8至10∶0之间。
12.如权利要求9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的单体为疏水性单体或疏水性单体与亲水性单体的混合物，疏水性单体和亲水性单体的总质量比在2∶8至10∶0之间。
13.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的金属离子盐溶液中的金属离子为Fe2+、Fe3+、Co2+、Mg2+等一种或几种可与碱溶液反应生成磁性物质的金属离子。
14.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的碱性水溶液包括NaOH、KOH、NH3·H2O、Na2CO3、NaHCO3、吡啶、有机胺等各种碱性水溶液的一种或几种碱性水溶液的混合溶液。
15.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的碱OH-与金属离子之和的摩尔比为10∶1至1∶10。
16.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于油相中的表面活性剂是一种或一种以上的油溶性非离子型表面活性剂，在油相中的质量含量是0.1％～25％。
17.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于油相与外水相的比例为1∶1～1∶2000，内水相与油相的比例为1∶1～1∶100。
18.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的初乳制备方法为超声乳化法、乳化均质法、机械搅拌法等各种乳化法。
19.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的复乳制备法包括机械搅拌法、乳化均质法等各种乳化法。
20.如权利要求8或9所述的一种制备磁性高分子微球的方法，其特征在于所述的去溶剂方法包括常压升温挥发、常压常温挥发、减压抽提(真空抽提)等各种方法。
全文摘要
本发明提供一种新型的磁性高分子微球的制备方法。该方法采用复乳化法制备磁性高分子微球，微球所包埋的磁性颗粒占整个微球的质量比为1－50％，化学性质稳定，耐酸碱。其主要工艺流程为两种初乳液的制备、初乳液的混合、复乳化、溶剂去除、磁性微球的洗涤等。其特征在于不需事先制备磁性颗粒或高分子微球，可边使磁性颗粒生成边使其包埋在高分子微球内。微球粒径可由复乳化时外水相转速和外水相稳定剂含量来控制，磁含量可由内水相中溶质的浓度和内水相与油相的比例来控制。该磁性微球可作为酶、抗体、药物的载体，用于细胞分离、临床诊断、靶向药物载体、固定化酶、亲和分离等。本发明具有方法简单、重复性好、成本低、微球粒径可控、磁含量可控等特点。
文档编号C08K3/22GK1616524SQ200310113439
公开日2005年5月18日 申请日期2003年11月11日 优先权日2003年11月11日
发明者马光辉, 苏志国, 杨建 申请人:中国科学院过程工程研究所