一种聚多巴胺甲基丙烯酰胺微球的制备方法与流程

本发明属于聚合物材料制备领域，涉及一种聚多巴胺甲基丙烯酰胺微球的制备方法。

背景技术：

制备微纳颗粒的方法有许多，比如悬浮聚合、乳液聚合和沉淀聚合等^[8]。悬浮聚合和乳液聚合是最为传统的制备微纳颗粒的方法，但是使用该法难以产生单分散性高的粒子。并且，使用该法需要在体系中加入稳定剂，在后处理中难以除去，会对产物的物理化学性能产生影响。相比之下，沉淀聚合无需加入任何稳定剂，工艺简单，能有效制备表面干净、单分散的粒子，但由于反应体系单体浓度低将导致粒子产率较低。典型的沉淀聚合的成球过程如下所示：反应开始前，单体完全溶解于反应溶剂中形成均一相，在加热作用下，引发剂分解产生自由基引发单体聚合形成低聚物，低聚物在反应溶剂中的溶解性不如单体而从溶液中析出，析出的低聚物聚集在一起互相缠绕形成初级稳定核，初级稳定核不断捕获溶液中的单体和低聚物，进一步发生聚合反应而增长，直至形成最终的颗粒。微纳颗粒的应用广泛，比如磁性材料、催化、载药等。海洋贻贝类生物能分泌一种黏附蛋白实现对各种材料表面的有效黏附，而3,4-二羟基-L-苯基丙氨酸(DOPA)是这种黏附蛋白中的关键成分，粘附蛋白所具备的超强黏附力与DOPA的邻苯二酚结构有很大关系。多巴胺作为重要的DOPA衍生物，由于结构上与DOPA相似，同样可以实现普适黏附功能，因而引起了研究人员的广泛关注。将多巴胺改性为多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)后与其它功能单体制备功能性黏附材料已成为研究的热点。另一方面，微纳米结构的聚合物材料因尺寸效应会展示出优异的性能，而被广泛应用。所以，有必要结合以上两方面的特点和优势，设计以DMA为单体制备微纳颗粒。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚多巴胺甲基丙烯酰胺微球的制备方法，为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种聚多巴胺甲基丙烯酰胺微球的制备方法，将单体多巴胺甲基丙烯酰胺和引发剂偶氮二异丁腈溶于反应溶剂中进行反应制得，所述反应溶剂为乙醇/水的混合溶剂。

进一步，所述单体的浓度为0.08～0.15mol/L，所述引发剂的浓度为单体摩尔量的2％～4％。

进一步，所述单体的浓度为0.1mol/L，所述引发剂的浓度为单体摩尔量的2％。

进一步，所述反应溶剂为乙醇/水体积比为5:5～1:10的混合溶剂。

进一步，所述反应溶剂为乙醇/水体积比为1:9的混合溶剂。

进一步，所述反应的温度为70℃～80℃。

进一步，所述反应的温度为70℃。

进一步，所述反应的时间不少于6小时。

进一步，所述反应的时间为6～8小时。

进一步，所述反应在惰性气体保护以及避光条件下进行，反应结束后产物用去离子水沉淀，将沉积物冷冻干燥。

本发明的有益效果在于：采用沉淀聚合的方法制备了多巴胺改性单体多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)的聚合物微纳颗粒(PDMA)，单体浓度、引发剂浓度、反应温度和反应时间的改变会对聚合物粒子的产率和形貌产生重要影响，本发明选择以AIBN为引发剂，在乙醇/水的反应体系中，可以得到粒径均一、形貌规整的聚合物微球。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为不同乙醇/水比例下PDMA的SEM图像。

图2为不同单体浓度下PDMA的SEM图像。

图3为不同引发剂种类下PDMA的SEM图像。

图4为不同引发剂浓度下PDMA的SEM图像。

图5为不同反应温度下PDMA的SEM图像。

图6为不同反应时间下PDMA的SEM图像。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1聚多巴胺甲基丙烯酰胺(PDMA)的合成

称取DMA于10mL聚合管，抽气除氧20min，封口。称取引发剂溶于反应溶剂(由于引发剂用量极少，此处扩大10倍称量，取1/10使用)，通气20min后取适量引发剂溶液在氮气保护下加入聚合管，一定温度下避光静置反应一定时间。后处理如下：将反应产物在盛有40mL去离子水的50mL离心管中沉淀，分多次离心，去除上清液，沉积物冷冻干燥24h，最终产物为白色粉末。

实施例2研究溶剂种类及比例对反应的影响

按照实施例1的方法，设置溶剂分别为：四氢呋喃、乙腈、乙醇和水，单体浓度为0.1mol/L，溶剂共10mL，AIBN做引发剂，用量为单体摩尔量的2％，70℃反应8h。如表1所示。

表1不同溶剂种类时单体和引发剂的用量

通过沉淀聚合成功制备形貌规整、尺寸理想的微球的关键在于选择合适的反应溶剂。选择了常用的四种溶剂：四氢呋喃、乙腈、乙醇、水作为研究对象，发现DMA在四氢呋喃和乙醇中的溶解性好，在乙腈中完全不溶，在水中呈乳白色的悬浮状态。沉淀聚合的特征之一是反应开始前体系为均一相，所以乙腈和水不能作为反应介质。随后，在同样的反应条件下(单体浓度为0.1mol/L，溶剂共10mL，AIBN做引发剂，用量为单体摩尔量的2％，70℃反应8h)，分别以四氢呋喃和乙醇为反应介质进行了沉淀聚合，聚合完后的反应液澄清透明，表明聚合物溶于溶剂，在这两种溶剂中均不能得到形貌规整的微球。于是又尝试了混合溶剂，以水为不良溶剂，分别在四氢呋喃/水(V/V＝5/5)和乙醇/水(V/V＝5/5)的体系下进行沉淀聚合。结果表明，在四氢呋喃/水的体系下无法获得形貌规整的聚合物微球，而在乙醇/水的体系下可以观察到基本球型，再结合对溶剂毒性的考量，最终确定选择乙醇/水的混合溶剂作为反应介质。

进一步考查乙醇/水的比例对微球产率、形貌和粒径的影响，结果见图1。从图1可知，乙醇和水的比例对微球的产率、形貌和粒径有显著影响。随着乙醇/水中水比例的提高，微球产率增加。图1显示了乙醇/水的比例分别为V/V＝7/3、5/5、3/7、2/8、1/9时实验产物的SEM图像。从图中可以看出，随着水量的增加，聚合产物的形态从块状聚集体逐渐转变为表面光滑的微球。当乙醇/水中水的占比很小时(如图1a所示)，聚合产物彼此聚集成块，不能观察到分散的粒子。当乙醇/水中水的占比增加到50％时(如图1b所示)，产物中开始出现球状粒子，但粒子表面粗糙。当水的比例继续增加到70％时(如图1c所示)，出现形貌规整，表面光滑的微球。当水的占比继续增大，产物粒子越来越规整，且粒径越来越均一。当水的占比达到90％时(如图1e所示)，在该溶剂体系下可以得到形态最为规整的微球。由以上结论可以推断，水的增多有利于规则微球的形成。这是由于水的增加，使氢键作用增强，会促进聚合物链重排，使聚合物粒子向形貌更加规整的球型转变。同时发现，随着水比例的增加，聚合物粒子的尺寸呈减小的趋势，这是由于在该反应体系中，乙醇为良溶剂，水是不良溶剂，水的增多会降低低聚物的溶解性，促进初级稳定核的形成，使初级稳定核的数量明显增加，最终导致微球的粒径减小。综上，乙醇/水的比例会显著影响所制备的聚合物微球的形貌，只有在乙醇/水(V/V＝1/9)的聚合体系下，才能有效制备出粒径均一，形貌规整的聚合物微球。所以在后面的实验中，以乙醇/水(V/V＝1/9)的混合溶剂作为反应介质。

实施例3研究单体浓度对反应的影响

按照实施例1的方法，设置单体浓度分别为：0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L。溶剂为乙醇/水体积比1/9混合溶剂共10mL，AIBN做引发剂，用量为单体摩尔量的2％，70℃反应8h。

表2不同单体浓度时单体和引发剂的用量

图2显示单体浓度分别为c＝0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L条件下所制备的微球SEM图像。由图可见，微球粒径随单体浓度提高呈增大趋势。对比图a-b中微球形貌，发现当单体浓度为0.05mol/L(如图2a所示)时，无法获得粒径均一、形貌规整的聚合物微球，并且颗粒之间有明显黏连现象。这是因为初级稳定核形成以后，溶液中单体浓度低不足以支撑初级稳定核持续增长形成形貌规整的聚合物微球，同时较小的初级稳定核易于聚集堆叠，形成不规整聚集体。对比图b-c中微球形貌，当单体浓度为0.2mol/L(如图2c所示)时，所制备的PDMA微球产率和粒径均有所增加，这是因为随着单体浓度的增加，初级稳定核能更多地捕获聚合体系中的单体进行聚合成球过程，形成较大尺寸的聚合物微球；此外，微球表面部分区域存在一些凹坑缺陷，放大后可见微小的不规则颗粒。此现象可以归因于随着聚合体系中单体浓度的增大，易于生成更多的初级稳定核，在聚合物链增长、堆叠和缠绕成球的过程中，部分初级稳定核会被聚合物增长链包覆而无法增长，随后包覆有初级稳定核的聚合物链之间因为相互作用或外界因素的影响，破坏了聚合物链堆叠的致密性，从而形成局部凹陷。因此，根据上述实验结果和现象，单体浓度会显著影响所制备的聚合物微球的形貌，在乙醇/水(V/V＝1/9)的聚合体系下，只有选择合适的单体浓度(c＝0.1mol/L)，才能有效制备出粒径均一，形貌规整的聚合物微球。

实施例4研究引发剂种类对反应的影响

按照实施例1的方法，设置引发剂分别为APS和AIBN。单体浓度为0.1mol/L，溶剂为乙醇/水体积比1/9混合溶剂共10mL，引发剂用量为单体摩尔量的2％，70℃反应8h。

表3不同引发剂种类时单体和引发剂的用量

从图3可以明显看出，引发剂的种类对聚合物粒子的产率和形貌都影响显著。由于多巴胺可以在碱性有氧环境下发生自聚合生成聚多巴胺，为了证明微纳颗粒的生成不是由于聚多巴胺的自组装，所以设立了实验IT3作为对照组。反应结束后IT3体系澄清透明，表明颗粒的生成是自由基聚合的结果。用APS为引发剂时(如图3a所示)，聚合物粒子形貌缺乏规整性，且彼此聚集。而AIBN为引发剂时(如图3b所示)，可以得到形貌规整，粒径均一的聚合物微球。出现这种现象是由于，虽然反应介质是乙醇和水的混合物，但是单体是溶于乙醇后分散于水中的，所以APS作为水溶性引发剂在该体系中引发速率小，引发效率不高。并且，由于没有更多的自由基在聚合物颗粒表面继续反应来稳定粒子的结构，导致生成的聚合物颗粒彼此聚集。结合以上讨论结果，以AIBN做引发剂的时候可以得到粒径均一，形貌规整的聚合物微球。

实施例5研究引发剂浓度对反应的影响

按照实施例1的方法，设置引发剂浓度分别为单体摩尔量的1％、2％、5％。单体浓度为0.1mol/L，溶剂为乙醇/水体积比1/9混合溶剂共10mL，AIBN做引发剂，70℃反应8h。

表4不同引发剂浓度时单体和引发剂的用量

图4的数据可得出以下结论：随着引发剂浓度的增加，聚合物颗粒的产率增加，但粒径先增加后减小，且颗粒形貌有较大变化。图4中，显示了引发剂浓度分别为c＝1％、2％和5％时聚合物颗粒的SEM图像。对比图a-b中颗粒形貌，发现当引发剂浓度较低时(如图4a所示)，得到的产物为不规则的微小颗粒，并且大量聚集。这是由于引发剂浓度较低时，自由基浓度小，在一定的反应时间内，得到的产物还处在成核阶段，所以没有规整的形貌。对比图b-c中颗粒形貌，发现当引发剂浓度较高时(如图4c所示)，微球的粒径明显减小，这是由于在较高引发剂用量条件下，短时间内会有更多的单体引发聚合生成聚合物，因此体系中形成的初级粒子数目随之增加，而在单体浓度一致的条件下，初级粒子的增多必然导致微球在生长过程中表面捕获的单体与低聚物数量减少，因此微球粒径会减小。综上，引发剂浓度对聚合物颗粒形貌有显著影响，只有在合适的引发剂浓度下(c＝2％)，才能有效制备出粒径均一，形貌规整的聚合物微球。

实施例6研究反应温度对反应的影响

按照实施例1的方法，设置反应温度分别为60℃、70℃、80℃。单体浓度为0.1mol/L，溶剂为乙醇/水体积比1/9混合溶剂共10mL，AIBN做引发剂，用量为单体摩尔量的2％，反应8h。

表5不同反应温度时单体和引发剂的用量

*T refers to reaction temperature

图5显示了反应温度分别为T＝60℃、70℃和80℃时聚合物颗粒的SEM图像。对比图a-b中颗粒的形貌，发现60℃反应条件下(如图5a)所得产物完全不成球型，且彼此聚集成块，这是由于反应温度低，引发剂分解速率较慢，反应到8h时，大部分产物还处于成核阶段。对比图b-c中颗粒的形貌，明显可以看出，当反应温度升高到80℃(如图5c所示)，微球还能基本维持规整的球型，但部分微球之间有黏连现象，且粒径较70℃(如图5b所示)反应条件下所制得的微球粒径小。这是因为升温促进引发剂分解，在反应初期就生成大量自由基，所以会形成的初级稳定核数目会增加，单体数量有限，则最终形成的聚合物粒子的尺寸较小，较小的球之间易于聚集堆叠，形成不规整聚集体。综上，反应温度对聚合物微粒的形貌和粒径有较大影响，在合适的反应温度(T＝70℃)下可以得到形貌规整、粒径均一的微球。

实施例7研究引反应时间对反应的影响

按照实施例1的方法，设置反应时间分别为0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.5h、2h、3h、4h、5h、6h、8h。单体浓度为0.1mol/L，溶剂为乙醇/水体积比1/9混合溶剂共10mL，AIBN做引发剂，用量为单体摩尔量的2％，70℃反应。

表6不同反应时间时单体和引发剂的用量

图6分别显示了反应时间为0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.5h、2h、3h、4h、5h、6h、8h时聚合物颗粒的SEM图像。反应前6h，聚合物颗粒的产率、粒径和形貌随反应时间变化显著。在开始反应前，反应体系均一透明，随着反应的开始，聚合体系逐渐开始出现浑浊，所得到的SEM图像(如图6a-c所示)中观察到的是形状无规的微小颗粒，彼此聚集成块。出现这样的图像是由于引发剂引发单体聚合形成聚合物链，当聚合物链达到临界长度即从体系中沉淀出来，聚合物链不成型而彼此缠结。随着反应时间的增加，聚合体系更加浑浊，在SEM图像中可以看到(如图6d-f所示)，有球型粒子生成，但粒径极小。分析该阶段是析出的低聚物聚并而形成初级稳定核的过程。随着进一步的反应，体系逐渐出现乳白色。SEM图像中(如图6g-i所示)，聚合物粒子尺寸不断增加，球形也逐渐规整。分析该阶段是初级稳定核捕获溶液中的单体和低聚物而进一步发生聚合反应实现粒子增长的过程。观察发现该阶段中除了规整的微球，还有大量的不规则粒子，说明该体系中，伴随着粒子的增长还存在二次成核的现象。当反应时间达到6h后，微球的产率和粒径的基本不再变化，只有形貌上有微弱的差别(如图6j-k所示)，聚合物粒子形貌更加规整。这是由于聚合物链与链或微球与微球之间的相互作用，使得不规则的微球中聚合物链重排，促使聚合物颗粒的形貌向更加规整的球型转变。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。