高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法

专利名称：高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法
技术领域：
本发明涉及一种微纳米材料技术领域的微纳米球的制备方法，具体是一种以 聚合物微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法。
背景技术：
磁性空心微纳米球是指内部结构为空心，大小为0.05^im—10(^m具有磁响 应性的磁性空心微纳米球。由于其具有空心结构，并且具有磁性响应的特性，因 此在生物技术领域中，特别在靶向治疗、控制释药、磁性分离等方面具有广泛的 应用前景。常用的制备磁性空心微球的方法基本上可以归纳为以下两类 一类是 以聚合物以及磁性纳米粒子为原料，通过双乳化法、乳化固化法、复凝聚法来获 得磁性空心微纳米球；另一类是以微纳米球为模板，通过各种作用在表面壳层获 得一层磁性纳米粒子，然后通过去除模板来获得磁性空心微纳米球。利用前一类 方法制备的磁性空心微纳米球粒径分布比较宽，粒径控制困难，且粒径比较大不 宜制备较小的磁性空心微球。后一类中最典型的方法就是利用层层自组装法 (LBL)获得磁性空心微纳米球，首先通过静电吸附使模板微球交替吸附相反电 荷的磁性微球和电解质，待达到要求后，将获得的微球通过溶解法或烧结法去除 模板即可得到磁性空心微纳米球。这类方法典型的优点就是获得的磁性微纳米胶 囊的粒径可以很容易通过调节模板大小来控制，同时制备的空心微纳米球磁性强 弱或磁性壳层的厚度也可以得到很好的控制，然而这种方法最大的缺点就是工艺 十分复杂，繁琐，不宜进行大规模生产。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利"具有无机/有机核壳结构的磁性 复合微球及其制备方法"(专利公开号CN1718619)，该专利技术利用磺化微球 为模板，通过在微球表面原位生成磁性粒子来获得磁性复合微球。但该技术主要 集中于制备磁性微球，并不涉及获得磁性空心微纳米球的内容。

发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种简单易行的高分子微纳米球为模 板制备磁性空心微纳米球的方法。本发明容易操作和实施，也比较容易形成规模 化，制备的磁性空心微纳米球粒径可控性很好、且磁性壳层的厚度或磁响应强弱 也可以根据要求进行调节。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明以表面带有负电荷的高分子微 纳米球为模板，通过在微纳米球表面原位反应生成以磁性纳米粒子为壳，模板粒 子为核的磁性微球，可以在此磁性微球表面包裹一层Si02。进一步通过烧灼去除 模板来获得空心磁性微纳米球。
本发明适应于制备微纳米级(0.05um—100um)的磁性空心微纳米球。本 发明中所使用的模板微球为粒径在微纳米级，表面具有带负电荷的官能团的高分 子微纳米球。
本发明中所指的高分子微纳米球材质可以是任何疏水性的高分子材料，如聚 苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸縮水甘油酯等， 但不局限于以上几种材料。微球表面具备的官能团为如羧基，磺酸根等阴离子型 官能团。高分子微纳米球在高温下
本发明中所指的高分子微纳米球材质可以是任何疏水性的高分子材料，其特 征是可以在高温下(200-1000°C)可以分解的高分子聚合物材料。
本发明中，在微纳米球表面原位制备磁性微球可以采用吸附氧化法或共沉淀法。
所述的吸附氧化法是指在l-30mg/ml的模板微球水溶液中，在&保护下 吸附质量为模板微球质量0. 1倍-l. 0倍的Fe2+离子，然后在搅拌的条件下加入少 量的碱液和双氧水，使[OH—]:[Fe2+]=2-5，双氧水的量为F^+摩尔量的0. 67倍-l 倍。反应30min-60min后，将混合溶液加热至50。C-85。C反应30min-2h，反应结 束后冷却，并将此混合液进行磁性分离，利用微纳米孔过滤的方法过滤掉生成的 孤立磁性粒子，则可以获得纯的磁性复合微球。
所述的共沉淀法，是指在l-30mg/ml的模板微球水溶液中，加入摩尔比1: 2的Fe2+， Fe"盐溶液，其中Fe的质量为模板微球的0. 1倍-1. 0倍。并通入N2 除氧lOmin-30min后，在机械搅拌(300-800rpm)下逐渐滴加碱溶液，最终的
: [Fe2+]=5-10，优选为7-9。滴加完毕反应10min-60min后，将混合溶液加热 至5(TC-85'C反应30min-2h后冷却即可。利用磁铁将混合溶液中的磁性微球吸 附下来，去除上清液，重复5次-10次，直至上清液澄清，pH为中性为止，利用 微纳米孔过滤的方法过滤掉生成的孤立磁性粒子，则可以获得纯的磁性微球。
本发明中，制成磁性微球后可以再包裹一层Si02，也可以不用包裹。包裹 时，主要采用成熟的St5ber工艺技术，g卩将制备的磁性微球配成1-30mg/ml 的醇水或醇溶液。取lml此溶液，加入lml0.5-30mg/ml的四乙氧基硅烷或四甲 氧基硅烷的醇水或醇溶液。然后在机械搅拌的条件下(300-800rpm)，在溶液内 加入氨水或其它弱碱，或氢氧化钠溶液，其中碱的用量为使最终使体系内0H—1 的量为硅烷物质量的4-8倍。并使反应持续10min-8h后即可。
本发明中，使用的碱可以是弱碱如氨水，有机胺或强碱如氢氧化钠，氢氧化 钾等。
本发明中，所使用的灼烧温度应可保证高分子模板粒子的降解，而不引起模 板表面磁性层的性能变化，可在300-1000°C之间，优选在300-800°C，更优选 为300-700。C。所使用的灼烧时间应可保证高分子模板粒子的完全降解，而不引 起模板表面磁性层的性能变化，可在5min-30h之间，优选在20min-10h之间， 更优选为40min-8h。
磁性空心微纳米球在生物医用、材料设计、酶工程等领域具有重要的应用价 值。如在生物医用领域可以用于各种药物的以及蛋白的载体，实现靶向治疗，以 及控释。由于现有制备磁性空心微纳米球的方法繁琐，难以规模化应用或者制备 的磁性空心微纳米球粒径分布不均等缺点，限制了磁性空心微纳米球的规模化生 产与应用。
本发明提供了一种由高分子微纳米球模板出发，分步制备磁性空心微纳米球 的方法，磁性空心微纳米球的大小主要可以通过模板微纳米球的大小、原位生成 的磁性粒子厚度、以及表面包裹Si02的厚度来控制，磁响应强弱则通过控制在 其表面生成的磁性粒子的厚度来控制。本发明方法简便易行，适用范围广，具有 效率高、成本低的特点。所得磁性空心微纳米球饱和磁化强度可以达到40 eum/g， 可用于磁性分离、多种物质的负载，尤其适用于生物医药领域。


图1为实施例1制备的空心磁性微球的TEM照片
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
实施例1
取0. 5g直径5. 4Wn的表面带有磺酸根的聚苯乙烯微球分散在18ml水中，并 将其置于100ml三口烧瓶内，通入N2 30min除去体系内的氧气；取 0. 6mmo1. L—卞eCl3分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀，将 0. 3ramo1.1Z卞eCl2分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe"溶液与Fe3+ 溶液倒入盛有磺化聚苯乙烯微球的三口烧瓶内，搅拌(500rpm)吸附15min后在 3min内逐渐滴加4ml 28%的氨水溶液。反应30min后用油浴将混合溶液加热至 8(TC后反应lh，混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来，去掉上清液， 然后加入去离子水，重复3-10次，直至溶液pH呈中性。然后将获得的磁性微球 冷冻干燥后。取磁性微球在50(TC下加热5h。取出后即可得到磁性空心微纳米球。
如图1所示，通过透射电镜观察获得的磁性空心微纳米球的粒径约5. 6Mm。 利用振动样品磁强计测得磁性空心微纳米球的饱和磁化强度为40eum/g。
实施例2
取0. 2g直径为2. 6咖的表面带有磺酸根的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯微球分 散在20ml水中，并将其置于100ml三口烧瓶内，通入N210min去除体系内的氧 气；取0. 6mmo1. L—卞eCl3分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀，将 0. 3mmo1. L—卞eCl2分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe2+溶液与Fe3+ 溶液倒入盛有微球的三口烧瓶内，搅拌(300rpm)吸附15rain后在3min内逐渐 滴加4ml 28%的氨水溶液。反应30min后用油浴将混合溶液加热至80。C后反应 2h，混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来，去掉上清液，然后加入去离 子水，重复3-10次，直至溶液pH呈中性。然后将获得的磁性微球冷冻干燥后。
取上面制备的磁性微球0. lg分散在20ml 90%的乙醇溶液中，加入2ml 28% 的氨水溶液。然后在搅拌(500rpm)的条件下逐渐滴加lml lg/ml的四乙氧基硅 烷乙醇溶液。将混合溶液常温下搅拌反应lh后，用磁铁将磁性微球吸下来，然
后将上清液倒掉，再次加入去离子水，重复4-5次即可。然后将沉淀进行冷冻干 燥保存。
取磁性微球在50(TC下加热4h。取出后即可得到磁性空心微纳米球。 通过扫描电镜观察获得的磁性空心微纳米球的粒径约2.75Mffl。利用透射电
镜可以观察到微球表面具有均匀的磁性粒子。利用振动样品磁强计测得磁性空心
微纳米球的饱和磁化强度为36eum/g。 实施例3
取0. 15g直径800tim的表面带有羧酸根的聚甲基丙烯酸甲酯微球分散在 150ml水中，并将其置于250ml三口烧瓶内，通入N230min去除体系内的氧气； 取0.4mmol.L—卞eCL分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀，将 0. 2mmo1. L—卞eCl2分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe2+溶液与Fe3+ 溶液倒入盛有表面带有羧酸根聚苯乙烯微球的三口烧瓶内，搅拌(800rpm)吸附 15min后在3min内逐渐滴加10ml lmolL—'的NaOH溶液。反应lh后用油浴将混 合溶液加热至7(TC后反应lh，混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来， 去掉上清液，然后加入去离子水，重复3-10次，直至溶液pH呈中性。将获得的 磁性微球进行冷冻干燥保存。
取上面制备的磁性微球0. lg分散在10ml的乙醇溶液中，加入5ml 28%的氨 水溶液。然后在搅拌的条件下逐渐滴加0. 5ml四甲氧基硅垸。将混合溶液常温下 搅拌反应lh后，用磁铁将磁性微球吸下来，然后将上清液倒掉，再次加入去离 子水，重复4-5次即可。然后将沉淀进行冷冻干燥保存。
取0. 05g上述制备的磁性微球在N2的保护下70(TC下加热3h。即可得到磁 性空心微纳米球。
通过透射电镜观察获得的磁性空心微纳米球为空心结构。利用振动样品磁强 计测得磁性空心微纳米球的饱和磁化强度为32eum/g。 实施例4
取0. 5g直径为0. 5Wn的磺化聚苯乙烯微球分散在18ml水中，并将其置于 100ml三口烧瓶内，通入N2lh去除体系内的氧气；取1.0m mol丄—卞eCl2分散在 5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe2+溶液入盛有聚苯乙烯微球的三口烧 瓶内，搅拌(500rpm)吸附15min后加入10%的NaOHl. 2ml。在3min内逐渐滴加 4ml 25%的双氧水溶液。反应30min后用油浴将混合溶液加热至8(TC后反应lh， 混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来，去掉上清液，然后加入去离子水, 重复3-10次，直至溶液pH呈中性。然后将获得的磁性微球冷冻干燥后。
取上面制备的磁性微球0. 5g分散在20ml9(m的异丙醇水溶液中，加入10ml 28%的氨水溶液。然后在搅拌的条件下逐渐滴加l.Oml四乙氧基硅垸。将混合溶 液常温下搅拌反应lh后，用磁铁将磁性微球吸下来，然后将上清液倒掉，再次 加入去离子水，重复4-5次即可。然后将沉淀进行冷冻干燥保存。
取磁性微球在&的保护下50(TC下烧灼5h。取出后即可得到磁性空心微纳 米球。
通过扫描电镜观察获得的磁性空心微纳米球的粒径约0.65Mm。利用透射电 镜可以观察到微球表面具有均匀的磁性粒子。利用振动样品磁强计测得磁性空心 微纳米球的饱和磁化强度为36eum/g。
实施例5
取0. 2g直径为2. 6m的表面带有磺酸根的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯微球分 散在20ml水中，并将其置于100ml三口烧瓶内，通入N215min去除体系内的氧 气；取3.0mmolFeCl2分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe"溶液 加入到三口烧瓶内，搅拌(500rpm)吸附15min后加入10%的NaOHl. 2ml。在3min 内逐渐滴加4ml 28%的双氧水溶液。反应30min后用油浴将混合溶液加热至80 。C后反应lh，混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来，去掉上清液，然 后加入去离子水，重复3-IO次，直至溶液pH呈中性。然后将获得的磁性微球冷 冻干燥后。
取上面制备的磁性微球0. lg分散在20ml 90%的乙醇溶液中，加入2ml 28% 的氨水溶液。然后在搅拌(300rpm)的条件下逐渐滴加lml lg/ml的四乙氧基硅 烷乙醇溶液。将混合溶液常温下搅拌反应lh后，用磁铁将磁性微球吸下来，然 后将上清液倒掉，再次加入去离子水，重复4-5次即可。然后将沉淀进行冷冻干 燥保存。
取磁性微球在30(TC下加热6h。取出后即可得到磁性空心微纳米球。 通过透射电镜可以观察到微球表面具有均匀的磁性粒子，其结构也为空心结 构。利用振动样品磁强计测得磁性空心微纳米球的饱和磁化强度为28eum/g。
实施例6
取0.15g直径800nm的表面带有羧酸根的聚甲基丙烯酸甲酯微球分散在 150ml水中，并将其置于100ml三口烧瓶内，通入&去除体系内的氧气；取1. 0m molFeCl2分散在5ml水中，并超声5min使其分散均匀；将Fe"溶液加入到三口 烧瓶内，搅拌(300rpm)吸附15min后加入28%的氨水溶液2ml。在3min内逐渐 滴加2ml 25%的双氧水溶液。反应30min后用油浴将混合溶液加热至70'C后反应 lh，混合溶液冷却后利用磁铁将磁性微球吸附下来，去掉上清液，然后加入去离 子水，重复3-10次，直至溶液pH呈中性。然后将获得的磁性微球冷冻干燥后。
取上面制备的磁性微球0. lg分散在10ral的乙醇溶液中，加入5ml 28%的氨 水溶液。然后在搅拌的条件下逐渐滴加0. 5ml四甲氧基硅垸。将混合溶液常温下 搅拌反应lh后，用磁铁将磁性微球吸下来，然后将上清液倒掉，再次加入去离 子水，重复4-5次即可。然后将沉淀进行冷冻干燥保存。
取0.05g上述制备的磁性微球在&的保护下80(TC下加热2h。即可得到磁 性空心微纳米球。
通过透射电镜观察获得的磁性空心微纳米球为空心结构。利用振动样品磁强 计测得磁性空心微纳米球的饱和磁化强度为29eum/g。
权利要求
1、一种高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法，其特征在于，以表面带有负电荷的高分子微纳米球为模板，通过在微纳米球表面原位反应生成以磁性纳米粒子为壳，模板粒子为核的磁性微球，进一步通过烧灼的方法去除模板来获得空心磁性微纳米球。
2、 根据权利要求1所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法，其特征是，所用的高分子模板微纳米球材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲 基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚甲基丙烯酸縮水甘 油酯、聚苯乙烯、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯中的一种或几种的组合。
3、 根据权利要求1所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的 方法，其特征是，所述在微纳米球表面原位制备磁性微球采用吸附氧化法或共沉 淀法。
4、 根据权利要求3所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的 方法，其特征是，所述的吸附氧化法，是指在l-30mg/ml的模板微球水溶液中， 在N2保护下吸附质量为模板微球质量0. 1倍-1. 0倍的Fe"离子，然后在搅拌的 条件下加入少量的碱液和双氧水，使
: [Fe2+]=5-10，滴加完毕反应10min-60min后，将混合溶液加热至50 °C-85。C反应30min-2h后冷却，利用磁铁将混合溶液中的磁性微球吸附下来，去 除上清液，重复5次-10次，直至上清液澄清，pH为中性为止，利用微纳米孔过 滤的方法过滤掉生成的孤立磁性粒子，则获得纯的磁性微球。
6、 根据权利要求1或3或4或5所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法，其特征是，所述磁性微球包裹一层Si02。
7、 根据权利要求6所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的 方法，其特征是，所述磁性微球再包裹一层Si02，具体为将制备的磁性微球 配成l-30mg/ml的醇水或醇溶液，取lml此溶液，加入lm10. 5-30mg/ml的四乙 氧基硅烷或四甲氧基硅烷的醇水或醇溶液，然后在机械搅拌300-800rpm的条件 下300-800rpm，在溶液内加入氨水或氢氧化钠溶液，其中碱的用量为使最终使 体系内0H-1的量为硅烷物质量的4-8倍，并使反应20min-8h，然后将获得的溶 液进行磁性分离，将固体干燥保存。
8、 根据权利要求1所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的 方法，其特征是，所述灼烧，其温度为300°C -1000°C,时间为5min-30h。
9、 根据权利要求1或8所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米 球的方法，其特征是，所述灼烧，其温度为300。C -800°C，时间为20min-10h。
10、 根据权利要求1或8所述的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米 球的方法，其特征是，所述灼烧，其温度为300°C -700°C，时间为40min-8h。
全文摘要
本发明公开了一种微纳米材料技术领域的高分子微纳米球为模板制备磁性空心微纳米球的方法，即以表面带有负电荷的高分子微纳米球为模板，通过在微纳米球表面原位反应生成以磁性纳米粒子为壳，模板粒子为核的磁性复合微球，之后也可以在此微球表面包裹一层SiO₂。进一步通过烧灼去除模板来获得空心磁性微纳米球。本发明易行、高效、容易规模化，制备的磁性空心微纳米球粒径可控性很好、且磁性壳层的厚度或磁响应强弱也可以根据要求进行调节。
文档编号H01F1/42GK101183588SQ200710047140
公开日2008年5月21日 申请日期2007年10月18日 优先权日2007年10月18日
发明者康 孙, 窦红静, 马武伟 申请人:上海交通大学