锚定在Fe₃O₄纳米粒子表面上的方法及聚合物-Fe₃O₄杂化磁性纳米粒子制备方法

专利名称：锚定在Fe₃O₄纳米粒子表面上的方法及聚合物-Fe₃O₄杂化磁性纳米粒子制备方法
技术领域：
发明涉及磁性材料领域，特别涉及到一种以聚合物为壳、纳米Fe304为核的杂化磁性 纳米粒子的制备方法。
背景技术：
超顺磁性纳米粒子在靶向给药、核磁共振成像显影剂、热疗、生物分离等生物医药领 域有广泛的应用。众多磁性纳米粒中，纳米Fe403由于具有磁性强、制备相对简单而且生 物相容性好等特点，最为引人注目。由于磁性纳米粒子比表面积很大，易于团聚而导致纳 米效应所产生的性能消失，而且磁性粒子只有当其具有纳米结构、较强的超顺磁性、较均 一的粒径、水溶性和稳定性才能够在生物技术领域应用。在磁性纳米粒子接枝聚合物进行 表面修饰，能够比较好地解决上述应用困难，而且能够更进一步赋予磁性纳米粒子的多功 能性。聚合物通过化学修饰或者物理包覆纳米粒子是常用的修饰纳米粒子的方法。化学修 饰法包括"Grafting to"和"Grafting from"两种方法；"Grafting to"方法使用预先合成好 的末端带有功能基团的聚合物，与纳米粒子表面的反应性基团通过化学反应或者交换反应， 接枝到纳米粒子表面；"Grafting from"方法(又称表面引发聚合法)是把引发剂或者链转 移剂等小分子先引入到纳米粒子表面，再原位引发单体聚合，从而实现纳米粒子表面聚合 物接枝改性。Grafting to法虽然简单，但由于聚合物的空间位阻效应而导致接枝密度较低， 而Grafting from法是小分子单体在纳米粒子上的聚合反应，空间位组较小，因此能达到比 较高的接枝密度。
在用Grafting from法对纳米粒子进行聚合物接枝改性时，如果采用传统的接枝聚合技 术，不能有效控制壳层聚合物的分子量和分子量分布，相应地纳米粒子上聚合物壳层的厚 度也是不可控的，同时还会生成游离的聚合物(不是接在纳米粒子表面上)。以上问题可通 过活性聚合技术得以解决，活性聚合特别是活性自由基聚合是合成具有精确分子尺寸和复 杂结构聚合物最有效的手段。在已有的活性自由基聚合体系中，可逆加成-断裂链转移 (RAFT)聚合由于适用单体范围广泛、聚合反应条件温和，较氮氧调节自由基聚合、原子转移自由基聚合等具有更强的分子设计能力。
在纳米粒子表面进行RAFT活性聚合的关键是设法将RAFT链转移剂(或称RAFT试 剂)引入到纳米粒子表面，已报道的方法通常是通过化学耦联法引入，但是这种方法涉及 多步化学反应，制备和后处理过程繁琐，操作复杂。对于Fes04磁性纳米粒子而言，在其 表面引入RAFT试剂的方法还未见报道。因此，寻求简单的方法把RAFT试剂引入到Fe304 纳米粒子表面，再原位引发单体聚合，从而实现Fe304纳米粒子表面聚合物接枝改性，将 具有重要的实际应用价值。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种操简单易行的新方法，在Fe304 纳米粒子上引入一种RAFT试剂，再原位引发乙烯基单体活性可控自由基聚合，制备以聚 合物为壳、纳米Fe304为核的杂化磁性纳米粒子。
为了实现上述目的，本发明的解决方案如下将1^ 丁链转移剂5-/-十二垸基-5'-(0^'-二甲基-ot〃-乙羧基)三硫代碳酸酯(DDMAT)与油酸稳定的纳米Fe304发生配体交换反应，把 DDMAT引入纳米Fe304表面，获得锚固RAFT试剂的Fe304纳米粒子(Fe304-DDMAT)， 随后以此为RAFT试剂，在自由基聚合引发剂存在下进行苯乙烯(St)或M异丙基丙烯酰胺 (NIPAM)聚合。以聚iV-异丙基丙烯酰-Fe304杂化磁性纳米粒子为例，反应式可表示如下
s
^""^p HOOCC(CH3)2S—C-SC12H25 ^""^ 、
^^^')"(CH2)7CH:CH(CH2)7CH3 - ^^'')"C(CH3)2S、r,S、r H
^i!F((/ 配体交换 s e12H25
s
油酸稳定的Fe304纳米粒子 Fe304-DDMAT
上述通过RAFT试剂DDMAT与油酸稳定的纳米Fe3CM司的配体交换反应，合成纳米 Fe304-DDMAT，具体包括以下步骤
(1)按文献C4肌Soc., 2004,126,273)合成油酸稳定的纳米Fe304。
4
NIPAM RAFT聚合
h^S —C —S_C12H2S 5V
,O
M3u -CH3 聚/V-异丙基丙烯酰-Fe304杂化磁性纳米粒子(2) 按文献(Af"tromo/ecMfey, 2002,35, 6754)合成RAFT试剂DDMAT。
(3) 将计量的油酸稳定的纳米Fe304和DDMAT加入反应器，以l,2-二氯苯为溶剂，在 80°(:下进行交换反应，反应时间为24 48小时。
(4) 反应物冷却后在甲醇中沉淀，磁分离得到纳米Fe304-DDMAT。 上述以纳米Fe304-DDMAT为RAFT试齐U，在纳米Fe304表面原位引发St或NIPAM聚合，合
成聚合物为壳、纳米Fe304为核的杂化磁性纳米粒子，具体包括以下步骤
(1) 将计量的纳米Fe304-DDMAT、偶氮二异丁氰(AIBN)、单体(St或NIPAM)、四氢 呋喃溶剂加入干燥的安培管中。其中，AIBN浓度为l.428xl(T3 (mol/L); Fe304-DDMATg AIBN的摩尔比为10: 1~2: 1;单体浓度为2 (mol/L)。
(2) 经液氮冷冻-抽真空-解冻循环三次除氧，真空熔封。
(3) 在油裕中进行聚合反应，最佳聚合温度为65。C;聚合时间为2 72小时。
(4) 反应物冷却后加乙醚分散，磁分离得到杂化磁性纳米粒子。
本发明的有益效果与目前广泛采用的多步化学偶联法相比，本发明通过含羧基的 RAFT试齐ijDDMAT与油酸稳定的纳米Fe304之间的配体交换反应，把RAFT试齐UDDMAT锚定 在纳米Fe304表面，该过程只需要一步反应，条件温和，操作简单，且未改变Fe304粒子的 粒径、超顺磁性等特性。进一步，在带有DDMAT的Fe304纳米粒子表面上进行原位RAFT聚 合，得到的核壳磁性纳米粒子，解决了纳米粒子的分散性问题，并可以通过控制聚合时间 来控制聚合物壳层的厚度。尤其是采用NIPAM在Fe304纳米粒子表面进行RAFT聚合，可以 得到温度敏感的超顺磁性纳米粒子，在生物分离领域具有重要的应用价值。


图1是Fe304纳米粒子通过配体交换反应锚定DDMAT前后的红外谱图。 图2是Fe304纳米粒子通过配体交换反应锚定DDMAT前后的热失重图。
具体实施例方式
实施例l:纳米Fes04-DDMAT制备
在干燥的反应器中，将200mg油酸稳定的纳米Fe304 (10nm)分散在20ml 1,2-二氯苯 中，然后加入2gDDMAT，加热到80。C搅拌24小时后，将反应液倒入200ml甲醇中，磁 分离得到棕色沉淀物。用甲醇洗涤粗产物三次，以除去未反应的DDMAT，真空干燥，获 得锚固DDMAT的Fe3CU纳米粒子(纳米Fe3CVDDMAT)。
图l是Fe304纳米粒子通过配体交换反应锚定DDMAT前后的红外谱图。交换后的红外 谱图中，在1170 cn^处出现了DDMAT所带-C(CH3)2-的骨架震动吸收峰；而交换前Fe304纳米粒子表面的油酸所带的C-C的伸縮震动吸收峰基本消失，证明DDMAT被成功地锚定 在Fe304纳米粒子表面。
图2是Fe304纳米粒子通过配体交换反应锚定DDMAT前后的热失重图。同交换前纳米 粒子的热失重曲线对比可知，150到250 。C的热失重区间对应于DDMAT的热失重，经计算 纳米粒子中DDMAT的含量为 3.57xl0^mol/g纳米粒子。
实施例2:聚TV-异丙基丙烯酰-Fe304杂化磁性纳米粒子制备
在干燥的安培管中，将200mg纳米Fe3O4-DDMAT分散在10mL四氢呋喃中，然后加入 L85g 7V-异丙基丙烯酰A^异丙基丙烯酰和1.17mg AIBN。进行"冷冻-脱气-解冻"循环三次 后封管，在65。C下聚合10小时，反应液用10mL四氢呋喃稀释后再加入200mL无水乙醚， 形成一悬浮液，用磁分离得到聚W-异丙基丙烯酰-Fe304杂化磁性纳米粒子。所得杂化磁性 纳米粒子的饱和磁化强度为22.36emu/g。杂化磁性纳米粒子能够稳定地分散在水中，动态 光散射测得分散液中粒子的粒径为145nm，水分散液很稳定，5。C下保存6个月无任何变化。 水分散液呈现出温度敏感性，最低相转变温度为32。C。聚M异丙基丙烯酰-Fe304杂化磁性 纳米粒子中，聚W-异丙基丙烯酰与Fe304的质量比为5.8，用冰醋酸把Fe304破坏后得到壳层 聚W-异丙基丙烯酰，其数均分子量为15630，分子量分布为1.28。
实施例3:聚苯乙烯-Fe304杂化磁性纳米粒子制备
在干燥的安培管中，将200mg纳米Fe3O4-DDMAT分散在10 mL四氢呋喃中，然后加入 2.6g苯乙烯和2.34mg AIBN。进行"冷冻-脱气-解冻"循环三次后封管，在65。C下聚合47 小时，反应液用10 mL四氢呋喃稀释后再加入200 mL无水乙醚，形成一悬浮液，用磁分离 得到聚苯乙烯-Fe304杂化磁性纳米粒子。所得杂化磁性纳米粒子的饱和磁化强度为 11.68emu/g。杂化磁性纳米粒子能够稳定地分散在常见有机溶剂如四氢呋喃中，动态光散 射测得四氢呋喃分散液中粒子的粒径为60nm，分散液很稳定。聚苯乙烯-Fe304杂化磁性纳 米粒子中，聚苯乙烯与Fe304的质量比为9.5，用冰醋酸把Fe304破坏后得到壳层聚苯乙烯， 其数均分子量为25530，分子量分布为1.31。
权利要求
1、一种将RAFT链转移剂锚定在Fe3O4纳米粒子表面上的方法，其特征是通过RAFT链转移剂与纳米Fe3O4之间的配体交换反应，把RAFT链转移剂锚定在纳米Fe3O4表面。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征是所用的RAFT链转移剂为5*-/冲二垸基-5' -二甲基-ot〃-乙羧基)三硫代碳酸酯，其结构式如式(I )。<formula>formula see original document page 2</formula>
3、 如权利要求l所述的方法，其特征是所用Fe304纳米粒子表面锚定有油酸，其结构式其结构式如式(n)。<formula>formula see original document page 2</formula>
4、 如权利要求1所述的方法，其特征是配体交换反应的温度为80°C，溶剂为1,2-二氯苯，反应时间为24~48小时。
5、 一种聚合物-Fe304杂化磁性纳米粒子的制备方法，其特征是在锚定有RAFT链转移剂的Fe304纳米粒子上，在引发剂存在下，原位引发乙烯基单体的自由基聚合反应，获得以聚合物为壳、纳米Fe304为核的杂化磁性纳米粒子。
6、 如权利要求5所述的方法，其特征是所用乙烯基单体为苯乙烯或iV-异丙基丙烯酰胺。
7、 如权利要求5所述的方法，其特征是所用引发剂为偶氮二异丁氰，聚合反应的溶剂为四氢呋喃，聚合反应温度为65°(:，聚合反应时间为2 72小时。
全文摘要
本发明公开了一种将RAFT链转移剂锚定在Fe₃O₄纳米粒子表面上的方法及聚合物-Fe₃O₄杂化磁性纳米粒子制备方法。本发明通过RAFT链转移剂与纳米Fe₃O₄之间的配体交换反应，把RAFT链转移剂S-1-十二烷基-S′-(α，α′-二甲基-α″-乙羧基)三硫代碳酸酯(DDMAT)锚定在纳米Fe₃O₄表面，该过程只需要一步反应，条件温和、操作简单，且未改变Fe₃O₄粒子的粒径。进一步，在带有DDMAT的Fe₃O₄纳米粒子上，原位引发乙烯基单体的活性可控自由基聚合，获得聚合物-Fe₃O₄杂化磁性纳米粒子。本发明选择苯乙烯和N-异丙基丙烯酰胺二种乙烯基单体，由前者得到的杂化磁性纳米粒子可溶于有机溶剂；由后者得到的杂化磁性纳米粒子可溶于水，且具有温度敏感性。
文档编号H01F1/00GK101630554SQ20091004038
公开日2010年1月20日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者江 卢, 徐文烈, 晖 梁, 肖中鹏 申请人:中山大学