表面改性二氧化钛微粒和其分散液及其制备方法

专利名称：表面改性二氧化钛微粒和其分散液及其制备方法
技术领域：
本发明涉及表面改性二氧化钛微粒和其分散液及其制备方法，其中，二氧化钛的表面为用具有羧基的亲水性高分子修饰的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，该亲水性高分子的羧基和二氧化钛通过酯键结合。
背景技术：
以往，称二氧化钛的等电点为pH6左右，因此在中性附近的水系溶剂中二氧化钛粒子发生凝聚，将其均一分散极为困难。因此，为了使二氧化钛粒子在水系溶剂中均一分散，到目前为止已经进行了各种努力。例如，公开了使异丙醇钛生成氢氧化钛沉淀，将其在硝酸酸性下在高温下胶溶的硝酸酸性的二氧化钛溶胶(例如，参照Christophe，Barbe等Journal of the American Ceramics Society，80，3157-3171(1997)，和Danijela，Vorkapic等Journal of theAmerican Ceramics Society，81，2815-2820(1998))。此外，公开了在四氯化钛水溶液中滴加氨水使氢氧化钛沉淀生成后，添加过氧化氢水溶液在100℃下反应6小时，得到二氧化钛粒子表面用过氧基修饰的过氧基修饰二氧化钛溶胶的方法(例如，参照，日本特开平10-67516号公报)，通过将二氧化钛粒子表面用多孔二氧化硅包覆表面，得到在碱性条件下被分散、被稳定化的复合型二氧化钛微粒的分散液的方法(例如，参照日本特开平11-319577号公报)，通过含有作为分散剂的聚羧酸或其盐，得到使分散性提高的二氧化钛水溶液的方法(例如，参照日本特开平02-212315号公报)等。
此外，还公开了将光催化粒子用于水处理时的使分离·浓缩变得容易为目的，使磁性材料和二氧化钛复合的粒子。公开了例如，以铁粉作为载体将溶解于有机溶剂中的烷氧基钛包覆于表面的粒子(例如，参照日本特开平09-299810号公报)，或在氧化铁·二氧化硅载体中通过高温处理使无定形或结晶性的二氧化钛直接沉淀，制备磁性材料和二氧化钛的复合粒子的方法(例如，参照Watson，Beydoun等Journal of Photochemistry and Photobiology AChemistry，148，303-313(2002))。
但是，作为硝酸酸性的二氧化钛溶胶时当溶胶的pH变为中性或碱性时，有产生凝聚或沉淀等问题。即使过氧基修饰二氧化钛溶胶的情况下，虽然溶胶的pH为中性，但是当在溶胶中添加无机盐类时有产生凝聚或沉淀等的问题。此外，作为表面包覆多孔二氧化硅胶的二氧化钛微粒分散液时，当分散液的pH为中性或酸性时仍然有产生凝聚或沉淀等的问题。进而，即使是添加分散剂使分散性提高的二氧化钛水溶液，仍然有分散剂由于光催化剂的活性被分解，或相反地光催化剂的活性降低的情况，此外当与盐共存时二氧化钛有产生凝聚或沉淀等的问题。对于在表面的一部分上存在二氧化钛的上述与磁性材料的复合粒子，也会产生同样的现象，仍然存在凝聚·沉淀的问题。
另一方面，进行了将具有强光活性分解能力的二氧化钛，应用于药物释放系统(DDS)的尝试(例如，参照日本特开2002-316946号公报，日本特开2002-316950号公报，R.Cai等Cancer Research，52，2346-2348(1992))。这是在作为目标的癌细胞中攻入并集中载有二氧化钛的金等金属粒子后，照射紫外线等光从而杀死癌细胞的方法。已知二氧化钛是在空气中或溶液中等为极稳定的物质，且在(遮光的)动物体内也没有毒性的安全的物质。而且，通过光的开·关来控制二氧化钛的活化是可能的，因此期待面向癌症治疗等的在DDS方面的应用。
但是，如上所述二氧化钛的等电点为pH 6左右，在中性附近的生理条件下仍然存在二氧化钛粒子产生凝聚的问题。因此，不能将二氧化钛分散液作为注射液直接对血管内给药，或将二氧化钛粒子直接作为DDS载体使用。

发明内容
本发明者为了解决上述课题进行锐意研究，发现了通过在二氧化钛的表面上化学结合亲水性高分子而表面改性，不仅在中性附近、即使在更宽广的pH范围内对水系溶剂的分散性也极为良好，从而完成本发明。
即，本发明的表面改性二氧化钛微粒，在其表面上通过酯键而具有亲水性高分子，不仅在中性附近而且在更宽广的pH范围内的水系溶剂中也显示极为良好的分散性。进而，利用该特性的表面改性二氧化钛微粒的分散液，可以利用水或含有盐的各种pH缓冲溶液作为溶剂，是分散性极为良好的稳定的分散液。此外，本发明的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，将2～200nm的二氧化钛粒子分散液与水溶性高分子溶液混合，通过在80～220℃下加热使两者形成酯键后，除去未结合的水溶性高分子，精制表面改性二氧化钛微粒。
作为结果得到的本发明的表面改性二氧化钛微粒，不仅可以在中性附近而且在宽广的pH范围内分散于水系溶剂中，而且对pH的变化或添加盐均极为稳定。此外，易于与其他的功能性物质复合化，因此在制备赋予新功能的粒子方面是有效的。例如，可以开发在本发明的表面改性二氧化钛微粒中载入抗癌剂，通过光开关释放抗癌剂的DDS。或在体内的病变部位直接导入本发明的表面改性二氧化钛微粒照射紫外线等光，由于不引起凝聚因此就可以有效地破坏癌变组织等。进而，通过照射紫外线或太阳光等诱发光催化能的氧化还原作用，可以分解各种有机物或微生物。
图的简单说明

图1表示本发明的表面改性二氧化钛微粒的模式图。
图2表示本发明的表面改性二氧化钛微粒的光催化活性(以伴随亚甲基蓝分解的吸光度减少来表示)测定结果。图中○●□■△，分别表示在实施例1～5中制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
图3表示由于本发明的表面改性二氧化钛微粒的光催化活性，对癌细胞的杀细胞性。
具体实施例方式
依据图具体说明本发明的实施方式。图1为表示本发明的表面改性二氧化钛微粒的模式图。本发明的表面改性二氧化钛微粒1，其特征为在二氧化体钛微粒表面有亲水性高分子2，该亲水性高分子2的羧基与二氧化钛通过酯键结合。这是由于，二氧化钛微粒1表面的二氧化钛被反应体系中的水水合而生成羟基，该羟基与亲水性高分子的羧基反应形成酯键。作为酯键的确认方法各种分析方法均可以适用，例如可以通过红外分光光度法判断在酯键的吸收带1700～1800cm-1附近的红外吸收的有无来确认。通过该表面改性，表面改性二氧化钛微粒的等电点，变为亲水性高分子的羧基残基的等电点(pH2.8～2.9)附近，即使在中性水系溶剂中因为粒子间静电斥力作用显示良好的分散性。
作为本发明使用的二氧化钛粒子，结晶型可以是锐钛型也可以是金红石型。这是由于即使结晶型不同只要所谓水合生成羟基的化学性质是相同的就可以进行表面改性。如果期望强光催化能力则适当优选锐钛型，或如化妆材料那样期望高折光率等性质则适当优选金红石型。此外，由于同样的原因，不仅优选使用单一的二氧化钛粒子，也优选使用由二氧化钛和磁性材料构成的复合二氧化钛粒子。进而，从其使用方式的自由度的角度，优选它们的分散粒径为2～200nm。这是由于，当粒径变得比200nm大时在微粒上作用的重力效果也变大，因此变得更容易沉降。
此外，本发明的表面改性二氧化钛微粒，其特征为亲水性高分子为水溶性高分子。这是由于，考虑到本发明以使表面改性二氧化钛微粒分散至水溶液中的状态使用，因此作为在本发明中使用的亲水性高分子优选水溶性高分子。作为水溶性高分子只要是具有多个羧基均可使用，例如，可以列举羧甲基淀粉、羧甲基葡聚糖、羧甲基纤维素、聚羧酸类、和具有羧基单元的共聚体(共聚物)等。具体地，从水溶性高分子的水解性和溶解度的角度，更优选使用聚丙烯酸、聚马来酸等聚羧酸类，和丙烯酸/马来酸或丙烯酸/磺酸系单体的共聚体(共聚物)。
此外，本发明的表面改性二氧化钛微粒分散液，其特征为上述表面改性二氧化钛微粒在水系溶剂中分散。这是由于，在水系分散溶剂中，在表面改性二氧化钛微粒表面上存在的羧基残基的质子变为解离状态，由于粒子间静电斥力作用而不凝聚，经过长时间依然稳定地存在。而且，即使对于pH的变化或添加无机盐类基本上极为稳定。进而，本发明的表面改性二氧化钛微粒的等电点，变为该亲水性高分子的羧基残基的等电点(pH2.8～2.9)附近。因此，在pH3以上的水系分散溶剂中随着pH上升在粒子间作用的静电斥力增大，因此在pH3～13的水系溶剂中显示极为良好的分散性。因此，本分散液可以使用pH缓冲溶液作为上述水系溶剂。即，本发明的表面改性二氧化钛微粒，只要pH在3～13的范围内即使在水系分散溶剂中含有任何缓冲成分均能显示良好的分散性。此处作为可以使用的优选的缓冲溶液，可以列举甘氨酸缓冲溶液、醋酸缓冲溶液、磷酸缓冲溶液(含有PBS)、碳酸缓冲溶液、马氏(マッキルベィン)缓冲溶液、古德(グッド)缓冲溶液、硼酸缓冲溶液等。所谓可以使用的中性附近的缓冲溶液，对在生物科技领域或医药医疗领域的应用极为有利。此外，为了维持上述良好的分散性，在分散液中的表面改性二氧化钛微粒的羧基/二氧化钛的量比(mol/g)，随反应条件而不同但优选大约2×10-3以上。
此外，本发明的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为二氧化钛粒子表面上使亲水性高分子进行结合的反应由以下工序组成(1)使二氧化钛溶胶分散至溶剂的工序，(2)将亲水性高分子分散至溶剂的工序，(3)混合这些分散液的工序，(4)将该混合液加热的工序，(5)将表面改性二氧化钛微粒与未进行结合的亲水性高分子分离的工序，和(6)将表面改性二氧化钛微粒精制的工序。
作为本发明使用的二氧化钛溶胶，可以使用以四异丙氧基钛等作为原料的合成物，也可以使用无机酸胶溶已存的酸性二氧化钛溶胶。另一方面，在(1)、(2)中使用的溶剂，优选可以同时溶解二氧化钛溶胶和亲水性高分子的溶剂。这是由于，如果二氧化钛在溶剂中凝聚则可以发生与亲水性高分子发生结合反应的表面积减少，因此，反应结束后的对水系溶剂的分散粒径增大并且分散性也恶化。进而，作为此处使用的溶剂与二氧化钛粒子表面具有反应性的溶剂是不合适的。特别是，含有羟基的醇类在加热时与二氧化钛粒子表面形成酯键，因此阻碍作为目标的与亲水性高分子的结合反应。此时，二氧化钛粒子的表明特性依赖于所使用的醇的特性，对水系分散溶剂的分散性显著降低。在本发明中使用的溶剂从上述反应性的角度出发，优选使用作为非质子性极性溶剂的二甲基甲酰胺、二噁烷、或二甲基亚砜，但从溶剂挥发性的角度较为优选使用二甲基甲酰胺。
(3)然后，将上述溶剂的二氧化钛的分散液，与亲水性高分子分散液混合并进行搅拌，制备二氧化钛和亲水性高分子均一分散的分散液。此时，如果在二氧化钛分散液中直接添加亲水性高分子有引起二氧化钛的凝聚的情况，因此优选在分别制备各分散液后混合。
(4)然后，进行将该混合液加热进行结合反应，此时如果适当选择二氧化钛与亲水性高分子的比例即使不加压也可以进行反应。但是，如果加压可以进一步促进反应，因此优选在加压下进行反应的方法。此时，在使用聚丙烯酸(平均分子量5000)作为亲水性高分子时，为了使分散性更好优选使聚丙烯酸的最终浓度为0.4mg/mL以上。在本发明制备方法中，其特征为，上述加热温度为80～220℃。当加热温度比80℃更低时与亲水性高分子的结合量降低对水系溶剂的分散性降低。此外，在加压下进行反应时，当加热温度超过220℃时由于反应容器的密封性的问题是不合适的。进而，当在水的沸点以上的温度下进行反应时，如果在二氧化钛溶胶中含有的水分完全挥散到反应体系外则二氧化钛凝聚，因此优选在加压下进行反应。另一方面，如果反应溶液中的水分含量过高反而有阻碍反应的情况，因此在反应溶液中的水分含量依据反应条件而不同但优选大约4％以下。
(5)然后，将生成的表面改性二氧化钛微粒与未结合的亲水性高分子分离。作为分离手段，可以优选使用透析法、超滤、凝胶过滤色谱法、或沉淀法等，但是用透析法或超滤法分离时有必要使用与所使用的亲水性高分子的分子量相吻合的透析膜或超滤膜。即，上述用任一方法均可以分离，但从操作的简便性考虑优选使用沉淀法。在沉淀法中，有利用等电点的方法和利用盐析的方法，可以优选使用任意一种。
在利用等电点沉淀时，在反应结束后用蒸发仪将反应溶剂减压除去后，当添加水并搅拌时表面改性二氧化钛微粒分散。如果在该分散液中添加无机酸使分散液的pH为2.8以下，则表面改性二氧化钛失去表面的负电荷而凝聚。另一方面，没有与粒子进行结合的亲水性高分子没有凝聚地残留在分散液中，因此将该溶液离心而除去未结合的亲水性高分子变为可能。
此外，在利用盐析时，将反应结束后的反应溶液回收至分液漏斗中，添加与水分层的有机溶剂并进行搅拌混合。分层结束后，在水层中含有表面改性二氧化钛，在有机溶剂层中含有反应中使用的非质子系有机溶剂。分离水层后，盐强度高如果以适当量添加聚乙二醇等高分子，通过盐析生成表面改性二氧化钛沉淀。如果将该溶液离心除去上清液，即得到表面改性二氧化钛微粒。
(6)然后，将沉淀的表面改性二氧化钛微粒用水洗涤后，使表面改性二氧化钛微粒在pH3～13、更优选pH5～12的水系溶剂中混悬。作为此处使用的水系溶剂，可以优选使用水、所期望pH值缓冲溶液，或碱性水溶液。此外，通过搅拌或超声波照射该悬浊液使表面改性二氧化钛微粒均一分散，脱盐后干燥即可以得到表面改性二氧化钛微粒的干燥粉体。由于操作简便且可以制备出稳定的粉体，这对于在将表面改性二氧化钛微粒应用于各种用途时极为有利。
进而，对于由二氧化钛和磁性材料构成的复合二氧化钛微粒，只要二氧化钛从微粒表面露出，在溶剂中的特性即与单一的二氧化钛近似，因此可以使用与上述相同的制备方法、精制方法。该表面改性复合二氧化钛微粒具有磁性，因此在应用于例如水中的有害物质等的分解处理时，在处理后可以用磁石可以容易地回收该微粒，因此极为有用。
下面，通过以下实施例更详细地说明本发明，但本发明并非仅限与此。
实施例1二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其1)将3.6g四异丙氧基钛与3.6g异丙醇混合，在冰浴下滴加60mL的超纯水进行水解。滴加后在室温下搅拌30分钟。搅拌后，滴加1mL12N硝酸，在80℃下搅拌8小时，进行胶溶。胶溶结束后用0.45μm滤膜过滤，然后用脱盐色谱柱(PD10；Amersham PharmaciaBioscience)进行溶液交换并制备1％固体成分的二氧化钛溶胶。将该分散液加入到体积100mL的管形瓶中，在200Hz下进行超声处理30分钟。进行超声处理前后的平均分散粒径分别为，36.4nm、20.2nm。在超声处理后，浓缩溶液配制20％固体成分的二氧化钛溶胶。将得到的0.75mL二氧化钛溶胶分散至20mL的二甲基甲酰胺(DMF)中，添加10mL溶解了0.3g聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)的DMF后，搅拌混合。将溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在180℃下进行合成6小时。反应结束后，反应容器温度冷却至50℃以下，取出溶液后添加120mL水搅拌混合。用蒸发仪除去DMF和水后，再添加20mL水使其成为聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。添加2N盐酸1mL使聚丙烯酸结合二氧化钛微粒沉淀，通过离心后除去上清液分离未反应的聚丙烯酸。再次添加水进行洗涤，离心后除去水。添加50mM磷酸缓冲液(pH7.0)10mL后，在200Hz下进行超声波处理30分钟，使聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散。超声波处理后，用0.45μm滤膜过滤，得到1.5％固体成分的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。测定所制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散粒径，结果为45.9nm。将得到的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液用脱盐色谱柱PD10进行脱盐后在100℃下干燥，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
实施例2二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其2)除了使用硝酸酸性锐钛溶胶STS-01(石原产业股份公司，固体成分浓度20％)作为二氧化钛溶胶外，用与实施例1完全相同的方法合成聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，得到1.5％固体成分的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。测定所制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散粒径，结果为66.6nm。将得到的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液用脱盐色谱柱PD10进行脱盐后在100℃下干燥，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
实施例3二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其3)除了将合成温度设为220℃之外，用与实施例2完全相同的方法合成聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，得到1.5％固体成分的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。测定所制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散粒径，结果为66.1nm。将得到的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液用脱盐色谱柱PD10进行脱盐后在100℃下干燥，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
实施例4二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其4)除了将合成温度设为130℃之外，用与实施例2完全相同的方法合成聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，得到1.5％固体成分的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。测定所制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散粒径，结果为67.4nm。将得到的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液用脱盐色谱柱PD10进行脱盐后在100℃下干燥，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
实施例5二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其5)除了将合成温度设为80℃之外，用与实施例2完全相同的方法合成聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，得到1.5％固体成分的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液。测定所制备的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散粒径，结果为67.9nm。将得到的聚丙烯酸结合二氧化钛水溶液用脱盐色谱柱PD10进行脱盐后在100℃下干燥，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)。
实施例6二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其6)将3.6g四异丙氧基钛与3.6g异丙醇混合，在冰浴下滴加60mL的超纯水进行水解。滴加后在室温下搅拌30分钟。搅拌后，滴加1mL12N硝酸在80℃下进行搅拌8小时，进行胶溶。胶溶结束后，用0.45μm滤膜过滤，用脱盐色谱柱PD10进行溶液交换并制备1％固体成分的二氧化钛溶胶。将该分散液加入到体积100mL的管形瓶中，在200Hz下进行超声处理30分钟。进行超声处理前后的平均分散粒径分别为，36.4nm、20.2nm。在超声处理后，浓缩溶液配制20％固体成分的二氧化钛溶胶。将得到的0.75mL二氧化钛溶胶分散至20mL的二甲基甲酰胺(DMF)中，添加10mL溶解了0.3g聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)的DMF后，搅拌混合。将溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在180℃下进行合成6小时。反应结束后，反应容器温度冷却至50℃以下，在分液漏斗中取出溶液后，添加10mL水搅拌混合。然后，加40mL氯仿，搅拌混合后除去下层，回收上层。将此步骤重复2次，除去DMF。在10mL该溶液中加入10mL 1.5M的NaCl、20％(w/v)聚乙二醇6000(和光纯药)，离心后除去上清液。在沉淀中加入2.5mL水，用SephadexG-25柱(Amersham Pharmacia Bioscience)进行凝胶过滤，得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)的分散液。
实施例7二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其7)将3.6g四异丙氧基钛与3.6g异丙醇混合，在冰浴下滴加60mL的超纯水进行水解。滴加后在室温下搅拌30分钟。搅拌后，滴加1mL12N硝酸在80℃下进行搅拌8小时，进行胶溶。胶溶结束后用0.45μm滤膜过滤，用脱盐色谱柱PD10进行溶液交换并制备1％固体成分的二氧化钛溶胶。将该分散液加入到体积100mL的管形瓶中，在200Hz下进行超声处理30分钟。进行超声处理前后的平均分散粒径分别为，36.4nm、20.2nm。在超声处理后，浓缩溶液配制20％固体成分的二氧化钛溶胶。将得到的0.75mL二氧化钛溶胶分散至20mL的二甲基甲酰胺(DMF)中，添加10mL溶解了0.3g聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)的DMF后，搅拌混合。将溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在150℃下进行合成5小时。反应结束后，反应容器温度冷却至50℃以下，在反应溶液中添加2倍量的异丙醇(和光纯药)。在室温下静置30分钟后，通过离心回收沉淀。回收的沉淀用70％乙醇洗涤后，加入2.5mL水得到聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)的分散液。
实施例8二氧化钛粒子上聚丙烯酸的导入(其8)除了使用平均分子量2000和3500的聚丙烯酸之外，用与实施例7完全相同的方法合成聚丙烯酸结合二氧化钛微粒。即使在使用平均分子量2000和3500的聚丙烯酸时，聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)分散液均显示良好的分散性，因此为优选。
实施例9磁性材料/氧化肽复合微粒上聚丙烯酸的导入在分液瓶中溶解45.16g聚氧乙烯(15)十六烷基醚(C-15日本Surfactant工业)并用氮置换5分钟后，并添加75mL环己烯(和光纯药)，添加0.67M的FeCl2(和光纯药)水溶液3.6mL，以250rpm一边搅拌一边添加5.4mL 30％氨水溶液，使其反应1小时。然后，滴加50mM原硅酸四乙酯水溶液(和光纯药工业)0.4mL使其反应1小时。然后，加入四异丙氧基钛(和光纯药工业)以使最终浓度为5mM。以10分钟间隔每次添加1mL 50％(w/v)乙醇水溶液10mL。将水溶液离心分离，将沉淀物在350℃下烧结2小时。烧结后，使其在10mM硝酸水溶液中分散并超声波处理后，用0.1μm的滤膜过滤。将得到的0.75mL磁性材料/氧化钛复合体溶胶分散至20mL的二甲基甲酰胺(DMF)中，添加10mL溶解了0.3g聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)的DMF后，搅拌混合。将溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在180℃下进行合成6小时。反应结束后，反应容器温度冷却至50℃以下，在分液漏斗中取出溶液后，添加10mL水搅拌混合。然后，加40mL氯仿，搅拌混合后除去下层，回收上层。将此步骤重复2次，除去DMF。在10mL该溶液中加入10mL 1.5M的NaCl、20％(w/v)聚乙二醇6000(和光纯药)，离心后除去上清液。在沉淀中加入2.5mL水，用SephadexG-25柱(Amersham Pharmacia Bioscience)进行凝胶过滤，得到聚丙烯酸结合磁性材料/二氧化钛复合微粒(锐钛型)的分散液。该分散液不产生白色混浊，微粒良好地分散，与单一二氧化钛的情况相同是优选的分散液。
实施例10二氧化钛粒子上聚丙烯酸/磺酸共聚体的导入将在实施例7的工序中得到的0.75mL 20％固体成分的二氧化钛溶胶分散至10mL的DMF中，添加10mL溶解了0.3g丙烯酸/磺酸系单体共聚体(日本触媒制GL386，平均分子量5000，通过阳离子交换树脂用质子置换钠的冷冻干燥标准品)的DMF后，搅拌混合。将混合液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在150℃下进行合成5小时。反应结束后，反应容器温度冷却至室温添加相对于反应液2倍量的异丙醇(和光纯药)。在室温下静置30分钟后，通过离心回收沉淀。将沉淀用70％乙醇洗涤后，加入2.5mL水得到丙烯酸/磺酸共聚体结合二氧化钛微粒(锐钛型)的分散液。该分散液不产生白色混浊，微粒良好地分散，与聚丙烯酸的情况相同是优选的分散液。
实施例11聚丙烯酸浓度对聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散性的影响。
将在实施例7的工序中得到的0.75mL 20％固体成分的二氧化钛溶胶分散至10mL的DMF中，添加5mL含有不同重量的聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)的DMF溶液后，搅拌混合。将溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在150℃下进行合成5小时。反应结束后，当观察各溶液的性状时，作为聚丙烯酸的终浓度为0.4mg/mL以上时，可以得到良好地分散的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散液。另一方面，当为0.4mg/mL以下的聚丙烯酸浓度时，得到大致分散了但是变成有白色混浊且粒径也较大的分散液。因此，可知在上述反应条件下，聚丙烯酸以终浓度计为0.4mg/mL以上是必要的。
实施例12水分含量对聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散性的影响。
将在实施例7的工序中得到的0.75mL 20％固体成分的二氧化钛溶胶分散至10mL的DMF中，添加5mL含有不同水分量的30mg/mL聚丙烯酸(平均分子量5000，和光纯药)DMF溶液后，搅拌混合。将混合溶液转移至水热反应容器(HU-50，三爱科学)中，在150℃下进行合成5小时。反应结束后，观察各溶液的性状时，结果当水分含量最终为4％以下时，可以得到良好地分散的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散液。另一方面，当为5％以上的水分含量时，大致分散了但是变成有白色混浊且粒径也较大的分散液。因此，可知在上述反应条件下，优选反应时的水分量以终浓度计为4％以下。
实施例13异丙醇对聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的溶解性。
将1g聚丙烯酸溶解至10mL DMF的溶液，并将其作为溶液(A)。将在实施例7的工序中得到的0.25mL 20％固体成分的二氧化钛溶胶分散至10mL的DMF中，并将其作为溶液(B)。此外，将在实施例7的工序中得到的0.25mL 20％固体成分的二氧化钛溶胶和将1g 20％(w/v)的聚丙烯酸分散至10mL的DMF中的分散液，作为溶液(C)。进而，将溶液(C)在150℃下进行反应5小时的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液，作为溶液(D)。在(A)～(D)的各溶液中添加2倍量的异丙醇搅拌后静置，确认是否有沉淀生成。结果，溶液(A)～(C)任意一种均在异丙醇中为可溶性，而只有溶液(D)产生沉淀。该现象表明了，聚丙烯酸(A)、二氧化钛溶胶(B)、聚丙烯酸与二氧化钛溶胶的混合液(C)均在异丙醇中为可溶，而聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(D)为不溶。即，在溶液(C)与(D)的比较中，认为在二氧化钛溶胶中单独添加作为分散剂的聚丙烯酸的体系(C)中，两者没有进行化学反应，分别独立地对异丙醇显示溶解性。另一方面，认为在溶液(D)中二氧化钛与聚丙烯酸通过水合反应进行化学酯键结合，由于氧化钛微粒表面结合的聚丙烯酸的无数羧基残基的亲水性，对异丙醇显示了不溶性。
实施例14聚丙烯酸结合二氧化钛微粒在中性溶液中的稳定性使用与在实施例13中使用的(A)～(D)相同组成的各溶液，评价在中性溶液中各自的稳定性。即，将(A)～(D)的各溶液用200mM磷酸缓冲液(pH7.0)稀释10倍搅拌后静置，观测沉淀生成的有无。结果，含有二氧化钛的溶液(B)和(C)生成了沉淀，而溶液(A)和(D)没有生成沉淀。认为这是由于二氧化钛的等电点在中性附近，在溶液(B)和(C)中二氧化钛凝聚而生成沉淀。另一方面，在溶液(D)中，由于二氧化钛表面被无数的羧基残基修饰，微粒总体的等电点变为pH2.8左右，即使在中性溶液中仍保持均一地分散状态。即，在溶液(C)与(D)的比较中由实施例13和14的结果，可知聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，与通过添加聚丙烯酸单独提高分散性状态的二氧化钛微粒相比，显示了完全不同的物理性质。
实施例15聚丙烯酸二氧化钛微粒的pH稳定性的评价将实施例1～7得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散至水中，用盐酸和氢氧化钠使溶液的pH以pH1的级次从pH3变化至pH13，观察是否生成聚丙烯酸二氧化钛微粒的凝聚或沉淀。将pH变化的水溶液在4000rpm下进行离心确认凝聚的有无，但在任一pH下均没有观察到各粒子的凝集或沉淀。
实施例16聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的红外分光光度(FT-IR)分析将完全除去游离聚丙烯酸的精制聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散液冷冻干燥，按照常法制备KBr片。使用红外分光光度仪(FTS-65A，日本Bio-Rad Laboratories公司)，测定其FT-IR。在表1中表示聚丙烯酸结合氧化钛微粒的特征吸收。在表1中，根据a.确认由分子间氢键的O-H伸缩振动产生的宽的吸收为2500～3500cm-1，b.存在由(在二氧化钛中没有的)亚甲基的伸缩振动产生的在2900cm-1附近的吸收，c.存在由(在二氧化钛中没有的)酯键的C＝O伸缩振动产生的1720cm-1的吸收，d.在低波数端存在由(在二氧化钛中没有的)聚丙烯酸产生的弯曲振动的吸收等，确认了合成的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒确实是二氧化钛与聚丙烯酸通过酯键进行了化学结合。此外，认为由羧酸基的C＝O伸缩振动产生的吸收峰与酯基相比在低波数端出现，因此与1650cm-1的二氧化钛的最大吸收峰重合。另一方面，从不进行水热反应在二氧化钛溶胶中只添加作为分散剂的聚丙烯酸的体系中，完全除去聚丙烯酸的冷冻干燥物的FT-IR光谱，与二氧化钛本身的光谱基本一致。即，已证实，由实施例13～15和本试验例的FT-IR分析结果，与本发明的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒通过二氧化钛与聚丙烯酸以酯键牢固结合相对，在二氧化钛中只添加作为分散剂的聚丙烯酸的体系，两者没有进行化学结合，只不过是通过静电的相互作用改善了分散性。
表1聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的红外分光光度分析

实施例17
聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液的二氧化钛含量测定将在实施例7中得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散液在110℃下加热干燥1小时，然后灼烧4小时使其完全灰化。将其在硅胶干燥器中冷却，作为在上述分散液中的实际重量的二氧化钛量测定质量。结果显示上述分散液含有8.82％(w/v)的二氧化钛。
实施例18聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液的羧酸含量测定向1mL在实施例7中得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的分散液中，添加100mL水和20mL 0.1M的NaOH标准溶液。充分搅拌混合后，用0.1M的HCl标准溶液返滴定剩余的NaOH，求出聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的羧基含量。结果显示1mL上述分散液含有3.08×10-4mol羧基。由实施例16和17的结果，上述分散液的羧基/二氧化钛的量比为3.08×10-2(mol/g)。同样地，对于在实施例8中得到的用分子量2000的聚丙烯酸合成的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液，羧基/二氧化钛的量比为2.64×10-2(mol/g)。进一步反复研究的结果，证实为了确保聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液的均一的分散性，优选上述羧基/二氧化钛的量比为2×10-3(mol/g)以上。
实施例19聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)的光催化活性的评价用50mM磷酸缓冲液(pH7.0)稀释以使由实施例1～5得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)固体成分变为0.02％。在水溶液中添加亚甲基蓝-三水合物(和光纯药)以使其浓度为40μM。一边搅拌，一边向该水溶液照射340nm的紫外光以使其剂量为1.5mW/cm2，用紫外-可见光分光光度计测定在580nm波长下的吸收。结果如图2所示。所有的供试品已被确认随着紫外线照射时间延长的同时亚甲基蓝分解并伴随着吸光度的减少，因此证明由实施例1～5得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)保持了光催化活性。
实施例20聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)的杀菌活性的评价用50mM磷酸缓冲液(pH7.0)配制使由实施例1得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)以使固体成分为1.0％。将大肠杆菌用LB培养液在37℃下，培养一晚后，将培养液离心分离，将其菌体用50mM磷酸缓冲液(pH7.0)洗涤，混悬至与培养液等量的50mM磷酸缓冲液(pH7.0)中。将进一步用50mM磷酸缓冲液(pH7.0)稀释100倍的液体作为试验用菌液。在该试验用菌液中添加上述聚丙烯酸结合二氧化钛微粒以使其最终浓度为0.1％。将试验用菌液与聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的混合物加入到小型培养皿中以使其液深为3mm，在黑光灯照射(照射剂量900μW/cm2)下，在室温下静置。此外，将没有添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的混合液作为对照1同样用黑光灯照射。在照射前、照射2小时后、4小时后采集上述供试液的一部分，用LB琼脂培养基按照常法对菌数计数。此外，将在试验用菌液中加入聚丙烯酸结合二氧化钛微粒以使最终浓度变为0.1％，将遮光静置的混合物作为对照2，在与上述相同的时间点下进行菌数计数。其结果如表2所示。已确认在添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)并用黑光灯照射的体系中经时地菌数减少，表明该微粒保持了光催化活性伴随的抗菌性。
表2聚丙烯酸结合二氧化钛微粒的杀菌活性评价(CFS/mL)

实施例21对癌细胞杀细胞性的评价用PBS缓冲液(pH6.8)配制由实施例1得到的聚丙烯酸结合二氧化钛微粒(锐钛型)以使固体成分变为1.0％。将2种培养癌细胞(Raji，Jurkat)，用含有10％血清的RPMI 1640培养基(GIBCO公司制)在37℃下，在5％二氧化碳气氛下培养，制备5.8×105的细胞液。将其在相同条件下再次培养20小时，作为试验用细胞液。在该试验用细胞液中，添加上述聚丙烯酸结合二氧化钛微粒分散液以使最终浓度变为0.1％，作为供试液。将该供试液注入小型培养皿中以使液深变为3mm，在黑光(UV)照射下(照射剂量900μW/cm2)在室温下静置。此外，将没有添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒也不照射UV的试验用细胞液作为空白(未处理)，将添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒没有用UV照射的供试液、和没有添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒只用UV照射的试验用细胞液作为对照，同时进行试验。在6小时后采集各供试液，测定各自的细胞数。其结果如图3所示。由在添加聚丙烯酸结合二氧化钛微粒，并且照射UV的体系中细胞数锐减的结果，可知聚丙烯酸结合二氧化钛微粒对癌细胞具有杀细胞性。
工业实用性通过本发明，可以提供对各种应用均适用的在中性水系溶剂中分散性良好，并且在宽的pH范围内仍具有长期稳定的分散性的，表面改性二氧化钛微粒和其分散液，以及其制备方法。
权利要求
1.一种表面改性二氧化钛微粒，其为二氧化钛的表面是被具有羧基的亲水性高分子修饰的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，该亲水性高分子的羧基和二氧化钛通过酯键结合。
2.如权利要求1所述的表面改性二氧化钛微粒，其中，上述二氧化钛为锐钛型、或金红石型。
3.如权利要求1或2所述的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，上述二氧化钛的粒径为2～200nm。
4.如权利要求1～3任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，上述二氧化钛为由二氧化钛和磁性材料构成的复合二氧化钛。
5.如权利要求1～4任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，上述亲水性高分子为水溶性高分子。
6.如权利要求5所述的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，上述水溶性高分子含有聚羧酸。
7.如权利要求5所述的表面改性二氧化钛微粒，其特征为，上述水溶性高分子，在分子中含有具有多个的羧基单元的共聚体。
8.一种表面改性二氧化钛微粒的分散液，其特征为，如权利要求1～7任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒，分散在水系溶剂中。
9.如权利要求8所述的表面改性二氧化钛微粒的分散液，其特征为，上述水系溶剂的pH为3～13。
10.如权利要求9所述的表面改性二氧化钛微粒的分散液，其特征为，上述水系溶剂为pH缓冲溶液。
11.如权利要求9所述的表面改性二氧化钛微粒的分散液，其特征为，上述水系溶剂为生理盐水。
12.如权利要求9～11任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的分散液，其中，在导入体内病变部位后，作为照射紫外线等光破坏该病变部位的光疗法的加强剂使用。
13.如权利要求12所述的表面改性二氧化钛微粒的分散液，其特征为，上述病变部位为癌组织。
14.一种表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其中，使二氧化钛微粒表面与亲水性高分子结合的反应由以下工序组成(1)使二氧化钛溶胶分散至溶剂的第1工序，(2)使亲水性高分子分散至溶剂的第2工序，(3)混合这些分散液的第3工序，(4)将该混合液加热的第4工序，(5)将表面改性二氧化钛微粒与未结合的亲水性高分子分离的第5工序，和(6)将表面改性二氧化钛微粒精制的第6工序。
15.如权利要求14所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第1工序和第2工序的溶剂为非质子系溶剂。
16.如权利要求15所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述非质子系溶剂为二甲基甲酰胺、二噁烷、二甲基亚砜中任意一种。
17.如权利要求14～16任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第4工序的加热温度为80～220℃。
18.如权利要求14～17任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第5工序的分离工序，包含使溶液的pH为2.8以下仅使表面改性二氧化钛微粒发生等电点凝聚，由此除去上清液的未结合亲水性高分子的工序。
19.如权利要求14～17任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第5工序的分离工序，包含通过分子筛除去未结合亲水性分子的工序。
20.如权利要求14～19任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第6工序的精制工序，包含将表面改性二氧化钛微粒分散至水系溶剂后，将微粒干燥的工序。
21.如权利要求14～19任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第6工序的精制工序，包含将表面改性二氧化钛微粒分散至水系溶剂后，通过盐析使表面改性二氧化钛沉降的工序。
22.如权利要求14～19任意一项所述的表面改性二氧化钛微粒的制备方法，其特征为，上述第6工序的精制工序，包含将表面改性二氧化钛微粒分散至水系溶剂后，通过有机溶剂沉淀使表面改性二氧化钛微粒沉降的工序。
全文摘要
通过二氧化钛与亲水性高分子的羧基以酯键进行化学修饰，得到不仅在中性附近并且在宽的pH范围的水系溶剂中分散性和稳定性良好的表面改性二氧化钛微粒和其分散液。此外，本发明的表面改性二氧化钛微粒的制备方法为，将2～200nm的二氧化钛粒子分散液与水溶性高分子溶液混合，通过在80～220℃下加热使两者发生酯键结合后，除去未结合水溶性高分子，精制表面改性二氧化钛微粒。
文档编号A61K47/48GK1764602SQ20048000806
公开日2006年4月26日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年3月31日
发明者曾根崎修司, 坂西俊明, 金平幸辉, 八木晋一, 大神有美 申请人:东陶机器株式会社