专利名称：制备三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球及方法
技术领域：
本发明涉及一种可应用于生物医学领域的复合材料，尤其是涉及一种制备三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球及方法。
背景技术：
具有多功能和新颖结构的聚合物微球已成为了材料研究人员关注的焦点。聚合物微球是指具有圆球形状且粒径在数十纳米到数百微米尺度范围内的聚合物粒子，由于具有如下特征而受到研究者的关注(1)小的粒子尺寸和体积使得整个粒子作为微反应器时对外界刺激具有响应性快和反应速率高口 ；(2)大的比表面积可作为吸附、脱附、化学反应和光散射等的位置。通常，Ig尺寸为IOOnm的聚合物粒子有数十平方米到数百平方米的表面积；C3)在介质中，聚合物粒子作于重力、电场和布朗运动时，具有高的渗透性和可运动性； (4)由于粒子之间的静电排斥作用、范德华力作用和体积排斥作用，聚合物微球的分散乳液能够长时间得到稳定存在；( 均一的尺寸分布和带有不同功能性基团的表面使得聚合物微球能够在更多的理论和实际中得到应用。随着研究的深入开展，人们已经理解了聚合物微球成核和增长的一般性规律，从而能够合成出具有尺寸均勻、化学结构和相结构可控的聚合物粒子。近二十年来，大量研究报道了一些纳米粒子能够被用于生物系统。特别是，采用高温油相法制备的超顺磁性的磁纳米粒子和量子点，由于其潜在的生物应用价值，已经吸引了很多研究人员的关注，能被广泛应用于磁共振成像(MRI)、药物的靶向治疗、荧光成像和生物传感器等。无机纳米粒子在生物应用方面取得了迅速的发展。但是，由于无机纳米粒子含有重金属元素，例如，钴、铬、锰、铁，因此，他们都具有细胞毒性，也使无机纳米粒子在生物应用方面受到了一定的限制。据文献报道，用生物相容性好的高分子包裹无机纳米粒子形成壳层能够防止有毒元素的溶解泄露，对减小细胞毒性效应和增加在水溶液中的化学稳定性是一个有效地方法。并且将高分子和无机纳米材料相结合得到复合材料，能将结合高分子和无机纳米粒子各自的优势，表现出了一些优异的性能，如机械性能、电性能、化学性能、光学性能等。但是，由于在无机纳米粒子和高分子单体之间缺少相互作用，很难在无机纳米粒子表面直接聚合高分子。因此，需要在无机纳米粒子和高分子层之间加入一个过渡层——二氧化硅壳层，起到相互连接的作用。无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的制备方法通常分为两类一，通过硅核(无机纳米粒子/二氧化硅)和高分子聚合物粒子之间的物理或物理化学的相互作用进行自组装；二，在硅核表面直接聚合反应单体。但是，这两种方法都存在自身的问题。首先要制备无机纳米粒子/ 二氧化硅组成的硅核，以此为模板，再进行自组装或直接聚合。自组装的方法很难控制微球形貌，并且在一定的化学环境中表面粒子容易脱落。直接聚合的方法反应过程不稳定，容易发生团聚，并且要求反应精细度很高。本发明采用了一种新的制备方法，在现有聚合方法的基础上进行了改进，克服了上述技术的不足。一般的聚合法中，硅壳和高分子壳的制备是在不同体系中进行的，因此需要将首先制得的硅核洗涤、纯化后在新的反应体系中进行聚合反应，实验过程繁琐，耗时长。本发明能够在一个体系中完成硅壳和高分子壳的制备，就省去了洗涤、纯化和更换反应体系的过程，而且采用蒸馏沉淀聚合发制备高分子壳，反应简单，聚合效率高。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种简单、高效的制备三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的方法，重点解决了在一个反应体系中进行硅核(无机纳米粒子/ 二氧化硅)的制备和表面聚合高分子这一问题，在反应过程中粒子分散性好，无沉淀或团聚现象。制备的具有核壳结构的无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球的平均粒径为 15 800nm，且粒径均勻，三层核壳结构明显，无机纳米粒子被完全包覆进入二氧化硅和高分子壳层中，拓展了无机纳米粒子在生物医学领域的应用。本发明的一种三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球，具有核壳结构的无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的平均粒径为15 800nm，三层核壳结构明显，无机纳米粒子被完全包覆进入二氧化硅和高分子壳层中。本发明的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的制备法方法，是采用蒸馏沉淀聚合法，在一个体系中完成硅壳和高分子壳的制备。具体步骤如下1)将无机纳米粒子分散在非极性有机溶剂中，加入亲水性高分子作为稳定剂；无机纳米粒子与亲水性高分子的质量比为1 5 1 200;2)将步骤1)的反应物加入到乙醇或/和乙腈的极性反应介质中，超声，搅拌均勻； 非极性有机溶剂与极性反应介质的体积比为1 5 1 20;3)向步骤2)的反应体系中加入正硅酸乙酯(TEOS)和氨水，无机纳米粒子与正硅酸乙酯的质量之比为1 100 1 10，氨水与正硅酸乙酯的体积之比为1 10 1 1; 反应12 48h ；4)向步骤3)的反应体系中加入乙烯基硅烷偶联剂(MPS)，乙烯基硅烷偶联剂 (MPS)与正硅酸乙酯的体积之比为1 3 3 1，反应6 Mh ；5)向步骤4)中加入交联剂、反应单体以及引发剂，交联剂与反应单体的体积之比为1 4 1 2，引发剂与反应单体的体积之比为1 1 5 1;6)将步骤5)的反应体系加热至80 95°C，待反应体系的溶剂蒸馏出一半，反应停止；经离心、洗涤，得到具有三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。所述的无机纳米粒子，是指平均粒径在1 IOOnm之间的金属纳米粒子、半导体纳米晶粒子或磁性纳米粒子中的一种或几种的组合。所述的无机纳米粒子选自Au、Ag、CdS、CdSe, CdTe, CdSe/CdS、CdSe/ZnS、CdSe/ ZnSe, CdTe/ZnS, CdTe/CdS、CdTe/ZnSe, CdSeTe 或!^e3O4 其中的一种或几种的组合。所述的非极性有机溶剂为三氯甲烷、环己烷、甲苯中的一种或几种的组合，且各组分的量可任意比例混合。所述的亲水性高分子为聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯亚胺(PEI)和聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)中的一种或几种的组合，且各组分的量可任意比例混合。
4
所述的的交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、二乙烯基苯(DVB)中的一种或两种的组合，且各组分的量可任意比例混合。所述的反应单体为甲基丙烯酸、苯乙烯中的一种或两种的组合，且各组分的量可任意比例混合。所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯甲酰(BPO)中的一种或几种的组合，且各组分的量可任意比例混合。所述的实验步骤6)在氩气的保护下进行。本发明与现有技术相比特征在于，本发明采用了亲水性高分子作为稳定剂，能够使无机纳米粒子在乙醇、乙腈等极性溶剂中分散均勻，不会产生团聚或沉淀现象。并且选择在乙醇、乙腈等溶剂中进行硅壳的制备，这是因为有利于控制和促进二氧化硅壳层的形成。 重要的是，用乙醇、乙腈作反应溶剂，以便能够采用蒸馏沉淀聚合的法制备高分子壳层，此方法耗时短，操作简单、聚合效率高，制备的复合微球粒径均勻。因此，本发明能够实现在一种反应溶剂中完成硅核(无机纳米粒子/二氧化硅)的制备和高分子壳层的聚合反应，省去了中间对硅核的纯化、洗涤和更换反应体系的过程，简化了实验过程，很大程度上缩短了实验时间。
图1 实施例1中制得的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球低倍照片。图2 实施例2中制得的复合微球的荧光光谱。图3 实施例4中制得的复合微球的磁响应性曲线。图4 实施例6中制得的复合微球的荧光光谱。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作出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，所给出的详细实施方式和过程，是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1 步骤一，称取2mg发射波长为517nm的CcKeTe量子点，将量子点溶于0. 5ml三氯甲烷中，加入IOmgPVP为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入30 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和15 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应12h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入30 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应他。步骤五，向步骤四的反应体系中加入15μ 1 Effl)MA、45yLMAA* 200yLAIBN(lg/ mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球。图1为制备的平均粒径为50nm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的低倍照片，如图所示，三层核壳结构的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团
5聚现象，三层核壳结构清晰、完整。实施例2 步骤一，称取Img发射波长为564nm的CcKe/ZnS量子点，将量子点溶于Iml三氯甲烷中，加入200mgPEI为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙腈中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入10 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和10 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应36h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入30 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入15 μ L DVB、60yL*Z.*60yL BPO(lg/ mL)，将体系加热至95°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。图2为制备的平均粒径为IOOnm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的荧光光谱，如图所示，荧光发射峰峰型良好，半峰宽较窄。实施例3 步骤一，称取^ig发射波长为650nm的Cdk量子点，将量子点溶于2ml环己烷中， 加入200mgPE0为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到5ml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入60 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和10 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入20 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应12h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入20μ 1 E⑶ΜΑ、20 μ L MAA和20 μ L苯乙烯、 200 μ LAIBN(lg/mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得平均粒径为80nm三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，三层核壳结构清晰、完整。实施例4 步骤一，称取2mg磁性纳米粒子狗304，将磁性纳米粒子溶于Iml甲苯中，加入 50mgPEI和50mgPVP为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到5ml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入200 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和20 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入100 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应他。步骤五，向步骤四的反应体系中加入10μ 1 E⑶MA和IOyL DVB、20yL MAA和 20yL苯乙烯，以及40yL AIBN和40yL BP0(lg/mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一
半时反应停止；经离心，洗涤，制得三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。图3为制得平均粒径为IOOnm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的磁响应性曲线，如图所示，磁相应曲线良好。
实施例5 步骤一，称取!BmgAu纳米粒子，将Au纳米粒子溶于0. 5ml甲苯和Iml三氯甲烷中， 加入 20mgPEI、20mgPVP 和 20mgPE0 为稳定剂；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入50 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和10 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入70 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入10 μ 1 E⑶MA和10 μ L DVB,40 μ L MAA,以及 40 μ L AIBN和40yL BPO (lg/mL)，将体系加热至80°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得平均粒径为200nm三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。实施例6 步骤一，称取0. 5mg发射波长为564nm的CdTe/CdS量子点和0. 5mg发射波长为 650nm的CdS量子点，将量子点溶于2ml三氯甲烷中，加入150mgPE0为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入80 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和20 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入80 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入15 μ 1 E⑶ΜΑ、25 μ L MAA和25 μ L苯乙烯，以及50 μ L AIBN和50 μ L BPO (lg/mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止； 经离心，洗涤，制得三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。图4为制得平均粒径为300nm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的荧光光谱，如图所示，荧光发射峰峰型良好，半峰宽较窄，双峰能被分离。实施例7:步骤一，称取Img磁性纳米粒子!^e3O4和lmgCdSe/S^e量子点，将磁性纳米粒子和量子点溶于Iml甲苯和Iml三氯甲烷中，加入50mgPE0和50mgPVP为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到5ml乙腈和IOml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入100 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和30 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入100 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入10μ 1 E⑶MA和IOyL DVB、25yL MAA和 25 μ L苯乙烯，以及50 μ LAIBN(lg/mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得平均粒径为500nm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。实施例8 步骤一，称取ImgAu纳米粒子和Img CdTe/CdS量子点，将Au纳米粒子和量子点溶于Iml环己烷和Iml三氯甲烷中，加入50mgPE0和50mgPEI为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入80 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和30 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入120 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入10 μ 1 E⑶MA和10μ lBP0、60yLMAA，以及 120 μ LAIBN(lg/mL)，将体系加热至90°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得平均粒径为SOOnm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。实施例9 步骤一，称取ImgAg纳米粒子和Img磁性纳米粒子Fii3O4，将Au纳米粒子和磁性 Fe3O4溶于Iml环己烷和Iml三氯甲烷中，加入50mgPE0和50mgPEI为稳定剂，超声分散均勻；步骤二，将步骤一的反应物加入到IOml乙腈和5ml乙醇中，搅拌至体系均勻；步骤三，向步骤二的反应体系中加入80 μ 1正硅酸乙酯(TEOS)和30 μ 1氨水，搅拌速度为3000r/min，反应48h。步骤四，向步骤三的反应体系中加入120 μ 1硅烷偶联剂(MPS)，反应10h。步骤五，向步骤四的反应体系中加入10μ 1 E⑶MA和10μ lBP0、60yLMAA，以及 120 μ LAIBN(lg/mL)，将体系加热至85°C，待溶剂蒸馏出一半时反应停止；经离心，洗涤，制得平均粒径为400nm的三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。制备的复合微球粒径均勻，分散性良好，无团聚现象，核壳结构清晰、完整。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球，其特征是具有核壳结构的无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球的三层核壳结构，平均粒径为15 800nm,无机纳米粒子能被完全包覆进入二氧化硅和高分子壳层中。
2.权利要求1的三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球的制备法方法，其特征是采用蒸馏沉淀聚合法，在一个体系中完成硅壳和高分子壳的制备。
3.如权利要求2的方法，其特征是1)将无机纳米粒子分散在非极性有机溶剂中，加入亲水性高分子作为稳定剂；无机纳米粒子与亲水性高分子的质量比为1 5 1 200;2)将步骤1)的反应物加入到乙醇或/和乙腈的极性反应介质中，超声，搅拌均勻；非极性有机溶剂与极性反应介质的体积比为1 5 1 20;3)向步骤2)的反应体系中加入正硅酸乙酯和氨水，无机纳米粒子与正硅酸乙酯的质量之比为1 100 1 10，氨水与正硅酸乙酯的体积之比为1 10 1 1;反应12 48h ；4)向步骤3)的反应体系中加入乙烯基硅烷偶联剂，乙烯基硅烷偶联剂与正硅酸乙酯的体积之比为1 3 3 1，反应6 Mh ；5)向步骤4)中加入交联剂、反应单体以及引发剂，交联剂与反应单体的体积之比为 1 4 1 2，引发剂与反应单体的体积之比为1 1 5 1;6)将步骤5)的反应体系加热至80 95°C，待反应体系的溶剂蒸馏出一半，反应停止； 经离心、洗涤，得到具有三层核壳结构无机纳米粒子/ 二氧化硅/高分子复合微球。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的无机纳米粒子，是指平均粒径在1 IOOnm之间的金属纳米粒子、半导体纳米晶粒子或磁性纳米粒子中的一种或几种的组合。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是所述的无机纳米粒子选自Au、Ag、CdS、CdSe, CdTe,CdSe/CdS,CdSe/ZnS,CdSe/ZnSe,CdTe/ZnS,CdTe/CdS,CdTe/ZnSe,CdSeTe 或 Fe3O4 其中的一种或几种的组合。
6.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的非极性有机溶剂为三氯甲烷、环己烷、甲苯中的一种或几种的组合。
7.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的亲水性高分子为聚环氧乙烷、聚乙烯亚胺和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种的组合。
8.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的的交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯、二乙烯基苯中的一种或两种的组合。
9.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的反应单体为甲基丙烯酸、苯乙烯中的一种或两种的组合。
10.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的引发剂为偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰中的一种或几种的组合。
全文摘要
本发明涉及一种制备三层核壳结构无机纳米粒子/二氧化硅/高分子复合微球及方法。复合微球的平均粒径为15～800nm，且粒径均匀，三层核壳结构明显，无机纳米粒子被完全包覆进入二氧化硅和高分子壳层。本发明采用了亲水性高分子作为稳定剂，能够使无机纳米粒子在乙醇、乙腈等极性溶剂中分散均匀，不会产生团聚或沉淀现象，能够实现在一种反应溶剂中完成硅核的制备和高分子壳层的聚合反应，省去了中间对硅核的纯化、洗涤和更换反应体系的过程，简化了实验过程，很大程度上缩短了实验时间。而且采用蒸馏沉淀聚合发制备高分子壳，反应简单，聚合效率高。
文档编号C08K3/08GK102344632SQ20111015781
公开日2012年2月8日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者刘俊庆, 宋涛, 常津, 张琼文, 李云红 申请人:天津大学