一种功能化磁性微球及其制备方法和应用与流程

本发明属于高分子材料，涉及一种功能化磁性微球及其制备方法和应用。

背景技术：

1、磁性聚合物微球是由具有超顺磁性的无机磁性材料(铁、钴、镍及其氧化物等)和有机聚合物结合的粒径在几百纳米至几微米左右的球形磁性材料。一方面，磁性微球具有高分子或生物分子的功能特性，可以通过共聚、表面改性等化学反应使高分子微球的表面带有多种功能基团，从而与抗体、抗原或其他生物分子进行偶联以实现特定的生物识别、分子捕获和释放等功能。另一方面由于其又具有磁性材料的超顺磁性和灵敏的磁响应性，在外加磁场的条件下能够快速响应，且能量消耗小、操作简单方便。因此，磁性聚合物微球作为一种新型功能高分子材料，在药物装载、靶向治疗、核磁共振造影剂、固定化酶、分离纯化生物分子和体外诊断等生物医学领域的核酸提取已经得到了广泛的关注和应用。为满足生物医学领域的应用，磁性聚合物微球需要满足具有良好的生物相容性、高饱和磁化强度、良好的球形均质结构、分散稳定性、较低的非特异性吸附和表面丰富的官能团含量等特点。

2、目前从磁性微球的结构上可以分为弥散型、核壳型、夹层型和中空型四种。现有文献和专利中合成磁性聚合物微球的制备方法较为成熟，主要有分散聚合法、悬浮聚合法、界面沉积法和种子聚合法等。分散聚合法可以对制备的磁性微球粒径大小和形状分布实现精确控制，但此方法所制备的磁性微球质量不均一，大多具有粒径分布不均匀、磁含量低、表面功能基团少等缺点。悬浮聚合法或乳液聚合法是将磁性纳米粒子分散在高分子单体或溶液中形成水包油型乳液，在悬浮状态下进行聚合反应形成微球。其缺点是高分子材料和磁性纳米粒子间的亲和性差，在单体聚合时由于磁性纳米粒子亲水性强，导致包埋效率低。并且微球表面附着大量的磁性颗粒，难以洗脱，影响生物活性物质在固定或分离时的生物活性。界面沉积法是通过静电作用将带正电的磁性纳米粒子吸附在带负电的高分子微球表面，然后再在其表面包覆一层高分子材料。此方法可以通过在界面引入不同的物质来实现对磁性微球的功能化修饰，以适应不同的需求。但由于每个磁性微球表面只能吸附一层磁性纳米粒子，磁珠的含磁量较低，并且该方法的稳定性取决于界面的稳定性，一些界面沉积法的操作流程复杂、制备成本较高。种子聚合法首先把种子微球在含有单体、引发剂、稳定剂和表面活性剂的水溶液中溶胀，然后通过加热引发聚合，该方法具有磁含量均匀、表面功能基团丰富和粒径均一的优点，是目前磁珠市场主要的生产方法。但是种子聚合法包括多个实验步骤，操作较为复杂，需要适当的实验条件和技术，并且基于种子聚合法制备的磁性微球多为多孔结构，先以磁性纳米粒子沉积在孔道内，外层再包覆功能化聚合物，这种方法制备的磁珠会有漏磁的风险，磁响应性降低。并且由于聚合物外壳和磁性纳米粒子的亲疏水性不一致会引起非特异性吸附，导致磁性微球的灵敏度低，提取效率低，检测误差大。

3、生物磁珠虽在生物医学领域的应用十分广泛，但仍存在着制备方法复杂、磁珠性能低和进口成本较高等问题。进口品牌磁珠的制备技术和在生物医学领域的应用都十分成熟，但其价格是国产的5～6倍，而目前国产磁珠并没有掌握磁珠制备的核心技术，制备得到的磁珠依旧存在粒径分布宽、磁性弱、易漏磁、特异性差和功能化程度偏低等缺点。因此，有必要开发一种工艺流程操作简便、原料成本低、粒径均一、磁含量高并且表面功能化丰富的新型磁性聚合物微球。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有磁珠粒径不均一、赋磁效果差、表面功能化弱的技术问题，提供一种磁含量高、磁稳定性强、纳米粒子分布均匀、表面功能化强的磁性微球。

2、本发明的一个目的在于提供一种功能化磁性微球，所述的功能化磁性微球以聚合物微球为核，在聚合物微球表面通过原位赋磁形成四氧化三铁层，在四氧化三铁层外包覆二氧化硅壳。

3、在上述功能化磁性微球中，所述的功能化磁性微球的多分散指数小于0.1。

4、在上述功能化磁性微球中，所述的聚合物微球的粒径为0.2-10μm。

5、在上述功能化磁性微球中，所述的聚合物微球由单体一、单体二聚合而成。

6、作为优选，所述的聚合物微球具体通过如下方法制得：将单体一、单体二和乳化剂溶解在乙醇/水混合液中，氮气气氛下搅拌后加入引发剂，接着加热聚合反应得聚合物微球。

7、氮气气氛下将混合溶液搅拌一段时间，可以除去反应体系中的氧气。大部分的聚合物微球是通过单体的自由基反应来实现的，首先加入引发剂，引发剂在适当的温度下分解生成两个自由基，单体通过自由基加到聚合链的末端，不断传递延长聚合链，最终形成高分子聚合物。其中氮气气氛除氧气，是因为氧气会阻断自由基的聚合。在共聚体系中，功能单体将提供特定的官能基团，具有各种表面官能团的聚合物微球在生物学、医学分析、蛋白质合成、色谱、涂层等领域有着广泛的应用。

8、作为优选，所述的单体一、单体二独自选自苯乙烯、甲基苯乙烯、对氨基苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯、丙烯酰胺、马来酸、苯乙烯磺酸钠盐中一种或多种。本发明聚合物微球选用的单体一、单体二表面负有多种功能基团，功能基团包括但不限于羧基、磺酸基、氨基等，可以使合成得到的聚合物微球表面富有功能基团，进而在后续赋磁过程中，为铁离子和亚铁离子提供大量的结合位点，进一步使铁离子、亚铁离子与聚合物微球络合更完全，更稳定，提高聚合物微球表面赋磁量，同时赋磁更均匀。

9、进一步优选，高分子聚合物微球包括聚(苯乙烯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)、聚(苯乙烯-丙烯酸丁酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)、聚(苯乙烯-苯乙烯磺酸钠)中的一种或多种。

10、在上述功能化磁性微球中，单体一占高分子聚合物微球的交联比例在20％-99％之间，单体二占高分子聚合物微球的交联比例在1％-20％之间。

11、作为优选，所述的乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、辛基磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。

12、作为优选，乳化剂的质量占单体总质量的0-0.5％。通过控制乳化剂的用量控制微球的粒径大小。

13、作为优选，乙醇/水混合液中乙醇、水的体积比为(0:1)-(0.2:1)。

14、作为优选，氮气气氛下搅拌可以使用任意搅拌方式，也包括机械搅拌，机械搅拌速率为200-500r/min。

15、作为优选，引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈、2,2-偶氮二(2-甲基丙基咪)二盐酸盐中的一种或多种。

16、作为优选，引发剂的质量占单体总质量的0.5-1％。

17、作为优选，聚合反应的温度为70-90℃，反应时间为8-24h。

18、在上述功能化磁性微球中，在聚合物微球表面赋磁前先将聚合物微球溶液的ph调节至5-8。在赋磁前，通过调节聚合物微球溶液的ph值，改变聚合物微球表面的功能基团为离子态，在赋磁过程中可以使微球表面的基团捕获混合液中的铁离子、亚铁离子，更有利于提高磁性微球的磁含量和磁稳定性，还可以使微球表面磁性纳米粒子分布更加均匀。

19、在上述功能化磁性微球中，在聚合物微球表面赋磁形成四氧化三铁层的赋磁量达到40wt％以上。

20、作为优选，在聚合物微球表面赋磁形成四氧化三铁层的赋磁量达到50wt％以上。

21、作为优选，通过如下步骤在聚合物微球表面赋磁形成四氧化三铁层：取聚合物微球溶液，先调节聚合物微球溶液的ph值至5-8；在氮气气氛下，加入由铁盐和亚铁盐混合的铁离子溶液，搅拌后调节ph值至7-11，再升温，直至铁离子和亚铁离子水解、成核并络合在聚合物微球表面，磁分离，清洗得磁性聚合物微球，保存于水中。

22、进一步优选，聚合物微球的质量为0.1-2.0g。

23、进一步优选，使用氨水或盐酸调节聚合物微球溶液的ph值，调节ph至5-8。

24、进一步优选，铁离子溶液中fe2+和fe3+摩尔比为(1:1)-(1:3)。

25、进一步优选，铁离子溶液加入后进行机械搅拌，机械搅拌速率为200-600r/min，搅拌时间为1-12h。机械搅拌会影响反应。

26、进一步优选，加入铁离子溶液后，使用氨水或氢氧化钠调节ph值至7-11。

27、进一步优选，四氧化三铁的成核反应温度为70-90℃，反应时间为0.5-3h。

28、上述功能化磁性微球包覆二氧化硅壳，使磁性聚合物微球表面修饰大量的羟基。

29、具体通过如下步骤在四氧化三铁层外包覆二氧化硅壳：将磁性聚合物微球分散于乙醇/水混合液中，超声混合后加入氨水，继续超声，再加入正硅酸乙酯，机械搅拌得夹层型的聚合物微球/四氧化三铁层/二氧化硅壳的功能化磁性微球。

30、作为优选，磁性聚合物微球分散在乙醇/水混合液中，乙醇、水的体积比为(1:1)-(1:5)。

31、作为优选，加入氨水的体积为0.01-10ml。

32、作为优选，加入正硅酸乙酯的体积为0.1-10ml。

33、作为优选，机械搅拌的温度为30-50℃，时间为5-24h。加入氨水使反应体系为碱性，正硅酸四乙酯在碱性条件下在该温度下水解为二氧化硅，包覆在磁性聚合物微球表面。

34、本发明的另一个目的还在于提供一种上述功能化磁性微球的制备方法，包括如下步骤：

35、(1)将单体一、单体二和乳化剂溶解在乙醇/水混合液中，氮气气氛下搅拌后加入引发剂，接着加热聚合反应得聚合物微球，清洗后保存于水中；

36、(2)取聚合物微球溶液，先调节聚合物微球溶液的ph值至5-8；在氮气气氛下，加入由铁盐和亚铁盐混合的铁离子溶液，搅拌，接着调节ph值至7-11，再升温，铁离子和亚铁离子水解、成核并络合在聚合物微球表面，磁分离，清洗后得磁性聚合物微球，保存于水中；

37、(3)向磁性聚合物微球中分散于乙醇/水混合液中，超声混合后加入氨水，继续超声，再加入正硅酸乙酯，室温机械搅拌得到夹层型的聚合物微球/四氧化三铁层/二氧化硅壳的功能化磁性微球。

38、本发明的另一个目的还在于提供上述功能化磁性微球在提取核酸中的应用。

39、本发明的功能化磁性微球粒径为600-700nm，具有比表面积大、悬浮性好等优势。且因为磁性微球表面含有丰富的硅羟基，可以在酸性/碱性环境下可逆的捕获和释放核酸。因此，本发明功能化磁性微球可以在提取核酸中的广泛应用。

40、具体提取流程为：向血浆中加入裂解液使组织蛋白与dna分离，然后加入磁珠进行捕获dna，再通过外加磁场进行分离，最后加入洗脱液进行洗脱得到纯化的dna。

41、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

42、1.本发明功能化磁性微球是夹层型的微球，从内到外依次包括聚合物微球/四氧化三铁层/二氧化硅壳，聚合物微球是使用两个或两个以上单体通过一步反应合成，而并非常规的种子法或溶胀法需要先形成聚合物模板，不仅合成方法简便，且单体中带有的功能性基团可以在后续赋磁过程中，为铁离子和亚铁离子提供大量的结合位点，进一步使铁离子、亚铁离子与聚合物微球络合更完全，更稳定，提高聚合物微球表面赋磁量，同时赋磁更均匀。

43、2.本发明功能化磁性微球中赋磁形成四氧化三铁前先调节聚合物微球溶液的ph值，改变聚合物微球表面的功能基团为离子态，在赋磁过程中可以使微球表面的基团更容易捕获混合液中的铁离子、亚铁离子，更有利于提高磁性微球的磁含量和磁稳定性，还可以使微球表面磁性纳米粒子分布更加均匀。

44、3.本发明功能化磁性微球表面的磁性纳米粒子分布更均匀、粒径均一、磁含量高、磁响应快和表面功能基团丰富的特点，可提取到较高质量的核酸，为后续研究奠定基础。还解决了磁性微球表面存在着亲疏水性不一致和易漏磁的问题。且本发明功能化磁性微球的合成方法简单、成本低、产率高。