單分散PS/PGMA核-殼型高分子微球的制備與表征

段 殷 ，左 鋒 ，柴宏森 ，劉建華 ，王冬梅 ，徐 亮 ，周 晶

（1.天津醫科大學藥學院,天津市臨床藥物關鍵技術重點實驗室，天津300070；2.天津市出入境檢驗檢疫局，天津300457；3.湖北沙隆達股份有限公司，湖北434001）

核-殼型結構的復合高分子微球制備簡便，可實現不同材料多種性能的互補，在醫學、檢驗、生物工程等領域具有廣泛的應用前景[1-3]。核-殼型高分子微球的制備方法有很多種，常用的有分散聚合[4-5]、乳液聚合[6]、沉淀聚合[7]、懸浮聚合[8-9]、種子聚合等[10-11]。其中種子聚合法(Seeded polymerization)是在粒徑均一的種子微球上共聚上特定的單體，制備得到核-殼型高分子微球，由于其具有可控性好，反應穩定等優點得到了廣泛應用。有研究者以聚苯乙烯（PS）為種子，采用種子聚合法將SiO2包覆于微球的表面，制備出了PS/SiO2復合微球[12]。在制備核-殼型微球的同時引入Fe3O4納米粒，制備了磁性SiO2復合納米粒[13]。這些研究工作的開展都證明了種子聚合方法的優越性。本研究采用種子乳液聚合方法制備核-殼型聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PS/PGMA）微球，通過本研究可以開發出一種在PS微球的表面引入活性強的環氧基基團（來自GMA）的制備方法，從而克服PS不易改性的缺點，拓展其應用范圍。通過對制備條件進行考察，可以實現對此核-殼型微球粒徑的可控制備。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑 TecnaiG2 F20場發射透射電子顯微鏡（FEI公司）；Nicolet380型傅里葉變換紅外光譜儀（尼高力公司）；DelsaTMNano C納米粒度及zeta電勢分析儀（Beckman Coulter）；RE52CS旋轉蒸發儀（上海亞榮生化儀器廠）；WE-2水浴恒溫振蕩器（天津市歐諾儀器儀表有限公司）

過硫酸鉀（KPS）、氫氧化鈉（NaOH）、無水氯化鈣：均為分析純；十二烷基磺酸鈉（SDS）：電泳級；苯乙烯（St）：分析純，經堿洗減壓蒸餾去除阻聚劑；GMA：純度為96%。上述試劑均購自聯星生物科技有限公司（天津）。

1.2 單分散PS種子微球的制備 100mL錐形瓶中加入40mL 0.2%KPS與0.12%SDS水溶液，4mL St，吹N210min后，密封乳化 10min，水浴加熱至70℃振搖反應12 h。

1.3 核-殼結構的PS/PGMA微球的制備 在三口燒瓶中加入40mL上述制備的PS種子微球，再加入一定量的GMA與10mL 0.4%KPS水溶液，70℃攪拌反應10 h。

1.4 微球的表征 高分子微球的形貌和表面結構采用場發射透射電子顯微鏡（TEM）觀察和測定，將分散在水中的高分子微球取一滴滴在覆有碳膜的銅網上，晾干后用TEM觀測。采用溴化鉀（KBr）壓片法測定PS種子和PS/PGMA微球的紅外光譜（IR）。

2 結果

2.1 PS/PGMA微球制備條件的考察和優化

2.1.1 PS種子的粒徑對PS/PGMA微球粒徑大小的影響 本研究首先考察了PS種子粒徑對制備的PS/PGMA微球粒徑的影響，結果表明PS/PGMA微球粒徑隨著種子粒徑的增大而增大。例如實驗中分別使用粒徑為（120.4±23.2）nm 和（131.2±30.4）nm的PS種子，所制得的PS/PGMA微球粒徑分別為（134.3±29.6）nm 和（147.7±40.8）nm。制得 PS/PGMA微球的多分散系數（PDI）分別為0.076和0.093。

2.1.2 KPS濃度對PS/PGMA復合微球粒徑的影響 實驗采用種子聚合法制備核-殼型微球，要求能使反應單體在PS種子上產生自由基鏈聚合反應且反應單體不單獨成核，因此對引發劑濃度的考察十分必要。由表1可見隨著KPS濃度的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑具有先增大后減小的趨勢。

表1 KPS加入量對微球粒徑的影響Tab 1 Effectof KPSconcentration on the particle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.3 SDS濃度對PS/PGMA微球粒徑大小的影響 乳化劑SDS的濃度對PS/PGMA微球粒徑的影響結果見表2。由表2可見隨著SDS濃度的增大，PS/PGMA微球粒徑逐漸增大，在SDS濃度為0.1%時達到最大值，當SDS濃度繼續增大時，PS/PGMA微球粒徑反而變小。

表2 不同SDS濃度對微球粒徑的影響Tab 2 Effectof SDSconcentration on theparticlesizeof the preparedm icrospheres

2.1.4 GMA單體用量對PS/PGMA微球粒徑的影響 不同單體濃度對粒徑大小及分布的影響結果見表3，從表3中可看出PS/PGMA微球的粒徑隨GMA單體加入量的增加而增大。

表3 GMA單體用量對微球粒徑的影響Tab 3 Effectof theam ountsof GMA on theparticle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.5 反應時間對PS/PGMA復合微球粒徑的影響 在反應進行過程中，對所形成微球的粒徑進行了實時監測，結果見圖1。隨著反應時間的增加，PS/PGMA微球的粒徑隨之增大。至反應5 h后，測得粒徑大小幾乎保持不變，此時高分子微球粒徑增長過程基本結束。在制備過程中，為了保證GMA轉化完全，反應一般進行時間為10 h。

2.2 PS/PGMA微球的表征

2.2.1 PS/PGMA微球的紅外光譜鑒定 PS種子和PS/PGMA微球的紅外光譜見圖2，比較兩種微球的吸收峰位發現，核-殼型PS/PGMA微球的紅外光譜分別在1 729 cm-1和1 128 cm-1處有兩個吸收峰。其中，1 729 cm-1處的吸收峰為GMA羰基伸縮振動的特征吸收峰；1 128 cm-1處的吸收峰為碳氧單鍵的伸縮振動峰。而在PS種子的紅外圖譜的相同位置并不存在吸收峰。該紅外譜圖的結果說明了GMA成功的包覆在PS種子上，形成了PS/PGMA核-殼型結構的微球。

2.2.2 PS/PGMA微球的形貌特征 由圖3可見，TEM照片中PS/PGMA微球具有良好的球形度，分布基本均勻。從圖中可清晰地看到所制備的微球具有核-殼型結構，進一步證明了GMA包覆在了PS微球的表面。

3 討論

本文利用種子聚合法制備了納米級單分散核-殼型PS/PGMA高分子微球。考察了制備條件對微球粒徑產生的影響。其中KPS濃度、SDS濃度、GMA加入量是影響粒徑的關鍵因素。第一，以KPS為引發劑，將GMA共聚于PS種子的表面，當增加引發劑濃度時，產生的自由基數目逐漸增多，形成微球的粒徑隨之增加。但是當KPS濃度過高時，引發的自由基數目會顯著增加，即單體成核數目增加，從而導致微球粒徑減小。因此隨著KPS濃度的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑具有先增大后減小的趨勢。第二，在種子聚合過程中，乳化劑SDS對制備的微球的粒徑產生顯著影響。分析表2的結果認為，GMA為疏水性單體，當SDS濃度較低時，形成的膠束濃度低，對GMA的增溶作用較小，因此所形成的GMA殼層薄。而當SDS濃度過高時雖然形成的膠束濃度高，但由于GMA單體的量有限，導致膠束中GMA的濃度較低，同樣使得形成的GMA殼層厚度變薄，最終使得微球粒徑減小。第三，隨著GMA單體加入量的增加，制備出的PS/PGMA微球粒徑隨之增大。這是因為當GMA含量逐漸增多時，聚合在PS種子上的GMA單體量也會隨之增加，因而微球的粒徑會增大。

本研究結果證明，采用本方法可以制備得到核-殼結構的PS/PGMA微球。選用兩種性能互補的材料，PS為種子微球，GMA為聚合單體，與之前報道相比具有如下優勢：（1）采用簡便、低成本的制備方法，以水為分散相，KPS為引發劑進行乳液聚合反應，避開使用價格相對較高的陽離子引發劑AIBN和穩定劑PVP，最終制備出穩定、球型度好且表面易改性的實用型納米級單分散復合微球。（2）通過在PS微球的表面引入GMA，利用其表面富含的環氧基，可以實現對PS/PGMA微球的功能基化改性，克服PS微球不易改性的缺點，同時GMA包覆在PS微球外部，可以克服PS微球本身非特異性吸附的缺點。

利用本方法制備的PS/PGMA微球易于表面改性，拓展了其應用范圍，使其可以應用于諸如免疫診斷、靶向藥物、蛋白分離等生物化學和生物醫學領域。例如，本課題組已將該微球用作體外免疫診斷試劑的載體，將β2-微球蛋白（β2MG）抗體偶聯在此微球上，制備得到β2MG膠乳增強免疫診斷試劑，利用此檢測試劑測定人血液和尿液中的β2MG含量，檢測結果與商品化試劑（東甌RK66A/Z檢測試劑盒）測試的結果具有較高的一致性，且現有研究結果證明PS/PGMA微球制備的診斷試劑盒具有更好的穩定性與測定結果重現性，相關工作正在進一步開展中。

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