磁性聚合物刷的制備、功能化及其應用

陳凱敏， 李 凱， 郭旭虹

（1. 上海工程技術大學化學化工學院，上海 201620；2. 華東理工大學化工學院，上海 200237）

近年來，表面帶有大量聚合物鏈的聚合物刷引起了很多研究人員的興趣，較高的接枝密度和超豐富的表面功能基團使其在納米催化、蛋白純化與分離、藥物控釋等領域都具有廣闊的應用前景。磁性納米粒子（MNP）的引入進一步豐富了聚合物刷的功能性。另一方面，磁性納米粒子本身也存在一些缺陷，從而限制了其在多個領域的應用。當磁性納米粒子與聚合物材料復合后，可以形成結構穩定、性能優良的功能材料，解決了磁性納米粒子自身的不足。磁性聚合物刷結合了磁性納米粒子與聚合物刷的優點，通常具有較小的尺寸、大的比表面積、超順磁性以及優異的分散性和生物相容性，因此這類復合材料在諸如蛋白質的分離與提純、靶向載藥、分析檢測以及催化增強和污水處理等領域都有潛在的廣泛應用。

磁性納米粒子的種類有很多，比較常見的有鐵（Fe）和鈷（Co）及鐵的氧化物（Fe3O4、γ-Fe2O3），還有尖晶石結構的MgFe2O4、MnFe2O4、CoFe2O4、NiFe2O4以及金屬合金類的CoPt3和FePt 的磁性粒子[1-3]。一般認為尺寸小于20 nm 的磁性納米粒子會表現出超順磁性，即在磁場中具有快速的磁響應，當磁場消失后其磁性又隨之消失[4]。鐵氧化合物具有來源廣、易制備等特點，以及超順磁性等優良特性，因而成為最為常用的磁性納米粒子材料之一。

磁性聚合物刷由于其優良的性質，在興起之時就得到大批學者的關注和研究，使這一類型的高分子復合材料不僅在設計、制備方面得到極大的創新和發展，在應用領域也掀起了一股研究熱潮。本文綜述了近年來磁性聚合物刷的相關研究，闡述相關的新技術、新方法，并對其今后的發展進行展望。

1 磁性聚合物刷的制備

磁性聚合物刷由磁性內核與聚合物刷外殼組成。通常在結構設計上，將單個或者多個磁性納米粒子的聚集體作為核，功能性聚合物鏈作為刷層接枝在核的表面。磁性內核的制備是磁性聚合物刷的關鍵技術，研究人員在磁性內核的設計與制備上進行了大量的工作。可以將磁性聚合物刷分為單核磁性聚合物刷和復核磁性聚合物刷。如圖1（a）所示，直接在磁性納米粒子或者磁性納米粒子的聚集體表面進行功能聚合物修飾，稱為單核磁性聚合物刷，由于磁性納米粒子的影響，聚合物的種類和可控性受到一定程度的影響。磁性納米粒子的存在可能會影響高分子鏈的接枝效率[5]，從而限制了聚合物的應用范圍。如果在磁性單核表面包覆一層聚合物形成復核，雖然在一定程度上削弱了磁性納米粒子的磁性能[6]，卻可以極大地增加磁性聚合物刷的應用價值。這類具有磁性復核結構的聚合物刷稱為復核磁性聚合物刷，如圖1（b）所示。磁含量可以通過調整磁性納米粒子與聚合單體的質量比進行控制，聚合物刷層的引入使得對鏈長的控制也得到了極大的改善。

圖 1 磁性聚合物刷的結構Fig. 1 Structure of magnetic polymer brush

1.1 單核磁性聚合物刷

這類磁性聚合刷通常對磁性納米粒子進行一個簡單的修飾，如硅烷偶聯劑等。然后通過不同的方法將功能性聚合物刷接枝在磁性納米粒子的表面。Galeotti 等[7]報道了用3 種不同的表面改性劑（3-氨基丙基三氧基硅烷(APTES)、3-氯丙基三氧基硅烷(CPTES)、2-(4-氯磺基苯基)乙基三氯硅烷(CTCS)）對磁性納米粒子進行表面改性的研究，制備了單核磁性聚合物刷，如圖2 所示。以CTCS 接枝劑包覆的磁性納米粒子為例，使用原子轉移自由基聚合（ATRP）法接枝了聚甲基丙烯酸 (PMMA) 鏈，鏈密度約為0.6個/nm2。Ohno 等[8]在具有ATRP 起始位點的三乙氧基硅烷衍生物存在的情況下，通過配體交換反應對Fe3O4納米粒子進行表面修飾，使其通過ATRP 法接枝了PMMA 刷，平均接枝密度為0.7 個/nm2。Song 等[9]通過ATRP 和開環反應將智能聚合物刷接枝在Fe3O4納米顆粒的表面上。Farrukh 等[10]采用表面引發常規自由基聚合方法，在磁性納米顆粒Fe3O4上生長聚（2-氨基甲基丙烯酸乙酯鹽酸鹽）(poly-AEMA·HCl)鏈。Panahi 等[11]使用3-巰基丙基三甲氧基硅烷修飾的氧化鐵納米顆粒，然后接枝聚[N-異丙基丙烯酰胺-co-烯丙基縮水甘油基/亞氨基二乙酸]（P(MNG-IAN)）。

1.2 復核磁性聚合物刷

圖 2 使用3 種不同的表面改性劑制備單核磁性聚合物刷的示意圖[7]Fig. 2 Schematic diagram of preparation of magnetic polymer brush with a single core using three different surface modification agents[7]

為了提高對功能性聚合物刷層的可調性，一些研究者也采用復核的方式接枝功能性聚合物制備復核磁性聚合物刷，最常見的復核包覆層是無機SiO2和有機聚合物。接枝聚合物刷的方法有基于表面引發（Surface-initiated）技術的ATRP 法、可逆加成斷裂鏈轉移聚合（RAFT）、光乳液聚合法等。由于SiO2的密度比聚合物大很多，SiO2復核在制備磁性聚合物刷過程中，可利用離心等操作進行快速分離純化，對外磁場的響應也相對較快。另外，SiO2具有良好的生物相容性，在生物醫學相關領域的應用中有獨特的優勢，特別是在體內診斷和治療領域優勢更為顯著。基于SiO2復核的磁性聚合物刷是以SiO2表面的硅羥基為主要活性基團，而基于聚合物復核的磁性聚合物刷多以表面殘留的活性自由基進行后續反應，可選擇的聚合單體范圍廣。在應用領域方面，基于聚合物復核的磁性聚合物刷可用于廢水處理等不需要生物相容性要求的相關領域。

1.2.1 基于SiO2復核的磁性聚合物刷 Ma 等[12]設計并使用新型的表面引發光催化聚合法(SI-PIMP)制備了磁性聚合物刷，由具有高磁響應的Fe3O4磁核、促進微球穩定性并提供錨定位點的介孔SiO2中間層和作為防污定向抗體固定化層的聚合物刷三部分組成。Bayramoglu 等[13]先以SiO2包覆磁性納米粒子，然后通過表面引發原子轉移自由基聚合法(SIATRP)接枝聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)，制備了以SiO2為復核的磁性聚合物刷，具體制備方法如圖3 所示。Ohno 等[14]首先制備了超順磁性鐵氧體納米粒子組成的單分散磁性納米粒子簇（MNCs），隨后通過四乙氧基硅烷的水解將MNC 包覆一層SiO2（SiO2微球粒徑為200 nm），最后使用ATRP 法接枝平均密度為0.65 個/ nm2的PMMA。Cai 等[15]利用反相微乳液技術和可逆加成斷裂鏈轉移聚合法制備結構清晰的親水性聚（N-異丙基丙烯酰胺）刷。

1.2.2 基于聚合物復核的磁性聚合物刷 在使用聚苯乙烯包覆磁性納米粒子制備磁性聚苯乙烯復核的研究中，本課題組作出了系統的研究工作。2011 年，Chen 等[5]首先通過共沉淀法合成油酸改性磁性納米粒子，由細乳液聚合封裝磁性納米粒子獲得磁性聚苯乙烯復核(MPL)，最后通過光乳液聚合法制備磁性球形聚電解質刷(MSPB)，具體制備方法如圖4 所示。發現磁含量、pH 等因素對MSPB 磁分離效率有顯著影響，并且磁分離后MSPB 再分散的性能良好，多次循環后仍能保持良好的分散狀態。廖丹葵[16]等也用類似的方法制備了復核磁性聚電解質刷，不同的是其使用了安息香丙烯酸酯(BA)為光引發劑原料。Deng 等[17]以聚多巴胺包覆磁化石墨烯氧化物為原料，通過SI-ATRP 方法接枝聚（3-丙烯酰胺基苯硼酸）(PAAPBA)聚合物刷，制備了一種新型的硼酸鹽親和材料。

另外，還有一類特殊的磁性聚合物刷，如Zhu 等[18]先合成了球形聚丙烯酸刷，然后用其作為納米反應器，用常規和反向共沉淀法在聚合物刷結構中原位制備磁性納米粒子，得到了超細磁性納米粒子（粒徑約為2 nm），其在生物成像造影劑領域有一定的應用前景。

圖 3 基于SiO2 復核的磁性聚合物刷的合成示意圖[13]Fig. 3 Schematic diagram of the synthesis of magnetic polymer brush based on SiO2 composite core[13]

圖 4 聚苯乙烯為復核的磁性聚合物刷的合成示意圖[5]Fig. 4 Schematic diagram of the synthesis of a magnetic polymer brush based on polystyrene composite core[5]

2 磁性聚合物刷的功能化

通過不同方法得到的磁性聚合物刷，可以進行進一步的功能化以提高其應用價值。比較常見的兩種功能化方法有引入功能性基團或物質、原位合成法固載金屬納米粒子等。

2.1 功能性基團和物質的引入

聚合物刷的側鏈一般具有本征功能性或者可以通過側鏈改性引入需要的功能基團或功能物質。研究人員根據應用領域的需求，可以選用帶有功能性基團的反應單體，功能性基團如pH 響應性的羧基和氨基、溫敏性的聚異丙基丙烯酰胺（PNIPA）、親水性的羥乙基丙烯酰胺（PHEAA）以及具有包合作用的環糊精等單體。Chen 等[5]使用光乳液聚合法接枝聚丙烯酸，合成的磁性聚合物刷具有羧基官能團。制備得到的磁性聚合物刷具有很強的親水性，能夠在水溶液中長久地保存而不發生團聚和沉淀，在磁鐵和超聲的作用下聚集-分散6 次后，分散體依然保持良好的穩定性。為了增強pH 響應性，Dolatkhah 等[19]使用聚衣康酸(PIA)和聚丙烯酸(PAA)制備混合刷，該pH 響應混合刷在5 次吸附-解吸循環后仍具有結合親和力和再生能力。Kurzhals 等[20]將溫敏性的聚惡唑啉刷接枝到超順磁性氧化鐵納米粒子上，發現離子濃度、聚合物接枝密度以及血清蛋白的存在對聚惡唑啉類化合物的低臨界溶解溫度（LCST）和膠體穩定性有很大的影響。Louguet 等[21]利用嵌段共聚物對磁性鑭鍶錳納米顆粒表面進行非共價修飾。溫敏性由聚合物刷中環氧乙烷與丙烯氧化物物質的量之比和聚醚的相應LCST 控制，通過改變兩種物質的物質的量之比，可以很好地調節粒子的聚集溫度等重要參數。Ohno 等[8]采用親水性單體聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA)制備了接枝PEGMA 刷的Fe3O4納米顆粒，合成的納米雜化顆粒在水介質中具有良好的分散性，在生理條件下不產生聚集。Lyu 等[22]將β-環糊精(β-CD)聚合物刷接枝在磁性Fe3O4膠體納米晶簇上，制備Fe3O4@PG-CD 聚合物刷，這種磁性聚合物刷的結構示意圖如圖5 所示，其側鏈的β-CD 結構能夠實現對藥物的控制釋放。

圖 5 β-環糊精磁性聚合物刷的結構示意圖[22]Fig. 5 Schematic diagram of magnetic polymer brush containing β-cyclodextrin[22]

另外，也可以通過后修飾的方法對磁性聚合物刷進行功能化。如Farrukh 等[10]在磁性納米顆粒上接枝聚(2-氨基乙基甲基丙烯酸酯)(poly-AEMH·HCl)聚合物鏈，然后將鏈上的氨基基團轉化為具有活性的二硫代氨基甲酸酯(DTC)基團。為滿足特殊需求，還可以增加更多的功能基團，進行多重修飾。如Liu 等[23]添加熒光物質制備了硅基熒光素異硫氧基-g-聚(二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯)（Fe3O4@SiO2-FITC-g-PDMAEMA）球刷，合成路線如圖6 所示。設計的聚合物刷具有磁性、熒光性和pH 響應性，在磁性油墨和DNA 載體中有重要的潛在應用。Vasquez等[24]利用靜電吸附法制備雙組分聚合物刷的Janus磁性納米顆粒，一面生長聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，另一面為聚甲基丙烯酸(PMAA)，形成半月亮/半球形的形貌。

2.2 金屬納米粒子的原位固載

在磁性聚合物刷中固載無機金屬納米粒子，不僅能夠解決金屬納米粒子容易團聚的難題，而且還可以增加金屬納米粒子的催化活性。可供固載的金屬納米粒子有金、銀、鉑、鈀等，也可以是金屬合金或金屬納米粒子，如金鉑合金和二氧化鈦納米粒子等。Gill 等[25]采用ATRP 法制備了含有Co(III)-salen或哌嗪側鏈的聚苯乙烯刷(MPB)，實驗證明所有的MPB 催化劑很容易從溶液中去除，通過磁場的作用可以直接回收和再利用。多功能MPB 結構可用于制造各種可回收的負載型有機或金屬有機催化劑。Li 等[26]采用蒸餾沉淀共聚合法制備了聚丙烯酸二乙烯基苯微球，采用堿性共沉淀法制備了窄分散磁性微球，然后采用ATRP 法將甲基丙烯酸縮水甘油酯與甲基丙烯酸甘油酯接枝共聚，制備了帶有環氧基團的磁性微球。用硫化鈉處理環氧基磁性微球，制備了含硫聚合物刷磁性微球。通過Au-S 配位，將金納米顆粒固定在含硫磁微球的聚合物刷層中。得到的催化劑在重復使用10 次以后無明顯的催化活性損失。Yu 等[27]采用微乳液聚合和種子乳液聚合法制備了氧化鐵粒子和聚苯乙烯組成的磁性Janus 粒子。然后，通過光乳液聚合接枝PAA 刷后，使用氣相沉積法對Janus 顆粒表面的聚苯乙烯區域涂覆鈀納米粒子進行功能化。制備的鈀固載磁性聚合物刷（Pd-MJP），在磁場作用下可實現多相催化等應用目標。Wu 等[28]使用制備的MSPB，原位固載平均尺寸為3.5 nm 的鉑納米粒子（圖7）。這種新型可磁回收鉑納米催化劑（MSPB-Pt）在光催化NaBH4還原4-硝基苯酚的反應中具有較高活性。也可以將銀納米粒子[29]負載在MSPB 上，制備可回收利用的其他類型催化劑。

3 磁性聚合物刷的應用

磁性聚合物刷具有磁性納米粒子的超順磁性、高飽和磁化強度、均一穩定的磁性能，還具有較好的生物相容性、豐富的功能基團以及可再修飾性。這些特性使得磁性聚合物刷在生物醫學、環境保護等領域具有巨大的應用前景，如用于蛋白分離與純化、核磁共振成像、生物檢測、高效催化、污水處理、藥物控釋等。

圖 6 含熒光基團的磁性聚合物刷的制備路線[23]Fig. 6 Preparation route of magnetic polymer brush containing fluorescent groups[23]

圖 7 磁性聚合物刷原位固載鉑納米粒子的合成示意圖[28]Fig. 7 Schematic illustration of in-situ synthesis of Pt nanoparticles in magnetic polymer brushes[28]

3.1 蛋白質吸附

在生物醫學領域，由于蛋白質種類繁多，豐度差異大，又具有許多變體，對蛋白分離與純化的技術提出了更高的要求，利用功能性納米粒子實現對蛋白質分離與純化一直是一個研究熱點。Xu 等[30]使用聚(2-羥乙基甲基丙烯酸酯)刷對His 標記的蛋白進行吸附純化（圖8），研究表明這些顆粒可以直接從高純度的細胞提取物中快速分離多層His 標記蛋白，聚合物刷的厚度（約50 nm）降低了擴散限制，從而允許蛋白質在短短5 min 內捕獲，而且重復使用依然可以提供較高的蛋白回收率。

圖 8 磁性聚合物刷對蛋白吸附的示意圖[30]Fig. 8 Schematic diagram of protein adsorption on magnetic polymer brush[30]

Zhou 等[31]合成的親水性磁性聚合物刷（HMMs）對蛋白質有良好的抗吸附性能。將HMMs 作為磁分散固相萃取吸附劑，成功地將蜂蜜中的四環素類抗生素進行吸附并分離。

3.2 核磁共振與光學成像

磁性納米粒子在核磁共振成像中用作造影劑，磁性聚合物刷結合了納米粒子大部分優異的性質，在核磁共振中也有重要的應用。Ohno 等[8]使用親水性磁性聚合物刷制備磁共振成像(MRI)造影劑，成像圖片如圖9 所示。Fe3O4納米粒子的平均尺寸為20 nm，修飾完PMMA 聚合物鏈的單核磁性聚合物刷的平均尺寸與其修飾的PMMA 的分子量有關，相對分子量為4.2×104和1.4×105的PMMA 修飾后的Fe3O4納米粒子，其平均流體力學尺寸分別可達100 nm 和210 nm。通過靜脈注射標記有放射性同位素125I 的磁性聚合物刷到小鼠體內，研究了磁性聚合物刷的血液清除率和生物分布，發現一些磁性聚合物刷在血液中循環壽命明顯延長，半衰期約為24 h。將這些磁性聚合物刷靜脈注射到荷瘤小鼠體內后，由于增強滲透性和滯留效應，它們優先在腫瘤組織中富集。

圖 9 （a）磁性聚合物刷及其（b）核磁共振圖像[8]Fig. 9 (a) Magnetic polymer brush and (b) its MRI image[8]

磁性聚合物刷加入熒光染料進行修飾后，可以進行成像應用。Oz 等[32]對聚合物刷包覆的磁性納米粒子進行了改性，得到了不同類型的表面反應性納米粒子，擴展了各種共軛方法的可用性，從而允許從同一批次的納米顆粒輕松生成不同結構與功能的材料。特別是用RAFT 合成的聚合物刷可以通過Click 反應進行修飾。因此，改性的磁性納米粒子可以用含有烷基和硫醇的功能基團（如肽和染料）來修飾。聚合物外殼增強了這種材料在生物介質中的分散性，表面功能使目標和光學成像成為可能（圖10）。這種高效、快速的多功能納米材料的開發，有望在高通量識別領域得到應用。

圖 10 磁性聚合物刷合成示意圖和光學熒光成像圖[32]Fig. 10 Synthetic diagram of magnetic polymer brush and optical fluorescence images[32]

3.3 特異性檢測

Deng 等[33]將聚(2-萘基丙烯酸酯)接枝到硅包覆磁性納米顆粒上，制備了一種反相磁性吸附劑。采用磁固相萃取-高效液相色譜聯用技術，建立了環境水樣中吲哚和N,N'-二異丙基碳二亞胺（DIC）的分析方法。檢測限為0.62 ～ 0.64 ng/mL，樣品分析的相對標準偏差<11.9%，相對回收率在62.1% ～ 96.7%之間。通過在吸附劑表面提供活性位點，磁性聚合物刷顯示出更高的萃取效率。Deng 所在的課題組[17]采用聚多巴胺包覆的磁性氧化石墨烯接枝聚合物刷，制備了一種具有超高結合能力的順二醇類親硼材料（BAM）。Fe3O4納米粒子的原始尺寸約為200～250 nm，而聚合物層的厚度約為15 nm。對于沒有氮原子的分子，在非順式二醇的干擾下，BAM 可以選擇性地捕獲順式二醇。而對于含氮化合物，除順式二醇外，還可以保留非順式二醇，但保留量較小。通過加入鹽增強硼酸鹽的親和作用或抑制其他次生相互作用，可以提高硼酸鹽的選擇性。在實際應用中，BAM 可以去除大部分干擾物質，可以檢測尿液樣本中的茶酚胺（CAs）。利用BAM 提取從健康志愿者身上采集的一份尿液樣本中的CAs，圖11 示出了標準CAs 和加標尿液樣品的色譜圖。用BAM 萃取后，強干擾幾乎消除，CAs 得到了很好的保留。

圖 11 空白尿液樣品加入20 ng/mL CAs 的色譜圖[17]Fig. 11 Chromatograms of blank urine samples spiked with 20 ng/mL of CAs[17]

3.4 催化增強

磁性聚合物刷固定化酶、金屬納米粒子等活性物質可以在顯著增加催化活性的同時提高重復利用率。Bayramoglu 等[13]在磁性聚合物刷上通過共價作用固定轉化酶，提高了酶的熱穩定性，固定化轉化酶的保質期延長為6 周，重復使用12 次后，酶活性下降21%。Ma 等[12]設計了磁性聚合物刷作為高靈敏度免疫分析固體底物，制備的聚合物刷具有較高的抗體負載能力、增強的檢測信號和顯著提高的靈敏度，比傳統酶聯免疫吸附測定（ELISA）固體底物的靈敏度提高了25 倍。Xu 等[34]將酶固定在MSPB 上，與溶液中游離酶的活性相比，MSPB 中淀粉糖苷酶結合酶活性顯著提高，而其他的載體系統則通常導致酶活性降低。酶的高固載能力和催化活性的提高可能是由于酶與MSPB 之間的庫侖相互作用所致。這些發現為MSPB 提高酶活性和促進酶的循環利用提供了一種實用的策略，基于磁性聚合物刷的酶催化示意圖如圖12 所示。陳敬偉[35]合成了一種磁性聚合物刷，并研究了其固定化酶性能，優化后的固定化時間為16 h，最佳酶促反應pH 為9.0，最佳反應溫度為60 ℃。同時發現固定化后酶的儲存穩定性得到了提高，但耐酸堿和熱穩定性有所下降。

圖 12 磁性聚合物刷固定化酶催化示意圖[34]Fig. 12 Schematic diagram of immobilization of enzyme by magnetic polymer brush[34]

4 總結與展望

綜述了磁性聚合物刷近10 年來的國內外研究進展，重點闡述了磁性聚合物刷的制備、功能化以及應用領域的研究現狀。研究人員主要利用表面引發聚合技術制備了單核或復核的磁性聚合物刷，磁性聚合物刷的結構可以進一步進行功能化：原位制備催化用金屬納米粒子或偶聯生物醫藥抗體，在生物醫學、納米高效催化、蛋白分離純化等領域有著廣泛的應用前景。

越來越多的研究人員開始關注磁性聚合物刷，但在以下幾個方面仍存在一定的發展空間：

（1）在復雜環境中的穩定性研究需要加強，如在污水環境應用時，大量離子的存在可能會破壞磁性聚合物刷的穩定性，或在生物體復雜環境中存在的大量非特異性吸附很可能降低磁性聚合物刷的功能性。

（2）目前的磁性內核的尺寸一般在10～200 nm，擴大其內核尺寸范圍以適應不同應用的要求（如高通量蛋白純化所需的微米級磁性聚合物刷），對現有制備技術是一個挑戰。

（3）基于表面引發可控聚合技術制備的磁性聚合物刷，批次產量較低，很難滿足日后大批量生產的需求，如何尋找和發展適合工業化的先進制備技術仍然任重道遠。

相信會有更多的磁性聚合物刷制備新技術、新工藝的出現，來賦予磁性聚合物刷更多豐富的功能，以滿足其應用需求的深度與廣度。