磁性高分子微球的制備及作用
前言：本站為你精心整理了磁性高分子微球的制備及作用范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。
近20年來,磁性高分子微球的研究非常活躍,已從最簡單的高分子包裹磁性材料發展到多種類型的組成方式。本文根據磁性高分子微球的結構類型將其分成三類(見圖1),但是,組成磁性微球的基本材料仍然是磁性物質和高分子材料。磁性物質包括Fe3O4、r-Fe2O3、Pt、Ni、Co等,其中Fe3O4使用最多;高分子材料包括合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料常用的有苯乙烯共聚物、聚酯類、聚酰胺類高分子;天然高分子材料常用的有明膠、白蛋白、纖維素和各種聚糖。此外,近年來有人為了電磁方面的應用,研究了一些導電性的磁性高分子微球[4,5],聚吡咯、聚苯胺等導電聚合物也可用來制備磁性微球。磁性高分子微球的性質不僅與組成材料的性質有關,還與制備方法有關。因此,制備方法的研究十分重要。通常不同類型的磁性高分子微球其制備方法也有所不同。
2磁性高分子微球的制備方法
2•1a型磁性高分子微球的制備方法a型磁性高分子微球是一種簡單的核殼微球,其制備方法有兩種分類法:一種是根據磁性物質與磁性微球的形成次序分,有一步法和二步法;另一種是常規分法,有包埋法和單體聚合法。這兩種分法的交叉部分在于包埋磁性物質可采用一步法或二步法,而單體聚合包裹則大多采用二步法。
2•1•1一步法
一步法又稱共沉淀法,是指在生成磁性物質(Fe3O4或Fe2O3)的同時產生磁性高分子微球的制備方法,即先將高分子物質溶解,然后依次加入Fe2+和H2O2或FeCl2和FeCl3溶液,攪拌的同時滴加堿性溶液提高pH值,這樣磁性物質一產生就被包裹形成核殼磁性高分子微球。邱廣亮[6]等采用這種方法制備了納米級磁性明膠微粒,并用于纖維素酶的固定化。一步法的優點是制備方法簡單,避免了制取磁流體或均勻分散磁粒子的相關處理,制得的磁性微球粒徑較小、表面積大。缺點是磁性微球大小不均勻、磁響應性較弱。
2•1•2二步法
二步法通常是先制備Fe3O4微粒子(或直接購買Fe3O4粉末),然后將其與聚合物或高分子單體溶液混合作用制得磁性高分子微球。目前制備磁性高分子微球普遍采用二步法。Emir[7]等先制取Fe3O4,接著將Fe3O4粉末和殼聚糖倒入分散劑中反應,同時加入交聯劑戊二醛,通過控制反應條件得到無孔的粒徑在100~250μm之間的殼聚糖微球。由于一步法制得的Fe2O3-PANI復合微球室溫電導率和磁化率都較低,且結構和性質難以控制,Deng’s[4]實驗小組經改進,采用二步法合成了電磁性Fe3O4交聯聚苯胺復合粒子,粒徑在30~40nm之間,研究表明,控制Fe含量和摻雜程度可提高飽和磁化率與導電性。
2•1•3包埋法和單體聚合法
這兩種方法宮月平[8]等闡述得很全面,在此不再贅述具體的方法,只介紹最新的研究成果。在包埋過程中,采用交聯劑交聯高分子層可增加磁性微球的穩定性,但通常化學交聯的磁性微球大小不均勻且有聚集,粒徑分布較寬且球形不規則。為了解決這些問題,Chatterjee[9]等采用熱固化包埋法合成了人血清蛋白磁性微球,粒徑分布、球形都有所改善,微球更分散。Harris[10]等采用親水性三段式共聚物(PEO-COOH-PEO)包覆Fe3O4納米粒子得到磁性微球分散體系,研究了PEO長度對微球分散穩定性的影響。Chang[11]等將磁粒子羥基化后與甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷連接,再與異丙基丙烯酰胺接枝共聚得到核-殼磁性高分子微球。DengY[12]等用反相微乳液聚合合成了聚丙烯酰胺磁性微球。Kondo[13]采用兩步無乳化劑乳液聚合制得熱敏性P(St-NIPAM-MAA)磁性微球。Zhang[14]用分散聚合的方法制備聚(苯乙烯-烯丙醇)磁性微球,將其與CuPc(CoCl)4反應后得到一種具有良好光電導性的磁性微球。
2.2b型磁性高分子微球的制備方法
b型磁性高分子微球分為兩類見圖1(b1,b2),主要有兩種制備方法。
2•2•1界面沉積法
界面沉積法可用來制備b1和b2類型的磁性高分子微球。它通常是先分別制取聚合物膠體粒子和無機物粒子,通過加入電解質、調節pH值或其他方式使聚合物膠體粒子和磁性粒子表面帶上相反性質的電荷,由于靜電作用,兩者混合后磁性粒子被吸附在聚合物膠體粒子表面形成包覆層,得到b2型磁性微球。如果以此乳膠粒子為種子進行乳液聚合,可制得夾心式結構(b1型)的磁性高分子微球。SauzeddeF[15,16]實驗組用這種方法制備了三種夾心式的親水性磁性高分子微球。由于界面沉積法制備的磁性高分子微球粒徑主要由最初的高分子微粒的大小決定,故其粒徑易于控制,大小均勻,磁一致性強。
2•2•2非電性沉積法
非電性沉積法也稱化學沉積法或EPS法,用于制備b2型的磁性高分子微球。具體做法是先制得表面帶功能團的微球,在微球表面引入貴金屬離子(Pd2+),接著將金屬離子還原成0價得到活化的聚合物微球,最后化學還原過渡金屬離子使其沉淀在聚合物微球表面。這種沉積不是由靜電作用引起的,是一種非電性沉積。WangYanmei等[17]以Pd激活P(St-AA)微球,將Ni和Co沉積在其表面得到核殼型的P(St-AA)Ni和P(St-AA)Co磁性微球,他認為化學沉積是表面功能團引發的。這種方法制得的磁性高分子微球,粒子大小由高分子微粒的大小和過渡金屬離子的濃度決定,粒徑均勻,但微球表面不太光滑。
2•3C型磁性高分子微球制備方法
C型磁性高分子微球由溶脹法(也稱化學轉化法)制取,該法是Ugelstad在1979年創立的。此法通過溶脹大孔的、表面及孔內含多種官能團(-NO2,-OH,-CHO)的聚合物粒子,讓一定濃度的磁性金屬離子滲透到大孔中去,然后利用堿性試劑或改變溫度使金屬離子轉化為磁性氧化物,再利用交聯劑或其它方法封閉孔道。在封孔之前,可通過反復滲透和中和來調整磁含量達到所需水平。采用此法制備的磁性聚合物微球單分散性好,磁含量可控,磁均一性強。溶脹法是目前制備磁性聚合物微球的最好方法,已商業化,但操作程序繁瑣。張梅等[18]用此法制備出磁性較強、磁分布均勻的強酸樹脂、磁性磺化微球等。康繼超[19]也用二步溶脹法制取了單分散、大粒徑的磁性聚苯乙烯微球。除了以上介紹的制備方法,有些研究還嘗試了新的方法制備磁性高分子微球。Burke[20]在氨和聚合物分散劑存在下熱分解Fe(CO)5得到聚合物/金屬殼核納米微球。Avivi[21]等用超聲化學法制備了磁性牛血清蛋白微球,粒徑分布窄,但微球表面不光滑,有Fe2O3粒子聚集。此外,為了滿足生物醫學應用對磁性高分子微球性質的要求,常常需要對其表面進行修飾。這樣不僅保持了磁性高分子微球生物降解性,而且提高了強度,改善了球形,可用作靶向藥物的載體。
3磁性高分子微球的生物醫學應用
由于磁性高分子微球的特殊性質,使其在生物醫學領域的應用非常廣泛。磁性微球的高分子外殼的表面多樣性使它可以通過各種化學反應與生物活性物質中的配基偶聯,從而識別相應的抗原或抗體、核酸等,最后在外加磁場中進行分離。正是由于磁性高分子微球的順磁性,使它在磁場中定向移動,達到分離或靶向的目的。
3.1固定化酶
游離酶在生物化學和生物醫學方面的應用往往不盡人意,而將酶固定在磁性載體上則有諸多的優勢。這是因為酶固定在磁性高分子微球上后,其熱穩定性、存放穩定性和操作穩定性都得到提高;固定化酶再生性好,使用效率高;可用于連續生產,降低生產成本;可在外加磁場作用下快速分離,適于大規模連續化操作。Akgo[22]用羰基二咪唑(CDI)活化的磁性聚乙烯醇微球來固定轉化酶。Arica[23]等將環六亞甲基二胺(HMDA)連接在聚異丙烯酸甲酯(PMMA)磁性微球表面,用CDI或CNBr激活后用于共價結合葡糖淀粉酶。Rittich[24]采用三氯三嗪法將脫氧核糖核酸酶固定在磁性纖維素微球和磁性聚(HEMA-EDMA)微球上,用來降解染色體和質體DNA。BílkováZ等[2]用磁性P(HEMA-EDMA)微球的酰肼衍生物固定半乳糖氧化酶,被定向固定的酶表現出很高的存儲活性和對環境的低敏感性。磁性載體的性質對固定化酶的應用十分重要,它必須滿足一定的條件:①無毒;②可生物相容;③能夠提供足夠大的表面積,使酶反應順利進行,降低酶反應基質和產物的分散限制;④具有一定的機械強度。
3.2細胞分離
有效的細胞分離是臨床免疫應用最基本最重要的一步。在磁性高分子微球表面接上具有生物活性的吸附劑或配基,然后與目標細胞結合,加上外磁場將細胞分離、分類,即磁性細胞分離,是一種有效的細胞分離方法。此法具有操作簡單快速、分離純度高、保留細胞活性、成本低等優點。Chatterjee[25]在白蛋白磁性微球(ALBMMS)和聚苯乙烯磁性微球(PSMMS)表面接上凝血素,用來分離紅血細胞。Kacemi[26]等為了研究胎盤內皮細胞在血管形成及血流量維持中的作用,用免疫球蛋白磁性微球從胎盤中分離出內皮進行分析。
3.3磁性靶向給藥
磁性靶向給藥是以磁性高分子微球為載體,將藥物包封在其中,吸附在高分子層或偶聯在表面,口服或注入體內,利用外加磁場引導載藥微球到病患處集中并緩慢釋放,定向作用于靶組織。定向給藥可使靶區藥物濃度高于正常組織,減少藥劑量和藥物毒副作用,提高藥效。GhassabianS[27]等將地塞米松和Fe3O4包埋于白蛋白微球中,用于治療淋巴細胞腫瘤。HafeliUO等[3]用磁性聚乳酸放射性微球靶向治療腫瘤細胞,進行了體外和體內放射效果研究。由于藥物載體會與藥物一起進入人體內,而藥物載體必須不能對人體造成傷害。故用于靶向藥物的磁性高分子微球必須滿足一定要求:(1)具有生物降解性;(2)粒徑<1•4μm,以免阻塞血管,利于微球在靶區均勻分布;(3)具有一定的緩釋性;(4)具有最大的生物相容性和最小的抗原性;(5)載藥微球及其降解產物無毒或毒性極低。
3.4核酸(DNA)分離、提純
樣品制備的質量,尤其是DNA分離的效果,是衡量DNA技術的基本標準。經典的DNA/RNA分離方法有柱分離法和一些包括沉積、離心步驟的方法,這些方法的缺點是耗時多,難以自動化,不能用于分析小體積樣品,分離不完全。使用磁性高分子微球進行核酸分離可避免這些局限。Oster[28]使用含Fe3O460%、非特定蛋白質結合率低的M-PVA磁珠,從血液中分離DNA,產率很高。用于核酸雜化測定或含特定序列核酸的提純,可自動操作和重復使用,產物純度高。除了可應用于以上生物醫藥領域,磁性高分子微球還可用于生物分子識別,細胞跟蹤速度標定,微量有機物測定等。
4展望
近年來,對磁性高分子微球的研究已多見報道,但要使磁性高分子微球在應用領域得到推廣,還需做很多深入細致的研究工作。
(1)用導電性聚合物包裹磁性物質得到電磁性微球克服了導電聚合物機械強度和加工性能差的缺點,同時兼具電導性和磁性,可望在電池、電磁屏蔽材料、傳感器等方面有巨大的應用潛力。因此,電磁性高分子微球的研究是今后工作的重點之一。特別是要解決如何使聚合物微球即具有良好的磁響應性又具有較好的電導率。有人用TiO2包裹PSt/Fe3O4磁性微球制得多層的電磁響應性的復合微粒,其雙電常數和電導率處于PSt/Fe3O4微球和TiO2之間,接近TiO2[5]。所以,還可考慮采用其他導電物質來制備電磁性聚合物微球。
(2)國外已有商品化磁性微球試劑盒(Dynab-eads)出售,但價格昂貴,對推廣應用不利。因此,降低磁性高分子微球的制備成本也是今后的一個工作重點。
(3)磁性高分子微球在應用方面的優點之一是可連續操作性。Haik[29]等設計了一套磁性分離紅細胞的系統,提高了細胞分離效率。因此,連續操作的應用系統將成為磁性高分子微球的研究熱點之一。
(4)關于磁性高分子微球的基礎理論研究,雖有不少作者提出了希望和要求,但進展不大。因此,筆者再次強調,要加強形成機理、結構與性能的關系及磁性來源的研究,形成完整的磁性高分子微球理論,指導應用研究;要進一步完善應用研究,使其盡快由實驗階段進入生產應用階段。相信在廣大科研工作者的共同努力下,磁性高分子微球的研究將進入一個全新的發展階段。
