專利名稱：一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核－殼結(jié)構(gòu)的聚合物納米膠束的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有核-殼結(jié)構(gòu)的聚合物膠束，由于其尺寸在納米級(jí)，所以也可以稱之為聚合物納米粒子，或聚合物納米膠束。
背景技術(shù)：
聚合物膠束是在小分子膠束基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型多功能納米材料。與小分子膠束相比，高分子膠束具有更好的穩(wěn)定性，更強(qiáng)的負(fù)載能力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更大的可塑性。聚合物納米膠束在生物、醫(yī)藥、化學(xué)化工及特種材料等諸多高技術(shù)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。在生物及醫(yī)藥方面，用聚合物膠束制成的載體用于各種制劑的負(fù)載及釋放控制。由于聚合物膠束的核-殼結(jié)構(gòu)，使得既可以通過設(shè)計(jì)聚合物膠束核的結(jié)構(gòu)及成分以適應(yīng)負(fù)載、緩釋等方面要求，又可以設(shè)計(jì)膠束的殼以滿足生命體相容性的要求。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于由聚合物包覆制備的負(fù)載及緩釋體系。在化學(xué)化工領(lǐng)域，聚合物膠束作為模板，可用于納米材料的粒徑及形態(tài)的控制；作為微反應(yīng)器可用于聚合物的控制合成、催化反應(yīng)以及高性能催化體系的制備；以及在特種材料領(lǐng)域，可用于光電功能物種的負(fù)載等等。因此，對(duì)于聚合物膠束的制備及相關(guān)研究，人們都給予了高度的重視。有關(guān)聚合物膠束的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究十分活躍。自1990年至2001年間，有關(guān)聚合物膠束的SCI研究論文從35篇/年逐步發(fā)展為2001年的1200多篇/年。專利申請(qǐng)數(shù)(美國專利)80年代初的每5年45份遞增為2001年的前5年間的1100多份。
盡管人們對(duì)聚合物膠束的研究有大量的人力和物力投入，而且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)，但到目前為止，真正投入產(chǎn)業(yè)化的聚合物膠束或相關(guān)產(chǎn)品至今未見報(bào)導(dǎo)。有兩個(gè)原因。其一是穩(wěn)定性問題。聚合物膠束的制備方法有很多種，其中最重要的方法是在選擇性溶劑中通過嵌段共聚物中兩個(gè)嵌段溶解性的差異來制備。該類膠束的存在是嚴(yán)格限制在一定的溶劑組成和溫度范圍內(nèi)，通常不能適應(yīng)應(yīng)用的要求。問題二是濃度太低?，F(xiàn)有方法獲得的聚合物濃度一般在0.01％～0.1％范圍內(nèi)或更低。為了解決上述問題，人們付出了很多努力。代表性工作是由美國的K.L.Wooley，加拿大的G.J.Liu，日本的K.Kataoka等作出的。方法是先在選擇性溶劑中制備成膠束，然后交聯(lián)聚合物膠束的殼或核來固定膠束。但是，獲得的聚合物膠束的濃度依然較低(低于0.1％)。濃度低的問題一直未能得到很好的解決。Armes通過制備三嵌段的嵌段共聚物，然后交聯(lián)中間嵌段的方法將交聯(lián)聚合物膠束的濃度提高到0.1g/mL。但涉及到三嵌段的合成，對(duì)聚合物各個(gè)嵌段必須精心設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化比較困難。另外，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的聚合物膠束的制備依然是經(jīng)過先膠束化然后再交聯(lián)聚合物膠束這樣兩個(gè)步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是用簡便的方法，以較低的成本制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的聚合物納米膠束粒子。
本發(fā)明的目的是用簡便的方法，以較低的成本制備高濃度的聚合物納米膠束粒子。
本發(fā)明的目的是用簡便的方法，較低的成本制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚合物納米膠束粒子。
本發(fā)明的目的是要用簡便的方法，以較低的成本制備結(jié)構(gòu)及大小可控的聚合物納米膠束粒子。
本發(fā)明基于對(duì)嵌段共聚物在溶液中的鏈構(gòu)象的認(rèn)識(shí)，研究出在溶液中直接交聯(lián)呈分子分散狀態(tài)的嵌段共聚物鏈上的某一嵌段，由于非交聯(lián)嵌段的保護(hù)作用，即使是在嵌段共聚物的濃度較高的情況下，仍然不會(huì)發(fā)生宏觀交聯(lián)，而會(huì)產(chǎn)生由非交聯(lián)嵌段保護(hù)的聚合物粒子。進(jìn)一步地，由于鏈構(gòu)象調(diào)整的速度遠(yuǎn)高于交聯(lián)反應(yīng)的速度，使得形成的聚合物粒子外型為規(guī)則的球形且具有核-殼結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的制備高濃度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有核-殼結(jié)構(gòu)的聚合物納米粒子的進(jìn)一步制備方法如下本發(fā)明中加入的交聯(lián)劑的量為化學(xué)計(jì)量的0.05～10倍。太多會(huì)造成材料浪費(fèi)，太少會(huì)影響核-殼結(jié)構(gòu)膠束的形成。
嵌段共聚物的各個(gè)嵌段中有一個(gè)是可交聯(lián)嵌段，例如可用化學(xué)交聯(lián)劑交聯(lián)的聚4-乙烯基吡啶嵌段、聚2-乙烯基吡啶嵌段、甲基丙烯酸甲酯縮水甘油酯以及聚甘氨酸等。
將上述共聚物溶解在共同溶劑中，待共聚物完全溶解后，加入可交聯(lián)嵌段的交聯(lián)劑進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)；交聯(lián)劑的用量根據(jù)所需的交聯(lián)度及反應(yīng)速度的需要等來決定。上述交聯(lián)條件對(duì)于本領(lǐng)域科技人員中均可實(shí)現(xiàn)。交聯(lián)度的差異可用于控制核結(jié)構(gòu)的疏密程度。交聯(lián)度大，核結(jié)構(gòu)緊密，反之，疏松。視產(chǎn)物用途及交聯(lián)體系而定，一般在0.05～100％范圍內(nèi)變化。
本發(fā)明中，嵌段共聚物可經(jīng)化學(xué)改性后使其中一種嵌段可交聯(lián)，利用上述方法，同樣可獲得聚合物納米膠束粒子。例如經(jīng)改性后可用化學(xué)交聯(lián)劑交聯(lián)的嵌段如聚苯乙烯嵌段經(jīng)氯甲基化后用二氨類化合物交聯(lián)。
本發(fā)明中，嵌段共聚物中的某一嵌段，可用化學(xué)改性的方法接上可聚合基團(tuán)如雙鍵等。用加入引發(fā)劑、加熱或加入光敏劑后光照等方法進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)。如聚苯乙烯嵌段經(jīng)付氏反應(yīng)引入雙鍵，然后加入引發(fā)劑聚合。
本發(fā)明中，嵌段共聚物中的某一嵌段為可光交聯(lián)或含有可光交聯(lián)基團(tuán)的如肉桂酸酯等。
嵌段共聚物在其共同溶劑中的溶解濃度為0.1～30％，在該濃度范圍內(nèi)，可得到對(duì)應(yīng)濃度的聚合物納米膠束。
若共聚物濃度在5～20％范圍內(nèi)，所得到產(chǎn)物的濃度高，反應(yīng)效率高，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
嵌段共聚物可以是兩嵌段或三嵌段共聚物。三嵌段共聚物如Polystyrene-b-poly(methyl methacrylate)-b-poly(acrylic acid)等。
根據(jù)使用要求，兩嵌段共聚物更為方便、適用。
共聚物中的可交聯(lián)嵌段與非交聯(lián)嵌段長度之比是(1～4)∶(1～10)?？筛鶕?jù)所需膠束的尺寸及體系而定。
將含有雙鍵的共聚物體系溶解后，加熱，或加入引發(fā)劑后加熱，或光照，或加入光敏劑后光照-視具體體系而定-也可在某一嵌段間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。并加以適當(dāng)攪拌，也可得到聚合物納米膠束。
聚合物納米膠束在生物、醫(yī)藥、化學(xué)化工及特種材料等諸多高技術(shù)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。在生物及醫(yī)藥方面，用聚合物膠束制成的載體用于各種制劑的負(fù)載及釋放控制。由于聚合物膠束的核-殼結(jié)構(gòu)，使得既可以通過設(shè)計(jì)聚合物膠束核的結(jié)構(gòu)及成分以適應(yīng)負(fù)載、緩釋等方面要求，又可以設(shè)計(jì)膠束的殼以滿足生命體相容性的要求。其性能遠(yuǎn)優(yōu)于由聚合物包覆制備的負(fù)載及緩釋體系。在化學(xué)化工領(lǐng)域，聚合物膠束作為模板，可用于納米材料的粒徑及形態(tài)的控制；作為微反應(yīng)器可用于聚合物的控制合成、催化反應(yīng)以及高性能催化體系的制備；以及在特種材料領(lǐng)域，可用于光電功能物種的負(fù)載等等。
本發(fā)明用簡捷的方法一步制得了聚合物納米膠束。由于省去了聚合物膠束化的步驟，可直接制備高濃度的膠束，減少了溶劑的使用。再由于核為化學(xué)鍵固定，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在膠束溶液中加入沉淀劑，經(jīng)分離、干燥后，可獲得聚合物膠束的干粉。干粉中加入可溶解非交聯(lián)嵌段的溶劑后，又可重新均勻分散于溶劑中。
由于該方法僅涉及到簡單的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，過程極其簡單。通過調(diào)節(jié)交聯(lián)度、共聚物各個(gè)嵌段的種類、共聚物的濃度以及各個(gè)嵌段的長度，可以獲得各種不同尺寸及結(jié)構(gòu)的聚合物納米膠束的溶液及干粉。本發(fā)明出自一種全新的思路，方法簡便，效果良好，具有不可估量的應(yīng)用前景。
本發(fā)明涉及的各個(gè)步驟，本領(lǐng)域技術(shù)人員均能實(shí)現(xiàn)。
圖2是嵌段共聚物的交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行不同時(shí)間后測得的核磁譜圖。嵌段共聚物樣品為PS-b-P4VP，其中PS嵌段重均分子量為8,700；P4VP嵌段的重均分子量為11,800，MW/MN＝1.09。濃度為5.0％，用1，4二溴丁烷為交聯(lián)劑，在室溫下氘代DMF中交聯(lián)時(shí)間為0小時(shí)(Spectrum A)、10小時(shí)(spectrum B)、28小時(shí)(spectrum C)所得到的1H-NMR譜圖及其歸屬。圖中可以看出，隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，吡啶基團(tuán)的特征吸收峰a逐漸減少以至消失；而歸屬為苯環(huán)的吸收峰b幾乎不發(fā)生變化；由苯環(huán)的間位氫原子及吡啶環(huán)的鄰位氫原子疊加而成的峰c隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行逐漸減少，至spectrum C中的b峰面積與c峰面積的比值接近3比2。而由于季銨化出現(xiàn)的峰d隨著交聯(lián)程度的增加并未繼續(xù)增加，反而接近消失。說明由于交聯(lián)反應(yīng)，使得交聯(lián)嵌段P4VP進(jìn)入核中，成為凍結(jié)的核，因而其運(yùn)動(dòng)性受到限制，在液體核磁中的信號(hào)消失。而PS嵌段的的信號(hào)強(qiáng)度幾乎未受影響，說明其仍然處于溶解狀態(tài)。以此可以證明由于P4VP交聯(lián)反應(yīng)導(dǎo)致的以P4VP為核，PS為殼的聚合物納米膠束的形成。
圖3是由濃度為5％的嵌段共聚物的DMF溶液交聯(lián)后獲得的膠束的TEM照片。嵌段共聚物樣品為PS-b-P4VP，其中PS嵌段重均分子量為20,800；P4VP嵌段的重均分子量為18,200，MW/MN＝1.41。交聯(lián)劑是1，4二溴丁烷。
圖4是由濃度為10％的嵌段共聚物的DMF溶液交聯(lián)后獲得的膠束的TEM照片。嵌段共聚物樣品為PS-b-P4VP，其中PS嵌段重均分子量為20,800；P4VP嵌段的重均分子量為18,200，MW/MN＝1.41。交聯(lián)劑是1，4二溴丁烷。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1.嵌段共聚物樣品為苯乙烯與4-乙烯基吡啶的嵌段共聚物(PS-b-P4VP)。樣品的規(guī)格是重均分子量為39,000，其中PS嵌段的分子量為20,800，P4VP嵌段的分子量為18,200，分子量分散系數(shù)為1.41。交聯(lián)劑為1，4二溴丁烷。溶劑為DMF。
將PS-b-P4VP嵌段共聚物溶解在DMF中，濃度為0.05％。加入上述交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的摩爾數(shù)與P4VP中吡啶單元的摩爾數(shù)之比為2∶5。反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為30小時(shí)。
得到的聚合物膠束的粒徑及多分散系數(shù)(光散射表征結(jié)果)分別為160nm0.43。TEM及核磁分析證明其為核-殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例2，PS-b-P4VP的濃度為5％，其它與實(shí)例1相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為93納米，分散系數(shù)為0.36。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例3，PS-b-P4VP的濃度為10％，其它與實(shí)例1相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為54nm，分散系數(shù)為0.42。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例4，PS-b-P4VP的濃度為20％，其它與實(shí)例1相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為160納米，分散系數(shù)為0.6。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例5.嵌段共聚物樣品為苯乙烯與4-乙烯基吡啶的嵌段共聚物(PS-b-P4VP)。樣品的規(guī)格是分子量為19,700，其中PS嵌段的分子量為11,800，P4VP嵌段的分子量為8,700，分子量分散系數(shù)為1.09。交聯(lián)劑為1，4二溴丁烷。溶劑為DMF。
將PS-b-P4VP嵌段共聚物溶解在DMF中，濃度為1％。加入上述交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的摩爾數(shù)與P4VP中吡啶單元的摩爾數(shù)之比為2∶1。反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，反應(yīng)時(shí)間為30小時(shí)。
得到的聚合物膠束的粒徑及多分散系數(shù)(光散射表征結(jié)果)分別為130nm及0.65。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例6，PS-b-P4VP的濃度為5％，其它與實(shí)例5相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為96nm，分散系數(shù)為0.53。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例7，PS-b-P4VP的濃度為10％，其它與實(shí)例5相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為65納米，分散系數(shù)為0.45。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例8，PS-b-P4VP的濃度為30％，其它與實(shí)例5相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為93納米，分散系數(shù)為0.42。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P4VP為核。實(shí)例9.嵌段共聚物樣品為苯乙烯與2-乙烯基吡啶的嵌段共聚物(PS-b-P2VP)。樣品的規(guī)格是重均分子量為26,800，其中PS嵌段的分子量為14,300，P2VP嵌段的分子量為12,500，分子量分散系數(shù)為1.32。交聯(lián)劑為1，4二溴丁烷。溶劑為DMF。
將PS-b-P2VP嵌段共聚物溶解在DMF中，濃度為1％。加入上述交聯(lián)劑，交聯(lián)劑的摩爾數(shù)與P2VP中吡啶單元的摩爾數(shù)之比為10∶1。反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)。
得到的聚合物膠束的粒徑及多分散系數(shù)(光散射表征結(jié)果)分別為90nm及0.35。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P2VP為核。實(shí)例10，PS-b-P2VP的濃度為5％，其它與實(shí)例9相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為65納米，分散系數(shù)為0.42。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P2VP為核。實(shí)例11，PS-b-P2VP的濃度為5％，其它與實(shí)例9相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為45納米，分散系數(shù)為0.32。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P2VP為核。實(shí)例12，PS-b-P2VP的濃度為10％，其它與實(shí)例9相同。得到的聚合物納米粒子粒徑為30納米，分散系數(shù)為0.22。TEM及核磁分析證明其為核殼結(jié)構(gòu)，其中PS為殼，P2VP為核。實(shí)例13，嵌段共聚物為PEO-b-P2VP，其中，PEO的分子量為5000，P2VP的分子量為6000。交聯(lián)劑為1，4二碘丁烷。溶劑為DMF，在室溫下反應(yīng)一周。得到的聚合物膠束的尺寸為40納米，分散指數(shù)為0.20。實(shí)例14，嵌段共聚物為PEO-b-Polylysine，其中，polylysine嵌段由pyridyldithiopropionyl部分取代。PEO嵌段的分子量為5000，polylysine嵌段的分子量為4,600。通過氧化硫醇來實(shí)現(xiàn)交聯(lián)及膠束化。濃度為10％。獲得的聚合物膠束的粒徑為32納米。
權(quán)利要求
1.一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的聚合物納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是將有一種嵌段是可交聯(lián)的嵌段共聚物溶解在該共聚物的共同溶劑中溶解，然后加入交聯(lián)劑交聯(lián)，交聯(lián)時(shí)適當(dāng)攪拌即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液溶液及固體粉末的方法，其特征是交聯(lián)劑量是可交聯(lián)嵌段的反應(yīng)當(dāng)量的0.05～10倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是嵌段共聚物中有一種嵌段經(jīng)改化學(xué)性后可以交聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是嵌段共聚物在溶液中的溶解濃度是0.1～30％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是嵌段共聚物為兩嵌段或三嵌段共聚物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是嵌段共聚物是兩嵌段共聚物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是可交聯(lián)嵌段與非交聯(lián)嵌段的長度比是(1～4)∶(1～10)
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是可交聯(lián)嵌段的交聯(lián)是通過光化學(xué)交聯(lián)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是該聚合物納米膠束用于藥物負(fù)載、高分子材料改性及化學(xué)反應(yīng)負(fù)載。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米膠束溶液及固體粉末的方法，其特征是在制得的膠束溶液中加入沉淀劑，沉淀分離干燥后得到該膠束的固體粉末。
全文摘要
本發(fā)明是一步法制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高濃度且具有核－殼結(jié)構(gòu)的聚合物納米膠束溶液及其固體粉末的方法?，F(xiàn)有技術(shù)由于需經(jīng)膠束化過程,因而存在制備方法復(fù)雜、濃度低以及成本高且難以得到固體粉末等不足。本發(fā)明是將嵌段共聚物溶解在其共同溶劑中,加入交聯(lián)劑使其中一種可交聯(lián)嵌段交聯(lián)即可獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、濃度高、成本較低的具有核－殼結(jié)構(gòu)的聚合物膠束的溶液。進(jìn)一步地,在所得到的高濃度的聚合物膠束溶液中加入沉淀劑,經(jīng)分離、干燥可獲得聚合物膠束的固體粉末。
文檔編號(hào)C08F8/00GK1363622SQ0211077
公開日2002年8月14日 申請(qǐng)日期2002年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月5日
發(fā)明者陳道勇, 江明, 彭慧勝 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)