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，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，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)品至今未見報導(dǎo)。有兩個原因。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，對聚合物各個嵌段必須精心設(shè)計，要實現(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)明基于對嵌段共聚物在溶液中的鏈構(gòu)象的認(rèn)識，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，仍然不會發(fā)生宏觀交聯(lián)，而會產(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)計量的0.05～10倍。太多會造成材料浪費(fèi)，太少會影響核-殼結(jié)構(gòu)膠束的形成。
嵌段共聚物的各個嵌段中有一個是可交聯(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)條件對于本領(lǐng)域科技人員中均可實現(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、共聚物各個嵌段的種類、共聚物的濃度以及各個嵌段的長度，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)明涉及的各個步驟，本領(lǐng)域技術(shù)人員均能實現(xiàn)。
圖2是嵌段共聚物的交聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行不同時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)時間為0小時(Spectrum A)、10小時(spectrum B)、28小時(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)動性受到限制，在液體核磁中的信號消失。而PS嵌段的的信號強(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。
具體實施例方式
實例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)時間為30小時。
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。實例2，PS-b-P4VP的濃度為5％，其它與實例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。實例3，PS-b-P4VP的濃度為10％，其它與實例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。實例4，PS-b-P4VP的濃度為20％，其它與實例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)時間為30小時。
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。實例6，PS-b-P4VP的濃度為5％，其它與實例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。實例7，PS-b-P4VP的濃度為10％，其它與實例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。實例8，PS-b-P4VP的濃度為30％，其它與實例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)時間為24小時。
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。實例10，PS-b-P2VP的濃度為5％，其它與實例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。實例11，PS-b-P2VP的濃度為5％，其它與實例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。實例12，PS-b-P2VP的濃度為10％，其它與實例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。現(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C08F8/00GK1363622SQ0211077
公開日2002年8月14日 申請日期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 申請人:復(fù)旦大學(xué)