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具有电磁pH多重敏感性的Fe_3O_4/聚合物磁性微球的设计、构建与表征

樊丽花  
【摘要】: 电磁性高分子微球作为一种新型的功能材料,它是基于微胶囊化方法,使有机高分子与无机磁性物质(Fe_3O_4、Fe_2O_3、铁钴合金等)结合起来形成的具有电和磁响应性的高分子微球。与常规微球相比,电磁性高分子微球具有高分子的众多特性和电磁响应性,如表面功能团、超顺磁性等,可在外磁场的作用下将电磁性高分子微球从周围介质或混合物中迅速分离纯化,这为生物分离和检测方法提出了新的思路,也给功能材料的研发带来了新的发展方向。近年来,电磁性聚合物微球作为一种新型的功能材料已被广泛研究及应用,特别是在生物医学,生物工程等领域的应用引起了各国研究者的高度重视,成为生物医药研究领域中的一个研究热点,并得到了充分的发展。由于电磁性高分子微球表面可结合各种功能分子,如酶,抗体,细菌,DNA或RNA等,因此在病原细菌分离检测、蛋白质纯化、固定化酶、靶向给药、核酸分离等研究领域具有广阔的应用前景。在这种研究背景下,本文主要围绕功能性磁性聚合物微球的制备、构建与表征做了大量的研究工作。具体涉及四氧化三铁纳米粒子(Fe_3O_4)的制备及其表面改性,核-壳结构磁性高分子微球,Fe_3O_4/P(MAA-MAH),的制备及其表征,以及多层核一壳结构的电磁功能性聚合物微球的制备和表征. 1.以油酸和十二烷基苯磺酸钠为改性剂,采用化学共沉淀法制备了粒径约10nm、具有超顺磁性的改性四氧化三铁纳米粒子。通过红外光谱(FT-IR)、透射电子显微镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)等对产物的结构与磁性能进行了表征。实验结果发现利用双表面活性剂改性的四氧化三铁纳米粒子分散性好。通过改变反应时间,搅拌速度可以控制Fe_3O_4纳米粒子的尺寸,其中搅拌速度具有重要的影响。X-射线衍射(XRD)证实本工作制备的四氧化三铁纳米粒子为立方尖晶石结构的纳米球形颗粒。 2.以改性的Fe_3O_4为核,聚(马来酸酐-co-甲基丙烯酸)(P(MA-co-MAA)为壳,利用分散聚合法制备了具有典型核-壳结构的Fe_3O_4/P(MA-co-MAA)磁性微球。FT-IR、XRD和TEM观察表明,P(MA-co-MAA)很好地包覆在Fe304纳米粒子表面,P(MA-co-MAA)/Fe_3O_4微球呈现明显的核壳层结构特征。进一步使用VSM对复合微球的结构、组成和磁性能进行了表征,发现包覆后的磁性微球的饱和磁化强度高于纯的四氧化三铁的饱和磁化强度,这非常有利于利用磁性能控制药物的释放应用。 3.基于同离子效应考虑,在三氯化铁溶液中进行吡咯的氧化聚合反应,并通过甲基丙烯酸MAA和丙烯酰胺AAm的自由基微乳液共聚合反应,构建了一种新颖的具有电、磁、pH响应性的三层Fe_3O_4/PPy/P(MAA-co-AAm)聚合物微球。与此同时,借助建立在逐步聚合反应原理基础上的MDI锚分子偶合,并通过自由基微乳液共聚合反应,组建了一种新型Fe_3O_4/PANI/P(MAA-co-NVP)三层复合微球。这种方法利用了纳米Fe_3O_4表面吸附的羟基与4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)中的一个异氰酸酯基通过分子间氢转移形成氨基甲酸酯键,另一个异氰酸酯基与PANI中的胺基通过分子间氢转移化学反应得到核壳结构的Fe_3O_4/PANI。随后,通过微乳液聚合在Fe_3O_4/PANI表面包裹P(MAA-co-NVP)聚合物。对制备的样品进行了表征,并研究了不同分子量PANI/Fe_3O_4、PPy/Fe_3O_4组成比对材料电、磁、光、热性能及pH响应行为的影响。FT-IR,TEM,TGA及UV-vis证明,制备的复合微球具有很好的可设计的核壳结构特征,三层核壳结构之间存在着较强相互作用,并表现出很好的热稳定性。振动样品磁强计(VSM)分析证明,本研究制备的电磁微球具有超顺磁性,Fe_3O_4/PPy纳米粒子的饱和磁化强度随着Fe_3O_4含量增加从27.9提高到32.52 emu·g~(-1),Fe_3O_4/PANI的饱和磁化强度从36.18 emu·g~(-1)增加到37.45 emu·g~(-1);而Fe_3O_4/PPy/P(MAA-co-AAm)三层共聚物微球的饱和磁化强度为5.27emu·g~(-1),Fe_3O_4/PANI/P(MAA-NVP)电磁微球的饱和磁化强度为10.23emu·g~(-1)。四点式电阻测量研究发现,随着导电PANI含量增加,Fe_3O_4/PANI/P(MAA-co-NVP)三层复合微球的电导率从1.301×10~(-7)提高到4.648×10~(-5) S·cm~(-1);Fe_3O_4/PPy复合微球具有较高的导电率。不同pH缓冲介质中的溶胀及粒径分析表明,磁性微球具有pH响应性能。因此,电磁微球表现出可设计的电、磁及pH多功能性,并可通过结构设计、导电填料类型及组分比例很好地加以调制。因而可广泛地应用于生物医学、细胞学和生物工程等领域作为分离材料和载体用于细胞分离、固定化酶、免疫分析、靶向药物等。


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