反相悬浮聚合法制备微米级HEMA-NVP-MBA三元聚合物交联微球

1、.反相悬浮聚合法制备微米级HEMA/NVP/MBA三元聚合物交联微球杨莹 高保娇* （中北大学化学工程与环境学院 太原 030051）摘 要 采用反相悬浮聚合法合成了N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）及N , N亚甲基双丙烯酰胺(MBA) 三元微米级共聚微球（HEMA/NVP/MBA）；考察了分散剂种类与用量、搅拌速度、油水两相比例、交联剂用量等因素对成球性能及微球粒径的影响规律；采用红外光谱（FTIR）表征了微球的化学结构；使用扫描电子显微镜（SEM）观察了微球的形貌。研究结果表明，采用反相悬浮聚合法可以制备出球形度良好、粒径在100300m范围内可控的微米级HEMA

2、/NVP/MBA三元交联微球。共聚物能否成球，这是首先需要解决的问题。分散剂种类须选择适当，否则不能成球或成球率很低；搅拌速度太慢、油水两相比太小时，成球性能也很差（即不能成球）。在能较好地成球的条件下，搅拌速度、分散剂用量、油水两相比及交联剂用量对微球的粒径都有较大的影响。为制备粒径约为180m的交联微球，适宜的条件为：搅拌速度400rpm，两相比例石蜡/水相 =40/11(V/V)，分散剂（Span-60）用量为6.58%(在分散相中的质量含量)。关键词 甲基丙烯酸羟乙酯, N-乙烯基吡咯烷酮, 反相悬浮聚合, 微球中图分类号: 0631 与纳米级以及大颗粒微球相比，微米级聚合物交联微球具

3、有许多优良性能1：仍具有较大的比表面且不容易团聚，具有良好的机械性能与抗溶剂性能，重复使用性能优良，尤其是功能性微米级聚合物交联微球，在众多科学技术领域都有着广泛的应用，比如在生物学、医学、物质分离、催化剂科学、环境科学等领域，微米级功能性聚合物微球发挥着越来越重要的作用2-4，尤其是具有生物相容性的功能聚合物微球，更令人关注。聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)和聚N-乙烯基吡咯烷酮（PNVP）都是具有生物相容性的亲水性聚合物5，6，尤其在PHEMA的大分子链上还具有活性基团羟基，因此含HEMA与NVP的聚合物广泛用于生物医学7，8。将HEMA与其它单体实施交联共聚，制备的生物医用高分子微球，可

4、用于生物大分子及酶的固定化9,10、药物的控释11、生物大分子及DNA的分离12,13等，显然，制备含有HEMA的微米级聚合物交联微球具有重要的科学意义。微米级聚合物微球通常采用分散聚合法与种子乳液聚合法制备，都有一定的局限性，比如前者体系中分散剂有时产生位阻效应1，而后者则制备过程较复杂。本研究采用反相悬浮聚合法，进行了HEMA、NVP及N,N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）的共聚合，制备了微米级三元聚合物交联微球HEMA/NVP/MBA。通过大量的实验研究，探索考察了聚合体系的成球性能以及各种因素对微球粒径的影响规律。本文的研究结果对于生物化学、生物医学、生物化工、生化分析及酶催化等领域的相关研

5、究都具有一定的参考价值。1 实验部分1.1 试剂与仪器N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），上海德祥医药科技有限公司，分析纯；甲基丙烯酸羟乙酯*通讯联系人:高保娇（1946）,女,教授,博士生导师;研究方向:功能高分子材料;E-mail: gaobaojiao(HEMA)，天津市化学试剂研究所，分析纯；N,N亚甲基双丙烯酰胺（MBA），湖南湘中精细化学品厂，化学纯；过硫酸铵（APS），上海富蔗化工有限公司，分析纯，乙醇重结晶后使用；Span-60，天津市东丽区天大化学试剂厂，化学纯；石油醚，天津市华东试剂厂，化学纯。其它所用试剂均为市售分析纯试剂。带有测微尺的光学显微镜（XSZ-4型，双目生物显微镜，

6、太原光学仪器厂），美国Perkin-Elmer公司1700型傅立叶红外光谱仪；英国LEO公司的438VP型扫描电子显微镜。1.2 微米级交联微球NVP/HEMA/MBA的制备 将一定量的Span-60在搅拌下溶于液体石蜡中，构成连续相油相，加入到装有搅拌器、冷凝管、导气管的四口瓶中；将4mL甲基丙烯酸羟乙酯、4mLN-乙烯基吡咯烷酮和适量的N, N亚甲基双丙烯酰胺（交联剂）与3mL二次蒸馏水混溶，构成分散相水相；通氮气30min，将油相加热到35，然后将水相加入其中，在恒温下将该体系搅拌二十分钟，充分分散，将体系温度升高到65，加入0.0164g的引发剂APS，在氮气保护下进行聚合，8小时后结

7、束反应，得到透明的交联微球。将微球滤出，分别用石油醚、丙酮多次洗涤，于50下真空干燥24小时。HEMA / NVP /MBA交联微球的制备过程图示如下： 图1 三元聚合物交联微球HEMA/NVP/MBA的制备反应 Fig 1 Preparation reaction of tripolymer microspherer HEMA/NVP/MBA1.3 考察各种因素对微球粒径的影响在改变分散剂种类、分散剂用量、搅拌速度、油水相比例（V/V）、交联剂用量等条件下，分别进行了微球的制备实验，考察了聚合体系的成球性能以及各种因素对微球粒径的影响规律。1.4 NVP/HEMA/MBA交联微球的表征用KB

8、r压片法测定产物的红外吸收光谱，表征其化学结构；使用扫描电子显微镜（SEM）观察微球的形貌与粒径分布情况；用带有测微尺的光学显微镜测定微球的粒径，按下式计算微球的平均直径（）： （1）2 结果与讨论2.1 交联微球的表征图1是所制交联微球的红外光谱图。在该谱图中，1270cm-1和1684cm-1分别为NVP链节的C-N键和羰基C=O的特征吸收峰；1730cm-1和3444cm-1分别为HEMA链节的酯羰基C=O和羟基O-H的特征吸收峰；1540cm-1和2990cm-1分别为MBA的酰胺基羰基C=O和N-H键的特征吸收峰。上述谱峰表明， NVP与HEMA及MBA发生了交联共聚合反应，生成了三

9、元交联微球NVP/HEMA/MBA。 图 2 共聚微球的红外光谱图Fig 2 FTIR spectrum of copolymer microsphere2.2 扫描电镜观察微球外观形貌 图3是交联微球NVP/HEMA/MBA的SEM照片，可以看出，微球形度良好，且粒径比较均匀，通过调节共聚合条件，可以制得粒径不同的微球。 A（放大200倍） B（放大700倍）图 3 交联微球的扫描电镜照片 Fig 3 SEM image of crosslinking microspheres 2.3 各种因素对共聚合体系成球性能及对NVP/HEMA/MBA微球粒径的影响系列地改变了成球过程中的各种条件，探

10、索了各种因素对反相悬浮聚合体系的成球性能及对微球粒径的影响规律。实验中发现，如果条件不适合，聚合物根本不能成球，聚合物产物或者呈饼状，或者呈形状各异的白色粉末状（形状是在显微镜下观察的）；如果条件适当，则聚合产物为透明的微球。在下列各单因素实验中，分散相水相的体积总保持不变，为11mL，其中单体N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)与甲基丙烯酸-羟乙酯(HEMA)的加入量分别为4.0mL。2.3.1 分散剂的影响 首先考察了分散剂种类对体系成球性能的影响。Span系列是疏水性表面活性剂，本聚合体系是油包水型（W/O）悬浮体系，故选用Span系列表面活性剂作为分散剂，表1列出了使用不同分散剂时聚合体系的成

11、球情况。显然，Span-60是比较合适的分散剂，说明其HLB值与体系中油水两相的界面张力比较匹配，或者说Span-60能够有效地减小油水两相的界面张力使水相层分散成液滴（在搅拌作用下），而且Span-60分子能较好地在水相液滴周围形成保护膜，起到保护分散相的作用，有利于共聚物微球的形成。表 1 分散剂的性质对成球的影响Table 1 Effect of disperser property on forming of microsphere分散介质成球情况HLBSpan-20不成球8.6Span-80不成球4.3Span-60成球4.7硬脂酸钙不成球Span-60 / 硬脂酸钙不成球以Span

12、-60为分散剂，固定其它条件，考察了改变Span-60的用量对NVP/HEMA/MBA微球粒径的影响，图4给出了微球平均粒径随Span-60的用量（占分散介质的质量百分数）的变化曲线。从图中看出，增加分散剂用量，平均粒径逐渐减小。随着Span-60用量增加，不但能进一步减小油水两相之间的界面张力，使水相以更微小的液滴形式分散在油相中（在搅拌作用下），而且会使吸附在两相界面处的保护膜变厚，充分保护分散相的液滴不发生聚并，故有利于聚合物交物微球粒径的减小。根据图4的数据，本研究为制得粒径在180m左右的NVP/HEMA/MBA微球，分散剂用量宜选用6.58。图4 分散剂用量对球平均粒径的影响 图5

13、 搅拌速度对平均粒径的影响Fig 4 Effect of disperser amount on microsphere diameter Fig 5 Effect of agitating rate on microsphere diameterRatio of oil phase to water phase: 40/11 (V/V) Ratio of oil phase to water phase: 40/11 (V/V) Used amount of MBA: 6.36% Used amount of MBA: 6.36%Agitating rate: 400r.p.m Used a

14、mount of disperser: 6.58% 2.3.2 搅拌速度的影响固定其它条件，改变搅拌速度制备了共聚物微球，考察了搅拌速度对体系成球性能及对微球粒径的影响。实验中发现，当搅拌速度较低（200 r.p.m）时，不能得到微球，产物为粘性饼状。加快搅拌速度，聚合物才可以成球，图5给出了微球的平均粒径随搅拌速度的变化曲线。从图中看出，随着搅拌速度的增大，微球粒径不断减小。搅拌的目的是产生剪切作用，克服油水界面张力，使分散相液层分散成液滴。搅拌速度较低时，剪切作用较小，不足以克服油水界面张力，不能使分散相液层分散成液滴，故不能成球。提高搅拌速度，水相受到足够大的剪切作用，被分散成小液滴，导

15、致微球的形成，且搅拌速度越高，液滴分散得越细，故微球的平均粒径越小。根据图5的数据，本研究为制得粒径在180m左右的NVP/HEMA/MBA微球，搅拌速度选用400r.p.m。2.3.3 油水两相比的影响固定其它条件，改变油水两相之比制备了共聚物微球，考察了油水相比对体系成球性能及对微球粒径的影响。实验中发现，油水两相之比较小（当油相:水相（V/V）2:1）时，不能得到微球，产物为粘性饼状；而当油水两相之比太大时，也得不到微球，产物为白色粉末。当油水两相之比处于合适的范围内时，聚合物才可以成球，图6给出了微球的平均粒径随随油水相比例的变化曲线。从图中看出，随着油水两相比的增大，聚合物颗粒的平均

16、直径不断减小。这是因为随着油水两相比的增加，单位体积连续相中分部的分散相液滴减少，相互碰撞的几率减小，降低了液滴聚并的几率，最终使聚合物颗粒的平均粒径减小。根据图6的数据，本研究为制得粒径在180m左右的NVP/HEMA/MBA微球，油水相比选用40/11(V/V)。图 6 油水相比对平均粒径的影响 图 7 交联剂用量对平均粒径的影响Fig 6 Effect of ratio of two phase on microsphare Fig 7 Effect of amount of crosslinking agent onmicrospherediameter diameter Agitat

17、ing rate: 400r.p.m Agitating rate: 400r.p.mAmount of Span-60 : 6.58% Amount of Span-60 in dispersion medium : 6.58%Used amount of MBA: 6.36% Ratio of oil phase to water phase: 40/11 (V/V)2.3.4 交联剂用量的影响 固定其它条件，改变交联剂用量制备了共聚物微球，考察了交联剂用量（总单体质量的百分数）对体系成球性能及对微球粒径的影响。图7为随交联剂用量的变化曲线。从图中看出随着交联剂用量的增加，微球的平均粒径减

18、小，这可能是由于交联剂用量增加时，将单体束缚在一起的作用增强，使最终制得的聚合微球粒径变大。根据图7的数据，本研究为制得粒径在180m左右的NVP/HEMA/MBA微球，交联剂用量选取6.36。2.3.5 交联微球的粒径分布 本研究为制备粒径在180m左右的NVP/HEMA/MBA微球，在适宜的条件下进行了制备实验，具体的条件为：搅拌速度，400r.p.m；分散剂用量，6.58%；油水相比，40/11 (V/V) ；交联剂用量，6.36%。在上述条件下制备的微球用标准筛网筛分，对各级分称重，粒径分部图示于图8。从图中看到，本研究所制备的聚合物微球粒径分布较窄，粒径主要集中在130250m，占总

19、量的90%。图 8 聚合物交联微球粒径分布Fig 8 Distribution of crosslinking microsphere diameter3 结论 通过反相悬浮聚合制得了粒径可控的三元交联微球NVP/HEMA/MBA。影响聚合体系成球性能的主要因素为分散剂性质、搅拌速度与油水两相的比例。分散剂的HLB值须与悬浮体系中油水界面张力相匹配，搅拌速度要足够高，油水两相的比例要足够大，反相悬浮聚合体系才能顺利成球。分散剂用量、搅拌速度、油水两相的比例及交联剂用量均对微球的粒径产生影响。为制备粒径在180m附近的交联微球，适宜的条件为：分散剂用量为6.58，搅拌速度为400r.p.m，油水

20、相比为40/11，交联剂用量为6.36。参 考 文 献1 Zhang H， Huang H，Lv R，Chen M. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2005, 253: 17212 Wu S, iu B, Li S. International Journal of Biological Macromolecules, 2005, 37: 2632673 Sandor M, Enscore D, Weston P, Mathiowitz E. Journal of Controlled Release, 2001, 76

21、: 2973114 Yeo L, Gagnon Z, Chang H-C. Biomaterials, 2005, 26: 612261285 Mabilleau G, Moreau M F, Filmon R, Basl!e M F, Chappard D. Biomaterials, 2004, 25: 515551626 Hayama M, Yamamoto K-I, Kohori F, et al. Biomaterials, 2004, 25: 101910287 Gulsen D, Chauhan A. International Journal of Pharmaceutics,

22、 2005, 292: 951178 Guowei D, Adriane K, Chen X, et al. International Journal of Pharmaceutics, 2007, 328: 78859 Xu S, Peng B, Han X. European Polymer Journal, 2006, 42: 2801280610 Pérez J P H, López-Cabarcos E, López-Ruiz B. Biomolecular Engineering, 2006, 23: 23324511 Dziubla T D, To

23、rjman M C, Joseph J I, et al. Biomaterials, 2001, 22: 2893289912 Rittich B, panováA, Horák D, et al. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2006, 52: 14314813 Kíová J, panová A, RittichB, Horák D. Journal of Chromatography A, 2005, 1064, 247253Preparation Micron-sized

24、Crosslinking Microsphere of HEMA/NVP/MBA via Inverse Suspension Polymerization Method Yang Ying Gao Baojiao（Department of Chemical Engineering, North University of China, Taiyuan, 030051） Abstract The copolymerization of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA), N-vinylpyrrolidone (NVP) and N,N-Methylene

25、bisacrylamide (MBA) was performed via inverse suspension polymerization method, and micron-sized crosslinking tripolymer microspheres were obtained. The effects of various factors, such as disperser kind, stirrer rate, ratio of oil phase to water phase and the used amount of crosslinking reagent, on

26、 the forming of the microsphere and the diameter of the microspheres were examined. The chemical structure of the microspheres was characterized with FTIR spectrium, and their morphology was eobserved with scaning electron microscope. The experimental results show that the micron-sized crosslinking

27、tripolymer microspherers with excellent sphericity and with controllable diameter in a range of 100300m can successfully prepared by using inverse suspension polymerization system. It is a key problem that wheather the microspherers can be formed. The disperser must be selected suitably, otherwise, the the microsp