高分子磁性微球的研究进展

郭卫强，焦艳华

（杭州师范大学生物医药与健康中心，浙江 杭州 311121）

高分子磁性微球的研究进展

郭卫强，焦艳华

（杭州师范大学生物医药与健康中心，浙江 杭州 311121）

综述了磁性高分子微球的最新研究进展，并介绍了高分子磁性微球制备方法中比较经典的几种，并比较了他们各自的优势和不足。并对高分子磁性微球的研究方向的未来发展进行了展望。

纳米磁性；磁性微球；高分子微球

高分子磁性微球是指通过适当的方法使有机高分子与无机磁性颗粒(粒径在10~100nm)结合起来形成的具有一定磁性的高分子微球。在精细化工、环境监测、固定化酶、靶向药物、免疫分析、细胞分离、化妆品等方面,高分子磁性微球有广阔的应用前景。目前，研制适应不同要求的磁性高分子微球正是科研学者努力的重要方向。

磁性高分子微球按照结构可以分为4类（图1）：（1）内核为磁性材料，壳为聚合物的核/壳式结构；（2）以高分子材料为核、磁性材料作为壳层的核/壳式结构；（3）内层、外层皆为高分子材料，中间层是磁性材料的夹心式结构；（4）微球整体为高分子材料，磁性物质混杂其中的结构。目前，研究和应用比较多的是前面的2种微球形态。

高分子磁性微球的优势主要体现在以下4个特性上：（1）表面积效应和体积效应，由于微球的粒径非常小，导致其表面积与体积的比值急剧增大，从而使其表面能大大增加，在很多反应中表现出常规试剂不曾有的表面活性[1]。（2）超顺磁效应，由于磁性材料的加入，磁性材料的超顺磁性也成功地引入到了高分子材料中。（3）生物兼容性，磁性高分子微球在生物工程，特别是生物医学工程中的应用有一个重要的条件就是要有生物兼容性。多数生物高分子如多聚糖，蛋白质类具有良好的生物兼容性[2]。它们在人体内安全无毒，可降解，不与人体组织器官产生免疫原性，这种性质在靶向药物中尤其重要。(4)功能基特性，生物高分子有多种活性功能基团，如—OH，—COOH，—CHO，—NH2，—SH等可连接具有生物活性的物质，如免疫蛋白、生物酶等[3]。

2 高分子磁性微球的制备

在制备高分子磁性微球之前，必须制备纳米磁性粒子。目前用的比较多的方法是化学共沉淀法[4~8]，水热法[9~12]，溶胶法热解法[13~15]，以及其他方法。高分子微球的制备主要是通过包埋法，单体聚合法，原位法，将有机材料和磁性材料结合在一起，从而得到兼具二者优点的材料。

2.1 包埋法

包埋法是运用机械搅拌、超声分散等方法使磁性粒子均匀悬浮于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段制得磁性高分子微球。磁性粒子表面由于有大量的羟基存在，与亲水性高分子之间存在一定的亲和力，所以把磁性粒子浸泡于这些高分子的溶液中，再经过乳化等处理过程，就可以在磁性粒子表面形成高分子壳层。在此过程中，使用交联剂对高分子壳层进行稳定化处理，更可以进一步增加高分子磁性微球的稳定性。天然高分子磁性微球均采用这种方法制备。

Gupta等[16]将磁性粒子与牛血清蛋白和棉籽油进行超声处理，然后加热，得到外包牛血清蛋白的磁性微球。Menager等[17]将双分子层磷脂膜包覆在纳米Fe3O4颗粒表面制成80nm的磁性脂质体。李欣等[18]将纤维素与γ-Fe2O3混合成磁性粘胶液，采用反相悬浮包埋法制得毫米级磁性珠状纤维素。

包埋法制备磁性高分子微球的优点在于条件简单，易于进行，但是制备所得的磁性粒子粒径分布宽，形状不规则，粒径不易控制，而且包覆的壳层中难免会有些乳化剂之类的杂质，用于免疫测定、细胞分离等领域会受到很大限制。由于磁性材料一般为亲水性颗粒，所以包埋的高分子一般也要为亲水性分子，否则很难将磁性微粒完全包裹。这在一定程度上限制了包埋法的应用[19]。

2.2 单体聚合法

单体聚合法是在磁性粒子和有机单体共同存在的条件下，根据不同的聚合方式加入引发剂、表面活性剂、稳定剂等物质聚合制备磁性高分子微球的方法。简单来说单体聚合又可以分为悬浮聚合、乳液聚合，以及辐射聚合，化学聚合和生物合成法。

Noguchi等[20]用乳液聚合法制备了磁性高分子微球，讨论了影响颗粒大小的因素及磁微球完全被包裹的条件。邱广明等[21]在磁流体存在下,以聚乙二醇(w=4000)为分散剂,乙醇/水为分散介质,进行苯乙烯-丙烯酸-二乙烯基苯的分散聚合,合成具有磁核的聚苯乙烯微球，并考察了磁流体、聚乙二醇、分散介质和丙烯酸对微球磁响应性和粒径的影响，合成了粒径为1~10μm的磁性高分子微球。Avivi 等[22]通过紫外光照射的方法合成了一系列磁性微球，这种磁性微球中添加了氧化铁粉并且包裹在牛血清清蛋白（BSA）上，这种微球由BSA与铁蛋白质或是BSA与铁盐化合物合成，通过TEM和SEM可以观察到颗粒呈球形，尺寸分布为一系列微米级的高斯分布。通过化学分析，计算得到氧化铁的含量为39%~42%。

应该说高分子磁性微球的制备方法中，单体聚合应用得最多，但是在制备过程中磁性粒子易被聚合物排斥在外，经常造成磁核裸露在外的问题。有报道称在乳液聚合的过程中加入高比例的交联剂可以改善这种现象[23]，但这个问题仍然未得到完美解决。

2.3 原位法

原位法是Ugelstad等创立的一种制备混合结构型单分散超顺磁性高分子微球的有效方法。这种方法已经不是严格按照分步的过程来制备高分子磁性微球，而是直接将单分散的高分子材料投入到二价和三价铁溶液中，在碱性条件下，让磁性粒子在高分子结构内部生长，然后得到高分子磁性微球。

在制备的过程中，可根据聚合物微球所具有的不同功能基以不同的方法来制备磁性高分子微球。如含－ NH2、－ NH －、－ COOH等基团，可直接加入合适比例的二价和三价铁盐溶液，使聚合物微球在铁盐溶液中溶胀、渗透，升高pH值，可得到铁的氢氧化物，最后升温至适当的温度，即可得到含有Fe3O4微粒的磁性高分子微球。

Wang等利用纳米磁性Ziegler-Natta催化剂，通过在纳米磁性微粒表面上进行原位配位聚合制备了新型的磁性聚乙烯纳米复合材料。

这种方法的优势是制得粒子粒径均一，但磁含量受粒径大小影响很大。当选用小粒径的聚合物微球时，高分子结构所吸收的铁盐的水溶液少，因此磁含量少。

3 展望

近年来，高分子磁性微球的相关研究取得了巨大的进步和丰硕的成果，我们可以发现高分子磁性材料正越来越多地应用在标记和分离DNA[24]、蛋白质[25]、细菌和其他生物组分[26~27]等领域，同时也被应用于磁共振成像(MRI)、磁性细胞溶解技术、药物靶向输送[28]等重要领域。

但是我们也应该看到仍有许多方面需要我们努力，例如：（1）如何探索新的磁性纳米颗粒的制备方法,以及对传统方法的改进；（2）如何提高磁性微球中功能基团的含量,提高磁性微球的磁含量；（3）如何保持高分子磁性微球上结合的生物大分子具有最大的活性和稳定性。

随着研究的不断深入，我们有理由相信这些问题必将得到完善的解决；在不远的未来，高分子磁性微球必将在科学研究领域和人们的日常生活发挥重要的作用。

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Research Progress of Polymer Magnetic Microsphere

GUO Wei-qiang, JIAO Yan-hua
（Research Center of Biomedicine and Health， Hangzhou Normal University， Hangzhou 311121， China）

Progress of polymer magnetic microspheres preparation was reviewed and summarized. Several signif i cant methods were introduced， and advantage and the disadvantage of each other were compared in this paper. Trends and directions of the researches about magnetic macromolecular microsphere were also prospected.

nano-magnetism; magnetic microsphere; macromolecular microsphere

TM 27

A

1671-9905(2012)07-0040-03

国家自然科学基金资助项目(21005025); 浙江省公益技术应用研究资助项目(2010C33132)

郭卫强(1986-)，男，硕士研究生，河北邢台人。现从事纳米磁性材料的合成和改性研究

焦艳华(1976-)，女，副教授，湖北孝感人，现从事生物诊断试剂的合成及应用方面的研究，Email：yhjiao@hznu.edu.cn

2012-04-27