单分散PS/PGMA核-壳型高分子微球的制备与表征

段 殷 ，左 锋 ，柴宏森 ，刘建华 ，王冬梅 ，徐 亮 ，周 晶

（1.天津医科大学药学院,天津市临床药物关键技术重点实验室，天津300070；2.天津市出入境检验检疫局，天津300457；3.湖北沙隆达股份有限公司，湖北434001）

核-壳型结构的复合高分子微球制备简便，可实现不同材料多种性能的互补，在医学、检验、生物工程等领域具有广泛的应用前景[1-3]。核-壳型高分子微球的制备方法有很多种，常用的有分散聚合[4-5]、乳液聚合[6]、沉淀聚合[7]、悬浮聚合[8-9]、种子聚合等[10-11]。其中种子聚合法(Seeded polymerization)是在粒径均一的种子微球上共聚上特定的单体，制备得到核-壳型高分子微球，由于其具有可控性好，反应稳定等优点得到了广泛应用。有研究者以聚苯乙烯（PS）为种子，采用种子聚合法将SiO2包覆于微球的表面，制备出了PS/SiO2复合微球[12]。在制备核-壳型微球的同时引入Fe3O4纳米粒，制备了磁性SiO2复合纳米粒[13]。这些研究工作的开展都证明了种子聚合方法的优越性。本研究采用种子乳液聚合方法制备核-壳型聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PS/PGMA）微球，通过本研究可以开发出一种在PS微球的表面引入活性强的环氧基基团（来自GMA）的制备方法，从而克服PS不易改性的缺点，拓展其应用范围。通过对制备条件进行考察，可以实现对此核-壳型微球粒径的可控制备。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂 TecnaiG2 F20场发射透射电子显微镜（FEI公司）；Nicolet380型傅里叶变换红外光谱仪（尼高力公司）；DelsaTMNano C纳米粒度及zeta电势分析仪（Beckman Coulter）；RE52CS旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；WE-2水浴恒温振荡器（天津市欧诺仪器仪表有限公司）

过硫酸钾（KPS）、氢氧化钠（NaOH）、无水氯化钙：均为分析纯；十二烷基磺酸钠（SDS）：电泳级；苯乙烯（St）：分析纯，经碱洗减压蒸馏去除阻聚剂；GMA：纯度为96%。上述试剂均购自联星生物科技有限公司（天津）。

1.2 单分散PS种子微球的制备 100mL锥形瓶中加入40mL 0.2%KPS与0.12%SDS水溶液，4mL St，吹N210min后，密封乳化 10min，水浴加热至70℃振摇反应12 h。

1.3 核-壳结构的PS/PGMA微球的制备 在三口烧瓶中加入40mL上述制备的PS种子微球，再加入一定量的GMA与10mL 0.4%KPS水溶液，70℃搅拌反应10 h。

1.4 微球的表征 高分子微球的形貌和表面结构采用场发射透射电子显微镜（TEM）观察和测定，将分散在水中的高分子微球取一滴滴在覆有碳膜的铜网上，晾干后用TEM观测。采用溴化钾（KBr）压片法测定PS种子和PS/PGMA微球的红外光谱（IR）。

2 结果

2.1 PS/PGMA微球制备条件的考察和优化

2.1.1 PS种子的粒径对PS/PGMA微球粒径大小的影响 本研究首先考察了PS种子粒径对制备的PS/PGMA微球粒径的影响，结果表明PS/PGMA微球粒径随着种子粒径的增大而增大。例如实验中分别使用粒径为（120.4±23.2）nm 和（131.2±30.4）nm的PS种子，所制得的PS/PGMA微球粒径分别为（134.3±29.6）nm 和（147.7±40.8）nm。制得 PS/PGMA微球的多分散系数（PDI）分别为0.076和0.093。

2.1.2 KPS浓度对PS/PGMA复合微球粒径的影响 实验采用种子聚合法制备核-壳型微球，要求能使反应单体在PS种子上产生自由基链聚合反应且反应单体不单独成核，因此对引发剂浓度的考察十分必要。由表1可见随着KPS浓度的增加，制备出的PS/PGMA微球粒径具有先增大后减小的趋势。

表1 KPS加入量对微球粒径的影响Tab 1 Effectof KPSconcentration on the particle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.3 SDS浓度对PS/PGMA微球粒径大小的影响 乳化剂SDS的浓度对PS/PGMA微球粒径的影响结果见表2。由表2可见随着SDS浓度的增大，PS/PGMA微球粒径逐渐增大，在SDS浓度为0.1%时达到最大值，当SDS浓度继续增大时，PS/PGMA微球粒径反而变小。

表2 不同SDS浓度对微球粒径的影响Tab 2 Effectof SDSconcentration on theparticlesizeof the preparedm icrospheres

2.1.4 GMA单体用量对PS/PGMA微球粒径的影响 不同单体浓度对粒径大小及分布的影响结果见表3，从表3中可看出PS/PGMA微球的粒径随GMA单体加入量的增加而增大。

表3 GMA单体用量对微球粒径的影响Tab 3 Effectof theam ountsof GMA on theparticle sizeof the preparedm icrospheres

2.1.5 反应时间对PS/PGMA复合微球粒径的影响 在反应进行过程中，对所形成微球的粒径进行了实时监测，结果见图1。随着反应时间的增加，PS/PGMA微球的粒径随之增大。至反应5 h后，测得粒径大小几乎保持不变，此时高分子微球粒径增长过程基本结束。在制备过程中，为了保证GMA转化完全，反应一般进行时间为10 h。

2.2 PS/PGMA微球的表征

2.2.1 PS/PGMA微球的红外光谱鉴定 PS种子和PS/PGMA微球的红外光谱见图2，比较两种微球的吸收峰位发现，核-壳型PS/PGMA微球的红外光谱分别在1 729 cm-1和1 128 cm-1处有两个吸收峰。其中，1 729 cm-1处的吸收峰为GMA羰基伸缩振动的特征吸收峰；1 128 cm-1处的吸收峰为碳氧单键的伸缩振动峰。而在PS种子的红外图谱的相同位置并不存在吸收峰。该红外谱图的结果说明了GMA成功的包覆在PS种子上，形成了PS/PGMA核-壳型结构的微球。

2.2.2 PS/PGMA微球的形貌特征 由图3可见，TEM照片中PS/PGMA微球具有良好的球形度，分布基本均匀。从图中可清晰地看到所制备的微球具有核-壳型结构，进一步证明了GMA包覆在了PS微球的表面。

3 讨论

本文利用种子聚合法制备了纳米级单分散核-壳型PS/PGMA高分子微球。考察了制备条件对微球粒径产生的影响。其中KPS浓度、SDS浓度、GMA加入量是影响粒径的关键因素。第一，以KPS为引发剂，将GMA共聚于PS种子的表面，当增加引发剂浓度时，产生的自由基数目逐渐增多，形成微球的粒径随之增加。但是当KPS浓度过高时，引发的自由基数目会显著增加，即单体成核数目增加，从而导致微球粒径减小。因此随着KPS浓度的增加，制备出的PS/PGMA微球粒径具有先增大后减小的趋势。第二，在种子聚合过程中，乳化剂SDS对制备的微球的粒径产生显著影响。分析表2的结果认为，GMA为疏水性单体，当SDS浓度较低时，形成的胶束浓度低，对GMA的增溶作用较小，因此所形成的GMA壳层薄。而当SDS浓度过高时虽然形成的胶束浓度高，但由于GMA单体的量有限，导致胶束中GMA的浓度较低，同样使得形成的GMA壳层厚度变薄，最终使得微球粒径减小。第三，随着GMA单体加入量的增加，制备出的PS/PGMA微球粒径随之增大。这是因为当GMA含量逐渐增多时，聚合在PS种子上的GMA单体量也会随之增加，因而微球的粒径会增大。

本研究结果证明，采用本方法可以制备得到核-壳结构的PS/PGMA微球。选用两种性能互补的材料，PS为种子微球，GMA为聚合单体，与之前报道相比具有如下优势：（1）采用简便、低成本的制备方法，以水为分散相，KPS为引发剂进行乳液聚合反应，避开使用价格相对较高的阳离子引发剂AIBN和稳定剂PVP，最终制备出稳定、球型度好且表面易改性的实用型纳米级单分散复合微球。（2）通过在PS微球的表面引入GMA，利用其表面富含的环氧基，可以实现对PS/PGMA微球的功能基化改性，克服PS微球不易改性的缺点，同时GMA包覆在PS微球外部，可以克服PS微球本身非特异性吸附的缺点。

利用本方法制备的PS/PGMA微球易于表面改性，拓展了其应用范围，使其可以应用于诸如免疫诊断、靶向药物、蛋白分离等生物化学和生物医学领域。例如，本课题组已将该微球用作体外免疫诊断试剂的载体，将β2-微球蛋白（β2MG）抗体偶联在此微球上，制备得到β2MG胶乳增强免疫诊断试剂，利用此检测试剂测定人血液和尿液中的β2MG含量，检测结果与商品化试剂（东瓯RK66A/Z检测试剂盒）测试的结果具有较高的一致性，且现有研究结果证明PS/PGMA微球制备的诊断试剂盒具有更好的稳定性与测定结果重现性，相关工作正在进一步开展中。

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