原子转移自由基聚合法制备超大孔聚合物微球

虞　天, 许成楠, 于　嫄, 赵飞飞, 潘一廷, 刘　 才, 黄永东, 张荣月

(1. 北京石油化工学院, 化学工程学院, 北京 102617;2. 中国科学院过程工程研究所, 生化工程国家重点实验室, 北京 100190)



原子转移自由基聚合法制备超大孔聚合物微球

虞天1, 许成楠1, 于嫄1, 赵飞飞1, 潘一廷1, 刘 才1, 黄永东2, 张荣月1

(1. 北京石油化工学院, 化学工程学院, 北京 102617;2. 中国科学院过程工程研究所, 生化工程国家重点实验室, 北京 100190)

以甲基丙烯酸缩水甘油酯为单体(GMA)、 乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)为交联剂, 采用原子转移自由基聚合法(ATRP)制备了PGMA-EDMA大孔聚合物微球, 采用傅里叶变换红外光谱、 扫描电子显微镜及压汞法对PGMA-EDMA微球进行了表征. 研究结果表明, 原子转移自由基聚合法制备的PGMA-EDMA微球的孔径尺寸及比表面积均大于普通自由基聚合法(CFRP)制备的PGMA-EDMA; ATRP法制备的PGMA-EDMA微球的颗粒尺寸(100～400 nm)明显小于CFRP法制备的PGMA-EDMA微球的颗粒尺寸(1000 nm). PGMA-EDMA(ATRP)的微球粒径尺寸分布优于PGMA-EDMA(CFRP). 因此PGMA-EDMA(APRP)微球在快速蛋白分离纯化方面有潜在的应用前景.

高通量; 分离介质; 原子转移自由基聚合; 超大孔聚合物微球

随着生物医药技术的发展, 人们对生物制品药物的需求量与日剧增, 同时对生物技术产业中的下游技术即分离纯化提出新的挑战. 发展快速、 高效、 高通量的分离纯化技术是众望所归[1]. 色谱层析分离技术已成为当前生物医药生产的重要组成部分, 层析分离工艺选择的实质在于对分离介质的选择[2～4]. 当前市场最常用的分离介质是以琼脂糖为基质, 琼脂糖微球具有良好的生物相容性和易于衍生功能基团的优点, 但由于琼脂糖微球机械性能低(通常最高耐压为0.3 MPa)、 孔径小(平均孔径30～50 nm)[5], 难以同时满足高流速和大规模层析的要求.

以聚合物为基质的分离介质因具有机械强度高、 孔径范围可控及表面易功能化等优点而备受关注[6,7]. 生物大分子本身的一些独特性质, 如分子尺寸大、 结构复杂及生物活性等, 对分离介质提出了一些特殊的要求, 如灌柱色谱填料(超大孔填料)的出现很好地解决了介质的传质问题. 但随着微球孔径的增加, 微球比表面积大大减小, 介质的静态载量相应减少, 导致其动态载量无法达到较高的水平. 目前, 聚合物介质主要通过普通自由基悬浮聚合法制备, 其骨架结构由细小的颗粒聚集而成[8,9]. 普通自由基聚合的特点是慢引发、 快增长、 速终止, 在悬浮聚合的油相液滴凝胶化过程中, 最初形成的微凝胶颗粒大小随机, 尺寸差异较大, 随反应进行微凝胶颗粒之间交联聚集形成微球, 由于聚集的颗粒大小不均, 故微球的孔径不易控制[10], 在调控得到大孔(平均孔径>100 nm)的同时难以兼顾其比表面积, 即在大孔微球中, 其比表面积在50 m2/g以下, 故通常大孔介质在分离应用中难以同时兼顾高通量和高载量. Zhang等[11]用原子转移自由基聚合法(ATRP)[12,13]制备了聚丙烯酸酯类整体柱, 与普通自由基聚合法(CFRP)相比, 所得柱体具有结构均匀、 堆积颗粒尺寸均一、 颗粒尺寸较小及比表面积相对较高等优点. 同时, 与普通自由基聚合法制备的凝胶相比, 通过ATRP法制备的聚合物凝胶结构更均匀[14,15]. ATRP法主要用于聚合物结构控制与接枝聚合[16～18], 而用于制备大孔微球鲜见报道. 本文通过ATRP法悬浮聚合方法制备大孔聚合物微球, 获得了通量高、 比表面积高的分离介质, 该类介质在生化分离领域有广阔的应用前景.

1　实验部分

1.1试剂与仪器

甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA, 纯度98%)、 乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA, 纯度98%)、 溴代丙酸乙酯(EPB, 纯度97%)、 联二吡啶(BPY, 纯度98%)和溴化亚铜(CuBr, 纯度98%), Sigma-Aldrich公司; 聚乙烯醇(PVA, 醇解度87%, 平均聚合度1700), 阿拉丁试剂公司; 偶氮二异丁腈(AIBN, 分析纯)、 二氯甲烷(DCM, 分析纯)、 正辛醇(OA, 分析纯)和十二烷基苯磺酸钠(SDS, 纯度99%), 国药集团化学试剂有限公司.

德国Bruker公司Tensor27型傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 仪; 美国FEI公司Quanta400F型扫描电子显微镜(SEM); 美国Micromeritics公司Autopore IV9500型压汞仪; 德国BECKMAN公司LC13320型粒径分布测定仪; 德国IKA公司EUROSTAR 20型顶头式机械搅拌仪; 美国GE公司KTA Purifier 10型蛋白层析系统.

1.2PGMA-EDMA微球的制备

将10 g PVA和1.0 g SDS加入1000 mL去离子水中, 加热至80 ℃, 磁力搅拌至PVA和SDS完全溶解成透明溶液, 冷却至室温得到水相, 备用; 将1.0 mL GMA, 1.0 mL EDMA, 1.5 mL二氯甲烷和1.5 mL正辛醇加入25 mL三角瓶中, 再加入0.11 g联二吡啶、 0.02 g CuBr和0.05 mL溴代丙酸乙酯, 并振荡15 min混合均匀得到油相; 在通入N2气排氧的条件下, 将油相缓慢滴加到水相中, 同时以200 r/min的速度进行搅拌, 滴加完毕后升温至60 ℃聚合12 h, 制得的PGMA-EDMA微球用去离子水洗涤至无色, 用丙酮抽提24 h, 于50 ℃真空干燥24 h后室温下存放备用.

用AIBN代替CuBr, 通过CFRP法制备PGMA-EDMA微球作为对比.

1.3介质通透性测试

将PGMA-EDMA微球装填于不锈钢色谱柱管中(φ4.6 mm×50 mm), 然后将色谱柱连接于蛋白层析系统, 以50 mmol/L 磷酸缓冲液(pH=7.0)作为测试流动相, 记录不同流速下的色谱柱背压[19], 绘制流速-柱压曲线图.

2　结果与讨论

2.1PGMA-EDMA微球的结构对比

Fig.1　FTIR spectra of PGMA-EDMA microspheres prepared by ATRP(a) and CFRP(b)

比较2种聚合方法所得微球的孔径结构可以看出, ATRP法所得微球平均孔径为275 nm, 比表面积为59.3 m2/g, CFRP法所得微球平均孔径为234 nm, 比表面积为37.5 m2/g. 通常, 多孔材料的孔径尺寸与比表面积成反比, 但本文通过ATRP法制备的PGMA-EDMA微球的孔径比CFRP法的大17.5%, 同时其比表面也高出50%. 图2给出2种方法所制备的PGMA-EDMA微球的SEM照片. 由图2可见, PGMA-EDMA微球骨架均由聚合物细小颗粒聚集组成, 颗粒之间的空隙形成孔; 但CFRP法制备的PGMA-EDMA微球骨架聚集颗粒尺寸接近微米级[图2(A)], 而ATRP法制备的PGMA-EDMA微球的颗粒尺寸在10～300 nm之间[图2(B)], 并且颗粒尺寸分布比较均匀, 通常认为聚集颗粒尺寸越小对应材料的比表面积越高, 这可能是ATRP法所得微球比表面积高于CFRP法的主要原因, 与用ATRP法制备整体柱的结果相似[11]. 以ATRP法制备的凝胶中凝胶网络更加均匀, 这主要是因为, 在普通自由基聚合中, 每个增长链都能在数秒内增加数百个单体单元, 快速的聚合反应易形成交联密集且溶胀能力低的微区(微凝胶); 而在ATRP中, 增长自由基和休眠种快速可逆地休眠/活化, 不仅能使体系中的自由基保持在一个相对较低的浓度, 降低了聚合速率, 而且所有聚合物反应链同步增长并均匀消耗共聚单体, 更有利于分子间反应形成均匀的凝胶网络[14,20]. 另外, 从微球的形貌图可以看出, ATRP法制备的微球本体中孔之间的连通性高于CFRP法.

Fig.2　SEM images of PGMA-EDMA microspheres prepared by CFRP(A) and ATRP(B) Insets:magnification of (A) and (B).

2.2微球通透性表征

Fig.3　Backpressure of PGMA-EDMA microspheres prepared by CFRP(a) and ATRP(b) at different flow rates

图3给出2种方法制备的微球在不同流速下的柱背压记录图. 从图3可以看出, 在相同流速下, PGMA-EDMA(CFRP)比PGMA-EDMA(ATRP)的柱压高1倍以上, 表明PGMA-EDMA(ATRP)具有更好的通透性. 另外, 从图3还可以看出, 2种微球的柱压均随流速的增加呈线性变化, 这一结果表明, 2种方法制备的PGMA-EDMA微球具有良好的机械性能, 在操作压力下, 形状未发生变化, 故柱压能随流速的增加呈线性增长.

综上所述, 与传统的普通自由基聚合方法相比, 采用ATRP法制备的超大孔PGMA-EDMA微球孔径尺寸较大, 通透性能更高; 在保证通透性的同时, 其比表面积比普通自由基聚合所得微球高出1倍, 作为生化层析介质, 能更好地满足生化分离中快速、 高效、 高通量的需求.

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(Ed.:W, Z)

† Supported by the Beijing Natural Science Foundation, China(No.2162013), the National Natural Science Foundation of China(No.51103158), the Breeding Project of Outstanding Young Teachers and Management Backbones, China(No.080318620081/037), the Cross Training Programme for High Level Graduate in Beijing Universities, China(Nos.201507, 201506) and the 2016 Undergraduate Research Training Program, China(No.2016J00079).

Preparation of Gigaporous Microspheres Through Atom Transfer Radical Polymerization†

YU Tian1, XU Chengnan1, YU Yuan1, ZHAO Feifei1, PAN Yiting1,LIU Cai1, HUANG Yongdong2, ZHANG Rongyue1*

(1. Department of Chemical Engineering, Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617, China;2.NationalKeyLabofBiochemicalEngineering,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)

The gigaporous microspheres based on a copolymer of glycidyl methacrylate and ethylene dimethacrylate were prepared by atom transfer radical polymerization(ATRP). The microspheres were characterized by Fourier transform infrared spectrometer, scanning electronic microscopy and mercury intrusion porosimetry. The results indicated that the microspheres by ATRP showed larger size pore and surface than those by conventional free radical polymerization(CFRP). It was observed from the morphology of the microspheres that the smaller size of particles(100—400 nm) formed the skeleton of microspheres by ATRP than CFRP method(1000 nm). Meanwhile the size of these particles by ATRP was well-distributed in comparison with CFRP. These microspheres by ATRP showed good potential in rapid separation of proteins.

High through-put; Separation support; Atom transfer radical polymerization; Gigaporous polymer microsphere

10.7503/cjcu20160196

2016-03-30. 网络出版日期:2016-08-26.

北京市自然科学基金(批准号:2162013)、 国家自然科学基金(批准号:51103158)、 北京石油化工学院优秀人才培育计划项目( 批准号:080318620081/037)、 北京高等学校高水平人才交叉培养“实培计划”项目(批准号:201507, 201506)和2016大学生科研训练(URT)项目(批准号:2016J00079)资助.

O632; O658.7

A

联系人简介:张荣月, 男, 博士, 副教授, 主要从事生化分离介质的制备与应用研究. E-mail:ryzhang@iccas.ac.cn