聚苯乙烯@聚(N-异丙基丙烯酰胺)核壳球的纳米化制备

肖新才,谭宏飞,王振环,官亚兰

(1 中南民族大学 药学院，武汉 430074；2 杭州和泽医药科技有限公司，杭州 310018；3 海南普利制药股份有限公司，海口 570100)

长期以来,药物递送系统引起科研工作者强烈的兴趣,时常有新概念出现[1-3]. 特别是近年来,因为体积小,能够穿越体内最小的毛细血管,具有较高的比表面积[4]和多功能性,纳米核壳球或纳米囊等纳米级载体一直是研究的热点,研究的内容涉及设计、特性和制造等问题. 在生物医学领域[5-8],疏水核的纳米载体由于提高了疏水性药物的稳定性和生物利用度,在科学技术研究中具有重要意义.

目前已有一些方法来制造微纳米载体，例如微型乳液法[9]、反乳乳状微球聚合法[10]、一锅反微型乳液聚合方法[11]以及种子乳液聚合法[12],但这些球的尺寸大多为微米级,不是严格意义上的纳米级. 目前为止,仍有一些制备纳米载体的方案在研究中[13].

本文在前期研究的基础上[14]，将疏水单体苯乙烯(St)在四氢呋喃(THF)中聚合产物泵入到亲水的单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)溶液中制备纳米球.苯乙烯和聚苯乙烯(PSt)是疏水性,而NIPAM和聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)为亲水性. 当随反应时间和单体剂量增加时,在THF中,伸展的PSt 链的分子量和链长都增加. 当含PSt链在内的THF溶液被泵入到NIPAM和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺水溶液时,THF迅速溶于水中,PSt链的构象由伸展状态变为收缩,这种收缩态被用来制备纳米球的模板,而PSt链末端的自由基还能引发单体NIPAM的聚合. 本文探讨了水中的搅拌速率、N-异丙基丙烯酰胺浓度和苯乙烯的反应时间等因素对球体尺寸和单分散性的影响,以期为不同用途的纳米颗粒或纳米囊的设计和制备提供指导.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM),分析纯,日本 Kohjin 有限公司,经正己烷/丙酮(4/1,体积比)混合溶剂重结晶提纯；N,N′-二亚甲基双丙烯酰胺(BIS),化学纯,长沙欧迈生物科技有限公司,经正己烷/丙酮(4/1,体积比)混合溶剂重结；苯乙烯(St),化学纯,国药集团化学试剂有限公司,经NaOH溶液(10%,质量比)洗涤4次,再用超纯水反复洗涤至中性,存入冰箱待用；偶氮二异丁腈(AIBN),化学纯,上海试四赫维化工有限公司；四氢呋喃(THF),分析纯,国药集团化学试剂有限公司.

透射电子显微镜(TEM,TecnaiG2 20-type,Czech Republic)；扫描电子显微镜(SEM,Hitachi S-450,Japan)；动态光散射仪(TP-PCS,Brookhaven BI-9000AT,USA).

1.2 聚苯乙烯核-聚(N-异丙基丙烯酰胺)壳纳米球的制备

参考文献[14],分两步来制备：在THF中制备线性的聚苯乙烯；在水中制备核壳纳米球. 探讨了苯乙烯聚合时间、水中的搅拌速度、和NIPAM浓度对纳米球的影响,具体配方方案如表1所示.

表1 核壳纳米球的制备的实验参数 Tab.1 Experimental parameters for the preparation of core-shell nanospheres

1.3 纳米球单分散性、粒径及形貌的分析表征

采用TEM观察纳米球核-壳结构,SEM观察纳米球粒径及单分散性. 在SEM观测的过程中,所有的样品都载玻片上,烘干、镀金. 在TEM观测之前,将样品都滴在铜网上,在紫外光下干燥处理.

1.4 纳米球的平均粒径及粒径分布的分析表征

纳米球粒径分布是在纳米球SEM图像基础上,通过电子图像分析系统来表征的. 采用平均粒径Dm=∑Di×Ni来表征纳米球粒径,其中Di为单个粒子的直径,Ni为直径Di粒子所对应的数量百分数. 采用粒径分布系数δ来表征纳米球的单分散性.

(1)

其中D90、D50和D10分别为纳米球累积分布曲线中百分数分别为90%、50%和10%时对应的粒子直径.δ值越小,纳米粒单分散性越好(δ<0.4)；反之则越差[15].

1.5 样品的水动力直径的表征

用动态光散射测定制备的样品在室温下的水力学直径. 在测量前,样品在水中的热平衡10～15 min. 利用Stokes-Einstein方程和扩散因子来计算球体的水力学直径.

2 结果与分析

2.1 纳米球的形成机制

在本文中,4 mL的St 溶解于200 mL的THF中,在70 ℃搅拌下,通过引发剂的作用引发聚合反应,随后16 mL含有线性PSt链的THF溶液以滴加的方式泵入不同浓度的NIPAM和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(占NIPAM剂量的1%)水溶液中. 因此,系统的各部分的溶解度参数是涉及到材料的形成、颗粒尺寸和分布的重要因素.当水溶液和THF溶液混合时,混合物的极性同时发生变化. 混合物的极性δm可计算如下:

δm=φ1δ1+φ2δ2=∑φiδi,

(2)

其中δi和φi分别是溶剂i的溶解度参数和体积分数[16]. 当含PSt链和单体St的16 mL THF溶液,被泵入175 mL的NIPAM和BIS水溶液时,THF立即溶解在水中,根据式(2),混合物的溶解度参数和水的溶解度参数几乎相近,这意味着少量的THF溶液的加入不会根本改变混合物溶液的极性(混合物的溶解度参数如表2所示).

表2 溶液在不同配比下的溶解度参数Tab.2 Solubility parameter of solvent under the different ratio

PSt和St 的良溶剂是THF而不是水,因此泵入的线性PSt链的构象由伸展变为收缩,而没有反应的单体St从混合液中分离,由于用量少,极性差,在NIPAM和BIS没有聚合前,St不可能参与聚合. 故主要是NIPAM和BIS在收缩的PSt模板表面的自由基作用下引发聚合,而聚合NIPAM和BIS亲水物质有助于球体悬浮在水溶液中[15].

2.2 搅拌速度对球尺寸和单分散性的影响

图1为在不同搅拌速率下制得样品的TEM结果及对平均直径和单分散性的影响曲线. TEM图中可以清晰看到核壳结构，由于不同的搅拌速率得到不同的剪切力,将线性PSt链泵入NIPAM水溶液时,模板大小由剪切力形成,模板表面的自由基可引发PNIPAM的聚合反应. 由图1可知：随着搅拌速率的增加,获得的最终的球体直径减小. 当搅拌速率大于800 r·min-1时,平均直径的变化幅度减小而单分散性急剧增加.这是因为流体中的剪切力增加,产生的模板变小；同时,随着搅拌速度的增加，模板的接触机会增加,球体的单分散性也随之增加. 因而将制备球的搅拌速率选择为800 r·min-1.

a～c)搅拌速度分别为700、800、900 r·min-1，与表1对应；d) 影响曲线图1 不同搅拌速度下制得样品的TEM图及搅拌速度对平均直径和单分散性的影响曲线Fig.1 TEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different stirring rates and effect curve of stirring rates on the mean diameter and monodispersity

2.3 NIPAM浓度对球的尺寸和单分散性的影响

图2为不同NIPAM浓度下制备球体的SEM图及NIPAM浓度对球体平均直径和单分散性的影响曲线. PNIPAM层的制备是采用自由基聚合的原理,通过该方法,在得到的模板表面的自由基作用下完成聚合,其反应方式实际上是接枝聚合. 由于每单位体积的基团数保持恒定,单体NIPAM只需在模板表面上反应形成PNIPAM外壳. 因此,样品的平均直径几乎随着NIPAM剂量的增加而增大. 当其剂量大于1.04 mg·mL-1时,样品球的平均直径略有下降,这可能是由于从较大的PNIPAM链中脱落所致. 另一方面,随着NIPAM用量的增加,单分散性也越来越差. 由于PNIPAM纳米层增加,球之间的粘连增加. 因为不同的聚合时间导致PSt不同链的长度,当有一定长度的PSt链被泵入水溶液时,前体球体的收缩大小应决定最终球的大小. 换句话说,不同的苯乙烯聚合时间导致球体大小不同.

a～c) NIPAM浓度分别为0.75、1.04、1.25 mg·mL-1，与表1对应；d) 影响曲线图2 不同NIPAM浓度下制备的球体的SEM图及NIPAM浓度对球体平均直径和单分散性的影响曲线Fig.2 SEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different NIPAM concentrations and effect curve of NIPAM concentrations on the mean diameter and monodispersity

2.4 苯乙烯的聚合时间对球的尺寸和单分散性的影响

图3为苯乙烯在不同聚合时间下制备的样品的SEM图和对样品的平均直径和单分散性的影响曲线. 由图3可见：制备的纳米球较理想,平均直径在40～70 nm. 随着反应时间从4 h增加到6 h,最终的平均直径几乎处于同一水平,且形貌越变越好. 然而,当聚合时间进一步增加时,样品的平均直径明显增加,单分散性也随之变坏. 在聚合时间小于6 h时,PSt的线性链长度相对较短,所以模板的尺寸不是很大,这都有助于制备具有良好单分散性的小球体. 然而，当聚合时间增加到6 h以上,PSt链的长度进一步增加,模板的直径也随之迅速增加,粘黏的效应也造成了单分散性增加.

a～c)聚合时间分别为4、6、8 h，与表1对应；d) 影响曲线图3 不同聚合时间制备的样品的SEM及聚合时间对样品的平均直径和单分散性的影响曲线Fig.3 SEM micrographs of the core-shell nanospheres prepared with different polymerization time and effect curve of polymerization time on the mean diameter and monodispersity

2.5 水力学直径的测定

从上述结果出发,用该方法制备PSt核-PNIPAM壳的纳米球,第一个主要影响因素是St的聚合时间,第二个影响因素是搅拌速率,最后为NIPAM浓度. 较好的实验参数应选择为搅拌速度约为800 r·min-1,相对稀的NIPAM浓度如0.11×10-3g·mL-1,St的聚合时间约为6 h. 样品8的制备参数接近这实验条件,图4为样品8通过动态光散射测定的水力学直径. 结果显示样品的水力学平均直径约为63 nm，直径在59～69 nm之间的所占百分比达95%,且单分散性良好；说明在一定条件下,该方法可以得到纳米球.

图4 25 ℃下样品8的水动力直径Fig.4 Hydrodynamic diameters of the sample 8 at 25 ℃

3 结语

本文以线性PSt链作为模板,改变反应介质的极性，成功制备了PSt核-交联的PNIPAM壳纳米球，系统地研究了搅拌速率、N-异丙基丙烯酰胺量和苯乙烯聚合时间等因素对纳米球尺寸、单分散性的影响水平.样品TEM和SEM的分析说明：纳米球的成功制备的第一影响因子是St的聚合时间,第二是搅拌速率. 该方法为制备单分散好的纳米颗粒或纳米囊提供了一种新的手段,制备的产物可应用在疏水性药物的输送系统、油水分离和传感器等方面.