专利名称：一种表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子，特别涉及这种胶体粒子的制备方法及其表面纳米级斑点分布密度和斑点尺寸的可调。
背景技术：
一直以来，人们倾向于通过调节胶体粒子表面化学组成而非表面形貌来获得不同的物理化学性质。其中最主要的原因在于目前尚无一种简单而又有效的方法来大批量的制备表面形貌可精确调节的胶体粒子。而在某些领域，例如组织工程、体内释药等领域，可以应用的化学物质屈指可数，这极大地限制了相关领域的研究进展。相比于表面化学修饰而言，通过调节胶体粒子表面形貌来获得不同的物理化学性质更具优势。例如，通过增大胶体粒子表面的粗糙度可以显著地提高这些粒子的亲疏水性能。此外，最近MIT的Stellacci 教授等人的工作表明纳米金粒子表面的周期性涟漪状结构能有效地减少蛋白质的吸附，这为控制载药粒子在动物血液循环中停留时间的相关研究开辟了一条新的途径。目前，常用的调节材料表面形貌的方法主要有化学沉积法、物理吸附法和等离子体刻蚀法等。但较低的产率及繁琐的步骤极大地限制了这些方法的实际应用。此外，通过这些方法制得的表面结构往往不够稳定。因此，存在一种通过简单方法大批量制备表面形貌可调且结构稳定的单分散胶体粒子的需求。种子聚合一般用于制备表面光滑或复杂形貌的大尺寸复合胶体粒子。在引发剂的作用下，第二单体在种子表面聚合形成壳层(形成种子的单体称为第一单体)。由于聚合体系中乳化剂的用量小于其临界胶束浓度，故能避免次级粒子的生成从而得到单分散的胶体粒子。此外，聚合体系中种子的浓度可以相当的高(不低于5%)。本发明人经过实验发现，种子聚合的这些特点符合上述关于粗糙度可调胶体粒子制备中关于实施便利、高产率及单分散的要求。而表面结构的稳定性的要求则可通过在第二单体中加入交联剂来满足。此外，交联剂的引入可以对壳层的形成过程产生扰动，从而显著地改变壳层的表面形貌。结合无皂乳液聚合的相关机理，以上述改进的种子聚合法为手段来制备表面形貌可调的胶体粒子不仅方便、高效而且结构足够稳定，可充分满足相关基础研究及实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子及其制备方法。本发明的胶体粒子表面突起斑点的分布密度，尺寸以及化学组成可调，结构稳定，并且制备方法简单高效。为了实现本发明，本发明提供下述技术方案一种表面有突起斑点的单分散微米级胶体粒子，该胶体粒子表面斑点为纳米级，该胶体粒子为核壳结构。根据本发明，其中所述核层为非交联的聚合物，所述壳层为交联的聚合物。
根据本发明，所述核层材料选自非交联的单分散聚合物粒子，如聚丙烯酸类粒子和聚苯乙烯类粒子，优选聚苯乙烯类粒子。所述核层中的单分散聚合物粒子作为种子颗粒，使得单体能够在种子颗粒上生长。根据本发明，优选的种子颗粒为球形。根据本发明，所述壳层材料选自交联聚合物，优选聚丙烯酸叔丁酯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸正丁酯，聚烯丙基三甲氧基硅烷等，更优选为聚丙烯酸叔丁酯。聚丙烯酸叔丁酯在酸性条件下可水解为聚丙烯酸，方便实现上述胶体粒子表面性质的反转，拓宽该类胶体粒子的应用范围。根据本发明，所述纳米级斑点的分布密度和尺寸可以调节。优选地，所述交联壳层表面斑点的分布密度和尺寸可通过反应时间、单体及交联剂用量和乳化剂浓度加以调节，更优选所述调节参数为乳化剂浓度。所述单分散微米级胶体粒子表面形貌可调。 根据本发明，所述内核、壳层及表面斑点的化学组分可以调节，优选采用苯乙烯类或丙烯酸酯类聚合物。根据本发明，所述表面含纳米级斑点的交联壳层的起始反应物中还包括单体、交联剂、引发剂、乳化剂和水。根据本发明，所述单体用量为种子颗粒的15%_85wt%,优选15%_65wt%,更优选32. 5%-60wt% ;交联剂用量为单体的10%-50wt% ;优选12_35wt%。乳化剂浓度O. 05-2. 5g/L，优选O. 125-2. Og/L,更优选O. 25-lg/L,还更优选O. 375-0. 5g/L。引发剂用量为单体的O. 5-2wt%,优选 O. 8-lwt%0根据本发明，所述起始物聚合体系中种子颗粒的用量相对于水可以不低于5wt%，更优选不高于10wt%。根据本发明，所述交联剂优选为能在单体和种子颗粒中溶解的交联剂，优选为油溶性交联剂，如二乙烯基苯。交联剂的引入可以对壳层的形成过程产生扰动，从而显著地改变壳层的表面形貌。因而将交联剂加入到单体中有利于获得表面结构稳定的胶体粒子。根据本发明，所述乳化剂为水溶性离子型乳化剂，选自十二烷基苯磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠，十六烷基溴化铵等，优选十二烷基磺酸钠。优选十二烷基磺酸钠。由于聚合体系中乳化剂的用量小于其临界胶束浓度，故能避免次级粒子的生成从而得到单分散的胶体粒子。根据本发明，所述引发剂优选为水溶性引发剂，选自过硫酸钾、过硫酸铵、以及水溶性偶氮类引发剂，如偶氮二异丁基眯盐酸盐、偶氮二异丁咪唑盐酸盐、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丙基咪唑啉等，优选过硫酸钾。根据本发明，所述壳层与斑点表面还有功能性官能团。该功能性官能团可进行进一步改性。本发明人经过实验发现，种子聚合的这些特点符合上述关于粗糙度可调胶体粒子制备中关于实施便利、高产率及单分散的要求。本发明还提供一种如上所述的表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子的制备方法，其特征在于，所述单分散微米级胶体粒子在分散介质(优选水)中在引发剂的作用下经种子聚合形成。根据本发明的制备方法，所述单分散微米级胶体粒子的表面斑点为纳米级，该胶体粒子为核壳结构。其中所述核层为非交联的聚合物，所述壳层为交联的聚合物。
根据本发明的制备方法，所述起始反应物进一步包括交联剂，引发剂和乳化剂，其中所述交联剂优选为油溶性交联剂，如二乙烯基苯；所述引发剂优选为水溶性引发剂，和所述乳化剂优选为水溶性离子型乳化剂。根据本发明的制备方法，所述单体用量为种子颗粒的15%_85wt%，优选15%-65wt%，更优选32. 5%-60wt% ;所述交联剂为单体用量的10%_50wt%，优选12_35wt%。乳化剂浓度 O. 05-2. 5g/L，优选 O. 125-2. Og/L，更优选 O. 25_lg/L，还更优选 O. 375-0. 5g/L。引发剂为单体用量的O. 5%-2wt%，优选O. 8-lwt%。根据本发明的制备方法，所述单体选自油溶性单体，如丙烯酸叔丁酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸正丁酯，烯丙基三甲氧基硅烷等，优选为聚丙烯酸叔丁酯。根据本发明的制备方法，所述水溶性引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、以及水溶性偶氮类引发剂，如偶氮二异丁基眯盐酸盐，偶氮二异丁咪唑盐酸盐，偶氮二氰基戊酸，偶氮二异丙基咪唑啉等，优选过硫酸钾。
根据本发明的制备方法，所述水溶性离子型乳化剂选自十二烷基苯磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠，十六烷基溴化铵等。优选十二烷基磺酸钠。根据本发明，所述制备方法进一步包括如下步骤(I)将单分散非交联种子颗粒，水溶性引发剂在水中与乳化剂混合，之后加入含交联剂的单体混合物，形成稳定的乳液；(2)将步骤(I)中稳定的乳液于一定温度下搅拌聚合1-24小时，获得表面含纳米级斑点的单分散微米级复合胶体粒子。根据本发明的制备方法，以所述非交联种子的用量为基准，油溶性单体为15%-85wt%，优选 10%-65wt%。根据本发明的制备方法，所述非交联种子选自非交联的单分散聚合物粒子，如聚丙烯酸类粒子和聚苯乙烯类粒子，优选聚苯乙烯类粒子。所述核层中的单分散聚合物粒子作为种子颗粒，使得单体能够在种子颗粒上生长。根据本发明的制备方法，所述温度为50_95°C，优选65_75°C。根据本发明的制备方法，所述聚合时间优选为1-24小时，更优选4-12小时。在本发明中，交联剂和水溶性引发剂是形成纳米级斑点的关键。交联剂的引入一方面可在非交联种子表面形成交联网络阻止吸附于种子表面的齐聚物向种子内部扩散从而成为上述斑点的生长点，另一方面和可以防止这些斑点在生长过程中被单体溶解。水溶性引发剂则保证扩散进入水相的单体在水相被引发从而形成齐聚物，这些齐聚物进一步吸附在种子表面成为斑点的生长点。乳化剂的加入一方面有利于形成稳定的乳液，另一方面还能阻止非交联的种子粒子被单体溶解。乳化剂的浓度至关重要，当乳化剂浓度过高(高于临界胶束浓度)时，单体倾向于在由乳化剂分子形成的胶束内聚合，从而形成次级粒子，显著影响最终复合粒子的单分散性。本发明制备的表面含纳米级斑点的胶体粒子具有以下优点I.该胶体粒子所需原料简单、廉价易得，制备方法简单，可大规模生产。2.该胶体粒子表面的纳米级斑点的分布密度和尺寸调控方便，调节变量多样。3.该胶体粒子尺寸分布窄，表面结构稳定。4.该胶体粒子表面化学性质可通过水解处理实现反转，获得表面反应性官能团，有利于进一步改性，应用范围更广。
图I为扫描电子显微镜得到的实施例I中壳层含不同分布密度及尺寸纳米级斑点单分散胶体粒子的照片，即不同乳化剂浓度时得到的表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子的SEM照片。图2为扫描电子显微镜得到的实施例2中壳层含不同分布密度及尺寸纳米级斑点单分散胶体粒子的照片，即单体用量时得到的表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子的SEM照片。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。 本发明的保护范围不仅限于以上实施例。根据本发明公开的内容，本领域技术人员将认识到在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和范围的情况下，对以上所述实施例做出的变化和修改都属于本发明的保护范围。实施例I原料采用非交联的单分散聚苯乙烯球形种子(粒径约800nm，多分散系数I. 04)，丙烯酸叔丁酯单体、交联剂二乙烯基苯、引发剂过硫酸钾、乳化剂十二烷基磺酸钠以及水。其中，聚苯乙烯种子用量O. 4g，丙烯酸叔丁酯用量为种子的60wt%，二乙烯基苯加入量为丙烯酸叔丁酯单体的12wt%，过硫酸钾加入量为单体的lwt%，乳化剂浓度分别为O. 125g/L, O. 250g/L，0. 375g/L和O. 50g/L，其余为水20g。先将聚苯乙烯种子、引发剂、乳化剂以及水按照上述配方比例混合均匀，而后加入丙烯酸叔丁酯单体和二乙烯基苯的混合物，在磁力搅拌的作用下形成稳定的乳液。将该稳定的乳液于70°C下磁力搅拌聚合12小时，即形成一种壳层含不同分布密度及尺寸的纳米级斑点单分散胶体粒子。将上述制备的胶体粒子使用日本JEOL公司的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700)观测粒子形貌。结合附图I公开的内容可知，随着乳化剂浓度的增加(O. 125、0. 25、0. 375和O. 50g/l)，胶体粒子表面的纳米级斑点的尺寸逐渐减小，而分布密度则先增大(乳化剂浓度为O. 375g/L时达到极值，胶体粒子表面约12%的面积被斑点覆盖)后减小。与此同时，胶体粒子的尺寸和单分散性基本保持不变。实施例2原料采用非交联的单分散聚苯乙烯球形种子(粒径约800nm，多分散系数I. 04)，丙烯酸叔丁酯单体、交联剂二乙烯基苯、引发剂过硫酸钾、乳化剂十二烷基磺酸钠以及水。其中，聚苯乙烯种子用量O. 4g，丙烯酸叔丁酯的用量为种子颗粒用量的32. 5被％和65wt%，二乙烯基苯的加入量为丙烯酸叔丁酯单体的12wt%，过硫酸钾的加入量为丙烯酸叔丁酯单体的lwt%，乳化剂浓度为O. 250g/L，其余为水20g。先将聚苯乙烯种子、引发剂、乳化剂以及水按照上述配方比例混合均匀，而后加入丙烯酸叔丁酯单体和二乙烯基苯的混合物，在磁力搅拌的作用下形成稳定的乳液。将该稳定的乳液于70°C下磁力搅拌聚合12小时，即形成一种壳层含不同分布密度及尺寸的纳米级斑点单分散胶体粒子。
将上述制备的胶体粒子使用日本JEOL公司的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700)观测粒子形貌。结合附图2公开的内容可知，只有当单体浓度达一定值时(32. 5wt%)，胶体粒子表面才能生成明显的纳米级斑点，且随着单体用量的增多(65wt%)，胶体粒子表面的斑点尺寸增大。同时胶体粒子的尺寸也增大。实施例3原料采用非交联的单分散聚苯乙烯球形种子(粒径约800nm，多分散系数I. 04)，丙烯酸甲酯单体、交联剂二乙烯基苯、引发剂偶氮二异丁咪唑盐酸盐、乳化剂十二烷基硫酸钠以及水。其中，聚苯乙烯种子用量O. 4g，丙烯酸叔丁酯的用量为种子颗粒用量的60wt%，二乙烯基苯的加入量为丙烯酸叔丁酯单体的12wt%，偶氮二异丁咪唑盐酸盐的加入量为丙烯酸叔丁酯单体的I. 5wt%，乳化剂浓度为O. 375g/L,其余为水20g。先 将聚苯乙烯种子、弓丨发剂、乳化剂以及水按照上述配方比例混合均匀，而后加入丙烯酸甲酯单体和二乙烯基苯的混合物，在磁力搅拌的作用下形成稳定的乳液。将该稳定的乳液于70°C下磁力搅拌聚合15分钟，3小时和12小时，即形成一种壳层含不同分布密度及尺寸的纳米级斑点单分散胶体粒子。将上述制备的胶体粒子使用日本JEOL公司的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700)观测粒子形貌。随着反应时间的延长，胶体粒子表面的纳米级斑点尺寸和分布密度同时增大，整个反应过程中，胶体粒子的尺寸和单分散性基本保持不变。实施例4原料采用非交联的单分散聚苯乙烯球形种子(粒径约800nm，多分散系数I. 04)，甲基丙烯酸正丁酯单体、交联剂二乙烯基苯、引发剂偶氮二异丁基眯盐酸盐、乳化剂十二烷基苯磺酸钠以及水。其中，聚苯乙烯种子用量O. 4g，丙烯酸叔丁酯用量为种子的60wt%，二乙烯基苯加入量为丙烯酸叔丁酯单体的12wt%，偶氮二异丁基眯盐酸盐的加入量为单体的2wt%，乳化剂浓度分别为O. 8g/L，其余为水20g。先将聚苯乙烯种子、引发剂、乳化剂以及水按照上述配方比例混合均匀，而后加入甲基丙烯酸正丁酯单体和二乙烯基苯的混合物，在磁力搅拌的作用下形成稳定的乳液。将该稳定的乳液于70°C下磁力搅拌聚合15分钟，3小时和12小时，即形成一种壳层含不同分布密度及尺寸的纳米级斑点单分散胶体粒子。将上述制备的胶体粒子使用日本JEOL公司的场发射扫描电子显微镜(JSM-6700)观测粒子形貌。随着反应时间的延长，胶体粒子表面的纳米级斑点尺寸和分布密度同时增大，整个反应过程中，胶体粒子的尺寸和单分散性基本保持不变。
权利要求
1.ー种表面具有纳米级突起斑点的单分散微米级胶体粒子，其特征在于，该胶体粒子表面斑点为纳米级，所述胶体粒子为核壳结构。
2.根据权利要求I的胶体粒子，其特征在于，所述核层为非交联的聚合物，所述壳层为交联的聚合物。优选地，所述核层材料选自非交联的单分散聚合物粒子，如聚丙烯酸类粒子和聚苯こ烯类粒子，优选聚苯こ烯类粒子。所述核层中的单分散聚合物粒子作为种子颗粒，使得単体能够在种子颗粒上生长。所述壳层材料选自交联聚合物，优选聚丙烯酸叔丁酷，聚甲基丙烯酸甲酷，聚甲基丙烯酸正丁酷，聚烯丙基三甲氧基硅烷等，更优选为聚丙烯酸叔丁酷。
3.根据权利要求I或2的胶体粒子，其特征在于，所述纳米级斑点的分布密度和尺寸可以调节。优选地，所述交联壳层表面斑点的分布密度和尺寸可通过反应时间、単体及交联剂用量和乳化剂浓度加以调节，更优选所述调节參数为乳化剂浓度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的胶体粒子，其特征在于，所述表面含纳米级斑点的交联壳层的起始反应物中还包括単体、交联剂、引发剂、乳化剂和水。
5.根据权利要求1-4任一项所述的胶体粒子，其特征在于，所述单体用量为种子颗粒的15%-85wt%,优选15%-65wt%，更优选32. 5%-60wt% ;交联剂用量为单体的10%_50wt% ;优选12-35wt%。乳化剂浓度O. 05-2. 5g/L，优选O. 125-2. Og/L,更优选O. 25-lg/L，还更优选O. 375-0. 5g/L。引发剂用量为单体的O. 5-2wt%,优选O. 8_lwt%。
6.权利要求1-5任一项所述的表面具有突起斑点的单分散微米级胶体粒子的制备方法，其特征在于，所述单分散微米级胶体粒子在分散介质(优选水)中在引发剂的作用下经种子聚合形成。
7.根据权利要求6的制备方法，其特征在于，所述单分散微米级胶体粒子的表面斑点为纳米级，该胶体粒子为核壳结构。其中所述核层为非交联的聚合物，所述壳层为交联的聚合物。
8.根据权利要求6或7的制备方法，其特征在于，所述起始反应物进一歩包括交联剂，引发剂和乳化剤。其中所述交联剂优选为油溶性交联剂；所述引发剂优选为水溶性引发剂，和所述乳化剂优选为水溶性离子型乳化剤。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法进ー步包括如下步骤 (1)将单分散非交联种子颗粒，水溶性引发剂在水中与乳化剂混合，之后加入含交联剂的单体混合物，形成稳定的乳液； (2)将步骤(I)中稳定的乳液于一定温度下搅拌聚合1-24小时，获得表面含纳米级斑点的单分散微米级复合胶体粒子。
10.根据权利要求6-9任一项所述的制备方法，其特征在干，，以所述非交联种子的用量为基准，油溶性单体为15%-85wt%，优选10%-65wt%。
全文摘要
本发明涉及一种表面有突起斑点的单分散微米级胶体粒子，该胶体粒子表面斑点为纳米级，斑点的分布密度和尺寸可以控制，该胶体粒子为核壳结构，其中核为非交联的聚合物，壳层为交联的聚合物。本发明还提供这种胶体粒子的制备方法。该制备方法简单高效，可以进行放大生产。
文档编号C08F220/18GK102675545SQ201210140349
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者孟晓辉, 邱东 申请人:中国科学院化学研究所