磁性高分子微球的制备及作用
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近20年来,磁性高分子微球的研究非常活跃,已从最简单的高分子包裹磁性材料发展到多种类型的组成方式。本文根据磁性高分子微球的结构类型将其分成三类(见图1),但是,组成磁性微球的基本材料仍然是磁性物质和高分子材料。磁性物质包括Fe3O4、r-Fe2O3、Pt、Ni、Co等,其中Fe3O4使用最多;高分子材料包括合成高分子材料和天然高分子材料。合成高分子材料常用的有苯乙烯共聚物、聚酯类、聚酰胺类高分子;天然高分子材料常用的有明胶、白蛋白、纤维素和各种聚糖。此外,近年来有人为了电磁方面的应用,研究了一些导电性的磁性高分子微球[4,5],聚吡咯、聚苯胺等导电聚合物也可用来制备磁性微球。磁性高分子微球的性质不仅与组成材料的性质有关,还与制备方法有关。因此,制备方法的研究十分重要。通常不同类型的磁性高分子微球其制备方法也有所不同。
2磁性高分子微球的制备方法
2•1a型磁性高分子微球的制备方法a型磁性高分子微球是一种简单的核壳微球,其制备方法有两种分类法:一种是根据磁性物质与磁性微球的形成次序分,有一步法和二步法;另一种是常规分法,有包埋法和单体聚合法。这两种分法的交叉部分在于包埋磁性物质可采用一步法或二步法,而单体聚合包裹则大多采用二步法。
2•1•1一步法
一步法又称共沉淀法,是指在生成磁性物质(Fe3O4或Fe2O3)的同时产生磁性高分子微球的制备方法,即先将高分子物质溶解,然后依次加入Fe2+和H2O2或FeCl2和FeCl3溶液,搅拌的同时滴加碱性溶液提高pH值,这样磁性物质一产生就被包裹形成核壳磁性高分子微球。邱广亮[6]等采用这种方法制备了纳米级磁性明胶微粒,并用于纤维素酶的固定化。一步法的优点是制备方法简单,避免了制取磁流体或均匀分散磁粒子的相关处理,制得的磁性微球粒径较小、表面积大。缺点是磁性微球大小不均匀、磁响应性较弱。
2•1•2二步法
二步法通常是先制备Fe3O4微粒子(或直接购买Fe3O4粉末),然后将其与聚合物或高分子单体溶液混合作用制得磁性高分子微球。目前制备磁性高分子微球普遍采用二步法。Emir[7]等先制取Fe3O4,接着将Fe3O4粉末和壳聚糖倒入分散剂中反应,同时加入交联剂戊二醛,通过控制反应条件得到无孔的粒径在100~250μm之间的壳聚糖微球。由于一步法制得的Fe2O3-PANI复合微球室温电导率和磁化率都较低,且结构和性质难以控制,Deng’s[4]实验小组经改进,采用二步法合成了电磁性Fe3O4交联聚苯胺复合粒子,粒径在30~40nm之间,研究表明,控制Fe含量和掺杂程度可提高饱和磁化率与导电性。
2•1•3包埋法和单体聚合法
这两种方法宫月平[8]等阐述得很全面,在此不再赘述具体的方法,只介绍最新的研究成果。在包埋过程中,采用交联剂交联高分子层可增加磁性微球的稳定性,但通常化学交联的磁性微球大小不均匀且有聚集,粒径分布较宽且球形不规则。为了解决这些问题,Chatterjee[9]等采用热固化包埋法合成了人血清蛋白磁性微球,粒径分布、球形都有所改善,微球更分散。Harris[10]等采用亲水性三段式共聚物(PEO-COOH-PEO)包覆Fe3O4纳米粒子得到磁性微球分散体系,研究了PEO长度对微球分散稳定性的影响。Chang[11]等将磁粒子羟基化后与甲基丙烯酸丙酯基三甲氧基硅烷连接,再与异丙基丙烯酰胺接枝共聚得到核-壳磁性高分子微球。DengY[12]等用反相微乳液聚合合成了聚丙烯酰胺磁性微球。Kondo[13]采用两步无乳化剂乳液聚合制得热敏性P(St-NIPAM-MAA)磁性微球。Zhang[14]用分散聚合的方法制备聚(苯乙烯-烯丙醇)磁性微球,将其与CuPc(CoCl)4反应后得到一种具有良好光电导性的磁性微球。
2.2b型磁性高分子微球的制备方法
b型磁性高分子微球分为两类见图1(b1,b2),主要有两种制备方法。
2•2•1界面沉积法
界面沉积法可用来制备b1和b2类型的磁性高分子微球。它通常是先分别制取聚合物胶体粒子和无机物粒子,通过加入电解质、调节pH值或其他方式使聚合物胶体粒子和磁性粒子表面带上相反性质的电荷,由于静电作用,两者混合后磁性粒子被吸附在聚合物胶体粒子表面形成包覆层,得到b2型磁性微球。如果以此乳胶粒子为种子进行乳液聚合,可制得夹心式结构(b1型)的磁性高分子微球。SauzeddeF[15,16]实验组用这种方法制备了三种夹心式的亲水性磁性高分子微球。由于界面沉积法制备的磁性高分子微球粒径主要由最初的高分子微粒的大小决定,故其粒径易于控制,大小均匀,磁一致性强。
2•2•2非电性沉积法
非电性沉积法也称化学沉积法或EPS法,用于制备b2型的磁性高分子微球。具体做法是先制得表面带功能团的微球,在微球表面引入贵金属离子(Pd2+),接着将金属离子还原成0价得到活化的聚合物微球,最后化学还原过渡金属离子使其沉淀在聚合物微球表面。这种沉积不是由静电作用引起的,是一种非电性沉积。WangYanmei等[17]以Pd激活P(St-AA)微球,将Ni和Co沉积在其表面得到核壳型的P(St-AA)Ni和P(St-AA)Co磁性微球,他认为化学沉积是表面功能团引发的。这种方法制得的磁性高分子微球,粒子大小由高分子微粒的大小和过渡金属离子的浓度决定,粒径均匀,但微球表面不太光滑。
2•3C型磁性高分子微球制备方法
C型磁性高分子微球由溶胀法(也称化学转化法)制取,该法是Ugelstad在1979年创立的。此法通过溶胀大孔的、表面及孔内含多种官能团(-NO2,-OH,-CHO)的聚合物粒子,让一定浓度的磁性金属离子渗透到大孔中去,然后利用碱性试剂或改变温度使金属离子转化为磁性氧化物,再利用交联剂或其它方法封闭孔道。在封孔之前,可通过反复渗透和中和来调整磁含量达到所需水平。采用此法制备的磁性聚合物微球单分散性好,磁含量可控,磁均一性强。溶胀法是目前制备磁性聚合物微球的最好方法,已商业化,但操作程序繁琐。张梅等[18]用此法制备出磁性较强、磁分布均匀的强酸树脂、磁性磺化微球等。康继超[19]也用二步溶胀法制取了单分散、大粒径的磁性聚苯乙烯微球。除了以上介绍的制备方法,有些研究还尝试了新的方法制备磁性高分子微球。Burke[20]在氨和聚合物分散剂存在下热分解Fe(CO)5得到聚合物/金属壳核纳米微球。Avivi[21]等用超声化学法制备了磁性牛血清蛋白微球,粒径分布窄,但微球表面不光滑,有Fe2O3粒子聚集。此外,为了满足生物医学应用对磁性高分子微球性质的要求,常常需要对其表面进行修饰。这样不仅保持了磁性高分子微球生物降解性,而且提高了强度,改善了球形,可用作靶向药物的载体。
3磁性高分子微球的生物医学应用
由于磁性高分子微球的特殊性质,使其在生物医学领域的应用非常广泛。磁性微球的高分子外壳的表面多样性使它可以通过各种化学反应与生物活性物质中的配基偶联,从而识别相应的抗原或抗体、核酸等,最后在外加磁场中进行分离。正是由于磁性高分子微球的顺磁性,使它在磁场中定向移动,达到分离或靶向的目的。
3.1固定化酶
游离酶在生物化学和生物医学方面的应用往往不尽人意,而将酶固定在磁性载体上则有诸多的优势。这是因为酶固定在磁性高分子微球上后,其热稳定性、存放稳定性和操作稳定性都得到提高;固定化酶再生性好,使用效率高;可用于连续生产,降低生产成本;可在外加磁场作用下快速分离,适于大规模连续化操作。Akgo[22]用羰基二咪唑(CDI)活化的磁性聚乙烯醇微球来固定转化酶。Arica[23]等将环六亚甲基二胺(HMDA)连接在聚异丙烯酸甲酯(PMMA)磁性微球表面,用CDI或CNBr激活后用于共价结合葡糖淀粉酶。Rittich[24]采用三氯三嗪法将脱氧核糖核酸酶固定在磁性纤维素微球和磁性聚(HEMA-EDMA)微球上,用来降解染色体和质体DNA。BílkováZ等[2]用磁性P(HEMA-EDMA)微球的酰肼衍生物固定半乳糖氧化酶,被定向固定的酶表现出很高的存储活性和对环境的低敏感性。磁性载体的性质对固定化酶的应用十分重要,它必须满足一定的条件:①无毒;②可生物相容;③能够提供足够大的表面积,使酶反应顺利进行,降低酶反应基质和产物的分散限制;④具有一定的机械强度。
3.2细胞分离
有效的细胞分离是临床免疫应用最基本最重要的一步。在磁性高分子微球表面接上具有生物活性的吸附剂或配基,然后与目标细胞结合,加上外磁场将细胞分离、分类,即磁性细胞分离,是一种有效的细胞分离方法。此法具有操作简单快速、分离纯度高、保留细胞活性、成本低等优点。Chatterjee[25]在白蛋白磁性微球(ALBMMS)和聚苯乙烯磁性微球(PSMMS)表面接上凝血素,用来分离红血细胞。Kacemi[26]等为了研究胎盘内皮细胞在血管形成及血流量维持中的作用,用免疫球蛋白磁性微球从胎盘中分离出内皮进行分析。
3.3磁性靶向给药
磁性靶向给药是以磁性高分子微球为载体,将药物包封在其中,吸附在高分子层或偶联在表面,口服或注入体内,利用外加磁场引导载药微球到病患处集中并缓慢释放,定向作用于靶组织。定向给药可使靶区药物浓度高于正常组织,减少药剂量和药物毒副作用,提高药效。GhassabianS[27]等将地塞米松和Fe3O4包埋于白蛋白微球中,用于治疗淋巴细胞肿瘤。HafeliUO等[3]用磁性聚乳酸放射性微球靶向治疗肿瘤细胞,进行了体外和体内放射效果研究。由于药物载体会与药物一起进入人体内,而药物载体必须不能对人体造成伤害。故用于靶向药物的磁性高分子微球必须满足一定要求:(1)具有生物降解性;(2)粒径<1•4μm,以免阻塞血管,利于微球在靶区均匀分布;(3)具有一定的缓释性;(4)具有最大的生物相容性和最小的抗原性;(5)载药微球及其降解产物无毒或毒性极低。
3.4核酸(DNA)分离、提纯
样品制备的质量,尤其是DNA分离的效果,是衡量DNA技术的基本标准。经典的DNA/RNA分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法,这些方法的缺点是耗时多,难以自动化,不能用于分析小体积样品,分离不完全。使用磁性高分子微球进行核酸分离可避免这些局限。Oster[28]使用含Fe3O460%、非特定蛋白质结合率低的M-PVA磁珠,从血液中分离DNA,产率很高。用于核酸杂化测定或含特定序列核酸的提纯,可自动操作和重复使用,产物纯度高。除了可应用于以上生物医药领域,磁性高分子微球还可用于生物分子识别,细胞跟踪速度标定,微量有机物测定等。
4展望
近年来,对磁性高分子微球的研究已多见报道,但要使磁性高分子微球在应用领域得到推广,还需做很多深入细致的研究工作。
(1)用导电性聚合物包裹磁性物质得到电磁性微球克服了导电聚合物机械强度和加工性能差的缺点,同时兼具电导性和磁性,可望在电池、电磁屏蔽材料、传感器等方面有巨大的应用潜力。因此,电磁性高分子微球的研究是今后工作的重点之一。特别是要解决如何使聚合物微球即具有良好的磁响应性又具有较好的电导率。有人用TiO2包裹PSt/Fe3O4磁性微球制得多层的电磁响应性的复合微粒,其双电常数和电导率处于PSt/Fe3O4微球和TiO2之间,接近TiO2[5]。所以,还可考虑采用其他导电物质来制备电磁性聚合物微球。
(2)国外已有商品化磁性微球试剂盒(Dynab-eads)出售,但价格昂贵,对推广应用不利。因此,降低磁性高分子微球的制备成本也是今后的一个工作重点。
(3)磁性高分子微球在应用方面的优点之一是可连续操作性。Haik[29]等设计了一套磁性分离红细胞的系统,提高了细胞分离效率。因此,连续操作的应用系统将成为磁性高分子微球的研究热点之一。
(4)关于磁性高分子微球的基础理论研究,虽有不少作者提出了希望和要求,但进展不大。因此,笔者再次强调,要加强形成机理、结构与性能的关系及磁性来源的研究,形成完整的磁性高分子微球理论,指导应用研究;要进一步完善应用研究,使其尽快由实验阶段进入生产应用阶段。相信在广大科研工作者的共同努力下,磁性高分子微球的研究将进入一个全新的发展阶段。
