原子轉移自由基聚合法制備超大孔聚合物微球

虞　天, 許成楠, 于　嫄, 趙飛飛, 潘一廷, 劉　 才, 黃永東, 張榮月

(1. 北京石油化工學院, 化學工程學院, 北京 102617;2. 中國科學院過程工程研究所, 生化工程國家重點實驗室, 北京 100190)

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原子轉移自由基聚合法制備超大孔聚合物微球

虞天1, 許成楠1, 于嫄1, 趙飛飛1, 潘一廷1, 劉 才1, 黃永東2, 張榮月1

(1. 北京石油化工學院, 化學工程學院, 北京 102617;2. 中國科學院過程工程研究所, 生化工程國家重點實驗室, 北京 100190)

以甲基丙烯酸縮水甘油酯為單體(GMA)、 乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA)為交聯劑, 采用原子轉移自由基聚合法(ATRP)制備了PGMA-EDMA大孔聚合物微球, 采用傅里葉變換紅外光譜、 掃描電子顯微鏡及壓汞法對PGMA-EDMA微球進行了表征. 研究結果表明, 原子轉移自由基聚合法制備的PGMA-EDMA微球的孔徑尺寸及比表面積均大于普通自由基聚合法(CFRP)制備的PGMA-EDMA; ATRP法制備的PGMA-EDMA微球的顆粒尺寸(100～400 nm)明顯小于CFRP法制備的PGMA-EDMA微球的顆粒尺寸(1000 nm). PGMA-EDMA(ATRP)的微球粒徑尺寸分布優于PGMA-EDMA(CFRP). 因此PGMA-EDMA(APRP)微球在快速蛋白分離純化方面有潛在的應用前景.

高通量; 分離介質; 原子轉移自由基聚合; 超大孔聚合物微球

隨著生物醫藥技術的發展, 人們對生物制品藥物的需求量與日劇增, 同時對生物技術產業中的下游技術即分離純化提出新的挑戰. 發展快速、 高效、 高通量的分離純化技術是眾望所歸[1]. 色譜層析分離技術已成為當前生物醫藥生產的重要組成部分, 層析分離工藝選擇的實質在于對分離介質的選擇[2～4]. 當前市場最常用的分離介質是以瓊脂糖為基質, 瓊脂糖微球具有良好的生物相容性和易于衍生功能基團的優點, 但由于瓊脂糖微球機械性能低(通常最高耐壓為0.3 MPa)、 孔徑小(平均孔徑30～50 nm)[5], 難以同時滿足高流速和大規模層析的要求.

以聚合物為基質的分離介質因具有機械強度高、 孔徑范圍可控及表面易功能化等優點而備受關注[6,7]. 生物大分子本身的一些獨特性質, 如分子尺寸大、 結構復雜及生物活性等, 對分離介質提出了一些特殊的要求, 如灌柱色譜填料(超大孔填料)的出現很好地解決了介質的傳質問題. 但隨著微球孔徑的增加, 微球比表面積大大減小, 介質的靜態載量相應減少, 導致其動態載量無法達到較高的水平. 目前, 聚合物介質主要通過普通自由基懸浮聚合法制備, 其骨架結構由細小的顆粒聚集而成[8,9]. 普通自由基聚合的特點是慢引發、 快增長、 速終止, 在懸浮聚合的油相液滴凝膠化過程中, 最初形成的微凝膠顆粒大小隨機, 尺寸差異較大, 隨反應進行微凝膠顆粒之間交聯聚集形成微球, 由于聚集的顆粒大小不均, 故微球的孔徑不易控制[10], 在調控得到大孔(平均孔徑>100 nm)的同時難以兼顧其比表面積, 即在大孔微球中, 其比表面積在50 m2/g以下, 故通常大孔介質在分離應用中難以同時兼顧高通量和高載量. Zhang等[11]用原子轉移自由基聚合法(ATRP)[12,13]制備了聚丙烯酸酯類整體柱, 與普通自由基聚合法(CFRP)相比, 所得柱體具有結構均勻、 堆積顆粒尺寸均一、 顆粒尺寸較小及比表面積相對較高等優點. 同時, 與普通自由基聚合法制備的凝膠相比, 通過ATRP法制備的聚合物凝膠結構更均勻[14,15]. ATRP法主要用于聚合物結構控制與接枝聚合[16～18], 而用于制備大孔微球鮮見報道. 本文通過ATRP法懸浮聚合方法制備大孔聚合物微球, 獲得了通量高、 比表面積高的分離介質, 該類介質在生化分離領域有廣闊的應用前景.

1　實驗部分

1.1試劑與儀器

甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA, 純度98%)、 乙二醇二甲基丙烯酸酯(EDMA, 純度98%)、 溴代丙酸乙酯(EPB, 純度97%)、 聯二吡啶(BPY, 純度98%)和溴化亞銅(CuBr, 純度98%), Sigma-Aldrich公司; 聚乙烯醇(PVA, 醇解度87%, 平均聚合度1700), 阿拉丁試劑公司; 偶氮二異丁腈(AIBN, 分析純)、 二氯甲烷(DCM, 分析純)、 正辛醇(OA, 分析純)和十二烷基苯磺酸鈉(SDS, 純度99%), 國藥集團化學試劑有限公司.

德國Bruker公司Tensor27型傅里葉變換紅外光譜 (FTIR) 儀; 美國FEI公司Quanta400F型掃描電子顯微鏡(SEM); 美國Micromeritics公司Autopore IV9500型壓汞儀; 德國BECKMAN公司LC13320型粒徑分布測定儀; 德國IKA公司EUROSTAR 20型頂頭式機械攪拌儀; 美國GE公司KTA Purifier 10型蛋白層析系統.

1.2PGMA-EDMA微球的制備

將10 g PVA和1.0 g SDS加入1000 mL去離子水中, 加熱至80 ℃, 磁力攪拌至PVA和SDS完全溶解成透明溶液, 冷卻至室溫得到水相, 備用; 將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聯二吡啶、 0.02 g CuBr和0.05 mL溴代丙酸乙酯, 并振蕩15 min混合均勻得到油相; 在通入N2氣排氧的條件下, 將油相緩慢滴加到水相中, 同時以200 r/min的速度進行攪拌, 滴加完畢后升溫至60 ℃聚合12 h, 制得的PGMA-EDMA微球用去離子水洗滌至無色, 用丙酮抽提24 h, 于50 ℃真空干燥24 h后室溫下存放備用.

用AIBN代替CuBr, 通過CFRP法制備PGMA-EDMA微球作為對比.

1.3介質通透性測試

將PGMA-EDMA微球裝填于不銹鋼色譜柱管中(φ4.6 mm×50 mm), 然后將色譜柱連接于蛋白層析系統, 以50 mmol/L 磷酸緩沖液(pH=7.0)作為測試流動相, 記錄不同流速下的色譜柱背壓[19], 繪制流速-柱壓曲線圖.

2　結果與討論

2.1PGMA-EDMA微球的結構對比

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

比較2種聚合方法所得微球的孔徑結構可以看出, ATRP法所得微球平均孔徑為275 nm, 比表面積為59.3 m2/g, CFRP法所得微球平均孔徑為234 nm, 比表面積為37.5 m2/g. 通常, 多孔材料的孔徑尺寸與比表面積成反比, 但本文通過ATRP法制備的PGMA-EDMA微球的孔徑比CFRP法的大17.5%, 同時其比表面也高出50%. 圖2給出2種方法所制備的PGMA-EDMA微球的SEM照片. 由圖2可見, PGMA-EDMA微球骨架均由聚合物細小顆粒聚集組成, 顆粒之間的空隙形成孔; 但CFRP法制備的PGMA-EDMA微球骨架聚集顆粒尺寸接近微米級[圖2(A)], 而ATRP法制備的PGMA-EDMA微球的顆粒尺寸在10～300 nm之間[圖2(B)], 并且顆粒尺寸分布比較均勻, 通常認為聚集顆粒尺寸越小對應材料的比表面積越高, 這可能是ATRP法所得微球比表面積高于CFRP法的主要原因, 與用ATRP法制備整體柱的結果相似[11]. 以ATRP法制備的凝膠中凝膠網絡更加均勻, 這主要是因為, 在普通自由基聚合中, 每個增長鏈都能在數秒內增加數百個單體單元, 快速的聚合反應易形成交聯密集且溶脹能力低的微區(微凝膠); 而在ATRP中, 增長自由基和休眠種快速可逆地休眠/活化, 不僅能使體系中的自由基保持在一個相對較低的濃度, 降低了聚合速率, 而且所有聚合物反應鏈同步增長并均勻消耗共聚單體, 更有利于分子間反應形成均勻的凝膠網絡[14,20]. 另外, 從微球的形貌圖可以看出, ATRP法制備的微球本體中孔之間的連通性高于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

圖3給出2種方法制備的微球在不同流速下的柱背壓記錄圖. 從圖3可以看出, 在相同流速下, PGMA-EDMA(CFRP)比PGMA-EDMA(ATRP)的柱壓高1倍以上, 表明PGMA-EDMA(ATRP)具有更好的通透性. 另外, 從圖3還可以看出, 2種微球的柱壓均隨流速的增加呈線性變化, 這一結果表明, 2種方法制備的PGMA-EDMA微球具有良好的機械性能, 在操作壓力下, 形狀未發生變化, 故柱壓能隨流速的增加呈線性增長.

綜上所述, 與傳統的普通自由基聚合方法相比, 采用ATRP法制備的超大孔PGMA-EDMA微球孔徑尺寸較大, 通透性能更高; 在保證通透性的同時, 其比表面積比普通自由基聚合所得微球高出1倍, 作為生化層析介質, 能更好地滿足生化分離中快速、 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. 網絡出版日期:2016-08-26.

北京市自然科學基金(批準號:2162013)、 國家自然科學基金(批準號:51103158)、 北京石油化工學院優秀人才培育計劃項目( 批準號:080318620081/037)、 北京高等學校高水平人才交叉培養“實培計劃”項目(批準號:201507, 201506)和2016大學生科研訓練(URT)項目(批準號:2016J00079)資助.

O632; O658.7

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聯系人簡介:張榮月, 男, 博士, 副教授, 主要從事生化分離介質的制備與應用研究. E-mail:ryzhang@iccas.ac.cn