同質核殼結構PVDAT納米粒子的制備和表征

黃 雷，王 麗，王嘉誠，王小濤，黃 桐，劉最芳，葉曉鐵

同質核殼結構PVDAT納米粒子的制備和表征

黃 雷1，王 麗1，王嘉誠1，王小濤1，黃 桐1，劉最芳1，葉曉鐵2

（1湖北工業大學材料與化學工程學院，湖北武漢430068；2凌云科技集團，湖北武漢430040）

以2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪聚合物（PVDAT）為核，2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪為單體，偶氮二異丁脒鹽酸鹽為引發劑，采用水相半連續沉淀聚合制備同質核殼結構PVDAT納米粒子，并通過連續取樣的方式對聚合機理進行初步研究。結果表明：PVDAT納米粒子的粒徑由139nm增加到214nm，且包覆機理屬于典型的Ostwald熟化機制。

2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪；同質核殼；PVDAT納米粒子；Ostwald熟化

在功能性高分子材料中，納米粒子具有粒子尺寸小、比表面積大、表面能高及吸附能力強等特點，被廣泛應用于生物醫藥［1－2］、藥物載體的靶向藥物［3］、藥物緩釋［4］、蛋白質吸附及固定及蛋白質分子印跡［5－6］等領域。2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪（VDTA）是一種具有多官能團的單體，可與對應的靶向分子形成多個氫鍵（圖1）。

圖1 VDAT分子的潛在氫鍵結合位點

作為功能單體，已被成功制備成VDAT聚合物（PVDAT）薄膜和水凝膠，并作為載體用于DNA的分子印跡領域［7－8］。但是關于VDAT功能納米粒子的研究國內外尚未見報道。原因主要在于：VDAT是固態化合物，并且在水和大多數有機溶劑（如甲醇、乙醇、丙酮、氯仿、環己烷）中溶解性很差，無法通過懸浮聚合、乳液聚合、分散聚合來制備PVDAT納米粒子。本文針對VDAT微溶而PVDAT不溶于熱水的特點，首次采用水相半連續沉淀聚合法，制備同質核殼結構的PVDAT納米粒子。在熱力學的作用下，新產生的VDAT齊聚物逐步沉積，“自組裝”到核周圍形成殼層；沉積過程是逐步進行的，因此殼的厚度可控。為最終利用VDAT功能單體水相制備蛋白質分子印跡聚合物納米粒子打下基礎。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

偶氮二異丁脒鹽酸鹽（V－50），上海達瑞精細化學品公司；二甲基亞砜（DMSO），西隴化工股份有限公司；2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪（VDAT），東京化工公司。實驗用水均為去離子水。

1.2 儀器設備

電子天平，AL204，梅勒特－托利多儀器有限公司；數顯型機械攪拌器，RW20，德國IKA公司；臺式高速離心機，TLL－C，北京四環科學儀器有限公司；超聲清洗機，SB－3200D，寧波新芝生物科技股份有限公司；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG－9070，上海齊欣科學儀器有限公司；動態光散射儀，90Plus PALS，美國布魯克海文儀器公司；掃描電子顯微鏡，JSM6390，日本電子株式會社。

1.3 實驗方法與技術

稱量1.25g VDAT、0.0125g V－50于2個燒瓶中，然后向2個燒瓶中分別加15mL DMSO和15 mL蒸餾水使其溶解，備用；分別稱量1.25g PVDAT納米粒子和量取50mL蒸餾水于100mL四口燒瓶中，并置于恒溫油浴鍋中。開啟機械攪拌，轉速200r／min通氮氣30min；開啟水浴鍋升溫至70℃后，以43.65μL／min的速度同時向反應釜中連續滴加VDAT溶液和V－50溶液；待加樣完成后，繼續反應18h，移除電熱套，讓反應溶液自然冷卻至室溫，收集粗產物；將粗產物乳液以5000r／min離心10min，蒸餾水洗滌3次后，產物分散于50mL水中待用。

2 結果與討論

2.1 PVDAT納米核形貌及分散性分析

聚合反應中引發劑的種類以及計量的多少直接影響著聚合反應的速率。在聚合反應中總活化能

在這三個影響因素中，引發劑分解活化能Ed起主要作用，其效果甚至比升溫來得更加明顯。引發劑的體積分數同時會影響聚合反應速率和分子量大小。當引發劑體積分數較大時，引發劑分解產生的自由基數目也隨之增多，聚合物分子量降低；聚合物粒徑增大，但分散性降低。在VDAT聚合體系中，引發劑的用量不僅可以改變PVDAT納米粒子表面多帶的電荷量，而且對納米粒子的表面形貌和尺寸也有重大影響。

圖2 不同V－50體積分數的PVDAT納米核SEM圖片

如圖2所示，當引發劑用量為0.5%時，體系自由基含量下降，反應速度降低，PVDAT納米粒子成球不規范，同時由于粒子含正電荷量較低，納米粒子之間粘連嚴重；隨著引發劑含量增加，聚合速率加快，PVDAT納米粒子能夠形成穩定的球形且平均粒徑增大，同時由于納米粒子所帶電荷量變大，靜電斥力使得粒子之間相互分散開來；進一步增加引發劑的用量，導致初級自由基數目顯著增多，聚合速率過快，并且存在著自由基間的終止現象［9］，導致乳液體系穩定性下降，納米粒子之間粘連現象嚴重，甚至無法成球。

2.2 同質核殼PVDAT納米粒子尺寸分析

為了能夠準確評價VDAT能否被引發、聚合并沉積到PVDAT納米核表面，實現納米核粒徑的增長，形成同質的PVDAT核殼結構納米粒子，采用連續取樣的方式，并通過動態光散射儀對納米粒子粒徑的變化進行分析。

圖3 同質核殼結構PVDAT納米粒子動態光散射圖

圖3為不同聚合時間PVDAT納米粒子的粒徑分布圖，在9h時加樣完成。反應初期隨著單體和引發劑的連續加入，PVDAT核的平均粒徑從開始時的139nm增長至加料完成時的170nm。值得注意的是，體系中同時形成了大量的平均粒徑為68nm的PVDAT納米粒子。這主要是因為反應初期PVDAT核能夠捕捉到部分單體和低聚物實現粒徑增長，而作為大顆粒存在；與此同時，由于核表面電荷較高，與低聚物之間存在較強的靜電斥力，使得另外一部分低聚物分子量增長至溶解度極限時析出獨立成核，并增長作為小顆粒存在。隨著反應的繼續，小粒徑PVDAT納米粒子的尺寸變化不大，但數量逐步減少，而大尺寸PVDAT核的粒徑進一步增大。最終小粒徑PVDAT納米粒子幾乎全部消溶，而大尺寸PVDAT核的平均粒徑增長至214nm。

2.3 同質核殼PVDAT納米粒子形貌及分散性分析

圖4 同質核殼結構PVDAT微球SEM圖

為了能夠準確評價所制得的同質核殼結構的PVDAT粒子的尺寸、形貌以及分散性，采用掃描電子顯微鏡對樣品進行分析（圖4）。圖4a中PVDAT納米核粒徑比較均一，且沒有任何小粒子的痕跡。隨著單體和引發劑加入，部分聚合物直接沉積到PVDAT納米核表面，核的粒徑變大；但由于VDAT低聚物在水中溶解度極低，隨著分子鏈長的增加，大多數聚合物鏈直接從水相中沉析出來獨立成核，因此有大量的PVDAT小顆粒出現。與圖4b相比較，圖4c中PVDAT核進一步增長，而小粒子粒徑基本沒有變化，同時數量密度有所下降。圖4d中小粒子基本完全消溶，大核的尺寸進一步增大。此外通過ImageJ對四張照片中大粒子進行測量，平均粒徑分別為136nm，161nm，178 nm，215nm，與動態光散射測試結果基本相符。從整體上看，在沉積過程中小粒子的出現和消溶對大粒子的分散性影響并不是很大。這為制備含有蛋白質分子印跡層的核－殼結構PVDAT納米粒子奠定了實踐基礎。

2.4 同質核殼結構PVDAT納米粒子聚合機理

在同質核殼結構PVDAT納米粒子的制備過程中，我們采用連續取樣的方式來對聚合過程進行跟蹤分析。

圖5 同質核殼結構PVDAT納米粒子形成原理圖

結果表明，在聚合反應的第一階段（從開始加料至加料完成），有部分VDAT聚合物／齊聚物并不是直接沉積到PVDAT納米核表面，而是在水相中逐步完成鏈增長，直至在水中的溶解度達到飽和，析出成核，并增長成小粒子。在聚合反應的第二階段，小粒子的數目逐步減少，而大尺寸PVDAT核的粒徑進一步增大。這種粒徑粗化（particle coarsening）屬于典型的Ostwald粒子成熟現象（Ostwald Ripening）。其機理是因為粒子表面的分子在能量上不如粒子內部的分子穩定，其較低比表面積的大顆粒具有比小顆粒更低的顆粒能量狀態。眾多小PVDAT納米粒子的形成，使得體系界面能高，穩定性差，在70℃的反應溫度下，由于熱力學的作用，PVDAT分子從小顆粒的表面逐漸擴散消溶至大顆粒的表面，結果，小顆粒的數量不斷減少，而大顆粒粒徑不斷增長（圖5）。

3 結論

采用水相半連續沉淀聚合工藝合成了粒徑均一的PVDAT納米核。并在此基礎上首次制備了同質核殼結構的PVDAT納米粒子，其中PVDAT納米核含量為1.25%，VDAT單體為1.25%，引發劑V－50為1%。聚合過程中，VDAT被引發并完成鏈增長，至沉淀成核形成小粒子，逐步消溶沉積到PVDAT納米核上，形成同質核殼結構的PVDAT納米粒子，其中粒徑從139nm增長到214nm。增長過程屬于典型的Ostwald熟化機制。

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Preparation and Characterization of Homogeneous Core－shell Structure PVDAT Nanoparticles

HUANG Lei1，WANG Li1，WANG Jiacheng1，WANG Xiaotao1，HUANG Tong1，LIU Zuifang1，YE Xiaotie2
（1 School of Materials and Chemical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Lingyun Science ＆Technology Group Co.LTD，Wuhan 430040，China）

The homogeneous core shell structure of PVDAT nanoparticles were prepared by a semi batch precipitation polymerization method，PVDAT as the nucleus，VDAT as the functional monomer，V50as initiator and water as solvent.Polymerization mechanism was studied by continuous sampling.The results show that the particle size of PVDAT nanoparticles increases from 139nm to 214nm，and the coating mechanism belongs to the typical Ostwald maturation mechanism.

VDAT；homogeneous core shell；PVDAT nanoparticles；ostwald ripening

TQ316

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0080－04

2017－05－09

湖北省自然科學基金（2014CFB603）；湖北省教育廳青年項目（Q20151406）

黃 雷（1991－），男，湖北隨州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為功能高分子材料

王小濤（1982－），女，湖北孝感人，湖北工業大學副教授，研究方向為功能高分子材料