同质核壳结构PVDAT纳米粒子的制备和表征

黄 雷，王 丽，王嘉诚，王小涛，黄 桐，刘最芳，叶晓铁

同质核壳结构PVDAT纳米粒子的制备和表征

黄 雷1，王 丽1，王嘉诚1，王小涛1，黄 桐1，刘最芳1，叶晓铁2

（1湖北工业大学材料与化学工程学院，湖北武汉430068；2凌云科技集团，湖北武汉430040）

以2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪聚合物（PVDAT）为核，2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪为单体，偶氮二异丁脒盐酸盐为引发剂，采用水相半连续沉淀聚合制备同质核壳结构PVDAT纳米粒子，并通过连续取样的方式对聚合机理进行初步研究。结果表明：PVDAT纳米粒子的粒径由139nm增加到214nm，且包覆机理属于典型的Ostwald熟化机制。

2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪；同质核壳；PVDAT纳米粒子；Ostwald熟化

在功能性高分子材料中，纳米粒子具有粒子尺寸小、比表面积大、表面能高及吸附能力强等特点，被广泛应用于生物医药［1－2］、药物载体的靶向药物［3］、药物缓释［4］、蛋白质吸附及固定及蛋白质分子印迹［5－6］等领域。2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪（VDTA）是一种具有多官能团的单体，可与对应的靶向分子形成多个氢键（图1）。

图1 VDAT分子的潜在氢键结合位点

作为功能单体，已被成功制备成VDAT聚合物（PVDAT）薄膜和水凝胶，并作为载体用于DNA的分子印迹领域［7－8］。但是关于VDAT功能纳米粒子的研究国内外尚未见报道。原因主要在于：VDAT是固态化合物，并且在水和大多数有机溶剂（如甲醇、乙醇、丙酮、氯仿、环己烷）中溶解性很差，无法通过悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合来制备PVDAT纳米粒子。本文针对VDAT微溶而PVDAT不溶于热水的特点，首次采用水相半连续沉淀聚合法，制备同质核壳结构的PVDAT纳米粒子。在热力学的作用下，新产生的VDAT齐聚物逐步沉积，“自组装”到核周围形成壳层；沉积过程是逐步进行的，因此壳的厚度可控。为最终利用VDAT功能单体水相制备蛋白质分子印迹聚合物纳米粒子打下基础。

1 材料与仪器

1.1 实验材料

偶氮二异丁脒盐酸盐（V－50），上海达瑞精细化学品公司；二甲基亚砜（DMSO），西陇化工股份有限公司；2－乙烯基－4，6－二氨基－1，3，5－三嗪（VDAT），东京化工公司。实验用水均为去离子水。

1.2 仪器设备

电子天平，AL204，梅勒特－托利多仪器有限公司；数显型机械搅拌器，RW20，德国IKA公司；台式高速离心机，TLL－C，北京四环科学仪器有限公司；超声清洗机，SB－3200D，宁波新芝生物科技股份有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG－9070，上海齐欣科学仪器有限公司；动态光散射仪，90Plus PALS，美国布鲁克海文仪器公司；扫描电子显微镜，JSM6390，日本电子株式会社。

1.3 实验方法与技术

称量1.25g VDAT、0.0125g V－50于2个烧瓶中，然后向2个烧瓶中分别加15mL DMSO和15 mL蒸馏水使其溶解，备用；分别称量1.25g PVDAT纳米粒子和量取50mL蒸馏水于100mL四口烧瓶中，并置于恒温油浴锅中。开启机械搅拌，转速200r／min通氮气30min；开启水浴锅升温至70℃后，以43.65μL／min的速度同时向反应釜中连续滴加VDAT溶液和V－50溶液；待加样完成后，继续反应18h，移除电热套，让反应溶液自然冷却至室温，收集粗产物；将粗产物乳液以5000r／min离心10min，蒸馏水洗涤3次后，产物分散于50mL水中待用。

2 结果与讨论

2.1 PVDAT纳米核形貌及分散性分析

聚合反应中引发剂的种类以及计量的多少直接影响着聚合反应的速率。在聚合反应中总活化能

在这三个影响因素中，引发剂分解活化能Ed起主要作用，其效果甚至比升温来得更加明显。引发剂的体积分数同时会影响聚合反应速率和分子量大小。当引发剂体积分数较大时，引发剂分解产生的自由基数目也随之增多，聚合物分子量降低；聚合物粒径增大，但分散性降低。在VDAT聚合体系中，引发剂的用量不仅可以改变PVDAT纳米粒子表面多带的电荷量，而且对纳米粒子的表面形貌和尺寸也有重大影响。

图2 不同V－50体积分数的PVDAT纳米核SEM图片

如图2所示，当引发剂用量为0.5%时，体系自由基含量下降，反应速度降低，PVDAT纳米粒子成球不规范，同时由于粒子含正电荷量较低，纳米粒子之间粘连严重；随着引发剂含量增加，聚合速率加快，PVDAT纳米粒子能够形成稳定的球形且平均粒径增大，同时由于纳米粒子所带电荷量变大，静电斥力使得粒子之间相互分散开来；进一步增加引发剂的用量，导致初级自由基数目显著增多，聚合速率过快，并且存在着自由基间的终止现象［9］，导致乳液体系稳定性下降，纳米粒子之间粘连现象严重，甚至无法成球。

2.2 同质核壳PVDAT纳米粒子尺寸分析

为了能够准确评价VDAT能否被引发、聚合并沉积到PVDAT纳米核表面，实现纳米核粒径的增长，形成同质的PVDAT核壳结构纳米粒子，采用连续取样的方式，并通过动态光散射仪对纳米粒子粒径的变化进行分析。

图3 同质核壳结构PVDAT纳米粒子动态光散射图

图3为不同聚合时间PVDAT纳米粒子的粒径分布图，在9h时加样完成。反应初期随着单体和引发剂的连续加入，PVDAT核的平均粒径从开始时的139nm增长至加料完成时的170nm。值得注意的是，体系中同时形成了大量的平均粒径为68nm的PVDAT纳米粒子。这主要是因为反应初期PVDAT核能够捕捉到部分单体和低聚物实现粒径增长，而作为大颗粒存在；与此同时，由于核表面电荷较高，与低聚物之间存在较强的静电斥力，使得另外一部分低聚物分子量增长至溶解度极限时析出独立成核，并增长作为小颗粒存在。随着反应的继续，小粒径PVDAT纳米粒子的尺寸变化不大，但数量逐步减少，而大尺寸PVDAT核的粒径进一步增大。最终小粒径PVDAT纳米粒子几乎全部消溶，而大尺寸PVDAT核的平均粒径增长至214nm。

2.3 同质核壳PVDAT纳米粒子形貌及分散性分析

图4 同质核壳结构PVDAT微球SEM图

为了能够准确评价所制得的同质核壳结构的PVDAT粒子的尺寸、形貌以及分散性，采用扫描电子显微镜对样品进行分析（图4）。图4a中PVDAT纳米核粒径比较均一，且没有任何小粒子的痕迹。随着单体和引发剂加入，部分聚合物直接沉积到PVDAT纳米核表面，核的粒径变大；但由于VDAT低聚物在水中溶解度极低，随着分子链长的增加，大多数聚合物链直接从水相中沉析出来独立成核，因此有大量的PVDAT小颗粒出现。与图4b相比较，图4c中PVDAT核进一步增长，而小粒子粒径基本没有变化，同时数量密度有所下降。图4d中小粒子基本完全消溶，大核的尺寸进一步增大。此外通过ImageJ对四张照片中大粒子进行测量，平均粒径分别为136nm，161nm，178 nm，215nm，与动态光散射测试结果基本相符。从整体上看，在沉积过程中小粒子的出现和消溶对大粒子的分散性影响并不是很大。这为制备含有蛋白质分子印迹层的核－壳结构PVDAT纳米粒子奠定了实践基础。

2.4 同质核壳结构PVDAT纳米粒子聚合机理

在同质核壳结构PVDAT纳米粒子的制备过程中，我们采用连续取样的方式来对聚合过程进行跟踪分析。

图5 同质核壳结构PVDAT纳米粒子形成原理图

结果表明，在聚合反应的第一阶段（从开始加料至加料完成），有部分VDAT聚合物／齐聚物并不是直接沉积到PVDAT纳米核表面，而是在水相中逐步完成链增长，直至在水中的溶解度达到饱和，析出成核，并增长成小粒子。在聚合反应的第二阶段，小粒子的数目逐步减少，而大尺寸PVDAT核的粒径进一步增大。这种粒径粗化（particle coarsening）属于典型的Ostwald粒子成熟现象（Ostwald Ripening）。其机理是因为粒子表面的分子在能量上不如粒子内部的分子稳定，其较低比表面积的大颗粒具有比小颗粒更低的颗粒能量状态。众多小PVDAT纳米粒子的形成，使得体系界面能高，稳定性差，在70℃的反应温度下，由于热力学的作用，PVDAT分子从小颗粒的表面逐渐扩散消溶至大颗粒的表面，结果，小颗粒的数量不断减少，而大颗粒粒径不断增长（图5）。

3 结论

采用水相半连续沉淀聚合工艺合成了粒径均一的PVDAT纳米核。并在此基础上首次制备了同质核壳结构的PVDAT纳米粒子，其中PVDAT纳米核含量为1.25%，VDAT单体为1.25%，引发剂V－50为1%。聚合过程中，VDAT被引发并完成链增长，至沉淀成核形成小粒子，逐步消溶沉积到PVDAT纳米核上，形成同质核壳结构的PVDAT纳米粒子，其中粒径从139nm增长到214nm。增长过程属于典型的Ostwald熟化机制。

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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

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0080－04

2017－05－09

湖北省自然科学基金（2014CFB603）；湖北省教育厅青年项目（Q20151406）

黄 雷（1991－），男，湖北随州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为功能高分子材料

王小涛（1982－），女，湖北孝感人，湖北工业大学副教授，研究方向为功能高分子材料