杜贊玲，常 靜，鄭 娜，浦 群，曹 堃

（浙江大學化工系聚合與聚合物工程研究所 化學工程國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

巰基改性毛發(fā)狀聚苯乙烯微球的制備

杜贊玲，常 靜，鄭 娜，浦 群，曹 堃

（浙江大學化工系聚合與聚合物工程研究所 化學工程國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

通過順序添加單體到表面負載可逆加成斷裂鏈轉移（RAFT）試劑的亞微米級單分散聚苯乙烯微球膠乳中，采用紫外光引發(fā)制備了聚N-異丙基丙烯酰胺-b-聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PNIPA-b-PGMA）兩嵌段毛發(fā)狀聚苯乙烯微球。反應過程中，單體的轉化率以及微球的粒徑隨反應時間基本呈線性增長，具有活性自由基聚合的特征。然后分別在酸性或堿性條件下加入二硫代蘇糖醇（DTT）與嵌段高分子刷中PGMA的環(huán)氧基團反應，可制得表面巰基含量高的毛發(fā)狀單分散聚苯乙烯微球，且酸性條件更利于引入巰基。

毛發(fā)狀微球 高分子刷 可逆加成斷鏈轉移聚合 嵌段共聚物 巰基

功能性毛發(fā)狀微球具有廣泛的應用前景，在吸附分離[1]、催化技術[2,3]、信息能源[4-6]、生物制藥[7,8]等方面已有大量的基礎研究及應用開發(fā)。表面帶有巰基基團的微球可以協(xié)助含二硫鍵的蛋白復性。通常利用聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PGMA）與二硫代蘇糖醇（DTT）的開環(huán)反應，在微球表面引入巰基。但是普通的實心PGMA微球與DTT反應時，由于其表面積小，在DTT大大過量的情況下，單位質量微球表面負載的巰基含量也不高（222.4 μmol/g左右）[9]，而毛發(fā)狀微球由于表面帶有高分子刷，反應面積大，更容易富集巰基。但由于PGMA具有疏水性，在微球表面直接接枝PGMA高分子刷會導致毛發(fā)狀微球在水中的穩(wěn)定性變差，因此可以考慮制備兩嵌段的毛發(fā)狀微球，在接枝PGMA之前，先接上溫敏性的聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPA）高分子刷，可以增加微球的穩(wěn)定性，而且PNIPA上的異丙基同樣可以起到協(xié)助蛋白質復性的效果[10]。目前活性自由基聚合常用方法為嵌段型毛發(fā)狀微球的方法，包括光引發(fā)轉移終止自由基聚合（PIMP）、穩(wěn)定氮氧自由基聚合（NMP）、原子轉移自由基聚合（ATRP）以及可逆加成斷裂鏈轉移（RAFT）聚合法[11]。本研究擬采用活性自由基聚合方法中的 RAFT法制備聚苯乙烯微球表面的PNIPA-b-PGMA高分子刷，并通過微球表面PGMA中環(huán)氧基團與DTT的反應，將巰基基團引入到微球表面。此微球可通過巰基與蛋白質中二硫鍵的作用，使失活的蛋白恢復天然構象，且使用后的微球可以通過離心進行回收[12]。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

實驗用的表面負載RAFT的亞微米級單分散性聚苯乙烯（PS）微球（數(shù)均粒徑453.2 nm，粒徑分布指數(shù)為1.01，RAFT試劑與PS微球的物質的量之比為1:20）和光引發(fā)劑為實驗室自制，制備方法參考文獻[13]；N-異丙基丙烯酰胺（NIPA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）和 DTT等均為分析純。在固含率為2%的表面負載RAFT的PS微球膠乳中添加質量分數(shù)為2%的單體NIPA和質量分數(shù)為0.06%的光引發(fā)劑，在紫外光照下引發(fā)聚合（紫外燈功率為250 W），反應100 min得到表面接枝PNIPA的毛發(fā)狀PS微球，離心后再次添加質量分數(shù)為2%的單體GMA和質量分數(shù)為0.06%光引發(fā)劑，在紫外光照下反應100 min，得到表面接枝兩嵌段PNIPA-b-PGMA的毛發(fā)狀PS微球。調節(jié)體系的pH值，在pH值分別為3.5和10.5的條件下，在PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀PS微球膠乳中加入適量的DTT，反應24 h，通過PGMA鏈上的環(huán)氧基團與DTT上其中一個巰基的開環(huán)反應，把另一個巰基基團引入到高分子鏈段中。

1.2 分析方法

利用Nicolet DX紅外（IR）光譜儀分析樣品的結構（KBr壓片法制樣）；采用Malvern Zetasizer 3000動態(tài)光散射儀測微球流體力學直徑；采用GC950氣相色譜儀分析殘留單體NIPA或GMA含量來計算單體的轉化率，分析條件：毛細管色譜柱，氫火焰檢測器，氣化溫度210 ℃，檢測器溫度240 ℃，柱前壓0.28 MPa；采用BioScope SZ原子力顯微鏡（AFM）觀察粒子的表面形態(tài)；采用5,5’-二硫代雙（2-硝基苯甲酸（DTNB）法測巰基含量，在pH值為8.0的條件下可與溶液中的自由巰基反應生成5-硫-2-氮-苯甲酸（TNB），產(chǎn)物TNB的量與自由巰基含量成正比，故測TNB在412 nm處的紫外特征吸收值即可獲得自由巰基的含量[9]。

2 結果與討論

2.1 單體轉化率及一級動力學

圖1和圖2是RAFT聚合時，NIPA和GMA的轉化率隨時間的變化及其動力學曲線。由圖1可見，反應100 min后，NIPA的轉化率達到83.17%，添加第二單體GMA，繼續(xù)反應100 min，GMA的轉化率為59.98%。由圖2可見，RAFT聚合反應呈一級反應動力學特征，表明該反具有活性可控的特點。

圖1 NIPA和GMA轉化率隨時間的變化Fig.1 Conversion of NIPA and GMA versus reaction time

圖2 RAFT聚合一級動力學Fig.2 First-order kinetics of RAFT polymerization

2.2 微球粒徑及其單分散性

圖3是RAFT聚合時，先添加NIPA單體，后添加GMA單體，制備兩嵌段毛發(fā)狀PS微球的粒徑以及粒徑分布隨反應時間的變化。由圖可知，微球粒徑隨時間基本呈線性增長，具有活性自由基聚合的特征。負載RAFT的微球粒徑為453.2 nm，反應100 min時，微球的粒徑可達561.7 nm，添加GMA單體后繼續(xù)反應100 min，微球的粒徑為579.2 nm。由于PGMA微溶于水，在水中基本呈塌陷狀態(tài)，而毛發(fā)狀PS微球的粒徑分布指數(shù)為1.00～1.03，說明其具有很好的單分散性。

圖3 RAFT聚合時微球粒徑及粒徑分布指數(shù)隨時間的變化Fig.3 Particle size and particle size distribution of hairy microsphere versus reaction time

圖4高分子刷厚度隨時間的變化Fig.4 The polymer brush thickness versus reaction time

圖4是高分子刷的厚度隨反應時間的變化，由圖可知，高分子刷的厚度也隨時間基本呈線性增長，與粒徑隨時間的變化趨勢一致。

2.3 微球表面形態(tài)

圖5是RAFT聚合制備兩嵌段PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀PS微球的AFM圖。由圖可見，隨著反應的進行，微球的粒徑逐漸增大。表面負載RAFT的微球、接枝PNIPA高分子刷以及接枝兩嵌段PNIPA-b-PGMA高分子刷的毛發(fā)狀微球粒徑分別為458.6，565.3和583.5 nm，與動態(tài)光散射儀所測得的粒徑基本一致。

圖5 微球的AFM結果Fig.5 AFM images of microspheres

2.4 巰基含量分析

對于同一PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀PS微球，分別在pH值為3.5和10.5的條件下添加DTT對PGMA中的環(huán)氧基團進行巰基改性，反應機理[14]如圖6所示。由圖6（a）可知，PGMA的環(huán)氧基團在酸性條件下開環(huán)有兩種路線，即環(huán)氧基團首先質子化，使C-O鍵削弱，然后親核試劑DTT的巰基以兩種路線進攻中心碳原子，使C-O鍵斷裂開環(huán)。由圖6（b）可知，PGMA的環(huán)氧基團在堿性條件下開環(huán)有3種路線，此時環(huán)氧基團不能質子化，C-O鍵比較牢靠，但S-可作為親核試劑，在進攻中心碳原子的同時又可進攻羰基碳原子，從3條路線分別接入巰基基團。

加入與環(huán)氧基等物質的量的DTT時，微球表面所得到的單位質量的巰基含量如表1所示，分別為1 070和640 μmol/g。當將DTT的量增加到原來的兩倍，分別在酸性和堿性條件下反應，得到單位質量的巰基含量為1 390和960 μmol/g。與文獻報道[9]相比，巰基的含量大大提高。在酸性條件下反應所得的巰基含量比堿性條件高，這是由于在堿性條件下反應，反應路線（3）由于S-進攻羰基碳原子，可能導致路線（1）和（2）接入的巰基從高分子鏈上掉落下來，因此降低了微球表面巰基的含量。

圖6 毛發(fā)狀微球的巰基改性機理Fig.6 Mechanism of hairy microspheres modified by thiol group

表1 不同反應條件下所得的巰基含量Table 1 The thiol group content obtained at different reaction conditions

2.5 紅外譜圖分析

圖7是兩嵌段PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀微球和巰基改性的PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀微球的紅外譜圖對比。由圖7(a)可知，在1 730.6 cm-1出現(xiàn)酯鍵C=O的吸收峰，在1 650.2 cm-1出現(xiàn)酰胺C=O的吸收峰，而且在906.6和848.1 cm-1出現(xiàn)環(huán)氧基團的吸收峰。說明微球表面已接枝上含有酯基和環(huán)氧基團的PGMA以及含有酰胺基的PNIPA，從而得到兩嵌段的PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀微球。由圖7(b)可知，用DTT對毛發(fā)狀微球進行改性后，在 906.6和 848.1 cm-1處的環(huán)氧基團吸收峰基本消失。說明DTT確實與環(huán)氧基團發(fā)生了反應。

圖7 PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀微球紅外圖譜Fig.7 IR spectra of PNIPA-b-PGMA hairy microspheres

3 結 論

在表面負載RAFT的單分散性聚苯乙烯微球膠乳中添加單體NIPA和GMA，在紫外光引發(fā)作用下制備了兩嵌段PNIPA-b-PGMA毛發(fā)狀PS微球，具有良好的單分散性。在此基礎上，再加入DTT與此毛發(fā)狀PS微球上的PGMA中的環(huán)氧基團反應，通過調節(jié)pH值和DTT含量，可得到表面巰基含量高的毛發(fā)狀聚苯乙烯微球，而且酸性條件比堿性條件更利于巰基的引入。

[1]Gazi M, Galli G, Bicak N. The rapid boron uptake by multi-hydroxyl functional hairy polymers[J]. Separation and Purification Technology,2008, 62(2): 484-488.

[2]Lu Y, Mei Y, Schrinner M, et al. In situ formation of Ag nanoparticles in spherical polyacrylic acid brushes by UV irradiation[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(21): 7676-7681.

[3]Lu Y, Mei Y, Ballauff M, et al. Thermosensitive core-shell particles as carrier systems for metallic nanoparticles[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(9): 3930-3937.

[4]Lee D H, Tokuno Y, Uchida S, et al. Architecture of polymer particles composed of brush structure at surfaces and construction of colloidal crystals[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2009, 340(1): 27-34.

[5]Brendel J C, Lu Y, Thelakkat M. Polymer templated nanocrystalline titania network for solid state dye sensitized solar cells[J]. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(34): 7255-7265.

[6]Schepelina O, Zharov I. Polymer-modified opal nanopores[J]. Langmuir, 2006, 22(25): 10523-10527.

[7]Nguyen T L U, Farrugia B, Davis T P, et al. Core-shell microspheres with surface grafted poly(vinyl alcohol) as drug carriers for the treatment of hepatocellular carcinoma[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2007, 45(15): 3256-3272.

[8]Wittemann A, Haupt B, Ballauff M. Adsorption of proteins on spherical polyelectrolyte brushes in aqueous solution[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2003, 5(8): 1671-1677.

[9]Shimizu H, Fujimoto K, Kawaguchi H. Renaturation of reduced ribonuclease A with a microsphere-induced refolding system[J].Biotechnology Progress, 2000, 16(2): 248-253.

[10]Ge X, Guan Y X, Chen J, et al. Refolding of lysozyme in vitro assisted by colloidal thermosensitive poly(N-isopropylacrylamide) brushes grafted onto the surface of uniform polystyrene cores[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 114(2): 1270-1277.

[11]Barbey R L, Lavanant L, Paripovic D, et al. Polymer brushes via surface-initiated controlled radical polymerization: synthesis,characterization, properties, and applications[J]. Chemical Reviews, 2009, 109(11): 5437-5527.

[12]金佳鈺. 改性聚N-異丙基丙烯酰胺協(xié)助蛋白質體外復性研究[D]. 浙江: 浙江大學化學工程與生物工程學系, 2011.

[13]杜贊玲. 單分散聚苯乙烯微球表面功能性高分子刷的制備及其應用研究[D]. 浙江: 浙江大學化學工程與生物工程學系, 2011.

[14]Reis A V, Fajardo A R, Schuquel I T A, et al. Reaction of glycidyl methacrylate at the hydroxyl and carboxylic groups of poly(vinyl alcohol)and poly(acrylic acid): is this reaction mechanism still unclear? [J]. The Journal of Organic Chemistry, 2009, 74(10): 3750-3757.

Preparation of Thiol-Modified Hairy Polystyrene Microspheres

Du Zanling, Chang Jing, Zheng Na, Pu Qun, Cao Kun
（State Key Laboratory of Chemical Engineering, Institute of Polymerization and Polymer Engineering, Department of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China）

The monodisperse hairy polystyrene microshperes grafted with poly(N-isopropylacrylamide)-b-polyglycidyl methacrylate(PNIPA-b-PGMA) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization(RAFT) under UV-initiation. It was found that the monomer conversion and the microshpere diameter almost linely increased with the reaction time, which directly reflected the feature of the living radical polymerization. By controlling the pH, the high content of thiol group grafted onto the surface of the microsphere were obtained by the reaction of dithiothreitol(DTT) and epoxide group of polyglycidyl methacrylate(PGMA), and the content of thiol group obtained under the acidic condition was higher than that under the basic condition.

hairy microshpere; polymer brush; reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization;block copolymer; thiol group

TQ316.31+2 文獻標識碼：A

1001—7631 ( 2011 ) 06—0567—05

2011-04-11；

2011-11-30

杜贊玲（1985-），女，碩士研究生；浦 群（1967-），女，工程師，通訊聯(lián)系人。E-mail: puq@zju.edu.cn