磁性微球制备方法;;
综述·动态·评论 磁性微球制备方法
周 超,戴红莲
(武汉理工大学 生物中心,湖北武汉 430070)
摘 要:在总结近年来国内外有关磁性微球研究成果的基础上,对磁性微球进行了分类,着重对高分子磁性微球的几种主要制备方法和工艺过程进行了概述。
关键词:磁性微球;制备;核壳结构
中图分类号:TM27 文献标识码:A 文章编号:1001-3830(2006)05-0006-05
Preparation of Magnetic Microspheres
ZHOU Chao, DAI Hong-lian
Biomaterials and Engineering Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
Abstract :On the basis of summarizing the research efforts of magnetic microspheres worldwide in recent years,
magnetic microspheres were classified according to their different structures. The preparation of magnetic microspheres was viewed, especially for the preparation of magnetic polymer microspheres, and the prospects of following work were commented.
Key words:magnetic microspheres; preparation; core-shell structure
1 引言
磁性微球是由磁性物质与高分子或无机材料复合而成。按成分分包括磁性高分子微球、磁性无机复合微球、磁性金属-无机复合微球,目前研究以磁性高分子微球居多;按结构分有共混式、核壳式、夹心式、空心式四种。磁性物质包括Fe 3O 4、
物、免疫测定,核磁共振成像的造影等生物医学领域有着广泛应用[2~5]。 2 磁性高分子微球的制备
磁性高分子微球是将无机磁性粒子(Fe 、Co 、Ni 及其氧化物等)与有机高分子结合形成的一种复合微球。制备磁性高分子微球的方法很多,根据磁性高分子微球的结构分主要有以下几种:共混式磁性高分子微球的制备、核壳式磁性高分子微球的制备、夹心式磁性高分子微球的制备。 2.1共混式磁性高分子微球的制备 2.1.1 悬浮聚合法
悬浮聚合法合成共混式磁性高分子微球是通过将磁性粒子直接分散于含有聚合物单体、稳定剂、引发剂等的混合体系中进行聚合反应制得。磁性物质均匀地分布于复合微球中。Yan 等[6,7]以疏水甲基丙烯酸甲酯(MMA )性Fe 3O 4磁流体为磁性体,
为聚合单体,二乙烯苯(DVB )为交联剂,过氧化苯甲酰(BPO )为引发剂,聚乙烯醇(PV A )为稳定剂,采用喷雾式悬浮聚合法制备了磁性聚甲基丙烯酸甲酯微球。利用喷雾装置将上述磁流体、单体、交联剂、引发剂共混形成的油相,喷雾形成均匀油
γ-Fe 2O 3 、CoFe 2O 4、BaFe 12O 19、Pt 、Ni 、Co 等,
其中Fe 3O 4 应用最多,高分子材料包括合成高分子材料和天然高分子材料,无机材料SiO 2使用较多。磁性微球很多优良特性,如具有磁响应性,在外加磁场的作用下可以很方便地分离;具有吸波性能,可有效避免电磁波的干扰;粒径小,表面积大,表面特性多样,易于吸附,可以通过共聚、表面改性,赋予其表面多种反应性功能基团(如-OH 、-COOH 、-CHO 、-NH 2、-SH 等),进而可以结合各种功能物质,使物质同时具有多种功能。因此,磁性微球在航空、航海、通讯等领域有广阔的应用前景,特别在细胞分离、固定化酶、靶向药
收稿日期:2006-03-20 修回日期:2006-05-23 作者通信:E-mail: [email protected]
[1]
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相液滴,将其加入到含有稳定剂的水相中恒温聚合,制得微球。在聚合反应过程中,Fe 3O 4纳米粒子均匀分散于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )微球中。
传统的悬浮聚合法中,通常采用机械搅拌将液滴分散,制备的磁性微球粒径大、粒径分布宽、磁性粒子分布不均匀,因此微球在溶液或磁场中的磁性能一致性差。喷雾式悬浮聚合法通过喷雾装置得到的微球磁性粒子分布均匀,粒径分布窄。王强斌[8]用改进的悬浮聚合法制备了表面含羟基功能团的聚苯乙烯磁性微球,磁性粒子均匀分布于高分子中。 2.1.2 溶剂挥发法
清华大学的曹阳[9]以聚苯乙烯和二氯甲烷为油相、十二烷基苯磺钠(SDBS )为表面活性剂,采用溶剂挥发法制备了磁性聚苯乙烯微球。以聚苯乙烯溶解于二氯甲烷为油相,将Fe 3O 4粒子加入油相后超声分散,加入表面活性剂(SDBS ),适当调节pH 值。将混合溶液加入到水相,机械搅拌,水浴恒温,使油相溶剂完全挥发,Fe 3O 4粒子被分散包覆于聚苯乙烯微球中。制得的微球平均粒径在20~60µm。采用溶剂挥发法制备磁性微球,微球的粒径和磁响应性能与制备微球的温度、搅拌速率、水溶液的pH 值、磁性粒子的用量等参数有关。 2.2 核壳式磁性高分子微球的制备 2.2.1 共沉淀法
共沉淀法是金属离子在碱性条件下与高分子共沉淀,一步反应生成磁性高分子微球的方法:
2Fe 3++ Fe2++8OH→Fe 3O 4+4H2O
-
Huang [13]通过种子生长的方法制得了以PS 粒子为核心、Fe 3O 4为壳的磁性微球。以聚合了少量Fe 3O 4粒子的微球为种子,通过向含有FeCl 2/六次甲基四胺(HMTA )、KNO 3和一缩二乙二醇(DEG )溶液中缓慢注射Fe 3+离子溶液,使溶液中的 Fe3+离子浓度发生改变,Fe 3O 4粒子在种子微球表面逐渐沉积。Fe 3O 4壳层的厚度可以通过注射速度和注射量来控制,在0~60nm范围内可控。检测发现当壳层厚度控制在15nm 以下时,微球呈超顺磁性。
共沉淀法是早期制备磁性复合微球的方法,利用该法制备磁性复合微球的优点是方法简单、易于操作,但是制得的复合微球粒径分布较宽,粒径大小不易控制,且形状不规则,因此应用受到了很大的限制。 2.2.2 异相聚合法
异相聚合法包括分散聚合、乳液聚合、悬浮液聚合三种。该法是将磁性粒子用表面改性剂、偶联剂、引发剂等处理后分散到含有聚合物单体的溶剂中进行聚合反应。通常以磁性粒子为活性中心进行单体聚合。
氧刘雪奇等[14]以苯乙烯和丙烯酸为共聚单体、化苯甲酰为引发剂,用分散聚合法制得了含羟基的磁性物质为核、高分子为壳的复合微球,微球粒径在1~5µm,核心Fe 3O 4约10nm 。分散聚合法对于合成大粒径、单分散的磁性高分子微球具有较大优势。胡书春等[15]用聚乙二醇处理Fe 3O 4磁流体,然后加入聚合反应的引发剂过硫酸钾,充分搅拌后静置、溶胀。然后分散到苯乙烯单体与稳定剂、分散剂的混合溶剂中制成乳化体系,进行乳液聚合制得以磁性物质为核、高分子为壳的复合微球。乳液聚合可在提高聚合速率的同时提高分子量,聚合产物的粒径小(0.05~0.2µm),比常见悬液聚合产物的粒径(50~200µm)要小得多。但是,产物中留有乳化剂等杂质难以完全除净,有损生物相容性。邱广明等[16]以聚乙二醇为分散稳定剂,改善了磁性氧化铁粒子的稳定性和表面的亲疏水环境,采用预先吸附-溶胀的办法在磁性氧化铁粒子表面积聚了足够的引发剂过硫酸钾和苯乙烯等单体,确保单体聚合围绕着磁粒子表面进行,制备出粒径较大且分布均匀的磁性聚苯乙烯微球,粒径可达312µm。 2.2.3 化学镀法
化学镀法是指不加外电流,经过控制化学还原
Pich [10]等先通过单体聚合反应得到PS-AAEM 颗粒的分散剂,再把配制好的Fe 3+、Fe 2+溶液加入聚苯乙烯(PS )-乙酰乙酸基甲基丙烯酸乙酯(AAEM )颗粒的分散剂中,然后滴加NH 3·H 2O 。Fe 3O 4粒子在PS-AAEM 表面沉积,制得PS-AAEM 为核心、Fe 3O 4粒子为壳层的磁性微球。微球的磁性能通过改变FeCl 2和FeCl 3的浓度或改变PS-AAEM 核心的尺寸来控制。Xia 等[11]把一定配比的FeCl 2、FeCl 3与葡聚糖(dextran T-10)共混,然后滴加NH 3·H 2O ,在超声连续作用下水浴加热,制得以Fe 3O 4为核、dextran 为壳的磁性微球。杨玉东等[12]把一定配比的FeCl 3·6H 2O 、FeCl 2·6H 2O 与配体(如二亚乙基三胺五乙酸(DTPA )或乙二氨四乙酸(EDTA )等)组成的混合液体加入到75℃的葡聚糖T-40溶液中,并快速滴加NH 3·H 2O ,制备了葡聚糖为壳、氧化铁为核的磁性微球。
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反应进行的金属淀积过程,有置换法、接触镀法和还原法三种。在颗粒表面包覆时,一般选用还原法, 即在溶液中添加的还原剂被氧化后能提供电子,还原淀积出金属来包覆颗粒。
Wang 等[17]和赵雯等[18]分别用化学镀法制备出了聚苯乙烯丙烯腈(P (St-co-AN ))为核、Ni 为壳的磁性微球。核心粒径400nm 左右,壳层Ni 的厚度10~15nm。主要过程如下:首先通过乳液聚合法制备聚苯乙烯丙烯腈高分子微球,在聚苯乙烯丙烯腈高分子微球胶体中加入PbCl 2溶液,搅拌加热得到被激活的P (St-co-AN )Pd 共聚物,同时加入NiCl 2酸性溶液,还原Pd 2+得到P (St-co-AN )/Ni复合微球。 2.2.4 超声法
超声波作用于溶液时,由于“空化”现象可以产生局部瞬间很高的温度与压力,可以使固体颗粒破碎而形成纳米粒子,同时其二级效应可有效地使两相体系乳化,为亲水表面引入憎水物质提供了可能。
阎立峰等[19]以纳米级的Fe 3O 4磁液作为磁核,在非水体系的纤维素(DMAC )/LiCl溶液中,利用超声波的二级乳化效应来分散体系,制备出了纳米尺度的核-壳型磁性纤维素微球。Avivi [20]也用超声的方法制备出了磁性蛋白质微球。
制备高分子磁性微球还有一些其它方法,如超声搅拌冷冻干燥法[21]、乳化交联法[22~24]、无乳聚 合法、反相悬浮聚合法[25]、化学键合-吸附法[26]等。2.3 夹心式磁性高分子微球的制备
用逐层组装法可制备夹心式高分子磁性球。逐层组装是指以胶粒为核心在其表面交替吸附沉淀多层不同电性微粒的方法。Zhu [27]用逐层组装法制备了单分散的以SiO 2为核、聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)与Fe 3O 4交替出现的多壳层的磁性微球。组装过程如图1所示。首先把PDADMAC 的溶液加入到含SiO 2微球的悬浮液中,搅拌、吸通过离心、附使SiO 2的表面包裹一层PDADMAC ,
水洗、重分散除去过量的PDADMAC 。然后把Fe 3O 4磁流体加入到制备好的被包覆的微球悬液中,Fe 3O 4在PDADMAC 表面淀积,除去未淀积的Fe 3O 4,再吸附PDADMAC 高分子层,如此反复,制得Fe 3O 4与PDADMAC 交替出现的多层核-壳结构的磁性微球。Caruso 等[28]也用逐层组装法制备出了以聚苯乙烯为核的多层磁性高分子微球(PS- 。 PDADMAC-Fe 3O 4)
逐层组装制备的高分子微球粒度可控制,大小均匀,磁性粒子含量一致,但制备工艺过于复杂。
Polymer
Fe 3O 4 PDADMAC
(2)、(3)…
(1)
Colloidal particle
(2) (3)
Multilayer-Coated Particle
图1 逐层组装法合成磁性微球的原理示意图
3 磁性无机复合微球的制备
3.1 磁性壳核无机微球的制备
Kawashita
[29]
Fe 3+氟化物+m H 2O Qβ-FeOOH+n HF (1)SiO 2+6HF [SiF6]2++2H2O+2H+ (2)
由于反应(1)的进行消耗了HF ,使反应(1)的平衡向右移动,生成的β-FeOOH 沉积于SiO 2的表面,通过热处理,β-FeOOH 转化为Fe 3O 4。 3.2 磁性空心无机微球的制备 3.2.1 喷雾热分解法
FeNO 3的混合溶液在碱性Ren 等[30]将BaNO 3、
条件下共沉淀,干燥制得钡铁氧体的前驱体粉末,使用氧乙炔喷雾煅烧、收集、沉降分级获得空心微球。利用前驱体粉末在乙炔火焰(中心温度约2000℃)中自身受热时的温度梯度,使得颗粒表面和内
制备了以SiO 2为核心、Fe 3O 4为
壳的磁性微球,粒径在20~30µm,是一种用于体内、利用过热原理治疗肿瘤的良好的热籽材料。首先在然后用高频的交变热场中细化Fe 3O 4到20~30µm,HF 溶解Fe 3O 4,除去过量的Fe 3O 4,得到由Fe 3+氟化物 与β-FeOOH 形成Fe-HF 溶液,把制备好的SiO 2玻璃微球浸泡于饱和Fe-HF 溶液中,24天后缓慢加热到400℃,即可制得SiO 2/Fe3O 4磁性微球。涉及的反应有:
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部物质分解速度不一致,表层分解快,形成无定形的外膜层,内部物质分解慢,分解生成的高温气体迅速膨胀,随气流向外膨胀,里层分解的氧化物颗粒随气流淀积在内膜表面,使膜层变厚,形成以无定形氧化物BaFe 12O 19为壳的空心微球。 3.2.2 模板法
模板法制备空心磁性微球的基本原理是:以胶
粒球形模板为核,通过组装、吸附、沉淀反应,溶胶-凝胶作用等手段在模板核外包覆一层一定厚度的前驱体,形成核/壳复合结构微球,热处理或溶剂解除模板, 就得到所需材料的空心微球。Caruso [31]、复旦大学Wang 等用逐层自组装法制备出Fe 3O 4空心球。图2为模板法制备空心微球的一般步骤。
(1) Polymer Adsorption
(1)、(3), etc
(3) Inorganic Molecular
Precursor Adsorption
(4) Cakination
Colloid Particle Templates
(1)、(2), etc
Hollow Inorganic
Capsules
(2) Nanoparticle Adsorption
[32]
4 磁性金属-无机复合微球制备
图2 模板法制备空心磁性微球示意图
另外,国外学者Chiriac [34]用粉末冶金法制备了一种大小在50~300µm无定形的Co 68.25Fe 4.5Si 12.25B 15合金磁性微球,该微球有良好的组织相容性,有望应用在免疫磁通道、生物分子探测、血管栓塞等方面。
Fu 等[33]用逐步合成法合成了以Ni 为核、SiO 2为壳的磁性微球,平均粒径85nm ,合成工艺如图3、图4所示。
High Voltage
DC Source
C
R
F EW
l
5 展望
近年来,对磁性微球进行了广泛研究,对磁性微球的粒径、磁响应性、生物相容性、稳定性等方面的研究取得了一些成果,但要扩大磁性微球的应用领域,还有很多细致的工作要做。
图3 金属丝爆破法制备Ni 微粒原理示意图
irradiation
2) 3Condensation
TEOS +
(1)磁性微球的表面改性及生物可降解磁性微球的探讨。目前国外已有学者制备了Fe 3O 4-聚乙 交酯丙交酯P (Lactide-co-glycolide )可降解微球[35]。
(2)磁性多功能微球的开发与制备。比如,既有较好的磁响应又具有较好的热敏性磁性微球的制备,既有较好的光敏性又有较好的电磁吸波性能的磁性微球的制备。
(3)简化制备工艺,降低生产成本。 (4)对磁性微球形成机制,无机磁籽与有机高分子作用性质等基本理论的进一步研究。
可以预期,对磁性高分子微球研究的不断深入必将引起制备和应用技术的革命性进步。 参考文献:
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图4 逐步合成Ni/Silica核/壳型微球的工艺流程图
首先用金属丝爆破法制备Ni 微粒,如图3所示,在34kV 的脉冲高压下,金属丝的电流密度达到107A/cm2,在几十微秒的时间内即可使Ni 丝爆破,形成粒度在43~96nm范围内、平均粒度为75nm 如图4所示,的Ni 浆。然后合成Ni/SiO2复合微球,在超声辐射下使用3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTS )对Ni 进行预处理,使单一的MPTS 包裹在Ni 颗粒的表面,用合成的Ni-MPTS 复合微球,再与正硅酸乙酯(TEOS )、NH 3·H 2O 反应制得Ni/SiO2微球。
磁性材料及器件 2006年10月 9
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作者简介:周超(1980-),硕士在读,研究方向为生
物材料学。
(上接5页)
一致性大为提高,这是我国稀土永磁产业更上一层楼的必由之路。
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图5 双室速凝铸片炉结构示意
有了更明确的分工和集约化:合金集中由专业合金厂家生产,磁体厂家则向前者购买原料,而集中力量于磁粉以后的各步工序的完善。这样做的结果,不仅能生产出世界第一流的产品,而且由于集约化生产和明确的分工,生产成本会大为降低、产品的
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