作者简介:吴颉,1978年生,硕士研究生,研究方向为高分子材料化学。
开发与应用磁性高分子微球的制备及应用吴 颉 王 君 景晓燕 张密林(哈尔滨工程大学化学工程系,哈尔滨 150001)摘 要 本文对新型功能材料磁性高分子微球的组成、制备方法、应用及其发展前景进行了简要介绍。
关键词 磁性高分子微球,磁性载体,固定化酶The preparation and utilization of magnetic microspheresWu Jie Wang J un Jing Xiaoyan Zhang Milin(Department of Chemical Engineering ,Harbin Engineering University ,Harbin 150001)Abstract The composition ,preparation ,application and development prospect of magnetic microspheres are re 2viewed in this article 1K ey w ords magnetic microspheres ,magnetic carrier ,immobilized enzyme 磁性高分子微球是最近发展起来的一种新型功能高分子材料。
它兼具磁性粒子和高分子粒子的特性,既可方便地从介质中分离,又可对其表面进行修饰从而赋予其表面多种功能团。
因为其具有优异的特性,得以广泛地应用于精细化工、生物医学、生物工程学、细胞学等诸多领域。
近年来适应不同要求的磁性高分子微球已成为一个新的研究热点。
本文就磁性高分子微球的制备及应用作简要介绍。
1 磁性高分子微球的制备111 组成材料目前制备的磁性高分子微球主要有核-壳式结构和壳-壳-核结构。
核-壳式结构中,核既可为磁性材料,也可由聚合物组成,壳则相应为聚合物或无机物。
通过单体共聚可以在磁性微球表面载上一定的功能团,实现磁性微球的表面功能化。
如果单体共聚反应困难或表面无功能团,则可通过功能团的转化得到所需的功能团。
制备磁性微球通常应用的磁性物质有:纯铁粉、羰基铁、磁铁矿、正铁酸盐、铁钴合金等,尤以Fe 3O 4磁流体居多。
与磁性材料结合的高分子材料中天然高分子材料有壳聚糖、明胶、纤维素等,合成高分子材料最常用的是聚丙烯酰胺(PAM )和聚乙烯醇(PVA )。
其中天然高分子材料因具有价廉易得、生物相容性好、可被生物降解等优点,得到了广泛的研究和应用。
112 制备方法磁性高分子微球的制备方法主要有包埋法、单体聚合法、化学转化法、生物合成法等。
11211 包埋法包埋法是运用机械搅拌、超声分散等方法使磁性粒子均匀悬浮于高分子溶液中,通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段制得磁性高分子微球。
磁性粒子表面与亲水性高分子之间存在一定的亲和力,所以第30卷第8期化工新型材料Vol 130No 182002年8月N EW CHEMICAL MA TERIAL SAug.2002若把磁性粒子浸泡于这些高分子的溶液中,再经过乳化等处理过程,就可以在磁性粒子表面形成高分子壳层。
为了增加微球的稳定性,可用交联剂交联高分子壳层等进行稳定化处理。
天然高分子磁性微球均采用这种方法制备。
该法简单易行,但制得的磁性微球粒径难于控制,形状不规则,在细胞分离等领域的应用受到限制。
安小宁等采用壳聚糖包埋磁粉,经戊二醛修饰、环氧氯丙烷交联制得高磁性壳聚糖微粒,并将其共价结合卵清粘蛋白得到磁性亲和吸附剂,应用于胰蛋白酶的亲和纯化[1]。
11212 单体聚合法单体聚合法是先将磁性粒子、单体、引发剂、稳定剂等的混合液通过均化器分散均匀,再在适当的条件下进行聚合以制备核-壳式磁性高分子微球的方法。
聚合方法主要有:悬浮聚合、分散聚合、乳液聚合(包括无皂乳液聚合,种子聚合)等。
因为很多有机单体疏水性很强,难以与磁核的亲水表面紧密结合,所以往往要对磁微球表面进行预处理,使其表面具有一定的疏水性,或者适当改变聚合体系的有机组成,以利于聚合的进行。
所制备的磁微球粒径分布范围宽,难以形成均匀包裹的高分子微球。
Noguchi等用乳液聚合法制备了磁性高分子微球,讨论了影响颗粒大小的因素及磁微球完全被包裹的条件[2]。
邱广明以聚乙二醇修饰的磁性氧化铁粒子作为聚合种子投入乙醇/水分散介质中,进行丙烯醛和苯乙烯的共聚,得到了微米级的磁性复合微球,并考察了磁性种子(Fe3O4-PEG)、丙烯醛、苯乙烯、引发剂和分散介质对共聚体系和复合微球形成的影响[3]。
11213 化学转化法化学转化法是指先合成均一的多孔有机聚合物微球,微球中含有-Cl、-CHO、-NO2、-OH等官能团,均匀地分布于微球的表面和孔洞中,然后将一定浓度的Fe2+和Fe3+渗透到微球的内部与上述基团作用而被固定,再升高p H值使Fe2+和Fe3+在孔中形成Fe3O4。
此法操作简便,所制备的磁性微球粒径和磁性都具有高度的均一性,但对聚合物微球的要求比较严格。
Manchium制备了多孔的聚苯乙烯微球,用上述方法处理后得到了粒径均匀、悬浮性好的磁微球[4]。
11214 生物合成法自然界中存在一些向磁微生物。
如小螺菌细胞中铁含量极高,为干燥菌体的318%,比一般的微生物铁含量高100倍。
它们都单畴晶体,有超常磁性。
向磁微生物在沿着地球磁力线移动时可以在体内合成生物膜包被的超微磁粒体,如将其由向磁微生物中分离,就可以大量地生产粒径均匀的天然磁微球。
细菌磁性粒子具有形状小、均匀、机体适应性好的特点。
如果药物释放装置采用向磁性细菌合成的磁性微粒,就可得到更好的治疗效果。
另外细菌内的磁性微粒为蛋白质和脂膜所包裹,利用这种膜可以使天然磁微球应用于人造磁微球难以达到的药物释放、分离、计量等目的。
目前向磁性细菌尚处于基础研究阶段,有待于进一步研究[5]。
此外,人们还将一些新的方法用于制备磁微球。
如S1Avivi用两种新型声化学方法合成了磁性蛋白微球,一种以水为溶剂,另一种以萘烷为溶剂,并对其性质进行了讨论[6]。
张津辉利用Co60γ射线辐射聚合制备了胺基、羟基、羧基、醛基四种类型的磁性微球,并在免疫分析中得到了初步应用[7]。
2 磁性高分子微球的应用磁性高分子微球因为具有磁性,在磁场作用下可定向运动到特定部位,或迅速从周围介质中分离出来。
这些性能使其具有极广阔的应用前景,因而在生化分离、靶向制剂、固定化酶、免疫分析、催化研究等方面都得到了广泛的应用。
211 细胞分离磁性高分子微球作为不溶性载体,可在其表面接上具有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物质,利用它们与特定细胞的特异性结合,在外加磁场的作用下将细胞分离、分类并对其种类、数量分布进行研究。
如把单克隆抗体与磁性微球结合可将磁微粒直接地连接到肿瘤细胞上,利用外加磁场就可将结合的肿瘤细胞与未结合的正常骨髓细胞分离开。
现在能结合抗体的磁性微球有铁蛋白、胶体钴及含磁多聚复合物。
铁蛋白和胶体钴分离所需磁场强度较强,含磁多聚复合物则可较易地从细胞液中分开。
英国、美国已将这一技术应用于临床。
比起常用的细胞分离方法来,磁性微球分离法简便、快速、高效,在这一领域显示出了引人注目的应用前景。
Kato等利用磁微球从人体外周血中分离出造血细胞CD34+[8]。
Lauva用固定有肝硫酯的磁性胶体粒子从血液中分离红细胞[9]。
212 靶向制剂磁性药物微球是磁性药物制剂的一种类型,是・24 ・化工新型材料第30卷靶向给药系统的新剂型。
在磁性纳米粒子表面涂覆高分子,再与蛋白质相结合。
以这种磁性纳米粒子作为药物的载体,然后静脉注射到动物体内,在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航,使其移向病变部位,就可达到定向治疗的目的。
动物临床实验证实,带有磁性的纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象。
Widder等人在1986年制成一种磁性白蛋白微球,使其在外磁场的引导下集中于治疗部位,缓慢释放药物。
实验研究表明,未加磁场控制时,肝脏代谢40%,脾脏代谢45%;施加磁场控制时,肝脏代谢仅5%,脾脏代谢10%。
这说明磁控制可减轻化疗药物对脏器的毒副作用[10]。
Anderson等联合应用免疫磁性微球和化学分离法从正常骨髓中清除CAMA -1乳腺癌细胞,结果表明免疫磁性分离后运用10μg/ml的4-HC清除残余的癌细胞可获得4～5个对数级的癌细胞清除率[11]。
Rusetski和Ruuge将右旋糖苷与磁性载体结合,制备了包有右旋糖苷的磁性高分子微球,并用其作为药物载体[12]。
213 固定化酶运用磁性高分子微球作为结合酶的载体,具有以下优点:①有利于固定化酶从反应体系中分离和回收,操作简便。
对于双酶反应体系,当一种酶的失活较快时,就可以用磁性材料来固载另一种酶,回收后反复使用,降低成本;②磁性载体固载酶放入磁场稳定的流动床反应器中,可以减少持续反应体系中的操作,适合于大规模连续化操作;③利用外部磁场可以控制磁性材料固定化酶的运动方式和方向,替代传统的机械搅拌方式,提高固定化酶的催化效率[13]。
Munko将cellulose-Fe3O4、polyacrylamide-Fe3O4、Nylon-Fe3O4等磁性微球用于凝乳化蛋白酶的固定,详细考查了不同壳层、不同磁核及粒径对酶活性及固定量的影响[14]。
Y oshimoto等在用过氧化氢还原三价铁离子合成Fe3O4磁流体时,以、ω-二羧甲基聚乙二醇作分散剂,然后用N-羟基琥珀酰亚胺法活化磁性微球,将微球和脂肪酶或L-天门冬酰胺酶的磷酸缓冲液混合后,室温下搅拌1h,得到的磁性固定化酶很容易从反应混合物中回收,并且没有酶的活性损失[15]。
214 催化剂分离将纳米级催化剂固载于磁性微球上,可以利用磁分离方便地解决纳米催化剂难以分离和回收的问题。
而且如果在反应器外加旋转磁场,可以使磁性催化剂在磁场的作用下进行旋转,一方面避免了具有高比表面能的纳米粒子间的聚集。
同时,每个具有磁性的催化剂颗粒在磁场的作用下可在反应体系中进行旋转,起到搅拌作用,这样可以增大反应中催化剂间的接触面积,提高催化效率。
Sinan等以戊二醛交联法将转化酵素固定于磁性聚乙烯醇微球上,用于蔗糖的水解[16]。
A1G1Anshits等用磁性微球和煤胞[cenosphere,空心煤粒(胞)]制备了一种新型玻璃态催化剂,用于甲烷的氧化[17]。
另外磁微球还可作为基质与氧化锆、镁铝水滑石等进行自组装,制备如磁性固体酸等固体催化剂[18]。
215 化工分离磁性离子交换树脂具有可以用于大面积动态交换与吸附的优点,因而大量用于化工分离过程。
磁性树脂具有许多一般的离子交换树脂所不具备的优点。
只要在流体出口处设置适当的磁场,树脂即可被收集,以便再生并循环使用,因此可以用来处理各种含有固态物质的液体,使矿场废水中微量贵金属的富集,生活和工业污水的无分离净化等应用得到实现。
