基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法.pdf

一种用于纳米材料技术领域的基于水溶性多糖的纳米粒子高效制备方法，将水溶性多糖溶解在酸性pH值的去离子水中，均匀搅拌并充氮脱氧，在多糖分子链充分溶解的前提下，加入可在多糖主链上引发产生自由基的引发剂，之后加入选用的聚电解质单体及交联剂，在单体接枝聚合过程中，聚阴离子接枝链与多糖主链之间的相互作用促使体系中形成纳米尺度的聚集体，而交联剂使所形成的纳米粒子的形态固定，在10－60摄氏度下使聚合反应充分进行，终止反应即得形态稳定的高浓度纳米粒子水溶液，水溶液固含量在0.1％－30％，所得纳米粒子粒径可控并具有pH响应性。本发明方法简便易行，完全在水溶液中完成，具有环保、高效、低成本的特点。

1、  一种基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征在于，将水溶性多糖溶解在酸性pH值的去离子水中，均匀搅拌并充氮脱氧，在多糖分子链充分溶解的前提下，加入引发剂，之后加入选用的聚电解质单体及交联剂，在单体接枝聚合过程中，聚阴离子接枝链与多糖主链之间的相互作用促使体系中形成纳米尺度的聚集体，而交联剂使所形成的纳米粒子的形态固定，在10-60摄氏度下使聚合反应充分进行，终止反应即得形态稳定的高浓度纳米粒子水溶液，水溶液的固含量在0.1％-30％。

2、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，所用聚电解质单体与交联剂同时加入，或者分批加入。

3、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，所用阴离子聚电解质单体具有的结构特征，其中R₁-R₄四个官能团中至少有一种具有阴离子电解质的特点，其余为不影响单体及相应聚合物水溶性的基团，是小分子基团，或者是大分子基团。

4、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，所用交联剂具有的结构特征，其中R_a-R_g是如氢原子、烷基、醚基、酰胺基的小分子基团，或者是聚合度≥2的大分子基团。

5、  根据权利要求1或者2或者3或者4所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，聚电解质单体与多糖上糖环单元的摩尔比为0.01-10，交联剂与聚电解质单体的摩尔比为0.01-3。

6、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，在制备过程中，或者加入pH调节剂作为助剂。

7、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，所用引发剂能在多糖主链上引发产生自由基，进而引发单体聚合。

8、  根据权利要求1所述的基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法，其特征是，通过透析、冷冻干燥或加入沉淀剂分离干燥的方法得到固体的纳米粒子粉末。

基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米粒子的制备方法，具体是一种基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法。用于纳米材料技术领域。
背景技术
纳米粒子是指粒径尺度在1-1000nm的微粒，由于其超微小尺寸，纳米粒子通常具有量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特点，在生物、医药、化工及特种材料等诸多高科技领域均有重要应用，因而发展高效制备高分子纳米粒子的新技术已成为关乎多个研究领域发展的热点问题。现有制备高分子纳米粒子的技术中，归纳起来有以下两类：一类是由单体出发，通过乳液聚合、分散聚合或者悬浮聚合的方法制备；另一类则是将天然的或合成的高分子通过水/油溶剂分散的方法自组装形成纳米粒子。其中前一类方法主要只能制备疏水性高分子纳米粒子，而且在制备过程中要使用大量的乳化剂，使所制备纳米粒子提纯困难，限制了其使用范围。第二类方法则可用来制备范围较广的高分子纳米粒子，但其实施的步骤要经过共聚物合成—纯化—纳米粒子制备一系列步骤，而且适用共聚物多为合成难度较大的嵌段共聚物，合成过程中涉及大量有机溶剂的使用，造成制备效率低、过程繁杂等问题，给纳米粒子的规模制备带来困难。如果能发展在水体系中高效、低毒地制备纳米粒子的新技术，无疑会大大促进高分子纳米粒子在多个领域、尤其是生物医药领域的实际应用。如今绿色环保、可持续发展已成为衡量一种新技术可行性的重要标准之一，石油资源的日趋匮乏也促使人们在新技术中引入如多糖、蛋白等天然高分子作为原料，这些天然高分子不仅来源广泛、价廉易得，还具有生物可降解的特点，可满足环保与资源可持续发展的要求。
经文献检索发现，中国专利名称：一种壳聚糖—丙烯酸复合物的纳米微球及其制法和用途，专利(申请)号：01113580.8，该专利利用壳聚糖与聚丙烯酸之间的静电相互作用形成纳米微球，但所形成的纳米微球稳定性差，易受pH或离子强度等外界环境影响而解体，必须在纳米粒子形成后再加入交联剂来稳定纳米粒子，而且该方法仅适用壳聚糖—聚丙烯酸体系，不具普适性，无法根据实际应用的需要来设计纳米粒子组成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于水溶性多糖的纳米粒子的高效制备方法。本发明着眼于高效、环保、低成本的目标，基于阴离子聚电解质与水溶性多糖在酸性pH水溶液中的特殊相互作用，使聚电解质单体聚合和纳米粒子的形成一步完成，所制备的纳米粒子还具有pH、离子强度响应等环境响应特点，预期将在生物医用载体、智能材料等领域具有良好的应用前景。
本发明是通过以下技术方案实现的，方法如下：将选用的水溶性多糖溶解在酸性pH值的去离子水中，均匀搅拌并充氮脱氧，在保证多糖分子链充分溶解的前提下，加入引发剂，之后加入选用的聚电解质单体及交联剂，在单体接枝聚合过程中，由于聚阴离子接枝链与多糖主链之间的相互作用促使体系中形成纳米尺度的聚集体，而交联剂的参与使所形成的纳米粒子的形态得以固定，在10-60摄氏度下使聚合反应充分进行，终止反应即得形态稳定的高浓度纳米粒子水溶液，水溶液的固含量根据需要在0.1％-30％间可调。
本发明适用于所有的水溶性多糖，如羟烷基淀粉、羧甲基淀粉、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、乙基羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、葡聚糖、羧甲基葡聚糖、壳聚糖等等，但不局限于以上所列几种。
在本发明所描述的纳米粒子制备方法中，聚电解质单体与交联剂可以同时加入，也可以分批加入。
本发明中，所用阴离子聚电解质单体具有的结构特征，其中R₁-R₄四个官能团中至少有一种具有阴离子电解质的特点，其余为不影响单体及相应聚合物水溶性的基团，可以是小分子基团，也可以是具有一定聚合度的大分子基团。
本发明中，所用交联剂具有的结构特征，其中R_a-R_g可以是烷基、醚基、酰胺基、羧基等基团，但不局限于以上所列几种，可以是小分子基团，也可以是具有一定聚合度的大分子基团。
本发明中，在纳米粒子制备过程中可根据需要加入pH调节剂等助剂。
本发明中，所选用引发剂应为可在多糖主链上引发产生自由基，进而可引发单体聚合的引发剂。
本发明所描述的纳米粒子制备方法中，交联剂可与单体同时加入，也可在聚合反应进行的过程中加入，根据所选用原料及引发体系的不同可作适当调整。
本发明中纳米粒子的粒径控制可通过多糖分子量及多糖、单体、交联剂各组分配比的调节来实现。
本发明中单体与多糖上糖环单元的摩尔比为0.01-10，交联剂与聚电解质单体的摩尔比为0.01-3，通过调节单体与交联剂的用量比可调节所制备纳米粒子的环境响应程度大小。当交联剂用量较多时所得纳米粒子的环境响应程度较小，反之环境响应程度较大。
将本发明所制备地高浓度纳米粒子水溶液通过透析、冷冻干燥或加入沉淀剂分离干燥的方法可得到固体的纳米粒子粉末，有利于储存、运输和销售。
聚合物纳米粒子在生物医药、特种材料、高效催化等诸多高科技领域具有极其重要的应用。如在生物医药领域用于各种药物或蛋白的负载与控释；在特种材料领域用作模板控制纳米材料的粒径及形态；在高效催化领域则可用于聚合物的控制合成、催化反应以及高性能催化体系的制备等。由于现有聚合物纳米粒子制备方法多有过程繁琐、效率低下等缺点，限制了聚合物纳米粒子的规模制备和实际应用。
本发明提供了一种由水溶性多糖和聚阴离子的单体出发，一步制备结构稳定的高浓度纳米粒子水溶液的方法，纳米粒子的结构及尺寸可通过调节反应物投料加以控制。将所得纳米粒子水溶液通过合适方法干燥可得纳米粒子的固体粉末以便于保存及销售。
本发明方法简便易行，适用范围广，具有效率高、成本低的特点，而且制备过程完全在水溶液中完成，不涉及任何毒害有机溶剂和表面活性剂的使用，具有环保、高效的特点，符合当今所倡导的“绿色化学”要求。所得纳米粒子为水溶性，在所有pH的水溶液中均可以稳定存在，可用于多种物质的负载，尤其适用于生物医药领域。本发明出自全新的设计思路，简便、高效、易于规模化生产，具有不可估量的应用前景。
附图说明
图1是实施例3所制备纳米粒子的粒径分布图。
图2是实施例5所制备纳米粒子的粒径分布图。
具体实施方式
实施例1：
将110毫克分子量为90000的羟乙基纤维素溶于150毫升水中搅拌过夜以使其充分溶解，充氮30分钟脱氧后，在氮气保护和均匀搅拌条件下，加入0.3克硝酸铈铵的稀硝酸溶液，使反应液中HNO₃浓度最终为0.001mol/l。约3分钟后，加入49毫克甲基丙烯酸单体和1毫克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，10℃下反应4小时，反应结束后用截留分子量为15000的透析袋于大量去离子水中透析48小时，以确保除去反应体系中未反应的单体及无机盐等杂质，即得到基于羟乙基纤维素的稳定纳米粒子水溶液，将该水溶液低温冷冻干燥可除去水而得到纳米粒子固体粉末。该粉末可反复溶于水得到稳定的纳米粒子水溶液。
上述体系中纳米粒子含量为160毫克，透射电镜观察粒子为较为规则的球形结构，动态激光光散射表征其平均粒径约123nm，粒径分布指数PDI＝0.18，其水溶液可长时间稳定保存。
实施例2：
将44.5克分子量为80000的羟丙基纤维素溶于150毫升水中搅拌过夜以使其充分溶解，充氮30分钟脱氧后，在氮气保护和均匀搅拌条件下，加入0.1克高锰酸钾的稀硝酸溶液，使反应液中HNO₃浓度最终为0.002mol/l。约5分钟后，加入0.1克甲基丙烯酸单体和0.6克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，60℃下反应4小时，反应结束后用截留分子量为15000的透析袋于大量去离子水中透析48小时，以确保除去反应体系中未反应的单体及无机盐等杂质，即得到基于羟丙基纤维素的稳定纳米粒子水溶液，将该水溶液低温冷冻干燥可除去水而得到纳米粒子固体粉末。该粉末可反复溶于水得到稳定的纳米粒子水溶液。
上述体系中纳米粒子含量为45.2克，透射电镜观察粒子为较为规则的球形结构，动态激光光散射表征其平均粒径约445nm，粒径分布指数PDI＝0.35，其水溶液可长时间稳定保存。
实施例3：
将5克分子量为20000的葡聚糖溶于100毫升水中搅拌过夜以使其充分溶解，充氮30分钟脱氧后，在氮气保护和均匀搅拌条件下，加入0.5克硝酸铈铵的稀硝酸溶液，使反应液中HNO₃浓度最终为0.001mol/l。约5分钟后，加入0.6克丙烯酸单体和0.12克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，40℃下反应4小时，反应结束后用截留分子量为15000的透析袋于大量去离子水中透析48小时，以确保除去反应体系中未反应的单体及无机盐等杂质，即得到基于葡聚糖的稳定纳米粒子水溶液，将该水溶液低温冷冻干燥可除去水而得到纳米粒子固体粉末。该粉末可反复溶于水得到稳定的纳米粒子水溶液。
上述体系中纳米粒子含量为5.7克，透射电镜观察粒子为较为规则的球形结构，动态激光光散射表征其平均粒径约65nm，粒径分布指数PDI＝0.27，其水溶液可长时间稳定保存。
实施例4：
将2克分子量为80000的羟丙基纤维素溶于150毫升水中搅拌过夜以使其充分溶解，充氮30分钟脱氧后，在氮气保护和均匀搅拌条件下，加入0.1克高锰酸钾的稀硝酸溶液，使反应液中HNO₃浓度最终为0.002mol/l。约5分钟后，加入6.6克甲基丙烯酸单体和0.4克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，30℃下反应4小时，反应结束后用截留分子量为15000的透析袋于大量去离子水中透析48小时，以确保除去反应体系中未反应的单体及无机盐等杂质，即得到基于羟丙基纤维素的稳定纳米粒子水溶液，将该水溶液低温冷冻干燥可除去水而得到纳米粒子固体粉末。该粉末可反复溶于水得到稳定的纳米粒子水溶液。
上述体系中纳米粒子含量为9克，透射电镜观察粒子为较为规则的球形结构，动态激光光散射表征其平均粒径约523nm，粒径分布指数PDI＝0.36，其水溶液可长时间稳定保存。
实施例5：
将5克分子量为20000的葡聚糖溶于100毫升水中搅拌过夜以使其充分溶解，充氮30分钟脱氧后，在氮气保护和均匀搅拌条件下，加入1.5克硝酸铈铵的稀硝酸溶液，使反应液中HNO₃浓度最终为0.001mol/l。约5分钟后，加入2克丙烯酸单体和0.3克N，N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂，40℃下反应4小时，反应结束后用截留分子量为15000的透析袋于大量去离子水中透析48小时，以确保除去反应体系中未反应的单体及无机盐等杂质，即得到基于葡聚糖的稳定纳米粒子水溶液，将该水溶液低温冷冻干燥可除去水而得到纳米粒子固体粉末。该粉末可反复溶于水得到稳定的纳米粒子水溶液。
上述体系中纳米粒子含量为7.3克，透射电镜观察粒子为较为规则的球形结构，动态激光光散射表征其平均粒径约400nm，粒径分布指数PDI＝0.23，其水溶液可长时间稳定保存。