N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法
2023-06-29 19:09:56 1
專利名稱：N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法
技術領域：
本發明涉及N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法，屬聚合物合成技術領域。
背景技術：
在合成材料表麗，無法控制的、非特異性吸附的蛋白質會引起一系列意外事件的發生，包括凝固、補體激活、血小板粘附和激活、免疫反應和生物不相容性。最近的理論和實驗的發展表明，用表面引發 接枝功能性單體合成的高密度高親水聚合物刷，由於大分子的熵的排斥作用，可以有效抵抗非特異性蛋白吸附，蛋白質吸附量不足5ng/cm2，僅是聚苯乙烯、玻璃等傳統材料蛋白質吸附量的三百分之一。各種親水性材料，如聚乙二醇和寡聚乙二醇(OEG)，葡聚糖、甘露醇和甘油的枝狀物以及兩性離子材料，如 poly (sulfobetaine methacrylate) > poly (carboxybetaine methacrylate)和poly(2-methacryloyloxyethyl phosphoryl choline)都證明可以降低非特異性蛋白吸附、細胞/細菌粘附和生物膜的形成。原子轉移自由基聚合(ATRP)是實現活性自由基聚合，獲得可控聚合物的有效方法。採用表面引發原子轉移自由基聚合(SI-ATRP),可通過表面引發聚合(graft from)的方式在材料表面合成高密度、聚合物分子量大小可控、分子量分布窄，聚合工藝簡單的聚合物刷，並可通過功能性單體或功能性引發劑實現ATRP的功能性聚合。雖然含有乙二醇單體的聚合物刷具有很高的親水性、良好的生物相容性、較低的毒性和無免疫性等優點，並且使用這類聚合物刷對醫學高分子材料的表面進行修飾已成為目前極為普遍的研究方法，但是在阻止長期的生物薄膜的形成方面受到一定的限制。據文獻報導，在活的有機體中，該類聚合物刷能夠在酶的作用下發生氧化，從而失去良好的抗蛋白質吸附作用。聚N-乙烯吡咯烷酮(PVP)，由於其良好的水溶性、生物相容性、化學穩定性、生物惰性和很好的抗蛋白質吸附，而引起了相當廣泛的關注。但是，PVP聚合物刷不含有特殊的功能基團，不能夠和含有特殊基團的物質進行進一步反應，也就不具有功能化作用，限制了這種聚合物刷的應用。據文獻報導(A.Halperin, G. Fragneto, A. Schollier, M. Sferrazza, Langmuir2007，23，10603-10617 ； J. Satulovsky, M. A. Carignano, I.Szleifer, Pro.Nat. Acad.Sci. 2000，97，9037-9041 ；W. Feng, S. Zhu, K. Ishihara, J. L Brash, Biointerphases 2006，1，50)，使用ATRP合成的具有三維結構的丙烯酸聚合物刷具有很強的結合蛋白質分子的能力。把蛋白質共價鍵的固載到聚內烯酸聚合物刷的表面上需要通過I-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳化二亞胺(EDC)和N-羥基琥珀醯亞胺(NHS)進行活化，再進一步與蛋白質上的氨基發生反應。但是製備丙烯酸聚合物刷的步驟比較多，而且該聚合物刷修飾的表面的水接觸角不是太小，親水性不好，抗蛋白質吸附性能不強。因此，這種聚合物刷的使用也受到了一定的限制。
N-羥甲基內烯醯胺分子中含有極性較大的醯胺基和羥基，氧原子和氮原子是典型的配位原子，能夠和某些物質發生反應生成絡合物，與極性分子有較強的親和力，具有良好的生理相容性，而且不參與人體的新陳代謝，對皮膚、黏膜和眼等部位及器官不造成任何明顯的刺激。因此，研究更安全、環保、生物相容性好的N-羥甲基丙烯醯胺高親水性聚合物刷的製備方法具有十分的重要意義。
發明內容
本發明的目的在於針對上述現有技術的不足，提供一種N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法，通過表面引發原子轉移自由基聚合，在室溫、純水、對生物分子安 全等環境友好的條件下，在固體支撐物表面上合成具有良好抗蛋白吸附能力的、易於生物分子檢測探針修飾的N-羥甲基丙烯醯胺親水聚合物刷，以滿足生物醫學檢測傳感器(晶片)製備的需求。為實現這一目的，本發明使用原子轉移自由基聚合的方法將N-羥甲基丙烯醯胺單體聚合到單品矽、玻璃、石英基片的表面，研究N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷修飾的表面在抗蛋白質吸附和螢光信號放大方面的應用。本發明的製備過程如下I)基片的表面處理將基片放在濃硫酸與雙氧水體積比為7 3的混合溶液中，90°C下處理90分鐘後，分別置於丙酮、去離子水中超聲10分鐘，再用去離子水衝洗，最後用氮氣將基片表面吹乾，得到羥基化的基片；2)氨基矽烷偶聯劑的組裝將新製備的表面羥基化的基片置於含I-IOmmol氨基矽烷偶聯劑的甲苯溶液中，加熱至80°C下反應24小時後，取出基片，依次用甲苯、甲醇、水、丙酮衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得氨基矽烷偶聯劑修飾的基片。3)引發劑的修飾將表面氨基化的基片置於含有I-IOmmol引發劑的三乙胺和二氯甲烷混合溶液中，三乙胺和二氯甲烷的體積比為I : 15，在室溫條件下反應12-24小時。將基片依次用二氯甲烷、水、甲醇、二氯甲烷衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到引發劑修飾的基片。4)N-羥甲基內烯醯胺聚合物刷修飾的基片的製備在含有0.5-5mol [1N-羥甲基內烯醯胺單體的水溶液中，加入l_20mol %的催化劑，催化劑的組成為滷化亞銅/氨基矽烷配體，其摩爾比為I : 2-5，混合均勻後，抽真空、充氮氣三次，在氮氣保護下磁力攪拌半小時，之後在氮氣氛圍下，將表面用引發劑修飾的基片浸入該反應液中，抽真空，充氮氣至少三次，在氮氣保護下室溫反應1-24小時。取出基片，用甲醇、水、甲醇、丙酮衝洗三次，用氮氣吹乾，得到N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷修飾的基片，所獲得的聚合物的聚合度n =10-100。5)聚合物末端的活性滷素原子的功能化修飾把N-羥甲基丙烯醯胺單體聚合物刷修飾的基片浸入到含有I-IOmmol L—1端基功能化試劑的二氯甲烷溶液中，室溫下反應12-16小時，反應結束後取出基片，用二氯甲烷、丙酮、水、丙酮衝洗若干次，最後用氮氣吹乾，密封保存。上述製備方法，步驟I中所述的基片是矽、玻璃和石英基片，也可為以矽或二氧化矽(SiO2)為表層材料的納米材料、磁性納米材料、介(微)孔材料等。上述製備方法，步驟2中所述氨基矽烷偶聯劑是3-氨基丙基三甲氧基矽烷、3-氨
基丙基二乙氧基娃燒。上述製備方法，步驟3中所述引發劑是a-滷代醯滷包括a-氯代丙醯氯、a-氯代丁醯氯、a -氯代異丁醯氯、a -溴代丙醯溴、a _溴代丁醯溴、a _溴代異丁醯溴。上述製備方法，步驟4中所述的滷化亞銅是氯化亞銅、溴化亞銅。上述製備方法，步驟4中所述的氨基矽烷配體是3-氨基丙基三甲氧基矽烷、3-氨基丙基三乙氧基矽烷，取代有毒的2，2』聯吡啶(2，2 』 -bipyridyl)。上述製備方法，步驟5中所述的端基功能化試劑是I-萘乙醯氯、I-芘丁醯氯、I-萘乙醯肼。本發明製備新型N-羥甲基丙烯醯胺高親水性聚合物刷的方法，可在全水相、室溫下操作，工藝簡單，無毒環保，所得聚合物刷端基可進行功能化修飾，聚合物含有大量的端羥基，水溶性好，抗蛋白吸附能力強，適宜用於生物、醫學、藥物、食品安全檢測試劑，生物醫藥載體，異相催化劑的載體，吸水材料等，具有廣泛的應用前景。
圖I為本發明實施例中不同步驟矽基片的水接觸角變化圖。圖中Si-OH表示羥基化的矽基片；Si-APTES表示矽烷修飾的矽基片；Si-initiator表示引發劑修飾的矽基片；Si-PHAM表示N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的矽基片。圖2為本發明實施例中不同步驟的基片的蛋白質吸附的原子力顯微鏡圖。(a)是普通矽片吸附人血清白蛋白之後的原子力顯微鏡圖，(b)是N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷吸附人血清白蛋白之後的原子力顯微鏡圖，(C)是普通矽片吸附人纖維蛋白原之後的原子力顯微鏡圖，(d)是N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷吸附人纖維蛋白原之後的原子力顯微鏡圖。
具體實施例方式以下實施例是對本發明的進一步說明，而不是限制本發明的範圍。實施例II)基片的表面處理將矽基片放在濃硫酸與雙氧水體積比為7 3的混合溶液中，90°C左右處理90分鐘後，分別置於丙酮、水中超聲10分鐘，用去離子水衝洗，最後用氮氣將基片表面吹乾，得到羥基化的矽基片Si-OH。2)氣基娃燒偶聯劑的組裝將新製備的表面輕基化的基片置於30ml含有2. Immo13-氨基丙基三乙氧基矽烷的甲苯溶液中，加熱至80°C，反應24小時後，取出基片，將基片依次用甲苯、甲醇、水、丙酮衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到矽烷修飾的矽基片 Si-APTES。3)引發劑的修飾將表面氨基化的基片置於含有3. 3mmol2-溴異丁醯溴的三乙胺和二氯甲烷混合溶液中，三乙胺和二氯甲烷的體積比為I : 15，在室溫條件下反應12小時。將基片依次用二氯甲烷、水、甲醇、二氯甲烷衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到引發劑修飾的娃基片Si-initiator。4) N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的基片的製備取0. 5mmol氯化亞銅，lmmol3-氨基丙基三甲氧基娃燒，IOmmol N-輕甲基丙烯醯胺,加入到25ml的圓底燒瓶中，再加入15ml去離子水，混合均勻，抽真空，充氮氣三次在氮氣保護下磁力攪拌半小時，之後在氮氣氛圍下加入引發劑修飾的基片，抽真空，充氮氣至少三次，在氮氣保護下室溫反應4. 5小時。取出基片，用甲醇、水、甲醇、丙酮衝洗三次，用氮氣吹乾，得到N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的矽基片Si-PHAM。5)聚合物末端的活性滷素原子的功能化修飾把N-羥甲基丙烯醯胺單體聚合物刷修飾的基片浸入到含有IOmmol Li-芘丁醯氯的二氯甲烷溶液中，室溫下反應15小時，反應結束後取出基片，用二氯甲烷、丙酮、水、丙酮衝洗若干次，最後用氮氣吹乾，得到聚合物末端的活性滷素原子功能化修飾後的矽基片。實施例2I)基片的表面處理將矽基片放在濃硫酸與雙氧水體積比為7 3的混合溶液中，90°C左右處理90分鐘後，分別置於丙酮、水中超聲10分鐘，用去離子水衝洗，最後用氮·氣將基片表面吹乾，得到羥基化的矽基片Si-OH。2)氣基娃燒偶聯劑的組裝將新製備的表面輕基化的基片置於30ml含有2. lmmol3-氨基丙基三乙氧基矽烷的甲苯(處理過)溶液中，加熱至80°C，反應24小時後，取出基片，將基片依次用甲苯、甲醇、水、丙酮衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到矽烷修飾的矽基片Si-APTES。3)引發劑的修飾將表面氨基化的基片置於含有3. 3mmol2-溴異丁醯溴的三乙胺和二氯甲烷混合溶液中，三乙胺和二氯甲烷的體積比為I : 15，在室溫條件下反應12小時。將基片依次用二氯甲烷、水、甲醇、二氯甲烷衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到引發劑修飾的娃基片Si-initiator。4) N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的基片的製備取0. 5mmol氯化亞銅，Immo13 氨基丙基三甲氧基娃燒,25mmoI N-輕甲基丙烯醯胺,加入到25ml的圓底燒瓶中，再加入15ml去離子水，混合均勻，抽真空，充氮氣三次在氮氣保護下磁力攪拌半個小時，之後在氮氣氛圍下加入引發劑修飾的基片，抽真空，充氮氣至少三次，在氮氣保護下室溫反應4. 5小時。取出基片，用甲醇、水、甲醇、丙酮衝洗三次，用氮氣吹乾，得到N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的矽基片Si-PHAM。5)聚合物末端的活性滷素原子的功能化修飾把N-羥甲基丙烯醯胺單體聚合物刷修飾的基片浸入到含有IOmmol L-1I-萘乙醯肼的二氯甲烷溶液中，室溫下反應15小時，反應結束後取出基片，用二氯甲烷、丙酮、水、丙酮衝洗若干次，最後用氮氣吹乾，得到聚合物末端的活性滷素原子功能化修飾後的矽基片。實施例3I)基片的表面處理將矽基片放在濃硫酸與雙氧水體積比為7 3的混合溶液中，90°C左右處理90分鐘後，分別置於丙酮、水中超聲10分鐘，用去離子水衝洗，最後用氮氣將基片表面吹乾，得到羥基化的矽基片Si-OH。2)氣基娃燒偶聯劑的組裝將新製備的表面輕基化的基片置於30ml含有2. lmmol3-氨基丙基三乙氧基矽烷的甲苯(處理過)溶液中，加熱至80°C，反應24小時後，取出基片，將基片依次用甲苯、甲醇、水、丙酮衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到矽烷修飾的矽基片Si-APTES。
3)引發劑的修飾將表面氨基化的基片置於含有3. 3mmol2-溴異丁醯溴的三乙胺和二氯甲烷混合溶液中，三乙胺和二氯甲烷的體積比為I : 15，在室溫條件下反應12小時。將基片依次用二氯甲烷、水、甲醇、二氯甲烷衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到引發劑修飾的娃基片Si-initiator。
4) N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的基片的製備取0. 5mmol氯化亞銅，lmmol3-氨基丙基三甲氧基矽烷，40mmol N-羥甲基丙烯醯胺，加入到25ml的圓底燒瓶中，再加入15ml去離子水，混合均勻，抽真空，充氮氣三次在氮氣保護下磁力攪拌半個小時，之後在氮氣氛圍下加入引發劑修飾的基片，抽真空，充氮氣至少三次，在氮氣保護下室溫反應4. 5小時。取出基片，用甲醇、水、甲醇、丙酮衝洗三次，用氮氣吹乾，得到N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷修飾的矽基片Si-PHAM。5)聚合物末端的活性滷素原子的功能化修飾把N-羥甲基丙烯醯胺單體聚合物刷修飾的基片浸入到含有IOmmol L-1I-萘乙醯氯的二氯甲烷溶液中，室溫下反應15小時，反應結束後取出基片，用二氯甲烷、丙酮、水、丙酮衝洗若干次，最後用氮氣吹乾，得到聚合物末端的活性滷素原子功能化修飾後的矽基片。
權利要求
1.N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法，其特徵在於製備方法如下 1)將基片放在濃硫酸與雙氧水體積比為7 3的混合溶液中，90°C下處理90分鐘後，分別置於丙酮、去離子水中超聲10分鐘，再用去離子水衝洗，最後用氮氣將基片表面吹乾，得到羥基化的基片； 2)將新製備的表面羥基化的基片置於含有I-IOmmol氨基矽烷偶聯劑的甲苯溶液中，加熱至80°C反應24小時後，取出基片，依次用甲苯、甲醇、去離子水、丙酮衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得氨基矽烷偶聯劑修飾的基片； 3)將表面氨基化的基片置於含有I-IOmmol引發劑的三乙胺和二氯甲烷混合溶液中，三乙胺和二氯甲烷的體積比為I : 15，在室溫條件下反應12-24小時。將基片依次用二氯甲烷、去離子水、甲醇、二氯甲烷衝洗三次後，用氮氣將基片表面吹乾，得到引發劑修飾的基片; 4)在含有0.5-5molL-1N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合單體的水溶液中，加入l-20mol%的催化劑，催化劑的組成為滷化亞銅/氨基矽烷配體，其摩爾比為I : 2-5，混合均勻後，抽真空、充氮氣三次，在氮氣保護下磁力攪拌半小時，之後在氮氣氛圍下，將表面用引發劑修飾的基片浸入該反應液中，抽真空、充氮氣至少三次，在氮氣保護下室溫反應1-24小時，取出基片，用甲醇、去離子水、甲醇、丙酮衝洗三次，用氮氣吹乾，得到N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷修飾的基片； 5)把N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷修飾的基片浸入到含有l-lOmmolL—1端基功能化試齊IJ的二氯甲烷溶液中，室溫下反應12-16小時，反應結束後取出基片，用二氯甲烷、丙酮、去離子水、丙酮衝洗三次，最後用氮氣吹乾，密封保存。
2.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於所述的N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物的聚合度n = 10-100。
3.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於所述的N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的聚合是在全水溶液中進行的。
4.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於所述的表面引發原子轉移自由基聚合終止反應後聚合物末端的活性滷素原子，用親核性功能試劑取代。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於所述親核性功能試劑是螢光標記試劑I-萘乙醯氯、I-芘丁醯氯、I-萘乙醯肼。
6.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於用氨基矽烷為配體，與滷化亞銅配位作為聚合反應的催化劑，取代有毒的2,2，聯吡啶(2，2丨-bipyridyl)。
7.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於氨基矽烷配體是3-氨基丙基三甲氧基娃燒、3-氣基丙基二乙氧基娃燒。
全文摘要
本發明涉及N-羥甲基丙烯醯胺親水性聚合物刷的製備方法，屬聚合物合成技術領域。該方法可在全水相、室溫、對生物分子安全等環境友好的條件下，在固體支撐物表面上合成具有端基易於功能化修飾、高親水性、高抗蛋白吸附能力和良好的生物相容性、易於生物分子檢測探針修飾的多羥基聚合物刷。其製備過程包括基片的表面處理、氨基矽烷偶聯劑的組裝、引發劑的修飾、N-羥甲基丙烯醯胺聚合物刷修飾的基片的製備、聚合物術端的活性滷素原子的功能化修飾。本發明不但解決了引發劑滷化物有毒的問題，同時增加了功能基團或功能化反應位點；用無毒的氨基矽烷為配體，與滷化亞銅配位作為該反應的催化劑，以解決催化劑配體成本高有毒的問題。
文檔編號C08F220/58GK102952244SQ20121031540
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者李鐵生, 許文儉, 張娜, 蔡麗麗, 趙娜, 付志華, 吳養潔, 崔學晨 申請人:鄭州大學