CN102964767A - 一种荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料及制备方法。以Suzuki反应制备具有荧光性质的共轭聚合物，并将其制备成为一种α-溴大分子引发剂，以此引发丙烯酸叔丁酯的原子转移自由基聚合，获得分子量分布较窄的分子刷型荧光共轭聚合物，将此分子刷型聚合物水解后得到富含羧基的分子刷型水溶性共轭聚合物；以乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1,2-十六二醇、油酸、油胺等原料在二苄醚中，通过高温溶剂法制备粒径均一的磁纳米粒子；以含羧基的分子刷型水溶性荧光共轭聚合物为配体在四氢呋喃中置换氧化铁磁纳米粒子表面的油酸，然后将富余的羧基盐化，得到具有荧光及磁性的可水溶的分子刷型共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料。

Description

一种荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料及制备方法

技术领域

本发明属于生物功能化材料技术领域，具体涉及一类具有荧光性质及磁性的分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料的制备方法。

技术背景

磁性纳米粒子由于其具有良好生物相容性、低毒性和超顺磁性等优点，被广泛用于核磁共振成像造影剂、药物运输、磁热疗等生物领域。本发明提出通过配体置换将分子刷型水溶性共轭聚合物引入到磁纳米粒子表面，得到了分子刷型水溶性共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料。磁纳米表面，分子刷型水溶性共轭聚合物的引入，不仅改善了磁纳米的水溶性和生物相容性，同时也实现了磁性与荧光的结合，从而拓宽了磁纳米在生物领域的应用。分子刷型水溶性共轭聚合物/磁纳米复合材料表面富余的羧基，可进一步引入生物特异性基团。

发明内容

技术问题：本发明涉及一类具有荧光性质及磁性的分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料的制备方法。

技术方案：本发明的具有荧光及磁性多功能的分子刷型水溶性共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料，具有良好的生物相容性，并可以同时实现荧光成像及磁共振成像，可广泛应用于药物靶向释放、磁热疗、生物荧光检测等领域。

本发明的荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料为具有荧光及磁性多功能的分子刷型水溶性共轭聚合物与磁纳米粒子的复合材料，其结构是：中心核为磁纳米粒子，配体为荧光性质的分子刷型水溶性共轭聚合物。

磁纳米粒子为Fe、Co或Mn金属的氧化物，粒径在1-100nm之间，并且具有单分散性。

所述共轭聚合物是一类富含羧基的聚芴苯类荧光分子刷，其具体结构如下：

主链共轭聚合物的聚合度x为6-30；

分子刷侧链聚丙烯酸的聚合度n为10-200；

分子刷型聚合物通过-COO^-基与磁纳米粒子表面相联接。

本发明的荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料的制备方法包括以下步骤，

1）磁纳米粒子的合成

以二苄醚为溶剂，以乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺为原料，采用高温溶剂热法制备单分散的磁纳米粒子：

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺加入二苄醚中，氮气保护中磁力均匀搅拌，将混合溶液加热到150-220℃持续1-3小时，然后把温度升到280-320℃再加热0.5-1小时，冷却至室温，加入少量乙醇，有黑色沉淀生成；采用离心-溶解-离心的方法制备纯度比较高的产物，磁纳米粒子产物经过减压干燥后，保存在0-4℃的冰箱中备用；

2）富含羧基的分子刷型水溶性共轭聚合物的合成

氮气气氛下，1,4-对苯二硼酸酯,2,7-二溴-9,9-二（3-羟基丙基）芴，Pd(PPh₃)₄加入甲苯溶液中，注入溶有K₂CO₃的水溶液；此溶液在85-95℃条件下充分搅拌三天，然后加入苯硼酸反应7-9小时，最后加入溴苯，反应12-24小时后，停止反应；除去甲苯后，将剩余物溶解在四氢呋喃中，经三氧化二铝中性柱除去残余的催化剂后，溶液浓缩，在甲醇溶液中沉降24次，得具有荧光性质的荧光共轭聚合物；

氮气气氛下，将共轭聚合物溶解在干燥的四氢呋喃中，聚合物完全溶解后，注入三乙胺，冰浴下，加入2-溴异丁酰溴，然后升至室温，继续搅拌24-36小时；反应完毕后，过滤掉三乙胺的盐酸盐沉淀，浓缩滤液，在甲醇中沉降2-3次后得到淡黄色粉末状固体,真空干燥，得到具有荧光性质的共轭聚合物大分子引发剂；

在Schelek管中，加入共轭聚合物大分子引发剂、溴化亚铜；抽真空，通氮气，重复2-4次；加入苯甲醚溶解聚合物大分子引发剂，然后加入：N，N，N′，N，′N″-五甲基二亚乙基三胺（PMDETA），搅拌并加热至90-110℃，然后向反应体系中注入丙烯酸叔丁酯，反应12-24小时后，停止反应；向溶液中加入二氯甲烷，将溶液通过中性氧化铝层析柱除去铜盐，用旋转蒸发仪浓缩溶液至粘稠，并在正己烷中沉降，重复该操作2-4次；在30-50℃真空干燥箱中干燥，得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸叔丁酯的分子刷型共轭聚合物；

氮气气氛中，将分子刷型共轭聚合物溶解在四氢呋喃中，室温下，加入三氟乙酸，反应持续12-24小时后，蒸出溶剂，得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸的分子刷水溶性共轭聚合物；

3）分子刷型水溶性荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料的制备

将油酸包裹的磁纳米粒子及分子刷型水溶性共轭聚合物溶于四氢呋喃中，35-55℃下搅拌24-36小时，然后离心得到黑褐色沉淀，将沉淀物分散于水溶液中，缓慢加入Na₂CO₃水溶液，搅拌2-4小时，将混合液放入透析袋进行透析48-72小时后，冷冻干燥，得到分子刷型水溶性荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料。

有益效果：分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料表现出好的水溶性、生物相容性和良好的荧光性能以及磁性能，在生物中具有良好的应用。

附图说明

图1为Fe₃O₄PFB-g-PAA的FTIR，

图2为聚合物/磁纳米粒子的透射电子显微镜图，

图3为聚合物/磁纳米粒子的动态粒径散射图，

图4为聚合物/磁纳米粒子在水中的紫外可见吸收(UV)光谱，

图5为聚合物/磁纳米粒子在水中的光致发光(PL)光谱，

图6为聚合物/磁纳米粒子超导量子干涉图（SQUID），

图7为本发明复合材料的结构示意图，

为磁纳米粒子中心核；

为具有荧光性质的分子刷型水溶性共轭聚合物。

具体实施方式

所述磁纳米粒子为Fe₃O₄纳米粒子，粒径在4-10nm之间，并且具有单分散性。

所述荧光共轭聚合物是一类富含羧基的聚芴苯类荧光分子刷，其具体结构如下：

主链共轭聚合物的聚合度x为6-30；

分子刷侧链聚丙烯酸的聚合度n为10-200；

分子刷型共轭聚合物通过-COO-基与磁纳米粒子表面相联接。

所述分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料是通过富含羧基的分子刷型水溶性共轭聚合物置换Fe₃O₄纳米粒子表面的油酸而得到。

本发明的上述复合材料的合成方法如下：

（一）磁纳米粒子的合成

以二苄醚为溶剂，以乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺为原料，采用高温溶剂法制备单分散的磁纳米粒子：

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺加入二苄醚中，氮气保护中磁力搅拌均匀，将混合溶液加热到150-220℃持续1-3小时，然后把温度升到280-320℃再加热0.5-1小时，冷却至室温，加入少量乙醇，有黑色沉淀生成。采用离心-溶解-离心的方法制备纯度比较高的产物，磁纳米粒子产物经过减压干燥后，保存在0-4℃的冰箱中备用；

（二）富含羧基的分子刷型水溶性共轭聚合物的合成

氮气气氛下，1,4-对苯二硼酸酯,2,7-二溴-9,9-二（3-羟基丙基）芴，Pd(PPh₃)₄加入甲苯溶液中，注入溶有K₂CO₃的水溶液。此溶液在85-95℃条件下充分搅拌三天，然后加入苯硼酸反应7-9小时，最后加入溴苯，反应12-24小时后，停止反应。除去甲苯后，将剩余物溶解在四氢呋喃中，经三氧化二铝中性柱除去残余的催化剂后，溶液浓缩，在甲醇溶液中沉降2-4次，得具有荧光性质的荧光共轭聚合物。

氮气气氛下，将共轭聚合物溶解在干燥的四氢呋喃中，聚合物完全溶解后，注入三乙胺，冰浴下，加入2-溴异丁酰溴，然后升至室温，继续搅拌24-36小时。反应完毕后，过滤掉三乙胺的盐酸盐沉淀。浓缩滤液，在甲醇中沉降三次后得到淡黄色粉末状固体,真空干燥。得到具有荧光性质的共轭聚合物大分子引发剂。

在Schelek管中，加入共轭聚合物大分子引发剂、溴化亚铜。抽真空，通氮气，重复2-4次。加入苯甲醚溶解聚合物大分子引发剂，然后加入:N,N,N',N,′N″-五甲基二亚乙基三胺（PMDETA），搅拌并加热至90-110℃，然后向反应体系中注入丙烯酸叔丁酯，反应12-24小时后，停止反应。向溶液中加入二氯甲烷，将溶液通过中性氧化铝层析柱除去铜盐。用旋转蒸发仪浓缩溶液至粘稠，并在正己烷中沉降。重复该操作三次。在30-50℃真空干燥箱中干燥，得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸叔丁酯的聚合物分子刷。

氮气气氛中，将共轭聚合物分子刷溶解在四氢呋喃中。室温下，加入三氟乙酸。反应持续12-24小时后，蒸出溶剂。得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸的分子刷水溶性共轭聚合物。

（三）分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料的制备

将油酸包裹的磁纳米粒子及分子刷水溶性共轭聚合物溶于四氢呋喃中，35-55℃下搅拌24-36小时，然后离心得到黑褐色沉淀。将沉淀物分散于水溶液中，缓慢加入Na₂CO₃水溶液，搅拌2-3小时，将混合液放入透析袋进行透析48-72小时后，冷冻干燥。得到分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料。

为了更好地理解本发明，下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1、分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料的制备

（一）Fe₃O₄磁纳米粒子的合成

将1，2-十六二醇(6.461g，25mmol)，油酸(4.761mL，15mmol)，油胺(4.012g，4.935mL，15mmol)，乙酰丙酮铁(III)(1.766g，5mmol)和二苄醚(50mL)依次加入到250mL的三口烧瓶中，室温下氮气保护中强烈搅拌0.5小时。把温度升到200℃加热2小时，然后温度继续升到300℃再加热1小时。移走加热套后让混合溶液自然冷却到室温，将乙醇(100mL)加入到混合物中，瞬间产生了黑色沉淀，通过离心-溶解-离心的方法得到纯度比较高的黑色粉末，即油酸包裹的磁纳米粒子（Fe₃O₄OA），减压干燥后将其保存在冰箱（0-4℃）中。

（二）含羧基分子刷型水溶性共轭聚合物的合成

氮气气氛下，1,4-对苯二硼酸酯（0.16g，0.5mmol）,2,7-二溴-9,9-二（3-羟基丙基）芴（0.22g,0.5mmol），1mol%Pd(PPh₃)₄加入12mL的甲苯溶液中，注入溶有0.4g K₂CO₃的2mL水溶液。此溶液在85℃条件下充分搅拌三天。5%mol的苯硼酸加入该溶液中。8小时后，5%mol溴苯加入该反应液中。16小时后，停止反应。除去甲苯后，将剩余物溶解在四氢呋喃中，经三氧化二铝中性柱除去残余的催化剂后，溶液浓缩，在甲醇溶液中沉降三次，最终得0.20g产物（PFB）。产率：59.7%。

氮气气氛下，0.1g PFB溶解在5mL干燥的四氢呋喃中，聚合物完全溶解后，注入0.3g三乙胺，将反应置于冰水浴中，0.2g 2-溴异丁酰溴慢慢注入。升至室温，继续搅拌24小时。在反应过程中，可以观察到有白色沉淀析出。反应完毕后，过滤掉三乙胺的盐酸盐沉淀。浓缩滤液，在甲醇中沉降三次后得到淡黄色粉末状固体,真空干燥。最终得固体（PFB-Br）。产率：75%。

在20mL Schelek管中，加入PFB-Br（48mg），CuBr（14mg）。抽真空，通氮气，重复三次。加入苯甲醚（6mL）溶解，然后加入PMDETA（21μL），可以观察到溶液颜色变为淡绿色。搅拌并加热至110℃。3mL的TBA被快速注入。反应持续12小时后，溶液变得粘稠，停止反应。向溶液中加入10mL的二氯甲烷，将溶液通过中性氧化铝层析柱除去铜盐。用旋转蒸发仪浓缩溶液至粘稠，并在正己烷中沉降。重复该操作三次。在40℃真空干燥箱中干燥，最终得淡黄色固体（PFB-g-PTBA）。产率70%。

氮气气氛中，0.3g的PFB-g-TBA溶解在四氢呋喃中。室温下，加入3mL三氟乙酸。反应持续12小时后，蒸出溶剂。得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸的聚合物分子刷(PFB-g-PAA)。

（三）分子刷水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料的制备

将油酸包裹的磁纳米粒子100mg及共轭聚合物分子刷(PFB-g-PAA)300mg溶于10mL THF中，40℃下搅拌24小时，然后离心得到黑褐色沉淀。将沉淀物分散于100mL水溶液中，缓慢加入10g Na₂CO₃，搅拌2小时，将混合液放入透析袋进行透析72小时后，冷冻干燥。得到分子刷型水溶性荧光共轭聚合物/磁纳米粒子复合材料。

Claims (4)

1.一种荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料，其特征在于，该复合材料为具有荧光及磁性多功能的分子刷型水溶性共轭聚合物与磁纳米粒子的复合材料，其结构是：中心核为磁纳米粒子，配体为荧光性质的分子刷型水溶性共轭聚合物。

2.根据权利要求1所述的荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料，其特征在于，磁纳米粒子为Fe、Co或Mn金属的氧化物，粒径在1-100nm之间，并且具有单分散性。

3.根据权利要求1所述的荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料，其特征在于，所述共轭聚合物是一类富含羧基的聚芴苯类荧光分子刷，其具体结构如下：

主链共轭聚合物的聚合度x为6-30；

分子刷侧链聚丙烯酸的聚合度n为10-200；

分子刷型聚合物通过-COO-基与磁纳米粒子表面相联接。

4.一种如权利要求1所述的荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤，

1）磁纳米粒子的合成

以二苄醚为溶剂，以乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺为原料，采用高温溶剂热法制备单分散的磁纳米粒子：

具体步骤如下：

将乙酰丙酮铁（Ⅲ）、1，2-十六二醇、油酸和油胺加入二苄醚中，氮气保护中磁力均匀搅拌，将混合溶液加热到150-220℃持续1-3小时，然后把温度升到280-320℃再加热0.5-1小时，冷却至室温，加入少量乙醇，有黑色沉淀生成；采用离心-溶解-离心的方法制备纯度比较高的产物，磁纳米粒子产物经过减压干燥后，保存在0-4℃的冰箱中备用；

2）富含羧基的分子刷型水溶性共轭聚合物的合成

氮气气氛下，1,4-对苯二硼酸酯,2,7-二溴-9,9-二（3-羟基丙基）芴，Pd(PPh₃)₄加入甲苯溶液中，注入溶有K₂CO₃的水溶液；此溶液在85-95℃条件下充分搅拌三天，然后加入苯硼酸反应7-9小时，最后加入溴苯，反应12-24小时后，停止反应；除去甲苯后，将剩余物溶解在四氢呋喃中，经三氧化二铝中性柱除去残余的催化剂后，溶液浓缩，在甲醇溶液中沉降2-4次，得具有荧光性质的荧光共轭聚合物；

氮气气氛下，将共轭聚合物溶解在干燥的四氢呋喃中，聚合物完全溶解后，注入三乙胺，冰浴下，加入2-溴异丁酰溴，然后升至室温，继续搅拌24-36小时；反应完毕后，过滤掉三乙胺的盐酸盐沉淀，浓缩滤液，在甲醇中沉降2-3次后得到淡黄色粉末状固体,真空干燥，得到具有荧光性质的共轭聚合物大分子引发剂；

在Schelek管中，加入共轭聚合物大分子引发剂、溴化亚铜；抽真空，通氮气，重复2-4次；加入苯甲醚溶解聚合物大分子引发剂，然后加入：N，N，N′，N，′N″-五甲基二亚乙基三胺（PMDETA），搅拌并加热至90-110℃，然后向反应体系中注入丙烯酸叔丁酯，反应12-24小时后，停止反应；向溶液中加入二氯甲烷，将溶液通过中性氧化铝层析柱除去铜盐，用旋转蒸发仪浓缩溶液至粘稠，并在正己烷中沉降，重复该操作2-4次；在30-50℃真空干燥箱中干燥，得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸叔丁酯的分子刷型共轭聚合物；

氮气气氛中，将分子刷型共轭聚合物溶解在四氢呋喃中，室温下，加入三氟乙酸，反应持续12-24小时后，蒸出溶剂，得到主链为聚芴苯，侧链为聚丙烯酸的分子刷水溶性共轭聚合物；

3）分子刷型水溶性荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料的制备

将油酸包裹的磁纳米粒子及分子刷型水溶性共轭聚合物溶于四氢呋喃中，35-55℃下搅拌24-36小时，然后离心得到黑褐色沉淀，将沉淀物分散于水溶液中，缓慢加入Na₂CO₃水溶液，搅拌2-4小时，将混合液放入透析袋进行透析48-72小时后，冷冻干燥，得到分子刷型水溶性荧光共轭聚合物与磁纳米粒子复合材料。

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