CN105344334A - 一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，属于复合微球材料的制备方法。以聚乙烯醇和正硅酸四乙酯为原料，在不添加任何表面活性剂的油包水型体系中制备聚乙烯醇/二氧化硅(PVA/SiO2)复合微球；在酸性条件下使正硅酸四乙酯在PVA溶液中充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；将该溶胶在不含有表面活性剂的油包水型体系中进行分散、交联，最终获得PVA/SiO2复合微球。本发明工艺简单，重复性好，能耗和成本低，避免了传统乳化法制备复合微球过程中的表面活性剂残留和纳米无机粒子的团聚；所得微球具有球形规则、分散性高、微观结构均匀，可作为一种药物载体、注射型骨组织修复材料或重金属离子的吸附材料。

Description

一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合微球材料的制备方法，特别是一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法。
背景技术
现代社会对材料的性能要求日趋多样化，这使得传统的单一材料已难以满足各种不同的需求。因此，各类复合材料，尤其是有机/无机复合材料，受到了人们的普遍重视。到目前为止，已有多种形式的有机/无机复合材料被开发出来，包括多孔支架、膜、纤维、涂层及微球等。其中，微球材料因具有颗粒度小、比表面积大、流动性好等独特的优点而被广泛应用于生物医学、催化、污水处理等多个领域。
通常情况下，微球材料的制备都是在乳液体系中来实现的。传统的乳液合成会通过加入表面活性剂来实现体系的乳化。表面活性剂的添加虽然可以使乳液体系均一、稳定，但同时也会造成表面活性剂或多或少的残留。在作为生物材料使用时，这些微球中残留的表面活性剂有可能会引起人体的免疫排斥反应，并由此导致治疗的失败。
聚乙烯醇(PVA)由于对人体无毒，无副作用，具有良好的亲水性、生物相容性、生物可降解性及载药特性，因而在眼科、伤口敷料和人工关节等方面得到了广泛的研究和应用。溶胶-凝胶法制备的SiO2是目前非常重要的一种生物无机材料。研究表明，这种SiO2材料具有极高的亲水性，植入人体后会在其表面迅速地产生无定形富CaO-P2O5层。伴随着体液中OH-和CO3 2-离子的不断掺杂，低结晶度的碳酸羟基磷灰石层在其表面逐渐形成。尽管PVA和SiO2都具有优良的生物学性能，然而它们单独使用时又都存在一定的性能局限性。单纯的PVA材料缺乏生物活性，而SiO2材料则存在脆性大、机械性能差和成型困难等缺陷，因此尚不能得到很好的应用。
到目前为止，国内外对于PVA/SiO2复合材料的研究还很少，而对于PVA/SiO2复合微球的研究报道则更少。
发明内容
本发明的目的是要提供一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，解决PVA和SiO2单独使用时都存在性能局限性的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：采用PVA和正硅酸四乙酯为主体原料，在酸性条件下使正硅酸四乙酯在PVA溶液中充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；将该溶胶在不含有表面活性剂的油包水型体系中进行分散、交联，最终获得形态规则、分散性好且微观结构均匀的PVA/SiO2复合微球。
本发明的具体步骤包括：
(1)将PVA原料溶解于80℃的去离子水中，配制成澄清透明的PVA水溶液；
(2)在不断搅拌下向PVA水溶液中加入正硅酸四乙酯和酸性催化剂，在常温下混合均匀；
(3)将上述溶液密封后转移至烘箱中放置数天，使正硅酸四乙酯充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；
(4)将复合溶胶加入到不含表面活性剂的油相中进行分散，随后再向其中加入戊二醛溶液进行交联；
(5)所得产物离心、洗涤、干燥，即得到PVA/SiO2复合微球。
步骤(1)中所述PVA原料为PVA124、PVA1788或PVA1750，当采用PVA124为原料时，溶液浓度为0.02～0.1g/mL。
步骤(2)中所述催化剂为HNO3、HCl、H2SO4、醋酸、乙二酸的一种或几种，加入量按照溶液中氢离子浓度为0.05～0.25mol/L来计算。
步骤(3)中正硅酸四乙酯的水解的温度为40～80℃，水解时间为2～6天。
步骤(4)中所述油相为植物油或液体石蜡；所述的植物油为橄榄油、大豆油、玉米油、花生油的一种或几种。
步骤(4)中所述分散过程中的搅拌速度为200～1000rpm，分散时间为0.5～2h；所述交联剂戊二醛的用量为0.1～0.4g/gPVA，所述交联时间为0.5～3h。
步骤(5)中所得PVA/SiO2复合微球的粒径范围在1-500μm之间，且形状规则、分散性高；所得PVA/SiO2复合微球中PVA与SiO2的质量比为1:1～20:1。
本发明相对于现有技术具有下述独特的优点：利用PVA本身的表面活性，在不引入其它表面活性剂的条件下，将PVA与SiO2进行分子水平的复合，然后再将其加入到油相中制成微球。该微球材料有望作为一种药物载体、注射型骨组织修复材料或重金属离子的吸附材料来使用。
(1)本方法所采用的油包水型体系中不添加任何表面活性剂，利用PVA本身良好的乳化作用即可获得球形规整、分散性好的PVA/SiO2复合微球。与含有表面活性剂的传统乳液体系相比，本方法不存在微球产物中表面活性剂的残留问题，温和环保，且得到的产物纯度高。
(2)复合微球中的SiO2成分不是预先制备、干燥的纳米颗粒，而是在PVA体系中通过原位水解生成，再经脱水后得到的干凝胶。这种一步合成的方式简化了工艺流程和操作步骤，从而大大降低能耗，有利于工业化生产。
(3)本方法制备的PVA/SiO2复合微球中PVA与SiO2两种组分可以达到均匀复合，不存在团聚或相分离等现象。
(4)本方法制备的PVA/SiO2复合微球可以兼具载药特性、骨修复特性以及吸附特性。首先，由于其优良的生物相容性、骨诱导性以及较大的比表面积而有望在药物缓释、骨缺损修复等生物医学领域中获得应用。另外，复合微球具有较好的亲水性和吸附性，因而又可用于处理污水中的重金属离子、染料、无机污染物等。
(5)该法同样适用于制备二氧化硅与其它聚合物(如壳聚糖、明胶、胶原等)之间形成的复合微球。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的微球的扫描电镜照片。
图2为图1的微球放大的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例2制备的微球的粒径分布图。
具体实施方式
采用PVA和正硅酸四乙酯为主体原料，在酸性条件下使正硅酸四乙酯在PVA溶液中充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；将该溶胶在不含有表面活性剂的油包水型体系中进行分散、交联，最终获得形态规则、分散性好且微观结构均匀的PVA/SiO2复合微球。
本发明的具体步骤包括：
(1)将PVA原料溶解于80℃的去离子水中，配制成澄清透明的PVA水溶液；
(2)在不断搅拌下向PVA水溶液中加入正硅酸四乙酯和酸性催化剂，在常温下混合均匀；
(3)将上述溶液密封后转移至烘箱中放置数天，使正硅酸四乙酯充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；
(4)将复合溶胶加入到不含表面活性剂的油相中进行分散，随后再向其中加入戊二醛溶液进行交联；
(5)所得产物离心、洗涤、干燥，即得到PVA/SiO2复合微球。
步骤(1)中所述PVA原料为PVA124、PVA1788或PVA1750，当采用PVA124为原料时，溶液浓度为0.02～0.1g/mL，其中优选0.05g/mL；待PVA完全溶解后，将溶液自然冷却至室温。
步骤(2)中所述催化剂为HNO3、HCl、H2SO4、醋酸、乙二酸的一种或几种，加入量按照溶液中氢离子浓度为0.05～0.25mol/L来计算。
步骤(3)中正硅酸四乙酯水解的温度为40～80℃，以防止PVA在高温下长时间放置而发生降解；水解时间为2～6天，根据水解温度的不同确定选择2-6天。
步骤(4)中不添加任何表面活性剂；所述油相为植物油或液体石蜡；所述的植物油为橄榄油、大豆油、玉米油、花生油的一种或几种；所述分散过程中的搅拌速度为200～1000rpm，分散时间为0.5～2h；所述交联剂戊二醛的用量为0.1～0.4g/gPVA，所述交联时间为0.5～3h。
步骤(5)中所述洗涤溶剂为去离子水和丙酮；所得PVA/SiO2复合微球的粒径范围在1-500μm之间，且形状规则、分散性高；所得PVA/SiO2复合微球中PVA与SiO2的理论质量比为1:1～20:1；所得PVA/SiO2复合微球中的SiO2组分为具有介孔结构的无定型态，且与PVA组分达到均匀复合。
以下结合具体实例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：在80℃的水浴条件下，将PVA124颗粒溶解于10mL去离子水中，配成5％的PVA溶液。将该溶液冷却至室温后，向其中加入206.3μL正硅酸四乙酯和催化剂盐酸(1mol/L)。在室温下充分搅拌后，将溶液转移至70℃烘箱中放置2天，以确保TEOS充分水解。将得到的PVA/SiO2溶胶滴加至液体石蜡中进行分散，随后加入戊二醛进行交联。所得产物经离心、丙酮和水反复洗涤后，置于室温下晾干，得到SiO2理论含量为10％的PVA/SiO2复合微球。
实施例2：在80℃的水浴条件下，将PVA124颗粒溶解于10mL去离子水中，配成5％的PVA溶液。将该溶液冷却至室温后，向其中加入464.2μL正硅酸四乙酯和催化剂盐酸(1mol/L)。在室温下充分搅拌后，将溶液转移至60℃烘箱中放置3天，以确保TEOS充分水解。将得到的PVA/SiO2溶胶滴加至大豆油中进行分散，随后加入戊二醛进行交联。所得产物经离心、丙酮和水反复洗涤后，置于室温下晾干，得到SiO2理论含量为20％的PVA/SiO2复合微球。
实施例3：在80℃的水浴条件下，将PVA1750颗粒溶解于10mL去离子水中，配成10％的PVA溶液。将该溶液冷却至室温后，向其中加入928.4μL正硅酸四乙酯和催化剂硝酸(1mol/L)。在室温下充分搅拌后，将溶液转移至50℃烘箱中放置4天，以确保TEOS充分水解。将得到的PVA/SiO2溶胶滴加至橄榄油中进行分散，随后加入戊二醛进行交联。所得产物经离心、丙酮和水反复洗涤后，置于室温下晾干，得到SiO2理论含量为20％的PVA/SiO2复合微球。
实施例4：在80℃的水浴条件下，将PVA124颗粒溶解于10mL去离子水中，配成5％的PVA溶液。将该溶液冷却至室温后，向其中加入464.2μL正硅酸四乙酯和催化剂盐酸(1mol/L)。在室温下充分搅拌后，将溶液转移至60℃烘箱中放置3天，以确保TEOS充分水解。向PVA/SiO2溶胶中加入盐酸四环素，搅拌溶解后，将其滴加至大豆油中进行分散，随后加入戊二醛进行交联。所得产物经离心、丙酮和水反复洗涤后，置于室温下晾干，得到SiO2理论含量为20％的载药PVA/SiO2复合微球。

Claims (8)

1.一种聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：采用PVA和正硅酸四乙酯为主体原料，在酸性条件下使正硅酸四乙酯在PVA溶液中充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；将该溶胶在不含有表面活性剂的油包水型体系中进行分散、交联，最终获得形态规则、分散性好且微观结构均匀的PVA/SiO2复合微球。
2.根据权利要求1所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：具体步骤包括：
（1）将PVA原料溶解于80oC的去离子水中，配制成澄清透明的PVA水溶液；
（2）在不断搅拌下向PVA水溶液中加入正硅酸四乙酯和酸性催化剂，在常温下混合均匀；
（3）将上述溶液密封后转移至烘箱中放置数天，使正硅酸四乙酯充分水解，形成均匀的PVA/SiO2复合溶胶；
（4）将复合溶胶加入到不含表面活性剂的油相中进行分散，随后再向其中加入戊二醛溶液进行交联；
（5）所得产物离心、洗涤、干燥，即得到PVA/SiO2复合微球。
3.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述PVA原料为PVA124、PVA1788或PVA1750，当采用PVA124为原料时，其溶液浓度为0.02~0.1g/mL。
4.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述催化剂为HNO3、HCl、H2SO4、醋酸、乙二酸的一种或几种，加入量按照溶液中氢离子浓度为0.05~0.25mol/L来计算。
5.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（3）中正硅酸四乙酯的水解温度为40~80oC，水解时间为2~6天。
6.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述油相为植物油或液体石蜡；所述的植物油为橄榄油、大豆油、玉米油、花生油的一种或几种。
7.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述分散过程中的搅拌速度为200~1000rpm，分散时间为0.5~2h；所述交联剂戊二醛的用量为0.1~0.4g/gPVA，所述交联时间为0.5~3h。
8.如权利要求2所述的聚乙烯醇/二氧化硅复合微球的制备方法，其特征在于：步骤（5）中所得PVA/SiO2复合微球的粒径范围在1-500μm之间，且形状规则、分散性高；所得PVA/SiO2复合微球中PVA与SiO2的质量比为1:1~20:1。
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