專利名稱：：一種表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品。特別是對超大孔聚苯乙烯微球表面親水改性，得到的產(chǎn)品特征是內(nèi)部為高強度的疏水多孔骨架，表面(包括孔道內(nèi)表面)偶聯(lián)一層富含羥基的親水性大分子聚乙烯醇(PVA)，進一歩衍生后作為快速分離蛋白質(zhì)等生物大分子的灌注色譜介質(zhì)。屬于高分子微球功能改性領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：在很多生物技術(shù)應用中都存在著蛋白質(zhì)等生物大分子在疏水表面的非特異性吸附問題。比如固相診斷中抗體和抗原在96孔板的吸附會導致檢測精度下降，色譜分離中蛋白在介質(zhì)上的非特異性吸附會造成譜帶變寬以及樣品損失等(AnalyticalBiochemistry,1980，105:375383;JournalofChromatography,1988,445:1~11)。另外，細胞、細菌以及高等生物在材料表面吸附形成蛋白層也是生物污染的主要原因。疏水作用是疏水材料對蛋白非特異性吸附的最主要因素(JournalofcolloidandinterfaceScience,1989,132:176-187)，增加材料的親水性將會大大降低蛋白的吸附量。因此對疏水材料進行表面親水改性是一種降低蛋白非特異性吸附的理想方法。.聚苯乙烯材料由于其良好的機械性能和化學穩(wěn)定性，親水改性后在生物及分析分離領(lǐng)域有著廣泛應用。常用的改性方法有兩種物理吸附鍍層親水性材料和化學偶聯(lián)鍍層親水性材料。物理吸附鍍層通常是在聚苯乙烯材料表面吸附一層親水/疏水兩親性聚合物,然后進行交聯(lián)，吸附類型多屬于Langmuir型。兩親性聚合物主要有PVA，疏水改性多糖，聚氧乙烯一聚氧丙烯一聚氧乙烯嵌斷共聚物等。物理吸附鍍層后雖然材料表面的親水性得到有效提高，抑制了蛋白的非特異性吸附。但是鍍層容易脫落，特別是處于蛋白溶液當中時，這限制了材料的重復利用次數(shù)，特別是作為色譜分離介質(zhì)時影響很大。相比物理吸附法，化學偶聯(lián)法接枝親水性高分子的報道較少，己有的文獻中，較多的是聚苯乙烯微球表面偶聯(lián)聚乙二醇(PEG)的報道。聚苯乙烯改性首先要通過Friedel—Crafts反應在聚苯乙烯的苯環(huán)上接上活潑基團(一CH2C1，一OH，一COOH，一C0CH2C1,—NH2等)，然后再利用這些活潑基團進一歩改性。LeeYoon一Sik(U.S.Patent5,466,758(1995).)等人發(fā)明了一種制備具有0羥基聚苯乙烯(PS-PO)的簡便方法，并在此基礎(chǔ)上制備出接枝PEG的聚苯乙烯微球。合成路線如下O(》^OC》『"。h-JrQ"0-『"。如2ch沖Holmberg等人研究了接枝分支型PEG和線型PEG的聚苯乙烯對降低人纖維蛋白原吸附能力的影響(Journalofbiomedicalmaterialsresearch,1992,26:779790)。結(jié)果表明，分支型和線型PEG(分子量在150020000)都能明顯降低蛋白的吸附量，分支型PEG與線性PEG相比沒有預想中明顯優(yōu)勢，作者用體積排阻色譜證明了在水中分支型和線型PEG的排阻體積沒有不同。反應示意圖如下n■」NaOHn2h/BHTpeg-oh+c卜c-c、-,ch2-peg—och2chch2ci——peg—och2chch2oho6VC10hIIohohC卜C-C、-嚴200/\-^——peg—och2chch2och2ch—ch2Ioch2ch—,ch2YPFIps+h2S04/KMn04-^ps.rc'.ps-nh-,0、oh八ih2ps-nh-+peg—och2chch2och2ch—ch2——>peg—och2chch2och2ch-c—nh-psIih2OCH2CH—,CH2〇ch2ch—c—nh-ps上述兩個方法都屬于在聚苯乙烯表面接枝PEG,能有效降低蛋白質(zhì)的非特異性吸附作用。但是接枝后一條PEG鏈只含一個羥基，如果材料需要進一步改性會受到限制，比如改性后微球進一歩衍生成離子交換色譜、親和色譜介質(zhì)等。毛陸原等(功能高分子學報，1997,10:205212)制備了一種表面固載環(huán)糊精的聚苯乙烯微球，以DMF為溶劑，碘化鉀和四丁基溴化胺做相轉(zhuǎn)移催化劑(Phasetransfercatalyst,PTC)，使P—環(huán)糊精在氫氧化鈉或氫化鈉存在下與氯甲基聚苯乙烯微球發(fā)生親核取代反應。反應路線如下.-第一步同載化反應路線<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>他們考察了P—環(huán)糊精共聚物對苯酚、對氯苯酚、鄰氯苯酚的包合識別性能，結(jié)果表明包合作用對位〉鄰位>苯酚。這種e—環(huán)糊精共聚物屬于低聚物，不能有效覆蓋聚苯乙烯的疏水表面，不適合作為生物大分子分離基質(zhì)。本發(fā)明提供了一種有效的表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品，在前人工作(離子交換與吸附，2005,21(4):289296;成都科技大學學報，1993,76(6):4450)的基礎(chǔ)上(聚苯乙烯鹵甲基化或鹵乙?；?，將親水性大分子聚乙烯醇成功偶聯(lián)到超大孔聚苯乙烯微球表面，不但有效降低了蛋白質(zhì)的非特異吸附作用，而且改性后的微球富含羥基，可以進一步采用傳統(tǒng)方法衍生成各種色譜分離介質(zhì)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明利用Williamson醚化反應原理，目的是在聚苯乙烯表面均勻偶聯(lián)一層親水性物質(zhì)。普通聚苯乙烯材料改性后能夠有效降低蛋白質(zhì)的吸附，在生物應用領(lǐng)域有很大價值；超大孔聚苯乙烯微球改性后是一種很好的生物大分子色譜分離基質(zhì)，進一步衍生后在蛋白質(zhì)快速分離純化領(lǐng)域具有很大的潛力和優(yōu)勢。本發(fā)明提出了一種表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品，包括如下步a、在酸性催化劑作用下，利用Friedel-Crafts反應將聚苯乙烯的苯環(huán)鹵乙?；螓u甲基化，得到具備下述通式的物質(zhì)A:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中R可為OO，H，X可為C1，Br。A的功能基團RCHX為鹵乙酰基或鹵甲基，優(yōu)選氯乙酰基或氯甲基。b、在堿性物質(zhì)存在條件下，將所得的A與適量PTC加入到溶有PVA的有機溶劑中，使PVA與聚苯乙烯通過醚鍵偶聯(lián)。當堿性物質(zhì)為氫氧化鈉時化學反應式如下△PVA-OH+NaOH-^PVA-ONaPTCCH2X+PVA-ONaH20H2C-O-PVA+NaCI(^~3cH2X+PVA-ONaQ^-f-。-PVA+NaCI△9PTCA本發(fā)明所述改性反應的歩驟a中的聚苯乙烯為交聯(lián)聚苯乙烯，優(yōu)選為交聯(lián)聚苯乙烯微球或者聚苯乙烯板。當歩驟a完成時，將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥后進行第二步反應。本發(fā)明所述改性反應的步驟b是關(guān)鍵反應。如果控制不好，既可能導致聚乙烯醇分子鏈間脫水，交聯(lián)成團后包裹在聚苯乙烯表面，也可能造成PVA偶聯(lián)量太低無法充分覆蓋聚苯乙烯疏水表面。理想的PVA的偶聯(lián)量在0.81.0mg/m2范圍內(nèi)。本發(fā)明所述改性反應歩驟b中PVA是一種關(guān)鍵材料，文中提到的PVA2K和PVA22K醇解度分別為75%和8789%，購于AcrosOrganics公司；PVA9k10k和PVA13K23K醇解度分別為80%和8789%，購于Sigma-Aldrich公司。PVA后面的數(shù)字代表分子量，如2K表示分子量為2000。本發(fā)明并不局限于給定的幾種關(guān)鍵材料來源，PVA分子量范圍可為2k95K，優(yōu)選為5-25K。本發(fā)明所述改性反應的歩驟b中所用的有機溶劑是N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亞砜(DMSO)，使用前必須經(jīng)過干燥脫水處理，否則會嚴重影響反應效果。本發(fā)明所述歩驟b中所用的堿性物質(zhì)為選自叔丁基醇鉀、丁基鋰、氨基鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫化鉀和氫化鈉中的一種，優(yōu)選氫氧化鉀和氫氧化鈉。堿量與物質(zhì)A中X的物質(zhì)的量比為120，優(yōu)選5—10。本發(fā)明所述改性反應的歩驟b中所用的相轉(zhuǎn)移催化劑是四丁基溴化銨(TBAB)、十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)、十六烷基三甲基氯化銨(CTMAC)、四丁基硫酸氫銨(TBSB)、四丁基碘化銨(TBAI)。物質(zhì)A中X與相轉(zhuǎn)移催化劑的用量摩爾比為0.01~1，優(yōu)選為0.1~0.5。本發(fā)明所述改性反應的歩驟b中所用PVA的濃度范圍是l50mg/ml，最佳范圍是815mg/ml。本發(fā)明所述改性反應的歩驟b中所需反應時間范圍l100h，為保證鹵乙酰基/鹵甲基反應充分，優(yōu)選反應時間2436h;反應溫度0100'C，優(yōu)選5070°C。本發(fā)明所述改性反應的歩驟b中PVA分子鏈與鹵乙?；?鹵甲基化聚苯乙烯以醚鍵連接，偶聯(lián)方式與文獻中端基接枝PEG不同，屬于側(cè)鏈接枝偶聯(lián)，有利于形成均勻鍍層。當步驟b完成時，將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥。本發(fā)明所述的固體產(chǎn)物是表面接枝偶聯(lián)了PVA的交聯(lián)聚苯乙烯，特別是表面偶聯(lián)PVA的超大孔聚苯乙烯微球。本發(fā)明產(chǎn)生的技術(shù)效果在聚苯乙烯表面均勻偶聯(lián)了一層PVA高分子，鍍層通過穩(wěn)定的化學鍵連接，使聚苯乙烯表面的親水程度大大提高，對蛋白的非特異性吸附能力得到很大降低。本發(fā)明的聚苯乙烯材料親水改性方法，可得到一種新的聚苯乙烯改性材料，在生物技術(shù)和色譜分離中具有重要的應用價值。具體實施例方式實施例一A聚苯乙烯的氯乙?；磻?0ml燒瓶中加入0.8g普通聚苯乙烯板，20ml二氯甲烷，無水三氯化鋁1.2g，磁子攪拌，溶液變成黃色，，然后滴加氯乙酰氯0.8ml，3(TC油浴反應5h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥。干燥后的氯乙酰化聚苯乙烯用氫氧化鈉熔融法測定氯含量，紅外光譜(FTIR)分析表明，樣品與反應前相比在1683cm—1出現(xiàn)強的與苯環(huán)相連的羰基伸縮振動吸收峰，在645cm—1處出現(xiàn)了一個很強的氯原子(一C1)伸縮振動峰。B氯乙?；郾揭蚁┡悸?lián)PVA用5mlDMF將上述得到氯乙?；郾揭蚁?.6g溶脹過夜，加入35mlPVA2K的DMF溶液,保證反應體系中PVA濃度為20mg/ml，在攪拌狀態(tài)下依次加入四丁基溴化銨0.4g,氫氧化鈉0.8g，7(TC油浴反應24h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥。FTIR分析表明在3433cm—1處的出現(xiàn)很強的羥基吸收峰；在1114cm"處出現(xiàn)了C一0—C非對稱伸縮振動吸收峰;在氯乙?；郾揭蚁┘t外光譜中645cm—1處很強的C一C1伸縮振動峰已經(jīng)消失，上述這三處變化都表明PVA已經(jīng)成功地偶聯(lián)到聚苯乙烯微球上。實施例二A聚苯乙烯的氯乙?；磻?0ml燒瓶中加入0.8g聚苯乙烯微球，24ml二硫化碳，無水三氯化鋁1.06g，磁子攪拌，溶液變成黃色，，然后滴加氯乙酰氯0.3ml，5(TC油浴反應3h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量為12.02%。B氯乙?；郾揭蚁┡悸?lián)PVA用5mlDMF將上述得到氯乙?；郾揭蚁┪⑶騦.Og溶脹過夜，加入35mlPVA9K10K的DMF溶液,保證反應體系中PVA濃度為20mg/ml，在攪拌漿攪拌狀態(tài)下依次加入四丁基碘化銨0.76g，氫氧化鉀1.15g，7(TC油浴反應24h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥，得到的微球羥基含量4.212mmol/g干球，PVA偶聯(lián)量為0.59mg/n^干球。實施例三A聚苯乙烯的溴乙?；磻?0ml燒瓶中加入lg聚苯乙烯微球，24ml二硫化碳，無水三氯化鋁1.5g，磁子攪拌，溶液變成黃色，，然后滴加溴乙酰溴0.4ml，5(TC油浴反應3h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中千燥。改性后微球溴含量為25.54%。B溴乙?；郾揭蚁┡悸?lián)PVA用5mlDMF將上述得到溴乙?；郾揭蚁┪⑶?.6g溶脹過夜，加入35mlPVA22K的DMF溶液，保證反應體系中PVA濃度為10mg/ml，在攪拌槳攪拌狀態(tài)下依次加入十六烷基三甲基溴化銨0.44g，氫氧化鉀1.10g，7(TC油浴反應24h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥，得到的微球羥基含量3.867mmol/g干球，PVA偶聯(lián)量為0.86mg/m2干球。實施例四A聚苯乙烯的氯甲基化反應250ml燒瓶中加入10g聚苯乙烯微球，70ml氯甲醚，攪拌槳攪拌，25。C恒溫lh，投入無水氯化鋅8g，溶液變成棕褐色，然后開始升溫，5(TC油浴反應10h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量為19.28%。B氯甲基化聚苯乙烯偶聯(lián)PVA用50mlDMF將上述得到氯甲基化聚苯乙烯微球5g溶脹過夜，加入250mlPVA22K的DMF溶液,保證反應體系中PVA濃度為15mg/ml，在攪拌槳攪拌狀態(tài)下依次加入四丁基硫酸氫銨4.61g，氫氧化鈉8.70g，7(TC油浴反應24h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥，得到的微球羥基含量3.837mmol/g干球，PVA偶聯(lián)量為0.98mg/m2干球。實施例五A聚苯乙烯的氯甲基化反應100ml燒瓶中加入2g聚苯乙烯微球，40ml二氯甲烷，1，4一二氯甲氧基丁垸10ml，攪拌槳攪拌使白球充分溶漲，再加入無水四氯化錫3ml，40'C油浴反應6h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥。改性后微球氯含量為16.8%。B氯甲基化聚苯乙烯偶聯(lián)PVA用5mlDMF將上述得到氯甲基化聚苯乙烯微球0.6g溶脹過夜，加入35mlPVA13K23K的DMSO溶液,保證反應體系中PVA濃度為10mg/ml，在攪拌漿攪拌狀態(tài)下依次加入四丁基碘化銨0.53g，氫氧化鈉0.91g，7(TC油浴反應24h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥，得到的微球羥基含量4.012mmol/g干球，PVA偶聯(lián)量為1.01mg/m2干球。實施例六A聚苯乙烯的溴乙?；磻?50ml燒瓶中加入10g聚苯乙烯微球，150ml二氯甲垸，無水三氯化鋁19.5g，攪拌漿攪拌，溶液變成黃色，，然后滴加溴乙酰溴8.5ml，5(TC油浴反應3h。將反應液在無水狀態(tài)下抽濾，分離得到的固體物質(zhì)迅速倒入冰鹽酸中攪拌，再次過濾并用去離子水洗至中性，最后再用無水乙醇洗滌過濾，在真空烘箱中干燥。改性后微球溴含量為27.78%。B溴乙?；郾揭蚁┡悸?lián)PVA用50mlDMSO將上述得到溴乙?；郾揭蚁┪⑶?g溶脹過夜，加入350mlPVA13K23K的DMSO溶液,保證反應體系中PVA濃度為15mg/ml，在攪拌漿攪拌狀態(tài)下依次加入四丁基溴化銨3.362g，氫氧化鈉6.68g，7(TC油浴反應36h。將反應液趁熱過濾，然后將固體物質(zhì)用大量熱水洗滌，除去改性聚苯乙烯微球表面粘附的PVA，然后過濾并真空干燥，得到的微球羥基含量3.733mmol/g干球，PVA偶聯(lián)量為0.95mg/n^干球。權(quán)利要求1.一種表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品，包括如下步驟a.將聚苯乙烯的苯環(huán)經(jīng)Friedel-Crafts反應得到具備下述通式的物質(zhì)A，b.在堿性物質(zhì)存在條件下，將所得的A與相轉(zhuǎn)移催化劑加入到溶有PVA的有機溶劑中，使PVA與聚苯乙烯通過醚鍵偶聯(lián)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯為交聯(lián)聚苯乙烯，優(yōu)選為交聯(lián)聚苯乙烯微球或者聚苯乙烯板。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的R為C=0或H，所述的X為Cl或Br。4.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的物質(zhì)A的功能基團RCHX為鹵乙?；蜇占谆?，優(yōu)選氯乙?；蚵燃谆?。5.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的PVA分子量范圍為2k95K，優(yōu)選為5-25K。6.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的堿性物質(zhì)選自叔丁基醇鉀、丁基鋰、氨基鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氫化鉀和氫化鈉中的一種或者幾種。7.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述歩驟b中物質(zhì)A中X與堿的用量摩爾比為120，優(yōu)選為510。8.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的有機溶劑選自于N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜的一種或者幾種。9.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的歩驟b中的反應時間為1100h，優(yōu)選2436h;反應溫度0100。C，優(yōu)選5070'C。10.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述的相轉(zhuǎn)移催化劑選自于四丁基溴化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六垸基三甲基氯化銨、四丁基硫酸氫銨和四丁基碘化銨中的一種或者幾種。11.根據(jù)權(quán)利1要求所述的方法，其特征在于，所述步驟b中物質(zhì)A中X與相轉(zhuǎn)移催化劑的用量摩爾比為0.01~1，優(yōu)選為0.10.5。12.根據(jù)權(quán)利l要求所述的表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品，其特征是聚苯乙烯材料表面(包括微球孔道內(nèi)表面)接枝偶聯(lián)了一層富含羥基的親水性PVA分子鏈，可用于進一步改性或衍生。13.—種聚苯乙烯大孔微球親水改性的產(chǎn)品，其特征是微球內(nèi)部為高強度疏水多孔骨架，表面(包括孔道內(nèi)表面)偶聯(lián)一層富含羥基的親水性大分子PVA，進一歩衍生后可作為快速分離生物大分子的色譜介質(zhì)。全文摘要一種表面親水改性聚苯乙烯材料的方法及產(chǎn)品，其特征是在聚苯乙烯表面通過穩(wěn)定的化學鍵接枝偶聯(lián)了一層親水性大分子聚乙烯醇(PVA)，特別是對超大孔聚苯乙烯微球表面親水改性。本發(fā)明的具體步驟包括(1)在有機溶劑中，在酸性催化劑作用下利用Friedel-Crafts反應將聚苯乙烯的苯環(huán)鹵乙酰化或鹵甲基化，接上活性基團鹵乙?；螓u甲基；(2)在堿性條件和相轉(zhuǎn)移催化劑作用下，利用Williamson醚化反應將親水性PVA通過醚鍵偶聯(lián)到聚苯乙烯表面。本發(fā)明的優(yōu)點是操作簡單、條件溫和，親水鍍層穩(wěn)定不易脫落，并且富含羥基，在生物技術(shù)尤其是色譜分離領(lǐng)域有很大應用潛力。文檔編號C08J7/12GK101440168SQ20071017770公開日2009年5月27日申請日期2007年11月20日優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日發(fā)明者強衛(wèi),曲劍波,蘇志國,馬光輝申請人:中國科學院過程工程研究所