本發(fā)明涉及一種有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子，特別涉及一種基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子及其制備方法，屬于高分子材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多面體低聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS)是最小的籠型的納米二氧化硅，它具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，包含有一個(gè)無機(jī)的硅氧核，八個(gè)頂角連接著可以變換的基團(tuán)，因此POSS是一種具有良好反應(yīng)性的有機(jī)-無機(jī)雜化分子。由于POSS無毒，有良好的生物相容性，化學(xué)惰性，機(jī)械穩(wěn)定性并且具有納米級尺寸，所以POSS可用于生物醫(yī)學(xué)材料。POSS在各種雜化材料中，能夠均勻分布，從而可以提高雜化材料的熱學(xué)性能和機(jī)械性能。

二茂鐵是一種具有芳香族性質(zhì)的有機(jī)過渡金屬化合物，由于二茂鐵具有夾心型結(jié)構(gòu)和芳香性的高度富電子特性，熱穩(wěn)定性好，電化學(xué)活性和生理活性高，廣泛應(yīng)用于高靈敏生物傳感器的構(gòu)建。極化的二茂鐵衍生物具有獨(dú)特的電化學(xué)及光學(xué)特性，其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、航天、節(jié)能、環(huán)保等行業(yè)具有廣泛地應(yīng)用。

Hu等人合成了POSS-P(SPMA-co-DMAEMA)無規(guī)雜化材料，POSS將無機(jī)組分的熱學(xué)特性引入光敏性雜化材料中，可以改善雜化納米粒子應(yīng)用于可控釋放領(lǐng)域時(shí)形態(tài)穩(wěn)定性差、光敏性雜化材料耐熱穩(wěn)定性差等問題。然而，該無規(guī)雜化材料是由兩種單體毫無規(guī)律地共聚形成的，各組分的聚合度不易調(diào)控，同時(shí)，螺吡喃類單體制備步驟繁瑣，價(jià)格昂貴。Zhang等人合成了對pH敏感的POSS-PAA雜化材料，該雜化材料并沒有形成一種簡單的以POSS為核以PAA為殼的納米粒子，而是POSS組分分散在膠束中形成了一種更穩(wěn)定的聚集體。但是，該納米粒子只是具有較單一的pH響應(yīng)性。Liu等人制備了一種具有氧化還原響應(yīng)的PEG-PMAEFc嵌段雜化材料，該雜化材料作為納米載體應(yīng)用于藥物(羅丹明B)的負(fù)載，具有負(fù)載量高、負(fù)載量可控、緩釋效果好的特點(diǎn)。然而，同樣的，該納米粒子只是具有較單一的氧化還原響應(yīng)性。目前，還未見基于POSS和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目的是在于提供一種同時(shí)具有溫度、pH及氧化還原性響應(yīng)，易于通過溫度、pH和氧化劑及還原劑調(diào)控粒徑大小的基于六面體低聚倍半硅氧烷(POSS)和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子，其在功能高分子材料領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種操作簡單、條件溫和，低成本的制備所述基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子，其由六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)通過自組裝得到：

所述六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)具有式1結(jié)構(gòu)：

其中，

R為烷基；

m為聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯嵌段的聚合度，大小為10～200；

n為聚二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯嵌段的聚合度，大小為5～50。

本發(fā)明的六面體低聚倍半硅氧烷(POSS)封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)包含聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)嵌段和聚二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯嵌段(PMAEFc)，PDMAEMA嵌段對溫度和pH具有響應(yīng)性，而PMAEFc嵌段具有氧化還原響應(yīng)性。通過六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)在水溶液中自組裝形成的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子是以憎水性POSS和PMAEFc為核，以親水性PDMAEMA為殼的膠束，可以利用環(huán)境的溫度和pH及氧化還原性來調(diào)節(jié)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的粒徑。

本發(fā)明的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子結(jié)構(gòu)如式2所示：

其中，憎水性的POSS和PMAEFc為核，親水性的PDMAEMA為殼。

優(yōu)選的方案，R為異丁基。

優(yōu)選的方案，所述有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子具有pH、溫度及氧化還原響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子所處環(huán)境的pH和/或溫度和/或氧化還原性實(shí)現(xiàn)其粒徑大小的調(diào)控。

較優(yōu)選的方案，通過調(diào)節(jié)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子所處環(huán)境的pH在3～11范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)其粒徑在100納米～500納米調(diào)控。pH越小，有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子相應(yīng)的半徑越大，呈現(xiàn)規(guī)律變化。

較優(yōu)選的方案，通過調(diào)節(jié)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子所處環(huán)境的溫度在5～75℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)其粒徑在100納米～500納米調(diào)控。溫度越小，有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子相應(yīng)的半徑越大，呈現(xiàn)規(guī)律變化。

較優(yōu)選的方案，通過調(diào)節(jié)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子所處環(huán)境的氧化還原性實(shí)現(xiàn)其粒徑在100納米～500納米調(diào)控，其中，氧化性通過H₂O₂、Fe₂(SO₄)₃、(NH₄)₂Ce(NO₃)₆、FeCl₃中至少一種調(diào)節(jié)，還原性通過抗壞血酸、NaHSO₃、Na₂S₂O₃、KI中至少一種調(diào)節(jié)，通過采用不同的氧化劑或還原劑，以及調(diào)節(jié)它們的濃度，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子粒徑大小的調(diào)控。

本發(fā)明還提供了一種所述的基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的制備方法，該方法是往含六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)的有機(jī)溶液中滴加水溶液，即得。

優(yōu)選的方案，含六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)的有機(jī)溶液中有機(jī)溶劑為四氫呋喃和/或吡啶。

優(yōu)選的方案，所述水溶液為純水溶液、1.0wt％～10.0wt％的雙氧水或1.0wt％～10.0％wt的Fe₂(SO₄)₃溶液。

較優(yōu)選的方案，所述六面體低聚倍半硅氧烷封端的聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)-b-聚(二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯)是以溴代異丁酰胺化的六面體低聚倍半硅氧烷作為大分子引發(fā)劑，以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯為聚合單體，通過兩步原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法制備得到。

相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案帶來的有益效果：

1、本發(fā)明的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子兼具有機(jī)聚合物的柔性及無機(jī)聚合物的強(qiáng)度等特性，且同時(shí)對環(huán)境中的溫度、pH及氧化還原性具有響應(yīng)，易于通過溫度、pH和氧化還原調(diào)控粒徑大小，在功能高分子材料領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，如利用刺激響應(yīng)性大分子的自組裝可以制備出具有環(huán)境刺激響應(yīng)性、催化、藥物控釋、基因治療作用等功能材料與器件。

2、本發(fā)明的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子直接在水溶液中自組裝生成，方法簡單，條件溫和，且易于通過環(huán)境中的溫度、pH及氧化還原性實(shí)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子粒徑的調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)不同粒徑有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的合成。

附圖說明

【圖1】為本發(fā)明實(shí)施例4中合成的POSS-PDMAEMA₁₀₈-PMAEFc₃₀的核磁共振氫譜圖。

【圖2】為本發(fā)明實(shí)施例5中雜化納米粒子的粒徑分布圖(DLS)。

【圖3】為本發(fā)明實(shí)施例5中雜化納米粒子的透射電鏡(TEM)圖。

【圖4】為本發(fā)明實(shí)施例6中雜化納米粒子在不同溫度下的粒徑分布圖(DLS)。

【圖5】為本發(fā)明實(shí)施例7中雜化納米粒子在不同pH值下的粒徑分布圖(DLS)。

【圖6】為本發(fā)明實(shí)施例8中雜化納米粒子在加入氧化劑和還原劑時(shí)的粒徑變化圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例旨在說明本發(fā)明內(nèi)容，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的進(jìn)一步限定。

實(shí)施例1

二茂鐵基甲基丙烯酸羥乙酯(MAEFc)的合成：

將10.0g(43.47mmol)二茂鐵甲酸(Fc-COOH)，8.49g(65.21mmol)甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)和0.64g(5.22mmol)N,N-二甲氨基吡啶(DMAP)加入到含300mL超干二氯甲烷溶劑的圓底燒瓶中，磁力攪拌，將反應(yīng)體系放置低溫反應(yīng)釜中冷卻至0℃。氮?dú)獗Ｗo(hù)下，從恒壓滴液漏斗慢慢滴入10.75g(52.16mmol)N,N’-二環(huán)己基碳酰亞胺(DCC)和50mL超干二氯甲烷溶劑的混合溶液，滴加完后0℃繼續(xù)反應(yīng)2小時(shí)，隨后室溫反應(yīng)24h。將反應(yīng)液抽濾，濾液加入硅膠粉拌樣，干法過柱，洗脫劑為石油醚：乙酸乙酯＝19:1，洗脫分離出第一個(gè)點(diǎn)，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干溶劑，得到的黃色固體放置40℃真空干燥箱中干燥24h。

實(shí)施例2

溴代異丁酰胺化的六面體低聚倍半硅氧烷(POSS-Br)的合成：

向250mL的單口圓底燒瓶中加入8g(9.15mmol)POSS-NH₂、3.71g(36.59mmol)三乙胺(NEt₃)、150mL超干二氯甲烷溶劑并在磁力攪拌下溶解，將反應(yīng)體系放置低溫反應(yīng)釜中冷卻至0℃，從恒壓滴液漏斗慢慢滴入4.21g(18.30mmol)α-溴代異丁酰溴(BIBB)和20mL超干二氯甲烷溶劑的混合溶液，滴加完后0℃再反應(yīng)2小時(shí)，隨后室溫反應(yīng)24h。將反應(yīng)液抽濾除去白色沉淀，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至40mL，依次用1mol/L的稀HCl溶液、1mol/L的NaOH溶液、去離子水反復(fù)洗滌至溶液pH＝7～8，無水MgSO₄干燥，過濾，旋蒸除去大部分溶劑。再濕法過硅膠柱，洗脫劑為乙酸乙酯：石油醚＝10:1，洗脫分離出第一個(gè)點(diǎn)，旋干溶劑，得到的白色固體放置于40℃真空干燥箱中干燥24h。

實(shí)施例3

POSS-PDMAEMA₁₀₈-Br的合成：

將0.326g(0.318mmol)POSS-Br、5.0g(31.8mmol)DMAEMA、0.1102g(0.636mmol)PMDETA、5mLTHF加入到帶支口的聚合物反應(yīng)瓶中，液氮冷凍抽真空，乙醇解凍通氮?dú)猓绱朔磸?fù)3次，最后加入0.0472g(0.477mmol)CuCl，同樣液氮冷凍抽真空，乙醇解凍通氮?dú)?，反?fù)3次，以排除反應(yīng)體系內(nèi)的氧氣。60℃反應(yīng)3h，反應(yīng)完后，淬冷，將體系暴露在空氣中，并加入20mLTHF終止反應(yīng)，以THE為流動(dòng)相，過200～300目的中性氧化鋁柱除去銅鹽，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至5mL,逐滴滴加到40mL冰凍石油醚中沉淀，得到白色粘稠固體，倒掉上層液體，如此反復(fù)沉淀3～4次，以完全除掉未反應(yīng)的單體，得到的固體放置于40℃真空干燥箱中干燥24h。

實(shí)施例4

POSS-PDMAEMA₁₀₈-PMAEFc₃₀的合成

將0.6g(0.033mmol)POSS-PDMAEMA₁₀₈-Br、1.1292g(3.3mmol)MAEFc、0.0176g(18μL)Me6TREN、3mL甲苯加入到帶支口的聚合物反應(yīng)瓶中，液氮冷凍抽真空，乙醇解凍通氮?dú)猓绱朔磸?fù)3次，最后加入0.0033g(0.033mmol)CuCl，同樣液氮冷凍抽真空，乙醇解凍通氮?dú)猓磸?fù)3次，以排除反應(yīng)體系內(nèi)的氧氣。90℃反應(yīng)48h，反應(yīng)完后，淬冷，將體系暴露在空氣中，并加入20mLTHF終止反應(yīng)，以THE為流動(dòng)相，過200～300目的中性氧化鋁柱除去銅鹽，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至2mL，逐滴滴加到16mL冰凍石油醚中沉淀，得到黃色粘稠固體，倒掉上層液體，如此反復(fù)沉淀3～4次，以完全除掉未反應(yīng)的單體，得到的固體放置于45℃真空干燥箱中干燥24h。

實(shí)施例5

基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的制備：

取45mg聚合物POSS-PDMAEMA₁₀₈-PMAEFc₃₀，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力攪拌下，往其中緩慢滴加5mL去離子水，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌3h，然后將溶液轉(zhuǎn)移到截留分子量為3500的透析袋中，去離子透析1天，每隔3h換一次水，得到濃度為5mg/mL的雜化納米粒子水溶液。圖3為列舉實(shí)例，平均粒徑為221.7納米。

所制得雜化納米粒子透射電鏡(TEM)測試方法：用注射器吸取0.1mg/mL的組裝體，滴在透射電鏡專用銅網(wǎng)薄膜上，室溫干燥24h。粒徑結(jié)果見圖2，雜化納米粒子的平均粒徑為168.0納米。

實(shí)施例6

在溫度為5℃和75℃時(shí)基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的制備

取45mg聚合物POSS-PDMAEMA₂₀₀-PMAEFc₃₁，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力攪拌下，往其中緩慢滴加5mL去離子水，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌3h，然后將溶液轉(zhuǎn)移到截留分子量為3500的透析袋中，去離子透析1天，每隔3h換一次水，得到濃度為5mg/mL雜化納米粒子水溶液。將雜化納米粒子水溶液分別降溫至5℃和升溫至75℃，即得。圖4為列舉實(shí)例：溫度為5℃和75℃，雜化納米粒子的平均粒徑分別是304.9納米和157.4納米。

實(shí)施例7

在pH值為5.01和10.97時(shí)基于六面體低聚倍半硅氧烷和二茂鐵的有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的制備

取45mg聚合物POSS-PDMAEMA₂₀₀-PMAEFc₃₁，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力攪拌下，往其中逐滴緩慢滴加5mL去離子水，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌3h，然后將溶液轉(zhuǎn)移到截留分子量為3500的透析袋中，去離子透析1天，每隔3h換一次水，得到濃度為5mg/mL的雜化納米粒子水溶液。分別通過NaOH(1mol/mL)溶液和HCl(1mol/mL)溶液調(diào)節(jié)雜化納米粒子水溶液的pH值至10.97和5.01，即得。圖5為列舉實(shí)例：pH值為5.01和10.97，雜化納米粒子的平均粒徑分別為457.5納米和198.0納米。

實(shí)施例8

在Fe₂(SO₄)₃和抗壞血酸存在下有機(jī)無機(jī)雜化納米粒子的粒徑變化：

取45mg聚合物POSS-PDMAEMA₁₀₈-PMAEFc₃₀，使其充分溶解在1mLTHF中，在磁力攪拌下，往其中逐滴緩慢滴加5mL去離子水，滴加完畢后，繼續(xù)攪拌3h，然后將溶液轉(zhuǎn)移到截留分子量為3500的透析袋中，去離子透析1天，每隔3h換一次水，得到濃度為5mg/mL的雜化納米粒子水溶液。取2mL 5mg/mL的納米粒子水溶液，加入2.2mg的Fe₂(SO₄)₃，攪拌1h，即得到處于氧化態(tài)的雜化納米粒子水溶液。然后加入50μL 20.56mg/mL的還原劑Vc水溶液，攪拌12h，此時(shí)溶液中的雜化納米粒子水溶液重新變回還原態(tài)，如此循環(huán)三次。圖6為列舉實(shí)例：原始態(tài)、第一次氧化、第一次還原、第二次氧化、第二次還原、第三次氧化和第三次還原后雜化納米粒子的平均粒徑分別是289.4納米、369.0納米、288.5納米、366.4納米、286.7納米、370.0納米和279.7納米。