磁性纳米粒子特别是FesO4磁性纳米粒子以 其优越的物理特性，在生物医学领域具有广泛的 应用前景，例如在酶和蛋白质固定、磁流体热疗、 磁共振对比剂、免疫测定、生物分离、磁靶向制剂 等领域.通过用有机生物高分子对FesO4磁性纳 米粒子进行表面修饰，可以赋予其良好的生物特 性和反应特性，除了天然生物高分子[1]如葡聚糖、 淀粉、多肽和蛋白质等以外，现己合成了多种具有 良好生物相容性和生物可降解性的高分子[2]如聚 乙二醇、聚乙烯醇、聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物、 聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其共聚物等.聚丙烯酰 胺作为一种应用广泛的合成水溶性高分子，以其 良好的亲水性和生物相容性以及易于功能化等特 点，已逐渐在生物分离、血液净化、免疫调整、免疫 诊断和药物缓释等生物医学工程领域中显示出应 用潜力[3].用聚丙烯酰胺对F®O4磁性纳米粒子 进行表面处理，可改善纳米FesO4的生物相容性， 同时赋予其较好的反应特性，从而为磁性纳米粒 子的进一步表面功能化设计提供化学选择.

高分子的生物相容性不但与分子结构和化学 组成有关，同时也与分子量及分子量分散度密切 相关，因此生物医用高分子的制备要求合成方法 可以调控分子量和获得窄的分子量分散度.原子 转移自由基聚合不但可用于众多易于制备的单体 和引发体，而且还提供了一条获得低分散性、可控 制分子量大小的有效合成途径[4].本研究通过原 子转移自由基聚合在Fe?O4磁性纳米粒子表面接 枝聚丙烯酰胺高分子，首先在Fe3O4磁性纳米粒 子表面引入Si-H键，再通过选择性的硅氢加成 反应制备了高纯度的端基带溴的磁性引发剂，最 后通过这个新设计的引发剂与原子转移自由基聚 合技术的结合，制备了聚丙烯酰胺修饰的Fe3O4 磁性纳米粒子.

1实验部分

1.1试剂

丙烯酰胺、三氯硅烷、Ni(PFh3)2Br.2、3,-二甲 基-戊烯酸甲酯、-溴异丁酸乙酯和铂催化剂 (Pt(dvs)，1，1，3,-四甲基>1，3■二乙烯基■二硅氧 烷合铂(0))从美国Aldrich公司购买.三乙胺、二 氯甲烷、甲苯、亚硫酸钠、三氯化铁、盐酸和氨水皆 从国内购买.氨水为25%c ~ 28%c的浓氨水.丙烯 酰胺在使用前用甲醇作溶剂，结晶提纯，干燥后密 封保存.三乙胺、二氯甲烷和甲苯分别加入氢氧化 钾、氢化钙和钠蒸馏处理，在氮气气氛中保存.其 它试剂为分析纯试剂皆直接使用.

1.2仪器和测试方法

除特别说明，所有反应均在氮气气氛中进行. iftNMR 和13 C-NMR 分别由 GE300 300 MHz 和 75 MHz傅立叶核磁共振仪记录.红外光谱由Biuker FS48傅立叶红外光谱仪记录.元素分析在 PE2400型元素分析仪上完成.分子量及其分布用 Wate-515型凝胶渗透色谱仪测量，柱温30°C，0. 1 moVL的NaNO3水溶液为流动相，窄分布聚乙二 

醇为标样，流速0.5 mL/min,根据文献[5]的方法 校准和计算.玻璃化转变温度和分解温度用 SeikoTK/DSC-220差热扫描量热仪测量.高分辨质 谱HRMS由Biuker Proflex III获得.XRD分析采用 日本理学Q^Mac 2400型X射线衍射仪，选用 Cu Ka射线（入=0■ 15405 nm).磁性能采用美国 ADE技术公司的4HF型振动样品磁强计(VSM)进 行表征.

1-3合成

1.3. 1 Fe3〇4磁性纳米粒子将三氯化铁溶于

1 m〇]/L的盐酸中制成1 mo^L的FeCh盐酸溶液， 取60 mL该溶液于一 800 mL的烧杯中，用去离子 水稀释至600 mL，在磁力揽摔下将20 mL 1 m〇VL 的NazSft溶液加入该烧杯中，混合后可看到溶液 由淡黄色变成红色，继续反应，当看到溶液由红色 变成黄色时，迅速将其倒入事先准备好的装有 100 mL浓氨水的烧杯中，可看到黑色沉淀生成， 在30 °C下继续搅拌反应30 min，过滤，去离子水反 复洗潘，干燥后得固体粉末4. 64 g，粒径在25 nm 左右.

1.3.2化合物2(3，-二甲基^4•戊烯醇）在

0°C、氮气气氛下，将氢化铝锂(4. 2 g，110 mmol)加 入150 mL蒸馏过的乙醚中并搅拌，用30 min滴加

3,3■二甲基■-戊烯酸甲酯（14.2 g，100 mmol)，滴 加完毕后，缓慢将其升至室温，再继续搅拌6 h.然 后在1 h内滴加15 mL蒸馏水于反应瓶内中止反 应，再加入50 mL 6moVL的盐酸水溶液，分离出 有机层，用饱和的氯化铵水溶液洗涤(2 x 30 mL)， 再用无水硫酸镁干燥后减压除去溶剂，真空干燥， 得到11.2 g的无色液体产物，产率98% . ^NMR (CDCl3, 8)：0. 98 (s，3H，CH3)，1.52 (s，1H，OH)， 1.57 (t，JH-H= 4. 8Hz，2H，CH2)，3. 60 (t，JH-H =

4.8 Hz，2H，CH2)，4_ 91 (m，2H，CH2 =)，5. 80 (m， 1H，CH =); 13C-NMR(CDCl3，8)： 27.21，35. 92, 45. 24, 60. 31，110.96, 148. 41;元素分析计算值 C7H14O: C 73.74, H 12.30,测量值 C 73.58, H 12.29; HRMS 计算值 C7H14O 114 68,测量值 114. 67.

1.3.3化合物3(-溴异丁酸>3,3■二甲基■-戊烯 酯)在0°C、氮气气氛下，将化合物2(5. 7g，50

mmol)和10 mL蒸馏过的三乙胺混合加入150 mL 蒸馏过的二氯甲烷中并搅拌，缓慢滴加-溴异丁 酰溴(11. 5 g，50 mmol)，立刻产生白色沉淀.整个

滴加过程在30 min内完成，待反应混合物升至室 温后，继续搅拌反应6 h.然后加30 mL蒸馏水于 反应瓶中，分离出有机层，用饱和氯化铵水溶液洗 涤(2x 30 mL)，再用无水硫酸钠干燥后减压除去 溶剂，真空干燥，得到12 1 g淡黄色液体产物，产 率 92%. 1H-NMR(CDCl3, 8)： 1.04 (s，6H，CH3)，

1. 68 (t，JH-H =4. 8 Hz，2H，CH2)，1.90 ( s，6H，

CH3)，4.14 (t，JH-H= 4.8 Hz，2H，CH2)，4. 92 (m，

 13

2H，CH2 =)，5.77 ( m，ffi，CH =);C-NMR

(CDCl3，8)： 27. 22, 30.99, 35. 90, 40.32, 56. 12，

63. 89, 111.51，147. 33, 171.92, 206.59;元素分析计 算值 C"HBBr〇2:C 50.20，H 7.28, Br 30.36,测量 值 C 50. 23，H 7.41，Br 30. 39;HRMS 计算值 CnHw a〇2 263.18,测量值 263.18.

1. 3. 4聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子5 和聚合物6将Fe3〇4磁性纳米粒子(4.64g, 20

mmol)加入50 mL的甲苯和三乙胺的混合溶剂中，

在60 °C，氮气气氛下搅拌，用30 min滴加三氯桂 烷(2. 71 g，20 mmol)，恒温反应5 h.反应产物过滤 后真空下干燥，得到4.7 g固体.在氮气气氛中，

将所制得的固体（2. 35 g, 10 mmol)和化合物3 (1.32 g，5 mmol )加入50 mL蒸馏过的二氯甲烷 中，然后加入10 mL浓度为20 mmoVL的Pt(dvs)

的甲苯溶液.反应体系在50°C下回流反应20~

25 h.待反应结束后，过滤，用甲苯、二氯甲烷反复 洗涤除去铂催化剂，聚丙烯酰胺修饰磁性纳米粒子的制备与表征，真空干燥，获得磁性引发剂 2.61 g.在圆底烧瓶中，按比例依次加入磁性引发 剂4、化合物7(2r溴异丁酸乙酯）、催化剂Ni (PPh3)2Bi2、丙烯酰胺和二甲基甲酰胺，并且连接 到真空，待混合物排气3次后，将圆底烧瓶密封在 部分真空状态.反应在避光、100 °C条件下进行 16 h.降至室温后，所获得的固体产物，先用四氢 呋喃和丙酮洗涤除去镍催化剂，再用水反复洗涤，

过滤后所得的沉淀物即为聚丙烯酰胺修饰的 Fe〇4磁性纳米粒子5;然后再向过滤后的水洗液 中加入甲醇进行沉淀纯化，得到的白色沉淀物在 真空加热(80°C)下干燥12 h，该沉淀物即为聚合 物6.聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子5的 Tg 为 98~ 104 °C; Td 为 235~ 245 °C; FTIR( KB.，V， cm-、： 1660(0 =C)，3345(NH2).聚合物 6 的1 NMR( D2O, S) : 1. 3~ 1.7( br, 2H，CH2)，1.9~ 2. 3 (br，1H，CH) ; FTIR( KBr，V, cm- 1): 1658( ^ = C)， 3344(NH2).

2结果和讨论

2.1合成

Fe3〇4磁性纳米粒子是通过对文献报道[6]的 方法加以改进，用FeCls和Na2S〇3在氨水溶液中 采用共沉淀法制备.影响纳米Fe3〇4粒径的因素 主要是反应物浓度、反应物比例、反应时间、反应 温度和溶液的pH值，通过调节这些因素可以制 得不同粒径的纳米Fe3〇4.最后我们选择反应物 FeCl3和Na2S〇3的浓度均为1 mo]/L,摩尔比为3 1,控制溶液的pH值为9,在30 °C反应30 min.

图1为所得产物的XRD图谱.由特征峰值 4.8293(111), 2.9553(220), 2.5229( 311), 1.4799 (222) ,2.0986(400)所对应的面间距(d值)与粉末 衍射标准联合会（JCPDS)编制的标准粉末衍射 (PDF)卡片中19^0629卡片的d值基本一致，说明 该产物为面心立方(fee)尖晶石结构的Fe3O4,衍

射谱线无杂峰,说明产物的纯度很高，并且结晶度 较好.按照Deby— Scherrer公式：

D = K ^cos0)

其中,D为晶粒尺寸;K为晶粒的形状因子，取0. 89;入为入射线波长，取0. 15405 nm; 0表示垂直 于[311]晶面方向衍射峰的半高宽，取0■ 00984 rad (rad为角度的弧度制单位)；0为布拉格角，计算 得平均晶粒大小为25 nm.

 

Fig. 1 XRD of Fe3 O4 magnetic nanoparticles

原子转移自由基聚合的链增长要求以卤素 (如Cl，Br)为端基的化合物作为引发剂.本文所设 计采用的磁性引发剂4的制备见图2.首先，将 Fe3〇4磁性纳米粒子和三氯硅烷在甲苯溶液中于 60°C下进行反应，用三乙胺作为缚酸剂，在纳米 Fe3〇4表面引入Si-H键.同时，将3,3^二甲基^ 戊烯酸甲酯与氢化铝锂反应约3 h，形成具有端羟 基的烯烃化合物(产率98%);然后在三乙胺存在

下,与乙基■ 2■溴丁酸反应约2 h，得到化合物3(产 率92% );最后在钴催化剂Pt (dvs)的作用下，表面 Si-H化Fe3〇4磁性纳米粒子和化合物3通过硅 氢加成反应得到磁性引发剂4.此反应需要20〜

25 h完成.这种具有选择性的a位硅氢加成反应 归结于化合物3的Y碳位上的两个甲基对0碳位 的空间位阻，从而抑制了 0位加成反应的发生[.7]

聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子是由 丙烯酰胺与磁性引发剂4通过原子转移自由基聚 合而制得（图2).由于直接对Fe3〇4磁性纳米粒子 表面的聚丙烯酰胺进行表征比较困难，因此我们 设计在溶液相中加入化合物7,让化合物7与丙 烯酰胺通过原子转移自由基聚合制得聚合物6 (图3),通过表征聚合物6来间接对Fe3〇4磁性纳 米粒子表面的聚丙烯酰胺进行表征.丙烯酰胺在 使用前须纯化，否则其中少许的丙烯酸会导致高 分子的交联.聚合反应在减压状态和100 °C下进 行约16h，Ni(PPh3)2Br2作催化剂.值得注意的

是，如果采用通常的催化剂CuX(X= Cl，Br)，聚合 反应不能进行，聚丙烯酰胺修饰磁性纳米粒子的制备与表征，Rademacher等认为酰胺基团络合 到铜盐上,导致自由基变得稳定，从而终止了聚合 反应的进行[8].按照原子转移自由基聚合的反应 条件，在未加引发剂时，没看到任何沉淀物出现， 表明在该聚合条件下，丙烯酰胺不会发生自聚.聚 合物6的分子量通过调整丙烯酰胺单体与化合物 7的摩尔比来控制，且始终保持化合物7与磁性 引发剂4中所含Fe3〇4的摩尔比为1: 1.

2.2表征

聚合物6的分子量通过GPC测量，水为流动 相.通过改变丙烯酰胺与化合物7的摩尔比，可制 备出不同分子量的聚合物6.表1给出摩尔比分 别为30、60、90和120时所形成的聚丙烯酰胺的 分子量.从表1看到，随着摩尔比的增加，分子量 大致呈线性方式增大，而且与计算值基本一致，表 现出分子量的可控性.随着分子量的增加，分子量 的分散度也稍微变宽，这可能是由于分子量增加 影响了反应的均匀性所致.由于Fe3〇4磁性纳米 粒子的表面接枝率较低，表中计算的分子量数据 忽略了磁性引发剂4表面接枝聚丙烯酰胺的影 响.Fe3〇4磁性纳米粒子表面接枝的聚丙烯酰胺 可用质量浓度为10%的HF脱落[9]，脱落的聚丙 烯酰胺的分子量数据见表1，可以看到从Fe3〇4磁 性纳米粒子表面脱落的聚丙烯酰胺的分子量和分散度与聚合物6的分子量和分散度基本一致，表 明化合物7和磁性引发剂4与丙烯酰胺进行聚合 时具有几乎相同的反应速率.

Fe3〇4磁性纳米粒子表面聚丙烯酰胺的摩尔

如下公式进行估算：

摩尔接枝率=(Am/Mn) +( m/232) x 100%

其中，Am为反应前后Fe3〇4磁性纳米粒子质量的 变化;Mn为测得的数均分子量；m为Fe3〇4磁性 纳米粒子的质量;232为Fe3〇4的分子量.

当丙烯酰胺与化合物7的摩尔比为90时，将数据代入公式，可以估算出Fe3〇4磁性纳米粒子 表面聚丙烯酰胺的摩尔接枝率约为5% .

聚合物6的1frNMR谱和FTIR光谱均展现了 典型的聚丙烯酰胺的特征.以丙烯酰胺/化合物7 =90(摩尔比）的情形为例（图4),在S= 1.6和 2. 2的两个宽峰，分别对应主链上的CH2和CH基 团;每个宽峰均具有强度不等的双峰结构,这是由

D2O

♦ t

76543210

S

Fi^. 41H-NMR spectrum of polymer 6 ( acrylamide/

compound 7 (mol/mol) = 90)

在对聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子 (以下均以丙烯酰胺/ Fe3〇4= 90( mol/mol)为例）进 行表征前，先用水对其反复进行清洗，以确保无聚 合物6的存在.聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳 米粒子的DSC曲线见图6,分解温度Td为242°C， 玻璃化转变温度Tg为102 °C，与文献报道[11]的线 形聚丙烯酰胺的Tg(约165 °C)相比,实验所观察的 Tg明显降低，这是由于以Fe3〇4磁性纳米粒子为核 的星形结构的存在所导致的聚合物的非晶化减弱 了聚丙烯酰胺分子间的相互作用，降低了材料的内 聚能,从而导致分子链段运动变得更容易.

 

Fig. 6 DSC curve of polyacrylamide-modified Fe3〇4 magnetic nanoparticles

聚丙烯酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子的红 外光谱（图7)在3345 cm- 1和1660 cm-1附近有两 于主链上碳的不同空间构形导致的[10].此外，在s =3. 3处还有一个弱峰，它对应的是甲醇CH3基 团的化学位移，这是由于甲醇分子与聚丙烯酰胺 分子间存在较强的氢键作用，在洗涤干燥的过程 中还有极少量的残留.红外光谱（图5)在3344 on- 1和1658 cm- 1具有两个强的振动峰，它们分别 对应侧链上NH2和CO的伸缩振动.

 

Fig. 5 FTIR spedrum of polymer 6 (acrylamide/ compound 7 (mol/mol) = 90)

个强的振动峰，它们分别对应于NH2和CO的伸 缩振动，这跟聚合物6的红外光谱基本一致，只是 峰的宽度较宽，这正展现了表面聚合物红外的特 征.

 

Fig. 7 FTIR spectrum of polyacrylamide-modified Fe3〇4 magnetic nanoparticles

图8为Fe3〇4磁性纳米粒子和聚丙烯酰胺修 饰的Fe3〇4磁性纳米粒子的扫描电镜照片.聚丙烯酰胺修饰磁性纳米粒子的制备与表征，由图 可知，两种粒子均成球状且均有一定的团聚，未修 饰的Fe3〇4磁性纳米粒子的粒径约20〜30 nm，与 XRD计算的粒径数据基本吻合，经聚丙烯酰胺修 饰修饰后Fe3〇4磁性纳米粒子的粒径增大到30〜 40 nm，说明表面包裹了约10 nm的聚丙烯酰胺有 机层.

 

Fig. 9 Hysteresis loop of Fe3〇4 (a) and polyaciylamide- modfied Fe3〇4 magnetic nanoparticles ( b)

 

Fig. 8 SEM images of Fe3〇4( a) and polyacrylamidemodified Fe3 O4 magnetic nanoparticles ( b)

图9为25°C下Fe3〇4磁性纳米粒子和聚丙烯 酰胺修饰的Fe3〇4磁性纳米粒子的磁滞回线.由 图可知,Fe3〇4磁性纳米粒子和聚丙烯酰胺修饰

的Fe3〇4磁性纳米粒子的比饱和磁化强度分别为 73 mu* g 1 和 58. 5 mu* g说明经表面修饰后

Fe3〇4磁性纳米粒子的比饱和磁化强度下降了约 20%,但仍保持了较大的值.

综上所述,通过对Fe3〇4磁性纳米粒子表面 进行偶联反应和选择性的硅氢加成反应,聚丙烯酰胺修饰磁性纳米粒子的制备与表征，制备了 一个端溴基的磁性引发剂,再结合原子转移自由 基聚合技术，制得了聚丙烯酰胺改性的Fe3〇4磁 性纳米粒子.该Fe3〇4磁性纳米粒子表面接枝的 聚丙烯酰胺展现出原子转移自由基聚合技术的特 点，即分子量高度可控性和窄的分子量分布，且修 饰后的Fe3〇4磁性纳米粒子仍具有较大比饱和磁 化强度.这些特性为此类聚合物修饰的Fe3〇4磁 性纳米粒子在生物医学中的应用提供了可能性, 也为Fe3〇4磁性纳米粒子的更进一步功能化提供 了化学反应的选择性.