疏水性Fe3O4纳米粒子与双亲性嵌段共聚物（PVP-b-PMMA）的自组装

宋晓艳，杨　飞，程国清，邢金峰

（1.天津工业大学材料科学与工程学院，天津　300387；2.天津大学化工学院，天津　300072）

疏水性Fe3O4纳米粒子与双亲性嵌段共聚物（PVP-b-PMMA）的自组装

宋晓艳1，杨飞1，程国清1，邢金峰2

（1.天津工业大学材料科学与工程学院，天津300387；2.天津大学化工学院，天津300072）

以乙酰丙酮铁为铁源，用热分解法制备疏水性四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子，将N-乙烯基吡咯烷酮与甲基丙烯酸甲酯嵌段共聚物（PVP-b-PMMA）与疏水性的Fe3O4纳米粒子进行自组装，并采用透射电镜（TEM）、红外光谱（FT-IR）、热重（TGA）分析和动态光散射（DLS）等方法对产物结构进行表征.结果表明：所合成的Fe3O4纳米粒子表面物理吸附和化学键合了一层油胺分子，在二甲基甲酰胺（DMF）溶液中具有很好的分散性，且平均粒径为8.2 nm；在自组装过程中疏水性的Fe3O4纳米粒子能够很好地进入到胶束的内部，并均匀分散在胶束的内腔中.

疏水性；Fe3O4纳米粒子；乙酰丙酮铁；热分解；双亲性嵌段共聚物；自组装

Fe3O4纳米粒子由于其纳米尺寸具有优异的电、磁以及化学性质被广泛研究［1-3］.而一般沉淀法合成的Fe3O4纳米粒子由于其聚集严重、分散性差，严重影响了电、化学性质，进而影响了其进一步地应用，所以合成分散性好的磁性Fe3O4纳米粒子至关重要.而解决分散性的常用方法是对其进行表面修饰，这种方法在某种程度上确实能起到一定的分散效果，但是工序繁琐.再者，经过修饰的纳米粒子尺寸过大，影响了纳米效应.目前比较流行用热分解法来制备Fe3O4纳米粒子，该种方法制得的Fe3O4纳米粒子分散性好、粒径较小［4］.胶束是由双亲性聚合物自组装成的一种聚集体结构，聚合物的疏水段聚集成胶束的内核而亲水段则包裹疏水段形成胶束的外壳.胶束常被用于治癌药物的载体来改善这些药物在水溶液中的溶解性问题，如紫杉醇（PTX）、阿霉素（DOX）等能够很好的包载在胶束内部从而改善其溶解性［5-9］.其原理是当双亲性聚合物与疏水性的纳米粒子共同进行自组装的时候，为了降低体系的能量，在形成胶束的同时会由于疏水性作用把疏水性的纳米粒子也包裹在胶束中［10］.大量的文献都有研究药物载体，但是药物进入胶束后由于其分子结构、粒径过小等很难用TEM直接观察出其是否进入胶束的内部，而Fe3O4纳米粒子具有相对较大的粒径以及在TEM中很容易观察到的特点，本文用油胺修饰的疏水性Fe3O4纳米粒子模拟疏水性药物，与双亲性嵌段共聚物（PVP-b-PMMA）进行自组装，形成载体胶束研究其自组装情况.油胺修饰的Fe3O4较化学沉淀法制备的Fe3O4具有较好的分散性及疏水性，以解决纳米粒子容易团聚的问题；在自组装的过程中通过TEM、DLS等测试手段进行载体胶束的研究，考察Fe3O4纳米粒子在胶束内部的分散状况.

1　实验部分

1.1实验药品及仪器

所用药品包括：乙酰丙酮（CH3COCH2COCH3）、苯基醚、DMF以及四氢呋喃（THF），分析纯，天津市光复精细化工研究所产品；油胺（CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7CH2NH2）、油酸（CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOH），分析纯，上海阿拉丁生化科技有限公司产品；六水合三氯化铁（FeCl3·6H2O），天津市科密欧化学试剂有限公司产品；三水乙酸钠（C2H3NaO2·3H2O），分析纯，天津市赢达稀贵化学试剂厂产品；双亲性嵌段聚合物PVP-b-PMMA，实验室自制［11］.

所用仪器包括：JEOL-2000FXII型透射电镜（TEM），日本电子株式会社产品；Nicolet iN10型傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），美国赛默飞世尔科技公司产品；TG 209 F1 Libra型热重分析仪（TGA），德国耐驰公司产品；Dynapro Titan TC型动态光散射仪（DLS），美国怀雅特技术公司产品.

1.2乙酰丙酮铁的制备

将13.65 g（50 mmol）FeCl3·6H2O溶于50 mL蒸馏水中得到氯化铁水溶液，16 mL（150 mmol）乙酰丙酮溶于50 mL乙醇，13.7 g（100 mmol）乙酸钠溶于40 mL蒸馏水中.把溶有乙酰丙酮的乙醇溶液倒入氯化铁溶液中搅拌均匀，在搅拌条件下将乙酸钠溶液快速倒入其中，把该含有氯化铁、乙酰丙酮和乙酸钠的混合溶液在80℃加热10 min，后冷却至室温并置于冰箱中结晶12 h，过滤得到的红宝石状晶体即为乙酰丙酮铁，用蒸馏水洗涤3次后在45℃真空干燥箱中干燥24 h［12］.

1.3疏水性磁性Fe3O4的制备

把0.71 g（2 mmol）乙酰丙酮铁、1.60 g（6 mmol）油胺、1.67 g（6 mmol）油酸、20 mL苯基醚分别加入到100 mL三口烧瓶中，放入磁子封闭瓶塞.抽真空—充氮气，重复该过程3次以保证三口烧瓶中没有O2.磁子搅拌下升温到200℃，保持该温度2 h使得乙酰丙酮铁完全分解，后迅速升温至320℃回流10 min，反应结束后冷却至室温得到黑色油状物，用乙醇沉淀磁铁分离即得Fe3O4.将所制得Fe3O4纳米粒子重新溶于DMF中待用［13］.图1为乙酰丙酮铁在油胺的作用下加热分解得到疏水性Fe3O4纳米粒子的示意图.

图1　油胺修饰Fe3O4的示意图Fig.1　Scheme of oleylamine modified-Fe3O4

1.4自组装

图2所示为聚合物PVP-b-PMMA与Fe3O4的自组装示意图.

图　Fe3O4与PVP-b-PMMA的自组装原理图Fig.2　Scheme of self-assembly by oleylamine coated-Fe3O4nanoparticles and PVP-b-PMMA

准确称量10 mg的双亲性嵌段聚合物（PVP-b-PMMA）并溶于2 mL THF中，在该聚合物的THF溶液中加入40 μL、质量浓度为1 mg/mL的Fe3O4的DMF溶液，并将200 μL的蒸馏水逐滴滴入上述溶液中并快速搅拌15 min，把该混合溶液倒入透析袋中，透析袋封闭后浸入含有500 mL蒸馏水的大烧杯中搅拌透析.前8 h每隔2 h换一次水，后面每隔8 h换一次水.透析48 h后用离心机13 000 r/min离心10 min去掉上清液即得到包载Fe3O4纳米粒子的聚合物胶束［14］.

1.5结构表征

采用傅里叶变换红外光谱仪定性分析由乙酰丙酮铁分解产生的Fe3O4纳米粒子表面的基团，依此推测出附着在其表面的物质；采用热重分析仪定量分析在Fe3O4表面物质的含量，升温速率为10℃/min，升温区间为20～800℃；乙酰丙酮铁分解法的最终目的是制备出具有疏水性、分散性好的Fe3O4纳米粒子，因此，将Fe3O4分散在DMF中通过TEM技术观察经过油胺修饰后Fe3O4的分散情况，同时在自组装后观察胶束的形貌以及Fe3O4在胶束中的分布情况.

2 　结果与讨论

2.1FT-IR

乙酰丙酮铁（1）和Fe3O4（2）的红外光谱如图3所示.

图3　乙酰丙酮铁（1）和四氧化三铁（2）的红外谱图Fig.3　FTIR spectra of ferric acetylacetonate（1）and ferroferric oxide（2）

由图3可以看出，乙酰丙酮铁谱图中3 000～2 918 cm-1、1 356 cm-1处为甲基（—CH3），1 570 cm-1处为C—O基团，代表乙酰丙酮负离子的存在.当乙酰丙酮负离子与Fe3+离子配位后会形成新键，在515 cm-1、436 cm-1处的峰可以归为Fe—O的伸缩振动峰和螯合振动峰［15］，说明乙酰丙酮中的O-和Fe3+已经配位形成乙酰丙酮铁.Fe3O4谱图中，1 627、582 cm-1处为Fe3O4的特征峰，3 100和1 400 cm-1处为—NH2伸缩振动峰，2 800、2 900 cm-1处为油胺中—CH2—的伸缩振动峰［15］，说明在Fe3O4的表面附着了一层油胺分子.当温度为200℃时乙酰丙酮铁分解，温度继续升高到320℃时油胺分子与新生成的Fe3O4纳米粒子发生配位作用形成新的键.附着的这层油胺分子使得Fe3O4的表面成了疏水表面，有进入疏水性内核的可能.

2.2TGA

油胺修饰Fe3O4的热重分析如图4所示.

图4　油胺修饰的Fe3O4的热重分析图Fig.4　TG curves of oleylamine coated Fe3O4

由图4可以看出，第1阶段是Fe3O4纳米粒子上含有的低沸点物质的挥发，当温度逐渐上升到250℃时到达第2阶段，失重速率快速增加，这一部分可以解释为物理吸附在Fe3O4表面的油胺的挥发，失重达8.3%；温度继续上升到达500℃时到达第3阶段，这一阶段的失重速率明显降低，失重约为4.2%，这是由于化学键合在Fe3O4上的油胺基团分解所导致的.影响纳米粒子在有机溶剂中溶解性的因素是物理吸附和化学键和在Fe3O4表面的油胺的量.同时热重分析也证明了Fe3O4与油胺形成了新的键.

2.3TEM表征

Fe3O4纳米粒子的分散情况如图5所示.

图5　Fe3O4的TEM测试结果Fig.5　TEM images of Fe3O4nanoparticles

由图5（a）可以看出，该Fe3O4为单一分散的纳米单晶体，通过对300粒单晶体直径进行统计得到所合成的Fe3O4的平均粒径为8.2 nm；图5（b）为Fe3O4纳米粒子的直径分布图，可以计算出约有65%的Fe3O4粒子粒径在7～12 nm之间，表明所合成的Fe3O4比较均匀.这是由于油胺修饰后的Fe3O4表面有长链基团产生的位阻作用，使得Fe3O4具有比较好的分散性.

不同浓度疏水性Fe3O4纳米粒子与双亲性嵌段共聚物PVP-b-PMMA（0.02 mg/mL）自组装形成胶束的TEM如图6所示.

图6　不同浓度的疏水性Fe3O4纳米粒子与双亲性嵌段共聚物PVP-b-PMMA（0.02 mg/mL）的自组装TEM图Fig.6　TEM figures of micelles self-assembly by different concentrations of Fe3O4nanoparticle and amphiphibic block copolymer PVP-b-PMMA（0.02 mg/mL）

由图6可以看出，所形成的胶束基本呈现圆形，随着Fe3O4纳米粒子质量浓度从0到0.22到最后的0.45 μg/mL逐渐增加，可以看出Fe3O4纳米粒子比较规则的排列在胶束内部，而胶束的外面几乎没有Fe3O4纳米粒子逸出，并且随着Fe3O4浓度的上升，胶束的平均粒径从70、85到120 nm逐渐增加（如图对TEM图中100个胶束进行统计）.这是因为疏水性的Fe3O4纳米粒子与胶束的疏水段PMMA之间存在的“疏水-疏水”作用力（hydrophobicity-hydrophobicity interface）［16］，这种作用力使得Fe3O4纳米粒子能够稳定地存在于胶束的内核中.

用动态光散射（DLS）所测的结果如图7所示.

图7　不同Fe3O4浓度的胶束所对应的动态光散射粒径分布图（DLS）Fig.7　Dynamic light scattering（DLS）diagram of micelles self-assembled with different concentrations of Fe3O4nanoparticles

由图7可见，不同Fe3O4浓度下的胶束平均粒径分别为110、140和210 nm，也进一步表明随着Fe3O4浓度的升高胶束的粒径逐渐增加.DLS所测的值略大于TEM所测的值，这是由于在TEM测试过程中外层亲水层收缩在TEM中不可见，而在DLS中成分散状态［17］.胶束中Fe3O4的含量越大，疏水性内核的体积就越大，从而胶束的粒径就会越大，与实验结果相符.

3 结论

本文首先合成了乙酰丙酮铁，以乙酰丙酮铁作为铁源、苯基醚为溶剂、油胺为稳定剂通过热分解法制备了疏水性的Fe3O4纳米粒子，并将其与双亲性嵌段聚合物PVP-b-PMMA进行自组装，实验结果表明：

（1）以乙酰丙酮铁为原料，采用热分解法制备出疏水性的Fe3O4纳米粒子，FT-IR、TGA表征证明在Fe3O4纳米粒子表面物理吸附和化学键合了一层油胺分子，正是附着的这层疏水的油胺分子使得Fe3O4表面具备了疏水性，满足了进入胶束的条件，TEM观察发现Fe3O4分散性良好、粒径均匀；

（2）在自组装过程中，经过油胺修饰的Fe3O4纳米粒子能够很好地进入胶束的疏水性内核，胶束呈球状，并且随着Fe3O4浓度的升高，胶束的粒径逐渐增大.

［1］WANG L，SU D，JIANG L.Nano-size effect of hyperbranched polyglycerolgraftedFe3O4nanoparticles［J］.Soft Materials，2014，12（3）：306-314.

［2］ ZHAO Q，CHEN N，ZHAO D.Thermoresponsive magnetic nanoparticles for seawater desalination［J］.ACS Applied Materials&Interfaces，2013，5（21）：11453-11461.

［3］ YOO D，LEE J H，SHIN T H，et al.Theranostic magnetic nanoparticles［J］.Accounts of Chemical Research，2011，44 （10）：863-874.

［4］宋晓艳，丁万庆，杨飞，等.PVDF-g-PMMA/POSS纳米纤维膜的制备与表征［J］.天津工业大学学报，2015，34（1）：12-16. SONG X Y，DING W Q，YANG F，et al.Preparation and characterization of PVDF-g-PMMA/POSS nanofiber membrane［J］.Journal of Tianjin Polytechnic University，2015，34 （1）：12-16（in Chinese）.

［5］GUSTAFSSON S，FORNARA A，PETERSSON K，et al.Evolution of structural and magnetic properties of magnetite nanoparticles for biomedical applications［J］.Crystal Growth& Design，2010，10（5）：2278-2284.

［6］GHOSH G，MINNIS M，GHOGARE A A，et al.Photoactive fluoropolymer surfaces that release sensitizer drug molecules ［J］.Journal of Physical Chemistry B，2015，119（10）：4155-4164.

［7］ZHOU J，ZHANG W，HONG C，et al.Silica nanotubes decorated by ph-responsive diblock copolymers for controlled drug release［J］.ACS Applied Materials&Interfaces，2015，7（6）：3618-3625.

［8］AHMEDA，LIUS，PANY.Multicomponentpolymericnanoparticles enhancing intracellular drug release in cancer cells［J］. ACS Applied Materials&Interfaces，2014，6（23）：21316-21324.

［9］何鹏，张玉忠，祝杰，等.亲水性乙烯-乙烯醇共聚物分离膜的制备与性能表征［J］.天津工业大学学报，2005，24（5）：22-27. HE P，ZHANG Y Z，ZHU J，et al.Preparation and characterization of hydrophilic ethylene vinylalcohol copolymer（EVAL）membranes［J］.Journal of Tianjin Polytechnic University，2005，24（5）：22-27（in Chinese）.

［10］SHIRAKURA T J，RAY A.Hydrogel nanoparticles with thermally controlled drug release［J］.ACS Macro Letters，2014，3 （7）：602-606.

［11］ZHENG X，ZHANG T B，SONG X Y，et al.Structural impact of graft and block copolymers based on poly（N-vinylpyrrolidone）and poly（2-dimethylaminoethyl methacrylate）in gene delivery［J］.The Journal of Physical Chemistry B，2015，3（6）：4027-4035.

［12］CHARLES R G，PAWLIKOWSKI M A.Comparative heat stabilities of some metal acetylacetonate chelates［J］.Journal of Physical Chemistry，1958，62（4）：440-444.

［13］ROCA A G，MARCO J F，MORALES M P，et al.Effect of nature and particle size on properties of uniform magnetite and maghemite nanoparticles［J］.Journal of Physical Chemistry C，2007，111（50）：18577-18584.

［14］KIM B S，TATON T A.Multicomponent nanoparticles via selfassembly with cross-linked block copolymer surfactants［J］. Langmuir，2007，23（4）：2198-2202.

［15］田明达，朱朝敏，罗聪，等.壳聚糖和油酸钠修饰的超顺磁性四氧化三铁纳米粒子的细胞毒性 ［J］.第二军医大学学报，2014，35（4）：366-371. TIAN M D，ZHU Z M，LUO C，et al.Cytotoxicity of superparamagnetic iron oxide nanoparticles modified by chitosan or sodium oleate［J］.Academic Journal of Second Military Medical University，2014，35（4）：366-371（in Chinese）.

［16］宋庆峰.纳米四氧化三铁的制备、修饰及磁场的影响［D］.石家庄：河北师范大学，2008. SONG Q F.Preparation and surface modification of Fe3O4nano-particles and the effect in magnetic field［D］.Shijiazhuang：Hebei Normal University，2008（in Chinese）.

［17］KIM B S，QIU J M，WANG J P，et al.Magnetomicelles：Composite nanostructures from magnetic nanoparticles and crosslinked amphiphilic block copolymers［J］.Nano Letters，2005，5（10）：1987-1991.

Self-assembly of hydrophobic Fe3O4nanoparticles with amphiphilic block copolymer PVP-b-PMMA

SONG Xiao-yan1，YANG Fei1，CHENG Guo-qing1，XING Jin-feng2
（1.School of Material Science and Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The hydrophobic ferriferrous oxide（Fe3O4）nanoparticles was prepared by thermal decomposition method and iron（ⅲ）acetylacetonate as the iron source.The hydrophobic Fe3O4nanoparticles was self-assemblied with block copolymer（PVP-b-PMMA）synthesised by N-vinyl pyrrolidone and methyl methacrylate.The transmission electron microscope（TEM），Fourier transform infrared spectrom（FT-IR），thermogravimetric analysis（TGA）and dynamic light scattering（DLS）technologies were used to characterize the structure of the micelle self-assembled by Fe3O4nanoparticles and PMMA-b-PVP copolymer.Experimental results showed that surface of Fe3O4nanoparticles was covered by a layer of oleylamine molecule which was physical adsorbed and chemical bonded with it，and just the oleyl-molecule layer enable Fe3O4nanoparticles can be dispersed well in dimethylformamide （DMF）solvent and the average diameter of Fe3O4nanoparticles is 8.2 nm.In the process of self-assemble，the hydrophobic Fe3O4nanoparticles were well encapsulated into the interior of the micelle and evenly dispersed uniformly in the core of micelle.

hydrophobic；Fe3O4nanoparticles；iron（III）acetylacetonate；thermal decomposition；amphiphilic block copolymer；self-assembly

TQ460

A

1671－024X（2016）04－0054－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.04.009