一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法技术

本发明专利技术涉及聚合物整体柱制备领域，特别涉及一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱及其制备方法。采用自制的双亲性两嵌段含糖聚合物作为表面活性剂调控连续相乳液，同时该嵌段聚合物还是参与制备整体柱聚合反应的引发剂或链转移剂，结合小分子致孔剂，通过活性乳液聚合一步得到双孔道亲水性双连续聚合物整体柱。本发明专利技术制备的双孔道亲水性双连续聚合物整体柱，整体柱骨架为聚苯乙烯，机械强度高，化学稳定性好，骨架外表面为含糖聚合物，亲水性好容易衍生，且整体柱孔道贯穿，具有超大孔和介孔两种孔道，在细胞培养、酶固定化以及蛋白质快速分离纯化领域具有广泛的应用空间。

Preparation of a bi-channel hydrophilic bi-continuous polymer monolithic column

The invention relates to the field of preparation of polymer monolithic columns, in particular to a biporous hydrophilic bi-continuous polymer monolithic column and a preparation method thereof. A self-made amphiphilic two block sugar containing polymer was used as surfactant to control the continuous phase emulsion. At the same time, the block polymer was also involved in the preparation of initiator or chain transfer agent for monolithic column polymerization, and combined with small molecule pore forming agent to obtain double pore hydrophilic Bi continuous polymer monolith through one step of active emulsion polymerization. The double-channel hydrophilic bicontinuous polymer monolithic column prepared by the invention has polystyrene as its framework, high mechanical strength, good chemical stability, sugar-containing polymer as its outer surface, good hydrophilicity and easy derivation, and the monolithic column has two kinds of pore channels, super-macroporous and mesoporous, and is widely used in the fields of cell culture, enzyme immobilization and rapid separation and purification of proteins. Application space.

【技术实现步骤摘要】
一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法
本专利技术涉及聚合物整体柱制备领域，特别涉及一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱及其制备方法。
技术介绍
随着现代生物科技的迅速发展，对蛋白质、病毒疫苗、质粒等生物大分子的研究利用越发广泛，但这些生物大分子大多空间结构复杂、易失活，因此如何选择合适的生物分离介质对其进行高效的分离成为研究热点。为了降低生物大分子在分离过程中的活性损失，在保证分离纯度的前提下应该尽可能缩短分离时间，以减少生物大分子被流体切割的程度，同时，要求分离介质的孔径一般要大于溶质分子10-20倍，否则生物大分子的扩散和传质都会受到限制(Polymer,2007,48:1981-1988)。传统的分离介质孔径一般在10-50nm左右，导致大分子量的蛋白质(直径1-100nm)、病毒疫苗(20-450nm)和质粒(直径150-250nm)等生物大分子很难进入内部孔道，只能停留在分离介质的外表面，介质的分离容量和分离效率明显降低。此外，目前应用较多的多糖类分离介质还存在机械强度低、无法高流速操作的问题。上世纪90年代初诞生的整体柱是第四代色谱分离介质，它的最大优点就是流速快，渗透率高，溶质传质阻力小，尤其适用于生物大分子的快速分离分析。按基质组成分类，主要包括有机聚合物整体柱、无机硅胶整体柱以及有机-无机杂化整体柱。无机硅胶整体柱机械强度高，孔结构规整，但实验表明只在分离烷基苯、多肽等小分子方面表现良好，同时硅胶柱制备方法复杂，不耐酸碱(只能在pH2-8范围内使用)，对蛋白易产生不可逆吸附。有机聚合物整体柱虽然孔结构不如硅胶整体柱理想，但其制备方法简单、可选单体多元化、容易修饰衍生、机械强度和化学稳定性好，并且对蛋白等生物大分子的分离速度快有助于降低其活性损失，因此近年来作为新一代生物大分子分离介质受到了持续关注。聚合物整体柱能够快速分离生物大分子，但在实际应用当中还存在一些问题。首先是柱分离容量和分离效率不高，无法与颗粒填充柱相比。研究者们认为主要原因是聚合物整体柱骨架为球状颗粒聚集而成，均匀性差，凝胶孔隙率高，并且骨架缺少介孔结构。活性自由基聚合技术用于整体柱制备可以有效控制成核和相分离过程，有利于形成更加均匀的双连续结构。Kanamori等(Adv.Mater.,2006,18:2407-2411)采用氮氧介导自由基聚合技术制备了聚(二乙烯基苯)整体柱，采用分子量13650的聚二甲基硅氧烷作为相分离剂诱导亚稳态分离，得到的整体柱具有类似硅胶整体柱的双连续结构，并且比表面积达到了600m2/g，但作者没有进一步表征这种整体柱的渗透性能和色谱分离性能。同样采用氮氧自由基聚合技术，Fréchet等(Macromolecules,2000,33:7769-7775)以不同链长脂肪醇作为致孔剂，制备了孔径可控(23.5-1024.1nm)的聚苯乙烯整体柱。Hillymer等(Science,2012,336:1422-1425)最近合成了一种聚乳酸链转移剂，结合聚环氧乙烷采用可逆加成-断裂链转移反应(RAFT)制备了具有亚微米级大孔和8-20nm介孔结构的聚苯乙烯整体柱。这种将宏观相分离和微观相分离进行可控组合的方法兼顾了整体柱的比表面积和传质速率，有关它的色谱应用非常值得期待。其次是整体柱的生物相容性问题。目前用于分离生物大分子的聚合物整体柱主要有三类：聚苯乙烯类、聚丙烯酰胺类以及聚(甲基)丙烯酸酯类，但都有一定缺陷：聚苯乙烯类整体柱具有良好的机械强度和化学稳定性，但表面缺乏官能团只能用作反相模式，强疏水介质表面外加有机溶剂的使用会导致蛋白变性失活，要想应用只能亲水改性(Macromolecules2001,34,4361–4369；ACSAppl.Mater.Interfaces,2014,6,12752-12760)。表面改性方法通常受介质表面功能基团数目限制，有时难以完全掩盖疏水表面，并且至少需要2步以上反应才能完成，步骤比较繁琐；聚丙烯酰胺类整体柱机械强度差，缺少固定的孔结构，可以用作固相萃取柱，很少作为色谱介质应用；聚(甲基)丙烯酸酯类整体柱是目前应用最广泛的生物大分子整体柱，通过引入甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸聚乙二醇酯等亲水性单体，这类整体柱生物相容性得到有效提高，但酯类分子不耐酸碱，工业应用时存在清洗困难问题，影响了该类介质的长周期使用。如何开发一种机械强度高、化学稳定性和生物相容性良好的聚合物整体柱对色谱研究者来说同样是一个挑战。综上所述，聚合物整体柱应用于生物大分子分离还存在分离效率低、机械强度差、生物相容性差等问题，制备一种理想的聚合物整体柱来克服上述问题仍是一种挑战。
技术实现思路
本专利技术克服了上述几类聚合物整体柱的不足，开发一种能同时兼顾机械强度、化学稳定性、生物相容性以及分离容量和分离效率的新型整体柱制备方法。采用自制的多功能双亲性两嵌段含糖聚合物为主导，通过活性自由基聚合得到整体柱。双亲性两嵌段含糖聚合物的多功能性表现在以下几个方面：1)可以调节油相和水相形成双连续相乳液；2)作为可逆加成-断裂链转移反应(RAFT)链转移剂或原子转移自由基聚合(ATRP)反应引发剂调控双连续相乳液进行活性自由基聚合，保证了聚合物骨架的均匀性和大孔的贯穿性，通过添加致孔剂还可以在骨架上得到介孔结构；3)双亲性两嵌段含糖聚合物的亲水链段在形成双连续相乳液时会自发排列在面向水通道的油相外表面，聚合后使聚合物整体柱具有类似多糖介质的亲水表面。该双孔道亲水性双连续(骨架连续，孔道连续)聚合物整体柱在细胞培养、酶固定化以及蛋白质快速分离纯化领域具有广泛的应用。本专利技术采用的技术方案是：一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法，主要包括以下步骤：(1)以含糖单体作为聚合单体，采用ATRP或RAFT反应聚合制备线性聚合物，反应温度10-100℃；反应时间为1-20h；单体浓度为0.1-10M。对于ATRP反应，单体与引发剂的摩尔比范围10:1～200:1，催化剂的加入量与引发剂相同，配体的加入量为催化剂的0.5-3倍；对于RAFT反应，引发剂与RAFT试剂的摩尔比范围为0.05-2.0之间。反应溶剂可为甲苯、藜芦醚、苯、溴苯、氯苯、二氧六环、二甲基甲酰胺等有机溶剂中的一种；反应结束后，用四氢呋喃或者三氯甲烷稀释反应产物，对于ATRP反应，需要将产物过氧化铝柱除去催化剂，得到的溶液在正己烷、环己烷或石油醚中沉淀两次，离心后，所得高分子真空干燥后进入步骤(2)；(2)利用步骤(1)制得的聚合物作为ATRP大分子引发剂或者RAFT大分子链转移剂，苯乙烯为单体，用ATRP或RAFT反应进一步聚合得到两嵌段聚合物，反应温度在50-130℃；反应时间为0.5-48h；单体与ATRP大分子引发剂或RAFT大分子链转移剂的摩尔比范围为50:1-600:1；反应结束后产品的处理步骤同步骤(1)；(3)将步骤(2)得到的两嵌段聚合物进行酸解，利用强酸的水溶液，室温下与聚合物混合搅拌0.5-24h，透析冻干后得到双亲性两嵌段含糖聚合物；(4)对于ATRP反应，需将苯乙烯、交联剂二乙烯基苯、步骤3)得到的双亲性两嵌段含糖聚合物、致孔剂、配体和催化剂混合配置成油相，搅拌至双亲性两嵌段聚合物和催化剂完全溶解；对于RA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法，其特征在于步骤包括：(1)以含糖单体作为聚合单体，采用原子转移自由基聚合反应(ATRP)或可逆加成‑断裂链转移反应(RAFT)聚合制备线性聚合物，反应温度10‑100℃；反应时间为1‑20h；单体浓度为0.1‑10M。对于ATRP反应，单体与引发剂的摩尔比范围10:1～200:1，催化剂的加入量与引发剂相同，配体的加入量为催化剂的0.5‑3倍；对于RAFT反应，引发剂与RAFT试剂的摩尔比范围为0.05‑2.0之间。反应溶剂可为甲苯、藜芦醚、苯、溴苯、氯苯、二氧六环、二甲基甲酰胺；反应结束后，用四氢呋喃或者三氯甲烷稀释反应产物，对于ATRP反应，还需要将产物过氧化铝柱除去催化剂，得到的溶液在正己烷、环己烷或石油醚中沉淀两次，离心后，所得高分子真空干燥后进入步骤(2)；(2)利用步骤(1)制得的聚合物作为ATRP大分子引发剂或者RAFT大分子链转移剂，苯乙烯为单体，用ATRP或RAFT反应进一步聚合得到两嵌段聚合物，反应温度在50‑130℃；反应时间为0.5‑48h；单体与ATRP大分子引发剂或RAFT大分子链转移剂的摩尔比范围为50:1‑600:1；反应结束后产品的处理步骤同步骤(1)；(3)将步骤(2)得到的两嵌段聚合物进行酸解，利用强酸的水溶液，室温下与聚合物混合搅拌0.5‑24h，透析冻干后得到双亲性两嵌段含糖聚合物；(4)对于ATRP反应，需将苯乙烯、交联剂二乙烯基苯、步骤3)得到的双亲性两嵌段含糖聚合物、致孔剂、配体和催化剂混合配置成油相，搅拌至双亲性两嵌段聚合物和催化剂完全溶解；对于RAFT反应，应将苯乙烯、二乙烯基苯、双亲性两嵌段含糖聚合物、致孔剂和引发剂混合配制成油相；将盐溶解于去离子水中配置成水相；在搅拌条件下，将水相逐滴加入油相中，使油相与水相形成双连续乳液，通氮气除氧30分钟后将乳液用注射器加入到不锈钢或石英玻璃柱管中升温聚合，反应一段时间后得到聚合物整体柱。(5)步骤(4)所得整体柱分别用乙醇和水进行清洗；室温真空干燥后得到亲水性双连续聚合物整体柱。...

【技术特征摘要】
1.一种双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法，其特征在于步骤包括：(1)以含糖单体作为聚合单体，采用原子转移自由基聚合反应(ATRP)或可逆加成-断裂链转移反应(RAFT)聚合制备线性聚合物，反应温度10-100℃；反应时间为1-20h；单体浓度为0.1-10M。对于ATRP反应，单体与引发剂的摩尔比范围10:1～200:1，催化剂的加入量与引发剂相同，配体的加入量为催化剂的0.5-3倍；对于RAFT反应，引发剂与RAFT试剂的摩尔比范围为0.05-2.0之间。反应溶剂可为甲苯、藜芦醚、苯、溴苯、氯苯、二氧六环、二甲基甲酰胺；反应结束后，用四氢呋喃或者三氯甲烷稀释反应产物，对于ATRP反应，还需要将产物过氧化铝柱除去催化剂，得到的溶液在正己烷、环己烷或石油醚中沉淀两次，离心后，所得高分子真空干燥后进入步骤(2)；(2)利用步骤(1)制得的聚合物作为ATRP大分子引发剂或者RAFT大分子链转移剂，苯乙烯为单体，用ATRP或RAFT反应进一步聚合得到两嵌段聚合物，反应温度在50-130℃；反应时间为0.5-48h；单体与ATRP大分子引发剂或RAFT大分子链转移剂的摩尔比范围为50:1-600:1；反应结束后产品的处理步骤同步骤(1)；(3)将步骤(2)得到的两嵌段聚合物进行酸解，利用强酸的水溶液，室温下与聚合物混合搅拌0.5-24h，透析冻干后得到双亲性两嵌段含糖聚合物；(4)对于ATRP反应，需将苯乙烯、交联剂二乙烯基苯、步骤3)得到的双亲性两嵌段含糖聚合物、致孔剂、配体和催化剂混合配置成油相，搅拌至双亲性两嵌段聚合物和催化剂完全溶解；对于RAFT反应，应将苯乙烯、二乙烯基苯、双亲性两嵌段含糖聚合物、致孔剂和引发剂混合配制成油相；将盐溶解于去离子水中配置成水相；在搅拌条件下，将水相逐滴加入油相中，使油相与水相形成双连续乳液，通氮气除氧30分钟后将乳液用注射器加入到不锈钢或石英玻璃柱管中升温聚合，反应一段时间后得到聚合物整体柱。(5)步骤(4)所得整体柱分别用乙醇和水进行清洗；室温真空干燥后得到亲水性双连续聚合物整体柱。2.根据权利要求1所述的双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的含糖单体为3-O-甲基丙烯酰基-双丙酮-D-葡萄糖、6-O-甲基丙烯酰基-双丙酮-D-半乳糖、3-O-甲代烯丙基-双丙酮-D-葡萄糖、3-O-丙烯酰基-双丙酮-D-葡萄糖、6-O-丙烯酰基-双丙酮-D-半乳糖、对(双丙酮-D-葡萄糖-3-甲氧基)苯乙烯、对(双丙酮-D-半乳糖-6-甲氧基)苯乙烯中的至少一种。3.根据权利要求2所述的双孔道亲水性双连续聚合物整体柱的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲剑波，刘源，李士海，蔺洋洋，彭文舒，张晓云，黄方，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37