[发明专利]反应器培养海绵或其细胞生产生物硅质材料的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用生物方法获得生物硅质材料的方法，具体说是反应器培养海绵或其细胞生产生物硅质材料的方法及装置。

背景技术

海绵是最低等的多细胞动物，具有利用水体中低浓度原硅酸合成自身骨骼的能力。相比常规方法，这种生物合成过程是在自然环境、极低的底物浓度下进行的。海绵骨骼的基本组成单位是骨针，其化学成分是带有结晶水的二氧化硅((SiO₂)_2~5·H₂O)，与商用光学玻璃的化学组成一致，同时，研究表明这种生物硅质材料具有良好的生物相容性和化学稳定性，其材料性能如断裂强度等优于同等尺寸的人造玻璃材料，因此在生物、化工、光学、半导体等领域具有巨大的应用前景。但是，由于天然海绵骨针的主要成分是二氧化硅，其化学稳定性也影响了对海绵生物硅质材料的进一步应用。硅烷偶联剂是一类广泛应用于化工领域的化学品，能够用于改善或调解硅橡胶的高分子材料的理化性质。因此，在骨针合成过程中引入硅烷偶联剂将是一个有益的尝试。

同时，海绵还是重要的药源生物，海绵的反应器养殖或海绵细胞培养将是是未来解决生物量来源的最可能途径，但是海绵中的硅质材料占了海绵干重生物量的50％以上，目前大多被作为加工废料处理，造成了极大的资源浪费。这部分骨针的合理利用将会产生巨大的经济效益和环境效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应器培养海绵或其细胞生产生物硅质材料的方法，构建与海绵运动生长相适应的培养体系，通过调控水体中硅源组成，引入硅烷偶联剂，进行化学成分可控的海绵来源生物硅质材料生产。

方法原理：在海绵硅质材料产生过程中起重要作用的是一类被称为硅聚合酶(silicatein)的蛋白，这类蛋白具有催化原硅酸聚合成二氧化硅聚合物的能力，同时体外实验表明这类蛋白还能催化苯基三甲氧基硅烷聚合的能力。这使得通过改变培养体系中硅源种类最终在海绵硅质材料中引入有机基团进行改性成为可能。

海绵组织在生长运动过程中，不断产生新的骨针材料，并抛弃旧的部分。在水流以及生长载体的导向下，海绵组织能够不断运动。因此，合理的构建海绵生长反应器，将能够在不损伤海绵组织的前提下直接获得海绵骨针。受到目前海绵组织培养水平的限制，将海绵组织的生长其定为6周。

海绵细胞聚集体培养过程中，也会产生骨针，以满足其生长需要，并且在原有海绵骨针在细胞离散过程中已经被去除，因此，产生的新生骨针将完全是改性后的骨针。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明基于海绵组织块反应器培养体系或海绵细胞培养体系的、生产具有一定化学修饰或改性的海绵来源生物硅质材料的方法；利用海绵自身生物学性质进行生物硅质材料的生产，以改变海绵生长体系中硅源种类为基础生产改性生物硅质材料；

具体为，于反应器采用天然海水、投入常规的海绵饵料微藻培养海绵或其细胞，在反应器中设置有与水平方向成45-135度生长面的附着基，海绵或其细胞可沿生长面生长，在天然海水添加有硅烷偶联剂，硅烷偶联剂于天然海水中的摩尔浓度为10-100μM，利用海绵组织生长运动过程中抛弃部分原有骨骼的现象进行骨针收获，或在离体海绵细胞培养体系中进行生产骨针，得到生物硅质材料。

进一步，可以对得到生物硅质材料进行纯化，将所其中的骨骼残余物或海绵组织进行酸洗，去除有机质，得到具有特定化学修饰的海绵来源生物硅质材料；所述酸为浓硝酸或体积比为0.1-4∶1的浓硫酸与浓硝酸的混合酸，酸洗的处理温度为25-80℃，处理时间为0.5小时或0.5小时以上。

所述硅烷偶联剂为以原硅酸为基础的硅氧烷及其衍生物(如四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷等)；具有一个硅碳键的硅氧烷及其衍生物(如丙基三甲氧基硅烷、3-脲基丙基三甲氧基硅烷等)；或其它具有与原硅酸发生聚合反应的硅烷衍生物。

通过反应器培养海绵生产海绵来源生物硅质材料，进行生物硅质材料化学修饰，具体操作过程为，

1)将采集的野生海绵利用经过0.22μm滤膜过滤除菌的天然海水清洗表面，将表层泥沙、附生藻类等污染物去除；

2)将清洗后的海绵用手术刀切成面积约为1-3cm×1-3cm的小块；

3)将步骤2)中切好的海绵小块转移进经过0.22μm滤膜过滤除菌并加入200-400mg/L庆大霉素的天然海水中，静置5-10分钟；

4)在反应器中加入经0.22μm滤膜过滤除菌的天然海水，其中添加有硅烷偶联剂，待用；