[发明专利]一种固定化生物大分子的有机-无机复合水凝胶膜及接枝材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定化生物大分子的有机-无机复合水凝胶膜及接枝材料的制备方法，属于功能材料和生物材料领域。

背景技术

固定化技术是20世纪中期发展起来的一项新型生物技术，其发展可分为两个阶段。首先是固定化酶阶段，起步于20世纪50年代；其次是固定化细胞阶段，诞生于20世纪70年代中期，但后者的应用范围和发展前景远远超过前者。1971年，在美国召开的第一届国际酶工程会议上正式提出了“固定化酶”的概念。目前，固定化生物大分子的研究越来越成为横跨材料、化学、生物、医学等领域跨的研究热点。

所谓固定化生物催化剂，是指利用化学或物理手段将游离的酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂定位于限定的空间区域并使其保持活性和可反复使用的一种新型生物技术，因其具有小型高效、稳定性好、可重复并连续使用、易连续反应和自动化控制等优点，可以提高产物的纯度和过程效率，克服游离生物催化剂对环境敏感、性质不稳定、易失活或死亡等缺点。

固定化生物大分子技术具有处理效率高，操作稳定，对环境耐受力强，工艺流程简便等一系列优点，目前已经在工业、医学、化学分析、环境保护、能源开发等方面得到广泛的应用。实际应用中，载体及包埋条件的选择是固定化生物大分子在较长时间内保持一定的强度和生物活性，降低固定化成本并延长其使用寿命的关键。理想的载体应具备对生物的低毒性，具有多孔性，传质快、稳定性能好，没有特异性吸附，有适合引入配基的官能团、寿命长和价格低廉等特点【环境科学与技术，2012，02：167-172】。

固定化所需要的载体各有不同，比如海藻酸钠、PVA、壳聚糖、聚酯等有机高分子和磷酸钙、碳酸钙、硅胶、硅藻土等无机物。海藻酸钠和壳聚糖均是无毒、生物相容性好、可生物降解的天然高分子材料。海藻酸钠-壳聚糖已被应用于药物控制释放、固定化生物催化剂、细胞培养及微反应器、人体器官和基因运载工具以及分离介质等领域，效果良好，应用前景十分广阔【仲恺农业技术学院学报，2007，04：1-5】。海藻酸钠作为天然高分子材料因其安全环保，价格低廉，对细胞相对毒性小，固定化成形方便，传质性能好，广泛应用于生物大分子的固定中，如固定化脂肪酶、谷氨酰胺转胺酶等。海藻酸钠固定化生物大分子需钙离子形成凝胶，能有效地包埋生物大分子，生物大分子活收率较高，但钙化的海藻酸钠凝胶稳定性差，容易在多离子作用或在钙离子扩散而钾、钠离子大量聚集时变软，出现“漏酶”现象。壳聚糖的氨基酸在适当pH下容易质子化而形成阳离子聚电解质，海藻酸钠的羧基在水中易离子化成阴离子聚电解质，聚阳离子和聚阴离子可互相吸引形成稳定的聚电解质化合物。添加壳聚糖于海藻酸钙凝胶中，利用壳聚糖氨基组与海藻酸羧基组的结合作用可加强海藻酸钙稳固性。【食品工业科技，2011，05：209-211.】

利用无机物进行生物分子固定化也是一个非常活跃的研究领域。通过溶胶-凝胶技术可将许多生物分子如蛋白质、酶，甚至完整的细胞包埋到二氧化硅凝胶中。然而，与其它的生物固定化方法一样，生物分子包埋后，其生物活性下降甚至丧失是一个普遍存在的问题。目前主要是通过引入有机基团来制备二氧化硅有机/无机杂化材料。Gill等报道了使用甘油对水解前体进行化学修饰；Brennan等报道了将糖分子和硅酸甲酯硅共价结合后，水解前体可以显著地提高生物相容性【高等学校化学学报，2011，05：1100-1105】。此外，很多无机物粒子虽然固定化生物大分子效率高，稳定性好，但是无机物颗粒收集使用很不方便，有些无机物表面生物相容性差，固定化后生物大分子容易失活。

用有机-无机复合材料进行生物大分子的固定是近年来研究的新兴方向。马文韬等以硅基介孔分子筛MCM-41为载体，在二氧化硅载体的介孔孔道中固定生物酶分子，再将制备好的固定化酶生物催化剂二次固定于海藻酸钙凝胶体中【发明专利CN200810034104.9】。本发明方法采用了物理吸附包埋法和溶胶-凝胶法，固定酶生物催化剂具有较好的酶分散性和较高的载酶量，并且具有较高的酶活性回收率和重复利用率。