基于疏水改性海藻酸钠材料的两亲结构微球及制备和应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于疏水改性海藻酸钠材料的两亲结构微球新产品。其特征在于微球产品为粒径10-4000微米的微球，产品特征是两亲结构微球由海藻酸钠（SA）为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc）为侧链的接枝共聚物（SA-g-PVAc）为主材的水凝胶结构。这种微球产品可作为酶或者细胞的固定化载体用于非水相生物催化。
【专利说明】基于疏水改性海藻酸钠材料的两亲结构微球及制备和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微球产品，具体地说是一种用于酶或细胞固定化的两亲结构微球 产品及其在非水相生物催化领域的应用。
【背景技术】
[0002] 生物催化的主要挑战是将生理状态下作用的酶转变为工业过程中苛刻条件下执 行功能的催化剂，其中非水相生物催化是工业生物催化的一个重要方面。而生物催化剂酶 或细胞的活性和稳定性保持是非水相生物催化需要解决的关键问题。
[0003] 从工程学的角度，固定化技术是一个简单易行且行之有效的手段，可以保持或提 高生物催化剂在非水相中活性和稳定性。但传统的亲水性固定化载体应用于非水相介质 时，疏水底物或产物难以扩散传递，成为整个生物催化过程的限速步骤。
[0004] 国际上关于两亲结构固定化载体的研究现状如下：①在四甲氧基硅烷中添加 盐酸或氯钼酸的异丙醇溶液作为催化剂，经过水解或者升温至303K引发反应聚合，得到 海藻酸钙凝胶网络包裹硅胶微球形式的亲、疏水骨架结构以包埋细胞或酶，用于生物转 化（Kawakami K and Furukawa SY, Alcohol-oxidation activity of whole cells of Pichia pastoris entrapped in hybrid gels composed of Ca-alginate and organic silicate. Applied Biochemistry and Biotechnology，1997, 67:23 - 31)。②用聚轻乙 基丙烯酸酯和聚硅氧烷复合材料，经紫外引发自由基聚合形成多孔膜，通过浸泡方式将酶 吸附在纳米尺度的亲水区，而其中分布的疏水区用于疏水底物的扩散（Yi YY，Kermasha S，Neufeld R. Matrix physicochemical properties affect activity of entrapped chlorophyllase. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2005, 80(12):13 95-1402)。但是，上述两种体系反应条件苛刻，引入了非生物相容的化学催化剂、溶剂及疏水 性成分，破坏了生物催化剂需要的温和水环境，导致其活性和稳定性明显下降。③吴宏等使 用了过硫酸钾为引发剂，将已经成型的海藻酸钙水凝胶与乙酸乙烯酯进行非均相接枝共聚 反应，得到了接枝度为1074%的改性胶珠(吴宏，萧聪明，周立春，等，KSP引发醋酸乙烯酯与 海藻酸钙小球接枝共聚反应[J].化工科技，2002, KK5M7-18);方艳红等选择了过硫酸铵 为引发剂，将海藻酸钙水凝胶与乙酸乙烯酯进行非均相接枝共聚反应，得到了接枝度1927% 的改性胶珠(方艳红，萧聪明，吴宏，等.海藻酸钠水凝胶与VAc的接枝共聚反应[J].华侨 大学学报（自然科学版)，2005,26(2):138-140)。但是，此种非均相共聚方法存在较大问题： 1、改性海藻酸钙的接枝度远超100%，说明在海藻酸钙胶珠表面包覆形成的聚乙酸乙烯酯成 为了主要结构，海藻酸钙的比例大幅降低，因此这类胶珠不能保持海藻酸钙原有的特性。2、 当海藻酸钙胶珠用于包埋细胞或者敏感的生物活性物质时，在成型胶珠上接枝共聚反应会 导致生物物质活性损失。本发明采用乙酸乙烯酯与海藻酸钠分子进行溶液聚合，通过控制 乙酸乙烯酯的溶液共聚活性及聚合反应条件，制备出接枝度可控（1-50%)的疏水改性海藻 酸钠材料，该产品仍保持亲水性海藻酸钠主链结构，而且可以溶解并加工成海藻酸钙胶珠 或水凝胶，不会对包埋的生物物质活性造成影响。
[0005] 因此，在传统的固定化载体技术中，如何既提供亲水环境以保持生物催化剂的活 性和稳定性，又提供疏水环境以促进疏水底物/产物传递，仍是非水相生物催化研究面临 的重要挑战。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明将预先制备好的疏水改性后的海藻酸钠（SA)为主链、聚乙 酸乙烯酯（VAc)为侧链的接枝共聚物（SA-g-PVAc)为主材，将制备好的上述两亲海藻酸钠 材料与生物活性功能的酶或微生物细胞混合，避免了在成型胶珠上接枝聚合反应导致的活 性损失。具体是指
[0007] 技术方案：
[0008] -种基于疏水改性海藻酸钠材料的两亲结构微球，微球产品为粒径10-4000微米 的微球，两亲结构微球由海藻酸钠（SA)为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc)为侧链的接枝共聚物 (SA-g-PVAc)为主材，形成海藻酸钠端亲水区和聚乙酸乙烯酯端疏水区。
[0009] 所述亲水区提供了保持酶或微生物细胞生物活性的水凝胶环境，疏水区增强疏水 分子的扩散传递，该微球产品可用于非水相生物催化。
[0010] 产品中主要成分是海藻酸钠（SA)为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc)为侧链的接枝共聚 物（SA-g-PVAc)，其中，海藻酸钠主链平均分子量100-5000kDa，接枝产物SA-g-PVAc的分子 量为34-360kDa，侧链接枝率1-50%。
[0011] 接枝率的计算公式(参考文献：梁景程，杨慧娟.元素分析法测定高分子量PP接枝 率[R]. 2007全国高分子学术论文报告会，2007):
[0012] ，M=M1+M2，
【权利要求】
1. 基于疏水改性海藻酸钠材料的两亲结构微球，其特征在于：微球产品为粒径 10-4000微米的微球，两亲结构微球由海藻酸钠（SA)为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc)为侧链的 接枝共聚物（SA-g-PVAc)为主材，形成海藻酸钠端亲水区和聚乙酸乙烯酯端疏水区。
2. 按照权利要求1所述的微球，其特征在于： 产品中的海藻酸钠（SA)为主链、聚乙酸乙烯酯（VAc)为侧链的接枝共聚物 (SA-g-PVAc)，其海藻酸钠主链平均分子量100-5000kDa，接枝产物SA-g-PVAc的分子量为 34-360kDa，侧链接枝率 1-50%。
3. 按照权利要求1所述的微球，其特征在于： 酶或微生物细胞包埋微球中或吸附于微球上； 所述亲水区提供了保持酶或微生物细胞生物活性的水凝胶环境，疏水区增强疏水分子 的扩散传递。
4. 一种权利要求1、2或3所述微球的制备方法，其特征在于：微球产品的制备按照生 物活性酶或微生物细胞的引入方式分为直接包埋法或吸附法； 其中，直接包埋法的制备步骤是： (1) 用生理盐水将海藻酸钠-聚乙酸乙烯酯接枝共聚物材料（SA-g-PVAc)配制成浓度 为 5-20g/L (w/v)的溶液； (2) 将步骤（1)制备的溶液与具有催化功能的酶或微生物细胞混匀； (3) 将步骤（2)制备的含有酶或微生物细胞的混合溶液，采用挤出或乳化的方式形成 球形液滴； (4) 将步骤（3)制备的球形液滴通过化学交联剂或pH交联引发凝胶化反应，形成包埋 酶或者微生物细胞的两亲结构微球； 吸附法的制备步骤是： (1) 用生理盐水将海藻酸钠-聚乙酸乙烯酯接枝共聚物材料（SA-g-PVAc)配制成浓度 为 5-20g/L (w/v)的溶液； (2) 将步骤（1)制备的溶液采用挤出或乳化的方式形成球形液滴； (3) 将步骤（2)制备的球形液滴通过化学交联剂或pH交联引发凝胶化反应，形成两亲 结构微球； (4) 将步骤（3)制备的微球浸泡在酶或者微生物细胞的混悬液中，吸附酶或微生物细 胞，从而制备成吸附酶或者微生物细胞的两亲结构微球。
5. 按照权利要求4所述微球的制备方法，其特征在于： 上述制备的包埋或吸附酶或微生物细胞的两亲结构微球可以与聚阳离子进一步反应 成膜，制备成包埋有酶或微生物细胞的两亲结构微胶囊。
6. 按照权利要求5所述微球的制备方法，其特征在于： 微球制备过程中所用聚阳离子包括壳聚糖及其衍生物、α或ε聚赖氨酸、聚鸟氨酸、 聚精氨酸、聚胺及其衍生物、聚酰胺及其衍生物、聚酰亚胺及其衍生物中一种或二种以上， 或上述二种以上聚阳离子的共聚物，分子量在lkDa-500kDa。
7. 按照权利要求4所述微球的制备方法，其特征在于：微球制备过程采用的挤出方式 包括静电喷雾挤出、锐孔压力挤出、或压电陶瓷挤出方式，在挤出方式下所用的化学交联剂 包括钙、钡、锌中一种或二种以上的可溶性盐溶液，化学交联剂浓度为〇. l_3mol/L。
8. 按照权利要求4所述微球的制备方法，其特征在于： 微球制备过程采用的乳化方式包括乳化-外部凝胶化方式，在该方式下所用的化学交 联剂包括钙、钡、锌中一种或二种以上的可溶性盐溶液；化学交联剂浓度为〇. l_3mol/L 或，微球制备过程采用的乳化方式还包括乳化-内部凝胶化方式，在该方式下，需要将 步骤（1)制得的溶液与不溶性钙盐均匀混合，所用的pH交联剂包括盐酸、醋酸溶液中一种 或二种以上；体积浓度0. 1%-10% ; 所述不溶性钙盐包括碳酸钙、柠檬酸钙、草酸钙等中一种或二种以上；质量浓度 l-100g/L。
9. 按照权利要求4所述微球的制备方法，其特征在于： 直接包埋法中步骤（2)时，将步骤（1)制备的溶液与具有催化功能的酶或微生物细胞 混合；其中，酶包埋量〇. l-l〇〇〇mg/ml，微生物细胞包埋量106-10n/ml。
10. 按照权利要求1、2或3所述微球的应用，其特征在于：微球产品作为酶或细胞的固 定化载体，用于非水相生物催化。
【文档编号】C08J3/24GK104099316SQ201310123976
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月11日 优先权日:2013年4月11日
【发明者】马小军, 刘袖洞, 于炜婷, 丁东慧, 许冠哲 申请人:中国科学院大连化学物理研究所