磁性聚合物微球研究进展_邓勇辉
磁性微球固定化酶工艺研究进展
磁性微球固定化酶工艺研究进展卢燕燕;王宝维【摘要】磁性微球固定化酶就是利用磁性微体作为裁体进行酶的固定化,由于其具有环保、酶重复利用效果好和降低生产成本等优点,近几年已经成为研究的焦点.本文重点对磁性微球固定化酶制备工艺的研究现状、应用及发展前景进行阐述,为同行们今后开展研究提供参考.【期刊名称】《肉类研究》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】5页(P78-82)【关键词】磁性微球载体;固定化酶;制备工艺【作者】卢燕燕;王宝维【作者单位】青岛农业大学,食品科学与工程学院,山东,青岛,266109;青岛农业大学,食品科学与工程学院,山东,青岛,266109【正文语种】中文【中图分类】TS201.2酶参与体内各种代谢反应，而且反应后其数量和性质不发生变换。
作为一种生物催化剂，酶可以在常温常压等温和条件下高效地催化反应，一些难以进行的化学反应在酶的催化作用下也可顺利地进行反应，而且反应底物专一性强、副反应少等优点大大促进了人们对酶的应用和酶技术的研究。
但在实际应用中，酶对环境敏感、反应后难以回收等缺点限制了酶制剂产品的开发和应用，在这种情况下，固定化酶应运而生[1]。
所谓酶的固定化是指利用化学或物理手段将游离的酶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基本技术[2]。
在理论及实际应用上，酶固定化技术克服了游离酶的许多缺点，但是固定化酶技术目前还存在固定效率低、载体的有毒性、成本高、稳定性差、不能大规模生产等问题，这些都限制了固定化酶技术的发展与应用。
在固定化酶技术中，载体材料的结构和性能对酶的活性保持及应用至关重要，因此对固定化酶载体的研究成为该领域研究的热点。
本文主要从其中的一种新型载体——磁性高分子微球的特点出发，就磁性微球固定化酶工艺的研究现状、应用及前景进行综述，为新型载体的选择提供理论依据，以期随着生物技术及材料、化工等各相关学科的不断发展，固定化酶的工作会有新的突破。
一种制备唾液酸磁性表面分子印迹聚合物的新方法
摘要一锅法合成的氨基化磁性纳米颗粒Fe3O4@NH2，与对甲酰基苯硼酸（FPBA）反应嫁接上硼酸官能团，通过硼酸基与模板唾液酸Neu5Ac分子上的顺式二醇共价反应，将Neu5Ac 定向固定于磁性纳米颗粒。
以多巴胺（DA）及3-氨基苯硼酸（3-APBA）为功能单体，自聚合反应形成共聚壳层包覆在磁性纳米颗粒的表面，制备得Neu5Ac磁性分子印迹聚合物（MMIPs）。
通过透射电镜、红外光谱对其形态及结构进行表征，并评价其吸附性能。
结果表明，Neu5Ac磁性分子印迹聚合物对Neu5Ac具有较好的吸附量、较好的印迹效率、较好的特异性等优点；通过对Neu5Ac至少5轮吸附-洗脱的循环实验表明，MMIP具有较好的重复再利用能力。
引言唾液酸是一类天然神经氨酸的N-或O-衍生物的总称。
现已知的唾液酸成员有50多种，主要包括N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）、N-羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc）和脱氨神经氨酸（KDN）3种核心结构。
唾液酸基本上都是这3种核心成分的乙酰化、巯基化、甲基化、酯化和内酯化产物。
唾液酸在机体生理、病理过程中发挥重要的作用。
Neu5Ac、Neu5Gc是唾液酸最丰富的形式；人体内主要的唾液酸形式是Neu5Ac。
研究表明，Neu5Gc可能参与了人体慢性炎症、肿瘤和心血管疾病如血管炎和动脉粥样硬化等的发展。
来源于饮食的Neu5Ac可增加脑内唾液酸水平，促进神经发育、提高认知能力；Neu5Ac是保健品燕窝中的最重要成分。
另外，KDN也可以作为Neu5Ac的替代品，在选择拮抗剂和保健食品添加剂方面发挥重要作用。
据报道，已有多种方法来分析糖缀合物中的唾液酸，包括薄层色谱法、气相色谱法、高效液相色谱法和核磁共振波谱法等[7]。
但是，这些方法的共同局限性是需要纯化样品以避免其他污染物的干扰。
因此，对唾液酸的分离纯化对与唾液酸相关的食品药品质量、疾病代谢机理研究都有着重要的意义。
利用分子印迹技术，模板分子与功能单体间共聚合成的对模板具有特异性识别能力的分子印迹聚合物，以其低成本、制备简单、物理和化学稳定性好，适应各种复杂样品环境和高特异性等优点在分离、纯化等领域有着广泛的应用。
磁性微球的生物医学进展
磁性微球的生物医学进展1、磁性微球的制备磁性微球的制备方法较多，不同类型的磁性微球制备方法不同。
大致可分为物理法和化学法。
物理法有喷雾干燥、热处理法和冷冻凝聚法。
化学法有乳液聚合法、悬浮聚合法、分散聚合法、自组装法和生物合成法等。
1.1喷雾干燥法喷雾干燥法是将磁流体分散在基体材料的溶液中，利用喷雾干燥制得磁性微球。
王强斌等〔7〕将纳米磁流体分散在聚丙烯腈的N , N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，混合均匀后进行喷雾，得到外形规整、粒径分布较窄、磁含量约15% 的聚丙烯腈磁性微球，得到的磁性微球可作为固定化酶的载体。
1.2热处理法热处理法是将蛋白质分散在磁流体中，在超声激烈搅拌下加热，使蛋白质稳定，可得到蛋白质包覆的磁性微球。
Jchatterjee等〔8〕采用此法得到了分散性良好的人血清白蛋白（HSA）磁性微球。
将HSA加入到磁流体中，然后将混合液倒入棉子油中，先在低温（4 C ）下高速超声搅拌，然后加热到130 C，同时保持高速的搅拌，持续一定时间，然后冷却洗涤。
得到的磁性微球分散良好，稳定性较化学交联蛋白质得到的磁性微球更好。
1.3冷冻凝聚法冷冻凝聚法是将磁流体分散在基体材料中，再加入液体石蜡，搅拌。
低温冷却后加入有机溶剂搅拌、过滤、洗涤可得到包覆Fe3O4的磁性微球。
张胜〔9〕等利用冷冻法制备了包裹超微Fe3O4和平阳霉素的明胶磁性微球。
此微球具有较好的靶向性和缓释性。
1.4乳液聚合法乳液聚合法是将磁流体分散在高分子单体中，加入乳化剂，高速搅拌剪切乳化。
同时高分子单体在乳液滴中发生聚合反应，形成了磁性颗粒均匀分散的磁性高分子微球。
谢钢〔10丨采用乳液聚合法制备了PS（聚苯乙烯）/Fe3O4复合微球，并研究了不同的分散稳定剂对所制备的复合磁性微球的影响。
悬浮聚合和乳液聚合类似，将磁流体加入到高分子单体中，不加乳化剂的情况下，借助高速搅拌的作用将单体分散成小液滴，单体在小液滴中反应，得到磁性高分子微球。
211251924_磁性分子印迹聚合物在天然活性物质分离纯化中的研究进展
王艳辉，郑光耀，闫林林. 磁性分子印迹聚合物在天然活性物质分离纯化中的研究进展[J]. 食品工业科技，2023，44（11）：442−450.doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022070368WANG Yanhui, ZHENG Guangyao, YAN Linlin. Research Progress of Magnetic Molecularly Imprinted Polymers in Separation and Purification of Natural Active Substances[J]. Science and Technology of Food Industry, 2023, 44(11): 442−450. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2022070368· 专题综述 ·磁性分子印迹聚合物在天然活性物质分离纯化中的研究进展王艳辉，郑光耀，闫林林*（中国林业科学研究院 林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室；国家林业和草原局林产化学工程重点实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室；江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏南京 210042）摘 要：磁性分子印迹聚合物是将磁性纳米粒子与分子印迹聚合物组装而成的一类新型分离材料，具有选择性高、易分离和易再生的特点，可被用于食品、药品检测前处理以及天然活性物质的分离纯化等领域。
本文介绍了磁性分子印迹技术的制备原理和方法，重点综述了近5年（2017~2022）磁性分子印迹聚合物在多酚类、生物碱、有机酸、萜类以及生物大分子化合物等天然活性物质的分离纯化方面的研究进展，并针对当前分离纯化领域的研究难点进行了讨论，以期为高值化、低含量的天然活性成分的富集、纯化及其分析检测提供研究参考。
功能化高分子磁性微球的机理及制备
功能化高分子磁性微球的机理及制备林青材科091班摘要磁性高分子微球是最近发展起来的一种新型功能高分子材料。
它具磁性粒子和高分子粒子的特性,在外加磁场的作用下既可方便地从介质中分离, 又因其表面积大、表面特性多样的优点可通过对其表面进行改性从而赋予其表面多种功能基，进而结合各种功能物质，在各个领域得到广泛应用。
本文就功能化磁性微球的作用机理及制备做了简要综述关键词磁性微球纳米颗粒功能化0 前言磁性高分子微球是指通过适当的方法使有机高分子与无机磁性物质结合起来形成的具有一定磁性及特殊结构的微球。
具有生物活性的高分子生物材料是高分子科学与生命科学之间相互渗透而产生的一个重要的边缘领域, 是近50 年以来高分子科学发展的一个重要特征。
功能化的高分子磁性微球一方面因其具有能够与生物活性物质反应的特殊功能团, 可以作为生物活性物质的载体, 另一方面又因其具有超顺磁性, 在外加磁场的作用下能快速、简单的分离, 使其在生物工程、生物医学( 靶向药物等) 、细胞学( 细胞分离、细胞标识) 等领域的研究日益增多, 具有较好的应用前景。
1 功能化磁性微球与生物大分子的作用机理包埋着磁性粒子的高分子材料具有多种有反应活性的功能基团, 如羧基( -COOH ) 、羟基( -0H) 、氨基( -NH 2 ) 等, 他们都能够与生物高分子(如氨基酸、蛋白质、催化酶等) 中的活性基团进行共价结合, 从而实现磁性微球作为生物载体的功能。
同时通过磁性微球的功能基团也可在颗粒表面偶联特异性的靶向分子(如特异性配体、单克隆抗体等), 靶向分子和细胞表面的特异性受体结合, 在细胞摄粒作用下进入细胞内, 可实现安全有效地用作靶向性药物、基因治疗、细胞表面标记、同位素标记等。
瑞典皇家理工学院的Mikhaylova 等曾运用表面含有的-NH2的磁性微球来运载BSA( 牛血清蛋白) ,他们先将-NH2修饰到磁性纳米颗粒的表面, 然后再将BSA 中的羧基进行活化, 羧基和氨基形成肽键, 从而实现磁性微球运载BSA 。
磁响应微球
磁响应微球是一种新型磁性材料，由磁性无机粒子与有机高分子结合形成，具有磁响应性和特殊结构。
这种材料不仅可以像普通高分子微球一样具有多种特性，还可以在外加磁场的作用下实现导向功能。
磁性高分子微球的制备主要有两条途径：一是利用天然高分子直接包埋磁性材料形成具有磁核的高分子微球；二是在磁流体存在下通过单体聚合形成磁性微球。
通过适当的方法，可以在复合微球中控制纳米粒子的分布，制备具有不同组织层次结构的磁性聚合物微球。
磁响应微球的应用广泛，例如，可以用于制备磁性药物载体，实现药物的磁响应释放，降低药物的突释，提高药物的缓释效果。
此外，磁响应微球还可以用于肿瘤热化疗、细胞分离和生物传感等领域。
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磁性聚合物微球研究进展邓勇辉1,汪长春1,杨武利1,胡建华1,金 岚1,褚轶雯1,府寿宽1＊,沈锡中2(1.复旦大学高分子科学系,教育部聚合物分子工程实验室,上海 2000433;2.复旦大学附属中山医院消化科,上海 200032) 摘要:磁性聚合物微球作为一种新型功能材料,在许多领域尤其是生物医药、生物工程等方面具有广阔的应用前景。
本文综述了近年来磁性聚合物微球的制备及应用等方面的最新进展。
关键词:磁性聚合物微球;制备;应用;研究进展引 言磁性聚合物微球是一种由磁性材料和非磁性聚合物材料复合而成的新型功能微球,其中磁性成分主要是铁、钴、镍,或者它们的氧化物以及合金等,非磁性聚合物材料可以是合成聚合物如聚苯乙烯和各种丙烯酸树脂或天然聚合物蛋白质、淀粉、葡聚糖、琼脂糖等,也可以是无机聚合物如二氧化硅等。
以无机聚合物作为非磁性组分的磁性聚合物微球方面的文献报道得不多,因此本文着重综述有机-无机复合的磁性聚合物微球,并将这类微球称为磁性聚合物微球。
磁性聚合物微球通常由无机磁性材料和有机聚合物材料构成,一方面,它具有有机聚合物微球的众多特性,如可通过共聚、表面改性等途径,赋予其表面多种反应性官能团(如羟基、羧基、氨基、醛基等),通过吸附或共价键合的方式与酶、细胞、药物等生物活性物质结合;另一方面,由于它具有超顺磁性可以很方便地在外加磁场作用下从介质中分离出来。
因此,磁性聚合物微球被广泛地应用作分离材料和载体,如免疫分析、固定化酶、靶向给药、细胞分离等。
另外磁性聚合物微球也被广泛应用于磁共振成影、磁记录、环境保护以及磁性塑料和磁性橡胶等领域。
1 磁性聚合物微球的分类磁性聚合物微球按照其结构特点可以大致分为以下几种类型,第一类,核壳式,即内核是无机磁性颗粒,外壳是聚合物,这种复合微球中,无机磁性颗粒完全被聚合物包埋,形成典型的核壳结构,如图1A所示;第二类,反核壳式,即内核是聚合物,外壳是无机磁性颗粒,在这类复合微球中无机颗粒通过静电作用或络合等方式沉积在聚合物微球的表面从而形成无机磁性壳层,如图1B所示;第三类,夹心式,即内外层均为聚合物,中间为无机磁性颗粒,这类复合微球往往是通过对第二类微球再包裹一层聚合物而制备的,如图1C所示;第四类,弥散式,即无机磁性颗粒遍布在聚合物微球中,如图1D所示,这类微球最早是由荷兰科学家Ugelstad等报道的。
2 磁性纳米颗粒(磁流体)的制备磁性纳米颗粒可以是金属铁、镍、钴或其合金或其氧化物等,由于镍、钴等存在毒性,在生物、医药等领域的应用受到严格限制,而铁的氧化物(Fe3O4,γ-Fe2O3)因其低毒(LD50约2000mg kg体重,远远高于目前临床应用剂量)、易得等特点通常被用作磁性聚合物微球的磁性组分。
制备磁性纳米颗粒的方法主要基金项目:NSFC(No50173005,50343019)和STCS M(03JC14012)资助项目;作者简介:邓勇辉(1977-),男,江西临川人,复旦大学高分子科学系博士研究生,研究方向为磁性聚合物微球的制备及其应用。
＊通讯联系人E_mail:skfu@.图1 不同类型的磁性聚合物微球Figure1 Different types of magnetic polymer microsphere包括物理法(即机械研磨法)、化学法(铁盐沉淀法、金属有机物高温热解法以及高温溶液反应等)。
2.1 物理法机械研磨法是早期制备磁流体的方法,1965年Papell等[1]首先报道。
Papell利用油酸作为界面活性剂,制备了表面吸附表面活性剂的四氧化三铁颗粒,这种方法制备的颗粒在烃油中具有良好的胶体稳定性,后来Rosensweig等[2]进一步对这一方法进行了改进,并首次将所制备的分散液命名为“Ferr ofluid”。
机械研磨法通过长时间对铁氧体矿物(如四氧化三铁颗粒)进行湿法研磨并加入适当的表面活性剂,可以制得粒径大约10nm的四氧化三铁颗粒,这些纳米颗粒经过不同方法处理可以稳定分散在烃油(如煤油)或水中。
虽然机械研磨法比较简单,但是由于这种方法非常费时,现在已很少被使用。
2.2 化学法化学法制备磁性纳米颗粒主要包括化学沉淀法、氧化法和热解法。
2.2.1 化学沉淀法 化学沉淀法通常是向铁盐溶液加入碱液并适当控制反应条件如温度、搅拌速度等,或者添加一定的稳定剂制备磁性纳米颗粒。
早在1852年Lefort就首次报道了化学共沉淀法制备水性和油性磁流体[3],他通过将氢氧化钠溶液或氨水加到铁盐和亚铁盐的混合溶液中,经过一定时间的加热和胶溶过程制备了稳定分散在水中的四氧化三铁颗粒,其反应如下式所示:Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O所制备的四氧化三铁颗粒可以分散在含有一定的稳定剂的有机溶剂中。
Massart在此基础上,通过对磁性颗粒进行酸化处理并令其吸附柠檬酸根离子制备了电荷稳定的水性磁流体[4]。
这种方法制备的磁性颗粒小并且在水中能够长时间稳定分散。
此外,也有人[5]采用氧化法制备磁流体,如在向亚铁盐溶液滴加碱液的同时加入一定量的过氧化氢水溶液,可以制备磁流体,其反应过程如下所示:3Fe2++H2O2+6OH-=Fe3O4+4H2O此方法中常常加入一定量的水溶性聚合物做稳定剂如聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等。
表面活性剂稳定的磁流体是目前工业上应用最普遍的一类磁流体。
过去通常是采用机械研磨法制备,化学共沉淀法可以高效快速地制备这类磁流体,同时,通过简单的调节酸碱度可以很方便改变其亲油和亲水性[6],如在合成磁流体过程中加入过量的长链脂肪酸(如油酸,月桂酸等),产物经过磁分离可以稳定分散在水中,形成水性磁流体。
此时所得到的磁性纳米颗粒表面由两层表面活性剂分子包围,其中第一层表面活性剂分子离子头吸附在纳米颗粒的表面,第二层表面活性剂的尾端与第一层表面活性剂尾端通过疏水作用结合在一起,而离子端伸向水中,从而使得纳米颗粒稳定分散在水中。
如果向水性磁流体中加入一定的酸液(如盐酸),通过磁分离收集沉淀下来的磁性纳米颗粒,然后用丙酮洗去第二层表面活性剂,剩下的第一层表面活性剂稳定的纳米颗粒可以分散在烃油中,从而形成油性磁流体,如图2所示。
而在生物医药领域的应用中,常常需要水分散性的可生物相容的磁流体,通常是在水溶性的(改性的)天然高分子[7]或者合成高分子[8]存在下原位合成氧化铁纳米颗粒。
2.2.2 热解法 热解法制备磁性纳米颗粒是最近几年才发展起来,由于这种方法制备的颗粒不仅粒径均一,而且晶形完善,因此逐渐被用来制备各种金属及其合金纳米颗粒和氧化物纳米颗粒等[9～11]。
该法通常以金属络合物如Fe(CO)5,Fe(Cup)3(Cup:N-nitrosophenylhydroxy-a mine)等作前驱体,通过高温裂解产生金属纳米粒子,如果再进一步氧化就可以制备金属氧化物纳米颗粒。
IBM Watson研究中心的Murray小组在这方面也做了大量富有成效的工作[12,13]。
他们以联苯醚为反应介质,使乙酰丙酮铁和长链醇以及油图2 表面活性剂稳定的磁流体(a)在水中;(b)在煤油中Figure2 Surfactant stabilized magnetic fluid using(a)water(b)kerosene as dispersant酸、十二氨等在高温(200～300℃)回流,可以制备几纳米到几十纳米的磁性铁氧体纳米颗粒(MFe2O4,M 是Fe,Co,Mn等)。
国内Li等[14]采用一罐法在吡咯烷酮存在使乙酰丙酮铁高温回流制备了水溶性的四氧化三铁纳米粒。
3 磁性聚合物微球的制备磁性聚合物微球自其问世以来,由于其特有磁响应性和易功能化特点以及广阔的应用前景,在国际上受到了广泛的关注。
制备磁性聚合物微球的方法多种多样,从早期的简单乳化交联法到随后Ugelstad 首创的原位合成法再到常规单体聚合法(乳液聚合,分散聚合等)以及现在一些先进的方法如活性聚合(如基团转移聚合等)。
目前制备磁性聚合物微球的方法越来越趋向以小尺寸、单分散、强磁性以及易功能化和生物相容性为目标。
3.1 包埋法包埋法是制备磁性聚合物微球最早的一类方法,它是将磁性微粒分散于天然或合成聚合物溶液中,通过雾化、沉积、蒸发等手段得到磁性聚合物微球[15]。
由于其制备过程简单,费用低等特点,至今仍被加以改进并应用。
Bahar等[16]将悬浮有Fe3O4的油相倒入水相,搅拌,然后在室温下蒸发油相溶剂氯仿,制得带有反应性醛基的磁性聚苯乙烯微球,并将其用于固定化葡萄糖淀粉酶的研究。
Yen等[17]在FeCl2和FeCl3的酸性水溶液中溶解壳聚糖,然后通过控制pH值得到磁性壳聚糖微球。
Emir等[18]将磁粉分散在壳聚糖的醋酸溶液中,然后将其乳化在矿油和石油醚组成的油相中,以戊二醛作交联剂制备了磁性壳聚糖微球。
国内中南大学张阳德研究小组等[19,20]采用类似的方法制备了磁性白蛋白微球并用于抗肿瘤药物阿霉素的载体。
Chatterjee等[21]将人血清蛋白溶解到悬浮有铁氧体粉末的水中,并进一步将其乳化在含有司班的棉籽油中,然后加热使乳化体系升温至130℃,令蛋白固化制备了磁性蛋白微球。
Delgado研究小组[22]采用复乳技术(Double-emulsion),将分散有磁性颗粒的水乳化分散在溶有聚乳酸的二氯甲烷中形成W O乳化体系,然后再将其乳化分散在含有1%w v聚乙烯醇水溶液中,得到W O W复合乳液,最后在搅拌下将二氯甲烷挥发制备了磁性聚乳酸微球。
包埋法虽然操作简单,但所制备的微球形态不规整,微球平均粒径较大(约500nm以上甚至微米级),且粒径分布宽。
此外,包埋法制备磁性聚合物微球通常要使用较大量的乳化剂,尽管通过一些后处理可以去除大量乳化剂,但是微球中不可避免会有残余,这样使磁性聚合物微球在生物医药领域的应用受到限制。
3.2 单体聚合法单体聚合法是目前研究得最多、并且被广泛采用的制备方法。
早在1977年Avremas等[23]就报道了一种亲水性磁性聚合物微球的制备方法,即在铁氧体纳米粒子存在下引发丙烯酰胺聚合制备了磁性聚丙烯酰胺微球。
单体聚合法一般是先制备无机磁性颗粒,然后在磁性颗粒存在下加入单体、引发剂、乳化剂或稳定剂进行聚合反应从而制得包含无机磁性颗粒的聚合物微球。
其中无机颗粒通常需要进行一定的表面处理使其易分散在反应体系或者带有特定的表面性质如强亲水性或疏水性。
早期的单体聚合法制备的磁性聚合物微球粒径分布较宽,且表面不规整。
随着制备方法的逐渐发展和改进,许多种单体聚合法都可以成功地制备磁性聚合物微球。
根据文献报道,单体聚合法按照聚合方式主要分为乳液聚合法(包括无皂乳液聚合、种子乳液聚合,细乳液聚合以及反相微乳液聚合等)、分散聚合和(微)悬浮聚合法等。