可见光引发的表面可控/活性接枝交联聚合及应用于酶固定化研究

摘要

将酶固定化在基材之上既可以使固定化的酶重复利用，降低酶的催化成本，又具有使酶在反应结束后容易与底物分离，避免酶对底物污染的优点。聚合物材料因其低成本、易加工以及柔性等特点成为酶固定化的一种重要基材。但聚合物基材普遍存在表面能低和表面惰性的缺点，因此需要对基材表面进行改性以固定化酶。本论文基于可见光可控/活性接枝交联聚合方法，设计了一种反应温和且条件简单的在聚合物基材表面固定化酶新方法，并对其固定化酶的应用进行了探究。该方法首先在聚合物基材表面种植光引发剂异丙基硫杂蒽酮(ITX)，之后在接枝有ITX的聚合物基材表面引发可交联单体聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)的可控/活性接枝聚合。若在接枝过程前将单体溶液与酶相混合，接枝反应后即可实现酶在聚乙二醇(PEG)网布之中的原位网格固定。论文主要取得以下结果:
　　1、探究了可见光可控/活性接枝交联聚合的机理，并利用该反应在低密度聚乙烯(LDPE)膜表面分别通过三明治结构以及凹槽结构接枝PEG网布用以原位网格固定化脂肪酶，并使用该载酶膜催化合成葡萄糖棕榈酸酯。通过控制接枝反应时间、单体溶液中PEGDA的含量以及接枝反应的加液量，可以对接枝厚度之范围进行大规模精确可控（10-1-103μm）。又通过XPS表征分析发现，接枝网布层上仍然含有ITX残基，从而证明了接枝聚合的“活性”特征。可见光辐照2小时的酶膜其活性是使用紫外光辐照150秒的酶膜的5倍。当温度为50℃时，网格固定的脂肪酶其酯化率由游离酶的42％上升为67％。当使用0.5％(v/v)的戊二醛(GA)对脂肪酶交联后，固定化脂肪酶的酶活为0.71U，酶载率为89％，催化7批活性没有发生明显下降。
　　2、在聚合物基材表面接枝柔性聚合物刷来固定化纤维素酶催化滤纸（纤维素）水解反应。以无纺布为基材，当使用的接枝聚合单体溶液比例丙烯酸(AA)为30％(v/v)，PEGDA为20％(v/v)吸附固定化酶时，在0.01mol·L-1的柠檬酸缓冲液中进行催化，固定化纤维素酶的催化效率可达到最高的45％，但使用六个批次后催化效率降为了5％;而在无纺布接枝的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯刷(PGMA)上连接聚乙烯亚胺(PEI)后，使用GA将纤维素酶上的氨基与PEI进行共价反应，在同样催化条件下，催化反应持续10个批次，催化滤纸水解率基本不变。
　　3、为了提升纤维素的水解效率并降低纤维素乙醇的生产成本，设计了一种在聚丙烯无纺布之上使用可见光可控/活性接枝聚合原位网格固定β-葡萄糖苷酶(BG)于PEG网布中的手段。通过SEM、AFM、XPS以及CLSM等仪器对BG酶膜进行表征，证明了BG酶成功的固定在了无纺布之上的PEG网格之中。固定化BG酶膜催化滤纸（纤维素）水解之最适合条件为:0.25％(v/v)的GA对55mg BG酶交联处理半小时，加入100μL的游离纤维素酶，在50℃以及pH为4.8的柠檬酸缓冲液中进行水解反应。与不加入BG酶膜的体系相比，其水解纤维素的转化率在48小时内提高了40％。对BG酶进行GA(0.25％，v/v)交联，98％的酶被固定在网格之中，固定化BG酶在反应15个批次后仍保留有较高的活性。
　　4、在可见光可控/活性接枝聚合的基础之上，以胰蛋白酶和谷氨酰胺转移酶为例，提出了一种分隔网格固定化多酶的方法，制备了双酶分隔固定化酶膜（A型和B型）。双酶分隔固定化酶膜（A型）利用活性接枝的特点，在一层固定化酶的聚合物网布之上接枝另一层固定化酶聚合物网布;而双酶分隔固定化酶膜（B型）则将两种酶的单体可聚合溶液涂敷在膜的两侧从而一步法分隔固定化两种酶。使用XPS以及AFM等对两种膜分别进行结构的表征，结果表明两种酶均可以成功的固定化在不同的网布层之中。制备的双酶分隔固定化酶膜大于90％的酶不会发生泄漏。与混合固定化酶相比，分隔固定化酶的酶活性保留更多，在重复使用4个批次以后，其活性并没有发生明显的下降。以此为基础构建了“固定化多酶串并联系统”。并以脂肪酶、胰蛋白酶和谷氨酰胺转移酶为例，利用此系统制备了新型抗肿瘤靶向药物LTV-阿扎胞苷和LTV-阿糖胞苷。使用FT-IR、NMR以及MS等对靶向药物的合成过程进行表征，靶向药物结构符合预期。对靶向药物进行了MCF-7乳腺癌细胞毒性试验，与原药作为对比，靶向药物对于MCF-7细胞毒性更大。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固定化酶方法

1．2．1 吸附固定化

1．2．2 共价结合固定化

1．2．3 交联固定化

1．2．4 包埋固定化

1．3 聚合物基材表面接枝方法

1．3．1 光引发-转移-终止接枝聚合(SI-PIMP)

1．3．2 氮氧稳定的自由基接枝聚合(SI-NMP)

1．3．3 原子转移的自由基接枝聚合(SI-ATRP)

1．3．4 可逆加成-裂解-链转移接枝聚合(SI-RAFT)

1．4 固定化酶的应用

1．4．1 固定化酶在能源领域的应用

1．4．2 固定化酶在环境领域的应用

1．4．3 固定化酶在化工领域的应用

1．4．4 固定化酶在医药领域的应用

1．5 本论文的主要学术思想和研究内容

第二章 可见光引发的表面可控／活性交联接枝聚合机理研究及在固定化脂肪酶中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与药品

2．2．2 脂肪酶溶液配制

2．2．3 LDPE膜表面引入ITX半频哪醇自由基休眠种

2．2．4 可见光可控／活性接枝交联聚合原位网包脂肪酶

2．2．5 酶载率测试

2．2．6 酶活性测试

2．2．7 酶膜催化酯化反应

2．2．8 表征测试

2．3 结果讨论

2．3．1 可见光可控／活性交联接枝聚合机理研究

2．3．2 酶膜的制备

2．3．3 酶载率及酶活分析

2．3．4 酶催化反应机理分析

2．3．5 脂肪酶催化酯化反应的影响因素

2．3．6 酶催化产物葡萄糖棕榈酸酯结构的表征

2．3．7 固定化酶膜操作稳定性探究

2．4 小结

第三章 纤维素酶的表面固定方法及在生成纤维素乙醇中的应用

3．1 在聚合物基材表面接枝聚合物刷固定化纤维素酶的研究

3．1．1 引言

3．1．2 实验部分

3．1．3 结果讨论

3．1．4 小结

3．2 利用分子网布网格固定β-葡萄糖苷酶以提高纤维素水解效率并降低纤维素乙醇成本的研究

3．2．1 引言

3．2．2 实验部分

3．2．3 结果讨论

3．2．4 小结

第四章 多酶分隔固定及在合成新型靶向抗肿瘤药物中的应用

4．1 酶大厦的构建—双酶分隔固定化酶膜的制备与表征

4．1．1 引言

4．1．2 实验部分

4．1．3 结果讨论

4．1．4 小结

4．2 利用“串并联多酶固定化系统”合成LTV-阿扎胞苷

4．2．1 LTV-阿扎胞苷的结构及其合成原理

4．2．2 实验部分

4．2．3 结果讨论

4．2．4 小结

4．3 利用“串并联多酶固定化系统”合成LTV-阿糖胞苷

4．3．1 LTV-阿糖胞苷的结构及其合成原理

4．3．2 实验部分

4．3．3 结果讨论

4．3．4 小结

第五章 主要结论

致谢

作者简介

导师简介

参考文献

研究成果及发表的学术论文