一种固定化酶的CaSiO

摘要

本发明提供了一种固定化酶的CaSiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法，属于功能材料和生物材料领 域。

背景技术

酶的固定化是近几十年来生物技术领域中最为瞩目的进展之一，这一技术既克服了游离 酶催化过程中酶催化剂与底物及产物难以分离的缺点，又可使酶催化剂重复利用，极大地提 高了酶催化的效率与稳定性，因此关于酶的固定化一直是生物界与化学界广泛关注的课题【高 等学校化学学报，2006，06：1167-1172】。酶固定化技术的核心是载体材料的选择与制备， 载体材料的物理和化学性质在很大程度上决定着固定化酶的活力。首先，载体材料要能在温 和条件下与酶产生一定的结合力(或物理吸附，或化学键合)，使酶既不易脱落，又不改变其 构象，不影响其催化活性；其次，载体材料要有一定的机械强度与亲水性，使酶能充分发挥 其催化效能。

为了提高酶的使用效率，克服游离酶对热、酸、碱、有机溶剂等因素的不稳定性，人们 对酶的固定化进行了广泛深入的研究，出现了许多固定化材料和方法，目前，酶固定化所用 的载体多为聚合物，如聚丙烯膜，聚丙烯酸酯类及无机高分子材料等。其中亲水性高分子载 体因具有较好的生物相容性，可使得其最大化地与酶分子接触而固定更多的酶蛋白，因而具 有较为广阔的应用前景。Gupta等通过聚乙烯醇(PVA)改性聚丙烯膜，再经醛基化后获得了柔 性固定化载体，并用于固定化脂肪酶。结果表明，该载体通过化学键合所固定的脂肪酶比聚 丙烯膜吸附的脂肪酶具有更高的酶活力、稳定性及催化性能【催化学报，2011，12：1869-1874】。 相比较而言，无机载体比有机载体更耐生物降解、有更高的热稳定性和更低的价格。多孔玻 璃、多孔硅球、氧化铝及硅藻土是目前应用较为广泛的无机载体，但它们在用于固定化酶时 需要经过强酸或强碱的活化，再在甲苯中长时间回流进行硅烷化，载体的制备过程繁琐，且 氨基含量不高，因此制备出更加高效、低成本、易于制备的新型固定化载体和新的固定化方 法是众多科研工作者的目标【生物工程学报，2004，2：287-290】。

利用二氧化硅溶胶-凝胶法进行生物分子固定化一直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；Bhatia等则通过使用模数为3.25的水玻璃水解制备了二氧 化硅凝胶，优点是水解过程不产生醇，但需要在pH＝2的强酸性条件下进行；Ferrer等报道 了采用特殊的真空干燥的方法也可以制备得到完全不含醇的二氧化硅凝胶。【高等学校化学 学报，2011，05：1100-1105】。二氧化硅颗粒收集使用很不方便，而且在体内不能生物降解。 硅酸钙力学性能优良，作为第三代生物材料之一，近年来引起研究者的重视【Biomaterials， 2008，29：2588-2596】。通过盐酸处理，可以在硅酸钙表面得到具有丰富的Si-OH官能团的 硅胶层，控制溶液的pH值，可以得到不同孔径的介孔硅胶结构【Acta Biomaterialia，2009， 5：1686-1696】。pH＝0.5条件下处理后，硅胶表面对溶菌酶的吸附量达到195mg/g，是酸处 理前蛋白质吸附量的4.5倍。赵孔银等采用紫外辐射的方法先在纤维表面接枝聚丙烯酸钠， 然后利用钙离子交联的方法在纤维上接枝硅酸钙，经不同pH值的盐酸溶液处理后，得到表 面具有介孔硅胶层的接枝纤维【发明专利201010576348.7】。

目前，固定化方法主要有包埋法、吸附法和交联法等。其中，运用包埋法和吸附法固定 化生物活性单元时，虽然对其生物活力伤害较小，但生物活性单元易脱落，稳定性差，而共 价交联法固定化生物活性单元则可克服上述不足。本发明提供了一种固定化酶的 CaSiO₃SiO₂粒子及其制备方法。采用物理吸附和共价键固定两种方法，将酶固定于表面含 介孔结构硅胶的硅酸钙粒子即CaSiO₃SiO₂上，而含固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子可被接枝 到不同形貌的基体材料表面，得到表面含固定化酶的CaSiO₃SiO₂的材料。本发明方法操作 简单，不使用任何有机溶剂，固定化酶的活性高，材料本身生物相容性好，而且可体内降解， 在组织工程、催化等领域有很好的应用前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是固定化酶活性单元易脱落，稳定性差， 生物相容性差等问题。

本发明解决所述固定化酶活性单元易脱落，稳定性差，生物相容性差等问题的技术方案 是设计一种固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法。

本发明提供了一种固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法，其特征是采用物理吸附或 共价键结合两种方法，将酶固定于表面含介孔硅胶的硅酸钙粒子即CaSiO₃SiO₂上，而含固 定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子可被接枝到不同形貌的基体材料表面，得到表面含固定化酶的 CaSiO₃SiO₂粒子的材料。

一种固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法，其特征是包括以下步骤：

a)配制质量百分比为0.5％-20％的硅酸钠和0-15％的其他可与钙离子反应的无机盐，配 制质量百分比浓度为0.5％-20％的氯化钙水溶液，在搅拌下，将上述硅酸钠和其他可 与钙离子反应的无机盐混合水溶液逐渐加入上述氯化钙水溶液中，反应0.5-2小时， 静置后得到固体沉淀，用去离子水冲洗固体沉淀3-5遍，抽滤干燥，得到固体粉末；

b)用盐酸调配pH值在0.1-6.5的水溶液，将步骤a)得到的固体粉末在不同pH值的水溶 液中浸泡0.5-12小时，得到表面具有介孔硅胶的硅酸钙粒子，即CaSiO₃SiO₂；

c)配制质量百分比为0.05％-10％的酶的水溶液，将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子浸 泡入上述酶的水溶液中吸附2-48小时，将吸附后的CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用 去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到物理吸附固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子；

d)将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子用质量百分比为0.1％-5％的氨基硅烷水溶液浸泡 2-48小时，再用质量百分比为0.5％-20％的戊二醛浸泡2-48小时，得到含醛基的 CaSiO₃SiO₂粒子，将含醛基的CaSiO₃SiO₂粒子浸泡入质量百分比为0.05％-10％ 的酶的水溶液中2-48小时，然后将CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用去离子水洗3遍， 冷冻干燥，得到共价键结合固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子。

表面含固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：

a)将基体材料放入体积百分数为5％-50％的丙烯酸水溶液中，加入质量百分数为0.5-3％ 的阻聚剂硫酸亚铁铵，通入氮气，用紫外灯照射0.5-1小时，取出用去离子水洗净均 聚物，用氢氧化钠中和处理后，得到聚丙烯酸钠接枝的基体材料；

b)配制质量百分比为0.5％-20％的硅酸钠和0-15％的其他可与钙离子反应的无机盐，配 制质量百分比浓度为0.5％-20％的氯化钙水溶液，将步骤a)得到的接枝聚丙烯酸钠的 基体材料浸泡入上述硅酸钠和其他可与钙离子反应的无机盐混合水溶液中1-12小时， 取出后滴淌2-5分钟，用吸水纸吸去粘附的过多溶液，使基体材料表面的附着液尽量 均匀，立即将其放入上述氯化钙水溶液中，反应0.5-4小时，用去离子水冲洗3-5遍， 干燥后得到接枝固体粉末的基体材料；

c)用盐酸调配pH值在0.1-6.5的水溶液，将步骤b)得到的接枝固体粉末的基体材料在不 同pH值的水溶液中浸泡0.5-12小时，得到表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料；

d)配制质量百分比为0.05％-10％的酶的水溶液，将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料浸泡入上述酶的水溶液中吸附2-48小时，将吸附后的表面接枝 CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到表面含物理吸附固 定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的材料；

e)将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用质量百分比为0.1％-5％的 氨基硅烷水溶液浸泡2-48小时，再用质量百分比为0.5％-20％的戊二醛浸泡2-48小时， 得到含醛基的表面接枝CaSiO₃SiO₂基体材料，将该基体材料浸泡入质量百分比为 0.05％-10％的酶的水溶液中2-48小时，然后将其取出，用去离子水洗3遍，冷冻干燥， 得到表面含共价键结合固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的材料。

本发明一种固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法，是充分利用CaSiO₃SiO₂粒子的 生物相容性和多孔性实现的，CaSiO₃SiO₂粒子表面的介孔硅胶壳高效固定化酶并显著提高 酶分子的稳定性。

本发明表面含固定化酶的CaSiO₃SiO₂粒子的材料的制备方法，是利用钙离子交联使硅 酸钙接枝到基体材料表面，经酸处理后，硅酸钙表层生成介孔硅胶实现的。基体材料包括聚 丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酯和聚砜，所述基体材 料的形态包括膜、纤维、微球和颗粒。

本发明所述的其他可与钙离子反应的无机盐包括碳酸钠、磷酸钠、磷酸氢二铵、磷酸氢 二钠、柠檬酸钠、草酸钠中的一种或两种以上混合物，添加的无机盐先与钙离子生成不溶性 钙盐沉淀，经盐酸处理后可溶解致孔，或增加不同的功能性。

本发明所述的酶包括溶菌酶、过氧化氢酶、蛋白酶、脂肪酶、过氧化物酶、纤维素酶、 漆酶、脱氢酶、凝血酶的一种或两种以上混合物。

本发明方法操作简单，不使用任何有机溶剂，固定化酶的活性高，材料本身生物相容性 好，而且可体内降解，在组织工程、催化等领域有很好的应用前景。

具体实施方式

下面介绍本发明的具体实施例，但本发明不受实施例的限制。

实施例1.一种固定化溶菌酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法

a)配制质量百分比为0.5％的硅酸钠和0.5％的碳酸钠水溶液，配制质量百分比浓度为 0.5％的氯化钙水溶液，在搅拌下，将上述硅酸钠和碳酸钠混合水溶液逐渐加入上述氯 化钙水溶液中，反应0.5-2小时，静置后得到固体沉淀，用去离子水冲洗固体沉淀3-5 遍，抽滤干燥，得到固体粉末；

b)用盐酸调配pH值在3的水溶液，将步骤a)得到的固体粉末在pH＝3的水溶液中浸泡 0.5小时，得到表面具有介孔硅胶的硅酸钙粒子，即CaSiO₃SiO₂；

c)配制质量百分比为0.05％的溶菌酶的水溶液，将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子浸泡 入上述酶的水溶液中吸附2小时，将吸附后的CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用去离 子水洗3遍，冷冻干燥，得到物理吸附固定化溶菌酶的CaSiO₃SiO₂粒子；

d)将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子用质量百分比为0.5％的氨基硅烷水溶液浸泡2-48 小时，再用质量百分比为0.5％的戊二醛浸泡24小时，得到含醛基的CaSiO₃SiO₂粒子，将含醛基的CaSiO₃SiO₂粒子浸泡入质量百分比为0.05％的溶菌酶的水溶液中 48小时，然后将CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到 共价键结合固定化溶菌酶的CaSiO₃SiO₂粒子。

实施例2.一种固定化过氧化氢酶的CaSiO₃SiO₂粒子的制备方法

a)配制质量百分比为20％的硅酸钠和15％的磷酸钠，配制质量百分比浓度为20％的氯 化钙水溶液，在搅拌下，将上述硅酸钠和磷酸钠混合水溶液逐渐加入上述氯化钙水溶 液中，反应2小时，静置后得到固体沉淀，用去离子水冲洗固体沉淀3-5遍，抽滤干 燥，得到固体粉末；

b)用盐酸调配pH值在0.1的水溶液，将步骤a)得到的固体粉末在pH＝0.1的水溶液中浸 泡12小时，得到表面具有介孔硅胶的硅酸钙粒子，即CaSiO₃SiO₂；

c)配制质量百分比为1％的过氧化氢酶的水溶液，将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子浸 泡入上述酶的水溶液中吸附2-48小时，将吸附后的CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用 去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到物理吸附固定化过氧化氢酶的CaSiO₃SiO₂粒子；

d)将步骤b)得到的CaSiO₃SiO₂粒子用质量百分比为5％的氨基硅烷水溶液浸泡48小 时，再用质量百分比为20％的戊二醛浸泡2小时，得到含醛基的CaSiO₃SiO₂粒子， 将含醛基的CaSiO₃SiO₂粒子浸泡入质量百分比为1％的过氧化氢酶的水溶液中2小 时，然后将CaSiO₃SiO₂粒子离心分离，用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到共价 键结合固定化过氧化氢酶的CaSiO₃SiO₂粒子。

实施例3.表面含固定化脂肪酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚丙烯无纺布的制备方法

a)将聚丙烯无纺布放入体积百分数为5％的丙烯酸水溶液中，加入质量百分数为0.5％的 阻聚剂硫酸亚铁铵，通入氮气，用紫外灯照射1小时，取出用去离子水洗净均聚物， 用氢氧化钠中和处理后，得到聚丙烯酸钠接枝的聚丙烯无纺布；

b)配制质量百分比为0.5％的硅酸钠和0.5％的磷酸氢二铵，配制质量百分比浓度为0.5％ 的氯化钙水溶液，将步骤a)得到的接枝聚丙烯酸钠的聚丙烯无纺布浸泡入上述硅酸钠 和磷酸氢二铵混合水溶液中1小时，取出后滴淌2-5分钟，用吸水纸吸去粘附的过多 溶液，使基体材料表面的附着液尽量均匀，立即将其放入上述氯化钙水溶液中，反应 4小时，用去离子水冲洗3-5遍，干燥后得到接枝固体粉末的聚丙烯无纺布；

c)用盐酸调配pH值在4.5的水溶液，将步骤b)得到的接枝固体粉末的基体材料在pH＝4.5 的水溶液中浸泡0.5小时，得到表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的聚丙烯无纺布；

d)配制质量百分比为0.05％的脂肪酶的水溶液，将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料浸泡入上述脂肪酶的水溶液中吸附2小时，将吸附后的表面接枝 CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到表面含物理吸附固 定化脂肪酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚丙烯无纺布；

e)将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用质量百分比为0.1％的氨基 硅烷水溶液浸泡2小时，再用质量百分比为0.5％的戊二醛浸泡48小时，得到含醛基 的表面接枝CaSiO₃SiO₂基体材料，将该基体材料浸泡入质量百分比为0.05％的脂肪 酶的水溶液中48小时，然后将其取出，用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到表面含 共价键结合固定化脂肪酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚丙烯无纺布。

实施例4.表面含固定化漆酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚砜中空纤维膜的制备方法

a)将聚砜中空纤维膜放入体积百分数为50％的丙烯酸水溶液中，加入质量百分数为3％ 的阻聚剂硫酸亚铁铵，通入氮气，用紫外灯照射0.5小时，取出用去离子水洗净均聚 物，用氢氧化钠中和处理后，得到聚丙烯酸钠接枝的聚砜中空纤维膜；

b)配制质量百分比为20％的硅酸钠和10％的磷酸氢二钠，配制质量百分比浓度为20％ 的氯化钙水溶液，将步骤a)得到的接枝聚丙烯酸钠的聚砜中空纤维膜浸泡入上述硅酸 钠和磷酸氢二铵混合水溶液中12小时，取出后滴淌2-5分钟，用吸水纸吸去粘附的 过多溶液，使基体材料表面的附着液尽量均匀，立即将其放入上述氯化钙水溶液中， 反应0.5小时，用去离子水冲洗3-5遍，干燥后得到接枝固体粉末的聚砜中空纤维膜；

c)用盐酸调配pH值在1的水溶液，将步骤b)得到的接枝固体粉末的基体材料在pH＝1 的水溶液中浸泡12小时，得到表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的聚砜中空纤维膜；

d)配制质量百分比为1％的漆酶的水溶液，将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子 的基体材料浸泡入上述漆酶的水溶液中吸附2小时，将吸附后的表面接枝 CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到表面含物理吸附固 定化漆酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚砜中空纤维膜；

e)将步骤c)得到的表面接枝CaSiO₃SiO₂粒子的基体材料用质量百分比为5％的氨基硅 烷水溶液浸泡2小时，再用质量百分比为50％的戊二醛浸泡48小时，得到含醛基的 表面接枝CaSiO₃SiO₂基体材料，将该基体材料浸泡入质量百分比为1％的漆酶的水 溶液中2小时，然后将其取出，用去离子水洗3遍，冷冻干燥，得到表面含共价键结 合固定化漆酶CaSiO₃SiO₂粒子的聚砜中空纤维膜。