자성 생체 고분자 마이크로스피어는 생물학적 물질과 무기 자성 물질을 결합하여 자기적으로 반응하고 생물학적으로 활성인 마이크로스피어를 형성하는 새로운 복합 소재입니다. 그 특성은 무기 자성 물질, 생물학적 물질 및 이들의 상호작용 방식에 따라 달라집니다. 현재 가장 널리 사용되고 연구되고 있는 자성 물질은 Fe3O4 자성 나노입자. 비표면적이 넓고 생체 적합성이 우수하며 자기 반응성이 높아 빠른 분리와 표적 이동이 가능하므로 식품 및 의료, 환경 보호 및 기타 분야에서 널리 사용될 수 있습니다. 생체 고분자 재료에는 주로 키토산, 알긴산나트륨, 젤라틴 등이 포함됩니다. 그중 키토산은 우수한 생체 적합성, 재생 가능한 자원, 생분해성 등의 특성으로 인해 가장 많이 연구되는 생물학적 소재입니다. 키토산과 자성 물질로 구성된 새로운 형태의 복합 소재는 두 가지 우수한 특성을 모두 가지고 있어 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 가지고 있습니다.
1. 자성 생체 고분자 마이크로스피어의 구조와 특성
자성 바이오폴리머 마이크로스피어의 구조는 그림 1과 같이 (1) 코어-쉘 구조, (2) 하이브리드 구조, (3) 다층 샌드위치 구조의 세 가지 유형이 있습니다.
그림 1 자성 생체 고분자 마이크로스피어의 구조
자성 생체 고분자 마이크로스피어는 많은 뛰어난 특성을 가지고 있어 효소 고정화에 더 적합합니다. (1) 표면적 효과와 같은. 일반적으로 자성 바이오 폴리머 마이크로 스피어의 입자 크기가 미크론 또는 나노 미터 수준에 도달하면 비 표면적이 증가함에 따라 마이크로 스피어의 그룹 밀도 및 선택적 흡착 성능도 증가하며 마이크로 스피어의 안정성이 크게 증가합니다. (2) 자기 효과. Fe의 직경이3O4 결정은 30nm 미만이며, 초상 자성, 즉 외부 자기장 조건에서 자기가 매우 큽니다. 외부 자기장이 제거되면 자기가 빠르게 사라져 마이크로 스피어가 외부 자기장 조건에서 자기 배향을 가지며 비자 성 물질과 빠르게 분리되고 자기장에서 영구적으로 자화되지 않으므로 후속 사용에 영향을 미치지 않습니다. (3) 생체 적합성. 자연적으로 단백질 및 다당류와 같은 생물학적 물질은 생체 적합성을 가지므로 생물 의학 공학에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. (4) 기능적 기반 특성. 키토산 및 알긴산 나트륨과 같은 생물학적 물질은 풍부한 활성기(-OH, -COOH, -NH2)를 가지고 있어 생물학적 활성 물질과 공유 결합하거나 특정 화학 그룹으로 변형할 수 있습니다.
2. 자성 생체 고분자 마이크로스피어 제조
자성 생체 고분자 마이크로스피어의 준비는 두 단계로 나뉩니다. 첫 번째 단계는 자성 나노 입자를 준비하는 것입니다. 현재 자성 나노입자 제조에 사용되는 방법은 Fe3O4 자성 나노 입자는 주로 화학적 공동 침전, 철염 열분해, 마이크로 에멀젼 및 수열 방법을 포함합니다. 그 중 화학적 공침법은 조작이 간단하고 편리하며 가장 일반적으로 사용되는 제조 방법입니다. Fe 합성을 위한 화학적 공침법의 원리3O4 은 일정 비율의 Fe가 혼합된 염 용액을 가열하고 교반하여 산화철을 합성하는 것입니다.2+ 및 Fe3+ (1:2)를 혐기성 조건에서 빠르게 잿물(암모니아 또는 NaOH)을 첨가합니다. Xu 등은 화학적 공침법을 사용하여 4.34mmol FeCl을 추가했습니다.2鑘4H2O 및 8.67mmol FeCl3-6H2O를 각각 넣고 질소 상태에서 시스템을 85 ℃로 가열합니다. 완전히 녹은 후 농축 암모니아 25mL를 빠르게 추가하고 일정량의 구연산 나트륨을 추가 한 다음 Fe3O4 자성 나노 입자는 우수한 단분산성과 자기 반응성을 가지고 합성됩니다.
자성 나노 입자를 제조한 후 자성 키토산 마이크로스피어를 제조하기 위해 키토산과 가교 결합해야 합니다. 현재 자성 키토산 마이크로스피어의 합성 방법은 주로 에멀젼 가교 방법, 분무 건조 방법, 광화학 방법 및 현장 방법을 포함합니다. 그 중 에멀젼 가교법이 더 간단하고 가장 널리 사용됩니다. 에멀젼 가교 방법은 Fe를 균일하게 분산시키는 것입니다.3O4 또는 자성 유체를 키토산, 계면 활성제 및 유상을 포함하는 혼합 액체에 넣어 수중 오일 마이크로 에멀젼 시스템을 형성한 다음 글루타르알데히드를 첨가하면 시스템에서 글루타르알데히드와 키토산이 가교 반응을 일으켜 쉬프 염기를 생성하고 키토산은 네트워크로 교차 연결된 다음 Fe를 코팅합니다.3O4 을 함유하고 있습니다(그림 2 참조). Jiang 등은 에멀젼 가교법을 사용하여 각각 계면활성제, 분산제 및 가교제로서 Span 80, 액체 파라핀 및 글루타르알데히드를 사용하여 규칙적인 구형과 매끄러운 표면을 가진 자성 키토산 마이크로스피어를 합성했습니다.
그림 2 에멀젼 가교법에 의한 자성 키토산 마이크로스피어 합성의 개략도
3. 자성 복합 마이크로스피어에 고정된 효소
자성 키토산 마이크로스피어가 성공적으로 제조된 후 효소를 마이크로스피어에 고정하여 사용할 수 있습니다. 키토산은 활성 아미노기와 수산기가 풍부하기 때문에 카르복실기, 아미노기, 에폭시기, 이중 기능기 등과 반응할 수 있습니다. 자성 키토산 마이크로스피어는 다양한 고정화 요구를 충족하기 위해 그룹 변형됩니다. 특정 고정화 효소의 준비 방법은 아래에 작용기별로 소개되어 있습니다.
1) 카르복실 변성 자성 복합 마이크로스피어에 고정된 효소
카르복실 변형 자성 복합 마이크로스피어는 수용액에서 카르보디이미드 결합에 의해 활성화된 후 효소의 아미노기에 공유 결합하여 자성 복합 마이크로스피어에 효소 분자를 고정시킬 수 있습니다(그림 3). 주이화 등은 개선된 현탁 중합 방법을 사용하여 스티렌 처리 자성 유체와 가교 단량체 디비닐벤젠을 통해 단량체 메틸 아크릴레이트를 공중합한 다음 알칼리 가수분해를 사용하여 우수한 단분산성과 풍부한 카르복실기를 가진 자성 복합체를 얻었습니다. 이 마이크로스피어는 카르보디이미드 결합에 의해 활성화된 후 락타아제를 고정하는 데 사용됩니다. 최고 활성은 약 360 U-g입니다.-1효소의 가교 효율은 약 20%입니다.
그림 3 카르복실 변성 자성 복합 마이크로스피어에 고정화 효소를 제조하는 개략도
2) 아미노 변성 자성 복합 마이크로스피어 고정화 효소
아미노 변형 자성 복합 마이크로스피어가 적절한 양의 글루타르알데히드와 결합하여 활성화되면 효소의 아미노기에 공유 결합하여 자성 마이크로스피어에 효소 분자를 고정시킬 수 있습니다(그림 4). Liu Yu 등은 단분산 자성 SiO를 연속적으로 제조했습니다.2 입자를 화학적 공동 침전법과 졸-겔법으로 만들고, 실란 결합제로 아미노기로 변형하고, 글루타르알데히드를 가교제로 사용하여 라카제를 고정화했습니다. 그 결과 고정화 된 라카제는 60 ℃의 일정한 온도에서 4 시간 동안 유지되었으며 여전히 60.9% 효소 활성을 보였으며 10주기 사용 후에도 여전히 55% 이상의 효소 활성을 보였으며 열 안정성과 작동 안정성이 뚜렷하게 향상되었음을 보여주었습니다.
그림 4 아미노 변성 자성 복합 마이크로스피어에 고정화 효소를 제조하는 개략도
3) 에폭시 개질 자성 복합 마이크로스피어 고정화 효소
에폭시 그룹은 매우 활성적인 그룹입니다. 수정 없이 생물학적 그룹에 직접 공유 결합할 수 있습니다. 따라서 에폭시 변형 자성 복합 마이크로스피어가 효소의 아미노기에 공유 결합하여 효소와 결합한 후 분자는 자성 마이크로스피어에 고정됩니다(그림 5). 용 등은 현탁 중합을 통해 올레산 코팅 자성 마이크로스피어를 제조했습니다. 메탄올로 활성화한 후 얻은 친수성 에폭시 기반 자성 마이크로스피어를 리파아제의 고정화에 사용했습니다. 고정화된 효소 활성의 유지율은 64.2%이며 안정성이 크게 향상되었습니다.
그림 5 에폭시 기반 자성 복합 마이크로스피어에 고정화 효소를 제조하는 개략도
4) 이중 기능 그룹에 의해 변형된 자성 복합 마이크로스피어에 고정된 효소
이중 기능 자성 마이크로스피어에서는 먼저 효소 분자의 카르복실기와 마이크로스피어의 아미노기가 이온 상호작용에 의해 담체에 빠르게 고정되고, 이온 상호작용에 의해 고정된 효소는 설프하이드릴 및 아미노기를 통해 담체의 에폭시 그룹과 공유결합을 합니다. 이온 작용에 의한 빠른 고정과 공유 결합에 의한 견고한 고정의 이중 특성을 갖는 추가 고정 (그림 6 참조)을 만듭니다. Li Xiutao 등은 디 비닐 벤젠 가교 폴리 아크릴산 마이크로 스피어 표면에 세 개의 무작위 공중 합체 브러시를 도입했습니다.3O4 나노 입자를 내부에 분산시킨 다음 페니실린 G 아실라제를 고정시키는 데 사용했습니다. 그 결과 에폭시기와 아미노기를 동시에 도입한 고정화 효소의 활성과 효소 활성 회수율이 가장 높고, 고정화 동역학이 에폭시 함유 자성 마이크로스피어만 사용한 것보다 우수하며, 최적의 pH 값과 온도 안정성이 유리 효소보다 높고, 10회 반복 사용 후에도 70%의 효소 활성을 유지하는 것으로 나타났습니다.
그림 6 이중 작용기에 의해 변형된 자성 복합 마이크로스피어에 고정화된 효소를 제조하는 개략도
최근 학자들은 키토산, 알긴산 나트륨 및 실크 단백질과 같은 천연 생체 고분자 재료, 에폭시 수지 및 폴리 비닐 알코올과 같은 유기 화합물, 활성탄 및 흑연 산화물 탄소 재료와 같은 ene 등 다양한 재료를 사용하여 나린 기나제를 고정화하여 특정 연구 결과를 얻었지만 실제 디버팅 응용 분야에서는 고정화 효소의 내산성이 좋지 않고 주스에서 분리 속도가 느리거나 불완전한 분리 등의 문제가 있습니다. 위의 문제와 관련하여 다음 기사에서는 연구 성과를 자세히 소개하겠습니다. 이 웍에서 연구진은 키토산, 자성 Fe로 만든 복합 재료를 사용했습니다.3O4 나노입자와 실리카를 합성하고 에폭시 그룹으로 복합 물질을 변형시킨 후 나린지나아제를 고정화했습니다. 이 연구는 나린지나제 고정화 기술 연구의 기초 자료로 활용될 예정입니다.
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