基于"成型-介导矿化"双功能高分子的高效固定化酶载体

理想的有机-无机杂化材料可使有机相的"柔"与无机相的"刚"在同一材料中相得益彰，而事实上，自然界中生物体的精巧结构正是这种有机-无机杂化材料"刚柔相济"的完美体现。本研究旨在选取和合成兼具"成型和介导矿化"双功能的天然或改性生物高分子作为新型固定化酶杂化载体。在酶的固定化过程中，引入无机矿化前驱体，双功能高分子在自身成型（凝胶化或成膜）的同时介导仿生矿化过程，最终形成有机-无机杂化载体。采用氧化-氨化-还原系列反应或碳二亚胺接枝反应对海藻酸和透明质酸进行改性，赋予其介导矿化能力，同时保持其良好成型功能。改变胺化反应条件及氨化剂类型，获得一系列不同氨基接枝率的双功能高分子。考察天然双功能生物高分子明胶和上述改性双功能高分子的介导矿化能力及其对矿化沉析物结构的催化／模板／结构导向作用；研究杂化载体组成、结构与固定化酶活性、稳定性及传质性能间的相互关系，揭示载体微环境对酶活性及稳定性的影响机制。

基于仿生矿化的思想，利用天然双功能分子或者改性双功能分子制备有机-无机杂化载体，构建了各种新颖、高效（高活性，高稳定性）的固定化酶系统。主要工作包括：1) 选择天然双功能高分子精蛋白，发挥其诱导矿化功能，并通过层层自组装方法，制备了杂化微囊载体；2）通过氧化-胺化-还原系列反应，将多胺接枝于海藻酸主链，得到氨基化海藻酸，并用于诱导仿生硅化过程，制备了杂化微囊载体；3）通过碳二亚胺法将胺化剂二乙烯三胺接枝于海藻酸主链，制备兼具成型和矿化功能的双功能高分子氨基化海藻酸，成型同时引发硅前驱体在凝胶内部发生原位仿生硅化，制备了海藻酸/氧化硅杂化凝胶载体；4）利用层层自组装与仿生硅化相结合的方法制备出了具有核壳结构的杂化微囊载体；5）利用具有成型和诱导矿化功能的天然双功能高分子明胶，成型同时诱导仿生硅化, 制备了明胶/氧化硅杂化载体；6）利用具有成型和诱导矿化功能的天然双功能高分子壳聚糖，成型同时诱导仿生钙化，制备了壳聚糖/磷酸钙杂化载体。.基于金属离子螯合与仿生粘合的思想，制备了高效杂化载体，实现了酶的高负载率、高活性和高稳定性。主要工作包括：1）利用钛离子螯合及多巴胺共价聚合的特性制备了增强型海藻酸钙凝胶球；2）受金属离子增强生物粘合现象和原理启发，利用生物相容性的高分子海藻酸接枝上儿茶酚，在温和条件下与金属离子进行组装形成杂化载体，制备了具有高机械性能的杂化微囊；3）受生物粘合剂多巴胺的启发，利用儿茶酚与酶分子上氨基的快速反应制备了酶微囊；4）耦合儿茶酚及明胶的特殊功能制备了超薄杂化微囊，并构建了多酶链级系统用于将二氧化碳转化为到甲醇，实现了较高的甲醇产率和选择性。.受TiO2可与儿茶酚及其衍生物发生螯合作用而牢固相连现象的启发，进行了以下研究工作：1）分别以3,4-二羟基苯基丙酸和多巴胺为螯合剂，对氧化钛微球进行表面修饰，制得功能化的氧化钛微球，并实现了酶的表面共价固定化；2）利用EDC/NHS化学方法将酶分子与3,4-二羟基苯基丙酸通过酰胺键共价结合，进而利用酚羟基与氧化钛之间的螯合作用将酶分子固定在氧化钛微球表面；3）以多巴胺为功能化试剂，通过螯合作用对氧化钛微球进行表面修饰，制备了氨基功能化的氧化钛微球，进而利用交联方法实现了酶的共价固定化。.本项目发表SCI收录论文8篇，申请发明专利2项。