一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法技术

本发明专利技术属于酶固定化的纳米功能材料领域，具体涉及一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法。将高分子聚合物溶于混合有机溶剂中，充分溶解搅拌均匀形成的透明溶液作为同轴静电纺丝的外壳纺丝液；将低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶于纯水或磷酸盐缓冲液中，添加多巴胺和生物酶，充分溶解混合均匀形成的均质溶液作为同轴静电纺丝的内芯纺丝液；利用两台微量注射泵分别控制外壳纺丝液和内芯纺丝液的流速，施加电压进行同轴静电纺丝，在接受端收集纳米纤维。在同轴静电纺丝时和后处理过程中，多巴胺自发聚合生成聚多巴胺的同时，聚多巴胺可以原位共价交联固定化多种生物酶，反应条件温和，方法简便实用，降低了蛋白泄露率。

【技术实现步骤摘要】
一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法
本专利技术属于酶固定化的纳米功能材料领域，具体涉及一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，并且这种内部功能化的中空纳米纤维材料可应用于生物催化、分析检测和环境污染物治理等功能材料领域。
技术介绍
纳米功能材料是一类新型的纳米材料，既具有纳米材料的高比表面积、可控可调的形貌结构等优点，又可以复合无机、有机、高分子和生物活性分子的特殊功能，在酶催化、生物材料、分析检测和环境治理等领域得到了广泛的发展，因此开发新型的一维纳米纤维功能材料具有十分巨大的潜在应用价值。聚多巴胺是通过多巴胺在弱碱性环境下自发氧化聚合形成的，是一种新型的仿生高分子粘附材料，可以均匀的包覆在材料表面，并且聚多巴胺可以进一步功能化修饰含有氨基或巯基的功能分子。而现有的技术主要是在无机材料、高分子材料、纳米材料、烟草花叶病毒等材料的外表面进行聚多巴胺的包覆和功能化修饰（例如中国专利公开号CN102000658和CN102813963是在生物医用的无机、金属、金属合金和高分子材料表面用聚多巴胺功能化修饰具有生物活性的分子；CN103920152和CN104549159是在多壁碳纳米管和磁性银纳米线为代表的一维无机纳米材料表面包覆聚多巴胺；CN105327354是在自组装的烟草花叶病毒纳米线外表面包覆聚多巴胺并功能化修饰；CN107297197是在超滤膜或纳滤膜材料表面黏附聚多巴胺涂层并固定化生物酶）。但这些技术方法都没有涉及到在功能材料内部生成聚多巴胺并功能化，特别是没有在中空纳米纤维内部的管状空间中，通过添加多巴胺原位聚合生成聚多巴胺并固定化生物酶的方法。中空纳米纤维的制备方法，目前最常用的方法是采用同轴静电纺丝技术，在传统的静电纺丝基础上，使用特殊的同轴结构的纺丝针头，将2种不相容的纺丝液分别通入内外嵌套的毛细管中，静电纺丝得到核壳结构的纳米纤维，然后通过溶解去除内核物质得到中空管状结构的纳米纤维，其内部空间可以包埋生物活性物质和药物分子。但现有技术方法多采用物理吸附、静电相互作用以及材料本身的包埋效果实现生物活性物质的固定化（例如中国专利公开号CN102733000将α-胰凝乳蛋白酶和药物酮洛芬分子溶解于甘油中作为内芯纺丝液，通过同轴静电纺丝物理包埋在中空结构的聚合物纳米纤维中；CN102768190将3α-羟基类固醇脱氢酶、心肌黄酶和辅酶原位包埋在中空的聚合物纳米纤维的腔室内；CN104818540将催化CO2还原制备甲醇的多种酶和辅酶通过包埋和静电引力作用束缚在中空纳米纤维内部；CN103668485利用同轴三通道静电纺丝技术得到三层同轴的纳米纤维，将生物酶包埋于缓释激活剂和多孔聚合物的夹层内）。这些方法虽然实现了酶在纳米纤维内部的固定化，但由于酶与纳米纤维之间的相互作用依靠比较弱的物理吸附、静电吸引和材料的包埋，在实际应用中容易造成生物酶的流失，存储稳定性和重复使用率不高。此外CN102645474利用同轴静电纺丝制备纳米纤维，将酶和聚合物混合作为外壳材料，并用交联剂交联固定化，但酶暴露在材料表面，容易受外部环境影响而失活。迄今为止，在纳米纤维内部中空管状结构中，一步法简便的在多巴胺自身原位聚合生成聚多巴胺的同时，利用聚多巴胺的反应性以共价键交联实现对生物酶修饰固定化的制备方法还没有报道过。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术方法的缺陷和问题，提供一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，使用同轴静电纺丝技术制备中空纳米纤维时，在内芯纺丝液中添加一定量的多巴胺和生物酶，进行纺丝和后处理过程中多巴胺自发聚合生成聚多巴胺，而聚多巴胺可以原位固定化生物酶，从而得到内部修饰固定生物酶的功能化中空纳米纤维，实现材料内部一步化学交联固定生物酶，方法简便，负载酶量大可达200mg/mL，同时可以保持生物酶原有生理活性，极大提高多种生物酶组成级联反应的催化活性等多个有益效果。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，包括以下步骤：（1）将高分子聚合物溶于混合有机溶剂中，充分溶解搅拌均匀形成的透明溶液作为同轴静电纺丝的外壳纺丝液；（2）将低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶于纯水或磷酸盐缓冲液中，添加多巴胺和生物酶，充分溶解混合均匀形成的均质溶液作为同轴静电纺丝的内芯纺丝液；（3）将上述内芯纺丝液和外壳纺丝液分别加入两个注射器中，通过管路分别与同轴电纺针头的内外进样口相连；将高压电源的正极与同轴电纺针头喷丝口相连作为纺丝端，高压电源的接地极或负极与表面覆盖铝箔纸的旋转辊筒相连作为接受端；利用两台微量注射泵分别控制外壳纺丝液和内芯纺丝液的流速，施加电压进行同轴静电纺丝，在接受端收集纳米纤维；（4）在后处理过程中，将收集到的纳米纤维浸泡到弱碱性缓冲液中，在纳米纤维内部低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶解出来形成中空管状结构的同时，多巴胺自发聚合生成的聚多巴胺原位固定生物酶将其截留在纳米纤维内部，最后将纳米纤维取出后进行干燥，最终得到内部修饰固定生物酶的功能化中空纳米纤维。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（2）中，所述内芯纺丝液中的多巴胺浓度为0.1～10mg/mL，生物酶浓度为0.1～200mg/mL。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（1）中，所述高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚醚砜或聚丙烯腈；所述混合有机溶剂为溶解高分子聚合物的良溶剂和不良溶剂混合得到的，其中良溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺，不良溶剂为丙酮、二甲基亚砜、四氢呋喃或二氯甲烷。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（1）中，外壳纺丝液为质量体积百分比8%～30%的高分子聚合物溶液。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（2）中，所述低分子量的多元醇为乙二醇、丙二醇、丙三醇（甘油）、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、戊五醇（木糖醇）、己六醇（山梨糖醇）、聚甘油-10（十聚甘油）中的一种或其中任意两种的混合物；所述的低聚合度的聚乙二醇为平均聚合度200、400、600、800、1000、1500或2000的聚乙二醇中的一种或其中任意两种的混合物。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（2）中，所述生物酶为具有催化功能及生理活性的酶制品或蛋白质，所述生物酶为血红素蛋白、牛血清白蛋白、葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶、半乳糖苷酶、漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、脂肪酶中的一种或其中任意多种的混合物。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（2）中，所述充分溶解混合均匀的步骤包括多元醇水溶液或聚乙二醇水溶液中添加多巴胺和生物酶后在室温25℃或冷却到4℃，轻柔地混合1～10分钟。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（3）中，所述内芯纺丝液的流速为0.3～1.0mL/h，外壳纺丝液的流速为1.0～3.0mL/h；所述施加电压为10～25kV，纺丝端和接收端距离为10～30cm；所述的旋转辊筒的转速为100～2000RPM。作为本专利技术技术方案的进一步改进，步骤（4）中，所述弱碱性缓冲液为磷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）将高分子聚合物溶于混合有机溶剂中，充分溶解搅拌均匀形成的透明溶液作为同轴静电纺丝的外壳纺丝液；/n（2）将低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶于纯水或磷酸盐缓冲液中，添加多巴胺和生物酶，充分溶解混合均匀形成的均质溶液作为同轴静电纺丝的内芯纺丝液；/n（3）将上述内芯纺丝液和外壳纺丝液分别加入两个注射器中，通过管路分别与同轴电纺针头的内外进样口相连；将高压电源的正极与同轴电纺针头喷丝口相连作为纺丝端，高压电源的接地极或负极与表面覆盖铝箔纸的旋转辊筒相连作为接受端；利用两台微量注射泵分别控制外壳纺丝液和内芯纺丝液的流速，施加电压进行同轴静电纺丝，在接受端收集纳米纤维；/n（4）在后处理过程中，将收集到的纳米纤维浸泡到弱碱性缓冲液中，在纳米纤维内部低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶解出来形成中空管状结构的同时，多巴胺自发聚合生成的聚多巴胺原位固定生物酶将其截留在纳米纤维内部，最后将纳米纤维取出后进行干燥，最终得到内部修饰固定生物酶的功能化中空纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将高分子聚合物溶于混合有机溶剂中，充分溶解搅拌均匀形成的透明溶液作为同轴静电纺丝的外壳纺丝液；
（2）将低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶于纯水或磷酸盐缓冲液中，添加多巴胺和生物酶，充分溶解混合均匀形成的均质溶液作为同轴静电纺丝的内芯纺丝液；
（3）将上述内芯纺丝液和外壳纺丝液分别加入两个注射器中，通过管路分别与同轴电纺针头的内外进样口相连；将高压电源的正极与同轴电纺针头喷丝口相连作为纺丝端，高压电源的接地极或负极与表面覆盖铝箔纸的旋转辊筒相连作为接受端；利用两台微量注射泵分别控制外壳纺丝液和内芯纺丝液的流速，施加电压进行同轴静电纺丝，在接受端收集纳米纤维；
（4）在后处理过程中，将收集到的纳米纤维浸泡到弱碱性缓冲液中，在纳米纤维内部低分子量的多元醇或低聚合度的聚乙二醇溶解出来形成中空管状结构的同时，多巴胺自发聚合生成的聚多巴胺原位固定生物酶将其截留在纳米纤维内部，最后将纳米纤维取出后进行干燥，最终得到内部修饰固定生物酶的功能化中空纳米纤维。


2.根据权利要求1所述的一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述内芯纺丝液中的多巴胺浓度为0.1～10mg/mL，生物酶浓度为0.1～200mg/mL。


3.根据权利要求1所述的一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述高分子聚合物为聚偏氟乙烯、聚醚砜或聚丙烯腈；所述混合有机溶剂为溶解高分子聚合物的良溶剂和不良溶剂混合得到的，其中良溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺，不良溶剂为丙酮、二甲基亚砜、四氢呋喃或二氯甲烷。


4.根据权利要求1所述的一种中空纳米纤维内部固定化生物酶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，外壳纺丝液为质量体积百分比8%～30%的高分子聚合物溶液。


5.根据权利要求1所述的一种中空纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：周全，刘瑞红，杨帆，任瑞鹏，吕永康，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14