一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌方法技术

本发明专利技术公开了一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌方法，属于微生物反应器技术领域。包括以下步骤：对磁性基体材料依次进行稳定化处理和表面功能化处理或直接进行功能化处理，将得到的表面功能化磁性纳米粒子置于含多种细菌的生物反应器中进行孵育。待功能化磁性纳米粒子与细菌特异靶向结合后，通过调节低频磁感应强度和频率导致细菌选择性死亡；所述低频磁感应强度为40

【技术实现步骤摘要】
一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌方法


[0001]本专利技术属于微生物反应器
，尤其涉及一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌方法。

技术介绍

[0002]基于不同类型生物反应器，工业生物合成/转化的许多环节都是半开放式为主，杂菌污染已然成为一个共性且需严格克服的科学问题，染菌滋生原因主要有管理不善这类人为因素(如灭菌操作不彻底，一般不具延续性，使单个/批反应器运行失败)，也包括种子带菌(将导致染菌范围不断扩大，使生产蒙受重大损失)，设备结构不合理、工艺管线安装不合理(需更换/改造工艺设备，引入成本问题)，设备存在泄露(染菌几率较大)或死角和空气染菌(使反应器大面积染菌)等。目前，在工业发酵中，由于管理不善造成染菌问题十分突出，因此，一旦反应器染菌(或存在不利菌株)，副产物的引入导致产品不纯、产率下降，亦或是反应终止，将带来巨大的经济损失。
[0003]近年来，随着纳米科学与技术的快速发展，磁性纳米粒子因其独特的磁学性质和良好的生物相容性，已被广泛应用于生物医学和环境领域，基于磁响应性，在其表面接入特异性分子将拓宽其研究领域，广受研究者青睐。磁性纳米粒子由于纳米特性(小尺寸效应、表面效应)易发生团聚，需表面稳定化处理，但稳定性与磁性能之间存在一定“权衡关系”，导致磁性能降低。通过进一步改性，可提高其对细菌核仁区的亲核力和降低生物毒性，因此，充分权衡稳定层、功能层关系与磁性纳米粒子磁性能后，在与低频磁场的协同作用下，有望解决传统生物反应器效率低下的问题，对实现零碳的可持续发展具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有生物反应器存在杂菌污染等问题，提供一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌方法，该方法对活细菌生命周期活动影响较小，在低频磁场的诱导下利用纳米粒子磁机械力破坏死细菌结构，释放内溶物。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，包括以下步骤：对磁性基体材料依次进行稳定化处理和表面功能化处理或直接进行功能化处理(功能层具有稳定化作用)，将得到的表面功能化磁性纳米粒子置于含多种细菌的生物反应器中进行孵育，待功能化磁性纳米粒子与细菌特异靶向结合后，通过调节低频磁感应强度和频率导致细菌在机械力作用下死亡；所述低频磁感应强度为40
‑
75mT，频率为10
‑
50Hz。所述低频磁场类型为旋转型和动态型等。
[0007]进一步地，所述磁性基体材料的磁化强度＞50emug
‑1，磁机械力＞30pN。该磁性体积材料的合成方法包括共沉淀法、高温分解法、水热法、溶胶
‑
凝胶法、微乳液法、超声化学法等。
[0008]进一步地，所述稳定化处理是指在磁性基体材料表面形成稳定层；所述稳定层包括聚合物涂层、表面活性剂稳定层、贵金属涂层或金属/非金属氧化物涂层。
[0009]进一步地，所述聚合物涂层为聚乙二醇、聚多巴胺、3
‑
(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯或氨化淀粉；所述表面活性剂稳定层为油酸、硬脂酸、月桂酸或十二烷基膦酸；所述贵金属涂层为金；所述金属/非金属氧化物涂层为SiO2或Al2O3。
[0010]进一步地，所述表面功能化处理是指将带有稳定层的磁性基体置于特异性分子中进行反应，生成尺寸在160
‑
480nm的磁响应性功能化纳米粒子。
[0011]进一步地，所述特异性分子包括生物大分子、适配体/寡核苷酸、糖/肽、小分子/聚合物配体。
[0012]进一步地，所述生物大分子为抗体、酶或氨基酸；所述适配体/寡核苷酸为DNA/RNA型适配体；所述糖/肽为为葡糖酰胺或抗菌肽；所述小分子/聚合物配体为叶酸、庆大霉素、基于锌(Ⅱ)
‑
二甲基吡啶胺共聚物或3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷。
[0013]进一步地，所述反应包括直接交联、点击化学、连接化学、物理作用或杂交方法。所述直接交联是基于磁性纳米粒子表面—NH2、R—NH—R、H
‑
C＝O等官能团与琥珀酰亚胺酯、异硫氰酸酯、—SH等的反应。所述点击化学是基于端炔基、环炔基、非醇醛羰基与叠氮丁酸NHS酯、叠氮等的反应。所述连接化学是基于磁性纳米粒子表面—COOH、—NH2先于含N
‑
羟基琥珀酰亚胺基团的中间体分子反应，进一步中间体分子中的马来酰亚胺基团、杂环化合物与—SH、—NH2等的反应。所述物理作用是基于磁性纳米粒子表面电荷性质、亲疏水性、形状结构、物化性质与特异性分子产生的静电相互作用、疏水作用、主客体相互、非共价键相互作用等。所述杂交方法是基于磁性纳米粒子表面寡核苷酸与适配体的杂交反应。
[0014]进一步地，所述孵育时间为12
‑
24h，以保证表面功能化磁性纳米粒子表面配体与细菌细胞表面受体充分结合。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0016](1)本专利技术通过不同方法和不同种类特异性分子对磁性纳米粒子表面的特异性进行开发和设计，使其对不同种类的细菌具有特异靶向性，在拓展应用普适性的同时，又具有超选择性，较传统处理杂菌问题而言，本方法去除杂菌效率更高，可操作性更强。
[0017](2)本专利技术稳定化后的磁性纳米粒子分散性和稳定性能显著提高，增强了纳米粒子表面的反应位点，同时，表面功能化磁性纳米粒子基于其磁响应性，可以实现较高回收率(～90％)，具有一定的环境
‑
经济效益。
[0018](3)本专利技术通过引入钕铁硼强永磁铁组建的低频磁场，使得功能化磁性纳米粒子在培养基中按照特定的轨迹和幅度运动，改变永磁铁的个数、排放位置，以及装置旋转的频率，可以远程操控表面功能化磁性纳米粒子的运动情况，在一定的磁发生条件(10
‑
50Hz，40
‑
75mT)下对杂菌进行破坏，基于低频磁场远程诱导操控表面功能化磁性纳米粒子特异性破坏死细菌群的研究有助于构建一种新型、高效、低成本、可持续化的生物反应器运行工艺。表面功能化磁性纳米粒子具有可磁回收性，易远程诱导性，生物相容性，极大推动生物反应器自我可持续性，具有工业化应用前景。
附图说明
[0019]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实
施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0020]图1为本专利技术技术流程图；
[0021]图2为本专利技术技术概念图。
具体实施方式
[0022]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0023]应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：对磁性基体材料进行表面功能化处理，将得到的表面功能化磁性纳米粒子置于含多种细菌的生物反应器中进行孵育，待功能化磁性纳米粒子与细菌特异靶向结合后，通过调节低频磁感应强度和频率导致细菌在机械力作用下死亡；所述低频磁感应强度为40
‑
75mT，频率为10
‑
50Hz。2.根据权利要求1所述的表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，其特征在于，所述步骤中还包括对磁性基体材料进行稳定化处理。3.根据权利要求1或2所述的表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，其特征在于，所述磁性基体材料的磁化强度＞50emug
‑1，磁机械力＞30pN。4.根据权利要求1或2所述的表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，其特征在于，所述稳定化处理是指在磁性基体材料表面形成稳定层；所述稳定层包括聚合物涂层、表面活性剂稳定层、贵金属涂层或金属/非金属氧化物涂层。5.根据权利要求4所述的表面功能化磁性纳米粒子特异性靶向/破坏一类杂菌的方法，其特征在于，所述聚合物涂层为聚乙二醇、聚多巴胺、3
‑
(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯或氨化淀粉；所述表面活性剂稳定层为油酸、硬脂酸、月...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱洪涛，陈隆，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：