CN106916757B - 单细胞生物基高疏水微米粉体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料及其制备方法。将单细胞生物细胞经反复洗涤后，用活化剂对单细胞生物细胞进行活化处理，得到表面活化的单细胞生物；同时，对Fe3O4纳米粒子进行清洗和改性后，实现纳米粒子与凝集素分子的结合，得到凝集素分子生物修饰后的纳米粒子。将凝集素分子生物修饰后的纳米粒子与表面活化的单细胞生物细胞结合，由纳米粒子在单细胞生物表面的固载实现单细胞生物表面粗糙微纳米结构的构建，再对产物表面进行十八胺改性，进一步降低颗粒表面能，得到单细胞生物基高疏水微米粉体材料。

Description

单细胞生物基高疏水微米粉体材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高疏水材料领域，涉及一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料及其制备方法。
背景技术
高疏水材料具有防水、防雾、抗氧化、自清洁等重要特性。自然界中，许多生物体表面具有优异的天然疏水及相关性能，如：蝉翼表面和水龟腿部具有超疏水性、蚊子复眼具有防雾性能和荷叶表面的自清洁性能。科研工作者们按照仿生学的原理，通过各种手段在材料基质表面构建粗糙结构，继而进行低表面能基团修饰的思路，制备了各种高疏水及超疏水材料。
目前，绝大多数的疏水材料是在聚合物或者金属材料表面上制备得到的，而且大多数有关疏水性研究也都在这两种材料上进行。聚合物材料本身即具有较低的自由能，只要对其进行表面微纳结构的定型即可得到超疏水效果，是最主要的超疏水材料。众所周知，大部分单细胞生物均具有较高的含水量和较好的亲水性，单细胞生物既不具备天然的低自由能，又无表面粗糙的微纳米结构，是天然的亲水有机体，目前几乎没有以单细胞生物作为基质获得高疏水材料的报道。
当前制备高疏水材料常用的方法有：模板法、相分离法、电化学沉积法、静电纺纱法、结晶控制法、化学气相沉积法、激光刻蚀法、阳极氧化法、溶胶-凝胶法等。这些制备方法大多过程复杂繁冗、成本高，且所得材料表面微结构的可控性和均匀性较差、产物强度低、稳定性不高，这些问题和不足大大地限制了高疏水材料在产业化中的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种新颖的基于单细胞生物的高疏水微米粉体材料制备方法，以及通过该方法制得的单细胞生物基高疏水粉体材料。
为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：
单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：用离子水或生理盐水对单细胞生物细胞进行洗涤；再用磷酸缓冲液与洗涤后的单细胞生物细胞搅拌混合，静置，得到活化的单细胞生物细胞；
步骤二：用含氨水、过氧化氢和蒸馏水混合液对Fe3O4纳米粒子进行清洗，离心，干燥得到清洗干净的Fe3O4纳米粒子；将戊二醛溶液与清洗干净后的Fe3O4纳米粒子搅拌混合，静置，得到改性的Fe3O4纳米粒子；
步骤三：将凝集素加入到PBS缓冲溶液中混合，搅拌活化，得到活化的凝集素分子的PBS缓冲溶液；
步骤四：将活化的凝集素分子与改性的Fe3O4纳米粒子混合，静置，使凝集素分子与改性的Fe3O4纳米粒子结合，得到生物修饰的Fe3O4纳米粒子；
步骤五：将生物修饰的Fe3O4纳米粒子与活化的单细胞生物细胞混合，静置，实现单细胞生物表面粗糙微Fe3O4纳米结构的构建，得到Fe3O4纳米粒子@单细胞生物；
步骤六：将步骤五得到的Fe3O4纳米粒子@单细胞生物加入含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液体系中反应，再将与多巴胺反应后的Fe3O4纳米粒子@单细胞生物放入十八胺的无水乙醇溶液中搅拌反应，清洗并干燥后得到单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
可选的，所述步骤一中的单细胞生物细胞采用面包酵母干粉或酵母细胞干粉，用量1～2g。
优选的，所述步骤二中Fe3O4纳米粒子清洗釆用体积比为1:1:10的含质量分数为26％的氨水、质量分数为30％的过氧化氢和蒸馏水的混合液进行超声清洗，离心并干燥后得到清洗干净的Fe3O4纳米粒子。
可选的，所述步骤二中Fe3O4纳米粒子的投入量为1～5g。
优选的，所述步骤二中对Fe3O4纳米粒子改性采用质量浓度为2.5％的戊二醛，改性时间为12～24h。
优选的，所述步骤三中的凝集素采用Con A。
优选的，所述步骤三中凝集素搅拌活化时间为6～12h，活化温度为37℃。
可选的，所述步骤四中活化的凝集素分子与改性的Fe3O4纳米粒子混合，静置时间为12～20h，操作温度为37℃。
可选的，所述步骤五中将生物修饰的Fe3O4纳米粒子与活化的单细胞生物细胞混合，静置时间为2～5h。
优选的，所述步骤六中Fe3O4纳米粒子@单细胞生物加入含多巴胺的Tris-HCl缓冲溶液体系中反应时间为24h，将与多巴胺反应后的Fe3O4纳米粒子@单细胞生物放入十八胺的无水乙醇溶液中搅拌反应时间为24h。
以所述单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法制得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
相较于现有技术，本发明的效果优点为：
本发明通过简单的制备步骤和温和的实验条件，以价格低廉的生物单细胞作为材料基质，制得了性能稳定的高疏水粉体材料，获得的粉体颗粒表面能低且具有粗糙致密的表面微结构，具有高疏水性能。
附图说明
图1单细胞生物酵母的扫描电镜照片；
图2水热法制得的Fe3O4纳米粒子的扫描电镜照片；
图3单细胞生物基高疏水微米粉体材料的扫描电镜照片；
图4单细胞生物基高疏水微米粉体材料接触角测定照片。
具体实施方式
本发明的反应机理：用生物凝集素活性伴刀豆蛋白A(即Con A)对Fe3O4纳米粒子进行生物修饰，通过Fe3O4纳米粒子表面Con A与酵母细胞上甘露聚糖的特异性识别和结合，实现在温和条件下Fe3O4纳米在酵母细胞壁上的定位和组装，在酵母表面形成稳定的粗糙致密微表面的同时，得到Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物。继而借助于多巴胺的高反应活性，在Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物的表面进一步修饰具有低表面能的十八胺，使Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物的表面形成疏水的烷基链，制备出单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
本发明提供一种简单高效的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，将单细胞生物细胞经分散剂的反复洗涤后，用活化剂对单细胞生物细胞进行活化处理，得到活化的单细胞生物细胞；同时，通过一定的方法制备得到Fe3O4纳米粒子，对其进行清洗和改性后，实现纳米级粒子与凝集素分子的结合，得到凝集素分子生物修饰后的纳米粒子。然后，将凝集素分子生物修饰后的纳米粒子与活化的单细胞生物细胞结合，由Fe3O4纳米粒子在单细胞生物表面的固载实现单细胞生物表面粗糙微纳米结构的构建，再借助于多巴胺对产物表面进行十八胺改性进一步降低颗粒表面能，得到单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
本发明所用Fe3O4纳米粒子是以FeCl3·6H2O为原料采用水热条件多批次制备所得。其中一种实施方式为：
将1.20g的FeCl3·6H2O、2ml甲醛和5ml的N2H4H2O溶解在40ml去离子水中，然后将溶液转移至聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，水热反应在100℃条件下保持8h，反应结束后将高压釜冷却至室温。通过磁铁收集Fe3O4纳米粒子，洗涤三次后在60℃真空干燥，制得Fe3O4纳米粒子。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
称取1g酵母用离子水进行洗涤，将洗涤后的酵母放入0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中搅拌混合，静置5h，使酵母细胞吸水活化，得到活化的酵母细胞。
将制得的5g Fe3O4纳米粒子放入含质量分数为26％的氨水、质量分数为30％的过氧化氢和蒸馏水(V:V:V＝1:1:10)的混合液中进行超声清洗，离心并干燥，实现对Fe3O4纳米粒子的表面清洗。
将清洗干净的Fe3O4纳米粒子放入质量浓度为2.5％的戊二醛溶液的烧杯中搅拌，混合均匀，室温下静置20h，然后用磷酸缓冲液、蒸馏水和乙醇进行清洗，得到醛基化改性的Fe3O4纳米粒子。
将10mg Con A加入到10ml含0.1mol/L的KCl，0.1mmol/L的CaCl2，0.1mmol/L的MnCl2，且pH＝7的0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，混合，在37℃搅拌活化12h，得到活化的Con A的PBS缓冲溶液。
将改性的Fe3O4纳米粒子加入活化的Con A的PBS缓冲溶液中混合，在37℃静置20h，使Con A与改性的Fe3O4纳米粒子相结合，得到Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子。
把Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子加入到活化的酵母溶液中混合，在37℃静置3h，离心、清洗得到Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物。通过Fe3O4纳米粒子在酵母表面的固载，实现酵母细胞表面粗糙微纳米结构的构建，得到Fe3O4纳米粒子@酵母。
将1g制好的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物和0.5g多巴胺加入到200ml，pH＝8.5的HCl-Tris缓冲溶液中，超声分散后用磁力搅拌器上在25℃搅拌24h，然后用磁铁将多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物从溶液中分离出来；将0.5g十八胺溶于200ml乙醇溶液中，加入上述多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物，25℃下在磁力搅拌器上反应24h。最后，用磁铁收集终产物，用乙醇溶液洗涤三次，在50℃烘箱烘干即可获得即可获得一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
经测定，所获得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料接触角为102°。
实施例2
称取1g酵母用离子水进行洗涤，将洗涤后的酵母放入0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中搅拌混合，静置4h，使酵母细胞吸水活化，得到活化的酵母细胞。
将制得的2g的Fe3O4纳米粒子放入含质量分数为26％的氨水、质量分数为30％的过氧化氢和蒸馏水(V:V:V＝1:1:10)的混合液中进行超声清洗，离心并干燥，实现对Fe3O4纳米粒子的表面清洗。
将清洗干净的Fe3O4纳米粒子放入质量浓度为2.5％的戊二醛溶液的烧杯中搅拌，混合均匀，室温下静置16h，然后用磷酸缓冲液、蒸馏水和乙醇进行清洗，得到醛基化改性的Fe3O4纳米粒子。
将10mg Con A加入到10ml含0.1mol/L的KCl，0.1mmol/L的CaCl2，0.1mmol/L的MnCl2，且pH＝7的0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，混合，在37℃搅拌活化10h，得到活化的Con A的PBS缓冲溶液。
将改性的Fe3O4纳米粒子加入活化的Con A的磷酸缓冲液中混合，在37℃静置18h，使Con A与改性的Fe3O4纳米粒子相结合，得到Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子。
把Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子加入到活化的酵母溶液中混合，在37℃静置4h，离心、清洗得到Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物。通过Fe3O4纳米粒子在酵母表面的固载，实现酵母细胞表面粗糙微纳米结构的构建，得到Fe3O4纳米粒子@酵母。
将1g上述制好的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物和0.4g多巴胺加入到200ml，pH＝8.5的HCl-Tris缓冲溶液中，超声分散后用磁力搅拌器上在25℃搅拌24h，然后用磁铁将多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物从溶液中分离出来；将0.4g十八胺溶于200ml乙醇溶液中，加入上述多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物，25℃下在磁力搅拌器上反应24h。最后，用磁铁收集终产物，用乙醇溶液洗涤三次，在50℃烘箱烘干即可获得即可获得一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
经测定，所获得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料接触角为108°。
实施例3
称取1g酵母用生理盐水进行洗涤，将洗涤后的酵母放入0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中搅拌混合，静置3h，使酵母细胞吸水活化，得到活化的酵母细胞。
将制得的1g的Fe3O4纳米粒子放入含质量分数为26％的氨水、质量分数为30％的过氧化氢和蒸馏水(V:V:V＝1:1:10)的混合液中进行超声清洗，离心并干燥，实现对Fe3O4纳米粒子的表面清洗。
将清洗干净的Fe3O4纳米粒子放入质量浓度为2.5％的戊二醛溶液的烧杯中搅拌，混合均匀，室温下静置14h，然后用磷酸缓冲液、蒸馏水和乙醇进行清洗，得到醛基化改性的Fe3O4纳米粒子。
将10mg Con A加入到10ml含0.1mol/L的KCl，0.1mmol/L的CaCl2，0.1mmol/L的MnCl2，且pH＝7的0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，混合，在37℃下搅拌活化8h，得到活化的Con A的PBS缓冲溶液。
将改性的Fe3O4纳米粒子加入活化的Con A的磷酸缓冲液中混合，在37℃静置14h，使Con A与改性的Fe3O4纳米粒子相结合，得到Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子。
把Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子加入到已活化的酵母溶液中混合，在37℃静置5h，离心、清洗得到Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物。通过Fe3O4纳米粒子在酵母表面的固载，实现酵母细胞表面粗糙微纳米结构的构建，得到Fe3O4纳米粒子@酵母。
将1g上述制好的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物和0.3g多巴胺加入到200ml，pH＝8.5的HCl-Tris缓冲溶液中，超声分散后用磁力搅拌器上在25℃搅拌24h，然后用磁铁将多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物从溶液中分离出来；将0.6g十八胺溶于200ml乙醇溶液中，加入上述多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物，25℃下在磁力搅拌器上反应24h。最后，用磁铁收集终产物，用乙醇溶液洗涤三次，在50℃烘箱烘干即可获得即可获得一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
经测定，所获得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料接触角为113°。
实施例4
称取2g酵母用离子水进行洗涤，将洗涤后的酵母放入0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中搅拌混合，静置2h，使酵母细胞吸水活化，得到活化的酵母细胞。
将制得的1g的Fe3O4纳米粒子放入含质量分数为26％的氨水、质量分数为30％的过氧化氢和蒸馏水(V:V:V＝1:1:10)的混合液中进行超声清洗，离心并干燥后，实现对Fe3O4纳米粒子的表面清洗。
将清洗干净的Fe3O4纳米粒子放入质量浓度为2.5％的戊二醛溶液的烧杯中搅拌，混合均匀，室温下静置12h，然后用磷酸缓冲液、蒸馏水和乙醇进行清洗，得到改性的Fe3O4纳米粒子。
将10mg Con A加入到10ml含0.1mol/L的KCl，0.1mmol/L的CaCl2，0.1mmol/L的MnCl2，且pH＝7的0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，混合，在37℃下搅拌活化6h，得到活化的Con A的PBS缓冲溶液。
将改性的Fe3O4纳米粒子加入活化的Con A的磷酸缓冲液中混合，在37℃静置12h，使Con A与改性的Fe3O4纳米粒子相结合，得到Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子。
把Con A生物修饰的Fe3O4纳米粒子加入到活化的酵母溶液中混合，在37℃静置2h，离心、清洗得到Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物。通过Fe3O4纳米粒子在酵母表面的固载实现酵母细胞表面粗糙微纳米结构的构建，得到Fe3O4纳米粒子@酵母。
将1g上述制好的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物和0.4g多巴胺加入到200ml，pH＝8.5的HCl-Tris缓冲溶液中，超声分散后用磁力搅拌器上在25℃搅拌24h，然后用磁铁将多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物从溶液中分离出来；将0.6g十八胺溶于200ml乙醇溶液中，加入上述多巴胺处理过的Fe3O4纳米粒子@酵母负载产物，25℃下在磁力搅拌器上反应24h。最后，用磁铁收集终产物，用乙醇溶液洗涤三次，在50℃烘箱烘干即可获得即可获得一种单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
经测定，所获得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料接触角为121°。

Claims (9)

1.单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：用离子水或生理盐水对单细胞生物细胞进行洗涤；再用磷酸缓冲液与洗涤后的单细胞生物细胞搅拌混合，静置，得到活化的单细胞生物细胞；
步骤二：用含氨水、过氧化氢和蒸馏水混合液对 Fe3O4纳米粒子进行清洗，离心，干燥得到清洗干净的 Fe3O4纳米粒子；将戊二醛溶液与清洗干净后的 Fe3O4纳米粒子搅拌混合，静置，得到改性的 Fe3O4纳米粒子；
步骤三：将凝集素加入到 PBS 缓冲溶液中混合，搅拌活化，得到活化的凝集素分子的PBS 缓冲溶液；
步骤四：将活化的凝集素分子与改性的 Fe3O4纳米粒子混合，静置，使凝集素分子与改性的Fe3O4纳米粒子结合，得到生物修饰的Fe3O4纳米粒子；
步骤五：将生物修饰的 Fe3O4 纳米粒子与活化的单细胞生物细胞混合，静置，实现单细胞生物表面粗糙微 Fe3O4纳米结构的构建，得到 Fe3O4纳米粒子@单细胞生物；
步骤六：将步骤五得到的 Fe3O4纳米粒子@单细胞生物加入含多巴胺的Tris-HCl 缓冲溶液体系中反应，将与多巴胺反应后的Fe3O4纳米粒子@单细胞生物放入十八胺的无水乙醇溶液中搅拌反应，清洗并干燥后得到单细胞生物基高疏水微米粉体材料；
所述步骤三中的凝集素采用 Con A；
所述的单细胞生物细胞为酵母细胞。
2.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的单细胞生物细胞采用酵母细胞干粉，用量1～2g。
3.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中 Fe3O4纳米粒子清洗釆用体积比为 1:1:10 的含质量分数为 26%的氨水、质量分数为 30%的过氧化氢和蒸馏水的混合液进行超声清洗，离心并干燥后得到清洗干净的Fe3O4纳米粒子。
4.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中 Fe3O4纳米粒子的投入量为 1～5g；Fe3O4纳米粒子改性采用质量浓度为 2.5%的戊二醛，改性时间为 12～24h。
5.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于所述步骤三中凝集素的搅拌活化时间 6～12h，活化温度为 37℃。
6.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四中凝集素分子与改性的 Fe3O4纳米粒子混合，静置时间为 12～20h，操作温度为37℃。
7.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤五中将生物修饰后的 Fe3O4纳米粒子与活化的单细胞生物细胞混合，静置时间为 2～5h。
8.如权利要求1所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法，其特征在于：所述步骤六中 Fe3O4纳米粒子@单细胞生物产物加入含多巴胺的 Tris-HCl 缓冲溶液体系中反应时间为 24h，再将与多巴胺反应后的Fe3O4纳米粒子@单细胞生物放入十八胺的无水乙醇溶液中搅拌反应时间为 24h。
9.权利要求 1～8 任一所述的单细胞生物基高疏水微米粉体材料的制备方法制得的单细胞生物基高疏水微米粉体材料。
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