CN107552022B - 一种星形磁响应有机吸附材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星形结构吸附材料及其制备方法，属于高分子材料制备工艺技术领域。本发明用于高效、快速和便捷的分离纯化蛋白质的星形磁响应材料包括以下原料：连续相为乙醇、甲苯和聚乙烯吡咯烷酮。分散相为甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EDMA）、偶氮二异丁腈、十二醇、环己醇和四氧化三铁。本发明采用分散聚合法控制聚合物微球进行表面交联自组装形成星形磁响应聚合物吸附剂。本发明制备的星形磁响应有机吸附剂不仅具有微球装吸附剂的高比表面积、高吸附位点和高吸附量，同时还具有宏观粒度大和磁响应强度高等性特，统一了生物大分子吸附剂高效吸附，便捷分离的两大特性，为生物分离材料领域提供一类性能优良的分离材料。该材料对牛血清蛋白（BSA）的吸附容量可达108 mg/g干基材料。

Description

一种星形磁响应有机吸附材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及到一种星形结构吸附材料及其制备方法，更具体的说是一种用于高效分离纯化蛋白质的聚酯吸附材料及其制备方法，属于高分子材料制备工艺技术领域。

背景技术

随着生物化工的不断发展，生物大分子在各个领域不断地利用，使得生物分离技术成为生物化工行业的研究热点。高分子聚合物微球由于其大比表面积、易改性和和较高的机械强度等特点，已广泛用于生物分离的许多应用中，包括酶固定，细胞分离，免疫测定，蛋白质纯化，并且用作药物位点特异性的载体。但是此类聚合物微球在实际应用过程中会有一个很大的缺点：不便于分离。由于其微球结构是微米级，其粒度之小在传统实验过程中多用机械离心的方式进行分离，这必然会使实验操作变得繁琐。对此，有的研究者提出将制备的微球用作色谱柱填料，采用色谱柱分离方法对生物大分子实现分离。但是对于色谱柱也有许多因素如：流动相、微球的填充方式、柱压等都会影响最终的分离效果。而对于为实现易分离、操作便捷等特点，有人提出将聚合物粒度提高，用同样的方式制备平均粒度在上百微米的聚合物大球。但是在具体实验过程中研究者们发现，随着聚合反应的不断进行所得的聚合物粒度的分布范围很广，得不到单分散的聚合物，同时由于制备的粒度较大，使得该类聚合物吸附材料的比表面积和活性位点较低会导致最后吸附材料的吸附效率较低。这使得研究制备具有高吸附分离效率、易分离、易操作等特点的新型吸附材料成为现今生物分离领域的需要。

为了更好的指导新型结构吸附材料设计和合成，研究者们从合成理论上对聚合物材料的制备成型及形貌控制等行为的关系进行了初步研究，提出了一些数学模型。上世纪九十年代初期Stǒver等人提出了以沉淀聚合方法制备单分散微球方法的可行性(Li K.,Stǒver H.D.H.J.Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.,1993,31:3257-3263)。后来一些研究人员在此基础之上提出了分散聚合，利用该聚合反应过程中特有的相分离现象可实现对聚合物形貌控制并制备了同形态的微球，如核壳结构微球、溶胀式微球及洋葱形层状微球等(LiW.H.,Stǒver H.D.H.J.Polym.Sci.Part A:Polym.Chem.,1998,36:1543-1551；ZhengG.D.,Stǒver H.D.H.J.Macromolecules,2002,35:7612-7619；Takckoh R.,Li W.H.,BurkeN.A.D.J.Am.Chem.Soc.,2006,128:240-224)。从分散聚合原理分析发现，可利用相分离及反应体系对聚合物材料的结构与形貌进行有效调控，并有望制备具有高吸附效率与易操作分离的吸附材料，为新型吸附材料的制备提供了一条崭新途径。

鉴于以上分析，本发明公布了一种新型结构的吸附材料的设计合成及应用的研究方案：首先针对方便应用操作这一特点拟采取分散聚合方法制备以微米小球为结构单元的星形组装大球，该种大球的粒度通常达上百微米可用一般标准筛进行分离，相较传统的离心分离方式有较高的分离效率。此外，通过自组装形成的星形聚合物大球其基本单元为微米级小球，并且微球之间是表面自组装，所以大球最终的比表面积与结合位点将不会有太大改变，这样不仅保证了材料具有高的吸附能力同时也使得聚合物材料易分离从而实现了生物大分子的高效快速分离；其次，为了进一步强化聚合物材料的分离过程，拟在聚合物材料内引入磁性物质，并在吸附结束后用磁场对吸附材料进行强化分离；最后，对所得的磁性聚合物大球进行表面改性用于蛋白质的吸附分离，证明该法制备的磁响应星形有机聚合物材料具有高效快速分离纯化蛋白质的特点。

发明内容

本发明的目的在于解决目前应用蛋白吸附材料的材料高效吸附性能与实际便捷操作所不兼容的缺点，提供一种以分散聚合法合成具有磁响应星形结构的有机吸附剂材料的制备方法。本发明所述方法能够在不降低材料吸附能力基础之上，有效提高材料在实际吸附过程中的可操作性。

为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下：

一种用于高效快速分离纯化蛋白质的星形磁响应有机吸附剂材料的制备，其特征在于：所需原料及以质量份数计量用量如下：

分散相：

连续相：

乙醇 50-100份

甲苯 0-30份

聚乙烯吡咯烷酮 0-1份

本发明所述的聚乙烯吡咯烷酮为PVP K3000型。

本发明所述的油酸改性的四氧化三铁为5％的环己烷分散液。

一种用于高效快速分离纯化蛋白质的星形磁响应有机吸附剂材料的制备，其特征在于：包括如下工艺步骤：

A、称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮、乙醇加入反应器中，开启搅拌装置以200rpm的转速进行搅拌，待完全溶解后加入该体系加入适量甲苯并在室温下搅拌5-10min，此体系为连续相；

B、在另一容器中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯、十二醇、环己醇、油酸改性的四氧化三铁均匀混合置于超声清洗仪中进行超声分散20-30min；

C、将步骤B中制得均以分散相加入到步骤A连续相中去，保持反应器搅拌速率在200-400rpm钟使得分散相均匀的分散于连续相中，同时以4L/h的流速向反应器中通入氮气，排除反应器中的氧气；

D、向步骤C中加入用适量甲苯溶解后的偶氮二异丁腈，在室温下持续搅拌20-30min后将体系温度升高至60-70℃，恒温20-30min；

E、向步骤D中加入二甲基丙烯酸乙二醇酯，并将体系温度迅速提高至75℃，恒温反应3-4h；随后升温至85℃，恒温1-2h；最后将体系温度降至室温，反应完成，过滤得到聚合物材料；

F、将步骤E中制得的聚合物材料先用丙酮洗涤除去过量的单体与油相试剂，随后将洗涤后的材料置于索氏提取其中用乙醇进行回流浸取，除去材料内部多余的惰性组分；

G、最后将步骤F中浸取制得的磁性聚合物材料置于冷冻干燥机内冷冻干燥24h，即可得到星形磁响应有机吸附剂材料。

在上述技术方案中，步骤A与步骤D中所用甲苯量的总和为最终甲苯用量。

在上述技术方案中，氮气作为保护气是需要持续通入直至反应结束。

本发明与现有技术相比，有效的解决了现有吸附剂材料对吸附性能与便捷操作不兼容的缺点，实现了吸附材料对生物大分子高效快速分离纯化、简单便捷的操作步骤想统一，提高了生物大分子分离效率，为生物分离技术提供了可借鉴的技术。本发明所制备的吸附材料有以下优点：

(1)本发明通过分散聚合法成功制备了磁性自组装型复合大球，并通过对实验条件控制制备了自组装型圆形复合大球与自组装型星形复合大球，与传统单一形貌材料相比，增加了材料结构的多样性。

(2)本发明制备的磁性自组装型复合大球具有较高的实际利用价值，由于该材料是由微球组装而形成的磁性大球，对比传统的吸附材料而言，该材料在不改变吸附材料比表面积的同时，增加了实际使用过程中的分离可操作性，本材料粒径可达几百微米，可用一般标准筛或是在磁场环境下实现快速分离。

(3)本发明制备磁性自组装型星形复合大球，对蛋白质等生物大分子物质有较优的亲和性，材料富含大孔结构，能加快吸附液的快速扩散，提高传质效率，提高吸附效率。

附图说明

图1是本发明技术方案的流程示意图；

图2是本发明实施实例1产物的傅里叶变换红外光谱图谱。由图可知，在580cm^-1有一个明显特征吸收峰，该特征峰是由于Fe-O键振动引起的；而846cm^-1、903cm^-1和1260cm^-1处出现了三个特征峰，表示材料中环氧基团的存在；在749cm^-1、1146cm^-1和1640cm^-1处的特征峰是由于材料中存在酯键而造成的；以上结果表明，Fe₃O₄已经和单体和交联剂之间结合形成了具有磁响应性的材料。

图3是本发明实施实例1与发明实例2产物的热重分析图谱。从在空气中测试的TGA图(图3)可以发现，通过在空气中进行高温测试，含有磁性物质的材料(图3-b和图3-c)的最终残余质量是要高于纯聚合物材料(图3-a)的。

图4是本发明实施实例1产物的X射线衍射图谱；在该图谱中磁响应聚合物材料的衍射峰与Fe₃O₄的5个特征衍射峰相吻合，这也说明了Fe₃O₄已经包含与材料中。

图5是本发明实施实例1产物星形磁响应自组装型复合大球的扫描电镜图x100，图6是本发明实施实例1产物星形磁响应自组装型复合大球的扫描电镜图x3000；从图5中可清晰看出材料是由众多微球自组装形成的星形复合材料。该材料的基本微球单元的粒径约为1μm(图6)，而形成复合材料的粒径为200-300μm(图5)，通过这样的自组装形式极大的提高了材料的可操作性。

图7是发明实施实例1产物星形磁响应自组装型复合大球的牛血清蛋白吸附动力学曲线。通过对比发现星形磁响应吸附材料的蛋白质吸附量高达108mg/g干基材料，吸附平衡时间约为30min，实现了对蛋白质的高效快速吸附分离。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面将结合实施实例和附图对本发明作进一步解释。但需要特别说明的是，实施实例仅用于对本发明进行进一步解释，本发明要求保护的范围并不局限于实施实例表示的范围。

实施实例1

以质量份数计量的原料组成：

分散相

连续相：

乙醇 70份

甲苯 10份

聚乙烯吡咯烷酮 0.8份

本发明所述的聚乙烯吡咯烷酮为PVP K3000型。

本发明所述的油酸改性的四氧化三铁为5％的环己烷溶液。

一种用于分离纯化蛋白质的磁响应星形有机吸附剂材料的制备方法，具体包括如下步骤：

称取定量的聚乙烯吡咯烷酮与乙醇加入反应器中，以200rpm的转速在室温下进行搅拌溶解后加入适量甲苯制得连续相。在另一容器中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯、十二醇、环己醇、油酸改性的四氧化三铁均匀混合置于超声清洗仪中进行超声分散15min，制得分散相。将分散加入到连续相中，同时加入用甲苯溶解一定量的偶氮二异丁腈，将反应器搅拌速率调至250rpm室温搅拌20min，并通入氮气保护。将体系温度升高至60℃恒温30min，随后向体系中加入交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，并迅速将体系温度升高至75℃，在氮气环境中恒温反应3h，最后将反应体系温度升高至85℃恒温反应1h后关闭加热装置待反应器冷却至室温后结束反应，过滤得到磁性自组装型复合大球吸附材料。将该材料用适量丙酮洗涤过滤两次后，将材料置于索氏提取器中用乙醇在70℃下回流浸取2h，除去材料中的惰性组分；随后将材料置于冷冻干燥机进内冷冻干燥24h即可得到，具有磁响应性能的自组装型复合大球。

实施实例2

以质量份数计量的原料组成：

分散相：

连续相：

乙醇 90份

甲苯 15份

聚乙烯吡咯烷酮 1份

本发明所述的聚乙烯吡咯烷酮为PVP K3000型。

本发明所述的油酸改性的四氧化三铁为5％的环己烷溶液。

一种用于分离纯化蛋白质的磁响应星形有机吸附剂材料的制备方法，具体包括如下步骤：

称取定量的聚乙烯吡咯烷酮与乙醇加入反应器中，以200rpm的转速在室温下进行搅拌溶解后加入适量甲苯制得连续相。在另一容器中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯、十二醇、环己醇、油酸改性的四氧化三铁均匀混合置于超声清洗仪中进行超声分散20min，制得分散相。将分散加入到连续相中，同时加入用甲苯溶解一定量的偶氮二异丁腈，将反应器搅拌速率调至300rpm室温搅拌20min，并通入氮气保护。将体系温度升高至65℃恒温30min，随后向体系中加入交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，并迅速将体系温度升高至75℃，在氮气环境中恒温反应4h，最后将反应体系温度升高至85℃恒温反应2h后关闭加热装置待反应器冷却至室温后结束反应，过滤得到磁性自组装型复合大球吸附材料。将该材料用适量丙酮洗涤过滤两次后，将材料置于索氏提取器中用乙醇在70℃下回流浸取2h，除去材料中的惰性组分；随后将材料置于冷冻干燥机进内冷冻干燥24h即可得到，具有磁响应性能的自组装型复合大球。

实施实例3

以质量份数计量的原料组成：

分散相：

连续相：

乙醇 60份

甲苯 10份

聚乙烯吡咯烷酮 0.5份

一种用于分离纯化蛋白质的磁响应星形有机吸附剂材料的制备方法，具体包括如下步骤：称取定量的聚乙烯吡咯烷酮与乙醇加入反应器中，以200rpm的转速在室温下进行搅拌溶解后加入适量甲苯制得连续相。在另一容器中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯、十二醇、环己醇、油酸改性的四氧化三铁均匀混合置于超声清洗仪中进行超声分散10min，制得分散相。将分散加入到连续相中，同时加入用甲苯溶解一定量的偶氮二异丁腈，将反应器搅拌速率调至200rpm室温搅拌20min，并通入氮气保护。将体系温度升高至65℃恒温20min，随后向体系中加入交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯，并迅速将体系温度升高至75℃，在氮气环境中恒温反应2h，最后将反应体系温度升高至85℃恒温反应2h后关闭加热装置待反应器冷却至室温后结束反应，过滤得到磁性自组装型复合大球吸附材料。将该材料用适量丙酮洗涤过滤两次后，将材料置于索氏提取器中用乙醇在70℃下回流浸取2h，除去材料中的惰性组分；随后将材料置于冷冻干燥机进内冷冻干燥24h即可得到，具有磁响应性能的自组装型复合大球。

Claims (3)

1.一种用于快速分离纯化蛋白质的星形磁响应有机吸附剂材料的制备方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

A、称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮、乙醇加入反应器中，开启搅拌装置以200 rpm的转速进行搅拌，待完全溶解后加入适量甲苯并在室温下搅拌5-10 min，此体系为连续相；

B、在另一容器中加入甲基丙烯酸缩水甘油酯、十二醇、环己醇、油酸改性的四氧化三铁均匀混合置于超声清洗仪中进行超声分散20-30 min，制得分散相；

C、将步骤B中制得的分散相加入到步骤A得到的连续相中去，保持反应器搅拌速率在200-400 rpm使得分散相均匀地分散于连续相中，同时以4 L/h的流速向反应器中通入氮气，排除反应器中的氧气；

D、向步骤C中加入用适量甲苯溶解后的偶氮二异丁腈，在室温下持续搅拌20-30 min后将体系温度升高至60-70 ℃，恒温20-30 min；

E、向步骤D中加入二甲基丙烯酸乙二醇酯，并将体系温度迅速提高至75℃，恒温反应3-4 h；随后升温至85℃，恒温1-2 h；最后将体系温度降至室温，反应完成，过滤得到聚合物材料；

F、将步骤E中制得的聚合物材料先用丙酮洗涤2-3次，除去过量的单体与油相试剂，随后将洗涤后的材料置于索氏提取中用乙醇在70℃下进行回流浸取2h，除去材料内部多余的惰性组分；

G、最后将步骤F中浸取制得的磁性聚合物材料置于冷冻干燥机内冷冻干燥24 h，即可得到星形磁响应有机吸附剂材料。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：步骤A与步骤D中所用甲苯量的总和为最终甲苯用量。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：氮气作为保护气是需要持续通入直至反应结束。