CN115678095B - 一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种壳聚糖‑聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质及其制备方法，所述纳晶胶介质为整体多孔晶胶材料，具有微米量级的超大孔隙结构，且带有阴离子交换及疏水功能基团；纳晶胶介质的基质骨架为亲水性壳聚糖和疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶包埋在亲水性壳聚糖内。本发明提供的纳晶胶介质，具有良好的生物相容性和安全性，可重复利用，且因其内部的超大孔隙结构，有利于实现在高流速条件下一步法从含有细胞或细胞碎片的复杂发酵液或转化液中快速分离目标物分子。所述壳聚糖‑聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质制备方法简单易行，分离过程放大容易，在生化分离领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物分离技术领域，具体涉及一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质及其制备方法。
背景技术
晶胶介质是由单体溶液经低温冷冻聚合和结晶致孔得到的一种新型分离材料，其内部具有微米量级相互连通的超大孔隙，因而在分离过程中表现出压降低、对流传质好、允许复杂料液高流速通过等优点，在生物分离领域具有良好的应用前景。但是，目前关于晶胶介质的工业化应用仍未见报道，究其主要关键技术制约因素，一方面需要研究开发新的生物相容性好且成本低廉的单体材料及合成方法，另一方面需要解决因晶胶介质内部超大孔隙导致比表积较小而造成的吸附容量小的问题。
壳聚糖作为一种天然高分子可再生资源，单体结构类似于纤维素，可视为含有氨基的葡萄糖，因其含有丰富的可进行化学修饰的活性基团，并且具有亲水性好、生物相容性好、环境友好和理化性质稳定的特点，成为了生物功能材料的领域的研究热点。目前，壳聚糖的应用研究主要集中在组织工程、药物释放、伤口修复及污水处理等方面，而以其为原料合成制备生物分离介质的研究较少。由单一壳聚糖制备晶胶介质往往存在机械强度较差、内部孔隙过大、比表面积小且功能基团少等问题，制约了其应用。将疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶内嵌在亲水性壳聚糖晶胶的内，并接枝阴离子交换功能基团，可在保留晶胶的超大孔隙特征的同时，弥补晶胶介质有效吸附位点少的不足，进一步提高对蛋白质、酶等生物大分子的选择性吸附和吸附容量。目前，将疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶内嵌在亲水性壳聚糖晶胶中，制备具有阴离子交换和疏水层析双模式功能的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质的研究尚未见报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质及其制备方法。
所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，所述纳晶胶介质为整体多孔晶胶材料，具有微米量级的超大孔隙结构，且带有阴离子交换及疏水功能基团；纳晶胶介质的基质骨架为亲水性壳聚糖和疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶包埋在亲水性壳聚糖内。
进一步地，所述晶胶介质内部孔径为1～200 mm，孔隙率为84～92%，其对模型蛋白―牛血清白蛋白的吸附容量为4~9 mg/mL晶胶。
所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质的制备方法，包括如下步骤:
1）以乙酸水溶液溶解壳聚糖单体，配制可进行聚合反应的溶液，向溶液中添加聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，在交联剂作用下，经冷冻结晶致孔和聚合反应，得到纳晶胶基质骨架；
2）以带有阴离子交换功能基团的反应单体为接枝单体，对步骤1）所得的纳晶胶基质骨架进行接枝反应，固载阴离子交换功能基团，得到所述的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质。
进一步地，步骤1）可聚合反应溶液中，乙酸质量百分数为1~3%，壳聚糖的质量百分比为0.5～2.5%。
进一步地，步骤1）中，壳聚糖与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶的质量比为1:0.1～3，优选为1:0.5~1.5。
进一步地，步骤1）中的交联剂为戊二醛，戊二醛与壳聚糖结构单元摩尔比为1:0.5～15，优选为1:0.5~5。
进一步地，步骤1）中的冷冻结晶致孔和聚合反应温度为-10～-20 ℃，反应时间为22～25 h，优选为24 h。
进一步地，步骤2）中的阴离子交换功能基团的接枝单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，以浓度0.5～2 M接枝单体溶液对所述纳晶胶基质骨架进行接枝反应。
进一步地，步骤2）中的接枝反应的温度为40~50℃，反应时间为1~3 h。
通过采用上述技术，本发明具有如下有益效果：
1）本发明提供的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，介质的孔径为1~200 m，孔隙率为84～92%，其基质骨架材料为亲水性壳聚糖和疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，具有很好的生物相容性和安全性，可重复利用，其阴离子交换层析与疏水层析功能双模式基团，具有优良的分离性能;
2）本发明的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质的制备方法简单易行，放大制备容易，该分离介质对模型蛋白的吸附容量为4~8 mg/mL晶胶，在生化分离领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
以下实施例中，%均指质量百分数的单位。
实施例1：
以所有原料总量为100%计，将含有1.6%壳聚糖、2%乙酸、1.6%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.4 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和94.7%去离子水的混合液在玻璃瓶中搅拌5 h。将充分溶解的壳聚糖混合液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.1%戊二醛，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持24 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为0.5 M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为l h，得到壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为87%，最大孔隙率为92%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为5.0 mg/mL。
实施例2：
以所有原料总量为100%计，将含有2%壳聚糖、2%乙酸、2%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和93.9%去离子水的混合液在玻璃瓶中搅拌5 h。将充分溶解的壳聚糖混合液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.1%戊二醛，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持25h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为1.0 M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为2 h，得到壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为88%，最大孔隙率为92%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为8.2 mg/mL。
实施例3：
以所有原料总量为100%计，将含有2%壳聚糖、2%乙酸、1%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和94.75%去离子水的混合液在玻璃瓶中搅拌5 h。将充分溶解的壳聚糖混合液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.25%戊二醛，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持22 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为0.5 M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为2 h，得到壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为81%，最大孔隙率为85%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为6.9 mg/mL。
实施例4：
以所有原料总量为100%计，将含有1%壳聚糖、2%乙酸、1.5%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和95.48%去离子水的混合液在玻璃瓶中搅拌5 h。将充分溶解的壳聚糖混合液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.02%戊二醛，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持24 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为0.5 M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为l h，得到壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为86%，最大孔隙率为92%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为4.2 mg/mL。
实施例5：
以所有原料总量为100%计，将含有2%壳聚糖、2%乙酸、1%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和94.94%去离子水的混合液在玻璃瓶中搅拌5 h。将充分溶解的壳聚糖混合液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.0625%戊二醛，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持23 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为1.5 M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为l h，得到壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为83%，最大孔隙率为88%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为7.0 mg/mL。
实施例6：
以所有原料总量为100%计，将含有6.16%甲基丙烯酸羟乙酯、1.84%乙二醇二甲基丙烯酸酯、2%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和89.76%去离子水的混合液充分混合并预冷。将单体溶液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.12%过硫酸铵和0.12%四甲基乙二胺，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持24 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为1M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为2 h，得到甲基丙烯酸羟乙酯-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为86%，最大孔隙率为92%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为3.4 mg/mL。
实施例7：
以所有原料总量为100%计，将含有6.16%甲基丙烯酸羟乙酯、1.84%乙二醇二甲基丙烯酸酯、1%聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶（平均粒径43.43 nm、多分散系数0.1、Zeta电位在-70.5 mV）和90.76%去离子水的混合液充分混合并预冷。将单体溶液置于内径10 mm的层析柱内，加入0.12%过硫酸铵和0.12%四甲基乙二胺，进行结晶致孔和聚合反应，过程为：以-5℃为起始温度，在60min内均匀降温到-20℃，然后低温保持24 h，得到连续床纳晶胶基质骨架；配制浓度为1M的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝溶液，控制温度为45℃，对连续床纳晶胶基质骨架进行接枝反应，反应时间为2 h，得到甲基丙烯酸羟乙酯-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其有效孔隙率为87%，最大孔隙率为92%，孔径约1~200 mm，对牛血清白蛋白的吸附容量为2.3 mg/mL。
综上实验结果可以看出，本发明实施例1-5制备的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，与实施例6-7相对常规方法制备的纳晶胶介质相比，它们晶胶介质的孔隙结构较为相近，但是实施例1-5实验结果对牛血清白蛋白的吸附容量显著提高。本发明基质骨架材料中亲水性壳聚糖和疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶的组合协同作用大大提高了其吸附效果，具有更好的应用前景。
Claims (8)
1.一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于所述纳晶胶介质为整体多孔晶胶材料，具有微米量级的超大孔隙结构，且带有阴离子交换及疏水功能基团；纳晶胶介质的基质骨架为亲水性壳聚糖和疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，疏水性聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶包埋在亲水性壳聚糖内；
所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质的制备方法包括如下步骤:
1）以乙酸水溶液溶解壳聚糖单体，配制可进行聚合反应的溶液，向溶液中添加聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶，在交联剂作用下，经冷冻结晶致孔和聚合反应，得到纳晶胶基质骨架；
2）以带有阴离子交换功能基团的反应单体为接枝单体，对步骤1）所得的纳晶胶基质骨架进行接枝反应，固载阴离子交换功能基团，得到所述的壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质；
步骤1）中，壳聚糖与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶的质量比为1:0.1～3；
步骤1）中的交联剂为戊二醛，戊二醛与壳聚糖结构单元摩尔比为1:0.5～15；
步骤1）中的冷冻结晶致孔和聚合反应的过程为：以-3~-6℃为起始温度，在40~80min内均匀降温到-18~-22℃，然后低温保持22～25 h；
步骤2）中的阴离子交换功能基团的接枝单体为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯。
2.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于晶胶介质内部孔径为1～200 mm，孔隙率为84～92%，其对模型蛋白―牛血清白蛋白的吸附容量为4~9 mg/mL晶胶。
3.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于步骤1）可聚合反应溶液中，乙酸质量百分数为1~3%，壳聚糖的质量百分比为0.5～2.5%。
4.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于步骤1）中，壳聚糖与聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳凝胶的质量比为1:0.5~1.5。
5.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于步骤1）中的交联剂为戊二醛，戊二醛与壳聚糖结构单元摩尔比为1:0.5~5。
6.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于步骤1）的冷冻结晶致孔和聚合反应的过程中，降温到-18~-22℃之后低温保持的时间是24h。
7.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于甲基丙烯酸二甲氨基乙酯以浓度0.5～2 M接枝单体溶液对所述纳晶胶基质骨架进行接枝反应。
8.如权利要求1所述的一种壳聚糖-聚甲基丙烯酸缩水甘油酯纳晶胶介质，其特征在于步骤2）中的接枝反应的温度为40~50℃，反应时间为1~3 h。
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