KR20130064909A - Branched polymer microspheres with silica shell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A branched polymer microsphere is provided to be easily collected and reused in case of being used as an enzyme immobilized carrier because the branched polymer microsphere is simply and easily separated by a magnet by including a magnetic particle. CONSTITUTION: A branched polymer microsphere includes one or more magnetic particles. The magnetic particle is made of a magnetic material or a magnetic alloy. A composite includes a silica layer which surrounds the microsphere and has a diameter of 500-8000μm. [Reference numerals] (AA) Branched polymer microsphere : electric spray + complexation; (BB) Branched polymer microsphere with a silica layer : deformed sol-gel reaction; (CC) Ferment stabilizing system : CE fixing

Description

실리카층이 형성된 가지 고분자 미세구체{Branched polymer microspheres with silica shell}Branched polymer microspheres with silica shell

본 발명은 효소 기술을 이용한 분야에서 사용할 수 있고, 자석에 의해 분리할 수 있는 실리카층이 형성된 가지 고분자 미세구체에 관한 것이다.
The present invention relates to a branched polymer microsphere having a silica layer which can be used in the field using an enzyme technique and can be separated by a magnet.

효소는 식품 및 제약 산업, 화학적 변형 공정, 생물적 환경 정화, 생체연료전지 등에 사용되는 용도가 다양한 특이적인 생체촉매 부류에 속한다. 최근, 효소는 바이오매스에서 유래된 촉매적 전환 기술을 위한 녹색 에너지와 지속 가능한 에너지 또는 화학물질을 개발하는데 있어서 많은 장점이 있는 것으로 알려졌다. 효소는 보통 실온, 압력, 생리적 pH, 물, 또는 심지어 유기용매에서와 같은 온화한 조건에서 기능을 수행하며, 화학적선택성, 부위선택성 및 거울상이성질선택성을 유지한다. 이러한 장점에도 불구하고, 회수, 재사용 및 산물 오염과 관련된 시행 및 저장 안정성의 부족으로 인해 그들의 적용이 제한된다. 그러나, 이들 장애물들은 일반적으로 고정화 기술을 통해 극복할 수 있다. 결합, 캡슐화 또는 고상 담체를 이용한 포획 같은 수많은 고정화 방법들과, 특정 물질과 효소의 가교결합이 보고되어 있다. 결과적으로, 특정 담체에 고정된 효소는 저장 및 시행 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 재사용을 위한 분리가 간단하고 회수가 쉬우며, 활성과 선택성을 유지함으로써 효소 기반 산업 공정에 적용할 수 있다. Enzymes belong to a specific class of biocatalysts with a variety of uses in the food and pharmaceutical industry, chemical modification processes, biological environmental purification, biofuel cells, and the like. Recently, enzymes have been found to have many advantages in developing green energy and sustainable energy or chemicals for catalytic conversion techniques derived from biomass. Enzymes usually function at mild conditions, such as at room temperature, pressure, physiological pH, water, or even organic solvents, and retain chemoselectivity, site selectivity and enantioselectivity. Despite these advantages, their application is limited due to the lack of implementation and storage stability associated with recovery, reuse and product contamination. However, these obstacles can generally be overcome by immobilization techniques. Numerous methods of immobilization, such as binding, encapsulation or capture using solid carriers, and crosslinking of specific substances with enzymes have been reported. As a result, enzymes immobilized on certain carriers can improve storage and enforcement stability. In addition, the separation for reuse is easy, recoverable, and can be applied to enzyme-based industrial processes by maintaining activity and selectivity.

효소를 위한 담체로서 회수 및 재사용 면에서 유기 고분자 고상 담체가 특히 이점이 있다. 아민으로 개질된 미세구체 또는 고분자 소재로 된 미세비드 타입은 학문적 및 산업적인 면에서 둘 다 매우 매력적이다. 이는 아민기가 효소 내 아미노산과 결합하기 위한 모이어티로 제공되어 고정화할 수 있기 때문이다. 아민기를 갖는 담체 표면의 개질은 현탁, 유화 및 침전 중합 같은 다양한 중합 기술에 의해 합성될 수 있다. 그러나, 기계적 안정성과 제한된 함량 전달로 인해 생기는 낮은 효소적 활성 때문에 이들 고분자의 담체로의 사용을 방해한다. 따라서, 많은 연구자들이 최근에 혼합 무기종들에 더욱 주의를 기울이게 되었다. 선행 연구들은 유-무기 하이브리드 구조가 독특한 특징들 즉, 무기 소재와 유기 고분자 간의 장점들, 예컨대 적절한 미세환경에서 세기, 탄성, 가소성 및 화학적 결합을 개선할 수 있음을 제시하였다. 그들 중에서, 알기네이트-실리카 복합체는 균일한 크기, 구형 형태 및 제조의 용이성으로 인해 주목하여 왔다. 실질적으로, 졸-겔 화학에 의해 실리카 층이 형성된 알기네이트 미세구체 또는 비드는 거칠고 팽창하지 않는 성분인 실리카와 유연한 생체적합 성분인 알기네이트의 결합을 허용하므로 전도유망한 것으로 보인다. 졸-겔 실리카는 실리카 쉴드, 소위 규조각으로서 알기네이트 표면 상에 형성되는데, 환경으로부터 변성을 보호할 뿐만 아니라 결합을 위한 예비 룸으로 고려될 수 있다. 더욱이, 그들의 다공성 특징으로 인해, 실리카 코팅은 효소 방출을 차단할 뿐만 아니라 작은 분자들을 위한 투과성 멤브레인으로 작용할 수 있다. 이 실리카 층이 형성된 알기네이트 미세구체가 염에 의해 유도된 팽창을 어느 정도 극복할 수 있으나, 그들은 중대한 기계적 결점이 있어 일반 산업적 효소 공정, 예컨대 매우 엄격한 진탕 조건에서 효소 활성을 유지하면서 그들을 적용하기는 불가능하다.
Organic carrier solid carriers are particularly advantageous in terms of recovery and reuse as carriers for enzymes. Microbead types of microspheres or polymeric materials modified with amines are both attractive both academically and industrially. This is because the amine group can be provided as a moiety for binding to amino acids in the enzyme and can be immobilized. Modification of the surface of the carrier with amine groups can be synthesized by various polymerization techniques such as suspension, emulsification and precipitation polymerization. However, the low enzymatic activity resulting from mechanical stability and limited content delivery prevents the use of these polymers as carriers. Thus, many researchers have recently paid more attention to mixed species. Previous studies have shown that organic-inorganic hybrid structures can improve unique features, such as advantages between inorganic materials and organic polymers, such as strength, elasticity, plasticity, and chemical bonding in a suitable microenvironment. Among them, alginate-silica composites have been noted for their uniform size, spherical shape and ease of manufacture. Practically, alginate microspheres or beads formed with a silica layer by sol-gel chemistry seem to be promising because they allow the coupling of a rough, non-expanding component of silica with a flexible biocompatible component of alginate. Sol-gel silica is formed on the surface of the alginate as a silica shield, so-called diatom, which can be considered as a reserve room for bonding as well as protecting denaturation from the environment. Moreover, due to their porous nature, silica coatings can not only block enzyme release but also act as permeable membranes for small molecules. Although the alginate microspheres in which these silica layers are formed can overcome some of the salt-induced swelling, they have significant mechanical drawbacks and are not suitable for applying them while maintaining enzymatic activity under normal industrial enzymatic processes such as very stringent shaking conditions. impossible.

1. 국제공개특허 제2010/078202호, 2010.07.081. International Publication No. 2010/078202, 2010.07.08

1. J. Biomater. Sci. Polymer Edn, vol.18(1), pp.71-80, 2007J. Biomater. Sci. Polymer Edn, vol. 18 (1), pp. 71-80, 2007 2. Drug Delivery, vol.14, pp.129-138, 2007Drug Delivery, vol. 14, pp. 129-138, 2007 3. Journal of colloid and interface science, vol.333, pp.329-334, 20093. Journal of colloid and interface science, vol. 333, pp. 329-334, 2009

본 발명의 목적은 기계적 강도가 향상된 가지 고분자 미세구체를 실리카층이 둘러싸는 구조의 미세복합체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide a microcomposite having a structure in which a silica layer surrounds branched polymer microspheres having improved mechanical strength and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 미세복합체의 효소 고정화 담체로서의 용도를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a use of the microcomplex as an enzyme immobilization carrier.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 미세복합체를 이용하여 효소를 고정하는 방법을 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to provide a method for fixing an enzyme using the microcomplex.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

자성입자를 하나 이상 함유하는 가지 고분자 미세구체(branched polymer microsphere); 및Branched polymer microspheres containing one or more magnetic particles; And

상기 미세구체를 둘러싸는 실리카층을 포함하는 미세복합체를 제공한다.
It provides a microcomposite comprising a silica layer surrounding the microspheres.

본 발명은 또한 The present invention also

2가의 금속이온 하에서 자성입자, 가지 고분자(branched polymer), 알기네이트 및 가교제를 혼합하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계; Preparing magnetic-polymer blend microspheres by mixing magnetic particles, branched polymers, alginates and crosslinking agents under divalent metal ions;

상기 자성-고분자 블렌드 미세구체의 착물화 반응을 통해 알기네이트-2가의 금속이온 착물이 제거된 자성-고분자 미세구체를 제조하는 단계; 및Preparing magnetic-polymer microspheres from which the alginate-divalent metal ion complex has been removed by complexing the magnetic-polymer blend microspheres; And

상기 자성-고분자 미세구체 및 실리카 전구체의 졸-겔 반응을 통해 상기 미세구체의 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체를 제조하는 단계를 포함하는 미세복합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a microcomposite comprising the step of preparing a microcomposite having a silica layer formed on the outer surface of the microspheres through a sol-gel reaction of the magnetic-polymer microspheres and the silica precursor.

상기 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계는 자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트의 혼합 용액에 1차 초음파처리 하는 단계;The preparing of the magnetic-polymer blend microspheres may include performing first sonication on a mixed solution of magnetic particles, branched polymers, and alginates;

상기 혼합 용액과 가교제를 혼합하여 2차 초음파처리 하는 단계; 및Second sonicating the mixed solution and a crosslinking agent; And

상기 단계에서 얻은 자성-고분자 용액을 2가의 금속이온 용액에 적가(滴加)하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The magnetic-polymer solution obtained in the above step may be added dropwise to the divalent metal ion solution to prepare a magnetic-polymer blend microsphere.

일 구체예에 따르면, 상기 자성-고분자 블렌드 미세구체와 가교제를 반응시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
According to one embodiment, the method may further comprise reacting the magnetic-polymer blend microspheres with a crosslinking agent.

본 발명은 또한 상기 미세복합체를 포함하는 효소 고정화 담체를 제공한다.
The present invention also provides an enzyme immobilization carrier comprising the microcomplex.

본 발명은 또한 상기 미세복합체 및 효소를 반응시키는 단계를 포함하는 효소 고정화 방법을 제공한다.
The present invention also provides an enzyme immobilization method comprising the step of reacting the microcomplex and the enzyme.

본 발명의 미세복합체는 자성입자를 포함하고 있어 자석에 의해 간단하고 쉽게 분리할 수 있어 효소 고정화 담체로 사용할 경우 회수 및 재사용이 유리한 이점이 있다. Since the microcomposite of the present invention includes magnetic particles, it can be easily and easily separated by a magnet, and thus, when used as an enzyme immobilization carrier, recovery and reuse are advantageous.

또한, 상기 미세복합체는 표면 실리카층에 (+) 전하를 띠는 아민기가 결합되어 있어 효소 고정화를 위한 모이어티로 작용할 수 있어 효소는 우수한 활성을 유지하면서 장기간 안정할 수 있다.In addition, the microcomposite has an amine group having a (+) charge coupled to the surface silica layer, so that the microcomposite can act as a moiety for the immobilization of the enzyme, so that the enzyme can be stable for a long time while maintaining excellent activity.

본 발명의 미세복합체는 효소 고정에 효과적이므로 효소 기술을 적용한 다양한 분야, 예컨대 응용생물학적 제법, 생물적 환경정화, 미세규모의 효소 반응기 등 다양한 효소 응용 분야에서 적용할 수 있다.
Since the microcomplex of the present invention is effective for enzymatic immobilization, it can be applied to various fields of application of enzyme technology, such as applied biological preparation, biological environment purification, and microenzyme reactors.

도 1은 가지 고분자 미세구체를 실리카층이 둘러싸고 있는 구조의 본 발명의 미세복합체를 제조하는 과정과 상기 미세구체에 효소를 고정하는 고정을 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 미세복합체의 SEM 사진도(a)와 이의 횡단면 SEM 사진도(b)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 미세복합체의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 미세복합체의 EDX 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 미세복합체의 디지털 영상을 나타낸 것이다.
도 6은 고정된 카르복실 에스터라아제의 초기 활성에 대해 본 발명의 미세복합체의 사용된 수의 효과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 미세복합체에 고정된 카르복실 에스터라아제의 재사용(a) 및 저장 안정성(b)을 나타낸 것이다.
FIG. 1 briefly illustrates a process of preparing a microcomposite of the present invention having a structure in which a branched polymer microsphere is surrounded by a silica layer, and fixing the enzyme to the microsphere.
Figure 2 shows a SEM photograph (a) and a cross-sectional SEM photograph (b) of the microcomposite of the present invention.
Figure 3 shows the FT-IR spectrum of the microcomposite of the present invention.
Figure 4 shows the EDX spectrum of the microcomposite of the present invention.
5 shows a digital image of the microcomposite of the present invention.
6 shows the effect of the used number of microcomposites of the present invention on the initial activity of immobilized carboxyl esterases.
Figure 7 shows the reuse (a) and storage stability (b) of the carboxyl esterase immobilized on the microcomposite of the present invention.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated concretely.

본 발명은 효소 고정화 담체로 사용하는 알기네이트-실리카 기반 소재의 상술한 단점을 해소하기 위해, 유-무기 하이브리드 소재의 새로운 타입으로 실리카층이 가지 고분자 미세구체를 둘러싸는 구조의 미세복합체를 개발하였고, 상기 미세복합체의 외곽(쉘)은 실리카 전구체와 시프 염기 결합에 의한 강한 화학적 이중 결합을 통해 강한 실리카 보호층을 형성함으로써 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.In order to solve the above-mentioned disadvantages of alginate-silica-based materials used as enzyme immobilization carriers, the present invention has developed a microcomposite having a structure in which a silica layer surrounds branched polymer microspheres as a new type of organic-inorganic hybrid material. The outer shell of the microcomposite can improve mechanical strength by forming a strong silica protective layer through a strong chemical double bond by a silica precursor and a sieve base bond.

따라서, 본 발명은 자성입자를 하나 이상 함유하는 가지 고분자 미세구체(branched polymer microsphere); 및Therefore, the present invention is a branched polymer microsphere containing one or more magnetic particles (branched polymer microsphere); And

상기 미세구체를 둘러싸는 실리카층을 포함하는 미세복합체를 제공한다.It provides a microcomposite comprising a silica layer surrounding the microspheres.

본 발명의 미세복합체는 가지 고분자 미세구체 내에 하나 이상의 자성입자가 분산되어 있고, 상기 미세구체 표면은 실리카층에 의해 코팅되어 있는 구조를 가질 수 있다. In the microcomposite of the present invention, one or more magnetic particles are dispersed in a branched polymer microsphere, and the surface of the microsphere may have a structure coated by a silica layer.

상기 자성입자는 가지 고분자 미세구체 내에 물리화학적 결합을 통해 분산될 수 있다. 예컨대, 상기 자성입자가 아민기 등의 작용기를 함유하도록 개질되어 가교제인 알데히드와 이민 결합(또는 시프 염기 결합)을 통해 가지 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있을 수 있다. The magnetic particles may be dispersed through physicochemical bonds in the branched polymer microspheres. For example, the magnetic particles may be modified to contain functional groups such as amine groups, and may be dispersed in the branched polymer matrix through an amine, which is a crosslinking agent, or an imine bond (or a sieve base bond).

또한, 본 발명의 미세복합체는 가지 고분자와 실리카층의 강한 화학적 이중 결합(예컨대, 이민 결합 등)을 통해 기계적 안정성이 향상되고, 실리카층은 효소 결합 부위에 대한 모이어티를 제공할 수 있는 작용기를 포함하고 있어 효소 고정화를 위한 담체로 사용할 수 있다. 아울러, 가지 고분자 미세구체 상에 자성입자가 분산되어 있어 자석에 의해 쉽고 빠르게 회수할 수 있어 재사용이 가능한 특징이 있다.In addition, the microcomposites of the present invention have improved mechanical stability through strong chemical double bonds (eg, imine bonds, etc.) of the branched polymer and the silica layer, and the silica layer has a functional group capable of providing a moiety for the enzyme binding site. It can be used as a carrier for enzyme immobilization. In addition, the magnetic particles are dispersed on the branched polymer microspheres and can be easily and quickly recovered by a magnet, which is reusable.

본 명세서에서 "가지 고분자(branched polymer)"란, 고분자 화학에서 단량체 서브유닛 상의 수소원자의 치환에 의해, 그 중합체의 다른 공유결합된 사슬에 의해, 또는, 다른 타입의 사슬에 의한 그래프트 공중합체의 경우에서 가지가 형성된 고분자를 의미한다. 예컨대, 그래프트 중합체(graft polymer), 스타 중합체(star polymer), 콤 중합체(comb polymer), 브러쉬 중합체(brush polymer), 폴리머 네트워크(polymer network), 또는 덴드리머(dentrimer) 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는 특히 미세구체에서 화학적 결합에 관여할 수 있는 말단 작용기를 갖는 생체적합성 가지 고분자를 포함할 수 있다. 예컨대, -NHS, -NHNH2, 카르보닐 이미다졸(carbonyl imidazole), 니트로페닐(nitrophenyl), 이소시아네이트(isocyanate), 설포닐 클로라이드(sulfonyl chloride), 알데히드(aldehyde), 글리옥살(glyoxal), 에폭시드(epoxide), 탄산염(carbonate), 할로겐화 시안눌기(cyanuric halide), 디티오카보네이트(dithiocarbonate), 토실레이트(tosylate), 말레이미드(maleimide)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 말단 작용기를 갖는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol, PPG), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene, POE), 폴리트리메틸렌 글리콜(polytrimethylene glycol), 폴리락트산(polylactic acid) 및 그 유도체, 폴리아크릴산 및 그 유도체, 폴리(아미노산), 폴리(비닐 알코올), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리포스파진(polyphosphazenes), 폴리(L-라이신)[poly(L- lysine)], 폴리알킬렌 옥사이드(polyalkylene oxide, PAO), 폴리사카라이드(polysaccharide), 덱스트란(dextran), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 또는 폴리아크릴 아마이드(polyacryl amide) 등의 가지 고분자 형태를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 말단 작용기를 갖는 가지 고분자의 예로, 아민기를 함유하는 3 내지 8 암의 폴리알킬렌글리콜일 수 있다. 상기 가지 고분자의 중량평균분자량은 200 내지 100,000, 구체적으로, 1,000 내지 40,000, 보다 구체적으로 1,000 내지 10,000 일 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 가지 고분자가 상기 말단 작용기로 아민기를 갖는 경우, 아민기는 가교제인 알데히드와 반응하여 이민 결합을 형성할 수 있다. 아울러, 상기 반응에 참여하지 않은 아민기는 효소 고정화를 위한 모이어티를 제공할 수 있어 효소를 화학적으로 미세복합체 상에 고정할 수 있다.As used herein, "branched polymer" refers to the graft copolymer by substitution of a hydrogen atom on a monomer subunit in polymer chemistry, by another covalently bonded chain of the polymer, or by another type of chain. In this case, it means a polymer having branches. For example, it may include a graft polymer, a star polymer, a comb polymer, a brush polymer, a polymer network, or a dentrimer. In the present specification, in particular, it may include a biocompatible branched polymer having a terminal functional group that may be involved in chemical bonding in the microspheres. For example, -NHS, -NHNH 2 , carbonyl imidazole, nitrophenyl, isocyanate, sulfonyl chloride, aldehyde, glyoxal, epoxide polyethylene having one or more terminal functional groups selected from the group consisting of epoxides, carbonates, cyanuric halides, dithiocarbonates, tosylates and maleimides glycol, PEG), polypropylene glycol (PPG), polyoxyethylene (POE), polytrimethylene glycol, polylactic acid and its derivatives, polyacrylic acid and its derivatives, poly (Amino acids), poly (vinyl alcohol), polyurethane, polyphosphazenes, poly (L-lysine) [poly (L-lysine)], polyalkylene oxides (polyalky) branches such as lene oxide (PAO), polysaccharide, dextran, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol (PVA), or polyacryl amide It may include a polymer form. More specifically, examples of the branched polymer having a terminal functional group may be 3 to 8 arms of polyalkylene glycol containing an amine group. The weight average molecular weight of the branched polymer may be 200 to 100,000, specifically, 1,000 to 40,000, and more specifically 1,000 to 10,000. According to an embodiment of the present invention, when the branched polymer has an amine group as the terminal functional group, the amine group may react with an aldehyde which is a crosslinking agent to form an imine bond. In addition, the amine group that does not participate in the reaction can provide a moiety for the immobilization of the enzyme can be fixed to the enzyme chemically on the microcomposite.

본 명세서에서, "자성-고분자 블렌드 미세구체"란, 자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트를 2가 금속이온 용액에 적가(滴加)하여 형성된 구형의 비드를 의미한다. 상기 알기네이트는 2가 금속이온과 이온 교환을 통해 겔을 형성하는 특징이 있으며, 따라서 상기 자성-고분자 블렌드 미세구체는 알기네이트-2가 금속이온 겔 내에서 가지 고분자 매트릭스 내에 자성입자가 분산되어 있는 미세구체가 박혀있는 형태를 나타낼 수 있다. As used herein, the term "magnetic-polymer blend microsphere" means a spherical bead formed by dropwise addition of magnetic particles, branched polymer and alginate to a divalent metal ion solution. The alginate has a feature of forming a gel through ion exchange with divalent metal ions. Thus, the magnetic-polymer blend microspheres have magnetic particles dispersed in a branched polymer matrix in an alginate-2 divalent metal ion gel. The microspheres may be embedded.

본 명세서에서, "자성-고분자 미세구체"란, 상기 자성-고분자 블렌드 미세구체에 착물화제를 도입하여 알기네이트-2가 금속이온 겔을 용해시킴으로써 자성-고분자 블렌드 미세구체에서 알기네이트-2가의 금속이온 착물이 제거된 상태를 의미한다.As used herein, "magnetic-polymer microspheres" refers to alginate-divalent metals in magnetic-polymer blend microspheres by introducing a complexing agent into the magnetic-polymer blend microspheres to dissolve the alginate-2 divalent metal ion gel. It means a state in which the ion complex is removed.

본 명세서에서, "자성입자를 하나 이상 함유하는 가지 고분자 미세구체(branched polymer microsphere)"란, 상기 자성-고분자 미세구체 또는 가교제 처리를 통해 표면 개질된 자성-고분자 미세구체를 의미한다. As used herein, “branched polymer microspheres containing one or more magnetic particles” refers to magnetic-polymer microspheres that have been surface-modified through treatment with the magnetic-polymer microspheres or crosslinking agents.

본 명세서에서, "실리카층이 형성된 가지 고분자 미세구체"란, 상기 자성-고분자 미세구체의 표면이 실리카층에 의해 둘러싸여 있는 구조를 갖는 것으로 본 발명의 미세복합체를 의미한다.In the present specification, the "branched high molecular microspheres having a silica layer" means a microcomposite of the present invention having a structure in which the surface of the magnetic-polymer microspheres is surrounded by a silica layer.

상기 자성입자는 자성을 가지고 있어 본 발명의 미세복합체가 자석에 의해 쉽고 빠르게 분리될 수 있도록 한다. 따라서, 미세복합체의 회수 또는 분리 비용을 줄일 수 있다.The magnetic particles are magnetic so that the microcomposite of the present invention can be easily and quickly separated by a magnet. Therefore, the cost of recovery or separation of the microcomposite can be reduced.

상기 자성입자는 자성을 가지고, 직경이 1 nm 내지 1000 nm인 입자를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하지는 않는다. 예컨대, 상기 직경을 갖는 금속, 자성 물질, 또는 자성 합금일 수 있다.The magnetic particles may be magnetic, but particles having a diameter of 1 nm to 1000 nm may be used, but are not particularly limited thereto. For example, it may be a metal, magnetic material, or magnetic alloy having the diameter.

상기 금속은 특별히 제한하지는 않으나, Pt, Pd, Ag, Cu, 또는 Au 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The metal is not particularly limited, but Pt, Pd, Ag, Cu, Au, etc. may be used alone or in combination of two or more.

상기 자성 물질은 특별히 제한하지는 않으나, Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM'2O4, 또는 MxOy 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있으며, 상기 M 및 M'는 각각 독립적으로 Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, 또는 Cr을 나타내고, x 및 y는 각각 식 “0 < x ≤3” 및 “0 < y ≤5”을 만족한다. The magnetic material is not particularly limited, but Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM ' 2 O 4 , Or M x O y Etc. may be used alone or in combination of two or more, wherein M and M 'each independently represent Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, or Cr, and x and y each represent the formula “0 <x ≦ 3”. And "0 <y ≤ 5".

상기 자성 합금은 특별히 제한하지는 않으나, CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, 또는 NiFeCo 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The magnetic alloy is not particularly limited, but CoCu, CoPt, FePt, CoSm, NiFe, or NiFeCo may be used alone or in combination of two or more.

또한, 상기 자성입자는 작용기를 갖도록 표면 개질될 수 있다. 예컨대, 상기 작용기로 아민기를 갖는 경우 가교제인 알데히드와 이민 결합을 형성할 수 있어 미세구체 내에서 화학적 결합을 통해 분산될 수 있도록 할 수 있다. In addition, the magnetic particles may be surface modified to have a functional group. For example, when having the amine group as the functional group can form an imine bond with the aldehyde crosslinking agent can be dispersed through the chemical bond in the microspheres.

상기 가지 고분자는 분지된 형태를 통해 미세구체의 구조적 세기를 증가시킬 수 있고, 말단 작용기를 포함하고 있어 실리카층과의 화학적 결합에 참여하거나, 효소 고정 시 모이어티로 제공할 수 있다.The branched polymer may increase the structural strength of the microspheres through the branched form, and may include terminal functional groups to participate in chemical bonding with the silica layer or provide a moiety upon enzymatic fixation.

상기 가지 고분자 미세구체를 둘러싸고 있는 실리카층은 구조적 세기를 증가시킬 뿐만 아니라 (+) 전하를 띠는 아민기를 가지고 있어 기계적 안정성과 생체분자, 예컨대 효소와의 결합 기회를 증가시킬 수 있다. The silica layer surrounding the branched polymeric microspheres not only increases the structural strength but also has a positively charged amine group, thereby increasing the mechanical stability and the opportunity for binding to biomolecules such as enzymes.

상기 가지 고분자 미세구체와 실리카층은 화학적으로 결합(예컨대, 이민 결합)되어 기계적 안정성을 향상시킬 수 있는 외부 쉴드를 형성할 수 있고, 미세복합체의 내부는 균일한 크기의 기공을 가지고 있어 화학적 확산이 일어날 수 있다.The branched polymer microspheres and the silica layer may be chemically bonded (eg, imine bond) to form an outer shield to improve mechanical stability, and the inside of the microcomposite has pores of uniform size so that chemical diffusion may be achieved. Can happen.

상기 미세복합체는 특별히 제한하지는 않으나 크기가 균일한 구형을 나타낼 수 있고, 500 내지 8000 ㎛, 보다 구체적으로 500 내지 2000 ㎛, 가장 구체적으로, 500 내지 600 ㎛의 직경을 가질 수 있다.
The microcomposite is not particularly limited, but may have a uniform sphere size, and may have a diameter of 500 to 8000 μm, more specifically 500 to 2000 μm, and most specifically, 500 to 600 μm.

본 발명은 또한 The present invention also

2가의 금속이온 하에서 자성입자, 가지 고분자(branched polymer), 알기네이트 및 가교제를 혼합하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계; Preparing magnetic-polymer blend microspheres by mixing magnetic particles, branched polymers, alginates and crosslinking agents under divalent metal ions;

상기 자성-고분자 블렌드 미세구체의 착물화 반응을 통해 알기네이트-2가의 금속이온 착물이 제거된 자성-고분자 미세구체를 제조하는 단계; 및Preparing magnetic-polymer microspheres from which the alginate-divalent metal ion complex has been removed by complexing the magnetic-polymer blend microspheres; And

상기 자성-고분자 미세구체 및 실리카 전구체의 졸-겔 반응을 통해 상기 미세구체의 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체를 제조하는 단계를 포함하는 미세복합체의 제조방법에 관한 것이다. It relates to a method for producing a microcomposite comprising the step of preparing a microcomposite having a silica layer formed on the outer surface of the microspheres through a sol-gel reaction of the magnetic-polymer microspheres and the silica precursor.

본 발명의 미세복합체의 제조방법은 가지 고분자를 포함하는 알기네이트 기반 겔을 형성하고, 화학적 착물화을 통해 알기네이트를 제거한 후 변형된 졸-겔 법을 순차적으로 수행하여 가지 고분자 매트릭스 내에 자성입자가 분산되어 있는 미세구체를 실리카층이 둘러싸고 있는 구조의 미세복합체를 제조하는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The method for preparing a microcomposite of the present invention forms an alginate-based gel including branched polymer, removes alginate through chemical complexation, and then performs a modified sol-gel method sequentially to disperse the magnetic particles in the branched polymer matrix. It is characterized by producing a microcomposite having a structure in which the silica sphere is surrounded by the microspheres. A detailed description with reference to FIG. 1 is as follows.

제1단계는 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계로, The first step is to prepare a magnetic-polymer blend microspheres,

자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트의 혼합 용액에 1차 초음파처리 하는 단계;First sonicating the mixed solution of the magnetic particles, the branched polymer, and the alginate;

상기 혼합 용액과 가교제를 혼합하여 2차 초음파처리 하는 단계; 및Second sonicating the mixed solution and a crosslinking agent; And

상기 단계에서 얻은 자성-고분자 용액을 2가의 금속이온 용액에 적가(滴加)하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The magnetic-polymer solution obtained in the above step may be added dropwise to the divalent metal ion solution to prepare a magnetic-polymer blend microsphere.

보다 구체적으로, 자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트를 혼합한 용액을 20 내지 30℃에서 20분 내지 40분 동안 1차 초음파 처리하고, 상기 용액에 가교제를 부가하여 20 내지 30℃에서 50분 내지 2시간 동안 2차 초음파 처리 한 후 이를 2가의 금속이온 용액에 적가하여 자성-가지 고분자 미세구체가 알기네이트-2가의 금속이온 겔에 박혀있는 형태의 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계이다. More specifically, the solution of the magnetic particles, the branched polymer and the alginate is first sonicated at 20 to 30 ° C. for 20 to 40 minutes, and a crosslinking agent is added to the solution at 50 to 2 minutes at 20 to 30 ° C. After the second sonication for a period of time, it is added dropwise to a divalent metal ion solution to prepare a magnetic-polymer blend microsphere in which a magnetic-branched polymer microsphere is embedded in an alginate-divalent metal ion gel.

상기 자성입자는 상술한 종류의 금속, 자성 물질, 자성 합금 등을 이용하여 통상의 제조공정을 통해 입자 형태로 제조하거나, 자성비드를 사용할 수 있어 이에 특별히 제한하지는 않는다. The magnetic particles may be prepared in the form of particles using a metal, magnetic material, magnetic alloy, or the like of the above-mentioned type through a conventional manufacturing process, or magnetic beads may be used, and the present invention is not particularly limited thereto.

또한, 가지 고분자 미세구체 내에 화학적 결합에 의한 분산을 위해 작용기로 표면 개질될 수 있다. 상기 작용기는 가교제, 가지 고분자의 말단 작용기의 종류에 따라 적절히 채택될 수 있어 특별히 제한하지는 않으나, 예컨대 아민기일 수 있다.It can also be surface modified with functional groups for dispersion by chemical bonds in branched polymeric microspheres. The functional group may be appropriately adopted depending on the type of crosslinking agent, terminal functional group of the branched polymer, but is not particularly limited, but may be, for example, an amine group.

상기 가지 고분자는 말단 작용기를 갖는 생체적합성 가지 고분자일 수 있으나, 종류는 전술한 바와 같다. The branched polymer may be a biocompatible branched polymer having a terminal functional group, but the kind is as described above.

상기 알기네이트는 2가의 금속이온과 반응하여 겔을 형성할 수 있는 종류라면 특별히 제한하지는 않으며, 예컨대, Na+-알기네이트, K+-알기네이트, PEG-알기네이트(폴리에틸렌 글리콜-알기네이트), NH4-알기네이트, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.The alginate is not particularly limited as long as it can react with divalent metal ions to form a gel, for example, Na + -alginate, K + -alginate, PEG-alginate (polyethylene glycol-alginate), NH 4 -alginate, or mixtures thereof can be used.

상기 2가의 금속이온으로 Ca2 +, Zn2 +, Cu2 +, Fe2 +, Ba2 + 또는 Sr2 +를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.The two divalent metal ions with 2 + Ca, Zn 2 +, Cu 2 +, Fe 2 +, Ba + 2 or Sr + 2, but can use, but is not particularly limited to this.

상기 가교제는 자성입자, 가지 고분자, 후술하는 실리카 등의 말단 작용기와의 화학적 결합을 유도하여 미세구체 또는 미세복합체의 기계적 강도를 높일 수 있다. 상기 가교제의 종류로, 글루타알데히드, 디알데히드 전분, 숙신산알데히드 등의 폴리알데히드류를 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로 글루타알데히드를 사용하는 것이 좋다. The crosslinking agent may increase the mechanical strength of the microspheres or the microcomposites by inducing chemical bonding with terminal functional groups such as magnetic particles, branched polymers, and silica described below. As the kind of the crosslinking agent, polyaldehydes such as glutaraldehyde, dialdehyde starch, succinate aldehyde and the like can be used, and more specifically, glutaraldehyde is preferably used.

일 구체예에 따르면, 가교제인 알데히드는 자성입자, 가지 고분자, 후술하는 실리카 등의 말단 작용기인 아민기와 반응하여 이민 결합을 통해 화학적 결합을 유도할 수 있다. According to one embodiment, the aldehyde, which is a crosslinking agent, may react with an amine group, which is a terminal functional group such as magnetic particles, a branched polymer, and silica described below, to induce a chemical bond through an imine bond.

상기 가교제는 기계적 강도가 우수한 미세복합체를 제조하기 위해 자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트의 혼합 용액 100 중량부에 대하여 0.4 내지 0.6 중량부로 포함될 수 있다.The crosslinking agent may be included in an amount of 0.4 to 0.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution of the magnetic particles, the branched polymer, and the alginate in order to prepare a microcomposite having excellent mechanical strength.

상기 자성-고분자 블렌드 미세구체는 2차 초음파 처리를 거친 자성-고분자 용액을 2가 금속이온 용액에 적가하여 얻을 수 있다.The magnetic-polymer blend microspheres may be obtained by dropwise addition of a magnetic-polymer solution subjected to secondary sonication to a divalent metal ion solution.

상기 적가 방법은 전기스프레이, 시린지 펌핑 등을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다. The dropping method may be electric spray, syringe pumping, and the like, but is not particularly limited thereto.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 전기스프레이를 사용할 수 있다.According to one embodiment of the invention, an electric spray can be used.

상기 전기스프레이 수행 시 캐필러리 팁과 전극 콜렉터 간의 거리, 전기력, 고분자 용액의 점도 등을 변화시킴으로써 미세구체의 크기를 제어할 수 있다.When the electrospray is performed, the size of the microspheres can be controlled by changing the distance between the capillary tip and the electrode collector, the electric force, the viscosity of the polymer solution, and the like.

따라서, 전기스프레이 조건은 미세구체의 크기를 고려하여 당업자 수준에서 적절히 적용할 수 있어 특별히 제한하지는 않는다. 예컨대, 일 구체예에 따르면, 3~4kV 고전압전원공급장치(Gamma high voltage Research, ES series)에서 칼슘 화합물과 가교제의 혼합 용액에 대해 팁 간의 거리를 3 내지 7 cm로 하고, 30 게이지 시린지 니들을 수직으로 고정하고 유량속도를 2 내지 3 mL/h로 셋팅하여 수행할 수 있다.
Therefore, the electric spray conditions can be appropriately applied at the level of those skilled in the art in consideration of the size of the microspheres are not particularly limited. For example, according to one embodiment, the distance between the tips 3 to 7 cm for a mixed solution of calcium compound and crosslinking agent in a 3-4 kV Gamma high voltage Research (ES series), and 30 gauge syringe needle It can be done by fixing it vertically and setting the flow rate to 2-3 mL / h.

상기에서 형성된 자성-고분자 블렌드 미세구체는 가교제와 추가로 반응시켜 미세구체 내 가교 결합을 굳히는 단계를 실시할 수 있다.The magnetic-polymer blend microspheres formed above may be further reacted with a crosslinking agent to harden crosslinks in the microspheres.

상기 반응은 자성-고분자 블렌드 미세구체와 가교제를 혼합하여 실온에서 밤새도록 교반하여 실시할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.The reaction may be carried out by mixing the magnetic-polymer blend microspheres and the crosslinking agent overnight at room temperature, but is not particularly limited thereto.

상기 가교제의 종류 및 함량은 전술한 바와 같다.
The type and content of the crosslinking agent are as described above.

제2단계는 상기 자성-고분자 블렌드 미세구체의 착물화 반응을 통해 알기네이트-2가의 금속이온 착물이 제거된 자성-고분자 미세구체를 제조하는 단계이다.The second step is to prepare a magnetic-polymer microsphere from which the alginate-divalent metal ion complex is removed through the complexing reaction of the magnetic-polymer blend microsphere.

상기 단계는 금속 착물화제를 사용하여 상기 자성-고분자 블렌드 미세구체로부터 알기네이트-2가의 금속이온 겔을 용해시켜 자성-고분자 미세구체를 분리하는 것이다.The step is to dissolve the alginate divalent metal ion gel from the magnetic-polymer blend microspheres using a metal complexing agent to separate the magnetic-polymer microspheres.

상기 착물화제는 2가 금속이온과 착물을 형성할 수 있는 물질이라면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대, 소듐 시트레이트, 소듐 포스페이트 등을 사용할 수 있다.The complexing agent may be used without particular limitation as long as it is a material capable of forming a complex with a divalent metal ion. For example, sodium citrate, sodium phosphate, or the like may be used.

제3단계는 상기 자성-고분자 미세구체 및 실리카 전구체의 변형된 졸-겔 반응을 통해 상기 미세구체의 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체를 제조하는 단계이다.The third step is to prepare a microcomposite having a silica layer formed on the outer surface of the microspheres through a modified sol-gel reaction of the magnetic-polymer microspheres and the silica precursor.

상기 실리카층은 미세구체의 기계적 강도를 향상시키고, 표면에 효소를 고정하는 모이어티를 제공하기 위해 아민기를 함유할 수 있다. 이를 위해서는 가지 고분자 미세구체와 아미노알킬실란 유도체를 반응시킨 후, 여기에 실란올기 함유 실리카 전구체를 부가하여 졸-겔 공정을 통해 아민기가 도입된 실리카층을 가지 고분자 미세구체 표면에 형성할 수 있다.The silica layer may contain an amine group to improve the mechanical strength of the microspheres and provide a moiety for fixing the enzyme on the surface. To this end, after the branched polymer microspheres and the aminoalkylsilane derivatives are reacted, a silanol group-containing silica precursor is added thereto to form a silica layer on which the amine group is introduced through the sol-gel process on the surface of the branched polymer microspheres.

상기 아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, 또는 γ-아미노프로필트리에톡시실란 등을 단독 또는 2종 이상 사용할 수 있다. The aminoalkylsilane derivatives include β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane, or γ-aminopropyltriethoxysilane alone or two. More than one species can be used.

상기 실란올기 함유 실리카 전구체는 테트라에틸 오르토실리케이트, 테트라메틸 오르토실리케이트, 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시 실란, 에틸 트리에톡시실란, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.The silanol group-containing silica precursor may be tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, methyl triethoxysilane, phenyl triethoxysilane, dimethyl dimethoxy silane, ethyl triethoxysilane, or mixtures thereof. There is no restriction in particular.

상기 아미노알킬실란 유도체와 실란올기 함유 실리카 전구체는 1:0.5 내지 2:1의 부피비로 혼합할 수 있으나, 당업자의 이해 범위 내에서 적절히 채택될 수 있다.The aminoalkylsilane derivative and the silanol group-containing silica precursor may be mixed in a volume ratio of 1: 0.5 to 2: 1, but may be appropriately adopted within the understanding of those skilled in the art.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 실리카 코팅은 고분자 미세구체를 유기용매, 예컨대 헥산과 혼합하고 교반한 후 아미노알킬실란 유도체를 부가하여 진탕하고, 여기에 실란올기 함유 실리카 전구체를 부가하여 반응시킬 수 있다. 상기 실리카 코팅 후 증류수로 세척하여 실리카 잔사를 제거할 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the silica coating may be reacted by mixing the polymer microspheres with an organic solvent, such as hexane, stirring, shaking with addition of an aminoalkylsilane derivative, and adding a silanol group-containing silica precursor thereto. have. After the silica coating may be washed with distilled water to remove the silica residue.

본 발명은 또한 상기 미세복합체를 포함하는 효소 고정화 담체에 관한 것이다.The present invention also relates to an enzyme immobilization carrier comprising the microcomplex.

본 발명의 미세복합체는 기계적 안정성이 향상되고, 가지 고분자 미세구체 내 가지 고분자의 말단 작용기 또는 실리카층이 효소 결합 부위에 대해 모이어티를 제공할 수 있는 아민기를 가지고 있어 우수한 효소 고정능을 가지므로 장기간 안정성이 있고, 진탕 조건에서도 초기 활성을 유지하면서 반복 재사용이 가능하다. 또한, 자성입자를 함유하고 있어 자석에 의해 쉽고 빠르게 분리할 수 있어 반복 재사용이 용이하여 효소 기술이 적용되는 분야, 예컨대, 응용생물학적 제법, 생물적 환경정화, 미세규모의 효소 반응기 등에 적용할 수 있다. The microcomposite of the present invention improves mechanical stability, and the terminal functional group or the silica layer of the branched polymer in the branched polymer microsphere has an amine group capable of providing a moiety to the enzyme binding site, and thus has excellent enzyme fixation ability. It is stable and can be reused repeatedly while maintaining initial activity even under shaking conditions. In addition, it contains magnetic particles and can be easily and quickly separated by a magnet, so that it can be easily reused repeatedly and applied to fields where enzyme technology is applied, such as applied biological preparation, biological environment purification, and micro-scale enzyme reactor. .

일 구체예에 따르면, 모델 효소로 카르복실 에스터라아제를 사용하여 본 발명의 미세복합체에 고정할 경우, 효소의 아민기는 가교제인 알데히드에 의해 실리카 또는 가지 고분자와 시프 염기 결합을 통해 고정될 수 있다.According to one embodiment, when immobilized on the microcomposite of the present invention using a carboxyl esterase as a model enzyme, the amine group of the enzyme may be immobilized through a cip base bond with silica or a branched polymer by an aldehyde which is a crosslinking agent. .

일 구체예에 따르면, 모델 효소로 카르복실 에스터라아제를 사용하여 본 발명의 미세복합체에 고정할 경우, 100일 이상 초기 활성의 90% 이상을 유지하면서 안정하고, 매우 엄격한 진탕 조건에서도 반복적으로 15회 이상 재사용할 수 있다. 반면, 유리 상태의 효소의 경우 변성 및 자기분해로 인해 효소 활성이 빠른 속도로 불활성화되며, 기존의 알기네이트 기반 비드의 경우 Na+ 이온과의 교환으로 인해 인산염 완충용액에서 팽창되며, 뒤 이어 효소 누수와 반응 배지에서 고정된 효소의 재사용 억제가 일어나는데, 본 발명의 미세복합체의 경우 실리카층이 미세구체의 팽창을 억제하고 효소 고정화를 위한 작용기를 제공하며, 강한 기계적 안정성을 제공하여 효소의 강한 응집과 효소 침출 및 변성을 억제하여 장기간 효소 활성이 유지되고 효소 누수를 억제할 수 있다. According to one embodiment, when immobilized to the microcomplex of the present invention using a carboxyl esterase as a model enzyme, it is stable while maintaining at least 90% of the initial activity for 100 days or more, and repeatedly 15 even under very strict shaking conditions. Can be reused more than once. On the other hand, free enzymes deactivate enzyme activity rapidly due to denaturation and autolysis. Existing alginate-based beads swell in phosphate buffer due to exchange with Na + ions, followed by enzymes. Leakage and suppression of reuse of the immobilized enzyme in the reaction medium occurs, in the case of the microcomposites of the present invention, the silica layer inhibits the expansion of the microspheres, provides a functional group for the enzyme immobilization, and provides a strong mechanical stability to provide strong aggregation of the enzyme. By inhibiting the enzyme leaching and denaturation, enzyme activity can be maintained for a long time and enzyme leakage can be suppressed.

또한, 통상의 방법으로 제조된 알기네이트 기반 미세구체의 경우 회수하기 위해 홀더를 사용하므로 크기가 작은 분자를 분리 또는 수집이 어렵고 미세구체의 기계적 손상을 유발할 수 있다. 반면 본 발명의 미세복합체는 자석에 의해 분리할 수 있어 이러한 기계적 손상과 고정된 효소의 누수 없이 미세복합체를 분리할 수 있는 장점이 있다. 이는 효소를 이용한 반응공정에서 재사용을 위해 반응 배지에서 미세복합체를 쉽게 분리할 수 있다는데 이점이 있다.In addition, in the case of alginate-based microspheres prepared by a conventional method, because the holder is used to recover, it is difficult to separate or collect small molecules and cause mechanical damage of the microspheres. On the other hand, the microcomposite of the present invention can be separated by a magnet, there is an advantage that can be separated from the microcomposite without mechanical damage and leakage of the fixed enzyme. This is advantageous in that the microcomplex can be easily separated from the reaction medium for reuse in the reaction process using an enzyme.

상기 효소는 본 발명의 미세복합체의 실리카층에 있는 아민기와 반응할 수 있는 종류라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대 카르복실 에스터라아제 등을 사용할 수 있다.
The enzyme may be used without limitation so long as it can react with the amine group in the silica layer of the microcomposite of the present invention. For example, carboxyl esterase may be used.

본 발명은 또한 상기 미세복합체 및 효소를 반응시키는 단계를 포함하는 효소 고정화 방법에 관한 것이다.The present invention also relates to an enzyme immobilization method comprising the step of reacting the microcomplex and the enzyme.

본 발명의 효소 고정화 방법은 가교제에 의해 효소의 아민기와 미세복합체의 작용기의 공유결합을 통해 미세복합체에 효소를 고정하는 방법으로, 예컨대 가교제인 알데히드는 효소의 아민기, 실리카의 아민기, 가지 고분자의 말단 작용기들과의 반응을 유도하여 효소가 공유결합을 통해 미세복합체에 고정할 수 있도록 한다. The enzyme immobilization method of the present invention is a method of immobilizing an enzyme on a microcomposite through a covalent bond between an amine group of an enzyme and a functional group of a microcomposite by a crosslinking agent. Induces a reaction with the terminal functional groups of the enzyme allows the enzyme to be fixed to the microcomposite through covalent bonds.

상기 효소 고정화 반응의 조건은 효소의 종류에 따라 달라질 수 있어 특별히 제한하는 것은 아니다.Conditions of the enzyme immobilization reaction may vary depending on the type of enzyme is not particularly limited.

본 발명의 일 구체예에는 효소의 종류로 카르복실 에스터라아제를 사용할 수 있고, 상기 효소는 다음의 단계를 거쳐 고정화될 수 있다. 즉, In one embodiment of the present invention, a carboxyl esterase may be used as a kind of enzyme, and the enzyme may be immobilized through the following steps. In other words,

효소 및 미세복합체를 혼합하고, 진탕하는 단계; 및Mixing and shaking the enzyme and microcomplex; And

가교제를 함유하는 용액을 부가하여 진탕하고, 인큐베이션하는 단계를 포함할 수 있다.The addition of a solution containing a crosslinking agent may include shaking and incubating.

상기 효소 및 미세복합체를 혼합하고, 정치하는 단계는 실온에서 100 내지 300 rpm에서 20분 내지 40분 동안 볼텍싱한 후, 4℃에서 50 내지 100 rpm에서 1 내지 3시간 동안 진탕하여 실시할 수 있다.The step of mixing and leaving the enzyme and the microcomposite may be carried out by vortexing for 20 minutes to 40 minutes at 100 to 300 rpm at room temperature, followed by shaking for 1 to 3 hours at 50 to 100 rpm at 4 ° C. .

다음으로, 상기 효소 및 미세복합체의 혼합 용액에 가교제를 함유하는 용액을 부가하여 실온에서 100 내지 300 rpm에서 1 내지 3시간 동안 진탕한 후, 4℃에서 20 내지 40 rpm에서 밤새도록 인큐베이션하여 본 발명의 미세복합체에 효소를 고정할 수 있다. Next, a solution containing a crosslinking agent is added to the mixed solution of the enzyme and the microcomposite, shaken for 1 to 3 hours at 100 to 300 rpm at room temperature, and then incubated at 20 to 40 rpm at 4 ° C. overnight. The enzyme can be immobilized on the microcomplex of.

상기 가교제의 종류와 함량은 전술한 바와 같다. The type and content of the crosslinking agent are as described above.

상기 효소의 고정능은 본 발명의 미세복합체의 농도 의존적으로 증가할 수 있다. The fixation capacity of the enzyme can be increased in a concentration-dependent manner of the microcomplex of the present invention.

가교반응 후에는 적당한 완충액으로 효소가 고정화된 미세복합체를 충분하게 세정하여, 불충분한 결합을 하고 있는 이탈하기 쉬운 효소 및 잉여의 가교제를 제거할 수 있다.
After the crosslinking reaction, the microcomplex in which the enzyme is immobilized is sufficiently washed with a suitable buffer to remove the easily detachable enzyme and excess crosslinking agent having insufficient binding.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples of the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following Examples.

<실시예 1> 가지 고분자 미세구체 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체의 제조Example 1 Preparation of a Microcomposite with a Silica Layer on the Outer Shell of Branched Polymer Microspheres

자석에 의해 분리 가능하고, 매우 안정한 가지 고분자/실리카-쉘 하이브리드 미세구체를 제조하기 위해, 전기스프레이법, 착물화 과정, TMOS 및 APTES를 부가하여 수행한 실리카 졸-겔 코팅을 거쳐 미세 크기의 고분자 미세구체를 제조하였다. 상기 실험 과정은 도 1에 도시하였다. 가지 고분자 미세구체 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체 제조에 사용된 8 암 폴리에틸렌 글리콜 아민 (헥사글리세롤)(8 arm polyethylene glycol amine (hexaglycerol), Amine-PEG) (Mw

Figure pat00001
10,000, Jenkem technology), 알긴산 소듐 염(alginic acid sodium salt, Sigma), 염화칼슘(calcium chloride, Aldrich), 소듐 시트레이트(sodium citrate, Sigma), 테트라메틸 오르토실리케이트(tetramethyl orthosilicate, TMOS) (Aldrich), 테트라에틸 오르토실리케이트(tetraethyl orthosilicate, TEOS) (Aldridh), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES) (Sigma-Aldrich), 글루타알데히드(glutaraldehyde, Aldrich), N,N,-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF) (99 %, Sigma-Aldrich), p-니트로페닐 부티레이트(p-nitrophenyl butyrate, Aldrich), Dynabeads M-270 Amine (Amine-magnetic beads) (Invitrogen)을 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. 효소 고정화를 위해 사용하는 리조퍼스 오리자(Rhyzopus oryzae) 유래의 카복실 에스터라아제(Carboxyl esterase (E.C 3.1.1.1)는 Biochemik Chemicals (Aldrich)에서 구입하였다. To produce a highly stable branched polymer / silica-shell hybrid microsphere that can be separated by a magnet, a microscopic polymer is subjected to an electrospray, complexation process, silica sol-gel coating with addition of TMOS and APTES. Microspheres were prepared. The experimental procedure is shown in FIG. 8 arm polyethylene glycol amine (hexaglycerol), Amine-PEG) (Mw) used to prepare microcomposites with silica layers formed on the outer shell of branched polymer microspheres
Figure pat00001
10,000, Jenkem technology), alginic acid sodium salt (Sigma), calcium chloride (Aldrich), sodium citrate (Sigma), tetramethyl orthosilicate (TMOS) (Aldrich), Tetraethyl orthosilicate (TEOS) (Aldridh), 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) (Sigma-Aldrich), glutaraldehyde (glutaraldehyde, Aldrich), N, N, -dimethyl buy-nitrophenyl butyrate (p -nitrophenyl butyrate, Aldrich), Dynabeads M-270 Amine (Amine-magnetic beads) (Invitrogen) - formamide (N, N-dimethylformamide, DMF ) (99%, Sigma-Aldrich), p It was used without further purification. Rhyzopus used for enzyme immobilization Carboxyl esterase (EC 3.1.1.1) from oryzae ) was purchased from Biochemik Chemicals (Aldrich).

가지 고분자 미세구체 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체를 제조하기 위해, 아민-PEG 30 중량부, 1 중량부의 알긴산 염 및 5 중량부의 아민-자성 비드를 증류수에 용해시키고, 25℃에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 고분자-자성 비드 용액과 0.5 중량부의 글루타알데히드와 혼합하고, 25℃에서 60분 동안 추가로 초음파 처리하였다. 상기 단계에서 제조된 고분자-자성 비드 용액의 앨리쿼트를 10mL-주사기에 로딩하였다. 3~4kV 고전압전원공급장치(Gamma high voltage Research, ES series)에서 100mM 염화칼슘 용액과 0.5 중량부의 글루타알데히드의 혼합 용액에 대해 팁 간의 거리를 5cm로 하고, 30 게이지 시린지 니들을 수직으로 고정하고 유량속도를 2.5mL/h로 셋팅하여 전기스프레이를 수행하였다. 이로부터 얻은 전기방사 가교 결합된 알기네이트-PEG 미세구체는 염화칼슘 및 글루타알데히드의 혼합 용액에서 짧은 시간 동안 수집하고, 상기 미세구체는 가교 결합을 굳히기 위해 실온에서 밤새도록 교반하였다. 알기네이트-PEG 미세구체는 자석을 이용하여 분리하고, 증류수로 3회 이상 세척하며, 마지막으로 칼슘 착물화제로 소듐 시트레이트를 사용하여 가교 결합된 가지 고분자가 박혀 있는 Ca-알기네이트 겔을 용해시켜 가지 고분자 미세구체를 제조하였다. 실제로 전기스프레이 후 얻은 고분자 블렌드 미세구체를 100mM 소듐 시트레이트 용액에서 실온에서 15분간 인큐베이션 한 후 증류수로 몇 번 세척하고 4℃에서 저장하였다. In order to prepare a microcomposite having a silica layer formed on the outer shell of the branched polymer microspheres, 30 parts by weight of amine-PEG, 1 part by weight of alginic acid salt and 5 parts by weight of amine-magnetic beads were dissolved in distilled water, and ultrasonically at 25 ° C. for 30 minutes. Treated. The polymer-magnetic bead solution was mixed with 0.5 parts by weight of glutaaldehyde and further sonicated at 25 ° C. for 60 minutes. Aliquots of the polymer-magnetic bead solution prepared in the above step were loaded into a 10 mL-syringe. For a mixed solution of 100 mM calcium chloride solution and 0.5 parts by weight of glutaaldehyde in a 3-4 kV Gamma high voltage research (ES series), the distance between the tips is 5 cm, the 30 gauge syringe needle is fixed vertically and the flow rate The electrospray was performed with the speed set at 2.5 mL / h. The electrospun crosslinked alginate-PEG microspheres obtained therefrom were collected for a short time in a mixed solution of calcium chloride and glutaraldehyde, and the microspheres were stirred overnight at room temperature to harden crosslinks. Alginate-PEG microspheres are separated using a magnet, washed three times or more with distilled water, and finally, sodium citrate is used as a calcium complexing agent to dissolve the Ca-alginate gel embedded with crosslinked branched polymer. Branched polymeric microspheres were prepared. In fact, the polymer blend microspheres obtained after the electrospray were incubated for 15 minutes at room temperature in 100mM sodium citrate solution, washed several times with distilled water and stored at 4 ° C.

자석에 의해 분리할 수 있는 가지 고분자 미세구체는 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES) 및 테트라에틸 오르토실리케이트(tetramethyl orthosilicate, TMOS)의 변형된 졸-겔 공정에 의해 실리카 코팅되어 유-무기 하이브리드 미세구체를 얻었다. Branched polymeric microspheres that can be separated by magnets are silica coated by a modified sol-gel process of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) and tetramethyl orthosilicate (TMOS). Organic-inorganic hybrid microspheres were obtained.

즉, 미세구체를 n-헥산과 혼합하고 나서 2분 동안 교반하였다. 3-아미노프로필트리에톡시실란을 부가한 후, 다시 5분 동안 진탕하고 나서, 테트라에틸 오르토실리케이트를 상기 혼합 용액에 부가하였다. 미세구체:n-헥산:APTES:TMOS의 부피비는 25:50:4:3으로 하였다. 가지 고분자/실리카-쉘 구조를 위해, 2시간 진탕을 실시하고 나서, 미세구체에 코팅되지 않은 실리카 잔사를 제거하고, 증류수로 5분 동안 계속 세척하고, 4℃에서 저장하였다.
That is, the microspheres were mixed with n-hexane and stirred for 2 minutes. After addition of 3-aminopropyltriethoxysilane, shaking for another 5 minutes, tetraethyl orthosilicate was added to the mixed solution. The volume ratio of microspheres: n-hexane: APTES: TMOS was 25: 50: 4: 3. For the branched polymer / silica-shell structure, shaking for 2 hours was followed by removing uncoated silica residue from the microspheres, washing with distilled water for 5 minutes, and storing at 4 ° C.

(미세복합체의 특성 규명)(Characterization of Microcomposites)

미세구체의 형태 및 원소 분석은 scanning electron microscopy (SEM;S-2360N equiped with Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDAX), Hitachi Co. Ltd., JAPAN)에서 조사하였다. 미세구체의 Fourier transform infrared (FT-IR) 스펙트럼은 ATR 악세서리를 이용한 Infinity gold FT-IR spectrometer (Thermomattson. Co. Ltd., USA)에서 측정하였다.
Morphology and elemental analysis of the microspheres were investigated by scanning electron microscopy (SEM; S-2360N equiped with Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDAX), Hitachi Co. Ltd., JAPAN). Fourier transform infrared (FT-IR) spectra of microspheres were measured on an Infinity gold FT-IR spectrometer (Thermomattson. Co. Ltd., USA) using an ATR accessory.

<실험예 1> 미세복합체의 물리화학적 특성 규명Experimental Example 1 Physical and Chemical Properties of the Microcomposite

상기 실시예 1에서 제조된 미세복합체의 형태를 SEM으로 분석한 결과, 도 2A에 나타난 바와 같이, 미세복합체의 평균 크기는 500 내지 600 ㎛이고, 구형이며, 균일하였다. As a result of analyzing the shape of the microcomposite prepared in Example 1 by SEM, as shown in Figure 2A, the average size of the microcomposite is 500 to 600 ㎛, spherical, uniform.

균일한 구형의 고분자 미세구체가 쉽게 합성될 수 있다고는 하나, 그들의 기계적 안정성은 이온 교환으로 인해 염을 포함한 완충용액 시스템에서 안정하지 않는다. 따라서, 본 발명자들은 가지 고분자 및 자성 비드를 통해 화학적 생기능제에서 유래된 시프 염기 이중 결합이 미세구체의 팽창을 억제하는 대안일 수 있을 것으로 예상하였다. 실제로, 이민 반응 시 일어나는 노란색 변화가 강화 및 가교결합 과정 중에 관찰되었다. 결론적으로, 강화된 기계적 특징은 소듐 시트레이트 처리로부터 착물화 방법에 의해 입증된다. Although homogeneous spherical polymeric microspheres can be easily synthesized, their mechanical stability is not stable in buffered system containing salts due to ion exchange. Thus, the present inventors anticipated that the sieve base double bonds derived from chemical biofunctional agents through branched polymers and magnetic beads could be an alternative to inhibit the expansion of microspheres. Indeed, yellow changes that occur during imine reactions were observed during the strengthening and crosslinking processes. In conclusion, the enhanced mechanical properties are demonstrated by the complexation method from sodium citrate treatment.

도 2B에 도시된 횡단면 사진도에서 나타난 바와 같이, 무기 실리카 코팅은 미세구체의 외부에서 형태적 변화를 유도한다. 하이브리드 미세구체의 확대도에서 나타난 바와 같이, 내부에 균일한 크기의 기공이 있다. 따라서, 미세복합체는 기계적 안정성을 향상시킬 수 있는 외부 쉴드를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 화학적 확산에 이점이 되는 기공을 얻을 수 있다. As shown in the cross-sectional photograph shown in FIG. 2B, the inorganic silica coating induces morphological changes outside of the microspheres. As shown in the enlarged view of the hybrid microspheres, there are pores of uniform size inside. Therefore, the microcomposite can not only form an outer shield capable of improving mechanical stability but also obtain pores which are advantageous in chemical diffusion.

도 3에 나타나 바와 같이, 미세복합체의 FT-IR 스펙트럼은 3274 cm-1 (N-H 스트레칭), 2869 cm-1 (알데히드 스트레칭), 950 cm-1 (에틸 알칸 벤딩), 1541 cm-1 (N-H (2°-아마이드) 벤딩), 및 1648 cm-1 (C=N 스트레치: 이민)에서 특징적인 피크를 나타냈다. 반면, 고분자 미세구체(매트릭스) 상에서 실리카 코팅을 위해 TMOS 및 APTES 혼합 기술로부터 Si-O-Si 및 C-H3 에서 기인한 1040 cm-1 및 1457 cm- 1 에서의 밴드의 매우 구별되는 강도가 관찰되었다. As shown in FIG. 3, the FT-IR spectra of the microcomposites are 3274 cm −1 (NH stretching), 2869 cm −1 (aldehyde stretching), 950 cm −1 (ethyl alkane bending), 1541 cm −1 (NH ( 2 ° -amide) bending), and 1648 cm −1 (C = N stretch: imine). On the other hand, polymer microspheres for a silica coating on the (matrix) from TMOS and APTES mixing technique due to the Si-O-Si and CH 3 1040 cm -1 and 1457 cm - a very distinct intensity of the band at 1 was observed .

또한, 미세복합체의 EDX 분석 결과, 도 4에서 나타난 바와 같이, Si 원소의 존재가 나타나 실리카-쉘이 확인되었다. In addition, as a result of EDX analysis of the microcomposite, as shown in FIG.

자성 비드의 존재로 인해, 미세구체의 전체 색깔은 밝은 갈색을 나타내며, 그들은 미세캡슐화 과정에서 육안으로 쉽게 관찰될 수 있다. 그러나, 가교제인 글루타알데히드(GA) 처리 시 미세구체는 노란색으로 변화한다. 도 5에 나타난 바와 같이, 미세복합체는 시프 염기 결합을 의미하는 노란색을 나타냈다. Due to the presence of magnetic beads, the overall color of the microspheres is light brown, and they can be easily observed with the naked eye during the microencapsulation process. However, the microspheres turn yellow when the crosslinking agent glutaaldehyde (GA) is treated. As shown in FIG. 5, the microcomposites showed yellow, which means seed base bonds.

또 다른 장점은 액체 배지로부터 미세복합체의 자석에 의한 분리 가능성이다. 도 5에 나타나 바와 같이, 미세복합체는 2초 만에 자석에 의해 분리될 수 있다. 이러한 특징, 즉 미세복합체의 자석에 의한 분리능은 생체분자-미세구체 하이브리드 분자의 적용을 가능케 하여 혼합물로부터 회수 또는 분리 비용을 줄일 수 있다.
Another advantage is the possibility of magnetic separation of the microcomposites from the liquid medium. As shown in FIG. 5, the microcomposite can be separated by a magnet in 2 seconds. This feature, that is, the magnetoscopic resolution of the microcomposite, allows the application of biomolecule-microsphere hybrid molecules to reduce the cost of recovery or separation from the mixture.

<실시예 2> 효소가 고정된 미세복합체의 제조Example 2 Preparation of Enzyme-immobilized Microcomposites

상기 실시예 1에서 제조된 미세복합체에서의 효소 고정화를 위해, 100 mM 인산염 완충용액(pH 8.0)에서 10 mg/mL로 카르복실 에스터라아제(CE) 용액을 제조하였다. 글래스 바이알에서 상기 실시예 1의 미세복합체와 1mL의 효소 용액과 혼합하고, 실온에서 200 rpm으로 30분 동안 볼텍싱하였다. 이후, 글래스 바이얼을 록커에 정치하고 4℃에서 60 rpm으로 2시간 동안 진탕하였다. 효소 응집을 위해, 우선 1.0 중량부의 글루타알데히드 및 0.5g 암모늄 설페이트를 함유하는 2mL의 용액을 상기 바이얼에 부가하여 효소를 응집시키고, 실온에서 200 rpm으로 2시간 동안 진탕기에 정치하고, 4℃의 록커(30 rpm) 상에서 밤새도록 인큐베이션 하였다. 다음날, 모든 용액을 버리고, 미세복합체에 고정된 남아있는 효소를 새로운 바이얼로 옮기고, 100mM 인산염 완충용액으로 간단히 세척하고, 글루타알데히드 상에 남아있는 결합하지 않는 작용기는100 mM Tris-HCl (pH 7.8)로 캡핑하였다. 캡핑 후, 고정된 CE는 100mM 인산염 완충용액(pH 6.5)으로 3회 세척하였다. 상기 제조된 효소-미세복합체는 2mL의 100mM 인산염 완충용액(pH 6.5)에서 분산시켜 4℃에서 저장하였다.
For enzyme immobilization in the microcomplex prepared in Example 1, a carboxyl esterase (CE) solution was prepared at 10 mg / mL in 100 mM phosphate buffer (pH 8.0). In a glass vial, the microcomplex of Example 1 and 1 mL of the enzyme solution were mixed and vortexed at 200 rpm for 30 minutes at room temperature. The glass vial was then placed in a rocker and shaken at 4 ° C. at 60 rpm for 2 hours. For enzyme agglomeration, first, 2 mL of a solution containing 1.0 parts by weight of glutaraldehyde and 0.5 g ammonium sulfate was added to the vial to aggregate the enzyme, allowed to stand on a shaker for 2 hours at 200 rpm at room temperature, and Incubated overnight on a rocker (30 rpm). The next day, discard all solutions, transfer the remaining enzyme immobilized on the microcomposite to a new vial, wash briefly with 100 mM phosphate buffer, and leave the unbound functional groups on glutaaldehyde 100 mM Tris-HCl (pH). 7.8). After capping, the fixed CE was washed three times with 100 mM phosphate buffer (pH 6.5). The prepared enzyme-microcomposite was dispersed in 2 mL of 100 mM phosphate buffer (pH 6.5) and stored at 4 ° C.

<실험예 2> 효소 활성 및 안정성 측정Experimental Example 2 Enzyme Activity and Stability Measurement

상기 실시예 2에서 제조된 미세복합체에 고정된 효소의 생활성은 N,N-디메틸포름아마이드에 용해시킨 p-니트로페닐 부티레이트의 가수분해로부터 p-니트로페놀의 생산을 모니터링하여 체크하였다. Life of the enzyme fixed on the micro-composite material prepared in Example 2 Castle N, N- dimethyl formamide was dissolved in p-it was checked by monitoring the production of nitrophenol-p from the hydrolysis of nitrophenyl butyrate.

즉, N,N-디메틸포름아마이드에 용해시킨 50㎕의 50mM p-니트로페닐 부티레이트를 포함하는 4.95mL의 100mM 인산염 완충용액(pH 6.5)을 기질로 제조하였다. 고정된 CE는 상기 기질 용액에 분산시키고, 200 rpm에서 진탕하였다. 짧게 반응시킨 후, 시간대 별 400nm에서의 흡광도로부터 초기 활성을 계산하고, 상기 흡광도는 p-니트로페놀의 농도로 평균화하였다. That is, 4.95 mL of 100 mM phosphate buffer (pH 6.5) containing 50 μl of 50 mM p -nitrophenyl butyrate dissolved in N, N-dimethylformamide was prepared as a substrate. Fixed CE was dispersed in the substrate solution and shaken at 200 rpm. After a short reaction, initial activity was calculated from the absorbance at 400 nm for each time period, and the absorbance was averaged by the concentration of p -nitrophenol.

효소 안정성 실험을 위해, 활성 측정 후 미세복합체에 고정된 CE를 100mM 인산염 완충용액(pH 6.5)로 3회 세척하고, 실온에서 200 rpm에서 진탕 조건에서 저장하였다. 모든 측정은 표준편차를 위해 3반복으로 수행하였다. 카르복실 에스터라아제 활성의 1 유니트(U)는 분석 조건 하에서 분당 1μmol p-니트로페놀을 방출하는 효소의 함량으로 정의하였다. 모든 시료들은 오차 분석을 위해 3반복으로 수행하였다. 결과에 대한 표준 편차는 그래프 상에서 오차 구간으로 나타내었다. For enzyme stability experiments, the CE immobilized on the microcomposites after activity measurement was washed three times with 100 mM phosphate buffer (pH 6.5) and stored at shaking conditions at 200 rpm at room temperature. All measurements were performed in three replicates for the standard deviation. One unit (U) of carboxyl esterase activity was defined as the amount of enzyme that releases 1 μmol p -nitrophenol per minute under assay conditions. All samples were performed in three replicates for error analysis. Standard deviations for the results are shown as error intervals on the graph.

도 5에 나타난 바와 같이, 효소 고정화 후, 미세복합체에서 색깔 변화가 일어났다. 즉, 베이지 색을 갖는 암모늄 설페이트 및 글루타알데히드는 베이지색에서 짙은 갈색으로의 변화를 유도할 수 있다. 이는 상기 미세복합체와 효소 간의 안정성을 증가시킬 수 있는 시프 염기 결합을 통해 미세구체에서 효소가 고정되어 있음을 입증하는 것이다.As shown in FIG. 5, after enzyme immobilization, color change occurred in the microcomposite. That is, ammonium sulphate and glutaaldehyde with beige color can induce a change from beige to dark brown. This demonstrates that the enzymes are immobilized in the microspheres through the sieve base binding, which can increase the stability between the microcomplex and the enzyme.

미세복합체의 수는 아민 모이어티로 인해 효소 로딩 효율에 영향을 줄 수 있기 때문에, 고정화를 위한 카르복실 에스터라아제의 농도를 고정하고 미세복합체의 함량만을 바꾸어 주었다. Since the number of microcomplexes may affect the enzyme loading efficiency due to the amine moiety, the concentration of the carboxyl esterase for immobilization was fixed and only the content of the microcomposites was changed.

도 6에 나타나 바와 같이, 미세복합체의 수가 증가함에 따라 고정된 CE의 초기 활성 역시 증가한다. 물론, 가교 결합된 CE로부터 자연스러운 변화가 효소에서의 구조적 배열에 영향을 줄 수 있다. 또한, 실리카 쉘은 기질의 CE의 활성 부위로의 자유로운 이동을 방해할 수 있어 가수분해 반응의 초기 속도는 유리 효소와 비교하여 지연될 것이다.As shown in Figure 6, as the number of microcomposites increases, the initial activity of immobilized CE also increases. Of course, natural changes from crosslinked CE can affect the structural arrangement in the enzyme. In addition, the silica shell can interfere with the free migration of the substrate to the active site of CE so that the initial rate of the hydrolysis reaction will be delayed compared to the free enzyme.

그럼에도, 미세복합체의 수를 제어함으로써 훨씬 더 높은 활성을 갖는 보다 효과적인 고정화 시스템을 어느 정도 수행할 수 있다. 따라서, 미세복합체로부터 CE의 유실은 효소의 활성 유지를 억제하고, 이들 효과를 조사하여 측정하였다. 유리 CE와 고정된 CE의 안정성은 실제 효소 반응기 조건에서 정치하여 자연스런 환경을 모방하기 위해 진탕 조건(200 rpm) 하에서 수용성 완충용액에서 그들을 인큐베이션하여 측정하였다. 전형적인 산업적 효소 과정에서, 효소 반응은 매우 엄격한 조건에서 수행되며, 효소의 활성 및/또는 그러한 조건 하에서 고정화된 효소 시스템을 유지하는 것이 바람직하다. Nevertheless, by controlling the number of microcomposites, some more effective immobilization systems with much higher activity can be performed. Therefore, the loss of CE from the microcomposite was inhibited by the maintenance of enzyme activity and measured by examining these effects. The stability of free CE and immobilized CE was measured by incubating them in aqueous buffer under shaking conditions (200 rpm) in order to mimic the natural environment by standing in actual enzyme reactor conditions. In typical industrial enzymatic processes, the enzymatic reaction is carried out under very stringent conditions and it is desirable to maintain the enzyme system and / or the enzyme system immobilized under such conditions.

미세복합체에 고정된 CE는 도 7에 나타난 바와 같이 엄격한 진탕 조건 하에서 우수한 재사용 및 장기간 저장 안정성을 나타냈다. 가지 고분자/실리카 쉘은 CE가 전단응력 없이 유지되게 하는 것이 아니라 엄격한 상태를 보유하면서 저장되도록 할 수 있다. CE immobilized on the microcomposite showed good reuse and long term storage stability under stringent shaking conditions as shown in FIG. The branched polymer / silica shell may allow the CE to be stored under strict conditions, rather than being maintained without shear stress.

미세복합체에서 고정된 CE의 초기 활성을 100%로 정하고, 고정된 CE의 상대 활성은 초기 효소 활성 대비 활성 비율로 정하였다. Initial activity of the immobilized CE in the microcomposite was set to 100%, and the relative activity of the immobilized CE was determined as the ratio of activity to the initial enzyme activity.

도 7a에 나타난 바와 같이, 고정된 CE의 상대 활성은 잘 유지되는 반면, 유리 CE는 CE의 변성 및 자기분해로 인해 효소 활성의 빠른 불활성화를 나타냈다. 15회 반복 사용 후, 상대 활성의 90% 이상이 보존되었다. 전형적으로 균일한 구형의 알기네이트 기반 비드는 Na+ 이온과의 교환으로 인해 인산염 완충용액에서 팽창되며, 뒤 이어 효소 누수와 반응 배지에서 고정된 효소의 재사용 억제가 일어난다. 그러나, 실리카-쉘은 미세구체의 팽창을 억제할 뿐만 아니라 효소 고정화를 위해 사용될 수 있는 작용기를 제공한다. 그러므로, 효소 누수는 효소 반응 동안 향상된 안정성과 더불어 거의 억제되었다. As shown in FIG. 7A, the relative activity of immobilized CE was well maintained, while free CE showed rapid inactivation of enzyme activity due to denaturation and autolysis of CE. After 15 repeated uses, at least 90% of the relative activity was preserved. Typically, homogeneous spherical alginate based beads expand in phosphate buffer due to exchange with Na + ions, followed by enzymatic leakage and inhibition of the reuse of the immobilized enzyme in the reaction medium. Silica-shells, however, not only inhibit the expansion of microspheres but also provide functional groups that can be used for enzyme immobilization. Therefore, enzyme leakage was almost suppressed with improved stability during the enzymatic reaction.

또한, 고정된 CE의 저장 안정성을 측정한 결과, 도 7b에 나타난 바와 같이, 유리 효소의 상대 활성은 그것의 자기분해로 인해 3일 이내에 100% 에서 10%로 감소하였다. 그러나, 미세복합체에 고정된 CE의 상대 활성은 100일 동안 100%에서 90% 정도만 감소하였다. 이는 미세복합체에서 효소의 강한 응집과 효소 침출 및 변성을 억제하는 가지 고분자 미세구체의 외부 실리카-쉘로부터의 기계적 안정성 때문인 것으로 사료된다. In addition, as a result of measuring the storage stability of the immobilized CE, as shown in FIG. 7B, the relative activity of the free enzyme decreased from 100% to 10% within 3 days due to its autolysis. However, the relative activity of CE immobilized in the microcomposites decreased only by 100% to 90% for 100 days. This may be due to the mechanical stability from the outer silica-shell of the branched polymer microspheres, which inhibits the strong aggregation of enzymes in the microcomposites and enzyme leaching and denaturation.

또한, 미세복합체에 고정된 CE는 자석에 의해 분리 가능하였다. 전기스프레이는 미세 크기의 미세구체를 제조하기 위해 사용될 수 있으나, 일반적인 홀더를 이용하므로 크기가 작은 분자의 분리 또는 수집이 어렵고, 하이브리드 미세구체에서 기계적 손상 및 효소의 누수를 유발할 수 있다. 그러나, 자석에 의해 분리할 수 있는 미세복합체에 고정된 CE는 어떠한 손실 없이 강한 자석을 사용하여 2초 이내에 반응 용액에서 분리할 수 있다. 무엇보다도 가분성이 자석을 통해 이루어지므로 다음 재사용을 위해 반응 배지로부터 쉽게 분리할 수 있다. 이는 매우 엄격한 저장 조건에서 효소 재사용을 위한 매우 안정한 담체로서 미세복합체 기반 효소 안정화 시스템의 가능성에 대한 최초 보고이다.
In addition, the CE fixed to the microcomposite could be separated by a magnet. Electrospray can be used to produce microspheres of fine size, but it is difficult to separate or collect small molecules because of the use of common holders, and can cause mechanical damage and leakage of enzymes in hybrid microspheres. However, the CE fixed to the microcomposite that can be separated by the magnet can be separated from the reaction solution within 2 seconds using a strong magnet without any loss. Above all, the pulverization is achieved through the magnet so that it can be easily separated from the reaction medium for subsequent reuse. This is the first report of the possibility of a microcomplex based enzyme stabilization system as a very stable carrier for enzyme reuse under very stringent storage conditions.

결론적으로, 본 발명은 미세복합체를 포함하는 매우 활성적이고, 안정하며 자석에 의해 분리할 수 있는 효소 시스템을 성공적으로 제공한다. 상기 미세복합체는 보통 많은 다른 효소들에 대해 적용할 수 있으며, 효소 기술의 다양한 분야, 예컨대 응용생물학적 제법, 생물적 환경정화, 미세규모의 효소 반응기 등 다양한 효소 응용 분야에서 적용할 수 있다.In conclusion, the present invention successfully provides a highly active, stable and magnetically separable enzyme system comprising microcomposites. The microcomplex is usually applicable to many different enzymes, and can be applied to various fields of enzyme technology, such as applied biological preparation, biological environmental purification, microscale enzyme reactors.

Claims (20)

자성입자를 하나 이상 함유하는 가지 고분자 미세구체(branched polymer microsphere); 및
상기 미세구체를 둘러싸는 실리카층을 포함하는 미세복합체.
Branched polymer microspheres containing one or more magnetic particles; And
Microcomposite comprising a silica layer surrounding the microspheres.
제1항에 있어서,
자성입자는 금속, 자성 물질 또는 자성 합금인 미세복합체.
The method of claim 1,
Magnetic particles are metal, magnetic material or magnetic alloy fine composite.
제2항에 있어서,
자성 물질은 Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM'2O4, 및 MxOy 로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 M 및 M'는 각각 독립적으로 Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, 또는 Cr을 나타내고, x 및 y는 각각 식 “0 < x ≤3” 및 “0 < y ≤5”을 만족하는 미세복합체.
The method of claim 2,
Magnetic materials include Co, Mn, Fe, Ni, Gd, Mo, MM ' 2 O 4 , And at least one selected from the group consisting of M x O y , wherein M and M 'each independently represent Co, Fe, Ni, Mn, Zn, Gd, or Cr, and x and y are each represented by the formula “0 <x Microcomposites satisfying ≤3 "and" 0 <y ≤5 ".
제1항에 있어서,
가지 고분자 미세구체는 -NHS, -NHNH2, 카르보닐 이미다졸(carbonyl imidazole), 니트로페닐(nitrophenyl), 이소시아네이트(isocyanate), 설포닐 클로라이드(sulfonyl chloride), 알데히드(aldehyde), 글리옥살(glyoxal), 에폭시드(epoxide), 탄산염(carbonate), 할로겐화 시안눌기(cyanuric halide), 디티오카보네이트(dithiocarbonate), 토실레이트(tosylate) 및 말레이미드(maleimide)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 말단 작용기를 갖는 생체적합성 가지 고분자로부터 제조되는 미세복합체.
The method of claim 1,
The branched polymeric microspheres are -NHS, -NHNH 2 , carbonyl imidazole, nitrophenyl, isocyanate, sulfonyl chloride, aldehyde, glyoxal , One or more terminal functional groups selected from the group consisting of epoxides, carbonates, cyanuric halides, dithiocarbonates, tosylates and maleimides Microcomposites made from compatible branched polymers.
제1항에 있어서,
실리카층은 아민기를 함유하는 미세복합체.
The method of claim 1,
The silica layer is a microcomposite containing an amine group.
제1항에 있어서,
미세복합체는 500 내지 8000 ㎛의 직경을 갖는 미세복합체.
The method of claim 1,
Microcomposites are microcomposites having a diameter of 500 to 8000 μm.
2가의 금속이온 하에서 자성입자, 가지 고분자(branched polymer), 알기네이트 및 가교제를 혼합하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계;
상기 자성-고분자 블렌드 미세구체의 착물화 반응을 통해 알기네이트-2가의 금속이온 착물이 제거된 자성-고분자 미세구체를 제조하는 단계; 및
상기 자성-고분자 미세구체 및 실리카 전구체의 졸-겔 반응을 통해 상기 미세구체의 외각에 실리카층이 형성된 미세복합체를 제조하는 단계를 포함하는 미세복합체의 제조방법.
Preparing magnetic-polymer blend microspheres by mixing magnetic particles, branched polymers, alginates and crosslinking agents under divalent metal ions;
Preparing magnetic-polymer microspheres from which the alginate-divalent metal ion complex has been removed by complexing the magnetic-polymer blend microspheres; And
A method for producing a microcomposite comprising the step of preparing a microcomposite having a silica layer formed on an outer surface of the microspheres through a sol-gel reaction of the magnetic-polymer microspheres and the silica precursor.
제7항에 있어서, 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계는
자성입자, 가지 고분자 및 알기네이트의 혼합 용액에 1차 초음파처리 하는 단계;
상기 혼합 용액과 가교제를 혼합하여 2차 초음파처리 하는 단계; 및
상기 단계에서 얻은 자성-고분자 용액을 2가의 금속이온 용액에 적가(滴加)하여 자성-고분자 블렌드 미세구체를 제조하는 단계를 포함하는 것인 미세복합체의 제조방법.
The method of claim 7, wherein preparing the magnetic-polymer blend microspheres
First sonicating the mixed solution of the magnetic particles, the branched polymer, and the alginate;
Second sonicating the mixed solution and a crosslinking agent; And
A method of producing a microcomposite comprising the step of dropwise adding a magnetic-polymer solution obtained in the step to a divalent metal ion solution to prepare a magnetic-polymer blend microsphere.
제7항에 있어서,
가지 고분자는 -NHS, -NHNH2, 카르보닐 이미다졸(carbonyl imidazole), 니트로페닐(nitrophenyl), 이소시아네이트(isocyanate), 설포닐 클로라이드(sulfonyl chloride), 알데히드(aldehyde), 글리옥살(glyoxal), 에폭시드(epoxide), 탄산염(carbonate), 할로겐화 시안눌기(cyanuric halide), 디티오카보네이트(dithiocarbonate), 토실레이트(tosylate) 및 말레이미드(maleimide)로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상의 말단 작용기를 갖는 생체적합성 가지 고분자인 미세복합체의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
Branch polymers include -NHS, -NHNH 2 , carbonyl imidazole, nitrophenyl, isocyanate, sulfonyl chloride, aldehyde, glyoxal, epoxy Biocompatible branches having one or more terminal functional groups selected from the group consisting of epoxides, carbonates, cyanuric halides, dithiocarbonates, tosylates and maleimides Method for producing a microcomposite that is a polymer.
제8항에 있어서,
1차 초음파 처리 단계는 20 내지 30℃에서 20분 내지 40분 동안 실시하는 것인 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The first ultrasonic treatment step is a method for producing a microcomposite that is carried out at 20 to 30 ℃ for 20 to 40 minutes.
제8항에 있어서,
가교제는 글루타알데히드, 디알데히드 전분 및 숙신산알데히드로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The crosslinking agent is at least one selected from the group consisting of glutaraldehyde, dialdehyde starch and succinate aldehyde.
제8항에 있어서,
가교제는 혼합 용액 100 중량부에 대하여 0.4 내지 0.6 중량부로 포함되는 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Crosslinking agent is a method for producing a microcomposite containing 0.4 to 0.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed solution.
제8항에 있어서,
2차 초음파 처리 단계는 20 내지 30℃에서 50분 내지 2시간 실시하는 것인 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Second ultrasonic treatment step is a method for producing a microcomposite is carried out at 20 to 30 ℃ 50 minutes to 2 hours.
제8항에 있어서,
2가의 금속이온은 Ca2 +, Zn2 +, Cu2 +, Fe2 +, Ba2 + 또는 Sr2 +인 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The divalent metal ion is Ca 2 + , Zn 2 + , Cu 2 + , Fe 2 + , Ba 2 + or Sr 2 + A method for producing a microcomposite.
제8항에 있어서,
자성-고분자 블렌드 미세구체와 가교제를 반응시키는 단계를 더 포함하는 미세복합체의 제조방법.
9. The method of claim 8,
A method of producing a microcomposite further comprising the step of reacting the magnetic-polymer blend microspheres with a crosslinking agent.
제7항에 있어서,
실리카층은 아미노알킬실란 유도체와 실란올기 함유 실리카 전구체를 반응시켜 형성되는 미세복합체의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The silica layer is a method for producing a microcomposite formed by reacting an aminoalkylsilane derivative with a silanol group-containing silica precursor.
제16항에 있어서,
아미노알킬실란 유도체는 β-아미노에틸-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, 아미노프로필메틸디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란 및 γ-아미노프로필트리에톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세복합체의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The aminoalkylsilane derivative is at least one selected from the group consisting of β-aminoethyl-γ-aminopropylmethyldimethoxysilane, aminopropylmethyldiethoxysilane, γ-aminopropyltrimethoxysilane and γ-aminopropyltriethoxysilane. Method for producing a microcomposite.
제16항에 있어서,
실란올기 함유 실리카 전구체는 테트라에틸 오르토실리케이트, 테트라메틸 오르토실리케이트, 메틸 트리에톡시실란, 페닐 트리에톡시실란, 디메틸 디메톡시 실란, 에틸 트리에톡시실란 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 미세복합체의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The silanol group-containing silica precursor is at least one fine selected from the group consisting of tetraethyl orthosilicate, tetramethyl orthosilicate, methyl triethoxysilane, phenyl triethoxysilane, dimethyl dimethoxy silane, ethyl triethoxysilane and mixtures thereof Method for preparing a composite.
제1항의 미세복합체를 포함하는 효소 고정화 담체.
An enzyme immobilization carrier comprising the microcomplex of claim 1.
제1항의 미세복합체 및 효소를 반응시키는 단계를 포함하는 효소 고정화 방법.An enzyme immobilization method comprising the step of reacting the microcomplex of claim 1 with an enzyme.
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