PVA基載酶微凝膠的可控制備*

張國祥，馬 玲，蕭聰明

(華僑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

聚合物微凝膠是一種具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的粒子，且對(duì)其良溶劑能產(chǎn)生快速、可逆的溶脹-消溶脹。近年來，具有可逆相變特性、催化活性、磁性和良好生物相容性等的多功能復(fù)合微凝膠，得到了廣泛的應(yīng)用開發(fā)研究[1-2]。

聚乙烯醇(PVA)是一種水溶性聚合物，具有良好的生物相容性和機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，適合于生物醫(yī)用微凝膠的設(shè)計(jì)和制備[3-4]。此外，PVA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征，使其便于形成功能性微粒[5]。

酶具有反應(yīng)條件溫和、選擇性和催化效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但自由酶在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、高離子濃度和部分有機(jī)溶劑中不夠穩(wěn)定，易失活。而且，自由酶在反應(yīng)后不易與底物和產(chǎn)物分離，既影響反應(yīng)產(chǎn)物純度又難以重復(fù)使用。為克服上述缺點(diǎn)，人們大量開展了酶的固定化研究[6]。其中，PVA以其良好的成膜性和反應(yīng)性，常被用于酶的固定化及其應(yīng)用研究[7-8]。

為進(jìn)一步改善固定化酶的催化活性，使酶促反應(yīng)更加易于調(diào)節(jié)控制，可采用的一個(gè)策略是由聚合物微凝膠固定化酶，通過聚合物組成和交聯(lián)過程參數(shù)等對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)和性能加以調(diào)控[9]。作者通過可逆加成-斷裂轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合制備數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量可控的聚乙烯醇，再轉(zhuǎn)化為不飽和大單體(PVAM)，然后在酶的存在下發(fā)生自由基交聯(lián)反應(yīng)，得到載酶PVA基微凝膠；分析了載酶微凝膠的結(jié)構(gòu)和催化功能，并初步探討了PVA用量和數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)其性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇大單體(PVAM)：由醋酸乙烯酯進(jìn)行可控自由基聚合并經(jīng)醇解制得的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量可控聚乙烯醇(CPVA)[10]與馬來酸酐(MA，重結(jié)晶提純)反應(yīng)制得；丙烯酸(AA)：分析純，活性炭吸附提純，上海愛試化工有限公司；過硫酸鉀(KPS)：重結(jié)晶提純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；司班80(span-80)：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；液體石蠟：化學(xué)純，廣東西隴化工股份有限公司；石油醚：分析純，廣東西隴化工股份有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇：分析純，廣東西隴化工股份有限公司；α-淀粉酶：廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。

紅外光譜儀：Nexus 470 型，美國PE公司；DSC-TGA分析儀：美國TA 公司；掃描電子顯微鏡(SEM)： Leica DM2500P，德國萊卡公司；激光粒度儀：Mastersizer 2000，英國馬爾文儀器公司。

1.2 PVA基載酶微凝膠的可控制備

取2 mL分散劑span-80和0.02 g SDBS，加入20 mL的液體石蠟中，充分混勻，調(diào)整攪拌速度為400 r/min，通入氮?dú)?；另?.4 g PVAM溶于8 mL蒸餾水，加入2 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%丙烯酸水溶液，均勻混合后，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=6～7，再加入0.1 g α-淀粉酶構(gòu)成水相；在攪拌下，將水相逐滴加入三口瓶中，使油相和水相充分混合，加入0.1 g KPS，水浴溫度控制在70 ℃，反應(yīng)4 h，過濾，分別用石油醚、蒸餾水洗滌，如此反復(fù)數(shù)次，得到黃色微球，置于冰箱；改變PVAM的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和濃度，即得一系列PVA基載酶微凝膠。

1.3 PVA基載酶微凝膠的結(jié)構(gòu)表征

分別取適量CPVA、PVAM和微球樣品以及溴化鉀，研細(xì)，壓片，由紅外光譜儀進(jìn)行FTIR測(cè)試。

利用DSC-TGA分析儀，在氮?dú)鈿夥罩?，?0 ℃/min的速率，從25 ℃升至800 ℃，測(cè)試CPVA、PVAM和微球樣品的熱失重情況。

采用掃描電子顯微鏡觀察微球樣品的球形、大小和表面形態(tài)。

將制得的微球分散于蒸餾水中，用激光粒度儀測(cè)定各微球樣品的粒徑及其分布。

1.4 PVA基載酶微凝膠的性能測(cè)試

取適量微凝膠置于70 ℃的真空烘箱中干燥24 h，取出稱其質(zhì)量為m0，然后將試樣置于裝有蒸餾水的試管中，并將試管置于37 ℃的恒溫震蕩器震蕩24 h，用濾紙快速吸掉樣品表面的液體，稱其濕重m1，然后在70 ℃干燥箱中烘干，并稱其干重m2。根據(jù)公式溶脹率SR=m1/m0；凝膠分?jǐn)?shù)(%)=m2/m0×100計(jì)算出相應(yīng)值，每組做3次取其平均值。

稱取0.1 g載酶PVA微凝膠樣品，置于試管中，加入10 mL蒸餾水，放入恒溫震蕩器，在37 ℃下保溫24 h，測(cè)定其在259 nm處的吸光度，每組測(cè)定3次取平均值，由α-淀粉酶的標(biāo)準(zhǔn)曲線求得微凝膠的包載率。

稱取30 mg載酶微凝膠，置于試管中，加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的淀粉/KI溶液，在60 ℃下催化水解1 h，測(cè)定其吸光度，每組測(cè)定3次取平均值，由淀粉/KI溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線求得各載酶微凝膠催化淀粉降解的情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA基載酶微凝膠的制備

圖1 PVA載酶微凝膠的制備

PVA、PVAM和微凝膠的FTIR譜圖見圖2。由圖2可知，PVAM在1 645和1 718 cm-1處多出了雙鍵和羰基2個(gè)特征吸收峰，表明PVAM為預(yù)期的大單體。微凝膠中雙鍵峰較PVAM的強(qiáng)度明顯變?nèi)酰f明PVAM的部分雙鍵和丙烯酸中的雙鍵發(fā)生了自由基交聯(lián)反應(yīng)。此外，PVAM可溶于水，而所得微凝膠在水中只能溶脹。這初步說明了圖1的制備過程是可行的。

σ/cm-1圖2 PVA、PVAM和微凝膠的FTIR譜圖

PVAM和微凝膠的熱重分析結(jié)果見圖3，兩者均具有較高的吸水性，在分解(其初始分解溫度分別為249和295 ℃)之前均有所失重；而在500 ℃時(shí)，PVAM和微凝膠的剩余百分?jǐn)?shù)分別為4.9%和9.8%。線性高分子PVAM的熱穩(wěn)定性不如凝膠，再次說明了PVAM和AA發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，圖1所示的合成路線是可行的。

t/℃圖3 PVAM和微凝膠的TGA曲線

微凝膠的掃描電鏡SEM見圖4。從圖4可以看出，微球的球形完好，粒徑為微米級(jí)，表面光滑密實(shí)。粒徑分布測(cè)試結(jié)果表明，在作者所給實(shí)驗(yàn)條件下，由不同數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量或濃度的PVAM制得的微球，其粒徑集中于100 μm附近，且呈現(xiàn)比較規(guī)則的正態(tài)分布。

圖4 微凝膠的掃描電鏡SEM圖

2.2 PVA基載酶微凝膠的性能

載酶微凝膠的溶脹率與PVA的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，見圖5。隨著PVAM數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(以其前驅(qū)PVAc的數(shù)均數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量表示)的增加，微凝膠在水中的溶脹率明顯增大；提高w(PVAM)，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的溶脹率也有所增大。這是由于PVAM含有親水性羧基和羥基，其含量正比于PVAM的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，微凝膠在水中的溶脹行為見圖5。也就是說，微凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和親水性可以通過PVAM的改變而加以調(diào)節(jié)。

中間體的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(×104)a

w(PVAM)/%b圖5 PVAM的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)載酶PVA微凝膠溶脹率的影響

數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量

w(PVAM)/%圖6 數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量和w(PVAM)對(duì)載酶微凝膠包載率的影響

不同載酶微凝膠樣品催化淀粉水解的情況見圖7。可以看出，隨著數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量增大，單位質(zhì)量的載酶微凝膠催化淀粉降解的量也增大。而提高w(PVAM)，包載α-淀粉酶的量減少，其催化降解能力也減小。

中間體的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(×104)a

w(PVAM)/%b圖7 載酶微凝膠催化淀粉水解行為

3 結(jié) 論

作者由活性自由基聚合制備了數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量可控的PVA，再轉(zhuǎn)化為含有雙鍵和羧基的大單體PVAM，然后以丙烯酸為交聯(lián)劑，采用反相乳液法制備了載酶微凝膠，中間體和微凝膠的結(jié)構(gòu)得到了驗(yàn)證。微凝膠的溶脹、載酶和催化等性能，可通過改變w(PVAM)和數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量而加以調(diào)節(jié)。

可見，載酶微凝膠具有一定的催化功能，對(duì)聚合條件的進(jìn)一步優(yōu)化，可更好地調(diào)控其粒徑和性能，從而得到一種有潛在應(yīng)用前景的功能高分子材料。

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