CN113368792A

CN113368792A - 一种高强度多糖-MXene复合微球及其制备方法

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Publication number: CN113368792A
Application number: CN202110683172.3A
Authority: CN
Inventors: 曲剑波; 陈梦琦; 李玥
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-06-21
Filing date: 2021-06-21
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明涉及天然高分子/无机纳米片复合材料制备领域，特别涉及一种高强度多糖‑MXene复合微球及其制备方法。MXene表面富含羟基，可通过‑OH/‑O‑与多糖分子链上的‑O‑/‑OH形成氢键，起到额外的物理交联点作用，再辅以后续的化学交联，制备得到高强度多糖‑MXene复合微球。蛋白吸附和压力流速曲线实验表明该复合微球生物相容性良好，操作流速比单纯的多糖微球大大提高，该复合微球在生物催化以及快流速蛋白色谱分离领域具有很大的应用潜力。

Description

一种高强度多糖-MXene复合微球及其制备方法

技术领域

本发明涉及天然高分子/无机纳米片复合材料制备领域，特别涉及一种高强度多糖 -MXene复合微球及其制备方法。

背景技术

在医疗、人工免疫以及基因诊断等现代生命技术领域，蛋白质、核酸和病毒疫苗等生物大分子的快速规模化分离制备是亟需解决的瓶颈问题，因为这些生物大分子必须经过高度分离纯化才能应用。液相色谱技术分离条件温和，分辨率高，在分离纯化生物大分子方面具有不可替代的作用。液相色谱分离性能的好坏取决于分离介质的性能，目前主流的生物大分子分离介质是多糖类软凝胶，主要原因是这类生物分离介质生物相容性好，孔径大能够允许生物大分子透过，富含羟基容易衍生。然而多糖类分离介质在使用中最大的问题是机械强度差，通常只能在低压下(＜0.3MPa)操作，从而限制了操作流速。这会导致生物大分子与介质接触时间长，容易引起具有复杂结构的生物大分子失活问题。因此，开发一种柱效高、分离容量大、分离速度快且生物相容性好的分离介质是实现生物大分子规模化分离制备的关键。

有机-无机复合材料可以同时具有有机和无机成分的优点，极大拓展了材料的应用范围 (European Polymer Journal,2008,44,3271-3279)，是近年来材料领域的研究热点。 MXene是一种新型的类似石墨烯的二维晶体材料，它是一种钛的碳化物或碳氮化物。MXene 的前体材料是三元层状化合物MAX相，可通过化学蚀刻(如氢氟酸)剥离以获得二维MXene 化合物。MXene因具有导电性、导热性以及优异的力学性能而在超级电容器等电化学材料领域受到广泛关注。此外，MXene在水溶液中具有优异的分散性,可以作为理想的纳米材料增强复合材料的机械强度。有文献报道(ACS Applied Materials&Interfaces,2019,11： 47350-47357)加入极少量的MXene可以使聚合物聚(N-异丙基丙烯酰胺)-MXene复合水凝胶的机械强度和热稳定性得到有效提高，从而证实了复合水凝胶作为智能压缩传感器的潜力。

发明内容

针对目前多糖类分离介质机械强度低，只能在低流速下操作导致分离时间过长，从而引起生物大分子失活以及很难规模化分离制备蛋白质等缺点，本发明采用MXene与多糖分子进行复合，Mxene表面的-OH/-O-可以与多糖分子链上的-O-/-OH形成氢键，起到额外物理交联点作用，辅以后续简单化学交联，制备得到高强度多糖-MXene复合微球，该复合微球在生物催化以及快流速蛋白色谱分离领域具有很大应用潜力。反应示意如下：

本发明采用的技术方案是：

一种高强度多糖-MXene复合微球的制备方法，包括如下步骤：

(1)在多糖水溶液中加入一定体积的MXene分散液，二者混合均匀后作为分散水相；将乳化剂和不溶于水的有机溶剂混合均匀后作为连续油相。在机械搅拌的条件下将水相分散到油相当中，乳化一定时间后形成稳定的油包水(W/O)乳液。

(2)向上述乳液中滴加化学交联剂与催化剂的混合液，在一定温度下进行化学交联反应，反应一段时间后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到多糖 -MXene复合微球。

步骤(1)中的所述的多糖选自葡聚糖、纤维素、魔芋葡甘聚糖、琼脂糖的一种。不同多糖水溶液的制备条件不同：葡聚糖常温下即可溶解于水；琼脂糖需要加热才能溶解；魔芋葡甘聚糖需要先用酸降解再加碱液溶解得到水溶液(珠状体魔芋葡甘聚糖微球的制备,北京化工大学硕士论文，2007)；纤维素水溶液可以采用离子液体或氢氧化钠-尿素-水体系溶解。多糖溶液浓度为0.1-30％(w/w)，优选2-10％(w/w)。

步骤(1)中所述的油相可选用机油、植物油、真空泵油、煤油、橄榄油、液体石蜡、石油醚、环己烷、卤代烃，如二氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷等，芳香化合物及其卤代物，如氯苯、甲苯、二甲苯等。以上所述物质中的一种或至少两种的混合物作为溶剂，例如液体石蜡/石油醚，四氯化碳，二氯乙烷/二甲苯/环己烷等上述物质的任意组合均可作为油相。

步骤(1)中的MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维材料，其化学式为M_n+ ₁X_nT_x ,其中n＝1,2,3,M为前过渡元素(如Ti,Sc,Zr,Nb等)，X为碳或氮元素，T_x为表面官能团 (如-OH，-O-，-F),MXene的前驱体MAX相是一类三元层状化合物，化学式为M_n+1AX_n，其中M，X，n与上述相同，A为III或IV主族元素.目前通过刻蚀的方法已制备得到20多种MXene。MXene分散液的制备和添加浓度是本发明的关键步骤：MXene分散不均匀会导致其在多糖微球中团聚，影响物理交联效果导致复合微球机械强度不理想，本发明中采用匀浆机制备MXene分散液；MXene浓度过小复合微球的机械强度不够，浓度过大会导致复合微球的孔隙率降低，MXene的加入量为多糖质量的0.1-20％，优选1-5％。

步骤(1)中所述的乳化剂选自司班类乳化剂、纤维素类、吐温类乳化剂、PO-500、Alarcel 83中的一种或至少两种的混合物，油相乳化剂的浓度占油相溶剂质量的0.5-10％。

步骤(1)中所述的水相与油相体积比为1∶2-1：30，通常选用1：(2-5)；操作温度20-90℃；机械搅拌速度100-1500rpm；乳化时间为10-100min。

步骤(2)中可选用的化学交联剂种类有很多，凡是具有两个或两个以上能与羟基反应的基团的物质均可做交联剂，如戊二醛、乙二醛、环氧氯丙烷、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、单环氧基或多环氧基的化合物及含有活泼卤素化合物等多官能团化合物的一种或至少两种的混合物，以上物质的任意组合即可用作本发明交联剂。交联剂用量占水相体积的15-50％。

步骤(2)中的催化剂是指碱或酸。其中醛类交联剂所用的催化剂是酸，可选用盐酸、硝酸、硫酸、醋酸中的至少一种或是它们的混合物，加入后确保最终水相酸浓度的范围10^-4-10^-1 mM；缩水甘油醚类、单环氧基或多环氧基的化合物及含有活泼卤素化合物等交联剂所用催化剂是碱，可选用氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中的至少一种或是它们的混合物，加入后确保最终水相碱浓度的范围0.5-10M。

步骤(2)中交联温度为10-80℃。交联反应时间为0.5-24h。反应结束后，经过多次洗涤过滤即可得到多糖-MXene复合微球。

通过以上步骤最终得到平均粒径范围为10-200μm，骨架为多糖高分子与MXene复合物的高强度多糖-MXene复合微球。

本发明的有益之处在于：

本发明利用MXene和多糖高分子链上的官能团(-OH，-O-)在复合过程中形成的分子间氢键，使掺杂的MXene起到额外物理交联点作用，后续再利用化学交联，通过反相悬浮聚合得到多糖-MXene复合微球。MXene既可以直接购买，也可以参考文献(ACS AppliedMaterials&Interfaces,2019,11：47350-47357)方法实验室自制。与已有的商品化多糖微球相比，本发明的多糖-MXene复合微球表面结构均匀，骨架机械强度明显提高，装柱后操作流速远高于商品化多糖微球，提高了分离速度。该复合微球进一步衍生后在细胞培养、酶的固定化以及生物大分子的快速分离纯化领域具有广泛的应用空间。

附图说明

图1实施例1中葡聚糖-MXene复合微球的光学显微镜照片；

图2实施例1和对比例中的葡聚糖微球装柱后的压力流速曲线。

具体实施方法

本发明的具体实施方法如下：

实施例1：

1)先称取葡聚糖T40(7.5g)溶于20ml超纯水中，再称取MXene(0.15g)加入5ml 去离子水中，用手持匀浆机分散均匀，最后将葡聚糖溶液和MXene分散液加入50ml烧杯中，磁力搅拌均匀。在一装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入氯苯(75ml)和司盘80 (2.4g)并升温至30℃作为油相。在150rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化30min 得到灰色的W/O型乳液。

2)向上述乳液中缓慢滴加5ml交联剂戊二醛和0.75ml浓盐酸的混合溶液，30℃下进一步进行交联反应，反应12h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到葡聚糖-MXene复合微球，平均粒径90μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

实施例2：

1)先称取琼脂糖(0.6g)和10ml超纯水置入100ml圆底烧瓶中，90℃下磁力搅拌加热，直至溶液澄清透明，再称取MXene(0.06g)加入5ml去离子水中，用手持匀浆机分散均匀，最后将MXene分散液与琼脂糖溶液混合均匀作为水相。在一装有机械搅拌的250 ml三口烧瓶中，加入液体石蜡(70ml)、石油醚(30ml)、司盘80(3.6g)和吐温(0.4 g)并升温至70℃作为油相。在400rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化30min 得到灰色的W/O型乳液。

2)向上述乳液中缓慢滴加4ml交联剂乙二醇二缩水甘油醚和2ml 50％KOH的混合溶液， 70℃下进一步进行交联反应，反应8h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到琼脂糖-MXene复合微球，平均粒径65μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

实施例3：

1)先称取纤维素(1.0g)和20ml纤维素溶解液(氢氧化钠∶尿素∶水＝7∶12：81)超纯水置入 100ml圆底烧瓶中作为水相，在90℃下磁力搅拌加热，直至溶液澄清透明，再称取MXene (0.05g)加入5ml去离子水中，用手持匀浆机分散均匀，最后将MXene分散液与纤维素溶液混合均匀作为水相。在一装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入橄榄油(100 ml)和羟乙基纤维素(4g)并升温至90℃作为油相。在1000rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化50min得到灰色的W/O型乳液。

2)向上述乳液中缓慢滴加6ml交联剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚和2ml 40％NaOH的混合溶液，70℃下进一步进行交联反应，反应12h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到纤维素-MXene复合微球.平均粒径45μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

实施例4：

1)参考文献方法(一种尺寸均一的魔芋葡甘聚糖微球及其制备方法，发明专利号ZL 201110387111.9)制得4％的魔芋葡甘聚糖水溶液：称取魔芋精粉4g置入装有10ml 0.5M HCl和60ml去离子水的单口烧瓶中，搅拌均匀后放入烘箱中115℃降解30min，冷却后加入30ml 40％NaOH溶液，搅拌使浆液溶解，过滤后即得4％的魔芋葡甘聚糖溶液。

2)称取MXene(0.02g)加入5ml去离子水中，用手持匀浆机分散均匀，最后将MXene分散液与20ml上述魔芋葡甘聚糖溶液混合均匀后作为水相。在一装有机械搅拌的250 ml三口烧瓶中，加入液体石蜡(75ml)、司盘80(2g)和PO500(2g)并升温至 40℃作为油相。在300rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化30min得到灰色的 W/O型乳液。

3)向上述乳液中缓慢滴加5ml环氧氯丙烷，40℃下进一步进行交联反应，反应12h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到魔芋葡甘聚糖-MXene复合微球，平均粒径123μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

对比例1：

1)称取葡聚糖T40(7.5g)和25ml超纯水置入100ml圆底烧瓶中作为水相，磁力搅拌直至溶液澄清透明。在一装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入氯苯(75ml)，司盘80(2.4g)并升温至30℃作为油相。在150rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化 30min得到白色的W/O型乳液。

2)向上述乳液中缓慢滴加5ml交联剂环氧氯丙烷和2.5ml 50％NaOH的混合溶液，30℃下进一步进行交联反应，反应12h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到葡聚糖微球，平均粒径89μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

对比例2：

1)称取葡聚糖(0.75g)、锂藻土(0.15g)和25ml超纯水置入100ml圆底烧瓶中作为水相，磁力搅拌器搅拌均匀，直至溶液澄清透明。在一装有机械搅拌的250ml三口烧瓶中，加入氯苯(75ml)和司盘80(2.4g)并升温至30℃作为油相。在150rpm下将上述配制好的水相加入油相中乳化30min得到白色的W/O型乳液。

2)向上述乳液中缓慢滴加5ml交联剂环氧氯丙烷和2.5ml 50％NaOH的混合溶液，在 30℃下进一步进行交联反应，反应12h后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到葡聚糖-锂藻土复合微球，平均粒径85μm。交联后复合微球于4℃下保存于20％乙醇中。

效果实验：

为了验证本发明的多糖-MXene复合微球的机械强度和生物相容性，将实施例1中所制备的葡聚糖-MXene复合微球与对比例中所制备的葡聚糖微球和葡聚糖-锂藻土复合微球(实验室前期制备)对牛血清白蛋白(BSA)的吸附作用进行了对比。同时将上述的微球装柱，150×4.6mm I.D.不锈钢柱，流动相：超纯水，测定其压力流速曲线。

微球装柱后，对比例中没有添加MXene的葡聚糖白球当流速达到1083cm/h时背压急剧升高，说明此时介质被压缩变形，已经无法操作使用，葡聚糖-锂藻土复合微球在最大流速3610cm/h时的背压为1.38MPa。而实施例1制备的葡聚糖-MXene复合微球在***最大流速3610cm/h时，压力流速曲线仍为良好线性关系，背压为0.85MPa(附图2)，说明添加Mxene后复合微球不仅机械强度明显提高，而且床层渗透性也得到提高。在pH7.0的磷酸盐缓冲液中，25℃时，不同微球对牛血清白蛋白(BSA)的吸附作用，见表1。

表1 实施例1中葡聚糖-MXene复合微球与对比例中葡聚糖白球对牛血清白蛋白(BSA)的吸附量对比

结果表明，pH7.0，25℃时，所制备的葡聚糖-MXene复合微球对BSA的吸附量与葡聚糖白球相当，比葡聚糖-锂藻土复合微球略微降低，说明添加MXene后并没有改变葡聚糖微球良好的生物相容性。也就是说，本发明所制备的多糖-MXene复合微球，仍然具有多糖的良好生物相容性，并且机械强度大大提高，是一种很有潜力的快流速蛋白质色谱基质。

Claims

1.一种高强度多糖-MXene复合微球的制备方法，其特征在于步骤包括：

(1)在多糖水溶液中加入一定体积的MXene分散液，二者混合均匀后作为分散水相，将乳化剂和不溶于水的有机溶剂混合均匀后作为油相，油相作为连续相。在机械搅拌的条件下将水相分散到油相当中，乳化一定时间后形成稳定的油包水(W/O)乳液。

(2)向上述乳液中滴加化学交联剂与催化剂的混合液，在一定温度下进行化学交联反应，反应一段时间后依次用环己烷、乙醇和去离子水洗涤微球，即可得到多糖-MXene复合微球。

2.根据权利要求1所述的多糖-MXene复合微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的多糖为葡聚糖、纤维素、魔芋葡甘聚糖、琼脂糖的至少一种。

3.根据权利要求1所述的多糖-MXene复合微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的油相选用机油、植物油、真空泵油、煤油、液体石蜡、橄榄油、石油醚、烃类及卤代烃、芳香化合物及其卤代物的一种或至少两种的混合物作为溶剂。

4.根据权利要求1所述的多糖-MXene复合微球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的油相乳化剂选自司班类乳化剂、纤维素类、吐温类乳化剂、PO-500、Alarcel 83中的一种或至少两种的混合物，油相乳化剂的浓度以油相质量为基准为0.5-10％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的MXene是一种新型的具有类石墨烯结构的二维材料，MXene的加入量以多糖质量为基准为0.1-20％，优选1-5％。

6.根据权利1-5之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)中水相与油相体积比为1:2-1:30；操作温度20-90℃；机械搅拌速度100-1500rpm；乳化时间为10-100min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述可选用的化学交联剂种类有很多，凡是具有两个以上能与羟基反应的基团的物质均可做交联剂，如戊二醛、乙二醛、环氧氯丙烷、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、单环氧基或多环氧基的化合物及含有活泼卤素化合物等多官能团化合物的一种或至少两种的混合物。交联剂占水相体积的15-50％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的催化剂是指碱或酸；其中醛类交联剂所用的催化剂是酸，可选用盐酸、硝酸、硫酸、醋酸中的至少一种或是它们的混合物，加入后确保最终水相酸浓度的范围10^-4-10^-1mM；缩水甘油醚类、单环氧基或多环氧基的化合物及含有活泼卤素化合物等交联剂所用催化剂是碱，可选用氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂中的至少一种或是它们的混合物，加入后确保最终水相碱浓度的范围0.5-10M。

9.根据权利1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中交联温度为10-80℃。交联反应时间为0.5-24h。

10.一种由权利要求1所述的制备方法得到的多糖-MXene复合微球，其特征在于所述微球的骨架是由多糖高分子与MXene复合而成，平均粒径范围为10-200μm。