CN116099462B - 一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种琼脂糖‑纤维素纳米复合多孔凝胶微球、制备方法及应用,本发明利用工业可放大的方法,即反相乳化法,将琼脂糖与纳米纤维素复合,形成独特的网络结构,显著提高了多孔凝胶微球的最大流速与耐压;此外,该复合多孔凝胶微球经修饰特定的配基后,对分离标的物的动态结合载量得到了提高,可用于生物大分子的大规模分离纯化。本发明适应了层析介质高刚性、高流速和高载量的发展趋势,有望作为下一代该性能层析介质。
Description
技术领域
本发明属于微球制备技术领域,尤其是涉及一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球、制备方法及应用。
背景技术
层析是单克隆抗体、核酸等生物大分子分离纯化最有效的方法之一,层析介质则是生物分离的核心基础材料。多孔凝胶微球是工业上使用最广泛的生物分离用层析介质,按来源主要分为天然高分子和合成高分子。基于琼脂糖、纤维素等天然高分子的层析介质因溶出物少、生物安全性高,占据主导地位,例如琼脂糖多孔凝胶微球自1966年推出以来,经久不衰。另一方面,生物技术的快速发展对层析介质的需求不断增长,要求也不断提高。与合成高分子比,天然高分子基层析介质存在力学性能差的缺点,传统的单一天然高分子多孔凝胶微球很难同时满足高刚性、高流速、高载量等要求。
琼脂糖用于制备多孔凝胶微球的优势在于水溶性好、凝胶化温度适宜、凝胶强度大。与琼脂糖层析介质相比,纤维素层析介质的原料价格便宜,纤维素分子链可形成结晶结构,骨架强度更高。利用琼脂糖和纤维素形成复合型的多孔凝胶微球,有可能结合两者的优势,提高层析介质的性能。
中国专利CN112619612A公开了一种制备高强度纤维素/琼脂糖复合微球的方法,该方法需要在低温条件下用碱脲溶液分别溶解纤维素和琼脂糖,工艺较为复杂,对设备要求高,所得微球的球形度不佳,不适合大规模的工业层析。另外一方面,天然的纤维素存在多层次结构,通过化学、物理、生物或者组合方式可以得到纳米纤维素,纳米纤维素作为增强相广泛用于纳米复合材料,纳米复合材料的设计也适合琼脂糖/纤维素多孔凝胶微球。中国专利CN111989155A公开了用分叉状的亚微米纤维素增强琼脂糖微球的方法,亚微米纤维素与琼脂糖的复合增强了低浓度琼脂糖微球的刚性,但纤维素的尺寸过大,导致微球多为椭球形,不利于层析效果,同时亚微米纤维素也存在无法包埋在琼脂糖微球内部的风险。
发明内容
本发明第一个目的在于,针对现有技术中存在的不足,提供一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法。
为此,本发明的上述目的通过如下技术方案实现:
一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:所述制备方法包括:
S1、将琼脂糖溶解于纳米纤维素的分散液中作为水相:
将0.01~10重量份的纳米纤维素分散于100重量份的水中形成均一的分散液,加入0.5~20重量份的琼脂糖,搅拌下加热至琼脂糖完全溶解;
S2、反相乳化法制备琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球:
将步骤S1所得水相倒入加热至50~90℃的油相,机械搅拌乳化10~30分钟,调节转速使得水相被分散成所需粒径的液滴,将乳液按每分钟2℃的速率降温至20℃以下使水相液滴发生凝胶化,经过清洗后得到未交联的琼脂糖-纤维素纳米复合凝胶微球;
所述油相为包含与水不互溶的有机溶剂和HLB值在3~8的单一乳化剂或复配乳化剂;
S3、琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的交联:
用环氧氯丙烷在碱性条件下交联琼脂糖、纤维素以形成琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,环氧氯丙烷的用量为微球体积的1~20%。
在采用上述技术方案的同时,本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案:
作为本发明的一种优选技术方案:所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝或者纤维素纳米晶;
优选地,所述纤维素纳米纤丝为纤维素纳米纤丝RHEOCRYSTA或者羧甲基化修饰的纤维素纳米纤丝;
所述纤维素纳米晶由微晶纤维素水解得到。
作为本发明的一种优选技术方案:所述纳米纤维素以直径2~100nm、长度10μm以下的聚集态形式存在,呈纤丝状或者棒状,不存在梳状或者分叉状。
作为本发明的一种优选技术方案:所说的纳米纤维素的直径优选为2~50nm,最优选为2~20nm。
作为本发明的一种优选技术方案:所述纳米纤维素内部存在结晶区,所述纳米纤维素的表面为纤维素分子链或者纤维素衍生物分子链。
作为本发明的一种优选技术方案:所述纳米纤维素可分散在水中形成单独的颗粒或者纤丝或者通过物理缠结与非共价相互作用形成网络结构。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤S1中,所述琼脂糖的重量份优选为4~6份;所述纳米纤维素的重量份优选为0.1~1份。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤S2中,所述油相中有机溶剂为环己烷、液体石蜡中的至少一种;
所述油相中乳化剂为司班85、司班80、司班60中的至少一种。
作为本发明的一种优选技术方案:所述油相中还包括吐温80,以调节HLB。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤S3中,碱性条件通过添加氢氧化钠实现。
作为本发明的一种优选技术方案:步骤S3中,所述环氧氯丙烷的用量优选为复合凝胶微球体积的5~15%。
本发明第二个目的在于,提供一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球。
为此,本发明的上述目的通过如下技术方案实现:
一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球由前文所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法所制备得到。
在采用上述技术方案的同时,本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案:
作为本发明的一种优选技术方案:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球中所包含的纳米纤维素的质量占琼脂糖质量的0.1~200%。
作为本发明的一种优选技术方案:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球中所包含的纳米纤维素的质量占琼脂糖质量优选为1~50%,最优选为1~20%。
作为本发明的一种优选技术方案:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球为球形或者近似球形,直径为20~300μm。
作为本发明的一种优选技术方案:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的直径优选为50~150μm。
作为本发明的一种优选技术方案:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球包含独立的琼脂糖网络,同时包含纳米纤维素和琼脂糖形成的半互穿网络或者双网络结构。
作为本发明的一种优选技术方案:所述纳米纤维素之间存在化学交联,所述琼脂糖之间存在化学交联,与此同时,纳米纤维素与琼脂糖之间也存在化学交联。
本发明第三个目的在于,提供一种具有琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的层析介质。
为此,本发明的上述目的通过如下技术方案实现:
一种具有琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的层析介质,所述层析介质由前文所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球经配基修饰得到。
本发明还有一个目的在于,提供前文所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球在生物大分子分离纯化方面的应用。
为此,本发明的上述目的通过如下技术方案实现:
根据前文所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球在生物大分子分离纯化方面的应用,将前文所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球经配基修饰后,用于蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化。
生物大分子的分离纯化的模式并无特别限制,可为亲和、疏水相互作用、离子交换、凝胶过滤和混合模式等常见的层析方式。
本发明提供一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球、制备方法及应用。根据纳米复合材料的相关理论,利用尺度更小的纳米纤维素增强琼脂糖微球的效果将比亚微米纤维素更好,同时纳米纤维素也更容易被完全包含在微球内部,得到球形度更好的琼脂糖/纤维素纳米复合多孔凝胶微球。本发明利用工业可放大的方法,即反相乳化法,将琼脂糖与纳米纤维素复合,形成独特的网络结构,显著提高了多孔凝胶微球的最大流速与耐压;此外,该复合多孔凝胶微球经修饰特定的配基后,对分离标的物的动态结合载量得到了提高,可用于生物大分子的大规模分离纯化。本发明适应了层析介质高刚性、高流速和高载量的发展趋势,有望作为下一代该性能层析介质。
附图说明
图1为纳米纤维素的透射电镜图。
图2为琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的显微镜照片。
图3为琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的粒径分布图。
图4为琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的压力/流速特性曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例,对本发明作进一步详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
一、原料说明
本发明实施例涉及的纳米纤维素原料有三种:
第一种为日本第一工业制药生产的纤维素纳米纤丝RHEOCRYSTA,其纳米纤丝表面纤维素分子链的6位羟基被部分氧化为羧基,所用RHEOCRYSTA浓度为2.65%;
第二种以市面上漂白的甘蔗桨为原料,按照公开文献的方法对甘蔗桨进行羧甲基化修饰(Cellulose(2018)25:5781–5789),将修饰后的桨料分散在水中,破壁机(飞利浦HR3752)高速剪切30min后即得到纤维素纳米纤丝,记为CM-CNF,浓度0.38%;
第三种以微晶纤维素(国药试剂编号68005761)为原料,按照公开文献的方法(Colloids Surfaces A:Physicochem.Eng.Aspects 142(1998)75–82),将微晶纤维素酸解后得到纤维素纳米晶,记为CNC,浓度为0.50%。
二、试验部分
实施例1
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法包括如下步骤:
S1、将琼脂糖溶解于纤维素纳米颗粒的分散液中作为水相:
称取7.5g浓度为2.65%的RHEOCRYSTA,其透射电镜图如图1所示。加水88.5g,搅拌加热至70℃后,加入4.0g琼脂糖,使得纳米纤维素的用量是琼脂糖的5wt%,在95℃下加热、搅拌溶解,待琼脂糖完全溶解后,保持加热和搅拌30min,作为水相备用。
S2、反相乳化法制备琼脂糖-纤维素复合多孔凝胶微球:
在500mL三口圆底烧瓶中加入0.8g吐温80和7.2g司班80,40mL液体石蜡,160mL环己烷,加热、搅拌至50℃,作为油相备用。将水相加入搅拌的油相,乳化转速为1500rpm,乳化温度为70℃,乳化时间20min,乳化结束后按2℃/min的速度将乳液降至20℃以下形成凝胶微球,用乙醇和水反复清洗,得100mL凝胶微球。
S3、琼脂糖-纤维素复合多孔凝胶微球的交联:
将步骤S2中凝胶微球置于250mL三口圆底烧瓶,加入75mL浓度为2.5mol/L的Na2SO4溶液,40℃下搅拌40min。加入2.0ml浓度为45wt%的NaOH溶液,0.2g NaBH4,搅拌30min。升温至50℃,3小时内分别滴完8.5mL浓度为45wt%的NaOH溶液和10mL环氧氯丙烷。滴加完毕后,升温至60℃,继续反应16h。用大量的纯水清洗至中性,经筛分后的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,如图2所示,图2为琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的显微镜照片,图中,比例尺一小格为10μm。
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的粒径测试
用LS-POP(9)型激光粒度仪测试所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,其平均粒径为109μm,粒径分布图如图3所示。
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的压力/流速特性测试
仪器:SCG-100蛋白层析***蛋白纯化仪
层析柱:cytiva Tricorn 10/100Column
流动相:纯水
测试:将8mL的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球装于上述层析柱,流速从0.5mL/min开始,检测压力;每隔5min逐步升高流速,直到***压力急剧升高至3MPa,表明样品坍塌,流速无法继续升高,结束测试。流速的升高顺序依次为0.5、1.0、1.5、2.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0、……、66.0mL/min。体积流速转化成线速度:V=(60×V_v)/S,V为线速度(cm/h),V_v为体积流速(mL/min),S为层析柱横截面积0.785cm2。压力急剧上升前最后一段压力稳定的流速和柱压定义为多孔凝胶微球的最大流速和耐压。
实施例1中交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的平均粒径为109μm,最大流速为3000cm/h,耐压为0.45MPa。对比例1中没有使用纳米纤维素的琼脂糖多孔凝胶微球的平均粒径为107μm,其最大流速为1350cm/h,耐压为0.20MPa。实施例1与对比例1的区别在于实施例1添加了相对于琼脂糖质量5%的纳米纤维素,可以发现在微球粒径接近的情况下,纳米纤维素的少量添加大幅提升了最大流速和耐压。
实施例2
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的应用,对实施例1的交联琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球进行Ni-IDA配基修饰,作为亲和层析介质,包括如下步骤:
1)、烯丙基化修饰。称取10g重力柱中滤干的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,加入3mL浓度为2.5mol/L的Na2SO4溶液,2mL浓度为30wt%的NaOH溶液,25mg NaBH4,45℃搅拌下缓慢加入2.5mL烯丙基缩水甘油醚,反应16小时。
2)、溴水活化。在烯丙基修饰的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球中加入3.5mL纯化水,2.0g醋酸钠,常温搅拌下逐滴加入新制溴水进行活化,直至1min内黄色不退去,再加入0.04g甲酸钠除去剩余的溴水。
3)、IDA修饰及Ni负载。在溴化后产物中加入10mL亚氨基二乙酸钠(IDA)溶液(15wt%,用50% NaOH溶液调节pH=11.5),50℃条件下反应18小时。IDA修饰后,用50mmol/L的NiSO4溶液将Ni负载在琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球中,得到配基为Ni-IDA的层析介质。
Ni-IDA层析介质的动态结合载量测试
仪器:AKTA explorer 100蛋白蛋白纯化***
层析柱:cytiva Tricorn 5/100Column
装柱:取2.0mL的Ni-IDA层析介质装于上述层析柱中,用缓冲液A平衡3CV(柱体积),用2mg/mL带His标签的蛋白A溶液上样,达到10%流穿时停止上样。按以下公式计算动态结合载量为:DBC10%=(V10%-V0)CV/V0,V10%为10%流穿时的上样体积,V0为检测***管路死体积(2.33ml),Vc为柱内填料体积(2ml)。
缓冲液A的组成为16.2mmol/L的十二水合磷酸氢二钠、3.8mmol/L的二水磷酸二氢钠、20mmol/L的氯化钠,pH=7.4。
缓冲液B的组成为16.2mmol/L的十二水合磷酸氢二钠、3.8mmol/L的二水磷酸二氢钠、20mmol/L的氯化钠、500mmol/L的咪唑,pH=7.6。
纳米复合多孔凝胶微球经Ni-IDA修饰后,实施例2中微球的蛋白A的动态结合载量为49.8mg/mL,对比例2动态结合载量为42.1mg/mL。实施例2和对比例2分别为实施例1和对比例1经配基修饰后的应用,可以发现添加纳米纤维素后有利于提高动态结合载量。
实施例3
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例1中纳米纤维素分散液的用量改为15.1g,并加水80.9g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为124μm,其最大流速为2600cm/h,耐压为0.38MPa。实施例3中,纳米纤维素的添加量为相对于琼脂糖质量的10%,与实施例1中5%的添加量相比,流速和耐压没有进一步提升。
实施例4
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例1中纳米纤维素的种类改为CM-CNF(浓度为0.38%),由分散液的用量改为52.6g,并加水43.4g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为117μm,其最大流速2750cm/h,耐压为0.39MPa,与对比例1的压力/流速特性曲线见图4。可以发现,CM-CNF也具有显著的增强效果。
实施例5
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例4中纳米纤维素的用量改为31.6g,并加水64.4g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为89μm,其最大流速为2100cm/h,耐压为0.33MPa。
实施例6
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例4中往52.6g纳米纤维素分散液中的加水量改为45.4g,琼脂糖用量改为2.0g,乳化转速改为1000rpm,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为107μm,其最大流速为450cm/h,耐压为0.06MPa。
实施例7
琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备及应用,包括如下步骤。
将实施例1中纳米纤维素的种类改为CNC(浓度为0.50%),由CNC分散液的用量为8.0g,并加水88.0g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为109μm,利用实施例2中的方法进行Ni-IDA修饰,作为亲和层析介质,其蛋白A的动态结合载量为46.3mg/mL。可以发现,不同种类的纳米纤维素具备提高动态结合载量的效果。
对比例1
琼脂糖多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例1中纳米纤维素的用量改为0g,并加水96.0g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为109μm,其最大流速1350cm/h,耐压为0.20MPa。
对比例2
琼脂糖多孔凝胶微球的应用,包括如下步骤。
将实施例2中的交联琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球改为对比例1中的交联琼脂糖多孔凝胶微球,进行Ni-IDA配基修饰,作为亲和层析介质,其蛋白A的动态结合载量为42.1mg/mL。
对比例3
琼脂糖多孔凝胶微球的制备,包括如下步骤。
将实施例6中纳米纤维素的用量改为0g,并加水98.0g,其余条件不变。所得交联的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶的平均粒径为97μm,其最大流速190cm/h,耐压为0.05MPa。
上述具体实施方式用来解释说明本发明,仅为本发明的优选实施例,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等,都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:所述制备方法包括:
S1、将琼脂糖溶解于纳米纤维素的分散液中作为水相:
将0.01~10重量份的纳米纤维素分散于100重量份的水中形成均一的分散液,加入0.5~20重量份的琼脂糖,搅拌下加热至琼脂糖完全溶解;
S2、反相乳化法制备琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球:
将步骤S1所得水相倒入加热至50~90℃的油相,机械搅拌乳化10~30分钟,调节转速使得水相被分散成所需粒径的液滴,将乳液按每分钟2℃的速率降温至20℃以下使水相液滴发生凝胶化,经过清洗后得到未交联的琼脂糖-纤维素纳米复合凝胶微球;
所述油相为包含与水不互溶的有机溶剂和HLB值在3~8的单一乳化剂或复配乳化剂;
S3、琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的交联:
用环氧氯丙烷在碱性条件下交联琼脂糖、纤维素以形成琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,环氧氯丙烷的用量为微球体积的1~20%;
所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球中所包含的纳米纤维素的质量占琼脂糖质量的0.1~200%。
2.根据权利要求1所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:所述纳米纤维素为纤维素纳米纤丝或者纤维素纳米晶;
所述纤维素纳米纤丝为纤维素纳米纤丝RHEOCRYSTA或者羧甲基化修饰的纤维素纳米纤丝;
所述纤维素纳米晶由微晶纤维素水解得到。
3.根据权利要求1所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:所述纳米纤维素以直径2~100 nm、长度10 μm以下的聚集态形式存在,呈纤丝状或者棒状,不存在梳状或者分叉状。
4.根据权利要求1所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:所述纳米纤维素内部存在结晶区,所述纳米纤维素的表面为纤维素分子链或者纤维素衍生物分子链。
5.根据权利要求1所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:步骤S1中,所述琼脂糖的重量份为4~6份;所述纳米纤维素的重量份为0.1~1份。
6.根据权利要求1所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法,其特征在于:步骤S2中,所述油相中有机溶剂为环己烷、液体石蜡中的至少一种;
所述油相中乳化剂为司班85、司班80、司班60中的至少一种。
7.一种琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,其特征在于:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球由权利要求1-6中任意一项所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的制备方法所制备得到。
8.根据权利要求7所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球,其特征在于:所述琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球为球形或者近似球形,直径为20~300 μm。
9.一种具有琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球的层析介质,其特征在于:所述层析介质由权利要求7所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球经配基修饰得到。
10.根据权利要求7所述的琼脂糖-纤维素纳米复合多孔凝胶微球在生物大分子分离纯化方面的应用。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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