新型功能高分子材料及其应用.pdf

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1、新型功能高分子材料及其应用李 伟,方东宇,陈钟秀(浙江大学 材料与化工学院,浙江 杭州 310027)y摘要:功能高分子是一类具有特殊用途的高分子材料,印迹高分子、敏感性水凝胶和固定化酶是三种较有特色的功能高分子材料。该文将对上述三种功能高分子材料以及它们在生化分离、生物催化、物质分析与检测以及药物控制释放中的应用做一介绍,同时也对它们的不足和发展前景进行了评述。关键词:功能高分子;分子印迹;敏感性水凝胶;固定化酶;生物技术中图分类号:O63;Q81 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2002)01-0055-05 近 30 年来,高分子化学与高分子材料工业发展迅猛,功能高分子材料

2、也得到了蓬勃发展。所谓/功能01是指这类高分子除了机械特性外,另有其他功能,例如,在温和条件下有高度选择能力的化学反应活性,对特定金属离子的选择螯合性,薄膜的选择透气性、透液性和透离子性,其功能性还有催化性、相转移性、光敏性、光致变色性、光导性、导电性、磁性和生物活性等,这些都与高分子材料中具有特殊结构的官能团密切相关。功能高分子的独特性使其在诸多领域得到了广泛应用,并具有巨大的发展潜力,引起了人们广泛注意。近些年来,人们开始开发适用于生物、制药等领域的新型功能高分子,其中分子印迹技术、智能凝胶和固定化酶是较为突出的几种。1 分子印迹技术分子印迹是 Wulff 等人2在 1972年最早提出的新

3、技术,它模拟了抗体-抗原相互作用原理。其基本原理是:在印迹分子的存在下,带有特殊官能团的单体与大量的基质单体进行模板聚合。聚合过程中,单体分子上的特殊官能团会根据与印迹分子相互作用的需要调整并形成特定的空间构象。聚合结束后通过洗脱等方法除去聚合物上结合的印迹分子,聚合物中就形成了与印迹分子空间匹配的具有多重作用位点的空穴。这样的印迹聚合物对印迹分子及其他与印迹分子结构相似的物质具有高特异性的结合能力,见图 1。Fig.1 Schematic representation of the molecular-imprinting principle:(a)sel-f assembly approa

4、ch(non-covalent)and(b)covalent approach 3 利用这一技术,可以简单迅速地合成构造出针对不同印迹分子的,具有特定选择性识别位点的聚合物,并且这些聚合物具有可重复使用等诸多优点。目前印迹高聚物主要应用在以下几个方面4:亲和分离;模拟抗体结合;模拟酶;生物模拟传感器。印迹高聚物的形成需要基质单体、官能团单体和印迹分子三者的相互作用,其制备方法一般分为两种:共价键法和非共价键法,见图 1。Wulff3等人创立和发展了共价健法,印迹分子与官能团单体以共价键形式结合而形成印迹分子的衍生物,该衍生物在交联剂的存在下接枝到聚合物的基质上。这一方法要求共价键容易被打断。在

5、印迹聚合物形成后,打断这些共价键,并将印迹分子洗脱出来,从而形成具有吸附活性的聚合物,见文献 5)6。Mosbach等人 3开发的非共价键法使分子印迹#55#李 伟等 新型功能高分子材料及其应用y 作者简介:李伟(1977),硕士研究生,研究方向为聚合反应工程;陈钟秀为通讯联系人。技术获得了突飞猛进的发展。印迹分子与单体通过非共价键结合在一起,这些非共价键包括离子键、氢键、疏水相互作用及范德华力等。由于这种方法与溶剂的极性有关,所以这种印迹高聚物的形成是在有机溶剂中完成的5,7。单体与基质结合后,聚合物逐渐将印迹分子包围,形成与印迹分子在形状、功能上互补的识别位点。同样,在聚合物形成后将印迹分

6、子洗脱掉,使聚合物具有吸附活性。2 敏感性高分子水凝胶高分子凝胶由具有弹性的交联高分子网络组成,有着固体材料的机械强度,在网络的间隙中能充满液体,可保持湿润和柔软,又能产生较为明显的变形8。凝胶的这种结构决定了其在外界环境发生改变时可以改变形状和大小。根据要求不同,高分子凝胶常做成凝胶小球或凝胶膜。如图 2 所示,它们能实现可逆变形,也能承受一定的静压力,这种流变特性与凝胶中流体的高摩擦性有关8。Fig.2 Schematic representation of chemomechanicalcontraction of a PMAA membrane by polymermembrane c

7、omplexation 对于凝胶球来说,具有可逆形变能力的凝胶小球已经被应用到了生物物质的工业分离中,使得分离效率大大提高,分离成本大大降低。对于凝胶膜来说,保持凝胶膜大小不变,那么膜内的伸缩力会使膜孔发生胀大或缩小,从而改变膜的渗透性,这一机理已经应用到了超滤膜的生产中,使超滤膜的功能大大提高。目前报道的凝胶膜有聚甲基丙烯酸(PMAA)/聚乙二醇(PEG)9,聚乙烯醇(PVA)/聚丙烯酸(PAA)10)11等。某些凝胶含有一定比例的疏水和亲水基团,温度的变化可以影响这些基团的疏水相互作用,从而使凝胶具有温度敏感性,其结构和体积会随温度而发生改变。如 Inomata 等人 12用不同结构N-取

8、代基的丙烯酰胺合成制得的凝胶膜在水溶液中具有低温溶胀,高温收缩的温度响应。Kabanov 和 Papisov 发现在相对分子质量为 2000 的PEG 水溶液的存在下,PMAA 膜的孔径随温度升高而收缩,在 20)30e 之间 收 缩 十 分 明 显,膜 内 收 缩 力 约 为 4000)6000N13。水溶胀的交联高分子电解质凝胶放入电场中并通直流电时,凝胶会显示各向同性的收缩。Osada和 Kishi 等人 10,14通过实验证明由于在凝胶中的水合离子定向移动造成凝胶内外的离子强度不均,产生渗透压变化而引起凝胶变形,孔径变化。他们观察到:中性水合凝胶完全不会收缩;阴离子型凝胶在阴极附近有轻

9、微收缩,在阳极附近有明显收缩;阳离子凝胶正好相反。收缩率与电流大小成正比。某些凝胶中含有大量易水解或质子化的酸碱基团(如羧基、氨基),这些基团的解离常常受外界pH 的影响,其解离程度随 pH 改变而发生相应改变,造成凝胶内外离子浓度发生改变,破坏了凝胶内的氢键,使凝胶中网络的交联点减少,凝胶溶胀,孔径变大。在 Shiro 等人 11所研制的高 pH 溶胀、低 pH 收缩的聚环氧乙烷和聚丙烯酸互穿网络型响应性凝胶膜中,聚丙烯酸中羧基在高 pH 时电离成羧基负离子,相同羧基负离子的电子相斥作用破坏了氢键,使网络疏松溶胀,而在低 pH 时羧基不电离,氢键稳定,网络紧密,孔径收缩,从而使该凝胶膜具有了

10、可逆响应特性。3 固定化酶酶作为一种生物催化剂因其具有高选择性、催化反应条件温和、无污染等诸多特点,在食品加工、医药和精细化工等产业中的重要性已经得到广泛的认同。在过去的 30 多年中,酶固定化已成为酶工程中一大主要研究课题,并已经从实验室的研究探索阶段进入了实际应用阶段。运用若干可靠的方法可以将各种酶方便且稳定地连接到不溶性或可溶性载体上,通过这种方法制得的生物材料可广泛用于工业、环境、分析和医药等领域 15。酶的固定化通常可以采用以下四种方法:吸附法、包埋法、围入胶囊法和共价交联法,见图 3)6。图 3 吸 附 法Fig.3 Adsorption method#56#化学工程 2002年第

11、 30 卷第 1 期图 6 围入胶囊法Fig.6 Encapsulation method 吸附法系先将载体进行最低限度的前处理,然后将载体材料与一定量的酶溶液混合并在某一特定的温度、pH 和离子强度下孵育。A.Fereshteh 等人16利用这一方法并结合酶的变性、复性把碳酸酐酶固定化在琼脂糖凝胶上。Giovanni 等人 17利用吸附法研究了糖苷酶的固定化,它们使A-L-阿拉伯呋喃糖苷酶和B-D-吡喃葡萄糖苷酶吸附到脱乙酰壳多糖衍生物-甘油基脱乙酰壳多糖载体上,然后加入戊二醛进行交联,使糖苷酶得到了有效的固定化。共价交联法是指通过酶分子与载体之间共价键的形成而使酶固定。A.Denizli1

12、8把肝素通过共价交联固定化于聚 2-羟乙基异丁烯酸载体上,考察了CNBr 和肝素的初始浓度对肝素的负载量的影响,并对该材料的一些基本性能进行了测量。贾德民、庞永新等 19采用共价交联法对光交联聚乙烯醇水凝胶及青霉素敏生物传感器进行了研究。包埋法是指聚合物单体和酶溶液混合,再借助聚合促进剂进行聚合,将酶固定于载体基质的网眼中。C.Caterinai 等人20利用这一方法把 A淀粉酶成功地固定化于聚乙烯醇载体上,并对该生物材料的各种性能进行了研究。围入胶囊法是把酶被包围到硝酸纤维或尼龙形成的 胶囊 中,这时 只 有小 分子 可 以进 出。E.Kokufuta 21详细研究了聚电解质涂敷的聚合物微胶

13、囊在酶固定化技术中的应用,并详细考察了 pH 值对微胶囊通透性的影响。4 应用4.1 亲和分离亲和分离是目前生物物质分离领域中比较常用的一种分离方法。印迹聚合物和智能凝胶均可望用于这一分离技术来实现对多肽、蛋白质、核糖核蛋白及各种糖类分子的高效分离。Sassi 等人22报道了一种利用新型热复性凝胶的毛细管电泳和平板电泳方法。这两种方法可以用来分离 2000 碱基对的 DNA 双螺旋片段。Trank 等人 23研究了温敏性凝胶分离大豆蛋白的方法,凝胶被放入大豆蛋白溶液中,该体系保持 5e 以使凝胶溶胀。溶胀后的凝胶可以吸收溶液中的水及其他小分子,而使大豆蛋白残留在原溶液中。随后将凝胶与残液分离。

14、残液经干燥得到大豆蛋白,而凝胶在 30)40e 处理后重新收缩,可再次利用。这种较为简便的分离方法对于工业生产具有一定的应用价值。Ramstrom 等人24通过甲基丙烯酸(MAA)和乙二醇二丙烯酸酯(EDMA),在 N-Ac-L-phe-L-Trp-ome 存在下制成印迹聚合物,并用这种带有识别位点的高聚物作为 HPLC 的手性固定相(Csps)实现了对印迹分子类似物两种多肽混合物的有效分离,分离系数达到17.8。M.Yoshida 等人25采用二乙烯基苯(DVB)和人工合成的三种官能团单体(BDP、ODP、DDDPA),在 Zn2+存在下制成的印迹聚合物对 Zn2+有较高的特异性吸附作用。4

15、.2 药物分析、药物控制释放正是基于针对不同印迹分子可设计合成出不同的印迹高聚物这一点,G.Vlatakis 等人26在 1993年提出了一种新的放射性配体结合分析方法)分子印迹吸附剂分析(MIA)。该方法是对抗体-抗原相互作用的模仿。在这一分析技术中能吸附药物分子的聚合物充当了抗体替代物的角色。利用这一分析技术,他们准确测量了人体血浆中药物分子的含量,这一方法的实测值与已经发展成熟的免疫分析技术EMIT 的实测值非常接近。印迹高聚物和敏感性凝胶都可以被用作控制释放载体。Sreenivasan 等人 27通过实验制得以皮质醇#57#李 伟等 新型功能高分子材料及其应用分子为模板以二羟基乙基异丁

16、烯酸为载体分子的印迹高聚物。该高聚物可以吸收相当数量的甾酮。甾酮在水中的释放相当慢,而在皮质醇分子的存在下释放得很快。因此 Sreenivasan等人认为该体系可被用于特定分子的控制释放,例如甾族类化合物和多钛的控制释放。凝胶则是将药物包埋在高分子网络中,根据环境条件的不同进行药物缓释。美国 GelScience/Gel Med 公司以具有生物粘连性和 pH 响应性的聚丙烯酸、聚氧化丙烯与聚氧化乙烯三嵌段共聚物两种缠绕网络构成智能凝胶。该凝胶能响应温度变化,使在其中增溶的水溶性亲质性药物得以缓慢释放28。Chung 等人29利用疏水末段修饰聚异丙基丙烯酰胺借疏水相互作用自组装成核-壳型胶束结构

17、,其内核储存疏水性药物,可以利用其温度响应性使药物在特定部位聚集和释放。4.3 生物模拟传感器生物传感器30的核心技术是配体与受体相互作用,所以印迹聚合物可被用于传感器中的识别元件31,这种传感器称为生物模拟传感器。Dario kriz 等人31研制的利用印迹技术的光纤传感装置显示了较强的专一对应性。这种对应性存在于荧光标记的氨基酸和分子印迹聚合物之间。他们的装置中所使用的聚合物对印迹分子显示出了较强的吸附作用。C.Malitesta 等人30第一次成功地利用葡萄糖作为模板进行电聚合反应(Electropolymer-ization)合成了印迹聚合物,该聚合物被应用到硝酸盐选择性电位差传感器装

18、置中。4.4 高效催化化学反应1969年日本千烟一郎等首先应用固定化氨基酰化酶生产 L-氨基酸,至今已有多种固定化酶获得工业规模的生产。例如,固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆,固定化青霉素酰化酶生产 6-氨基青霉烷酸,固定化乳糖酶生产低乳糖牛奶等。固定化L-天冬酰胺酶(EC3.5.1.1)能专一地催化水解 L-天冬酰胺,形成天冬酰胺和氨。其中,L-天冬酰胺是某些敏感肿瘤细胞代谢上的一个环节,一旦被破坏,将影响整个肿瘤细胞的氨基酸、蛋白质合成,从而抑制肿瘤的生长32。H.Cicek,A.Tuncel 33将A胰凝乳蛋白酶固定化于由异丙烯酰胺和羟乙基异丁烯酸共聚物形成的热敏性凝胶中。该材料可以高效地

19、催化底物 BTEE 的水解反应。和游离酶相比,固定化酶具有存储时间长、可重复使用、经济等诸多优点,因此可以较为广泛地用于工业领域。固定化酶可以高效、专一地催化一些化学反应。5 总结和展望目前,分子印迹技术、智能水凝胶和高分子催化剂的基础研究正在不断深入,其应用也在不断扩展。有待于更深入研究的问题是:在分子印迹技术方面,由于在印迹高聚物内部存在扩展阻力导致了印迹分子与识别位点结合的困难和结合速率降低,使得分离溶液的处理效率不高,此外由于目前制备技术的局限,使得所结合的印迹分子的种类有限,单体选择也具有一定局限性;在智能凝胶方面,对于材料的要求比较苛刻,目前,虽然已经研究了一些可制备具有化学阀功能

20、的膜材料及其有关化学模型,但材料的选择有一定的局限性,如溶胀收缩速度较慢、机械强度不高、对分离物的尺寸选择性不强等,所以,材料的合成制备成为发展的瓶颈;在固定化酶方面,多数研究者把精力放在了如何制备固定化酶和表征固定化酶上,虽然在固定化酶的催化动力学方面也做了一定的研究工作,但是有关高分子催化剂的催化机理和动力学研究仍是今后的研究方向。参考文献:1 陈义镛.功能高分子M.上海:上海科学技术出版社,1988.1)5.2 Wullf G,Sarahan A,AngrewJ.Chem Int Ed,1972,11:341.3 Haupt K,Mosbach K.Plastic antibodies:

21、developments andapplication J.TIBTECH,1998,16:468)475.4 Yoshikawa M,Ooi T,Izumi J I.Alternative molecularly im-printedmembranes from a derivative of natural polymer,cellu-lose acetateJ.J Appl Polym Sci,1999,72:493)499.5 Mosbach K,Ramstrom O.The emerging technique of molecu-lar imprinting and its fut

22、ure impact on biotechnology J.Biotechnology,1996,14:163)170.6 Wulff G.The role of binding-site interactions in the molecularimprinting of polymers J.Trends Biotechnol,1993,11:85)87.7 Dickert F L,BesenbockH,TortschanoffM.Molecular imprint-ing through van der waals interactions:Fluorescence detectiono

23、f PAHs in water J.Adv Mater,1998,10(2):149)151.8 Osada Y,Gong J.Stimul-i responsive polymer gels and theirapplication to chemomechanical system J.Prog Polym Sci,1993,18(2):187)226.9 OsadaY,Sato M.Converiaion of chemical into mechanical en-ergy by contractile polymers performed by polymer complexa-ti

24、on J.Polymer,1980,21(9):1057)1061.10 Nishino M,Gong J,Osada Y.Polymer gels as a chemicalvalveJ.Bioseparation,1998/9,7:269)280.11 何庆,盛京.响应性凝胶及其在药物控释上的应用J.功能高分子学报,1997,10:118)127.#58#化学工程 2002年第 30 卷第 1 期 12 Inomata H,Gota S,Saito S.Phase transition of N-substitutedacrylamide gelsJ.Macromolecules,1990

25、,23(22):4887)4888.13 方东宇,李伟,陈欢林.敏感性高分子功能膜的研究进展 J.功能高分子学报,2000,13:442)446.14 Osada Y,Okuzaki H,HoriH.A polymer gel with electricallydriven motility J.Nature,1992,355:242)244.15 诸葛健,王正祥.工业微生物实验技术手册M.北京:中国轻工业出版社,1997.280)285.16 Fereshteh A,Mohsen N G.Reversible denaturation of car-bonic anhydrase provi

26、des a method for its adsorptive immo-bilization J.Biotechnology and Bioengineering,1999,62(2):193)199.17 Giovanni S,Franco A,Elisabetta S,et al.Immobilization ofthe glycosidases:alpha-L-arabinofuranosidase and beta-D-glucopyranosidase from Aspergillus niger on a chitosanderivative to increase the ar

27、oma ofwine Part J.EnzymeandMicrobial Technology,1998,23(7)8):413)421.18 Denizli A.Heparin-immobilized poly(2-hydroxyethy-lmethacrylate)-based microsphere J.J Appl Polym Sci,1999,74(3):655)662.19 贾德民,庞永新,等.光交联聚乙烯醇水凝胶及青霉素敏生物传感器研究J.应用科学学报,1996,14(1):91)96.20 Caterina C,Luigi L,Maria G,et al.Enzyme-base

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29、rophore-sis of DNA in novel thermoreversible matrices J.Elec-trophoresis,1996,17:1460)1469.23 Jung J K,Kinam P.Smart hydrogels for bioseparation J.Bioseparation,1999,7:177)184.24 Ramstrom O,Nicholls I A,Mosbach K.Synthetic peptide re-ceptor mimics:Highly stereoselective recognition in non-co-valent

30、molecularly imprintied polymers J.TetrahedronAsymmetry,1994,5:649)655.25 Yoshida M,Uezu K,Nakashio F,et al.Spacer effect of novelbifunctional organophosphorus monomers in meta-l imprintedpolymers prepared by surface template polymerizationJ.JPolym Sci A:Polym Chem,1998,36:2727)2734.26 Valtakis G,And

31、ersson L I,Muller R,et al.Drug assay usingantibody mimicsmade by molecular imprinting J.Nature,1993,361:645)648.27 Sreenivasan K.On the application of molecularly imprintedpoly(HEMA)as a template responsive release system J.JAppl Polym Sci,1999,71:1819)1821.28 沈锋,杨丽芳,成国祥,等.智能高分子材料的研究进展J.材料研究学报,2000,

32、14(1):1)11.29 Chung J E,YokoyamaM,AoyagiT.J ControlRelease,1998,53:119)123.30 Malitesta C,Losito I,Zambonin P G.Molecularly imprintedelectrosynthesized polymers:new materials for biomimeticsensors J.Anal Chem,1999,71:1366)1370.31 Kriz D,Ramstrom O,Svensson A,et al.Introducingbiomimetic Sensors based

33、 onmolecularly imprinted polymersas recognition elements J.Anal Chem,1995,67:2142)2147.32 周纪宁,江体乾,高媛,等.壳聚糖固定 L-天门冬酰胺酶的研究J.功能高分子学报,1998,11(1):76)82.33 Cicek H,Tuncel A.Immobilization of alpha-chymotrypsin inthermallyreversibleisopropylacrylamide-hydroxyethy-lmethacrylate copolymer gel J.J Polym Sci,P

34、art A:Poly-mer Chemistry,1998,36(4):543)552.综合信息浙江新安万吨有机硅装置试车成功由中国华陆工程公司设计的浙江新安化工集团股份有限公司年产 10000t 有机硅生产装置于 2001 年 4 月一次试车成功。该项目是我国第一个采用国内技术设计的万吨有机硅工程,其工艺技术、产品质量及自动控制水平均属国内一流。山东齐鲁年产 2万 t 苯酐装置开车成功山东齐鲁增塑剂股份有限公司年产 2 万t 苯酐装置于 2001年 7 月生产出优质产品,实现了开车一次成功。该项目由中国华陆工程公司承担开发性设计,在国内同类装置中具有领先水平。该项目工艺技术先进,在苯酐国产化

35、装置中首次采用60kg 蒸汽加热、热虹吸式再沸器连续精馏、低能耗工艺;当生产负荷达到 80g 工艺时可实现零能耗,副产品能量回收利用合理;工程设计完善,装置紧凑合理,占地仅为 2600m2。扬子芳烃联合装置重整氢压机系统开车成功由中国华陆工程公司承担设计的扬子芳烃联合装置重整氢压机系统完善项目于 2001 年 10 月 19 日开车成功,生产出合格产品。#59#李 伟等 新型功能高分子材料及其应用gel and controlling the release rate,and their application in drug controlled-release have been disc

36、ussed.Keywords:alginate;microcapsule;controlled-releaseNovel Functional Polymers and ApplicationsLI Wei,FANG Dong-yu,CHEN Zhong-xiu(College of Materials and Chemical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang Province 310027,China)Abstract:Functional polymer is a kind of polymer material,whic

37、h has been used in many flelds.Imprinted poly-mers,sensitive hydrogels and immobilized enzyme are three ones,which have been studied intensively since recentyears.The development,the principles and the preparation methods of these three materials are introduced,especiallyin the field of bioseparatio

38、n,biocatalysis,substance analysis,and drug controlled-release.The shortcomings andprospective applications are also included.Keywords:functional polymers;molecular imprinting;sensitive hydrogels;immobilized enzyme;biotechnologyA New Method for Calculating the ThermalConductivity of Electrolyte Aqueo

39、us SolutionWANG Ke-qiang,SUN Xian-zhong(Luoyang Normal College,Luoyang,Henan Province 471022,China)Abstract:Based on the characteristics of liquid structure,a new method was developed,which can be used tocalculate and predict the thermal conductivity of electrolyte aqueous solution.The results show

40、that the calculated valuesof thermal conductivity are in good agreement with the experimental data,the relative mean deviation was 3.87%for335 electrolyte aqueous solutions,and has an advantage over the Riedel method.Keywords:thermal conductivity;electrolyte aqueous solution;calculating methodRecent

41、 Advances of Separation TechnologyFEI We-i yang,WANG De-hua,YIN Ye-dong(Department of Chemical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The importance,complexity and recent advances of separation technology are reviewed according to thedemand of modern chemical engineering and H

42、-i Tech.The challenge and opportunity of separation technology faced inthe new century are described.The characteristics and development strategy of modern separation science and technologyare discussed,too.Keywords:chemical separation technology;distillation;extraction;hybrid separation processes;optimal design#5#ABSTRACT