大孔、可控孔徑NaCS-PDMDAAC生物微膠囊的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、NaCS-PDMDAAC生物微膠囊具有機械強度高、生物相容性好、物化性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但是該膠囊的膜較為致密，傳質(zhì)受到很大的限制。由于膠囊內(nèi)部微環(huán)境主要受到膠囊內(nèi)外物質(zhì)交換速率的控制，因此提高膠囊膜的通透性能夠加快細(xì)胞生長所需營養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的傳遞，改善生存環(huán)境，實現(xiàn)高密度培養(yǎng)和大分子產(chǎn)物連續(xù)化生產(chǎn)的目的。 本文利用淀粉酶對淀粉的快速降解作用，將淀粉作為致孔劑加入制膜液中，制得膠囊后再加入淀粉酶進(jìn)行降解，以形成相應(yīng)的孔徑，制備得

2、到了一種大孔的微膠囊。在常規(guī)膠囊制備條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過對致孔劑種類、淀粉前處理、加入方式的研究，形成了一個可行的制備方法；同時建立了一個用于描述淀粉酶向膠囊內(nèi)擴散的模型，通過膠囊內(nèi)淀粉被外部淀粉酶完全降解所需要的時間可以計算得到淀粉酶在囊膜中有效擴散系數(shù)，以表征膠囊通透性能，為大孔膠囊制備條件的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上得到了大孔膠囊制備的優(yōu)化條件：采用糊化時間小于3min的木薯淀粉作為致孔劑，配制成1.2％糊化淀粉溶液，再加入

3、4％NaCS混合均勻，將此溶液滴加到6％的PDMDAAC溶液中反應(yīng)40～50min后，形成的膠囊置于30℃1％淀粉酶(粗酶)溶液中直到膠囊內(nèi)淀粉被完全降解，這樣就制備得到了大孔的NaCS-PDMDAAC膠囊。 通過對膠囊性能的檢測，大孔膠囊除機械強度略低于常規(guī)膠囊外，在膠囊粒徑、膜厚等方面都沒有明顯改變，表明了淀粉致孔對膠囊通透性能改變的獨立性。采用掃描電鏡對膠囊表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)大孔膠囊內(nèi)外表面都較常規(guī)膠囊疏松；利用細(xì)胞的破胞

4、液擴散測定了膠囊的截留分子量，大孔膠囊截留分子量為70kDa，比常規(guī)膠囊要大4倍以上；以葡萄糖、VB12、幾種氨基酸和蛋白質(zhì)為模型物質(zhì)，測定這些物質(zhì)在常規(guī)和大孔膠囊中的擴散過程，并計算得到這些物質(zhì)在膠囊中的混合擴散系數(shù)和膜擴散系數(shù)。實驗表明大孔膠囊的通透性能要高于常規(guī)膠囊，而且隨著擴散物質(zhì)分子量的提高，這種對比更為明顯。由此說明采用該方法制備得到的大孔膠囊傳質(zhì)性能得到了較大的提高，同時也有較好的免疫隔離效果，而且通過加入不同濃度的淀粉也

5、可以調(diào)節(jié)膠囊的通透性能。 以E.coli、Candidakruse和產(chǎn)脂肪酶的假絲酵母為模型細(xì)胞包埋于大孔和常規(guī)膠囊中，考察細(xì)胞生長狀況和大分子產(chǎn)物釋放情況。E.coli和Candidakruse培養(yǎng)大孔膠囊內(nèi)細(xì)胞密度分別提高5～15倍和30～60倍，微囊化半連續(xù)培養(yǎng)實現(xiàn)了細(xì)胞高密度培養(yǎng)的目的，不同的細(xì)胞由于對氧的需求量的不同，達(dá)到的細(xì)胞密度也不同。鼓泡塔培養(yǎng)膠囊中的細(xì)胞密度高于同樣培養(yǎng)條件下?lián)u瓶膠囊內(nèi)細(xì)胞密度，大孔膠囊高于普通

6、膠囊20％～110％。研究表明小分子營養(yǎng)物質(zhì)在膠囊中的傳遞不是膠囊內(nèi)細(xì)胞生長的限制性因素，氧的傳遞限制細(xì)胞在膠囊中生長，大孔膠囊由于膜孔徑擴大，氧氣的傳遞更快，膠囊內(nèi)細(xì)胞密度也有很大的提高。利用大孔NaCS-PDMDAAC微膠囊固定化假絲酵母產(chǎn)脂肪酶，由于能夠?qū)⒅久笖U散至膠囊外，達(dá)到了脂肪酶的多批次生產(chǎn)的目的，同時由于菌體被固定在微膠囊內(nèi)，而脂肪酶釋放到微膠囊外，實現(xiàn)了酶與菌體的分離，并且在一定程度上緩解產(chǎn)物抑制，培養(yǎng)15批單位菌液向

7、膠囊外釋放脂肪酶249U/mL，單位時間單位菌液產(chǎn)酶1.56U/mL·h，比游離發(fā)酵提高了3.1倍。 利用小分子鹽離子對聚電解質(zhì)絡(luò)合物形成過程的電荷屏蔽效應(yīng)制備得到了可控孔徑的微膠囊。通過加入制膜液鹽濃度的改變，膠囊的孔徑可以在10～70kDa調(diào)節(jié)。不同的鹽對膠囊性能的影響程度不同，離子半徑小的離子對膠囊的機械強度影響要大一些，但變化趨勢是基本相同的，即在低鹽濃度下膠囊的機械強度隨鹽濃度的增加而提高，當(dāng)鹽濃度達(dá)到一定程度后膠囊機