固定化酶的设计及用于离子液体中生物可降解聚酯和聚碳酸酯的合成

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生物可降解聚酯和聚碳酸酯作为研究最多、应用最广的生物医用高分子材料,其合成方法的研究受到人们的广泛关注,酶具有安全无毒以及高效专一性,酶促聚合的研究成为该领域重要的研究内容与研究热点。酶的固定化是一种能够有效提高酶稳定性的方法,酶固定化载体的性能,特别是载体材料的表面性能,对固定化酶的催化活性及稳定性具有显著的影响。作为一种新兴的绿色溶剂,离子液体具有稳定性高、溶解能力强、不易挥发、可重复利用等优点。与传统有机溶剂相比,离子液体更有利于酶催化活力的保持及稳定性的提高。本论文第一章对固定化酶的制备、性能调控和应用以及离子液体中聚合反应的研究进行了综述,重点概括了载体表面特性对固定化酶性能的影响以及固定化酶用于生物可降解医用高分子材料合成领域的研究。论文第二章以多孔硅球PSP为酶的固定化载体,采用不同类型的硅烷基化试剂以及不同的修饰方法对多孔硅球进行表面改性,制备了表面键合氨基的PSP-1、表面同时键合氨基和十二烷基的PSP-2和PSP-3、表面键合环氧基的PSP-4以及表面键合聚乙烯亚胺的PSP-5;进一步采用共价结合法制备了五种不同的固定化猪胰脂肪酶IPPL;对载体表面功能基团的含量以及固定化酶的活力进行了表征。载体的表面结构对IPPL催化橄榄油水解的活力影响显著,载体表面引入较大空间位阻结构会降低IPPL的催化活力;表面具有适度亲疏水性的结构有利于IPPL催化活力的提高。聚ε-己内酯(PCL)是一种具有良好生物相容性的可降解聚酯材料。论文第三章以五种IPPL为催化剂,以离子液体为反应介质,研究了ε-己内酯(ε-CL)的酶促开环聚合反应,考察了聚合反应温度、反应时间、固定化酶用量及离子液体用量对聚合反应的影响。在疏水型离子液体[C4MIm][PF6]中,IPPL可以有效催化ε-CL聚合,相对于本体条件下ε-CL的开环聚合反应,IPPL在离子液体中表现出更高的催化活性;不同种类固定化酶对ε-CL开环聚合反应影响不明显;不同条件下IPPL热稳定性研究表明:离子液体有助于酶的高温稳定性。聚(5,5-二甲基-三亚甲基碳酸酯)(PDTC)是一种具有良好生物相容性的可降解聚碳酸酯材料。论文第四章以IPPL为催化剂,研究了5,5-二甲基三亚甲基碳酸酯(DTC)在离子液体中的酶促开环聚合反应,考察了聚合反应温度、反应时间、固定化酶用量及离子液体用量对聚合反应的影响,探讨了不同结构与性能的固定化酶对其催化DTC开环聚合反应的影响。DTC是一种带有两个环外甲基的疏水性六元环状碳酸酯单体,IPPL-2表面疏水性十二烷基以及相对稀松的酶分子分布有利于酶分子与底物DTC分子的相互作用,IPPL-2显示出较好的催化性能。论文第五章以五种IPPL为催化剂,5-甲基-5-苄氧羰基三亚甲基碳酸酯(MBC)为模型单体,研究了MBC在离子液体中的酶促开环聚合反应,考察了聚合反应温度、反应时间、固定化酶用量及离子液体用量对聚合反应的影响。在[C4MIm][PF6]中100℃下,IPPL成功催化了MBC的开环聚合反应。MBC是一种带有一个环外苄氧羰基以及一个环外甲基的疏水性六元环状碳酸酯单体,由于MBC的空间位阻较大,固定化酶分子结构中同样带有较大空间位阻十二烷基结构的IPPL-2及IPPL-3对MBC表现出较低的催化活性;而与具有相对亲水结构的IPPL-4和IPPL-5相比,IPPL-1对MBC开环聚合具有较好的催化活性。疏水型离子液体有利于酶活力的保持及稳定性的提高,论文第六章合成了-种含有硅烷基结构的离子液体,将该离子液体与3-氨丙基三乙氧基硅烷同时键合到多孔硅球表面,制备出一种新型酶的固定化载体PSP-6;然后通过共价结合法制备了一种崭新的离子液体键合型多孔硅球固定化猪胰脂肪酶IPPL-6;对载体表面氨基基团的含量以及固定化酶的活力进行了表征。以IPPL-6为催化剂,离子液体为反应介质,研究了ε-CL、DTC以及MBC的酶促开环聚合反应,考察了不同反应条件对聚合反应的影响。与其它五种IPPL相比,由于离子液体微环境对酶分子的有利影响,IPPL-6催化ε-CL开环聚合反应的效果最好;催化DTC的开环聚合反应时,由于空间位阻的影响,IPPL-6表现出的催化活力有所下降,仅与IPPL-3相当;而当反应底物为MBC时,空间位阻的不利影响更加明显,在实验范围内IPPL-6不能有效催化MBC的开环聚合反应。
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