通过对酶的固定化和细胞的包覆可以显著地增强酶和细胞的稳定性,有效改善其环境耐受性,大幅降低使用成本并拓展其适用范围,因此在工业、能源、医药以及生命科学等方面有广阔的应用前景。目前,基于常规自由基聚合的酶固定化和细胞包覆方法普遍存在高温、紫外辐照、氧化剂等苛刻条件,导致酶和细胞的大量失活,因此亟需开发新型且温和的聚合方法,在保持酶或细胞活性的前提下实现酶固定化或细胞包覆。可见光作为一种温和的自由基聚合引发方式,具有辐照能量低、生物相容性好、对氧气的耐受性好、可低温反应等优点,非常适合于酶和细胞存在下的聚合反应。基于此背景,本论文开展了可见光引发可控/活性自由基聚合用于酶的固定化和细胞包覆的系统研究,主要研究内容和结果如下:1.开发了可见光反相乳液聚合包埋固定化酶的新方法。以异丙基硫杂蒽酮(ITX)和对-二甲基氨基苯甲酸乙酯(EDAB)为可见光引发剂体系,聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)为聚合单体,在LED灯的照射下通过反相乳液聚合实现了木瓜蛋白酶的包埋固定化。首先探究了在LED灯照射下,以液体石蜡为油相,磷酸盐缓冲溶液(PBS)为水相,ITX/EDAB为引发剂,PEGDA为聚合单体的反相乳液聚合规律及聚合动力学特征,证明了 ITX/EDAB引发可见光反相乳液聚合的可行性。随后,将木瓜蛋白酶溶解于PBS溶液中作为水相,并以液体石蜡作为油相,ITX/EDAB作为引发剂,PEGDA作为聚合单体,在LED灯照射下通过反相乳液聚合实现木瓜蛋白酶的原位包埋固定化。通过红外分析(FTIR)和荧光标记法证明了木瓜蛋白酶的成功包埋且包埋率达90%以上。最后,以酪蛋白作为酶催化反应底物表征木瓜蛋白酶的活性,实验结果表明,包埋后的木瓜蛋白酶依然可以有效地催化底物酪蛋白的分解,酶活性回收为67%。包埋木瓜蛋白酶的耐热性得到了显著提升,在70 ℃下放置2 h后依然可以保持54%的初始活性,而游离木瓜蛋白酶仅剩14%左右的初始活性。此外,包埋木瓜蛋白酶表现出良好的操作稳定性,在第10次利用时仍保留了 61%的初始活性。本研究首次实现可见光反相乳液聚合原位固定化酶,相比于紫外光作为聚合引发方式,采用可见光引发聚合包埋固定化酶的活性高出21%,优势明显,为酶和细胞的原位包埋提供了新思路。2.通过可见光活性接枝聚合方法实现β-葡萄糖苷酶和纤维素酶的分隔固定化。首先,将β-葡萄糖苷酶溶解于PBS缓冲溶液中作为水相,并以液体石蜡为油相,ITX/EDAB为引发剂,PEGDA为聚合单体,在LED灯的照射下引发反相乳液聚合实现β-葡萄糖苷酶的包埋固定化。随后,借助于包埋有β-葡萄糖苷酶的交联PEG微球表面的ITX半频哪醇休眠种(ITXSP),在LED灯照射下基于ITXSP的可逆钝化反应引发丙烯酸的接枝聚合,制备出发状(hairy)微球。最后,通过化学结合的方法实现纤维素酶在聚丙烯酸链上的固定化。通过X射线电子衍射能谱(XPS)、紫外光谱分析和FTIR对ITXSP的再引发能力以及丙烯酸的接枝聚合进行表征。实验结果表明,ITXSP可以成功再引发丙烯酸接枝聚合,并且该接枝聚合属于可控/活性接枝聚合。以对硝基苯酚葡萄糖苷为酶催化分解底物表征固定化β-葡萄糖苷酶活性变化,在接枝聚合完成后固定化β-葡萄糖苷酶仍然保留87%的初始活性。在进一步固定化纤维素酶后,所组成的双酶固定化体系充分发挥了二者的协同作用。在催化滤纸降解过程中,相比于单独固定化纤维素酶,双酶体系在催化滤纸分解48 h时,葡萄糖的产率至少提高了 15%。以催化分解可溶性纤维素(羧甲基纤维素钠,CMC)和不可溶性纤维素(滤纸)表征双酶固定化体系的重复利用性,结果显示在催化CMC水解10批次之后依然可以保留75%的初始活性;在催化纤维素分解5批次以后依然可以达到53%的初始活性。该方法实现了两种酶的分隔固定化,并证明了两种固定化酶的协同作用,展现出该方法在生物医学以及生物传感器等领域的价值。3.利用可见光活性接枝聚合实现细胞表面厚度可控聚合物层的构建。首先,通过静电作用将聚乙烯亚胺(PEI)吸附于酵母细胞表面。随后,利用羧基和氨基作用,将水溶性引发剂硫杂蒽酮儿茶酚-O’O-二乙酸(TX-Ct)偶合在细胞表面,构建TX-Ct/PEI引发体系。最后,在LED灯的照射下,以PEGDA为聚合单体,实现酵母细胞表面引发聚合形成聚合物壳层。以TX-Ct/PEI为引发剂,可见光照射引发PEGDA溶液聚合体系的聚合行为研究表明该聚合属于可控/活性自由基聚合。透射电镜照片显示细胞外接枝层厚度为20-55 nm,并且接枝层厚度可以通过调节接枝时间实现可控。酵母细胞活性测试表明该方法可以有效地保留细胞的活性(>85%)。通过延长接枝聚合时间、增加单体浓度和光照强度可以增强对酵母细胞增殖抑制效果,并提高包覆细胞对溶壁酶的抵抗能力。当使用金黄色葡萄球菌作为细胞模板时,同样实现了单细胞的包覆。该方法实现了单细胞表面的可控/活性接枝交联聚合,成功制备出厚度可控的聚合物壳层,为实现单细胞分析以及细胞传感器等应用提供了基础。