靜電紡絲是一種將功能添加劑加入到納米纖維中常用方法。酶在溫和條件下促進目標分子反應,且用於各種工業中。但是,他們通常對環境條件敏感並且成本高昂。爲了以經濟可行的方式使用酶,電紡絲可以用作酶的保護性載體,並且其大的表面積可以在需要時快速釋放酶,酶也可以固定在電紡納米纖維上以便重複使用,與膜載體相比,它們具有高表面積的優勢。

電紡納米纖維是快速釋放酶的良好載體,用於微流體檢測芯片等應用。納米纖維的高表面積可以使其在適當的水或溶劑中快速溶解。Dai等人(2012)使用水溶性電紡聚乙烯吡咯烷酮納米纖維作爲辣根過氧化物酶(HRP)的載體。放置在微流控芯片中,裝有HRP的PVP納米纖維容易溶解,以便當含水樣品通過時釋放HRP。

研究證明固定在電紡纖維中的酶即使暴露在不利條件下也能保持其功能性。 Wang等人(2008)比較了在不同條件下儲存橄欖油,通過混合粗脂肪酶對電紡聚乙烯醇(PVA)中包覆的脂肪酶活性進行了比較。他們的研究表明,在相同條件下儲存1小時後,在40℃和50%相對溼度下儲存4小時時,PVA中的脂肪酶能夠保留原始活性的85%,而粗脂肪酶活性損失70%。也可以使用戊二醛(GA)交聯PVA使其不溶於水中,戊二醛(GA)在0.1M GA / EthOH的pH 3種條件下具有優化的條件,在以10%脂肪酶負載纖維中產生最高的360U/g脂肪酶活性。

納米纖維的高表面積也暴露更多的酶參與反應。Nakane等人(2007)表明,與膜固定化脂肪酶和脂肪酶粉末相比,固定在聚乙烯醇(PVA)上的脂肪酶產生高酯化活性。薄膜中的活性降低可歸因於較低的表面積。脂肪酶粉末的較低性能可能歸因於粉末的團聚,從而降低了其表面積。在納米纖維中,相互連接的纖維和高孔隙率構成開放通道,以便酶在整個膜中參與反應,而且,與脂肪酶粉末和商業形式的粉末相比,有固定酶的膜更容易回收。

Pan等人(2015)使用了具有表面羧基的電紡聚(苯乙烯-甲基丙烯酸共聚物)(PSMAA)無規共聚物納米纖維,用於具有胺基的辣根過氧化物酶(HRP)的表面粘附。比較固定化HRP在納米纖維和遊離HRP之間的穩定性,固定化HRP顯示出較高的熱穩定性,pH穩定性和儲存穩定性。固定化HRP對納米纖維的活性爲87%,而遊離HRP在儲存5天后僅爲45%。這歸因於固定化酶中構象變化的自由度降低。

酶與電紡納米纖維表面的共價結合提供固定酶更安全的方式。Uzun等人(2014)製備了具有導電聚合物塗層的尼龍6,6/多壁碳納米管(MWCNT)(聚-4-(4,7-二(噻吩-2-基)-1H-苯並[ d]咪唑-2-基)苯甲醛)(PBIBA)。使用戊二醛(GA)將葡萄糖氧化酶(GOx)共價結合在複合納米纖維的表面上。發現葡萄糖生物傳感器在78次測量中顯示出一致的結果,其性能在44天后沒有降低。 N-乙基-NO-(3-二甲氨基丙基碳二酰亞胺)和N-羥基琥珀酰亞胺(EDC-NHS)是另一種常用將酶共價結合到纖維上的交聯劑。Mondal等(2014)製備了電紡納米纖維,並使用等離子體處理表面引入了各種官能團(如-COOH,-CHO,-OH)。這些官能團用於與膽固醇酶、膽固醇酯酶和膽固醇氧化酶(ChEt-ChOx)分子上的-NH2基團形成共價鍵。

與遊離酶相比,固定化酶的催化活性的表現取決於纖維材料是否能夠補充該過程。使用GA封裝和固定木瓜蛋白酶在電紡聚乙烯醇(PVA)上的催化活性僅爲遊離酶的88%[Moreno-Cortez et al 2015]。然而,80%固定化HRP去除鄰甲氧基苯酚的效果優於遊離HRP。這歸因於PSMMA納米纖維促進有害化學物質的吸附並使化學物質更接近於酶的去活化。Dai等(2013)也使用固定在不同電紡纖維上的漆酶去除多環芳烴(PAH),也作了類似的研究。漆酶固定化納米纖維的降解效率取決於影響其吸收PAHs能力的纖維材料的疏水-親水性質。 通過將PAH分子濃縮在納米纖維上的酶分子周圍,它帶來了比遊離漆酶更好的降解效率。Wang等(2006)使用電紡聚(丙烯腈-馬來酸)(PANCAA)共價鍵合脂肪酶,表明將多壁碳納米管(MWCNT)加入電紡PANCAA基質中能夠增加酶。MWCNT通過促進反應中的電子轉移來增強活性。

Degradation kinetics of o-Methoxyphenol by PSMAA, free HRP and HRP-PSMAA. [Pan et al 2015. Journal of Nanomaterials, vol. 2015, Article ID 616879. This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License.]

雖然固定化酶對電紡絲具有的更高催化效率將增加膜或支架的活性,但增加其活性的另一個明顯方法是在纖維結構上負載更多的酶。Nair等人(2007)表明,通過打開電紡聚苯乙烯-聚(苯乙烯-馬來酸酐)(PSPSMA)纖維的孔,酶負載量可增加至8倍,這顯著增加了每單位質量納米纖維的酶活性。

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