面向生物分子结晶的水凝胶复合膜制备及应用

发布时间：2020-06-15 15:09

【摘要】：生物分子具有结构复杂、对环境敏感等特点,极难制备晶面完整、粒度大的晶体产品。近年来,膜界面展现出高效制备指定晶体产品的优势。其中,水凝胶复合膜(HCMs)是一种界面性质高度可控的材料,有望实现界面诱导成核及高效结晶调控。因此,本文制备了系列NIPAM-PEGDA HCMs,应用于溶菌酶的晶体形貌调控及尿酸转晶过程中,展开HCMs在生物分子连续膜结晶过程中的调控机制和应用研究。首先利用基膜-水凝胶预聚物-玻璃板构成的“三明治结构”,使预聚物介于玻璃板与基膜间的隔氧环境中,建立了一种新型的HCMs制备方法,提高了聚合速率及复合层结构稳定性。复合膜溶胀时表现出“指纹状”褶皱,这种仿生结构可根据环境变化控制网格的收缩和扩张,调控生物分子及盐离子聚集,使水凝胶界面的结晶微环境高度可控。通过NIPAM与PEGDA共聚,使HCMs兼具温度、pH响应能力和溶剂传质能力:随温度的降低,pH值的减小,HCMs的接触角减小,相应的异相成核吉布斯自由能减小,可在低过饱和浓度下实现可控的异相成核,增大了调控精度,提升了指定晶体成核的可控性。通过凝胶层的盐吸附-重结晶实验,证实随着网格平均尺寸的增大,盐晶平均尺寸增大,晶体形貌趋向多向生长,揭示了水凝胶界面对成核结晶的调控潜力。将HCMs应用在模型蛋白溶菌酶的膜结晶过程中,通过控制温度、pH、洗脱液浓度可调控不同的晶体形状。结果表明,PP膜结晶制备的晶体更趋向生成“棒状”、长六边形等不理想形态,且粒径不均一,平均粒径小(约20μm),而PEGDA HCM有效降低了“棒状”晶体的比例,增加了六边形及多面体形晶体的制备选择性。PEGDA-NIPAM HCM膜结晶中,既实现了晶面生长完整的拟球体晶形的高选择性制备(选择性达97%),又通过调控温度、pH值,制备了有多向成核生长特征的“花形”晶体,平均粒径约120μm,选择性达98%。这一结果证明PEGDA-NIPAM HCM可调控晶体多向成核生长,并可通过增大洗脱液浓度,在保证高形貌选择性的情况下,将晶体生长时间缩短30%以上。进一步将HCMs应用于尿酸盐转晶过程,建立了基于HCMs的仿生界面,实现了尿酸盐转晶机制和过程研究平台。结果表明,凝胶片对尿酸钠晶体的形成具有明显影响,随着凝胶片质量的增加,尿酸盐晶体经历了“花簇状”-“球状”-“黏连球状”的转变历程。凝胶界面上的3D网格结构促进二水合尿酸晶体失水及对钠离子的吸附,使“针状”尿酸钠晶体消失,“球状”尿酸钠晶体出现,对尿酸钠晶体形貌有积极调控作用。以上研究结果为痛风疾病的治疗和机制研究提供了新的思路和潜在的研究平台。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2

【参考文献】