張國祥，馬 玲，蕭聰明

(華僑大學 材料科學與工程學院，福建 廈門 361021)

聚合物微凝膠是一種具有交聯(lián)網絡結構的粒子，且對其良溶劑能產生快速、可逆的溶脹-消溶脹。近年來，具有可逆相變特性、催化活性、磁性和良好生物相容性等的多功能復合微凝膠，得到了廣泛的應用開發(fā)研究[1-2]。

聚乙烯醇(PVA)是一種水溶性聚合物，具有良好的生物相容性和機械強度等優(yōu)點，適合于生物醫(yī)用微凝膠的設計和制備[3-4]。此外，PVA的結構和性質特征，使其便于形成功能性微粒[5]。

酶具有反應條件溫和、選擇性和催化效率較高等優(yōu)點，但自由酶在強酸、強堿、高溫、高離子濃度和部分有機溶劑中不夠穩(wěn)定，易失活。而且，自由酶在反應后不易與底物和產物分離，既影響反應產物純度又難以重復使用。為克服上述缺點，人們大量開展了酶的固定化研究[6]。其中，PVA以其良好的成膜性和反應性，常被用于酶的固定化及其應用研究[7-8]。

為進一步改善固定化酶的催化活性，使酶促反應更加易于調節(jié)控制，可采用的一個策略是由聚合物微凝膠固定化酶，通過聚合物組成和交聯(lián)過程參數等對凝膠的結構和性能加以調控[9]。作者通過可逆加成-斷裂轉移(RAFT)聚合制備數均相對分子質量可控的聚乙烯醇，再轉化為不飽和大單體(PVAM)，然后在酶的存在下發(fā)生自由基交聯(lián)反應，得到載酶PVA基微凝膠；分析了載酶微凝膠的結構和催化功能，并初步探討了PVA用量和數均相對分子質量對其性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇大單體(PVAM)：由醋酸乙烯酯進行可控自由基聚合并經醇解制得的數均相對分子質量可控聚乙烯醇(CPVA)[10]與馬來酸酐(MA，重結晶提純)反應制得；丙烯酸(AA)：分析純，活性炭吸附提純，上海愛試化工有限公司；過硫酸鉀(KPS)：重結晶提純，國藥集團化學試劑有限公司；司班80(span-80)：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；液體石蠟：化學純，廣東西隴化工股份有限公司；石油醚：分析純，廣東西隴化工股份有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)：國藥集團化學試劑有限公司；乙醇：分析純，廣東西隴化工股份有限公司；α-淀粉酶：廣東環(huán)凱微生物科技有限公司。

紅外光譜儀：Nexus 470 型，美國PE公司；DSC-TGA分析儀：美國TA 公司；掃描電子顯微鏡(SEM)： Leica DM2500P，德國萊卡公司；激光粒度儀：Mastersizer 2000，英國馬爾文儀器公司。

1.2 PVA基載酶微凝膠的可控制備

取2 mL分散劑span-80和0.02 g SDBS，加入20 mL的液體石蠟中，充分混勻，調整攪拌速度為400 r/min，通入氮氣；另取0.4 g PVAM溶于8 mL蒸餾水，加入2 mL 質量分數10%丙烯酸水溶液，均勻混合后，用NaOH溶液調節(jié)pH=6～7，再加入0.1 g α-淀粉酶構成水相；在攪拌下，將水相逐滴加入三口瓶中，使油相和水相充分混合，加入0.1 g KPS，水浴溫度控制在70 ℃，反應4 h，過濾，分別用石油醚、蒸餾水洗滌，如此反復數次，得到黃色微球，置于冰箱；改變PVAM的數均相對分子質量和濃度，即得一系列PVA基載酶微凝膠。

1.3 PVA基載酶微凝膠的結構表征

分別取適量CPVA、PVAM和微球樣品以及溴化鉀，研細，壓片，由紅外光譜儀進行FTIR測試。

利用DSC-TGA分析儀，在氮氣氣氛中，以10 ℃/min的速率，從25 ℃升至800 ℃，測試CPVA、PVAM和微球樣品的熱失重情況。

采用掃描電子顯微鏡觀察微球樣品的球形、大小和表面形態(tài)。

將制得的微球分散于蒸餾水中，用激光粒度儀測定各微球樣品的粒徑及其分布。

1.4 PVA基載酶微凝膠的性能測試

取適量微凝膠置于70 ℃的真空烘箱中干燥24 h，取出稱其質量為m0，然后將試樣置于裝有蒸餾水的試管中，并將試管置于37 ℃的恒溫震蕩器震蕩24 h，用濾紙快速吸掉樣品表面的液體，稱其濕重m1，然后在70 ℃干燥箱中烘干，并稱其干重m2。根據公式溶脹率SR=m1/m0；凝膠分數(%)=m2/m0×100計算出相應值，每組做3次取其平均值。

稱取0.1 g載酶PVA微凝膠樣品，置于試管中，加入10 mL蒸餾水，放入恒溫震蕩器，在37 ℃下保溫24 h，測定其在259 nm處的吸光度，每組測定3次取平均值，由α-淀粉酶的標準曲線求得微凝膠的包載率。

稱取30 mg載酶微凝膠，置于試管中，加入10 mL質量分數為2.0%的淀粉/KI溶液，在60 ℃下催化水解1 h，測定其吸光度，每組測定3次取平均值，由淀粉/KI溶液的標準曲線求得各載酶微凝膠催化淀粉降解的情況。

2 結果與討論

2.1 PVA基載酶微凝膠的制備

圖1 PVA載酶微凝膠的制備

PVA、PVAM和微凝膠的FTIR譜圖見圖2。由圖2可知，PVAM在1 645和1 718 cm-1處多出了雙鍵和羰基2個特征吸收峰，表明PVAM為預期的大單體。微凝膠中雙鍵峰較PVAM的強度明顯變弱，說明PVAM的部分雙鍵和丙烯酸中的雙鍵發(fā)生了自由基交聯(lián)反應。此外，PVAM可溶于水，而所得微凝膠在水中只能溶脹。這初步說明了圖1的制備過程是可行的。

σ/cm-1圖2 PVA、PVAM和微凝膠的FTIR譜圖

PVAM和微凝膠的熱重分析結果見圖3，兩者均具有較高的吸水性，在分解(其初始分解溫度分別為249和295 ℃)之前均有所失重；而在500 ℃時，PVAM和微凝膠的剩余百分數分別為4.9%和9.8%。線性高分子PVAM的熱穩(wěn)定性不如凝膠，再次說明了PVAM和AA發(fā)生了交聯(lián)反應，圖1所示的合成路線是可行的。

t/℃圖3 PVAM和微凝膠的TGA曲線

微凝膠的掃描電鏡SEM見圖4。從圖4可以看出，微球的球形完好，粒徑為微米級，表面光滑密實。粒徑分布測試結果表明，在作者所給實驗條件下，由不同數均相對分子質量或濃度的PVAM制得的微球，其粒徑集中于100 μm附近，且呈現比較規(guī)則的正態(tài)分布。

圖4 微凝膠的掃描電鏡SEM圖

2.2 PVA基載酶微凝膠的性能

載酶微凝膠的溶脹率與PVA的數均相對分子質量和質量分數有關，見圖5。隨著PVAM數均相對分子質量(以其前驅PVAc的數均數均相對分子質量表示)的增加，微凝膠在水中的溶脹率明顯增大；提高w(PVAM)，交聯(lián)網絡的溶脹率也有所增大。這是由于PVAM含有親水性羧基和羥基，其含量正比于PVAM的數均相對分子質量和質量分數，微凝膠在水中的溶脹行為見圖5。也就是說，微凝膠的網絡結構和親水性可以通過PVAM的改變而加以調節(jié)。

中間體的數均相對分子質量(×104)a

w(PVAM)/%b圖5 PVAM的數均相對分子質量及其質量分數對載酶PVA微凝膠溶脹率的影響

數均相對分子質量

w(PVAM)/%圖6 數均相對分子質量和w(PVAM)對載酶微凝膠包載率的影響

不同載酶微凝膠樣品催化淀粉水解的情況見圖7?？梢钥闯觯S著數均相對分子質量增大，單位質量的載酶微凝膠催化淀粉降解的量也增大。而提高w(PVAM)，包載α-淀粉酶的量減少，其催化降解能力也減小。

中間體的數均相對分子質量(×104)a

w(PVAM)/%b圖7 載酶微凝膠催化淀粉水解行為

3 結 論

作者由活性自由基聚合制備了數均相對分子質量可控的PVA，再轉化為含有雙鍵和羧基的大單體PVAM，然后以丙烯酸為交聯(lián)劑，采用反相乳液法制備了載酶微凝膠，中間體和微凝膠的結構得到了驗證。微凝膠的溶脹、載酶和催化等性能，可通過改變w(PVAM)和數均相對分子質量而加以調節(jié)。

可見，載酶微凝膠具有一定的催化功能，對聚合條件的進一步優(yōu)化，可更好地調控其粒徑和性能，從而得到一種有潛在應用前景的功能高分子材料。

[ 參 考 文 獻 ]

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