張鑫，劉袖洞

開發(fā)與應(yīng)用

聚電解質(zhì)自組裝膜及其固定化酶研究

張鑫，劉袖洞*

（大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

聚電解質(zhì)層層自組裝是利用分子間的靜電、氫鍵、共價(jià)鍵等相互作用將高分子組裝成膜的技術(shù)，具有膜組分及厚度可控、操作簡便、不需要特殊復(fù)雜設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)、器件制備、表面改性等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。簡述了層層自組裝成膜驅(qū)動(dòng)力、增長模式、影響因素以及自組裝膜制備材料、方法等方面進(jìn)展；總結(jié)了聚電解質(zhì)自組裝膜作為載體固定化酶及其用于生物催化轉(zhuǎn)化的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

聚電解質(zhì)； 自組裝膜； 固定化酶； 酶催化

聚電解質(zhì)層層自組裝（layer-by-layer self- assembly，LbL）是Decher等[1]于20世紀(jì)90年代初提出的一種制備高分子薄膜的技術(shù)。這種組裝制膜的技術(shù)一經(jīng)問世就受到廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗哂袟l件溫和、操作簡單、膜厚度及組分可控、無須特殊設(shè)備等諸多優(yōu)點(diǎn)。其制備的基本過程是把一個(gè)基片在一個(gè)陰離子聚電解質(zhì)溶液和一個(gè)陽離子聚電解質(zhì)溶液中交替浸泡，因?yàn)殛庩栯x子之間的靜電吸附作用，陰陽離子聚電解質(zhì)就會(huì)在基片上“一層一層”地組裝成膜。經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已成為應(yīng)用非常廣泛的高分子薄膜制備技術(shù), 既可以在硅片、石英、玻璃、ITO（Indium tinoxide）導(dǎo)電玻璃片、塑料薄片和聚酰胺薄片等二維平面結(jié)構(gòu)[2]；又可以在二氧化硅（SiO2）、聚苯乙烯（PS）、二氧化鈦（TiO2）和碳酸鈣（CaCO3）等微球或生物細(xì)胞等三維立體結(jié)構(gòu)[3]上組裝成膜，用于生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)和電子等領(lǐng)域，如：構(gòu)筑抗凝血表面以提高醫(yī)療器械的血液相容性、組裝高分子膜/空心微膠囊作為藥物控釋體系、制備精密的電子或光學(xué)器件等。

1 聚電解質(zhì)層層自組裝簡介

1.1 聚電解質(zhì)層層自組裝成膜驅(qū)動(dòng)力

聚電解質(zhì)層層自組裝所形成的薄膜是高分子鏈相互穿插的膜結(jié)構(gòu)。膜組裝過程在體系中的熵值增加，而焓變程度較小，這是因?yàn)橛腥軇┓肿蛹靶》肿恿侩x子的釋放，所以層層自組裝的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力是熵增而不是焓變[4,5]。層層自組裝技術(shù)依靠的是分子之間的親和作用力組合，因?yàn)樗x用的材料差異，自組裝的材料之間的親和驅(qū)動(dòng)力也分不同的類型，比較常見的有以下幾種類型：

1）靜電驅(qū)動(dòng)力[6]，利用陰、陽離子聚電解質(zhì)之間的靜電引力相互吸附纏繞在一起，可根據(jù)兩種高分子的加入順序不同來控制多層膜的結(jié)構(gòu)。該種方法有著許多優(yōu)點(diǎn)：適用于各種形狀和大小的基底、制備過程簡便等。但是該方法也有缺點(diǎn)：制備的多層膜在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽濃度等極端條件下不夠穩(wěn)定，膜的結(jié)構(gòu)容易發(fā)生不可逆變化甚至是破壞。但是，膜的這種不穩(wěn)定性也可加以利用，例如，通過調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度、pH等溶液參數(shù)來調(diào)控膜結(jié)構(gòu)，用于控制物質(zhì)的釋放[7]。

2）氫鍵驅(qū)動(dòng)力[8]，通過兩種高分子之間形成的氫鍵組合在一起，形成多層膜結(jié)構(gòu)。比靜電驅(qū)動(dòng)力作用稍弱?？梢詫?shí)現(xiàn)讓不帶電荷的材料適用于膜自組裝；可使具有低玻璃轉(zhuǎn)換溫度的聚合物嵌入組裝層[9]。而且以氫鍵作為驅(qū)動(dòng)力會(huì)使自組裝膜在溫和的pH條件下具有一定的環(huán)境應(yīng)激性。

3）共價(jià)鍵驅(qū)動(dòng)力[10]，與其他作用力相比，共價(jià)鍵有較強(qiáng)的鍵能，它通常是依靠組裝單元之間的化學(xué)反應(yīng)（如形成酯鍵、酰胺鍵等）來形成的。兩種高分子化合物之間通過共價(jià)反應(yīng)結(jié)合在一起，在基片上交替反應(yīng)、沉積，構(gòu)成多層膜結(jié)構(gòu)，因此由共價(jià)鍵制備的自組裝膜穩(wěn)定性較好[7]。

4）生物大分子識(shí)別功能形成的驅(qū)動(dòng)力[11]，與其他作用力相比，有一定的局限性，主要是酶、DNA、蛋白質(zhì)等生物物質(zhì)，通過分子間特異性識(shí)別功能構(gòu)筑出的多層膜。

1.2 聚電解質(zhì)自組裝多層膜的增長模式

在聚電解質(zhì)多層膜的組裝過程中，膜層會(huì)出現(xiàn)兩種增長模式：指數(shù)增長[12-13]和線性增長[14]模式。指數(shù)增長指的是每個(gè)膜層質(zhì)量吸附并不恒定，是隨著膜厚度的增加而呈現(xiàn)指數(shù)型增加，增長模式快速，但是表面粗糙度較大。這種生長模式是由于吸附過程中至少有一個(gè)聚電解質(zhì)在多層膜構(gòu)筑過程中不斷擴(kuò)散，容易“進(jìn)”“出”多層膜。線性增長指的是膜層質(zhì)量和厚度會(huì)隨著膜層數(shù)的增加而呈現(xiàn)出線性增加的趨勢。線性增長的多層膜，相鄰層間有穿插和滲透，增長模式緩慢并且表面形貌比較光滑。這兩種增長方式可應(yīng)用于在同一聚電解質(zhì)多層膜內(nèi)部創(chuàng)造出不同的分隔區(qū)，該方法將在藥物運(yùn)輸及控制釋放速率中有巨大的潛力[15-16]。

1.3 聚電解質(zhì)自組裝膜的材料

根據(jù)聚電解質(zhì)分子主鏈或側(cè)鏈中所帶離子基團(tuán)的種類和數(shù)量不同，常分為陰離子型聚電解質(zhì)，陽離子型聚電解質(zhì)，以及同時(shí)含有陰陽兩種基團(tuán)的高分子，即兩性聚電解質(zhì)。常見的聚陰離子有海藻酸鈉（SA）、聚乳酸（PLA）、聚（苯乙烯磺酸鈉）（PSS）、聚丙烯酸（PAA）、透明質(zhì)酸鈉（HA）等。常見的聚陽離子有聚烯丙胺鹽酸鹽（PAH）、聚乙酰亞胺（PEI）、殼聚糖（CS）、聚（二甲基二烯丙基氯化銨）（PDADMAC）等。兩性聚電解質(zhì)包括羧甲基殼聚糖、蛋白質(zhì)、核酸等。聚電解質(zhì)根據(jù)材料來源的不同可分為合成聚電解質(zhì)和天然聚電解質(zhì)[17]。

合成聚電解質(zhì)材料來源廣泛、可修飾性強(qiáng)，工業(yè)應(yīng)用較多。例如，在帶相反電荷的滲透膜表面組裝合成聚電解質(zhì)，可以改善膜的分離性能、親水性和抗污染性等[18]。郭雪等[19]采用陽離子聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）和陰離子聚丙烯酸（PAA），在荷負(fù)電的聚酰胺（PA）反滲透膜表面層層自組裝制備出PDMAEMA/PAA復(fù)合膜，通過增加膜表面親水性，提高了乙二醇脫水效率。王佳倩等[20]以聚乙烯亞胺（PEI）的乙醇溶液作為電解質(zhì)溶液，采用部分嵌入式靜電自組裝法對(duì)聚酰胺反滲透膜進(jìn)行改性，通過改變反滲透膜表面電性，顯著提高了膜的通量。姬存睿[21]等以陽離子聚氮雜環(huán)丙烷和陰離子聚-4-苯乙烯磺酸鈉，在聚丙烯腈基膜上用層層自組裝和界面聚合制備雙選擇層正滲透膜，提供了一種新的正滲透膜工藝。職瑞[22]等以聚乙烯亞胺（PEI）為陽離子聚電解質(zhì)，聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PSS）為陰離子聚電解質(zhì)，在聚丙烯腈（PAN）超濾膜上采用層層自組裝和界面聚合的方法制備了具有雙層分離層的復(fù)合納濾膜。

而天然聚電解質(zhì)材料多具有良好的生物相容性，加上成膜條件溫和，更適合于生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用。例如，陳靜怡[23]等以天然聚電解質(zhì)海藻酸鈉和殼聚糖為囊材，以積雪草苷為模型藥物，利用薄膜分散法制備陽離子模板脂質(zhì)體和吸附脂質(zhì)體，再將海藻酸鈉和殼聚糖自組裝成膜包埋脂質(zhì)體得到新型藥物載體。Han[24]等將萬古霉素（VAN）接枝的氧化海藻酸鈉（OSA）和殼聚糖包覆的牛血清白蛋白納米粒（CBSA NPs）層層組裝到多孔鈦支架上，并且插入了骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP2），成功構(gòu)建了具有抗菌和促細(xì)胞生長雙重功效的藥物支架。蔡杰慧[25]等采用離子交聯(lián)法制備載鹽酸小檗堿的海藻酸鈣/殼聚糖鹽酸鹽（ALG-Ca/CHI）模板微球，再將羧甲基纖維素鈉（CMC）和CHI組裝其上制得載鹽酸小檗堿微球。

Xu[26]等通過基底在MMT 溶液和 PLL-GS 溶液中的交替層層組裝制備了蒙脫石/聚-L-賴氨酸-硫酸慶大霉素的有機(jī)-無機(jī)混合多層膜（MMT/ PLL-GS）8。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)多層膜逐漸降解的原因是因?yàn)榧?xì)菌感染或胰凝乳蛋白酶（CMS），表現(xiàn)出的性質(zhì)是按需要程度各自釋放，性能是具有抑制生物膜形成和長期抗細(xì)菌黏附。

1.4 聚電解質(zhì)自組裝膜的制備

制備層層自組裝膜常用的方法是浸泡自組裝法，它的優(yōu)點(diǎn)是操作過程簡單，不需要特殊設(shè)備就可以制備多層膜，但是缺點(diǎn)是制備效率過低。為了提高多層膜的制備效率，又發(fā)展出了噴涂技術(shù)及旋涂技術(shù)兩種制備層層自組裝膜的方法[19]。

1）浸泡自組裝法

圖1[27]所示為通過浸泡自組裝法制備多層膜的過程。

該過程具有以下優(yōu)點(diǎn)：a.可以在任何帶電荷的基材上進(jìn)行組裝，且對(duì)基材的形狀大小沒有要求，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行改性并且可以使用多種水溶性的聚電解質(zhì)材料；b.操作簡單，整個(gè)組裝過程中不需要復(fù)雜的儀器，可應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)；c.便于控制多層膜的膜厚，由于每層的浸泡時(shí)間一致，因此每一種聚電解質(zhì)形成的單層厚度一致[19]。

圖1 浸泡組裝多層膜示意圖

2）噴涂自組裝法

層層自組裝的另一種方法是噴涂自組裝技術(shù)（Spray assembly）（圖2）。噴涂自組裝法形成的膜的表面特性、均一性、形態(tài)和浸泡自組裝法形成的膜相似，噴涂時(shí)間、溶液濃度、噴涂速度等因素決定了膜的厚度，由于溶液受到重力的影響，噴涂形成的膜不均一，可以在噴涂時(shí)通過旋轉(zhuǎn)基片使形成的膜更均一。噴涂自組裝技術(shù)也可以形成多層膜，速度比浸泡組裝法快。

自動(dòng)噴涂自組裝和卷對(duì)卷自組裝可以連用，通過自動(dòng)化操控可控制成膜質(zhì)量且節(jié)省時(shí)間，因此被廣泛應(yīng)用與工業(yè)中。[28]

3）旋涂自組裝法

旋涂自組裝技術(shù)（Spinassembly）是通過旋轉(zhuǎn)基底來沉積材料的一種層層自組裝方法（圖3）。一種是先將材料溶液組裝在靜止的基片上，然后基片旋轉(zhuǎn)完成；另一種是在旋轉(zhuǎn)的基片上完成自組裝[29]。該方法縮短了自組裝的時(shí)間，一般只需要30 s左右。而且，標(biāo)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)鍍膜機(jī)適用于平面的基底，旋轉(zhuǎn)裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。研究報(bào)道，聚合物的濃度和接觸角相同的情況下，同樣用自動(dòng)化的旋轉(zhuǎn)裝置和浸泡機(jī)器自組裝多層膜，旋涂組裝多層膜更光滑、更薄[30]。還有一種旋涂自組裝的方式為“高重力組裝”，其通過可控吸附的旋轉(zhuǎn)速度，且速度是浸泡自組裝的5倍，此外，聚合物之間的結(jié)合呈現(xiàn)為指數(shù)型增長，而浸泡自組裝呈現(xiàn)為直線型增長，膜的粗糙程度降低了5~10倍[31]。

2 聚電解質(zhì)自組裝膜用于固定化酶的研究

聚電解質(zhì)自組裝膜因具有膜厚度可調(diào)控、制備效率高和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，所以備受科研人員的重視，且在生產(chǎn)生活中已經(jīng)有了較多的應(yīng)用，例如：在多孔基膜上進(jìn)行涂覆，制備具有致密表層的PAA及PEI復(fù)合膜，用于氣體分離、反滲透、滲透汽化等領(lǐng)域的分離[32]；制備了殼聚糖-聚丙烯酸、透明質(zhì)酸（HA）-殼聚糖（CS）等自組裝膜用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的醫(yī)用膜、藥物緩釋膜，防止纖維蛋白的吸附[33]，增強(qiáng)抗血栓性、促進(jìn)傷口愈合。

另外，聚電解質(zhì)自組裝膜還可以作為載體用于固定化酶催化反應(yīng)。

利用酶或者生物有機(jī)體（全細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等）作為催化劑的生物催化技術(shù)，是當(dāng)前國際公認(rèn)最綠色的化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)之一，可以大量減少原材料的消耗和污染物排放，不但緩解環(huán)境問題，而且成本也會(huì)降低，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，酶催化技術(shù)已經(jīng)替代一些傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)，大量應(yīng)用于紡織、造紙、石油、食品、飼料、洗滌等行業(yè)生產(chǎn)過程中。但是，游離酶對(duì)所處的環(huán)境十分敏感，在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高離子強(qiáng)度及有機(jī)溶劑中穩(wěn)定性較差，而且不易回收再利用，混入產(chǎn)品后純化困難，不易分離，極大限制了酶在更多領(lǐng)域的應(yīng)用[34]。為此，人們研發(fā)了固定化酶技術(shù)，即通過物理或化學(xué)手段，將酶固定在載體表面或內(nèi)部完成酶催化反應(yīng)，成為解決上述問題的一個(gè)有效手段[35]。盡管只有20% 的工業(yè)生物催化過程利用了固定化酶，但它是酶工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展的重要方向[36]。

固定化酶的載體形式有很多，主要是基于各種無機(jī)或有機(jī)高分子材料的微球/微囊或膜[37]。例如，固定化酶膜反應(yīng)器（EMRs）可以將酶的催化功能和膜的分離功能結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)和分離耦合，既利于反應(yīng)平衡向產(chǎn)物側(cè)偏移，并簡化工藝過程，降低生產(chǎn)成本。

自組裝法也適用于固定化各種類型的酶蛋白[38]。雷文茜等[39]以聚丙烯酸（PAA）和聚乙烯亞胺（PEI）為構(gòu)筑單元，運(yùn)用層層自組裝技術(shù)制備了聚電解質(zhì)多層膜，能夠簡單有效地通過毛細(xì)作用力將溶菌酶負(fù)載并固定于多層膜中，為制備基于抗菌蛋白的抗菌涂層提供了新的方法。彭京蒙[40]等采用層層自組裝法制備普魯士藍(lán)薄膜，同時(shí)基于戊二醛交聯(lián)法在薄膜上固定葡萄糖氧化酶，從而構(gòu)建一種高靈敏度、低成本的葡萄糖生物傳感器。普魯士藍(lán)立方結(jié)構(gòu)有利于薄膜催化活性的提高，而戊二醛交聯(lián)法可有效用于酶的固定并保持酶的活性，從而提高傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。Huang等[41]用層層自組裝技術(shù)對(duì)生物活性物質(zhì)進(jìn)行了固定化。采用帶負(fù)電的電紡CA膜作為基體，帶負(fù)電荷的海藻酸鈉和帶正電荷的溶菌酶-殼聚糖-有機(jī)累托石復(fù)合材料固定于基體表面，提高了對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果。

層層自組裝法作為一種重要的薄膜制備技術(shù)，可以在不同大小和形狀的基底上操作。通常，分為兩種，一種是平板膜，一種是微囊膜；“平板膜”是在膜基上進(jìn)行自組裝形成的薄膜，“微囊（或微囊膜）”是以膠體粒子等為模板進(jìn)行自組裝形成的薄膜。

2.1 自組裝平板膜固定化酶

對(duì)于酶催化而言，因?yàn)槊甘嵌嚯姾纱蠓肿樱虼遂o電吸附是酶固定化的最簡便的方法之一。在膜的不同位置（表面或內(nèi)部）進(jìn)行酶固定化能使反應(yīng)物和產(chǎn)物通過催化載體，反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)若能及時(shí)分離出產(chǎn)物，此種酶固定化方法意義重大。

Joseph N[38]等報(bào)道了過氧化物酶-聚苯乙烯磺酸鈉（POD-PSS）復(fù)合物與聚丙烯胺（PAH）在聚碳酸酯膜（PC）上交替組裝得到多層酶膜用于生物催化的研究。結(jié)果表明：在PC膜上組裝的酶膜的活性要高于在無孔載體上組裝的酶膜的活性。

Guedidi[42]等采用層層自組裝法在聚丙烯腈（AN 69）膜基上進(jìn)行了尿素酶（545 kDa）和胰蛋白酶（23.8 kDa）的固定化研究。大尺寸的尿素酶僅固定在膜的外表面而小尺寸的胰蛋白酶固定在膜的孔內(nèi)部和外表面。結(jié)果表明，酶固定在膜的中間層時(shí)具有較高的穩(wěn)定性；酶固定在膜外表面時(shí)具有較高的催化活性。

李輝[43]等利用靜電層層自組裝方法在固體基底(云母片) 上制備了陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）/漆酶自組裝膜，CPAM/漆酶自組裝膜的活力隨著自組裝層數(shù)的增多呈線性增長；漆酶在自組裝膜中排列有序；固定化漆酶的最適溫度為 50 ℃，比游離漆酶高5 ℃，熱穩(wěn)定性明顯提高。

韓平平[44]等在荷負(fù)電的磺化聚醚砜（SPES）基膜上組裝荷正電的聚（二烯丙基二甲基氯化銨）（PDDA），實(shí)現(xiàn)第一層組裝；進(jìn)而利用靜電吸附作用在PDDA層上組裝荷負(fù)電的α-葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶（αG），得到固定化酶薄膜（SPES-PDDA-αG）；最后，對(duì)αG酶組裝層進(jìn)行戊二醛交聯(lián)處理或第二層PDDA組裝，分別得到兩種類型的固定化酶薄膜，記為SPES-PDDA-αG-GA 和SPES-PDDA-αG-PDDA。結(jié)果表明：酶位于組裝層的最外層具有更高的酶活，而酶位于中間層時(shí)則表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。

孫伯旺[45]等將聚（甲基丙烯酸-衣康酸）（IA-MAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和N,N-二甲基甲酰胺混合得到鑄膜液；采用流延法制成平板膜；將帶有膜液的平板膜沉浸在凝膠浴中，固化成膜。本發(fā)明的固定化載體為相轉(zhuǎn)換法制備的聚（甲基丙烯酸-衣康酸）膜，通過殼寡糖改性和戊二醛活化后高效地固定化脂肪酶，該方法操作簡單、材料本身性能穩(wěn)定，可大大提高酯交換反應(yīng)的選擇性，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

婁倩芳[46]等以聚丙烯腈平板膜（PAN）為載體，采用吸附法固定化海藻糖合成酶粗酶液。通過單因素法探討最佳固定化條件，并分析固定化酶酶學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，與游離酶相比，固定化酶熱穩(wěn)定性提高。在目前已報(bào)道的固定化海藻糖合成酶催化反應(yīng)中副產(chǎn)物含量最低。

2.2 自組裝微囊膜固定化酶

通過LbL法將聚電解質(zhì)（或無機(jī)顆粒等組裝單元）沉積到可被去除的膠體顆粒組裝模板上，最后有選擇性地將該膠體顆粒分解或溶解——層層自組裝微囊的制備[5]。

LbL層層自組裝方法制備的微囊具有高度的可控性，例如通過改變環(huán)境條件和組裝次數(shù)可精確控制囊壁厚度及通透性，不同的模板粒子可控制載體的尺寸大小。因此利用LbL微囊進(jìn)行大分子的包埋，例如蛋白質(zhì)及其他具有生物活性的材料，在納米技術(shù)和醫(yī)藥領(lǐng)域中引起了極大的影響——它為該系統(tǒng)作為微米及納米載體用于藥物傳遞、控制釋放和生物催化提供了可能[7]。

Yu等采用層層自組裝法制備高載酶微囊，以介孔硅（MS）作為犧牲模板。通過層層組裝聚賴氨酸（PLL）和聚谷氨酸（PGA），組裝一定層數(shù)，最后利用HF/NH4F緩沖液（pH5.0）去除硅核得到載酶的(PLL/PGA)微囊[47]。該方法對(duì)酶固定化有重大影響（1）它能夠通過調(diào)節(jié)鹽濃度和溶液pH值將包埋的酶釋放出來；（2）它使包埋到微囊中的酶的尺寸擴(kuò)展到40 nm；（3）它解決了酶固載到固體表面所帶來的酶易脫附的問題；（4）它并不局限于可結(jié)晶的或是通過中空聚電解質(zhì)微囊的殼層性質(zhì)來影響其包埋的酶。

Abdekhodaiea等[48]利用殼聚糖-海藻酸鈣為壁材，采用內(nèi)源乳化法對(duì)葡萄糖氧化酶進(jìn)行了包埋，并針對(duì)其對(duì)癌細(xì)胞的作用進(jìn)行了體外及體內(nèi)研究，體外研究表明，在葡萄糖糖化酶的負(fù)荷水平相同的情況下，直徑較小的葡糖糖氧化酶微球比直徑較大的葡糖糖氧化酶微球能殺死更多的癌細(xì)胞，這是因?yàn)橹睆捷^小的葡糖糖氧化酶微球能產(chǎn)生更多的H2O2。

侯晨等[49]以碳酸鈣微球?yàn)槟０搴铣闪私Y(jié)構(gòu)強(qiáng)韌的有機(jī)-無機(jī)磁性雜化微囊固定化酶。在該聚合物微囊中引入磁性Fe3O4納米顆粒具有重要意義：既為微囊提供了剛性支架，避免聚合物微囊的塌陷、褶皺而且對(duì)固定化酶的回收和再利用提供了便利。通過對(duì)固定化酶的性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該微囊固定化酶具有諸多優(yōu)點(diǎn)：較高的酶催化反應(yīng)活力、酶包裹率和儲(chǔ)存穩(wěn)定性，同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)行為和重復(fù)使用性。

Choong Hey Ng[50]用十六烷溶解脂肪酶，再用海藻酸鈣膠珠固定化脂肪酶，此方法可以使0.5 mmol丁酸和1.5 mmol丁醇發(fā)生原位酯化反應(yīng)生產(chǎn)0.16 mmol丁酸丁酯。十六烷作為有機(jī)相促進(jìn)酯化反應(yīng)的進(jìn)行。傳統(tǒng)的水相膠珠只產(chǎn)生痕量的丁酸丁酯，兩相的膠珠就提高了產(chǎn)率且可以同時(shí)進(jìn)行發(fā)酵和酯化反應(yīng)。

本課題組采用乳化內(nèi)部凝膠法制備海藻酸鈣-殼聚糖自組裝微膠囊膜載體，固定化脂肪酶，其酶活可達(dá)14 280 U·g-1，比游離脂肪酶的酶活提高40%。這說明游離酶載實(shí)際催化反應(yīng)對(duì)外部環(huán)境較為敏感，失活嚴(yán)重，而固定化脂肪酶可提供一個(gè)保護(hù)外殼，緩沖外界環(huán)境對(duì)脂肪酶的破壞，盡可能地保留酶的最大活性。

3 結(jié)語與展望

諸多因素會(huì)影響到聚電解質(zhì)層層自組裝過程，包括聚電解質(zhì)溶液的離子強(qiáng)度、pH、涂覆時(shí)間、涂覆層數(shù)等。目前國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)深入研究了聚電解質(zhì)的成膜機(jī)理、材料、影響因素等，但是，由于聚電解質(zhì)材料組成和結(jié)構(gòu)具有明顯差異性，且陰陽離子聚電解質(zhì)組合方式眾多，再加上工藝參數(shù)的影響、應(yīng)用目的的不同、膜材料與包埋物之前的相互作用等多方面因素，導(dǎo)致制備的聚電解質(zhì)自組裝膜的結(jié)構(gòu)和性能有很大差別，需要大量實(shí)驗(yàn)摸索最佳的制膜條件與過程，較難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與性能的有效調(diào)控。

此外，傳統(tǒng)的自組裝法制膜制備的周期復(fù)雜且耗時(shí)長，往往需要涂覆十幾層乃至幾十層聚電解質(zhì)，且單層涂覆時(shí)間超過30 min，難以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。靜電層層自組裝過程的驅(qū)動(dòng)力為正負(fù)電荷的靜電吸引作用，因此可通過輔助電場改進(jìn)組裝方法，簡化組裝過程。

酶固定化使酶得到了更充分廣泛的利用，載體材料的選擇是酶固定化的關(guān)鍵所在。保證酶高效應(yīng)用的關(guān)鍵步驟是在保持酶生物活性不變的前提下，將酶高度有序、穩(wěn)定地固定在固體基底上。為了酶更好的應(yīng)用于工業(yè)化，還需對(duì)酶構(gòu)建層層自組裝膜深入研究，從而為工業(yè)生產(chǎn)提供可行性依據(jù)，創(chuàng)造更多有價(jià)值的產(chǎn)品。

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Self-assembled Membrane With Polyelectrolytes and Its Application in Enzyme Immobilization

,

(School of Environmental and Chemical Engineering, Dalian University, Dalian Liaoning 116622, China)

The layer-by-layer self-assembly of polyelectrolyte is a technology that uses the interaction of static electricity, hydrogen bonds, covalent bonds between molecules to assemble polymers into membranes. It has the advantages of controllable membrane composition and thickness, simple operation, and no need for special complex equipment, so it has a wide range of applications in many fields, such as medicine, biotechnology, device preparation, surface modification and so on. In this paper, the research progress in the driving force, growth mode, influencing factors, preparation materials and methods of self-assembled membranes was briefly described; the research of polyelectrolyte self-assembled membrane as a carrier immobilized enzyme and its application in biocatalytic conversion were summarized.

Polyelectrolyte; Self-assembled membrane; Enzyme immobilization; Enzyme catalysis

國家自然科學(xué)基金 (項(xiàng)目編號(hào)：21276033)；遼寧省百千萬人才工程資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：遼百千萬立項(xiàng)【2017】6號(hào)）。

2020-09-02

張鑫(1997-)，男，研究生在讀，碩士，陜西渭南市人，2020年畢業(yè)于大連大學(xué)學(xué)?；瘜W(xué)專業(yè)，研究方向: 聚電解質(zhì)自組裝膜及酶固定化。

劉袖洞(1972-)，男，教授，博士，研究方向：高分子材料及生物催化。

TQ050.4+25

A

1004-0935（2021）01-0020-07