聚丙烯腈电纺纤维的功能化

第11期高分子通报

聚丙烯腈电纺纤维的功能化

柯蓓蓓，王振刚，万灵书，黄小军，徐志康’

(浙江大学高分子科学研究所，高分子合成与功能构造教育部重点实验室，杭州310027)

摘要：聚丙烯腈是一种性能优异、应用广泛的成纤聚合物，静电纺丝技术则可用于制备聚丙烯腈纳米纤维，本文对聚丙烯腈纳米纤维的功能化进行了综述。通过表面仿生修饰、碳纳米管填充等方法改性的聚丙烯腈电纺纤维被尝试作为酶固定化的载体材料，在显著提高载酶量的同时，能大幅度提高酶活性。糖基功能化的纳米纤维对特定的蛋白质具有较高的识别效率，可望用于蛋白质的分离与纯化。卟啉化的聚丙烯腈电纺纤维则在

显示出荧光特性的同时，在催化、传感等方面具有潜在的应用前景。

关键词：聚丙烯腈；静电纺丝；纳米纤维；酶固定化；糖基化

聚丙烯腈(PAN)是一类通用聚合物材料，其成纤性好、耐一般溶剂、不易水解、抗氧化、化学稳定，并具有优异的耐细菌侵蚀性。利用静电纺丝技术，可以简单方便地制备PAN纳米纤维¨。1。PAN纳米纤维无序堆积所形成的纳米纤维膜，则具有极高的比表面积和孔隙率，同时具有较好的机械强度，其纤维形态还能通过制备条件来调控。这些特征使得该材料在生物工程、复合材料、过滤分离、传感器及光电器件等领域显示出潜在应用前景。本课题组以PAN为基体材料，通过共聚和接枝等方法将功能性基团引入到电纺纤维表面，对PAN纳米纤维的功能化及其应用进行了较为系统的研究，特别探讨了这些功能材料在酶固定化、分子识别以及分子催化等领域的应用前景。

1基于酶固定化的生物功能PAN电纺纤维

与传统的化学催化剂相比，酶具有催化效率高、专一性强、反应条件温和、无污染等优点。但是酶分子的高级结构对环境十分敏感，对热、强酸、强碱、有机溶剂等不够稳定；而且，从反应体系中回收自由酶较为困难，一方面增加了成本，另一方面也使得产物提纯更加复杂。酶的固定化能在一定程度上解决上述问题，其中载体材料对固定化酶的活性和稳定性有重要影响。静电纺丝法制备的纳米纤维膜拥有极大的比表面积和孔隙率，有利于提高固定化酶的载酶量，降低底物和产物的传质阻力，从而提高固定化酶的活性b。】，是一种良好的酶固定化载体材料。

酶的固定化方法包括物理吸附法和共价结合法等，它们各有优点。物理吸附法固定化酶操作简单，固定化酶高级结构受到的影响较小．但其稳定性及重复使用性较差。共价结合法能有效提高固定化酶的稳定性与重复使用性，但需要在载体材料表面引入反应性基团，如羟基、羧基和氨基。聚丙烯腈本身并不具有直接参与化学固定化的活性位点，因此我们首先通过丙烯腈与带有羧基的单体(如丙烯酸、马来酸酐等)共聚或部分水解聚丙烯腈的方法在载体材料表面引入羧基，进而在1一乙基一(3．二甲基氨基丙基)碳化二亚胺(EDC)辅助下经羧基与酶蛋白上氨基的缩合反应将酶共价固定于电纺纤维膜表面，典型实例见图

1所示‘。

丙烯腈与甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)进行共聚，进而静电纺，则可获得表面带有羟基的PAN纳米纤维。以羟基为活性位点进行酶固定化的过程与羧基类似，同样是与酶分子上的氨基偶联，达到共价固定的目的。活化羟基主要有环氧氯丙烷、三聚氯氰和对苯醌三种方法¨引，反应过程如图2所示。其中环氧

基金项目：国家自然科学基会资助项目(50625309和20774080)；

作者氚介：柯蓓蓓(1983一)，男，广东湛江人，研究方向为功能高分子；

*通讯联系人，E-ma il：x uzk@z ju．ed u．cn．

·48·高分子通报2008年11月·_}c№_f”针f—fH七‘

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图1 丙烯腈，马来酸共聚物(PANcMA)电纺纤维的酶固定化过程示意图

Figure 1 Enzyme immobilization P A N C M A electrospun na n o f ib e m

氯丙烷法固定化酶的保留活性相对较高，这是由于环氧氯丙烷在酶与载体之间形成了柔性的间隔臂，能够减少酶蛋白的变性并降低反应底物的传质阻力。

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图2丙烯腈／甲基丙烯酸羟乙酯共聚物(PAN CHE MA)纳米纤维表面酶固定化

Figure 2 Covalent immobilization of e nzyme P A N C H E M A n an o f i be m

酶与PAN载体之间存在着非生物特异性相互作用(如疏水相互作用)，多数情况下会对酶的构象造成一定的影响，使得固定化酶的活性下降。通过表面修饰的方法将具有良好生物相容性的天然大分子(如壳聚糖，明胶)引入到纳米纤维表面，为酶分子构建友好的天然大分子仿生层，有利于酶活性构象的保持，从而提高保留活性。通过EDC／NHS活化法可在PANCMA纳米纤维表面引入壳聚糖或明胶，然后用戊二醛法将脂肪酶固定到仿生修饰的纤维表面(见图3)n“。结果表明，仿生修饰层能够有效提高固定化脂肪酶的保留活性(见表1)。

若酶分子与载体材料之间存在氢键、静电等弱相互作用力，物理吸附法也不失为一种简单有效的酶固定化方法。通过丙烯腈(AN)与[(2．甲基．丙烯酰氧)乙基]磷脂酰胆碱(MPC)共聚，作者合成了一种含类磷脂的共聚物(PANCMPC)，其纳米纤维表面具有内离子结构，能与酶分子发生静电相互作用，因而可以用作物理吸附法固定化酶的载体材料(见图4)油】。研究发现，在相同的条件下，具有大比表面积的电纺纤维膜的载酶量比相应的平板膜提高10倍¨】。此外，通过在纳米纤维表面引入类磷脂分子以模拟生物膜结构，可以为酶分子提供友好的仿生微环境，从而大幅度提高固定化脂肪酶的保留活性(见表1)。