CN106622401A - 一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法，包括：对具有多孔结构的聚(苯乙烯‑二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性，得到亲水化涂层改性的微球，其对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附能力；将亲水化涂层改性的微球分散在二氧六环中，加入催化剂、环氧功能性单体进行反应，得到带有多羟基结构高分子链的微球；以及将带有多羟基结构高分子链的微球分散在水或二氧六环中，加入离子交换功能性单体进行反应，得到亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料。本发明的微球材料表面对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附，具有高稳定性、高载量的特点。
Description
技术领域
本发明涉及离子交换材料技术领域，尤其涉及一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法。
背景技术
离子交换树脂是在细小的三维结构的高分子微粒上结合离子交换功能基，是交换、精制溶于溶液中的离子性物质的聚合物质。也就是说，离子交换树脂中具有的可移动的离子与溶液中的其他离子发生相互置换来实现离子性物质的去除。离子交换树脂的性能和特性由离子交换基的种类、密度、交联度、比表面积等来决定。
离子交换高分子微球的制备和应用是当今世界前沿、交叉的新兴学科，从常规的涂料、化妆品等大宗产品到医药应用领域的药物控释的载体，药物分离的层析介质、医疗诊断试剂等高附加值产品，都要用到此技术。但是用于药物分离的层析介质对微球材料的要求极高，需要极度均一的单分散多孔微球，微球需具备巨大的比表面积、丰富的孔道、优异的吸附性能和特殊的耐酸碱特性，同时蛋白质类药物分子分离材料需要材料本身具有生物相容性，在纯化过程中这一类生物大分子仍然要保持生物活性。
当前用于药物分离纯化的介质主要为上世纪80年代开发的软胶体的纤维素、葡聚糖、琼脂糖类微球，其反压大、分离时间长等不足已不能满足生物药和天然药分离快速纯化的要求，将逐渐被硬胶体的高分子聚合物微球所取代。当前国外各大厂商已经完成了第一代高分子聚合物离子交换微球商品化，具有优良的机械性能，低非特异性吸附，良好的分离能力及一年的使用寿命；但还不能做到高分离容量和高效的分离效率。
自1906年俄国植物学家米哈伊尔·茨维特用碳酸钙分离植物色素开始，色谱分离法已经发展了一个多世纪，在此领域中产生了两位诺贝尔化学奖获得者。色谱分离法最核心的组件就是色谱填料，色谱填料从最初的不规则天然产物，发展到如今主流的均一单分散多孔微球材料，新的填料技术仍在不断发展，如整体柱技术。当前药物分离介质主要仍以蛋白质A亲和微球填料，离子交换填料，疏水填料，尺寸排阻填料为主。相比较于其它的色谱分离模式，离子交换色谱在分离过程中仅使用离子缓冲液，可以很好的保留蛋白质的活性，故而研究的最多，使用也最为广泛。最早应用于生物大分子分离纯化的离子交换介质是纤维素离子交换剂，纤维素高度的亲水性能与蛋白质有很好的相容性，但其缺点也显而易见：容量低、流速慢。近年来，随着合成技术的发展和生产的需要，人工合成的刚性材料被陆续开发出来，主要以聚甲基丙烯酸酯类多孔高分子和聚(苯乙烯-二乙烯基苯)多孔高分子的制备和改性为主要研究方向。聚(苯乙烯-二乙烯基苯)多孔高分子相比较于甲基丙烯酸酯类多孔高分子拥有更好的pH值稳定性，被公认为最有前途的蛋白纯化基质。
虽然现有的方法都可以制备出有优良的机械性能、良好的分离能力的离子交换树脂，但仍具对蛋白质、多肽类大分子有一定特异性吸附能力，分离效率低，交换容量不足等问题。
发明内容
本发明提供一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法，该微球材料表面对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附，具有高稳定性、高载量的特点。
一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法，包括：
对具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性，得到亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球，其对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附能力；
将上述亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在二氧六环中，加入催化剂、环氧功能性单体进行反应，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球；以及
将上述带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在水或二氧六环中，加入离子交换功能性单体进行反应，得到上述亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料。
进一步地，上述具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球的比表面积大于300m2/g，优选500m2/g及以上。
进一步地，使用聚乙烯醇和/或多糖类高分子化合物对上述具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性。
进一步地，上述多糖类高分子化合物是壳聚糖。
进一步地，上述亲水化涂层改性后，加入戊二醛或多环氧结构单体进行交联，以形成交联高分子牢固吸附在球表面，且其在有机溶剂中不会脱落。
进一步地，在加入戊二醛或多环氧结构单体的同时还加入KOH溶液。
进一步地，上述亲水化涂层改性后的微球比表面积大于50m2/g，孔容大于0.6cm3/g。
进一步地，上述催化剂是路易斯酸或铈盐，上述环氧功能性单体是环氧氯丙烷或乙酸环氧丙酯。
进一步地，上述加入催化剂、环氧功能性单体进行反应之后，加入KOH溶液进行水解反应，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
进一步地，上述离子交换功能性单体是含离子交换功能基团的卤代物单体，优选氯乙酸、氯磺酸或N,N-二甲基氯乙基胺。
本发明通过使用多孔聚(苯乙烯-二乙烯基苯)为骨架，在骨架上进行多羟基的亲水化修饰，使材料表面对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附，同时在极端pH值条件下仍能保持材料稳定性；然后利用微球的表面羟基，基于环氧开环作用，通过溶剂和催化剂控制模式在表面形成可控数目的多羟基结构高分子链；且预留有合适的反应位点，加入相应的离子交换功能性单体，制备得到相应的高载量离子交换分离纯化微球材料，特别适合于蛋白、多肽等药物大分子的分离、纯化，不仅具有优良的机械性能和对蛋白质、多肽类大分子低非特异性吸附能力，而且还具有高分离容量和高效的分离效率。此材料的制备成功将可以实现产业化生产，为重组蛋白质纯化提供可靠的分离材料，具有较高的市场经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例的一种离子交换分离纯化微球材料的制备方法流程图；
图2为本发明实施例的亲水化涂层改性的微球制备流程图；
图3为本发明实施例的亲水化涂层完成后的微球结构示意图；
图4为本发明实施例的带有多羟基结构高分子链的微球制备流程图；
图5为本发明实施例的带有相应功能团结构的高分子微球制备流程图；
图6为本发明中一个实施例的离子交换分离纯化微球材料电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的亲水性高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法作进一步描述。
本发明中涉及的术语说明如下：
亲水化涂层，指的是对蛋白、多肽类物质没有特异性吸附能力的涂层。
比表面积，是指多孔固体物质单位质量所具有的表面积。
孔容，又称孔体积，是指单位质量多孔固体所具有的孔总容积。
如图1所示，本发明实施例的一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法，包括：(1)对具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性，得到亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球，其对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附能力；(2)将亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在二氧六环中，加入催化剂、环氧功能性单体进行反应，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球；以及(3)将带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在水或二氧六环中，加入离子交换功能性单体进行反应，得到亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料。
其中，步骤(1)中具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球的比表面积大于300m2/g，例如400m2/g、500m2/g、800m2/g、1000m2/g、大于等于1100m2/g、大于1200m2/g、大于1500m2/g等，优选500m2/g及以上。
步骤(1)中，可以使用聚乙烯醇(PVA)和/或多糖类高分子化合物对具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性。其中，多糖类高分子化合物例如壳聚糖。
如图2所示，步骤(1)中，进一步地，亲水化涂层改性后，加入戊二醛或多环氧结构单体进行交联，以形成交联高分子牢固吸附在微球(Bead)表面，且其在有机溶剂中不会脱落。更优选地，在加入戊二醛或多环氧结构单体的同时还加入KOH溶液。
本发明实施例的亲水化涂层完成后的微球结构如图3所示。亲水化涂层改性后的微球比表面积大于50m2/g，孔容大于0.6cm3/g。
步骤(2)中，催化剂可以是路易斯酸(例如三氟化硼、三氟乙酸或三氟磺酸等)或铈盐(例如硝酸铈等)，环氧功能性单体可以是环氧氯丙烷或乙酸环氧丙酯等。如图4所示，加入催化剂、环氧功能性单体进行反应之后，可以加入KOH溶液以水解卤代物或者酯类，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
步骤(3)中，离子交换功能性单体可以是含离子交换功能基团的卤代物单体，如图5所示，具体可以是氯乙酸、氯磺酸或N,N-二甲基氯乙基胺。
以下通过实施例详细说明本发明的技术方案和效果，应当理解，实施例仅是示例性的，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
如图2所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球亲水化涂层的制备，具体是：
1、取10g粒径30μm的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在100mL二氧六环/水(体积比1：1)中，超声搅拌使其均匀分散后，加入10g聚乙烯醇溶液，在常温下搅拌3-5h。
2、反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重。
3、将干燥后的微球取10g再分散到100mL水中，超声搅拌使其均匀分散后，加入0.5g戊二醛和10mL 4mol/L的KOH溶液，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
实施例二
如图2所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球亲水化涂层的制备，具体是：
1、取15g粒径30μm的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在150mL二氧六环/水(体积比1：1)中，超声搅拌使其均匀分散后，加入15g壳聚糖溶液，在常温下搅拌3-5h。
2、反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重。
3、将干燥后的微球取15g再分散到150mL水中，超声搅拌使其均匀分散后，加入0.75g戊二醛和10mL 4mol/L的KOH溶液，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
实施例三
如图4所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，亲水化涂层改性完后，带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球的制备，具体是：
1、取10g粒径30μm的亲水性聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在100mL二氧六环中，超声搅拌使其均匀分散后，加入2.5g环氧氯丙烷，充分溶解后在0℃下滴加0.05g三氟化硼反应1h。
2、在0℃下反应1h后，再升至35℃反应12h，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用二氧六环水溶液进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重。
3、将干燥后的微球取10g再分散到100mL 1mol/L的KOH水溶液中，超声搅拌使其均匀分散后，升温至60℃，反应12h，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
实施例四
本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，亲水化涂层改性完后，带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球的制备，具体是：
1、取15g粒径30μm的亲水性聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在150mL15g/L二氧六环水溶液中，超声搅拌使其均匀分散后，加入6g乙酸环氧丙酯充分溶解后，在0℃下滴加0.18g硝酸铈反应1h。
2、在0℃下反应1h后，再升温至35℃反应12h，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用二氧六环水溶液进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重。
3、将干燥后的微球取15g再分散到150mL 1mol/L的KOH水溶液中，超声搅拌使其均匀分散后，升温至60℃，反应12h，反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用水进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
实施例五
如图5所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球接枝相应功能团，得到高载量离子交换分离纯化微球的制备，具体是：
1、将10g粒径30μm的带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在100mL无水二氧六环中，缓慢加入氢化钠粉末，在0℃下反应1h后，加入10g氯乙酸，在60℃下反应过夜。
2、待反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用二氧六环水溶液进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到带有乙酸功能团的亲水性高载量阳离子交换分离纯化微球。蛋白动态吸附载量为140mg溶菌酶(lysozyme)/mL。
图6示出了本实施例制备的高载量离子交换分离纯化微球材料的电子显微镜照片。
实施例六
如图5所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球接枝相应功能团，得到高载量离子交换分离纯化微球的制备，具体是：
1、将15g粒径30μm的带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在150mL无水二氧六环中，缓慢加入氢化钠粉末，在0℃下反应1h后，加入15g氯磺酸，在60℃下反应过夜。
2、待反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用二氧六环水溶液进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到带有磺酸功能团的亲水性高载量阳离子交换分离纯化微球。蛋白动态吸附载量为160mg溶菌酶(lysozyme)/mL。
实施例七
如图5所示，本实施例的离子交换分离纯化微球材料的制备方法包括如下步骤，带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球接枝相应功能团，得到高载量离子交换分离纯化微球的制备，具体是：
1、将20g粒径30μm的带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在200mL无水二氧六环中，缓慢加入氢化钠粉末，在0℃下反应1h后，加入20g N,N-二甲基氯乙基胺，在60℃下反应过夜。
2、待反应完全后，用相应规格的砂芯漏斗过滤，用二氧六环水溶液进行清洗，清洗完全后在60℃恒温下干燥至恒重，得到带有季胺功能团的亲水性高载量阴离子交换分离纯化微球。蛋白动态吸附载量为90mg BSA/mL。
进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的高载量离子交换树脂的制备方法。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
对具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性，得到亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球，其对蛋白质、多肽类分子没有非特异性吸附能力；
将所述亲水化涂层改性的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在二氧六环中，加入催化剂、环氧功能性单体进行反应，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球；以及
将所述带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球分散在水或二氧六环中，加入离子交换功能性单体进行反应，得到所述亲水型高载量离子交换分离纯化微球材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球的比表面积大于300m2/g，优选500m2/g及以上。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，使用聚乙烯醇和/或多糖类高分子化合物对所述具有多孔结构的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球进行亲水化涂层改性。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多糖类高分子化合物是壳聚糖。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述亲水化涂层改性后，加入戊二醛或多环氧结构单体进行交联，以形成交联高分子牢固吸附在球表面，且其在有机溶剂中不会脱落。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在加入戊二醛或多环氧结构单体的同时还加入KOH溶液。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述亲水化涂层改性后的微球比表面积大于50m2/g，孔容大于0.6cm3/g。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂是路易斯酸或铈盐，所述环氧功能性单体是环氧氯丙烷或乙酸环氧丙酯。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加入催化剂、环氧功能性单体进行反应之后，加入KOH溶液进行水解反应，得到带有多羟基结构高分子链的聚(苯乙烯-二乙烯基苯)微球。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子交换功能性单体是含离子交换功能基团的卤代物单体，优选氯乙酸、氯磺酸或N,N-二甲基氯乙基胺。
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