磁性微球的制備及其生物分離應(yīng)用

磁性微球的制備及其生物分離應(yīng)用第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月1.磁性微球的概述

磁性微球是由磁性粒子與各種含活性功能基團(tuán)的材料復(fù)合而成的具有一定磁性及特殊表面結(jié)構(gòu)的粒子。磁性微球的研究于20世紀(jì)70年代，國內(nèi)在20世紀(jì)80年代以來日漸活躍。通過共聚合和表面改性，磁性微球表面可被賦予多種活性功能基團(tuán)，如-COOH、-COH、-NH2

等，也可共價結(jié)合酶、細(xì)胞、抗體等生物活性物質(zhì)。第2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月1.磁性微球的概述

因為具有磁性，磁性微球可在外加磁場的作用下方便地被定位、導(dǎo)向和分離，有學(xué)者因此將其形象地稱為動力粒子(Dynabead)。作為新型功能材料，磁性微球在生物、醫(yī)學(xué)(生物大分子分離、靶向藥物等)、細(xì)胞學(xué)(細(xì)胞標(biāo)記、細(xì)胞分離等)和環(huán)境工程(廢水處理等)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性微球的結(jié)構(gòu)和特性2.1磁性微球的結(jié)構(gòu)根據(jù)無機(jī)磁性納米粒子與提供活性功能基團(tuán)的材料形成的方式不同，可分為四種不同的結(jié)構(gòu)類型，即核殼型，包括磁性核或磁性殼型(圖A，B)，混合型(圖C)，和多層型(圖D)。第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性微球的結(jié)構(gòu)和特性2.2磁性微球的主要特性相對于普通磁性顆粒材料，磁性微球具有良好的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，具體反映在其比表面積激增，微球官能團(tuán)密度和選擇性吸附能力增大，吸附平衡時間大大縮短；其次，它具有很好的選擇性磁響應(yīng)性，當(dāng)磁性四氧化三鐵晶體的粒徑小于30nm時，具有超順磁性，從而可以避免在使用中粒子之間發(fā)生磁性團(tuán)聚；第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2.磁性微球的結(jié)構(gòu)和特性第三，它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具備一定的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能耐受一定濃度的酸堿溶液和微生物的降解，其內(nèi)含的磁性物質(zhì)不易被氧化、磁性能不易下降，并且具有一定的生物相容性，不會對生物體造成明顯的傷害；第四，磁性微球表面本身具有或通過表面改性帶有多種活性的功能基團(tuán)(如-OH，-COOH，-NH2

等)，可連接生物活性物質(zhì)(如核酸、酶等)，也可以偶聯(lián)特異性分子(如特異性配體、抗體、抗原等)來專一性的分離生物大分子。第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備3.1磁性微球制備的材料磁性微球由無機(jī)磁性材料與各種提供活性功能基團(tuán)的材料復(fù)合制備而成。目前無機(jī)磁性微粒的種類很多，較常用的有金屬合金(Fe，Co，Ni)、氧化鐵(γ-Fe2O3

，F(xiàn)e3O4)、鐵氧體(CoFe2O4

，BaFe12019)、氧化鉻(Cr02)和氮化鐵(Fe4N)等，其中Fe3O4(Magnetite)是應(yīng)用最多的磁性顆粒，它很容易在水溶液中通過共沉淀或氧化共沉淀制備，其粒度、形狀和組成可以根據(jù)調(diào)節(jié)反應(yīng)條件得到控制。常用提供活性功能基團(tuán)的材料主要可以分為三類：天然生物大分子材料、合成高分子材料和無機(jī)物材料(見表1)。第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備天然生物大分子材料合成高分子材料

無機(jī)物材料淀粉，纖維素及其衍生物，葡聚糖，殼聚糖，瓊脂糖，明膠，血清白蛋白，磷脂類聚乙二醇（PEG），聚乙烯醇(PVA)，聚丙烯酸，聚苯乙烯，硅烷衍生物，聚乙烯亞胺SiO2，Au表1制備磁性微球常用的提供活性功能基團(tuán)材料Table1.Materialwithfunctionalgroupsiscommonlyusedinpreparationofmagneticmicrosphere第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備3.2磁性微球制備方法a.共沉淀法b.共混包埋法c.單體聚合法(懸浮聚合、分散聚合和乳液聚合)d.界面沉淀法

第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備懸浮聚合法與其他方法相比，懸浮聚合法具有以下優(yōu)點：操作簡單安全，成本低；顆粒大小可控制在較小范圍；產(chǎn)品后處理簡單，純度高，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)等。第10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備例如：懸浮聚合法制備苯乙烯磁性微球試劑：三氯化鐵(Fe3+)、硫酸亞鐵(Fe2+)、氫氧化鈉、苯乙烯、過氧化苯甲酰（BPO）(引發(fā)劑)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（3-MPS）（偶聯(lián)劑）、甲苯、甲醇、無水乙醇等等；第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備聚苯乙烯磁性微球的制備過程如圖所示：Fe3O4納米粒子的制備采用共沉淀法，即Fe2+與Fe3+按摩爾比1:2的比例混合，氮氣保護(hù)下，以NaOH作堿液滴加入鐵鹽溶液中，晶化2h。Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O第12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3.磁性微球的制備硅烷偶聯(lián)劑3-MPS在醇／醋酸條件下水解，3-MPS的-OCH3基團(tuán)水解生成-OH基團(tuán)，其-OH基團(tuán)與Fe3O4表面的-OH基團(tuán)反應(yīng)，使含有雙鍵的硅烷偶聯(lián)劑3-MPS健接到磁性粒子表面，即生成3-MPS修飾的Fe3O4微球。在BPO引發(fā)劑作用下，苯乙烯單體在3-MPS修飾的Fe3O4微球表面發(fā)生聚合反應(yīng)，形成以聚苯乙烯為殼，F(xiàn)e3O4粒子為核的聚苯乙烯磁性微球。第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用由于磁性微球粒徑小，比表面積大，故而偶聯(lián)容量大，懸浮穩(wěn)定性好，便于高效地與目標(biāo)產(chǎn)物偶聯(lián)；又因其具有超順磁性，在外磁場的作用下固液相的分離十分簡單，可省去離心、過濾等繁雜操作，節(jié)省時間。因此，在細(xì)胞分離、分類，蛋白質(zhì)提純和核酸分離等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用1、細(xì)胞分離

在磁性微球表面接上具有生物活性的吸附劑或其它配基（如抗體、外源凝結(jié)素等），利用它們與目標(biāo)細(xì)胞的特異性結(jié)合，借助外磁場的作用，可以很方便、快速的對細(xì)胞進(jìn)行分離、分類。與常用的細(xì)胞分離方法相比，具有簡單、快捷、高效和安全等特點。下圖是磁性微球分離細(xì)胞原理的示意圖

。圖2用磁性微球分離細(xì)胞Fig2.Cellularisolationbyusingmagneticmicrosphere第15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用

磁性微球微球分離細(xì)胞主要有兩種方式：一種是直接從細(xì)胞混合液中分離出靶細(xì)胞的方法，稱為正相分離或正相選擇(positiveselection)；另一種是利用磁性微球除去無關(guān)細(xì)胞，使靶細(xì)胞富集純化的方法，稱為負(fù)相分離或負(fù)相選擇(negativeselection)第16頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用2.蛋白質(zhì)分離純化

磁性微球的粒徑小，比表面積大，表面含有活性基團(tuán)，故偶聯(lián)容量大，它能夠共價結(jié)合能被目標(biāo)蛋白質(zhì)識別和可逆結(jié)合的配基，然后，將磁性微球直接放入含有目標(biāo)蛋白質(zhì)的混合溶液中，待目標(biāo)蛋白質(zhì)與磁性微球緊密結(jié)合后，利用外部磁場對其進(jìn)行分離。整個分離過程不需對混合溶液的pH值、溫度、離子強(qiáng)度和介電常數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而避免了傳統(tǒng)分離過程中蛋白質(zhì)的損失。第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用3.核酸分離

例：以羧基修飾的磁性納米粒子作為固相載體，從樣品中富集靶細(xì)胞和從細(xì)胞裂解液中吸附DNA。采用這種方法，吸附在納米磁珠表面上的DNA不用洗脫就可以直接作為靶基因用作PCR擴(kuò)增的模板，從而大大簡化了從靶細(xì)胞富集到靶基因擴(kuò)增的全過程。該方法快速簡便，不使用有毒試劑和離心操作，便于用來構(gòu)建快速、高通量核酸制備的生物芯片。第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月磁性微球在生物分離中具有極大的應(yīng)用前景,目前國外已經(jīng)開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品,但價格昂貴,國內(nèi)這方面研究仍處于實驗性階段。因此,開發(fā)出粒度均勻、磁響應(yīng)性