【摘 要】
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细胞是最基础的生命单位,生物膜是存在于生物体内的一种独特的动态膜结构。生物膜不仅可以作为内环境的屏障,还可以把生物体分割成具有“功能化区室”的区域,使众多生化反应可以彼此互不干扰地进行。同时,凭借膜中镶嵌的蛋白质和脂类分子承载更多复杂的生物功能。基于生物膜的自组装结构与功能特性,科学家模仿自然构建人工生物膜已经成为生物、化学与材料等多个领域的研究热点。在科研与工业中,各种模仿生物膜区室化的结构,如
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细胞是最基础的生命单位,生物膜是存在于生物体内的一种独特的动态膜结构。生物膜不仅可以作为内环境的屏障,还可以把生物体分割成具有“功能化区室”的区域,使众多生化反应可以彼此互不干扰地进行。同时,凭借膜中镶嵌的蛋白质和脂类分子承载更多复杂的生物功能。基于生物膜的自组装结构与功能特性,科学家模仿自然构建人工生物膜已经成为生物、化学与材料等多个领域的研究热点。在科研与工业中,各种模仿生物膜区室化的结构,如脂质体、聚合物囊泡、胶体体等已经被用于仿生封装,药物递送,催化和生物传感等领域。其中由胶体颗粒组装而成的胶体体因良好的稳定性和鲁棒性引起了人们的兴趣。胶体体是由纳米粒子在油水界面处紧密堆积而成的壳层结构组成。这种微结构在功能上模仿生物膜,但是在组装原理和结构上更类似于由表面活性剂在油水界面上自组装形成的胶束。由于胶体体因形成过程易于控制,其尺寸和透过性便于调节,且具有一定的机械强度和生物相容性等优势,受到了广泛关注。本文通过模仿生物膜的结构和功能以及借鉴了胶束的自组装原理,制备了仿生胶体体并研究了影响其尺寸因素,同时利用胶体体制备了可封装酶的微反应器,探究其仿生跨膜催化反应效率。此外还构建了以两种尺寸的二氧化硅纳米粒子为结构单元的新型杂化胶体体,并对其组装原理及透过性进行了探究。(1)本文借鉴胶束结构自组装的策略中对于表面活性剂的控制,以两亲性的二氧化硅纳米粒子(Si O2 NPs)作为结构单元和稳定剂,通过调节硅烷基团的链长,油相溶剂的极性指数、Si O2 NPs的尺寸、Si O2 NPs与水的质量比,对胶体体自组装行为进行了一系列研究,制备出在2μm-11μm范围内尺寸可控的油包水型的胶体体微球。在此基础上构建了胶体体微反应器,以葡萄糖氧化酶对葡萄糖的催化氧化反应为模型,探究胶体体作为微反应器的表面浸润性和胶体体尺寸对于酶催化效率的影响。胶体体的尺寸和形成可以通过调整粒径、烷基改性基团、油相溶剂来影响。结果发现稳定乳液所需的表面张力是控制胶体体尺寸的关键因素。当皮克林乳液形成时,胶体体的尺寸随着表面活性剂提供的界面张力的降低而减小。使用GOx催化的葡萄糖作为模型反应,产生过氧化氢的浓度随着胶体体尺寸的减少而增加。这项工作证明了Si O2 NPs的两亲结构对仿生胶体体膜的渗透性有很大的调节作用。(2)参考胶束体系内表面活性剂与助表面活性剂的共组装原理,以两种不同尺寸的Si O2 NPs(7 nm、22 nm)作为稳定剂混合制备杂化胶体体。在两者总质量保持不变的条件下,将他们按照6:1,4:1,2:1,1:2,1:4,1:6的质量比进行混合,探究是否可以共同组装形成稳定的胶体体结构,以及不同比例对于胶体体尺寸的影响。此外按照22 nm/7 nm的Si O2 NPs混合比例为4:0,3:1,2:2,1:3,0:4制备可以封装葡萄糖氧化酶的杂化胶体体作为微反应器,评估两种结构单元的共组装过程和得到的胶体体性能及对酶的封装效果。结果表明引入第二种结构单元作为稳定剂时,液滴稳定的表面张力和粒子空间排布是调节胶体体尺寸的主要原因,且胶束体系的经验对胶体体研究极富借鉴意义,可以通过胶束的组装原理来探究胶体体在调控尺寸方面的潜在能力。
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