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)用第一頁，共二十頁，2022年，8月28日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70年代，國內(nèi)在20世紀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，如-COOH、-COH、-NH2

等，也可共價結(jié)合酶、細胞、抗體等生物活性物質(zhì)。第二頁，共二十頁，2022年，8月28日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)、細胞學(xué)(細胞標(biāo)記、細胞分離等)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。第三頁，共二十頁，2022年，8月28日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)無機磁性納米粒子與提供活性功能基團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)。第四頁，共二十頁，2022年，8月28日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)生磁性團聚；第五頁，共二十頁，2022年，8月28日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，具備一定的機械強度和化學(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(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。第六頁，共二十頁，2022年，8月28日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磁性材料與各種提供活性功能基團的材料復(fù)合制備而成。目前無機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物材料(見表1)。第七頁，共二十頁，2022年，8月28日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材料Table1.Materialwithfunctionalgroupsiscommonlyusedinpreparationofmagneticmicrosphere第八頁，共二十頁，2022年，8月28日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

第九頁，共二十頁，2022年，8月28日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，可進行大批量生產(chǎn)等。第十頁，共二十頁，2022年，8月28日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；第十一頁，共二十頁，2022年，8月28日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，氮氣保護下，以NaOH作堿液滴加入鐵鹽溶液中，晶化2h。Fe2++2Fe3++8OH-=Fe3O4+4H2O第十二頁，共二十頁，2022年，8月28日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基團水解生成-OH基團，其-OH基團與Fe3O4表面的-OH基團反應(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。第十三頁，共二十頁，2022年，8月28日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。第十四頁，共二十頁，2022年，8月28日4.磁性微球作為分離載體在生物分離中的應(yīng)用1、細胞分離

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、快速的對細胞進行分離、分類。與常用的細胞分離方法相比，具有簡單、快捷、高效和安全等特點。下圖是磁性微球分離細胞原理的示意圖

。圖2用磁性微球分離細胞Fig2.Cellularisolationbyusingmagneticmicrosphere第十五頁，共二十頁，2022年，8月28日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胞主要有兩種方式：一種是直接從細胞混合液中分離出靶細胞的方法，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)細胞，使靶細胞富集純化的方法，稱為負相分離或負相選擇(negativeselection)第十六頁，共二十頁，2022年，8月28日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，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行分離。整個分離過程不需對混合溶液的pH值、溫度、離子強度和介電常數(shù)進行調(diào)整，從而避免了傳統(tǒng)分離過程中蛋白質(zhì)的損失。第十七頁，共二十頁，2022年，8月28日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，從樣品中富集靶細胞和從細胞裂解液中吸附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擴增的模板，從而大大簡化了從靶細胞富集到靶基因擴增的全過程。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。第十八頁，共二十頁，2022年，8月28日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)