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1、外文文献翻译纤维素硫酸钠(NaCS)-羧甲基纤维素CMC/聚二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC胶囊的制备和表征摘要 已经制备了一种特殊的胶囊系统，用于改善纤维素硫酸钠(NaCS)-羧甲基纤维素CMC/聚二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC胶囊的性能，这种胶囊系统是由硫酸纤维素钠NaCS，羧甲基纤维素CMC及聚二烯丙基二甲基氯化胺PDMDAAC所组成的。据研究，工艺参数如CMC浓度0,2,4,6和8g/L，NaCS浓度20,25,30,35和40g/L，PDMDAAC浓度20,30,40,50,60,70和80g/L，反响时间及温度会影响胶囊的直径，膜厚和机械力。制备NaCSCMC/PDMDAAC
2、胶囊的最优工艺被确定为6-8g/L的CMC，35-40g/L的NaCS，60g/L的PDMDAAC及聚合反响30-40分钟。已研究过小分子物质扩散进入胶囊的过程，且根据已有的模型计算出了扩散系数。克鲁斯氏假丝酵母的酵母被选作典型的细胞，来评估不同承载细胞的胶囊的机械力。同时将用胶囊包裹的克鲁斯氏念珠菌耐高渗酵母细胞在250mL的摇瓶中人工培养72h，以确定细胞在短时和长时期内的渗透特性。1. 简介用胶囊包裹是一种重要的细胞固定化的方法。生物胶囊包裹旨在俘获可存活的细胞和酶，这种细胞和酶被用一种半透膜包附。每一个胶囊都可以被看做一个微型的生物反响器。胶囊膜是为了从苛刻的环境条件下别离可存活的细胞
3、和酶，以及为细胞和酶构造一个有利的局部环境。同时，物质可以自由地渗透通过细胞膜。因此，用胶囊包裹有利于简化下游工序，从而减小了反响器的尺寸，以及重复利用俘获的细胞。在过去的几十年，用胶囊包裹作为固化技术之一，被广泛研究应用于人造生物器官移植，连续化工艺及固定化酶，细胞培养等。Lim和Sun曾报道因生理需要，用胶囊包裹胰岛来生产胰岛素的例子。在酒精生产中用胶囊包裹酵母细胞，在生产单克隆抗体中固化杂交细胞，及在持续释放系统中用胶囊包装药物都显示了一些成功的例子。在过去的几十年，海藻酸钙珠曾被大量研究，由于它制备简单，价格低廉及良好的生物相容性。但它们因携带如柠檬酸和磷酸盐的螯合集团，而常在培养物中
4、表现不稳定性，阻碍它的进一步应用。营养物和氧气扩散进入基质，而细胞从胶体中渗漏出也产生了一些问题。为了解决这些问题，通过聚合离子反向充电形成聚合电解质复合微型PEC胶囊是一种简单而有效的方法。通常使用的聚合电解质胶囊系统是硫酸纤维素钠NaCS/聚二烯丙基二甲基氯化铵PDMDAAC，壳聚糖/海藻酸钠, 壳聚糖/黄原胶等。PEC胶囊的性质可以被其复杂的构型，浓度及聚合电解质的电荷浓度所影响，且PEC的构型极大地受聚合电解质溶液中存在的小分子盐的影响。NaCS/PDMDAAC微胶囊的性质如制备工艺，机械力，生物相容性及扩散曾被Dautzenberg及其同事，以及Yao和Cho系统地研究过。调查显示胶
5、囊剂的形成是一种聚合阴离子和其他几种聚合阳离子反响的过程，调控胶囊膜的特性是困难的。最近，由海藻酸钠，硫酸纤维素钠，聚亚甲基双胍氯化物PMCG及氯化钙构成的胶囊已经被推出，以改善胶囊的膜厚及扩散性能。这种胶囊的制备有两步，包括海藻酸钙珠的形成，紧接着是一个粉末悬浮在PMCG溶液中形成膜的阶段。为了获得以液体为核心的胶囊体系，粉末必须要用磷酸盐或柠檬酸盐缓冲液清洗。在整个工序中，为了得到优良的胶囊，所有的实验条件都需要被严格地控制。在论文中呈现的，我们将要制备一种新奇的微胶囊体系，如羧甲基纤维素CMC-NaCS/PDMDAAC微胶囊，CMC和NaCS的混合物被选作聚合阴离子，而PDMDAAC被选
6、作聚合阳离子。在胶囊的形成过程中，可以通过调整CMC的浓度来调控胶囊的性质。在设计和开展CMCNaCS/PDMDAAC胶囊用于细胞固定化的过程中，关键在于力学稳定性，大小均一性，细胞包装及最正确的微环境。在这篇论文中，详细研究了由聚合电解质NaCS.CMC和PDMDAAC组成的胶囊在不同操作条件下的性质。小分子量物质进入胶囊的扩散系数也根据其运动曲线计算了出来。在细胞培养时期详细研究了细胞渗漏的性质及胶囊的稳定性。2. 材料和方法2.1.材料 PDMDAAC (MW 200,000350,000)是由Aldrich德国人购进，之前我们的实验室里描述的NaCS是通过不同的反响制备的。CMC是从中
7、国的上海生工公司购进。将其他的化学药品和溶剂划分等级，不需要进一步的纯化可使用。克鲁斯氏念珠菌的嗜渗压酵母(ICM-Y-05)那么是来自中国科学研究所中国，北京的工艺工程学院。2.2.NaCSCMC/PDMDAAC胶囊的制备在实验中微胶囊是在中空的球里制备的。把NaCS和CMC的混合物溶解在100mL的水中，排净气体，用一个注射器逐滴地参加100mL的PDMDAAC溶液中。在室温下轻轻搅拌40分钟以形成胶囊。微胶囊要用去离子水清洗以除去过量未反响的PDMDAAC。微胶囊以室温保存在0.9 wt.% NaCl溶液中。2.3.压缩强度和显微观测通过把20粒胶囊压在电子天平上来测胶囊的机械力。施加在
8、胶囊上的力被记录成砝码的作用显示在天平上。切开胶囊，在一个标准的光学显微镜下形象地观测它的膜厚。用滤纸将胶囊外表枯燥后，用卡钳测量胶囊的直径。2.4.计算扩散系数测量葡萄糖，酪氨酸，甘氨酸及维生素B从搅拌好的溶液扩散入胶囊的过程。首先，在25的温度下，将搅拌好的基质溶液参加等容量的胶囊壳中；接着在明确的时间间隔下收集50uL的样品液。依据先前工作中已有的扩散模型，从基质扩散进入胶囊的运动曲线上计算扩散系数。在这篇论文中，假定胶囊是均匀的。在充分搅拌下，胶囊外的液膜阻力可以忽略不计。基质扩散进入珠群如下述公式所示：在公式里R是珠的半径，r是距珠中心的距离，t为时间，C为体积溶液的初始浓度，V是溶
9、液的体积，n是珠的数目，被定义为(V/n)(4R/3)。q为以下公式的非零正根：如果D被看做整体扩散系数，它包含膜扩散系数D及内部扩散系数D，那么它可以被定义为以下公式:在公式中r是胶囊的内直径，r是外直径，且在纯水液中D可以被基质扩散系数D所替换。2.5.培养胶囊的稳定性在研究中使用的克鲁斯氏念珠菌的耐渗压酵母在有氧培养期间主要代谢甘油。通过搅拌，酵母细胞均匀地分布在NaCS/CMC溶液中。把酵母细胞在NaCS/CMC溶液里的悬浮液滴入PDMDAAC溶液中以制备胶囊。小心地洗涤10毫升的胶囊，之后在由100g/L葡萄糖，玉米浸液3g/L，尿素3g/L所组成的25mL介质里培养96h，来检测滤
10、出胶囊的细胞数及胶囊的机械稳定性。从610nm下吸收的光密度来估计滤出的细胞数。另外10mL没有俘获细胞的胶囊被参加到含有克鲁斯氏念珠菌的介质中，用以核查胶囊液体介质中细胞的生长效应。2.6.检验聚合离子形成的沉淀物的浑浊度可以在550nm下被检测出来Ultrospec3300 proUV/Visible。通过紫外分光光度计确定酪氨酸和维生素B的浓度。葡萄糖的浓度可以通过二硝基水杨酸DNS的方法来确定。甘油的浓度通过高碘酸盐铬变酸比色法来确定。生物量浓度可以从适当稀释的培养液在600nm下的吸收度中估算Ultrospec3300 proUV/Visible。3. 结果和讨论3.1.胶囊中PEC
11、浓度的影响控制胶囊特性的关键因素是聚合阴离子和聚合阳离子的浓度。在三个反响物NaCS，CMC，PDMDAAC当中，给定两个反响物的浓度，改变第三个反响物的浓度来研究其对胶囊特性的影响。在表1和表2中，收缩时间代表由于膜两侧不同的渗透压胶囊开始收缩的时间。胶囊的球形度可以被直接观测到。通过在0-10g/L的范围内改变CMC的浓度来研究它的影响，同时保持NaCS的浓度为40g/L，PDMDAAC的浓度为60g/L。就像表1(a)中显示的，胶囊的膜厚和机械力随CMC浓度的增大而增大。表1(b)中的结果说明，在给定浓度CMC为6g/L，PDMDAAC为60g/L下，随着NaCS浓度的增大，胶囊的膜厚变
12、小而机械力增大。然而，胶囊最大的机械力5.130.13 N出现在NaCS浓度为40g/L时。聚合阴离子的浓度对胶囊直径的影响似乎并不明显。在最初的膜形成后胶囊就开始慢慢地收缩，起因于高浓度的PDMDAAC在胶囊外所引起的高渗透压。通常，较高浓度的CMC和较低浓度的NaCS都不被推荐，因为所制备的胶囊呈现的性能不好。像表1(c)中显示的，PDMDAAC的浓度对于制备较高机械力的胶囊是非常重要的。PDMDAAC的浓度在60g/L以上的更可取。胶囊膜厚随着PDMDAAC浓度的增大而增大。如果PDMDAAC的浓度进一步增大，胶囊将会在由高浓度PDMDAAC引起的渗透压下快速收缩。那样就意味着反响时间不
13、得不缩短。因此太高浓度的PDMDAAC是不利的，因为足够的反响时间对胶囊的机械力很重要。添加CMC作为聚合阴离子形成的胶囊在视觉外观上也会变化。图表1呈现了NaCS/PDMDAAC胶囊(a)及NaCS-CMC/PDMDAAC胶囊(b)的图像。从图表1可以看出，参加CMC作为聚合阴离子后胶囊变成不透明的。这可能是由于CMC和PDMDAAC发生了反响，改变了起初形成的膜结构。NaCS的-SO及CMC的-CHCOO都会和PDMDAAC发生反响形成膜。因此这种膜不像NaCS/PDMDAAC胶囊膜那样紧密，且有更多的PDMDAAC渗透进入原始膜中和聚合阴离子反响。形成的膜较厚，因此膜变成不透明的了。表格
14、2(a)显示了NaCS，CMC与PDMDAAC之间的反响。使用浊度检测来描述反响特性。表2(b)说明了由于CMC0.2%, NaCS (0.2%) 和它们的混合物(0.1% CMC+ 0.1% NaCS)与PDMDAAC1%之间的独立反响致使在550nm下吸光度的改变。3.2.反响时间和温度对胶囊的影响八批NaCS-CMC/PDMDAAC胶囊被制备时均维持恒定的CMC，NaCS及PDMDAAC浓度，分别在8,40和60g/L，但每批次各自地延长反响时间从5到40分钟。反响时间的延长明显减小了胶囊的直径，而增大了胶囊膜厚和机械力表2a。结果显示足够的反响时间对于制备性能优良的胶囊是至关重要的。温
15、度不会显著影响胶囊的性能。反响温度越高，越早进入萎缩期表2b。制备NaCS-CMC/PDMDAAC胶囊的最正确反响条件被确定为35-40g/L的NaCS，6-8g/L的CMC，60g/L的PDMDAAC，在25C下反响30-40分钟。3.3.扩散系数几种小分子量的溶质如葡萄糖，酪氨酸，甘油及维生素B在NaCS-CMC/PDMDAAC胶囊中的扩散系数已经被确定了，通过使用不稳状态法，紧接着从搅拌好的溶液制备进入胶囊的溶质。用35g/L的NaCS，6g/L的CMC及60g/L/的PDMDAAC制备的5000000粒胶囊被参加搅拌好的1.5g/L的葡萄糖溶液中。参加胶囊之后，发现大量溶液中的葡萄糖浓
16、度迅速地下降。其他溶质的扩散实验重复葡萄糖同样的方法。这些扩散运动曲线被显示在表3中，在表中大局部溶质浓度比率C及初始溶液浓度C被用作纵坐标。扩散实验说明在葡萄糖ca.50分钟后及维生素Bca.170分钟后，大量溶液中的溶质浓度到达了平衡。我们可以得出结论，溶质分子量越大，扩散进入胶囊甚至越困难。所有的计算结果和实验数据保持很好的一致性。在这儿使用的溶质如葡萄糖，甘油及维生素B均显示电中性。因此，扩散过程不会被胶囊的电网影响。根据已有的数学模型，计算出了总扩散系数D及膜扩散系数D。表格3中显示了D及D的计算值。对中性溶液而言，分子量增大，总扩散系数及膜扩散系数会减小。为了发现几种分子量增大的基质扩散进入胶囊的特征，将计算出的D及D值与纯水中的基质扩散系数D相比拟。得到的葡萄糖和甘油的总扩散系数大约是在水中扩散
