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1、介孔分子筛在生物、医药领域的研究进展摘要：综述了近几年有序介孔材料在生物学上的应用。主要介绍了介孔材料在：酶的固定化、生物传感器、药物的缓释等领域应用，并对有序介孔材料中的应用前景进行了展望。关键词：介孔材料 酶固定化 生物传感器 药物释放 Keywords: mesoporous materials immobilized enzyme biosensor drug release引言1992年介孔分子筛M41S的发现A，为有序介孔分子筛在生物领域应用奠定了基础。按照国际纯粹与应用化学协会(IUOAC)的定义【B】，孔径在250nm范围的材料称为介孔（中孔）材料。由于介孔氧化硅孔道表面含有丰
2、富的硅羟基，人们通过化学修饰的方法将一些生物分子引入孔道、或将其包埋，从而合成新型材料。介孔材料具有较大的比表面积，较窄的孔径分布和可调变的孔径等优点【2】。使其在生物催化3，吸附分离4，传感器、药物释放、生物材料5等领域具有良好的发展前景。工业催化中生物酶逐渐取代传统化学催化剂，酶催化的高效性和高选择性可以完成传统催化剂所不能胜任的位点专一性、化学专一性、立体专一性等【6】。然而，要实现酶生物催化剂的工业应用，关键问题是酶的固定化。固定化没便于连续化和自动化的。因而具有更加广阔的应用前景。纳米技术逐步进入电分化和生物传感器领域，引发了突破性进展，其中介孔材料对其也起到重要的作用【7】。SiO
3、2无生理毒性、生物相容性好等优点是的介孔材料在药物释放，生物材料反面有很大的潜力。Abstract: The recent years of ordered mesoporous materials in biological applications. Mainly introduces the mesoporous materials: enzyme immobilization, biosensors, in areas such as drug release, and ordered mesoporous materials, the application prospect.一、酶
4、在介孔材料上的固定化分子筛孔道内的硅羟基具有一定的化学活性，酶分子可以通过物理吸附、掺杂金属离子、有机官能团化、包埋法等将酶固定在分子筛上7，8。酶分子的大小以及有序介孔材料的孔径是影响固定化酶的关键因素9。因此，不同的孔径材料固定不同的酶也就有不同的固定效果。固定化酶的最适温度、pH稳定性、热稳定性和储藏稳定性与载体的微环境有很大的关系。【10】青霉素酰化酶是半合成-内酰胺类抗生素生产中关键的酶。11立方相的la3d介孔分子筛有较大的孔径，高的比表面积，较大的吸附容量和双连续的三维孔道结构，吕勇军12，13，采用硅烷化试剂在Ia3d介孔分子筛表面引入有机官能团,用共价结合方法实现青霉素酰化酶
5、在分子筛表面的固定化,提高固定化酶的表观活性和操作稳定性。后来，又用直接共聚法合成表面含有乙烯基的具有立方相Ia3d结构的介孔分子筛(V-CIMS),然后用间氯过氧苯甲酸对乙烯基团进行环氧化,得到表面环氧基功能化的介孔分子筛(E-CIMS) 。CIMS介孔分子筛在用硫酸去除模板剂和乙烯基环氧化过程中都没有破坏分子筛的骨架结构,依然保持着立方相Ia3d结构。将E-CIMS介孔分子筛用于青霉素酰化酶的固定化,当分子筛合成母液中乙烯基三乙氧基硅烷(TEVS)与正硅酸乙酯(TEOS)的摩尔比为1:9时,固定化酶的表观活性为2262IU/g,循环使用5次后的操作稳定性最好,达到80%。高振源14,以MC
6、Fs介孔分子筛用于青霉素酰化酶的固定化,其中用氟离子改性的MCFs介孔分子筛制备的固定化酶得到了目前文献报道最高的表观活性,达到9104IU/g。通过在合成过程中加入NH4F, 大大提高了固定化酶的表观活性和操作稳定性,固定化酶的表观活性从4547IU/g提高到9104IU/g,循环使用5次后的操作稳定性从58%提高到80%。同时通过用-(2,3)-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷在MCFs分子筛表面嫁接含有环氧基的有机官能团,进一步提高固定化酶的操作稳定性,循环使用5次后的固定化酶的操作稳定性从80%提高到85%,但表观活性从9104IU/g下降到8519IU/g。肖宁15,16，以MCM-41固定
7、化对胰蛋白酶进行固定化考察了固定化的多项影响因素和固定化酶的部分酶学性质。结果表明:每g载体的给酶量为30mg，固定化温度15，固定化时间h3，pHS.0，戊二醛体积分数.04%，胰蛋白酶的固定化效果最好，此时平均酶活性回收率达60%左右。固定化酶在70时保温h2一直保持有85%以上的酶活性，固定化酶的热稳定性得到了显著的提高。固定化酶对盐酸肌的稳定性、酸碱稳定性与游离酶相比有了显著的提高，并且固定化酶具有较好的间歇操作稳定性，连续反应10批后，酶剩余活性仍保持在80%以上。高波17,首次用用冷冻-真空吸附法对酶蛋白进行了成功组装,为介孔分子筛组装酶蛋白提供了一种新的实验方法,该方法在控制合适
8、真空度的情况下,在保持酶活性的同时,组装量巨大,远远高于浸渍法及其它常见方法。对在工业上应用较大的青霉素酰化酶、脂肪酶进行了固定,尤其在稳定性方面进行了深入研究,研究发现固定化酶的稳定性与介孔材料的孔径关系较大,当介孔材料的孔径与酶分子的大小接近时,稳定性较高。李晓丽18, 以介孔分子筛SBA-15作为载体,戊二醛作为交联剂,对胰蛋白酶进行固定化,并对固定化条件进行优化。固定化胰蛋白酶制备的最适条件为:戊二醛浓度0.8%,加酶量3.0 mg,反应温度35,反应时间3 h。以此条件制备的固定化胰蛋白酶活力可达15.6 U/mg。以此酶作为亲和吸附剂纯化抑肽酶,纯化倍数可达420倍以上,活性回收率
9、超过80%。王音19，以硅胶为载体，进行了胰蛋白酶固定化的研究。固定化胰蛋白酶比活力为489105U/g， 50水解酪蛋白,水解60min,重复使用8次,回收酶活力约为90%。邹泽昌20，21 以氧化硅介孔泡沫材料(Siliceous Mesocellular Foam,MCF)为载体对木瓜蛋白酶进行了固定，木瓜蛋白酶在MCF上能获得较大的负载量(334mg/gMCF)。并且利用接枝法以-氨丙基三甲氧基硅烷为有机修饰源合成了氨基修饰的氧化硅介孔泡沫材料对木瓜蛋白酶固定。王炎【22】，以介孔分子筛MCM-41作为漆酶固定化的载体，采用物理吸附法进行固定化，固定化漆酶具有可重复操作的性质，这将有利
10、于酶的使用和储放，与底物反应反复操作10批次后剩余活性为40%。有利于改善漆酶的稳定性和实用性。二、介孔材料在生物传感器中的应用生物传感器是由生物材料作为敏感元件，电极作为转换元件，以电势、电流或电导等作为特征检测信号的传感器。其中生物分子的固定化是一个关键因素。氧化还原蛋白质和酶在裸电极上的变性是影响氧化还原蛋白质和酶直接电转移的不因素M。因此，探索能够促进氧化还原蛋白质和酶的直接点子转移的固定载体和适合的固定方法具有非常重要的意义。万巧23，以二茂铁为核，二氧化硅为壳，首次利用反相微乳液技术，通过正硅酸四乙醋的水解制备了掺杂有二茂铁的二氧化硅纳米颗粒，在荷负电的纳米颗粒表面修饰聚阳离子的壳
11、聚糖导电膜后与葡萄糖氧化酶(GOD)结合，得到以二茂铁(F)c作为电子媒介体的葡萄糖生物传感器，不仅克服了传统介体易流失的缺点，更提高了生物亲和性。实验证明，该传感器在1.010-51.210-2mol/L的范围内葡萄糖浓度与电流呈良好的线性关系，而检出限为5.010-6mol/L。与微渗析技术联用，该方法成功地用于大鼠脑中葡萄糖的检测。田玉平【24】，本文比较了许多种介孔材料对酶的吸附量，选择用微波消解法制备介孔材料(FDU-1)，该材料孔道中具有丰富的-OH，从而将酶固定。该材料固定的酶具有很高的活性，肌红蛋白在芯片上酶解液的质谱检测的肤段序列覆盖率达到90%以上。生物燃料电池中酶和蛋自质
12、直接电化学除了使用碳材料作载体外，还可以使用硅基介孔分子筛作为载体。三维笼状二氧化硅介孔分子筛(FDu一12)具有大的笼径、与辣根过氧化物酶(HRP)分子大小相匹配的窗口以及良好的生物相溶性，可以作为HRP的固定载体。马国仙【25,26】，最近报道，以吸附的方法将辣根过氧化物酶(HRP)固定到三维笼状介孔分子筛FDU-12中，固定化后HRP没有变性， 笼状介孔分子筛FDU-12有效地促进了电极表面的HRP与电极之间的直接电子转移,酶电极对H2O2的还原表现出良好的电催化活性.其式量电位E0为-0.325 V,电子转移速率常数为1.200 s-1,显示了较快的电子传递速率,其吸附量为5.4410
13、-11 molcm-2,这个值比HRP在电极表面的最大理论单层覆盖浓度(2.0010-11molcm-2)高出1倍多.此外HRP-FDU-12/GC电极的稳定性较好.上述结果表明三维笼状介孔分子筛FDU-12以及所使用的吸附方法为探索研制简单、重现性好,响应快的第三代生物传感器提供了新的思路。李赛【27】将尿素酶(crease)固载于不同粒径(5nm, 25nm, 2. 4 微米)的TiO2膜上，采用电位法研究吸附在纳米多孔TiO2上的尿素酶的活性变化。实验结果表明:纳米Ti02对尿素酶的活性有明显的增强效应。选用纳米多孔Ti02作为固载材料制备的尿素酶/Ti02复合膜电极有很好的重现性和稳定
14、性。张玲【28】，通过双孔径介孔硅(BMS)和壳聚糖杂化膜来固载Hb成功构建了Hb/BMS/CS电极。研究表明BMS的存在能够促进Hb的直接电子转移行为。白玉【29】，以金纳米粒子/介孔分子筛复合材料为基底半胱胺为交联剂，基于Sc h i f f 碱反应，把醛基化的葡萄糖氧化酶固定到金纳米粒子/ 分子筛复合材料修饰的金电极上，制备了G N P s - SBA - 1 5 / CHO-GOD修饰电极。研究电极对葡萄糖的催化氧化行为，结果表明该修饰电极对葡萄糖表现出了非常好的催化性能，并且具有很好的重现性和稳定性。程静【30】，用有序介孔碳(NOMC) 作为固定漆酶的负载材料，首次应用于漆酶生物传
15、感器。NOMC/Lac/Au电极催化邻苯二酚的氧化峰、还原峰电流均随着扫描速率的增加而线性增加，且发生的是一质子一电子的电极过程。采用不同的固定化酶方法构建的Lac传感器中，由聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）静电吸附构建的传感器的综合性能最好。该传感器对底物邻苯二酚的线性检测范围是0.678.59M，选择灵敏度为0.349A/M, K值（表观米氏常数）为13.49mM，检测限为0.117M(S/N=3)。介孔分子筛在生物医学领域的应用药物的缓/控释制剂具有重要的治疗意义和商业价值,是现代医药科技和医药工业的重要研究课题.人们已经研制开发出多种药物的缓/控释载体,主要有高分子聚合物、生物玻璃和
16、脂质体等。药物的缓释是有序材料很好的应用领域。介孔材料对药物的包埋同时可包埋磁性材料，从而使新型复合材料有望用于生物靶向运送。 曲风玉【31，32】，介孔分子筛载载药量与比表面积、介孔结构、介孔载体的形貌（粒径大小）有关, 比表面积大，有利于药物负载量增大，孔容大时，药物的组装量大，粒径大时，有利于药物的缓释。当介孔分子筛的形貌和孔径均相似时，立方相的介孔结构有利于药物分子的释放。又报道了介孔分子筛孔道结构对药物巯甲丙脯酸释放的影响。比较MCM-14、MCM-48、SBA-15三种分子筛的释放行为。由于三维双螺旋孔道结构的MCM-48有利于客体分子的传输,因而具有较快的药物释放性能,在6 h内几乎将药物完全从介孔孔道中释放出来。MCM-41虽然孔径较MCM-48稍大一些,但由于其二维六方相的孔道结构,
