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天然高分子材料由于具有良好的生物相容性、可生物降解、无毒、来源丰富以及可再生等优点,因此在生物医用材料领域具有十分广泛的应用价值。然而,一些天然高分子材料在使用时往往存在着力学性能、稳定性等性能不理想的问题,因此对天然高分子材料进行修饰改性,从而提高材料的使用性能具有非常重要的意义。近年来,采用生物酶进行材料修饰的研究引起了研究者的关注。然而,目前能够应用于高分子材料包括天然高分子或生物大分子材料构建修饰(例如形成大分子之间的共价连接)的生物酶的种类很少,并且关于此方面的研究工作也十分有限。
本工作开展了采用不同的生物酶修饰方法对明胶和壳聚糖生物材料进行修饰的研究,并对被修饰材料的性能进行了测试和分析,具体如下:
制备了酪氨酸酶修饰的明胶-壳聚糖生物材料,该材料是一种全部由生物大分子制备及修饰的生物材料,即采用蛋白质与生物多糖作为本体材料,并采用生物酶作为修饰剂。酪氨酸酶能够将明胶分子中的酪氨酸基团氧化成具有反应活性的o-醌类基团,这些醌类基团可以与壳聚糖分子中的亲核基团-NH2进行反应,从而在明胶与壳聚糖分子之间形成共价键连接。采用流变测试、拉伸试验、溶解试验以及抗菌测试等方法对被修饰材料的性能进行了分析。结果表明酪氨酸酶能够催化明胶和壳聚糖溶液反应形成凝胶,经过酪氨酸酶修饰的明胶-壳聚糖生物材料的拉伸强度以及在溶液中的稳定性与未经酶修饰的明胶/壳聚糖生物材料相比均得到改善;另外,与纯明胶相比,该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有更好的抑制作用。
同时采用双生物酶(微生物转谷氨酰胺酶和酪氨酸酶)作为修饰剂制备了明胶-壳聚糖生物材料。该方法不仅具有生物酶修饰方法的优点,并且由于两种酶的协同作用,微生物转谷氨酰胺酶可以使明胶分子之间形成交联结构,而酪氨酸酶可以在明胶与壳聚糖分子之间形成共价键连接,因而有利于改善明胶-壳聚糖生物材料的力学性能和稳定性。此外,由于微生物转谷氨酰胺酶来源丰富、价格便宜,因此同时采用两种生物酶作为修饰剂还能够有效降低成本。流变测试结果表明双生物酶能够催化明胶与壳聚糖共混溶液反应形成凝胶,并且双生物酶催化生成的明胶-壳聚糖凝胶不发生可逆的溶胶-凝胶转变;拉伸试验和溶解测试结果表明,与未经酶修饰的明胶/壳聚糖生物材料相比,双生物酶修饰的明胶-壳聚糖生物材料的拉伸强度以及在溶液中的稳定性均得到明显改善;另外,与纯明胶相比,该材料显示出更好的对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制作用。
最后,我们制备了采用微生物转谷氨酰胺酶修饰的明胶/纳米银复合材料,希望利用微生物转谷氨酰胺酶的修饰作用有效改善材料的力学性能和稳定性,利用纳米银具有的优异抗菌作用有效提高材料的抗菌性能。测试结果表明,微生物转谷氨酰胺酶能够催化明胶/纳米银体系形成凝胶;经过酶修饰的明胶/纳米银复合材料的拉伸强度以及在水体系中的稳定性均得到改善;抗菌测试表明,该材料相比于明胶材料对金黄色葡萄球菌具有更好的抑制作用。
本工作将为采用酪氨酸酶和微生物转谷氨酰胺酶作为修饰剂,进行明胶和壳聚糖生物材料的制备及修饰研究提供新方法和新思路,所制备的生物材料在人造皮肤、伤口敷料以及愈合剂等生物材料领域将具有广泛的应用价值。同时,也希望将这种采用生物酶进行构建修饰的方法推广应用到其它高分子材料(包括天然高分子或生物大分子材料)的构建修饰研究中,为其提供重要的理论和实践依据。