论文标题：Dendrimer-induced synthesis of porous organosilica capsules for enzyme encapsulation

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Ziyi Chu, Boyu Zhang, Zhenhua Wu, Jiaxu Zhang, Yiran Cheng, Xueying Wang, Jiafu Shi, Zhongyi Jiang

发表时间：15 Apr 2024

DOI：10.1007/s11705-024-2400-x

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酶催化技术因其高效性和环境友好性，被视为绿色化学合成的重要工具，但游离酶在实际应用中面临易失活、难回收等瓶颈，限制了其规模化应用。为解决这一问题，研究人员常通过固定化技术将酶封装于载体材料中以提升其稳定性与可重复利用性。传统有机硅材料虽具备良好的化学稳定性和生物相容性，但其致密结构会阻碍底物扩散，导致催化效率降低。近年来，受生物矿化过程的启发，利用诱导剂调控材料结构成为改善载体性能的新思路。

天津大学石家福团队在《化学科学与工程前沿》（英文）期刊发表了研究文章“Dendrimer-induced synthesis of porous organosilica capsules for enzyme encapsulation”。本研究以树枝状大分子聚酰胺-胺（PAMAM）为诱导剂，构建了多孔有机硅-PAMAM网络（OSPN）胶囊，用于高效封装甘露糖异构酶（MIase），并系统地探究了其对催化性能的调控机制。

研究采用硬模板法合成了MIase@OSPN胶囊（图1）。首先将MIase包埋于掺杂聚苯乙烯磺酸钠（PSS）的CaCO?微球中，随后以正硅酸乙酯（TEOS）和氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为前体，在PAMAM诱导下于微球表面形成有机硅-PAMAM网络。通过乙二胺四乙酸（EDTA）去除模板后，获得中空多孔胶囊。为了探究PAMAM的调控作用，系统地测试了不同分子量（571–14215 Da）和浓度（0.05–0.8 g·L^-1）下胶囊的结构与性能。

图1 MIase@OSPN合成及催化过程示意图

透射电子显微镜（TEM）显示，OSPN胶囊壁厚达120 nm，显著厚于无PAMAM的OSN胶囊（76 nm）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）与X射线光电子能谱（XPS）证实，PAMAM的氨基基团与硅氧网络形成稳定的相互作用，它的引入增强了胶囊的无机组分比例（图2）。氮气吸附－脱附实验进一步表明，OSPN胶囊的主孔尺寸为1.67 nm，比表面积和孔容随PAMAM分子量及浓度的变化呈现先增长后减少的趋势。当PAMAM分子量为3256 Da、浓度为0.4 g·L^-1时，胶囊比表面积达70.280 m²·g^-1，孔容为0.239 cm³·g^-1（图3），为底物传输提供了理想的通道。

图2 （a,b）OSPN和OSN胶囊的TEM图，OSPN和OSN胶囊的（c）FT-IR图，（d–f）XPS图，（g）孔径分布，以及（h）TGA图

图3 不同浓度PAMAM下OSPN胶囊的（a–c）TEM图，（d）FT-IR图，以及（e–g）孔径分布图

在催化性能测试中，MIase@OSPN体系催化D-果糖转化为甘露糖的产率达到22.24%，与游离酶活性相当，显著高于MIase@OSN体系的18.53%。动力学分析显示，该体系对D-果糖的米氏常数（Km）为33.36 mmol·L^-1，最大反应速率（Vmax）为0.060 mmol·L^-1·min^-1，催化效率（kcat）达0.556 s^-1·mmol^-1·L，表明其兼具高底物亲和力和高反应速率。稳定性实验显示，MIase@OSPN在pH 4–10和40–80 °C范围内保持高活性，尤其在80 °C时相对产率达90.08%，较游离酶提升了23.05%；循环使用12次后，体系仍保留50.97%的初始产率，展现出了优异的可重复利用性（图4）。

图4 （a,d）MIase@OSN体系和MIase@OSPN体系的产率；（b,e）kcat/Km；（c,f）不同分子量和不同浓度的PAMAM条件下，MIase@OSPN的泄漏率；（g）MIase、MIase@OSN和MIase@OSPN在不同pH孵育条件下的稳定性；（h）不同温度孵育条件下的情况；（i）MIase@OSN和MIase@OSPN的可重复使用性

本研究揭示了PAMAM在调控有机硅网络中的双重作用：一方面，其分支结构提供了丰富的交联位点，促进有序孔道的形成；另一方面，氨基基团与硅氧前体的相互作用增强了网络。相较于传统线性诱导剂，PAMAM的拓扑结构赋予胶囊更高的结构可调性与机械强度，从而平衡了底物扩散与酶保护的需求。值得注意的是，PAMAM浓度过高（>0.4 g·L^-1）会导致孔容下降，表明反应需要在生物相容性与传质效率间寻求平衡。这一成果不仅深化了对有机硅材料结构-性能关系的理解，也为绿色化学制造提供了高效、可持续的解决方案。

引用信息

Ziyi Chu, Boyu Zhang, Zhenhua Wu, Jiaxu Zhang, Yiran Cheng, Xueying Wang, Jiafu Shi, Zhongyi Jiang. Dendrimer-induced synthesis of porous organosilica capsules for enzyme encapsulation. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(4): 39

https://doi.org/10.1007/s11705-024-2400-x

本文来自

Special Issue—Catalysis for a sustainable future

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-024-2400-x

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