[发明专利]一种基于共价有机框架材料胶囊的大空间生物反应器的制备

说明书

本发明针对传统的酶固定化法存在的问题，首次制备了负载生物分子的胶囊COF结构。首先，通过一锅法用MOFs固定酶，既可以作为制备COFs的模板，又能在这个过程中对生物分子提供保护作用。然后在温和的条件下对MOFs进行降解，得到空心COF胶囊。腔体结构一方面提供一个限域的微环境提高酶分子对外部环境的抵抗力，同时最大限度赋予酶分子的自由度。COFs的孔道结构还能保证传质过程的顺利进行。这种策略具有普适性，不受限于生物分子的大小。另外，COF结构包括孔道尺寸，微环境等可调，可以用于探究结构性能关系，实现不同生物分子，不同底物的可定制化，指导制备更高效的生物反应器。

技术领域

本发明涉及固定化酶技术领域，具体涉及一种以可降解材料为模板的共价有机框架材料胶囊结构的制备策略，以及其在酶固定化中的应用。

背景技术

酶具有种类多，来源广的特点，酶催化反应具有高效性，专一性等优点。研究酶学被视为实现绿色化学和可持续发展的重要技术手段。但是其自身的一些局限如不稳定性，循环催化性能差等限制了酶的广泛应用。固定化酶技术的发展为酶的应用开拓了广阔的前景，提高了其稳定性和循环利用性。在节能，环保、生产自动化、连续化等方面都具有十分重要的意义。也为生物微型装置、人工细胞以及亚细胞器的构建提供了可能，一直是众多学者的研究焦点之一。

传统的固定化酶技术也存在一些缺点：1)酶通常是被固定在一个有限的空间，不能自由流动，而作为柔性分子的酶发挥作用很大程度上是依赖于自由度的提高；2)固定的酶表面基团甚至活性中心通常会受到一些程度的物理挤压，使酶的构象改变，进而损失酶活；3)存在较强的传质阻力，使得催化反应只在表面进行，活性较低，这些缺点尤其对于一些多亚基蛋白，以及需要多种蛋白参与的协同反应尤为不利。这一问题也引起了不同领域研究者的广泛关注；4)负载率低，泄露量大也是普遍存在的一项挑战。因此开发一种新的材料和技术，能发挥材料限域效应的优势，最大限度保留蛋白的自由度，同时能优化底物通路设计，减少传质阻力，能极大推动这一领域的发展。

自然界中的多数生物体通过长期进化，具有的一个典型特征是被生物膜分隔成的封闭的区室结构，这种精妙的限域腔体，为各种酶的附着提供非常大的比表面积，可以保护内部生物分子不受外部环境的干扰，不断与周围环境进行物质交换和信息交流，并对环境做出适当应答，腔体结构又能赋予其内部的物质足够的自由度，以维持细胞和生命个体的稳态和发展。启发于这种生命现象，空心结构可以克服限域酶体系的一些缺点，成为固定化酶所用载体的一种潜在形态。目前为止，可以用作制备胶囊结构的材料主要是一些有机聚合物，无机粒子等。这些材料结构大部分具有无序性，难以功能化的缺点。限制了其在酶固定化领域的应用。新型功能化材料的开发可以给这个领域注入新鲜的血液。

材料科学的飞速发展为这一领域的发展带来的新的生机。共价有机框架材料(COFs)一类新型的多孔晶体材料。它是是由一些轻的化学元素(H,B,C,N,O)通过共价键作用结合形成的。具有比表面积高、结构多样、易于功能化等优点，近年在合成和应用方面引起了众多学者的广泛关注。由于COFs材料具有很高的化学稳定性，无金属离子，功能可调节，长程有序等优点，在固定化酶方面具有很大的应用潜力。但是目前为止，用COFs固定酶的研究还处于起始阶段，大部分COFs材料都需要在高温、强酸等环境下合成，这些苛刻的条件使得通过一步法制备负载酶的COFs胶囊结构难以实现。COFs材料固定酶主要是依赖于孔吸附法和共价固定法。通常存在吸附量低，泄露量大等缺点。另外，大部分酶的尺寸比较大，超过了目前报道的绝大部分COFs孔道尺寸，COFs材料对于这些酶的固定仍存在巨大挑战。开发新的COFs材料以及固定化策略具意义重大。

发明内容