二氧化硅封装的生物材料制造技术

本发明专利技术涉及用于在二氧化硅基质中封装生物材料的组合物。本发明专利技术包括用于形成二氧化硅基质封装的生物材料的组合物。所述组合物包括反应性硅化合物和具有催化活性的生物材料。当封装在所述二氧化硅基质中时，所述生物材料至少部分保持其催化活性。本发明专利技术还涉及制备二氧化硅基质封装的生物材料的方法，以及使用二氧化硅基质封装的生物材料的方法，包括使用所述二氧化硅基质封装的生物材料处理水或气体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二氧化硅封装的生物材料有关政府支持的声明本专利技术是依据美国国家科学基金会(National Science Foundation,NSF)所授予的资助项目号0644784在政府的支持下完成。美国政府在本专利技术中享有某些权利。

技术介绍
生物材料通常展现可在多种应用中具有效用的特性。生物材料的代谢功能性可广泛应用于生物技术(例如，生物感测、生物催化、生物治理和生物反应器)、医学(例如，再生医学、组织工程和重组蛋白质制造)及具有改进的功能和结构特性的新杂化材料中。生物材料所展现的有用特性的一个实例是酶所展现的催化活性。举例来说，酶的催化活性可用于在化学实验室中小规模进行的化学转化、大规模工业化学品制造或纯化操作、农业环境、食品及水处理中。生物材料的自然状态常常很难加以利用。不通过某种方式固定生物材料就很难实现上文描述的有用应用。如果没有固定，那么具有有用活性的酶或者表达具有有用活性的酶的微生物会很容易从所希望的施用部位洗掉。固定可允许重复利用，而无需分离和纯化酶或者添加新的催化剂。然而，为了实现酶有用活性的实际应用，微生物的成功固定取决于具有足够机械强度的高度生物相容性封装材料，所述封装材料容许例如O2、养分、电解质等小分子的进入以及有毒代谢物、激素和其它生物活性化合物的排出。尽管曾尝试使用各种基质和技术来固定微生物，但用于细胞封装的传统材料由于生物材料在较长时间段内的不稳定性而限制了生物技术和医学应用的发展。稳定性的问题可包括由固定的酶或由固定的表达特定酶的微生物所表现的有限的催化活性抑或没有催化活性。稳定性的问题有时也可包括微生物的死亡，不过未必所有应用中都需要微生物的短期或长期存活。此外，可通过代谢活性封装的细胞彻底地改变用于细胞封装的合成和天然聚合物材料的机械特性。过去，在大分子、尤其是微生物的固定方面已经历许多问题。举例来说，当使用二氧化硅纳米粒子固定微生物时，微生物中的蛋白质会被吸附到二氧化硅纳米粒子中，这可能使吸附的蛋白质变性和聚集，并因此丧失结构和催化活性。当温度升高时，传统的微生物固定方案也可能导致吸附和变性。当封装程序包括水解或缩合步骤时，所述程序可能需要额外的步骤来去除水解或缩合反应的副产物。当封装程序包括使用例如硅酸钠或硅酸钾等胶状前驱物时，可能需要去除钠离子或钾离子。莠去津(Atrazine)是一种广泛使用的除草剂。因此，可以在土壤、地下水和地表水中发现莠去津。当前，鉴别一种将莠去津转化成羟基莠去津的有效方式引起了广泛关注。羟基莠去津是不受管制的，其对土壤颗粒的吸附比莠去津紧密，并且在环境中也降解得更快。莠去津的治理方法有很多，并 且包括使用游离酶(莠去津氯水解酶)或表达这些酶的微生物。当使用酶或微生物时，经常将其添加到土壤中以消除污染物。然而，此方法对于水处理应用来说并不实用。需要一种能够固定微生物同时保持其酶能力的方法。
技术实现思路
本专利技术提供用于在二氧化硅基质中封装生物材料的组合物。本专利技术还提供制备二氧化硅基质封装的生物材料的方法，以及使用二氧化硅基质封装的生物材料的方法。本专利技术提供了优于过去的生物材料封装组合物和方法的某些意外并且有益的方面。举例来说，由本专利技术的组合物和方法封装的生物材料在封装较长时间段后仍保持其有用的活性，这可以实现所述生物材料的有用并且实用的应用。本专利技术的组合物和方法的实施例有助于避免封装的生物材料的变性和失活。在本专利技术一些实施例中，二氧化硅基质封装的微生物和其中的化合物甚至在苛刻的PH或温度条件下也保持其结构和活性。本专利技术的一些实施例可避免去除水解或缩合副产物的额外步骤。本专利技术的一些实施例可避免去除例如钠或钾等离子的额外步骤。在本专利技术一个实施例中，可表达将莠去津化学转化成其它化合物的酶的微生物可经过固定而保持有用的酶活性，从而允许酶实际用于降低水或其它介质中的莠去津含量。本专利技术提供一种用于形成二氧化硅基质封装的生物材料的组合物。所述组合物包括反应性硅化合物。所述组合物还包括生物材料。所述生物材料在封装前具有催化活性。本专利技术的组合物使得当生物材料被封装在二氧化硅基质中时，所述生物材料至少部分保持其在封装之前所具有的催化活性。本专利技术提供一种用于制备二氧化硅基质封装的生物材料的方法。所述方法包括提供反应性硅化合物。所述方法还包括添加生物材料。所述生物材料在封装前具有催化活性。所述方法还包括由反应性硅组合物形成二氧化硅封装的生物材料。二氧化硅封装的生物材料至少部分保持其在封装之前所具有的催化活性。本专利技术提供一种用于形成二氧化硅基质封装的细菌的组合物。所述组合物包括反应性娃化合物。所述组合物还包括细菌。所述细菌在封装前具有催化活性。所述细菌的催化活性可能归因于例如由细菌表达的酶。所述组合物还包括有机前驱物。所述有机前驱物包括合成聚合物或单体、天然聚合物或单体、氨基酸、糖或多糖中至少一者。组合物的pH值经过充分地调整以允许形成二氧化硅基质封装的细菌。二氧化硅基质封装的细菌可在约5分钟到约24小时内形成。二氧化硅封装的细菌完全或部分地保持其在封装之前所具有的催化活性。本专利技术提供一种用于形成二氧化硅基质封装的细菌的组合物。所述组合物包括反应性硅化合物。所述组合物还包括细菌。所述细菌表达莠去津氯水解酶。所述细菌在封装前具有催化活性。所述细菌的催化活性可能归因于由细菌表达的莠去津氯水解酶。所述组合物还包括有机前驱物。所述有机前驱物包括合成聚合物或单体、天然聚合物或单体、氨基酸、糖或多糖中至少一者。组合物的PH值可经过充分地调整以允许形成二氧化硅基质封装的细菌。二氧化硅基质封装的细菌可在约5分钟到约24小时内形成。二氧化硅封装的细菌至少部分保持其在封装之前所具有的催化活性。本专利技术提供一种制备二氧化硅基质封装的细菌的方法。所述方法包括提供反应性硅化合物。所述方法还包括添加有机前驱物。所述有机前驱物包括至少一种合成聚合物或单体、天然聚合物或单体、氨基酸、糖或多糖。所述方法还包括添加细菌。所述细菌在封装前具有催化活性。所述细菌的催化活性可能归因于例如由细菌表达的酶。所述方法包括充分地调整反应性硅化合物组合物的PH值以使组合物在约5分钟到约24小时内胶凝。所述方法还包括由反应性硅组合物形成二氧化硅封装的细菌。二氧化硅封装的细菌至少部分保持其在封装之前所具有的催化活性。本专利技术提供一种处理介质的方法。所述方法包括使含有化学品的介质暴露于生物材料。所述生物材料具有催化能力，包括将所述化学品转变成一种不同的化学品。接触足以将至少一部分化学品转化成一种不同的化学品。所述生物材料被封装在二氧化硅基质中。所述介质的具体实例包括水或气体，或其组合。所述处理介质的方法的具体实例包括处理含莠去津的水、液压破裂法(fracking)的水的方法，或处理气体(包括气体混合物中所包括的气体或溶解于液体中的气体)的方法。本专利技术提供一种处理水的方法。所述方法包括使水暴露于具有催化能力的生物材料。所述催化能力包括将一种化学品转变成较低毒性的化合物。所述生物材料被封装在二氧化硅基质中。本专利技术提供一种处理液压破裂的水的方法。所述方法包括使液压破裂的水暴露于具有催化能力的生物材料。所述催化能力包括将一种液压破裂的化学品转变成较低毒性的化合物。所述生物材料被封装在二氧化硅基质中。本专利技术提供一种处理含本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成二氧化硅基质封装的生物材料的组合物，其包含：反应性硅化合物；及具有催化能力的生物材料；其中所述二氧化硅封装的生物材料至少部分保持其催化能力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.22 US 61/445,2041.一种用于形成二氧化硅基质封装的生物材料的组合物，其包含: 反应性娃化合物；及 具有催化能力的生物材料； 其中所述二氧化硅封装的生物材料至少部分保持其催化能力。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述二氧化硅封装的生物材料的催化能力包含将莠去津转变成不同的化合物；将液压破裂的化学品转变成较低毒性的化合物；或将气体转变成不太易燃、不太易爆炸或较低毒性的化合物。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述生物材料包含细菌、古细菌、原生生物、真菌或酶中至少一者。4.根据权利要求1所述的组合物，其中酶引起所述催化活性的至少一部分，或其中所述生物材料表达至少一种引起所述催化活性的至少一部分的酶。5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述生物材料表达莠去津氯水解酶AtzA。6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述反应性硅化合物包含硅烷醇。7.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含水。8.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含有机前驱物。9.根据权利要求8所述的组合物，其中所述有机前驱物包含合成聚合物或单体、天然聚合物或单体、或氨基酸中至少一者。10.根据权利要求1所述的组合物，其进一步包含二氧化硅。11.一种由根据权利要求1所述的组合物形成的二氧化硅基质封装的生物材料。12.—种制备二氧化硅基质封装的...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦斯·P·瓦克特，阿尔普泰金·阿克桑，米凯尔·J·萨多夫斯基，爱德华多·雷亚蒂克，莉萨·卡辛卡斯，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US