基本信息
- 項目名稱：
- 生物磁分離分析用高磁響應(yīng)超順磁微球--基于PICA方法
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 磁珠材料可用于制備各種生物分離分析試劑，在細胞分選、核酸分離、臨床診斷等領(lǐng)域有廣泛而重要的應(yīng)用。然而此類材料國內(nèi)尚無法進行商業(yè)化生產(chǎn)，原料來源依賴進口，價格昂貴，嚴重制約了這種技術(shù)的推廣應(yīng)用。 本項目首次引入PICA技術(shù)于磁珠材料的生產(chǎn)領(lǐng)域，開發(fā)出基于PICA技術(shù)的新型磁珠材料生產(chǎn)工藝，通過各種表征手段的分析，我們制得的磁性微球體材料的磁含量高，達到69.2%，達到全球最大磁珠試劑制造商Dynal產(chǎn)品的4倍以上。產(chǎn)品粒徑均一度較好，平均粒徑2.2μm，變異系數(shù)6.8%。產(chǎn)品可與抗體進行交聯(lián)，制備成各種類型的免疫診斷試劑，相關(guān)研究成果已提出專利申請。 我們所建立的生產(chǎn)工藝步驟少，原料價格低廉，具有很好的商業(yè)化應(yīng)用前景。
- 詳細介紹：
- 生物磁分離分析技術(shù)是新興的重要分離分析技術(shù)，而磁珠材料則是這種技術(shù)的核心所在。以磁珠為原料制備用于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和臨床治療的各種磁分離分析試劑，在蛋白質(zhì)分離、免疫診斷、核酸分析、生物芯片等方面已經(jīng)起到重要的作用。 當前磁珠材料的商業(yè)化制備技術(shù)為Dynal(美國)、Prolabo(法國)、Millipore(德國)公司所壟斷，其產(chǎn)品性能穩(wěn)定、粒徑均一、表面活性基團豐富，但工藝流程復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、磁響應(yīng)性較弱、產(chǎn)品價格昂貴。由于此項產(chǎn)品技術(shù)壁壘較高，國內(nèi)商業(yè)化產(chǎn)品在性能指標方面尚無法達到上述公司的水平。 首次引入用于色譜柱制備領(lǐng)域的PICA(Polymerization induced Colloid Aggregation)，即聚合反應(yīng)誘導(dǎo)的膠體聚集技術(shù)，解決了其他技術(shù)在提高產(chǎn)品磁含量方面已無法實現(xiàn)明顯突破這一缺陷。在達到了上述公司產(chǎn)品性能指標的同時，工藝流程得到簡化、反應(yīng)條件更易實現(xiàn)、磁響應(yīng)性得到提高，生產(chǎn)成本和產(chǎn)品價格顯著降低，有望打破歐美公司對此技術(shù)的壟斷。 基于PICA技術(shù)的磁性微球體材料合成方法由磁流體制備、脲醛樹脂的交聯(lián)和甲醛固化以及丙烯酰胺-丙烯酸共聚物包覆組成。通過此技術(shù)得到的產(chǎn)品，在“磁響應(yīng)性”這一主要性能指標方面取得了的突破，比飽和磁化強度達到37.493 emu/g，為全球最大的磁珠生產(chǎn)商Dynal公司產(chǎn)品9.3emu/g的四倍以上，同時剩余磁矯頑力為0.67705emu/g，具有超順磁特性。此外其他性能指標：材料的平均粒徑、粒徑均一度、單分散性、變異系數(shù)和交聯(lián)率均已達到Dynal公司產(chǎn)品的標準。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 發(fā)明目的：制備可替代進口同類產(chǎn)品的，粒徑均一、磁響應(yīng)性好、具有生物交聯(lián)活性表面的磁性微球材料。 基本思路：首先以尿素為穩(wěn)定劑制備穩(wěn)定的四氧化三鐵膠體（磁流體）；而后加入甲醛利用PICA方法制備出粒徑均一、磁響應(yīng)性較好的磁性微球；最后通過種子聚合法在微球表面包覆上一層丙烯酰胺——丙烯酸的共聚物外殼，制備出具有豐富表面基團的核殼式微球。 創(chuàng)新點： 1.首次將用于色譜柱制備的PICA方法引入磁性微球體材料制備領(lǐng)域。 2.通過PICA方法在磁響應(yīng)性、超順磁性、粒徑均一度和單分散性幾個主要性能指標方面得到較大突破。 3.首創(chuàng)基于種子聚合法制備包覆丙烯酰胺-丙烯酸共聚物外殼的核殼式磁性微球的新工藝。 技術(shù)關(guān)鍵： 1.制備有機-無機磁性微球材料的PICA合成技術(shù)。 2.包覆丙烯酰胺-丙烯酸共聚物外殼的種子聚合技術(shù)。 主要技術(shù)指標： 比飽和磁化強度為37.493emu/g 比剩余磁矯頑力為0.67705emu/g 平均粒徑為2.2μm，粒徑均一度高，變異系數(shù)為6.8% BSA(牛血清白蛋白)交聯(lián)率為41%
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性： 1.PICA所制得的微球之間存在較多的粘連、團聚現(xiàn)象。在充分考察PICA方法的反應(yīng)過程和微球形成的微觀機理之后，采用控制反應(yīng)時間、加入分散劑的方式，解決了團聚問題，成功制備具有磁響應(yīng)性好、粒徑均一的超順磁微球材料。 2.聚丙烯酰胺材料具有良好的生物交聯(lián)特性。采用種子聚合方法，在利用PICA方法聚合得到的磁性微球表面包覆丙烯酰胺—丙烯酸共聚物殼層，獲得具有良好交聯(lián)活性表面的磁性微球材料。 先進性： 1.產(chǎn)品的比飽和磁化強度達到37.493 emu/g，為全球最大的磁珠生產(chǎn)商Dynal公司產(chǎn)品M 280的9.3emu/g四倍以上，比剩余磁矯頑力為0.67705emu/g，具有良好的超順磁特性；平均粒徑為2.2μm，粒徑均一度高（變異系數(shù)6.8%）均達到商業(yè)化應(yīng)用要求。 2.產(chǎn)品生產(chǎn)成本低廉，在計入包括化學(xué)原料、生產(chǎn)設(shè)備折舊以及人工費用的情況下，利用PICA方法制備的磁珠材料的成本每克不超200元人民幣，技術(shù)附加值十分可觀。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.研究成果已經(jīng)申請發(fā)明專利（申請?zhí)枺?00910022242.X，第一作者為某同學(xué)（本科））； 2.同“河南省體外診斷試劑研發(fā)中心”鄭州安圖綠科生物工程有限公司簽署合作協(xié)議，已進入生產(chǎn)階段，并獲得相關(guān)產(chǎn)品的使用反饋報告； 3.受邀參加“2009中國生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合學(xué)術(shù)年”，第一作者某同學(xué)將進行大會報告，且研究成果已整理成論文并投稿至JACS(美國化學(xué)學(xué)會會刊)雜志； 4.作為大陸五支代表隊之一入選參加“2009年香港國際青年創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽”； 5．本?！疤魬?zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 已與鄭州安圖綠科生物工程有限公司簽署合作協(xié)議，產(chǎn)品已用于相關(guān)診斷試劑的研究與生產(chǎn)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)，成果共享。
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；現(xiàn)場演示；圖片；錄像；樣品。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 磁珠材料的市場前景十分廣闊。磁珠免疫診斷試劑作為“第三代免疫診斷試劑”，在常規(guī)免疫檢測以及HLA配型檢測等方面具有巨大優(yōu)勢，商業(yè)化產(chǎn)品現(xiàn)已在國內(nèi)成功應(yīng)用于乙肝、登革熱等疾病的快速檢測。未來5年國內(nèi)臨床診斷市場的年增長率將高達15%~24%。預(yù)計在2012年左右，磁珠免疫診斷試劑的市場需求將達到臨床免疫診斷試劑市場總額的25%，即5.9億元左右。 進口磁珠產(chǎn)品的價格十分昂貴，許多磁珠試劑的售價都在每份數(shù)百至數(shù)千美元（Dynal的產(chǎn)品的平均價格為11000元/g）。若內(nèi)進行磁珠材料的國產(chǎn)化生產(chǎn)，降低產(chǎn)品價格，則將具有相當?shù)氖袌龈偁幜?。磁珠材料本身的物料成本十分低廉，一般來說，在計入包括化學(xué)原料、生產(chǎn)設(shè)備折舊以及人工費用的情況下，利用PICA方法制備的磁珠材料的成本每克不超200元人民幣，項目的盈利能力十分可觀。
同類課題研究水平概述
- 二十世紀八十年代后期，相繼發(fā)展了多種制備磁性微球材料的技術(shù)與理論，主要有以下三種： 1.Gurnee, Chao hueiwang, Dinesh等人提出的以乳液聚合為主的技術(shù)方案：先利用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4磁粉。接著乳液聚合制備1-10μm的聚苯乙烯種子顆粒。將磁粉和聚苯乙烯種子顆?；靹?，進行第二次乳液聚合磁粉將在種子表面包覆生長。再加入功能單體和交聯(lián)劑，進行第三次乳液聚合，功能單體在磁粉包覆層表面生長出第三層結(jié)構(gòu)。上述方法存在以下缺陷：(1)由于磁粉僅生長在兩高分子層之間，生長空間極為有限，故磁粉含量很低。(2)由于表面功能層太薄，不能嚴密包覆，存在較多表面缺陷。(3)制備工藝復(fù)雜。另外交聯(lián)蛋白質(zhì)等完全依賴于表面功能基團的化學(xué)聯(lián)接，其含量有限，不能滿足某些領(lǐng)域的應(yīng)用。 2.Labib, Robertson, Leahy等人提出的磁粉直接與有機單體一步乳液聚合制備微球的技術(shù)方案：單個分散的μm級的磁粉粒子本身成為乳液聚合的種子，在其表面生長高分子包覆層，形成單磁粉顆粒微球。國內(nèi)邱廣明等人用此方法制備的微球其含鐵量僅為0.0067%。顆粒大小也很不好控制。 3.挪威Trondheim大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所的J.Ugelstad教授等提的溶脹—原位還原方案，其要點包括：(1)用有機單體的乳液聚合技術(shù)制備了直徑在0.5—1.0μm范圍的聚合物種子，(2)通過對膨脹劑和膨脹過程的控制，制備出所要求的單一尺度的多孔結(jié)構(gòu)的聚合物顆粒。(3)將多孔聚合物顆粒置于高壓密閉容器中，使Fe2+和Fe3+鐵鹽滲入多孔微球中，通過氧化，最終形成磁性鐵氧體顆粒。(4)利用乳液聚合方法，使功能基高分子單體在多孔微球表面進行封孔聚合，并在表面形成功能高分子基團層。該方法可顯著提高磁性微球的含鐵量，可高達20%w/wJ.但是Ugelstad教授的設(shè)計也存在較明顯的缺陷，因為聚合后的多孔微球的內(nèi)孔表面是疏水結(jié)構(gòu)，而形成的磁性氧化鐵顆粒表面是親水結(jié)構(gòu)，兩相的不兼容性使整個制備過程必須在高壓下進行，含鐵量的增加也是靠控制外界壓力而得到的，沒有從有機無機復(fù)合的界面構(gòu)造去設(shè)計。故制備方案復(fù)雜，成本過高。 我國在磁珠材料領(lǐng)域的研究起步較晚，研究大多停留在探究性層面，國內(nèi)尚無法進行磁珠材料的商業(yè)化生產(chǎn)。
