基本信息
- 项目名称：
- 生物磁分离分析用高磁响应超顺磁微球--基于PICA方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 磁珠材料可用于制备各种生物分离分析试剂，在细胞分选、核酸分离、临床诊断等领域有广泛而重要的应用。然而此类材料国内尚无法进行商业化生产，原料来源依赖进口，价格昂贵，严重制约了这种技术的推广应用。 本项目首次引入PICA技术于磁珠材料的生产领域，开发出基于PICA技术的新型磁珠材料生产工艺，通过各种表征手段的分析，我们制得的磁性微球体材料的磁含量高，达到69.2%，达到全球最大磁珠试剂制造商Dynal产品的4倍以上。产品粒径均一度较好，平均粒径2.2μm，变异系数6.8%。产品可与抗体进行交联，制备成各种类型的免疫诊断试剂，相关研究成果已提出专利申请。 我们所建立的生产工艺步骤少，原料价格低廉，具有很好的商业化应用前景。
- 详细介绍：
- 生物磁分离分析技术是新兴的重要分离分析技术，而磁珠材料则是这种技术的核心所在。以磁珠为原料制备用于科学研究、工业生产和临床治疗的各种磁分离分析试剂，在蛋白质分离、免疫诊断、核酸分析、生物芯片等方面已经起到重要的作用。 当前磁珠材料的商业化制备技术为Dynal(美国)、Prolabo(法国)、Millipore(德国)公司所垄断，其产品性能稳定、粒径均一、表面活性基团丰富，但工艺流程复杂、反应条件苛刻、磁响应性较弱、产品价格昂贵。由于此项产品技术壁垒较高，国内商业化产品在性能指标方面尚无法达到上述公司的水平。 首次引入用于色谱柱制备领域的PICA(Polymerization induced Colloid Aggregation)，即聚合反应诱导的胶体聚集技术，解决了其他技术在提高产品磁含量方面已无法实现明显突破这一缺陷。在达到了上述公司产品性能指标的同时，工艺流程得到简化、反应条件更易实现、磁响应性得到提高，生产成本和产品价格显著降低，有望打破欧美公司对此技术的垄断。 基于PICA技术的磁性微球体材料合成方法由磁流体制备、脲醛树脂的交联和甲醛固化以及丙烯酰胺-丙烯酸共聚物包覆组成。通过此技术得到的产品，在“磁响应性”这一主要性能指标方面取得了的突破，比饱和磁化强度达到37.493 emu/g，为全球最大的磁珠生产商Dynal公司产品9.3emu/g的四倍以上，同时剩余磁矫顽力为0.67705emu/g，具有超顺磁特性。此外其他性能指标：材料的平均粒径、粒径均一度、单分散性、变异系数和交联率均已达到Dynal公司产品的标准。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：制备可替代进口同类产品的，粒径均一、磁响应性好、具有生物交联活性表面的磁性微球材料。 基本思路：首先以尿素为稳定剂制备稳定的四氧化三铁胶体（磁流体）；而后加入甲醛利用PICA方法制备出粒径均一、磁响应性较好的磁性微球；最后通过种子聚合法在微球表面包覆上一层丙烯酰胺——丙烯酸的共聚物外壳，制备出具有丰富表面基团的核壳式微球。 创新点： 1.首次将用于色谱柱制备的PICA方法引入磁性微球体材料制备领域。 2.通过PICA方法在磁响应性、超顺磁性、粒径均一度和单分散性几个主要性能指标方面得到较大突破。 3.首创基于种子聚合法制备包覆丙烯酰胺-丙烯酸共聚物外壳的核壳式磁性微球的新工艺。 技术关键： 1.制备有机-无机磁性微球材料的PICA合成技术。 2.包覆丙烯酰胺-丙烯酸共聚物外壳的种子聚合技术。 主要技术指标： 比饱和磁化强度为37.493emu/g 比剩余磁矫顽力为0.67705emu/g 平均粒径为2.2μm，粒径均一度高，变异系数为6.8% BSA(牛血清白蛋白)交联率为41%
科学性、先进性
- 科学性： 1.PICA所制得的微球之间存在较多的粘连、团聚现象。在充分考察PICA方法的反应过程和微球形成的微观机理之后，采用控制反应时间、加入分散剂的方式，解决了团聚问题，成功制备具有磁响应性好、粒径均一的超顺磁微球材料。 2.聚丙烯酰胺材料具有良好的生物交联特性。采用种子聚合方法，在利用PICA方法聚合得到的磁性微球表面包覆丙烯酰胺—丙烯酸共聚物壳层，获得具有良好交联活性表面的磁性微球材料。 先进性： 1.产品的比饱和磁化强度达到37.493 emu/g，为全球最大的磁珠生产商Dynal公司产品M 280的9.3emu/g四倍以上，比剩余磁矫顽力为0.67705emu/g，具有良好的超顺磁特性；平均粒径为2.2μm，粒径均一度高（变异系数6.8%）均达到商业化应用要求。 2.产品生产成本低廉，在计入包括化学原料、生产设备折旧以及人工费用的情况下，利用PICA方法制备的磁珠材料的成本每克不超200元人民币，技术附加值十分可观。
获奖情况及鉴定结果
- 1.研究成果已经申请发明专利（申请号：200910022242.X，第一作者为某同学（本科））； 2.同“河南省体外诊断试剂研发中心”郑州安图绿科生物工程有限公司签署合作协议，已进入生产阶段，并获得相关产品的使用反馈报告； 3.受邀参加“2009中国生物医学工程联合学术年”，第一作者某同学将进行大会报告，且研究成果已整理成论文并投稿至JACS(美国化学学会会刊)杂志； 4.作为大陆五支代表队之一入选参加“2009年香港国际青年创新挑战赛”； 5．本校“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 已与郑州安图绿科生物工程有限公司签署合作协议，产品已用于相关诊断试剂的研究与生产。
技术转让方式
- 合作开发，成果共享。
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片；录像；样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 磁珠材料的市场前景十分广阔。磁珠免疫诊断试剂作为“第三代免疫诊断试剂”，在常规免疫检测以及HLA配型检测等方面具有巨大优势，商业化产品现已在国内成功应用于乙肝、登革热等疾病的快速检测。未来5年国内临床诊断市场的年增长率将高达15%~24%。预计在2012年左右，磁珠免疫诊断试剂的市场需求将达到临床免疫诊断试剂市场总额的25%，即5.9亿元左右。 进口磁珠产品的价格十分昂贵，许多磁珠试剂的售价都在每份数百至数千美元（Dynal的产品的平均价格为11000元/g）。若内进行磁珠材料的国产化生产，降低产品价格，则将具有相当的市场竞争力。磁珠材料本身的物料成本十分低廉，一般来说，在计入包括化学原料、生产设备折旧以及人工费用的情况下，利用PICA方法制备的磁珠材料的成本每克不超200元人民币，项目的盈利能力十分可观。
同类课题研究水平概述
- 二十世纪八十年代后期，相继发展了多种制备磁性微球材料的技术与理论，主要有以下三种： 1.Gurnee, Chao hueiwang, Dinesh等人提出的以乳液聚合为主的技术方案：先利用化学共沉淀法制备Fe3O4磁粉。接着乳液聚合制备1-10μm的聚苯乙烯种子颗粒。将磁粉和聚苯乙烯种子颗粒混匀，进行第二次乳液聚合磁粉将在种子表面包覆生长。再加入功能单体和交联剂，进行第三次乳液聚合，功能单体在磁粉包覆层表面生长出第三层结构。上述方法存在以下缺陷：(1)由于磁粉仅生长在两高分子层之间，生长空间极为有限，故磁粉含量很低。(2)由于表面功能层太薄，不能严密包覆，存在较多表面缺陷。(3)制备工艺复杂。另外交联蛋白质等完全依赖于表面功能基团的化学联接，其含量有限，不能满足某些领域的应用。 2.Labib, Robertson, Leahy等人提出的磁粉直接与有机单体一步乳液聚合制备微球的技术方案：单个分散的μm级的磁粉粒子本身成为乳液聚合的种子，在其表面生长高分子包覆层，形成单磁粉颗粒微球。国内邱广明等人用此方法制备的微球其含铁量仅为0.0067%。颗粒大小也很不好控制。 3.挪威Trondheim大学应用化学研究所的J.Ugelstad教授等提的溶胀—原位还原方案，其要点包括：(1)用有机单体的乳液聚合技术制备了直径在0.5—1.0μm范围的聚合物种子，(2)通过对膨胀剂和膨胀过程的控制，制备出所要求的单一尺度的多孔结构的聚合物颗粒。(3)将多孔聚合物颗粒置于高压密闭容器中，使Fe2+和Fe3+铁盐渗入多孔微球中，通过氧化，最终形成磁性铁氧体颗粒。(4)利用乳液聚合方法，使功能基高分子单体在多孔微球表面进行封孔聚合，并在表面形成功能高分子基团层。该方法可显着提高磁性微球的含铁量，可高达20%w/wJ.但是Ugelstad教授的设计也存在较明显的缺陷，因为聚合后的多孔微球的内孔表面是疏水结构，而形成的磁性氧化铁颗粒表面是亲水结构，两相的不兼容性使整个制备过程必须在高压下进行，含铁量的增加也是靠控制外界压力而得到的，没有从有机无机复合的界面构造去设计。故制备方案复杂，成本过高。 我国在磁珠材料领域的研究起步较晚，研究大多停留在探究性层面，国内尚无法进行磁珠材料的商业化生产。
