Development and Design of Polymer Microcapsule Encapsulated Magnetic Nanoparticles for Enzyme Recovery
โดย จิตญา สาดชัยภูมิ
ปี 2562
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในเตรียมพอลิเมอร์ไมโครแคปซูลหุ้มอนุภาคนาโนแมกนิไทต์ (เอ็มเอ็นพี) ด้วยกระบวนการสังเคราะห์พอลิเมอร์แบบแขวนลอยโดยกลไกโยกย้ายไอโอดีน (เอ็มเอส ไอทีพี) สำหรับนำเอนไซม์กลับมาใช้ใหม่
ขั้นตอนแรก เอ็มเอ็นพีเอสจะถูกเตรียมด้วยการตกตะกอนร่วมของเหล็ก (II) (Fe2+) และ เหล็ก (III) (Fe3+) ไอออน ในสองวัฏภาค ในระหว่างกระบวนการ เอ็มเอ็นพีเอสจะถูกเคลือบด้วยกรดโอเลอิก (โอเอ) (เอ็มเอ็นพีเอส-โอเอ) เพื่อให้ผิวมีความไม่ชอบน้ำ ซึ่งพบว่าที่ความเข้มข้นของโอเอ 0.3 (% น้ำหนัก/ปริมาตร) เอ็มเอ็นพีเอส-โอเอ มีความไม่ชอบน้ำและกระจายตัวในวัฏภาคโทลูอีนไดดี ในขั้นตอนที่สอง เอ็มเอ็นพีเอส-โอเอ ที่เตรียมได้จะถูกหุ้มด้วยเปลือกพอลิเมทิลเมทาคริเลต (พีเอ็มเอ็มเอ) ที่เตรียมโดย เอ็มเอส ไอทีพี ในขณะที่เอ็มเอ็มเอจะสังเคราะห์ร่วมกับมอนอเมอร์เชื่อมร่างแหหลายชนิด ซึ่งพบว่าการใช้ไดไวนิลเบนซีน (ดีวีบี) 70% เป็นสารเชื่อมร่างแห พี(เอ็มเอ็มเอ-ดีวีบี)/เอ็มเอ็นพีเอส-โอเอ ไมโครแคปซูลที่เตรียมได้มีความเสถียรทางคอลลอยด์สูงโดยไม่เกิดการรวมตัวกัน พอลิเมอร์ไมโครแคปซูลที่เตรียมได้นั้นมีลักษณะเป็นทรงกลม ผิวเรียบ และมีประสิทธิภาพในการห่อหุ้มสูง (94%) ในขณะที่เกิดอนุภาคพอลิเมอร์อิสระในชั้นน้ำน้อย (<5%) ในการที่จะนำเอนไซม์กลับมาใช้ซ้ำได้ หมู่โทซิวจะถูกเติมลงบนผิวของพอลิเมอร์ไมโครแคปซูลด้วยการกระตุ้นหมู่ไฮดรอกซิว ก่อนที่จะตรึงเอนไซม์ด้วยการกระตุ้นของหมู่โทซิว ในงานวิจัยนี้ได้ใช้เอนไซม์เอนโดกลูกาเนส เป็นเอนไซม์ต้นแบบ โดยพอลิเมอร์ไมโครแคปซูลที่ตรึงด้วยเอนไซม์เอนโดกลูคาเนสมีประสิทธิภาพในการย่อยเซลลูโลสเทียบเคียงกับเอนไซม์ที่ไม่ถูกตรึง และเมื่อทดสอบการนำกลับมาใช้ซ้ำด้วยการใช้สนามแม่เหล็ก พบว่าวิธีนี้สามารถนำเอนไซม์กลับมาใช้ซ้ำได้ถึง 10 ครั้งโดยที่มีประสิทธิภาพในการย่อยสูงถึง 73% เมื่อเทียบกับเอนไซม์ที่ไม่ถูกตรึง
สามารถสรุปได้ว่า การห่อหุ้มเอ็มเอ็นพีเอส-โอเอที่มีประสิทธิภาพสูงและมีอนุภาคพอลิเมอร์อิสระต่ำ สามารถทำได้โดย เอ็มเอส ไอทีพี เอนไซม์ที่ถูกตรึงบนผิวของพอลิเมอร์ไมโครแคปซูลสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพถึง 10 ครั้ง ซึ่งการค้นพบนี้ไม่เพียงแต่เหมาะสมสาหรับการตรึงเอนไซม์ แต่ยังอาจเป็นประโยชน์สำหรับจับโมเลกุลอินทรีย์ที่สามารถเกิดพันธะผ่านการกระตุ้นด้วยโทซิ
Abstract
This research aimed to prepare polymer microcapsule encapsulated-magnetite nanoparticles (MNP) by microsuspension iodine transfer polymerization (ms ITP) for enzyme recovery.
Firstly, MNP were synthesized by co-precipitation of iron (II) (Fe2+) and iron (III) (Fe3+) ions in a binary phase. During the process, MNP were coated with oleic acid (OA) (MNP-OA) to present hydrophobicity on their surfaces. At OA concentration of 0.3 wt%, MNP-OA were hydrophobic and well dispersed in the toluene phase. Secondly, the obtained MNP-OA was encapsulated in the polymethyl methacrylate (PMMA) shell prepared by ms ITP where PMMA was copolymerized with various kinds of crosslinker. It was found that using 70% of divinylbenzene (DVB) as a crosslinker, P(MMA-DVB)/MNP-OA microcapsules represented high colloidal stability without coagulation. The obtained microcapsules were a spherical and smooth surface with high encapsulation (94%) where a few free particles (< 5%-polymer) were formed in an aqueous medium. To successfully recover the enzyme, tosyl group was introduced on the microcapsule surface via activating hydroxyl groups before enzyme immobilization with the activated tosyl. In this work, the endoglucanase enzyme was used as the enzyme model. The microcapsule immobilized endoglucanase enzyme represented a high performance method for digesting cellulose. The enzyme was reusable for 10 times, with over 73% efficiency of the pristine enzyme was obtained.
It can be concluded that high encapsulation efficiency of MNP-OA with low free particles by ms ITP was successfully achieved. The enzyme immobilized onto the microcapsule surface can be effectively reused up to 10 times. This finding is not only appropriate to the enzyme immobilization but may also be useful for the binding organic molecule that can bond via tosyl activation reaction.