Advanced Functional Materials:基于溶液粘度的结构调控策略制备RNA分离与纯化用纳米纤维海绵材料

作为生物细胞中最重要的遗传信息载体,RNA已广泛应用于现代生命科学、基因治疗和生物制药行业。由于RNA分子是一种对环境十分敏感的生物大分子,因此快速高效地分离提取是避免RNA降解、保持生物活性的关键一环。传统层析分离技术具有无溶剂污染、实施方便及易于自动化操作的特点,主要通过微粒层析介质与RNA的阴离子交换或者亲和吸附作用而实现对RNA的分离。然而,微粒层析介质的孔隙率低、孔径小,使得分离操作过程存在流速低、时间长及压力易升高的问题。纳米纤维材料具有孔隙率高、孔径可控及易于表面功能化的优点,为高效低耗层析介质的制备提供了新的可能性。相比于二维纳米纤维膜材料,纳米纤维三维块体材料具有更高的孔隙率、更丰富的互穿孔道及更好的完整性,是快速分离生物大分子的优良介质。纳米纤维三维块体材料目前主要通过冷冻干燥的方式获得,在纳米纤维分散液中引入功能聚合物分子,可以实现功能性纤维基层析材料的一步法制备。由于冷冻过程冰晶的形态难以调控,导致多孔通道结构与通道壁表面的化学活性难以协同优化,已经成为阻碍纳米纤维层析材料制备的一大难题。

武汉纺织大学王栋刘轲课题组提出了一种通过改变壳聚糖等功能聚合物含量调控纳米纤维悬浮液的粘度,再经过冷冻干燥获得孔道结构可调的PVA-co-PE纳米纤维海绵材料的新方法。系统研究了具有球状、片层状及蜂窝状结构的纳米纤维海绵材料的成形机理、结构特征及对RNA的离子交换分离性能。

研究人员将PVA-co-PE聚合物纳米纤维与交联剂戊二醛(GA)及壳聚糖(CS)、聚乙烯亚胺(PEI)结合(后二者也作为功能性聚合物提供吸附位点),制备出具有可控孔道结构的纳米纤维海绵材料,并作为离子交换层析介质用于RNA的分离和纯化。通过控制纳米纤维分散液的黏度,制备了具有微球结构(MNFS)、片层结构(LNFS)和蜂窝结构(HNFS)的纳米纤维海绵。对三种结构进行了综合性性能分析,发现蜂窝结构材料中纳米纤维与化学交联剂间的化学反应,促成了具有复合材料特征的孔道壁,从而产生了最好的水下压缩性能和形状记忆性能。更重要的是,该材料的渗透率7.431×103 L h m2 psi-1,对RNA的静态饱和吸附容量887.6 mg g−1和动态饱和吸附容量763.2 mg g−1都远远超过现有报道的层析材料性能。此外,研究人员将蜂窝状纳米纤维海绵材料组装在层析柱、层析漏斗和层析离心管中,评估了其组件化应用效果。设计的分离组件不仅对模型混合溶液(与BSA、脂质或DNA混合),而且对不同的生物体(叶组织,人类非小细胞肺癌细胞A549,大鼠肾上腺髓质嗜铬细胞瘤PC12,小鼠海马神经元细胞系HT22) 的内容RNA都实现了快速、高效、无损分离纯化。研究者认为蜂窝状纳米纤维海绵材料的优异性能主要是源自其内部高度定向的通孔结构和高密度的吸附配体。本研究不仅为高性能层析材料的开发提供了新的思路,而且也为纳米纤维多孔块体材料的设计提供了新的策略。

图1 PVA-co-PE纳米纤维海绵材料的结构及对RNA分离纯化性能简图

图2 PVA-co-PE纳米纤维海绵材料成形中涉及的化学交联反应及其物理化学结构

图3 PVA-co-PE纳米纤维海绵材料的原始浆料及三种孔道结构的微观形貌

图4 PVA-co-PE纳米纤维海绵材料的层析元件及其对RNA的分离性能

相关工作得到了国家自然科学基金、山东省重点研发计划及武汉市应用基础前沿项目的支持。

Solution Viscosity-Mediated Structural Control of Nanofibrous Sponge for RNA Separation and Purification

Pan Cheng, Ke Liu, Yucai Wan, Wei Hu, Cancan Ji, Peng Huang, Qihao Guo, Jia Xu, Qin Cheng, Dong Wang*

Advanced Functional Materials

DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202112023

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112023