单独剪切制备过氧化氢酶纳米粒的表征及过程模拟研究-制药工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 摘 要 过氧化氢酶（CAT）是一种通过催化机体内活性氧自由基的降解来保护细胞 免受氧化损伤的蛋白质，在众多疾病治疗中具有重要的应用潜力。但由于其具有 一般蛋白药物稳定性差、易失活等特点，限制了临床实践中的应用。因此开发具 有对蛋白质结构和活性影响小的制剂工艺成为目前生物制剂领域研究的热点。本 文应用单独剪切方法将 CAT 制备成纳米粒，并对该纳米粒中蛋白质的构象以及 活性进行了研究，发现在 CAT 溶液浓度为 0.2 mg/mL、剪切速率 217 s-1、剪切时 间 5 min 条件下可制备出粒径为 182±8.5 nm、粒度分布均匀、活性保持 90%的 纳米粒。应用光谱学方法观察发现在该条件下的剪切对 CAT 构象的影响很小。 纳米粒在含有蛋白酶的模拟肠液中孵育 4 小时，活性仅有 20%损失，说明纳米凝 聚后的 CAT 稳定性和抵抗蛋白酶降解的能力都有大幅度的改善。 另外，本文应用计算流体力学对单独剪切法制备过程的流场模式，速度场分 布，能量耗散分布等流体力学特性进行了数值模拟，发现在大小不同的制备装置 中，高速和高能区域都主要集中于搅拌器附近，近壁处和近液面处存在死区，为 装置设计改良以将流场均匀分布避免死区等优化措施提供有效信息。通过将粒数 平衡与计算流体力学进行耦合，模拟单独剪切制备 CAT 形成纳米粒的过程及其 Sauter 平均粒径随时间的演变，在剪切速率设定为 217 s-1 时，得到的 Sauter 平均 粒径稳定在 208 nm，和实验测定的 182 nm 吻合度较好，同时考察了剪切速率， 初始 CAT 浓度及装置放大对模拟的 Sauter 平均粒径的影响，为单独剪切法的实 际应用奠定了理论基础，并为生产放大提供了有效信息。 关键词：过氧化氢酶；纳米粒；剪切力；计算流体力学；粒数平衡； Abstract Catalase is a therapeutic enzyme which protects cells from oxidative injuries via catalyzing the degradation of ROS. It plays a significant role in treatment for many diseases. However, it carries risks of inactivation and rapid degradation when it is used in practical bioprocess, such as delivery in vivo, which limits its clinical use. To overcome the issue, catalase-only nanoparticles were prepared using a method with shear stress alone. Catalase nanoparticles prepared using solution concentration of 0.2 mg/mL and treated with shear rate of 217 s-1 for 5 minutes turned out to be uniform with a particle size of 182±8.5 nm and the relative activity of 90%. With the spectroscopic investigation, it was found that the conformational changes of catalase caused by shear alone were minor. The activity of catalase nanoparticles decreased only by 20% in the simulated intestinal fluid containing α-chymotrypsin during 4-h incubation at 37 °C, implying that the nanogranulated catalase was more stable and had better ability of resisting the degradation of proteases. In the second part, computational fluid dynamics simulation and population balance were used to study the theoretic foundation for the shear-alo