合成的詹納斯顆粒用於預防或減少晶體生長的用途

2023-06-14 14:57:11

合成的詹納斯顆粒用於預防或減少晶體生長的用途
【專利摘要】本發明提供了一種在對晶體生長敏感的物質中預防或減少晶體生長的方法，在該方法中將具有兩親性結構的膠體顆粒（例如詹納斯顆粒）與所述物質接觸。適於用在本發明中的膠體顆粒包括由疏水性單體（例如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯）和親水性單體（例如衍生自丙烯酸和/或甲基丙烯酸的那些）形成的交聯、膠體狀物質。發現膠體顆粒特別用於生物樣品（例如細胞、組織或器官）的低溫保藏的方法中、作為冷凍食品中的質地改性劑、抑制氣體水合物的形成，以及作為阻垢劑。
【專利說明】合成的詹納斯顆粒用於預防或減少晶體生長的用途
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及晶體生長抑制劑，更具體地，涉及兩親性膠體物質在降低或抑制冰晶生長中的用途。
【背景技術】
[0002]本文所描述的物質具有廣泛的工業、醫學和農業應用。特別地，這些物質應用於降低冷凍食品中大冰晶的形成，在石油化學工業中作為阻垢劑，以及在冷凍及後續的解凍期間作為低溫保藏劑將對生物材料如細胞、組織和器官的結構損傷最小化。
[0003]已經從許多物種(動物和植物)中分離出了在接觸零下溫度期間保護有機體的抗凍蛋白(AFP)，該蛋白使得有機體在原本會導致冰凍和死亡的氣候中存活下來(參見Harding 等人，Eur.J.Biochem.,270:1381-1392, 2003 ；Harding 等人，Eur.J.Biochem.，264:653-665,1999 ;以及 DeVries 等人，Science，1:1073-1075,1969)。存在有兩類獨特的蛋白:(i)源自極地魚類的抗凍糖蛋白(AFGP)，其基於一種高度保守且規律性的三肽重複序列(Ala-Ala-Thr)，在蘇氨酸殘基上連有二糖單元；以及(ii)在許多無關的動物、昆蟲和植物中發現的抗凍蛋白，在一級和二級結構上更具結構差異性。這些蛋白顯示三種主要的宏觀抗凍效應:非平衡性冰點降低(熱滯後，TH);動態冰成形(DIS);以及冰再結晶抑制(RI)0
[0004]以前的研究已提示抗凍蛋白可用在多種不同的應用中，例如用於器官/組織低溫保存。然而，使用AFP進行低溫保藏很複雜。雖然已研究發現相對低濃度的美洲擬鰈(Pseudoplueronectes americanus) AFP提高了低溫保藏在輕乙基澱粉溶液中紅細胞的存活率，但其在高濃度下被發現由於在升溫細胞附近冰優先生長而會誘導對細胞的額外損傷(參見 Carpenter 等人，Proc.Natl.Acad.Sc1.89:8953-8957, 1992)。這種損害是由於在較高AFP濃度下會形成長薄刺狀(即針狀)的冰晶。由於形成針狀結構(冰成形)而導致的損害與冰點降低性質有關；由於水分子被結合在冰晶的基底面上，從而出現了在滯後冰點下的生長，這使得其生長成長矛狀。在測試多種不同類型的天然AFP作為對小鼠精液的低溫防護劑時，也發現由於正在升溫的細胞外的冰的再結晶而引起了對於精液損傷的增加。在l-100μ g/ml範圍內的所有測試濃度下都觀察到了這種效應(參見Koshimito等人，Cryobiology45:49, 1992)。
[0005]已經製得並測試了多種被設計為起AFGP作用的合成肽，但發現均有相同的問題。例如，當以增加的濃度下使用時，發現這些抗凍「模擬物」會降低血液和胰腺胰島細胞的生存力(參見 Matsumoto 等人，Cryobiology52:90-98, 2006)?
[0006]還有一些跡象表明，一些AFGP，尤其是在較高濃度下使用時，與細胞毒效應相關。AFGP8，一種短的天然存在的AFGP，已證明在人類細胞中誘導毒性(參見Liu，B i omacromoIe cuIe s8:1456,2007)。
[0007]已確定，冰再結晶中大冰晶依靠小冰晶而生長是在細胞和器官低溫保藏期間細胞損傷的關鍵原因，被稱為「奧斯特瓦爾德熟化」。這種影響也使得冷凍食品(例如冰淇淋和冷凍甜點)質地差。以前使用抗凍蛋白的研究僅集中在TH和DIS上，因此對於RI活性所需要的關鍵結構特徵並不十分了解(參見Tachibana等人，Angew.Chem.1nt.Ed.43:856-862,2004 ；以及 Peltier 等人,Cryst.Grow.Des.10:5066-5077, 2010)。已證明，具有顯著簡化結構的模擬肽在有些情況下將保持RI活性，但對此負責的確切特徵仍然並不了解(Tam等人，J.Am.Chem.Soc.130:17494-17501，2008)。
[0008]儘管AF(G)P有非常明顯的潛力，但它們較低的利用度、可能的毒物學和免疫學的問題、以及在保藏或消毒期間降解的問題截止目前仍限制了它們的應用及對它們作用方式的深入了解。雖然已經給出了合成的AFP，但它們的製備經常涉及複雜的多步合成步驟，其使得不能帶來商業應用。這些合成的AFP還面臨著一些與天然物質相同的毒物學問題。
[0009]因此，對於能夠抑制晶體生長的替代性物質，特別是為了商業用途而可通過合成路線生產並很容易地進行放大試驗以大量且低成本地生產的這類物質的需要仍然存在。

【發明內容】

[0010]本發明人已意識到，在抑制晶體生長方面有效(即具有RI活性)的物質是克服已知的抗凍劑的局限性的關鍵。
[0011]具體地，本發明人已發現新的晶體生長抑制劑，其可用於對最小化或防止晶體生長重要的廣泛應用中，例如用於細胞和器官的低溫保藏以及用在改善冷凍食品的質地。這些試劑包括具有兩親性結構的膠體顆粒。它們簡單的結構意味著這些物質能夠使用簡單且能夠採用顆粒合成的常規工業方法容易地放大的已知製造路線進行製備。重要的是，它們的作用機制不需要晶體抑制劑精確「匹配」特定的冰晶面，而這一要求對於某些AFP被指明是重要的。
[0012]根據發明人的研究，他們驚奇地發現在性質上具有兩親性的膠體顆粒是冰再結晶的強效抑制劑。在有些情況下，發現其在皮摩爾濃度下有效。
[0013]一方面來說，本發明因此提供了具有兩親性結構的膠體顆粒作為晶體生長抑制劑的用途。預防或減少晶體生長的方法(其中有效量的這種顆粒與對晶體生長敏感的物質接觸)也構成了本發明的一個方面。
[0014]本文所描述的膠體顆粒在預防或減少冰晶生長方面尤為有效，這構成了本發明的一個優選方面。然而，發明人的研究結果擴展到了其生長會引起不利效果的其它類型的無機和有機晶體。例如，在油氣田中，在鑽孔操作期間井下的結晶水合物例如包合物的生長以及在運輸管道中由於礦床(例如碳酸鈣)累積而形成結垢(scale)都是嚴重的問題。
[0015]根據定義，「膠體顆粒」的至少一個尺寸為大約Iym或更低。優選地，它們的一個或多個尺寸在Inm到I μπι的範圍內。更優選地，它們沒有尺寸大於I μ m。術語「顆粒」用於指代具有明確相界面的固體物質。
[0016]術語「兩親性」在用於本文所描述的顆粒時，用於表示它們具有至少一個區域比它們的其它區域更為疏水。所述顆粒可以具有多於一個的這種區域。典型地，所述顆粒具有至少一個疏水性區域和至少一個親水性區域。
[0017]用於本發明的膠體顆粒的精確特性是非限制性的；在其可被有意採用的條件下具有所希望的兩親性特性的任何膠體顆粒都可以使用。
[0018]兩親性的膠體顆粒是通常已知的並在文獻中描述過。這類顆粒通常被稱為「詹納斯」顆粒(Janus particle)，在形狀上可以有所變化，例如，從球形到卵形(橢圓體)，「雪人」和啞鈴形(花生狀)。顆粒的確切形狀對於本發明的完成並不是關鍵的，且它們可以例如具有雙表面官能性，也可以由具有所需的疏水性/親水性的兩個或更多個連接組分所組成。那些具有一個或多個帶來所希望的各向異性的「凸起(lobe)」或「突出(protrusion)」(即非球形)的顆粒通常是優選的。尤為優選的是具有兩個凸起的啞鈴形顆粒；這兩個凸起中一個為疏水性，另一個為親水性。凸起的尺寸可以不同，這些凸起不必在形狀和尺寸上相同，即顆粒可以是不對稱的。凸起的相對尺寸的變化改變了顆粒的疏水性/親水性比；控制凸起的相對大小的能力使得顆粒的性質能夠根據所希望的最終用途而精確地調整。
[0019]本發明中使用的顆粒通常直徑比晶體的長度刻度小。晶體大小根據晶體的性質而變化，但對於冰晶來說，其大小一般為具有大約Iym的最小尺寸。典型的顆粒直徑因此在大約I μπι的範圍內。然而那些具有亞微米尺寸的顆粒通常是優選的，而這些尺寸可以在從5nm到I μ m的範圍內，更優選在從IOOnm到600nm的範圍內。納米顆粒物質尤為優選用於本發明。
[0020]對於本發明的用途優選的是膠體聚合物顆粒，例如由一個親水性表面區域和一個疏水性表面區域形成的具有各向異性表面的那些。這些顆粒及其製備方法是本領域已知的。各向異性可能是因為使用了具有能為聚合物材料帶來所希望的親水性/疏水性特性的官能團的共聚單體。可選地，聚合物顆粒可以通過使用已知技術引入所需的各向異性而被適當官能化。
[0021]可用於製備聚合物顆粒的單體可以很容易地由本領域技術人員進行選擇。
[0022]用於形成聚合物材料的疏水性單體包括具有式R1R2C=CH2的乙烯基單體，其中R1和R2為有機基團。所述疏水性單體可以是任何丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，例如甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯、2-乙基 己基(甲基)丙烯酸酯、苄基甲基(丙烯酸酯)以及它們的乙酸乙烯基酯衍生物(VEOVA)等等。在這些物質中，優選甲基(丙烯酸酯)以及特別是那些具有短鏈烷基(例如C^6烷基)的，包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸異丙酯、甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸異丁酯。其它合適的疏水性單體包括乙烯基芳族單體，例如苯乙烯和取代苯乙烯。未被取代的苯乙烯是尤為優選的。
[0023]聚苯乙烯作為聚合物顆粒的疏水性組分是特別優選的。
[0024]用於形成聚合物材料的親水性單體可以是具有一個或多個親水基團的任何乙烯基單體。親水基團的實例包括羧酸、碸、磺酸、磷酸酯和膦酸酯、氨基、烷氧基、醯胺基、酯基、乙酸酯基團、聚(乙二醇)基團、聚(丙二醇)基團、羥基、或帶電荷(無論正或負)的任何取代基。尤為合適的親水性單體包括那些基於丙烯酸和/或甲基丙烯酸的單體，例如甲基丙烯酸羥乙酯(例如2-甲基丙烯酸羥乙酯)、甲基丙烯酸羥丙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、PEG-甲基丙烯酸酯、二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯。其它合適的親水性單體包括乙烯基苄基三乙基氯化銨、苯乙烯磺酸鹽(styrene sulfonate)、乙烯苯甲酸、乙烯磺酸、膦酸乙烯脂等等。
[0025]用於製備聚合物顆粒的親水性區域的單體的優選組合為苯乙烯磺酸鹽和PEG-甲基丙烯酸酯。
[0026]聚合物材料可以任選地與已知的交聯劑例如二乙烯基苯、丁二烯、異戊二烯、乙二醇、二(甲基)丙烯酸酯和雙丙烯醯胺進行交聯。
[0027]用於生產本文所描述的聚合物顆粒的優選方法基於的是種子聚合(seededpolymerisation)技術。該方法涉及加熱單體_溶脹的交聯聚合物顆粒，從而產生彈性應力，導致顆粒的相分離和宏觀形變。這提供了一個很方便的方法以控制非球形顆粒的幾何形狀和表面特性。更具體地，在第一步中，製備輕微交聯的種子顆粒，例如採用乳液聚合法。在該第一步中親水性共聚單體的使用使得生產出了親水性外殼。生成的顆粒然後在聚合引發劑的存在下(以及任選地在其它交聯劑的存在下)與疏水性單體溶脹。在第二步中，加熱和聚合生成了疏水性凸起。最終顆粒由兩個凸起組成:一個凸起含大多數原始種子顆粒，另一個凸起主要含新聚合的物質。
[0028]附圖1示出了一個種子聚合物法的實施例，其可被用在製備用於本發明的一個實施方案中的聚合物顆粒。在步驟I中，進行乳液聚合，以製備交聯聚合物乳液(粗黑線表示在顆粒表面存在的親水基團)。在步驟2中，該種子乳液在室溫下與疏水性單體溶脹。在步驟3中，加熱溶脹的乳液,引起體系受交聯網絡的熵減少(entropic contraction)的驅動而相分離。在步驟4中，系統被聚合以生成所希望的兩親性各向異性顆粒。
[0029]在該法的變型中，聚合物顆粒可被生產為具有疏水性凸起及位於另一個凸起上的反應位點，其隨後與所需的親水基團反應。在該方法中，採用能為官能化提供所需的反應位點的官能化共聚單體形成最初的交聯種子顆粒。該方法的一個實施例在附圖2中示出，其中使用官能化共聚單體甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)生產最初的交聯種子顆粒。得到的含GMA的顆粒與聚(乙烯亞胺)(PEI)的後續反應使得顆粒表面上的環氧環連接至PEI鏈上，從而得到了所希望的親水特性。
[0030]在本文描述的任何種子聚合法中，顆粒確切的幾何形狀可通過改變種子顆粒的疏水性單體和/或交聯密度及親水特性而進行調整。這控制了種子顆粒的溶脹度，其可以影響疏水性凸起的尺寸 。這樣，可以根據所計劃的用途來精確控制顆粒所希望的疏水性/親水性特性的程度。
[0031]可以通過本領域已知的種子聚合法生產聚合物顆粒。這樣的方法例如描述於:Kim 等人，Adv.Mater.20:3239-3243, 2008 ;Kim 等人，Polymer41:6181-6188, 2000 ;Kim 等人，1.Am.Chem.Soc.128:14374-14377, 2006 ；Tang 等人，MacromoIecules43:5114-5120,2010 ；Shi 等人，ColloidPolvm.Sc1.281:331-336.2003 ；Sheu 等人，J.Polymer Sc1.Pol.Chem.型:629-651，1990 ;Park 等人，TACS132: 5960-5961, 2010:Mock 等人，Langmuir迷(17):13747-13750, 2010 ；以及 Mock 等人，Langmuir益:4037-4043，2006，其內容在此引作參考。
[0032]具有所希望的兩親性結構的其它膠體顆粒同樣適用於本發明，並且一般為已知並在文獻中描述過。可以使用各式各樣的不同種類的顆粒，進行適當的表面修飾以引入必要的疏水性/親水性特性。可以進行表面修飾的其它顆粒的實例包括無機材料如二氧化鈦、矽酸鹽(例如二氧化矽納米顆粒)、金屬氧化物(例如氧化鈦、氧化鋁等)。也可以使用金屬顆粒，包括由金、銅、銀及其它金屬製成的納米顆粒。可以進行表面修飾的其它顆粒材料包括聚合物材料例如那些已經描述過的。
[0033]化學和物理化學方法均可用於修飾顆粒表面，例如以引入具有所希望的疏水/親水特性的材料或能夠進一步修飾以得到這些性質的材料。用於修飾種子顆粒的合適的材料包括聚合物，例如如上文所描述的聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯醯胺、聚(乙烯乙酸酯)和VEOVA衍生物。一種或多種金屬或其氧化物可被可選地用於選擇性包覆所述顆粒。合適的金屬的實例包括，例如，金、銀、鉬、銅、鋁、鈷、鎳等等。需要注意的是，當合適時，這種材料可採用本領域已知的方法進一步官能化。
[0034]許多方法是在生產具有不對稱表面結構的顆粒中所已知的，例如那些基於對顆粒進行選擇性表面修飾的方法。這些方法通常包括在對顆粒的未保護部分進行化學修飾前掩蔽顆粒表面層的一部分(或多個部分)的步驟。將顆粒的一個半球部分浸入保護性漆層就是一種這樣的方法。還建議使用固化乳化劑，其中無機顆粒例如二氧化矽顆粒首先被吸附到水包蠟乳液的液-液界面上。隨後將其冷卻以將顆粒「鎖定」在固化的蠟-水界面處。生成的膠體體(col1idosome)足夠穩固，可以被洗漆和化學修飾,例如通過在溶液或在氣相(例如通過合適反應物的氣相沉積)中反應。在對顆粒暴露的側部進行化學修飾後，蠟可以在有機溶劑中被溶解掉。
[0035]氣-水界面的蘭米爾槽(Langmuir trough)也被用於進行區域選擇性表面修飾膠體顆粒。其它方法包括使用平面固體基質作為保護表面，顆粒被置於該基質上形成單層；顆粒朝向基質的一側被保護免於修飾，另一側可通過已知方法例如濺射和衝壓塗布而被例如化學或物理地修飾。
[0036]具有至少一種金屬的部分表面塗層的顆粒也可被用於生產適合用於本發明的兩親性顆粒。例如，採用覆蓋有納米顆粒(例如二氧化矽或乳化納米球)的膜進行過濾可被用於將金屬膠體(例如金膠體)沉積到膜上。也可使用無機顆粒，例如在一個半球上具有金屬、或可選地在相反的半球上具有不同金屬(即覆蓋有不同金屬)的二氧化矽珠。金屬的選擇性修飾可導致形成所希望的兩親性特性。可能的修飾包括化學吸附、自組裝單層的形成、共價交聯和金屬化學轉變成其它材料。例如，它們可通過將顆粒與氧等離子體接觸而轉化成相應的金屬氧化物。
[0037]源自兩種表面化學特性足夠不同以至得到不對稱特性的不同材料的聯合(例如有機和無機物質的組合)的膠體顆粒可被用作兩親性顆粒或被用作兩親性顆粒製備中合適的前體。有機-無機膠體顆粒的實例包括其中有機部分(例如聚合物)與無機配對物(例如二氧化矽、二氧化鈦或氧化鋁)結合的顆粒。這種顆粒的一個實例為由聚合物結(polymernodule)(例如聚苯乙烯)連接至無機納米顆粒(例如二氧化娃納米顆粒)組成的顆粒。這樣的結構可通過例如在Reculusa等人，Chem.Mater.17:3338-3344, 2005中描述的方法進行生產，其中一個最初對稱的種子顆粒(例如二氧化矽種子)通過化學(例如共價接枝(covalentgrafting))或物理化學(例如吸附)法被修飾，從而導致表面成核以及在種子顆粒表面的有機聚合物結的生長。
[0038]應該理解的是，本文描述的一些方法可能不會直接帶來對於用在本發明中的生成的顆粒所必需的兩親性特性。然而，當合適時，本文所描述的任何不對稱的結構可很容易地通過本領域通常已知的方法(例如通過選擇性官能化以引入疏水或親水基團)得到兩親性。
[0039]因此可被用於生產用在本發明中的膠體顆粒的其它方法包括化學製劑的區域性沉積，例如使用如微接觸印刷、液-液界面制模、或蒸汽(金屬)沉積；微/納流體；以及雜聚 沉/自裝配。對於微接觸印刷，例如微球體的對象通過與滲入塗布物質中的軟印(soft stamp)接觸而被局部修飾(即官能化或修飾)(參見例如Kaufmann等人，「Sandwich，，Microcontact Printing as a Mild Route towards Monodisperse JanusParticles with Tailored Bifunctionality, Adv.Mater.23(1): 79-83, 2011 )。在液-液界面制模中，利用皮克林穩定現象將顆粒部分埋入液體蠟(液滴)中，之後蠟固化，將顆粒的位置固定。然後進行暴露表面區域的化學修飾(參見例如Hong等人,「A Simple Method toProduce Janus Colloidal Particles in Large Quantity，，，Langmuir22:9495, 2006)。在蒸汽金屬沉積技術中，金屬例如金被局部沉積在球形顆粒的單層上(參見例如Anker等人，J.Magn.Mater.293:655, 2005)。對於微流體，不同的液流在例如液流聚集裝置中合併，從而生成了能夠具有化學各向異性的液滴。凝固生成了各向異性顆粒(參見例如Zhihong等人，J.Am.Chem.Soc.128(29):9408-9412, 2006)。
[0040]可以通過改變疏水性和親水性部分(例如，凸起)各自的大小而針對任何具體的最終用途來優化膠體顆粒所希望的晶體生長抑制特性。在一個實施方案中，優選顆粒應該包括至少30% (按體積計)、更優選至少35% (按體積計)、例如至少40% (按體積計)的疏水性組分。可以通過本領域已知的方法，例如掃描電子顯微鏡(SEM)測定疏水性和親水性組分的相對比例。
[0041]本文所描述的顆粒能夠抑制和/或降低與物質的冷凍或過冷相關的晶體生長。在過冷條件下，物質被冷卻至低於其冰點的溫度下但沒有出現物態變化(例如對於液體而言，在過冷條件下其不會變為固體)。因此，發現這些材料在需要防止或抑制冰晶生長或其它晶體生長的多種應用中有用。其中這種其它的晶體為在氣體水合物中所形成的晶體。
[0042]根據用途的不同，顆粒合適的濃度會有所變化，但本領域技術人員能夠很容易地確定。典型地，顆粒使用的濃度最多大約50mg/ml。優選地,顆粒使用的濃度可以在大約500 μ g/ml到大約50mg/ml的範圍內，例如從I到10mg/ml。
[0043]本發明的一方面 涉及本文所描述的材料在低溫保藏方法中的用途。在低溫保藏生物樣品(例如細胞、組織、器官)解凍期間的冰的再結晶已經被指出是損傷的關鍵來源，這限制了低溫保藏的日常應用。在本發明的這一方面中，膠體顆粒可被用於憑自身而改善低溫保藏，或可選地，可以將膠體顆粒引入用於儲存冷凍狀態的任何人類或非人類細胞、組織或器官的任何液體中，例如常用於細胞和/或組織的任何玻璃化溶液中。在將用於移植的生物製品短期或長期儲存在例如灌流溶液或分散液中的用途是本發明尤為重要的一方面，從而使得這些產品能夠以由於冰晶生長而引起的細胞損害最小化並得以儲存。雖然對於哺乳動物(例如人)細胞和組織特別有意義，但本發明並不局限於這些，也擴展到其它細胞，例如細菌細胞和酵母細胞，其中在解凍過程後保留細胞或組織的生存力是很重要的。
[0044]保藏或低溫保藏含細胞、器官或組織的生物材料、包括將所述材料與本文所描述的晶體生長抑制劑進行接觸的方法構成了本發明的另一方面。
[0045]本發明的另一方面還提供了一種抑制器官、組織或生物樣品解凍時冰再結晶的方法，所述方法包括在冷凍或過冷前或期間將所述器官、組織或生物樣品與本文所描述的晶體生長抑制劑接觸的步驟。當用於本發明的這一方面時，試劑優選的濃度可以從I到50mg/ml,優選從I到5mg/ml。
[0046]可能受益於本發明的生物材料的實例包括含細胞懸浮液的樣品，例如含全血、血漿、血小板或紅細胞的樣品。含精液、胚胎等的樣品也可用本文描述的方法進行處理。其中可以使用本文描述的方法進行保護的器官為心、肝、腎、肺、脾。
[0047]在使用抗凍劑時可採用本領域通常已知的方法進行低溫保藏。如果需要保藏的樣品由細胞組成，可以在當會發生冰再結晶的解凍期間通過將所述細胞與試劑接觸而實現晶體生長抑制劑的有益效果。在當細胞以細胞懸浮液形式提供的情況下，這可以很簡單地通過將試劑加入到含有細胞的懸浮液中而最容易地實現。當細胞為器官或組織形式時，通常將這些器官或組織浸入試劑的溶液中。當器官或組織含有血管系統時，可以採用已知的灌注法用試劑的溶液灌注這些器官或組織。這些溶液一般會包括常用於灌注溶液中的其它物質，例如糖和/或鹽。
[0048]本文描述的材料可以應用的另一領域是食品工藝，具體來說是作為冷凍食品的質地改性劑。很多冷凍食品(包括但不限於冰淇淋、肉和水果)都遭受著在儲存期間冰的生長，這會不利地影響產品的質地。例如，含大晶體的冰淇淋具有無吸引力的粒狀質地，而已經被冷凍的肉和水果產品在解凍時有可能會因為冰誘導的對產品結構的損害而損失大量的水。在任何這些食品中加入本文描述的膠體顆粒都可能是有益的。在用於任何食品應用時，顆粒的生物相容性、以及在可能被用於產品的任何溶液中或在可能會被加入的任何製劑中的溶解度都是很重要的。
[0049]特別地，本文描述的材料可被用於減少或抑制食品例如在冷凍態下(例如在大約-15°C到-40°C之間的溫度)生產和/或儲存中的冰晶生長。由於在冷凍-解凍循環期間形成的大冰晶(在大多數家用冰箱或長期儲存在冷凍態下時都會發生)，質地和風味通常會很不利地受到影響。當使用本文描述的材料時，冰晶生長能夠被最小化或甚至完全防止。結果，冷凍食品的質地、味道和可用的儲存期限都將被改善。
[0050]可以將顆粒加入到在食用之前都需要冷凍或在食用期間可以保持冷凍的任何食物中，可以加入到整個食品中，或者可選地，僅施用到最容易發生冰晶生長的食品表面。可以在食物配製的常規方法期間加入晶體生長抑制劑，也可以在食品的冷凍之前、期間或之後加入。如果在冷凍後加入，需要在食品被最終硬化前進行，從而使得試劑能夠被混入所述食品內。例如，可以將試劑加入到用於在冷凍狀態下食用的冷凍食品中，例如冰淇淋、凍酸奶、果汁凍、凍布丁、冰 棍等，從而由於不會在製備和儲存期間形成大晶體而改善口感。典型地，在產品生產期間將所述試劑與其它成分混合。
[0051]其它可能受益於本發明的冷凍食品包括冷凍水果和蔬菜,例如草莓、紅莓、藍莓、柑桔類水果、菠蘿、葡萄、櫻桃、李子、豌豆、胡蘿蔔、豆類、甜玉米、西蘭花、菠菜等等。
[0052]加入了本文描述的材料並意在用於在冷凍狀態下食用和/或在冷凍狀態下儲存的冷凍食品構成了本發明的另一方面。優選的食品包括冰淇淋和果汁凍，其包括在這類產品中經常使用的其它成分，例如脂肪、油、糖、增稠劑、穩定劑、乳化劑、著色劑、調味劑和防腐劑。在這類產品中，抗凍材料的總量通常為至少大約0.01wt.%，優選至少0.1wt.%，例如大約0.5wt.%。在知道該材料應該以儘可能低的濃度使用同時仍具有防止冰再結晶的預期效果的情況下，本領域技術人員會容易地確定理想濃度。
[0053]本文描述的試劑也可用於抑制例如在鑽探烴例如油和天然氣(gas)期間氣體水合物的形成。氣體水合物為類似於冰的晶體分子結構，在水和氣體分子的混合物接觸時形成。氣體水合物(例如包合物)的形成是在生產油和天然氣期間沿海底及在地下的氣體管道中遭遇的特殊問題。當用在油田應用時，晶體生長抑制劑通常會在鑽孔之前或期間在井下應用，可以例如用在烴流體中。這種含晶體生長抑制劑的流體構成了本發明的另一個方面。
[0054]本發明的另一方面因此提供了烴井處理組合物，其包括含如本文所描述的聚合物顆粒的載液。合適的載液包括有機液體例如烴或烴的混合物，典型地為C3到C15烴或油，例如原油。可選地，載液可以是水性液體。
[0055]在原油或天然氣產品中抑制水合物(例如包合物)形成、包括向所述產品中加入本文所描述的晶體生長抑制劑的步驟的方法構成了本發明的又一方面。
[0056]在進行這種方法時，可以將聚合物顆粒在開始生產烴(即從井中提取油和天然氣)之前、期間或之後置於井下。優選地，在開始生產之前(例如在井建設的完成階段)將顆粒以載液中的混懸液的形式置於井下，並且可以與在處理烴井中已知並使用的其它試劑(例如阻垢劑、腐蝕抑制劑、表面活化劑等)聯合使用。
[0057]材料的其它用途包括保護農作物和植物免受水土結冰情況影響，在這些用途中，材料可向農作物或植物外部施加，典型地以噴霧的方式進行。這些材料也可被用作向用作冷凍劑的流體或液體的添加劑。
[0058]幾乎任何受到冷凍-解凍循環的材料均會表現出隨時間在性能上的下降。例如，在延長的冷凍-解凍周期後，道路表面有可能會起皺。在表面上積累冰對於航空工業也同樣是個重要的問題，在冬天時航空器必須用常規防凍劑(例如乙二醇)處理以保證所有表面都沒有冰。
[0059]面臨冰凍條件的任何表面或材料都可以用晶體生長抑制劑處理，從而防止冰晶的生長和後續的損害。在本發明的該方面，顆粒可以單獨使用，例如直接施用到表面上，或更優選地，作為抗凍或除冰產品的製劑的一部分使用。可能被處理的表面包括運輸領域的表面(例如道路表面)、飛機和直升機的表面(例如機翼)、軌道等等。將晶體生長抑制劑施用到路面上對於防止任何可能由於截留水引起的冰凍-解凍損害是尤為有益的。對於本發明這一方面的用途，設 想的是顆粒會以分散在流體中的形式進行施用(例如通過噴霧)。含顆粒的氣霧製劑構成了本發明的另一方面。
[0060]在表面處理中，顆粒也可被加入到表面塗層例如漆中，以改善它們在零度以下的性能。
[0061 ] 雖然在如上所述的任何應用中，可以預期的是膠體材料均可被用作唯一的抗凍劑，然而其也可以與其它已知的抗凍劑聯合使用，例如乙二醇、丙二醇、甘油、氯化鈉或甲醇，或與任何生物抗凍劑如海藻糖、抗凍蛋白或抗凍糖蛋白聯合使用。
[0062]本文描述的晶體生長抑制劑通常會以顆粒在液體中的溶液的形式(即膠體分散系)使用。合適的液體包括水性溶液，例如水。根據它們的用途，這些水性溶液可以進一步包括本領域已知的用於該具體用途的其它組分。例如，在保藏生物細胞、組織和器官的情況下，這些水性溶液也可包含已知的及用於保藏這些材料的鹽、離子、糖或其它營養物。含本文描述的晶體生長抑制劑的電解質溶液構成了本發明的另一方面。
[0063]合適的電解質溶液包括那些本領域已知的，例如生理鹽水、林格氏(Ringer’s)注射溶液、奧耳塞佛氏(Alsever』 s)溶液、細胞培養基等。電解質的確切選擇取決於待保藏的生物材料的性質，本領域技術人員會很容易地確定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0064]在下面的非限制性的實施例及附圖中對本發明進行進一步的說明，其中:
[0065]圖1和2圖示了種子聚合法，該方法可用於製備為本發明的一些實施方案使用的聚合物顆粒。[0066]圖3示出了按照實施例1製備的納米顆粒的TEM圖像。
[0067]圖4示出了按照實施例2，在納米顆粒(10mg/mL)或對照液的存在下退火後的冰晶片的顯微照片。
[0068]圖5示出了按照實施例2，顆粒濃度和平均最大粒度之間的關係；以及
[0069]圖6示出了按照實施例3的蔗糖「三明治」測定的結果。
【具體實施方式】
[0070]實施例1-兩親件顆粒的製備
[0071]採用兩步乳液聚合法生產啞鈴(花生形)各向異性的、或「詹納斯」顆粒。在第一步中，製得具有親水性外殼的輕度交聯聚合物乳液。少量使用了苯乙烯磺酸鹽和聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯基的單體作為共聚單體以生成微凝膠乳化顆粒(直徑大約200nm)的親水性表面。隨後將這些顆粒在室溫下與多種量的苯乙烯單體溶脹。分離各相，從而形成疏水性凸起，是由在升溫下交聯顆粒的熵減少引起的，並為了進一步排除引入親水性部分而通過由偶氮二異丁腈(AIBN)引發的第二種子聚合步驟進一步促進。第二疏水性凸起佔全部顆粒體積分數的O到50%。
[0072]1.1親水性種子顆粒(核心親水性凸起)的製備: [0073]這些顆粒由無皂乳液聚合製得。將180g脫氣蒸餾水置於反應器中，隨後加入20g的苯乙烯、根據所需的交聯密度和膠體穩定性的多種量的二乙烯基苯和4-苯乙烯磺酸鈉鹽。將1.0g的親水性單體(在少量二乙烯基苯的存在下)從頭加入，或者在5mL水中單體轉化率大約50%以後再加入以促進形成親水性外殼。聚合溫度為70°C。使用0.075g的過硫酸鉀作為引發劑。
[0074]1.2兩親性顆粒的形成:
[0075]將4.0g總固體含量為1.8%的種子乳化顆粒置於玻璃瓶中。向乳液中加入苯乙烯(6.0g)、二乙烯基苯(0.01Og)和AIBN (0.060g)的均相溶液混合物0.05到0.21g。所述瓶用氮氣脫氣10分鐘，然後密閉並置於烤箱中，烤箱含旋轉電機，將樣品以30rpm的速度在250C的溫度下翻轉24小時。之後，將烤箱加熱至70°C，再持續24小時以在溶脹步驟後開始聚合。乳膠防止水滲出一星期，每日更換水。
[0076]實施例2-測試
[0077]2.1 方法
[0078]採用改良的「splat」測定測量顆粒抑制冰再結晶的能力，該試驗能夠定量評價多晶冰片在_6°C下退火30分鐘後的平均最大粒度(MGLS)。
[0079]作為參照，也合成及測試了含相同的親水性核心及從表面生長出的接枝的聚(苯乙烯磺酸酯)聚合物鏈的「毛狀」顆粒。該種顆粒及按照實施例1製備的顆粒的物理性能總結在表1中，在圖3中示出了顯示為花生狀或啞鈴結構的這些顆粒的SEM圖像。
[0080]表1.納米顆粒的特性
[0081]
【權利要求】
1.一種在對晶體生長敏感的物質中預防或減少晶體生長的方法，其中將有效量的具有兩親性結構的膠體顆粒與所述物質接觸。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述晶體選自冰晶、結晶水合物和結垢。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中每一個所述顆粒均包括至少一個疏水性區域和至少一個親水性區域。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述疏水性區域佔每個顆粒的按體積計至少30%。
5.根據先前權利要求中任一項所述的方法，其中所述顆粒的顆粒直徑的範圍為從Inm至Ij I μ m,優選 5nm 至Ij I μ m。
6.根據先前權利要求中任一項所述的方法，其中所述顆粒為膠體聚合物顆粒，優選為詹納斯顆粒。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述聚合物顆粒由具有式R1R2C=CH2的疏水性單體形成，其中R1和R2為有機基團。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述疏水性單體為丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，或乙烯基芳族單體，優選為苯乙烯。
9.根據權利要求6到8中任一項所述的方法，其中所述顆粒由親水性單體形成，所述親水性單體包括具有一個或多個親水基團的乙烯基單體。
10.根據權利要求9 所述的方法，其中所述親水性單體衍生自丙烯酸和/或甲基丙烯酸。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述親水性單體包括苯乙烯磺酸鹽和PEG-甲基丙烯酸酯。
12.根據權利要求6到11中任一項所述的方法，其中所述聚合物顆粒為交聯的，優選與選自下述的一種或多種交聯劑交聯:二乙烯基苯、丁二烯、異戊二烯、乙二醇、二(甲基)丙烯酸酯和雙丙烯醯胺。
13.根據權利要求1到5中任一項所述的方法，其中所述顆粒為表面修飾的無機顆粒，優選為表面修飾的二氧化矽、氧化鋁或二氧化鈦顆粒。
14.根據權利要求1到5中任一項所述的方法，其中所述顆粒為表面修飾的金屬顆粒。
15.根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒作為晶體生長抑制劑的用途。
16.根據權利要求15所述的在生物樣品(例如細胞、組織或器官)的低溫保藏的方法中，作為冷凍食品的質地改性劑、在抑制氣體水合物形成、或作為阻垢劑的用途。
17.一種保藏或低溫保藏含細胞、器官或組織的生物材料的方法，其包括將所述材料與根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒接觸。
18.—種抑制解凍的器官、組織或生物樣品中的冰再結晶的方法，所述方法包括在冷凍或過冷步驟之前或期間將所述器官、組織或生物樣品與根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒接觸。
19.一種抑制在原油或天然氣產品中水合物(例如包合物)形成的方法，其包括向所述產品中加入根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒的步驟。
20.一種保護農作物或植物免受水土結冰情況影響的方法，所述方法包括向農作物或植物外部施加根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒。
21.一種含根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒的冷凍食品(例如冰淇淋、冷凍肉或冷凍含肉食品，或冷凍水果或蔬菜)。
22.—種烴井處理組合物，其包括含根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒的載液(例如烴或烴的混合物，或水性液體)。
23.一種含根據權利要求1到14中任一項所述的膠體顆粒的電解質溶液(例如生理鹽水、林格氏注射溶液、奧耳 塞佛氏溶液或細胞培養基)。
【文檔編號】A23L3/37GK104010487SQ201280049180
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2012年10月5日 優先權日:2011年10月7日
【發明者】M·I·吉布森, S·A·F·邦 申請人:華威大學