多孔纳米复合材料的构筑及其对蛋白质结合毒素吸附清除性能的研究
在慢性肾脏疾病（CKD）患者的血液中往往会存在浓度超过正常值范围的蛋白质结合毒素如吲哚酚硫酸盐（IS）和胆红素（BR），这不仅会加重患者的尿毒症症状，还容易诱发心血管疾病从而严重危害人体健康。蛋白质结合毒素大多具有疏水性，在进入血液后易与人血清蛋白质产生作用力而结合在一起，故难以去除。肾脏移植是根治肾脏疾病的有效方法，然而却存在着供体稀少、成功率低、价格高昂等一系列问题，因此血液透析和血液灌流等血液净化技术便成为了临床上治疗尿毒症的优先手段，其核心部件就是吸附剂。目前临床上所使用的多孔吸附剂如活性炭、分子筛、吸附树脂等大都吸附性能不理想，并且还存在着血液相容性差、化学性质不稳定、成本高昂等问题，这严重限制了血液净化清除毒素的效果。因此，研发一种吸附性能高效、材料安全无害且成本低廉的吸附剂便成为了一项重大的挑战。在此，本文针对蛋白质结合毒素IS和BR的分子结构特征分别构筑了不同的多孔纳米复合材料，并分别将其运用于血液透析和血液灌流。通过探究吸附剂的形貌结构和化学结构组成来优化复合材料制备方案，开发出了高性能的蛋白质结合毒素吸附剂，具体研究内容如下： （1）以九水硝酸铬（Cr(NO3)3·9H2O）和对苯二甲酸（H2BDC）为原料，通过高温水热法合成了具有正八面体结构的金属有机框架MIL-101(Cr)纳米颗粒。将MIL-101(Cr)纳米颗粒共混到聚丙烯腈（PAN）纺丝液中并调整MIL-101(Cr)的掺入量，通过静电纺丝法制备出了MIL-101(Cr)负载量为60wt%的PAN-M60纳米纤维复合膜用于血液透析清除蛋白质结合毒素IS。结果表明，MIL-101(Cr)纳米颗粒和PAN-M60纳米纤维膜在IS初始浓度为500mg/L时达到吸附平衡，最大吸附容量分别为170mg/g和103mg/g，且二者对IS的吸附行为均与Langmuir等温吸附模型相符合。其中MIL-101(Cr)纳米颗粒具有极快的吸附速率，能够在5分钟之内达到吸附平衡，而PAN-M60纳米纤维膜也能够在较短的15分钟完成吸附，二者吸附动力学均符合准二级动力学模型。将PAN-M60纳米纤维膜置于透析液中进行模拟血液透析实验，在透析液的体积为200mL的条件下测得IS的清除率由35.4%提高至了61.1%，清除率与体积为2000mL透析液时相当（62.5%），由此可见PAN-M60高效的吸附性能可用于实现透析液的再生以达到小型化可穿戴人工肾的目的。 （2）用正硅酸四乙酯作为硅源，结合模板剂十六烷基三甲基溴化铵合成了KCC-1型介孔二氧化硅，并采用后接枝法在合成的二氧化硅上成功固定了氨基得到了NH2-SiO2纳米颗粒。用生物相容性较好的聚醚砜（PES）将NH2-SiO2功能粒子通过液-液相转化法裹覆起来并冷冻干燥，得到了NH2-SiO2负载量为75wt%的NH2-SiO2/PES微珠。微珠内部具有典型的手指状孔道利于毒素传质，并具有良好的机械性能。接枝氨基前后SiO2对BR的最大平衡吸附量由210mg/g提高到了316mg/g，并且NH2-SiO2纳米颗粒与NH2-SiO2/PES复合微珠对BR的吸附过程都符合Langmuir等温模型，微珠在BR初始浓度为400mg/L时最大吸附量为214mg/g。吸附过程在大约2h达到平衡，吸附行为符合准二级动力学模型。分析其吸附机理可知，NH2-SiO2对BR的吸附作用主要受介孔二氧化硅上的氨基对BR的静电作用所控制。制得的NH2-SiO2/PES复合微珠具有良好的吸附性能同时解决了粉末在使用过程中难以回收的问题，有望用于血液灌流高效清除蛋白质结合毒素BR。
多孔纳米复合材料;慢性肾病;血液净化;吸附剂
东华大学
硕士
材料学
王雪芬
2022
中文
TB347
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）