高效碳基凝胶吸附剂制备及协同透析膜用于蛋白质结合毒素硫酸吲哚的清除

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慢性肾脏疾病是一种由于肾脏结构和功能发生紊乱而无法有效排除毒素引起的疾病,对人体健康造成很大的危害。由于受肾脏供体及费用的限制,血液透析和血液灌流等血液净化技术是目前临床治疗慢性肾脏疾病的有效疗法。在慢性肾病患者血液中,以硫酸吲哚(IS)为代表的蛋白结合尿毒症毒素的积累率很高。由于其疏水性和与人血清白蛋白(HSA)的结合性,传统的血液透析技术难以清除这些毒素。目前对蛋白质结合毒素清除率最高的治疗方法是血液灌流,常见的吸附剂包括活性炭、沸石以及金属-有机框架材料。然而这些吸附剂存在血液相容性差、制备繁琐、在生理环境中会溶解等缺陷。因此,研发一种多孔、安全、低成本、高效且易于回收的吸附剂,从而进一步提升对蛋白质结合毒素的清除率,仍是一个挑战。同时将吸附剂与透析膜结合应用于血液透析领域,实现透析设备的小型化与轻量化。这些将为便携式人工肾脏的发展开辟一条新的途径,对慢性肾脏疾病患者的治疗至关重要,同时对血液净化领域具有深远的意义。(1)通过硝酸水热法改性活性炭(AC)制得60-AC,并与海藻酸钠(SA)进行混合,以氯化钙(CaCl2)为凝固浴,结合冷冻干燥技术制备SA/AC凝胶吸附微球。改变两者的比例,得到三种微球,其中SA/AC 1:4的吸附效果最好。SA/AC 4:1,SA/AC 1:1和SA/AC1:4对IS的吸附过程符合Freundlich模型,对初始浓度为600 mg/L的IS的最大吸附量分别为48.18 mg/g,97.27 mg/g,176.81 mg/g。整个吸附过程在10 h内达到平衡,吸附动力学符合准二级动力学模型。分析毒素清除机理可知,IS在60-AC及SA/AC上的吸附主要受范德华力作用、疏水作用和氢键作用的控制。SA/AC凝胶微球的吸附性能较好且易于回收,实现了透析液再生的效果,可以在便携式人工肾领域有很好的应用。(2)我们提出了一种新型的薄膜纳米纤维复合(TNFC)透析膜与还原氧化石墨烯(rGO)气凝胶吸附剂结合的策略,用于临床去除IS。为了进一步提高吸附剂的清除速率,我们采用温和的水热法,再经冷冻干燥处理得到rGO气凝胶吸附剂。通过π-π相互作用和氢键相互作用,rGO气凝胶对IS表现出良好的吸附性能,且吸附过程符合Langmuir等温线模型,由此估算出的最大吸附量为69.40 mg/g。随时间变化的吸附实验表明,整个吸附过程在4 h内达到平衡,与血液透析时间相匹配。随后我们采用静电纺丝和涂覆法相结合的方法制备了具有良好选择性和渗透性的TFNC膜。在血液透析过程中,通过将rGO气凝胶块引入透析液中吸收扩散的游离IS,充分发挥吸附剂与TFNC膜的协同作用。利用TFNC透析膜和rGO气凝胶的优点,透析液体积仅为不含吸附剂块时的十分之一,但透析性能相当(IS清除率为51.8%,HSA保留率超过98%)。这种方法可有效减轻传统血液透析的负担,有利于实现透析设备的小型化。因此,TFNC透析膜与rGO气凝胶吸附剂的结合使用,将为便携式人工肾脏的发展开辟一条新的途径。
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