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可口服，可用于血液透析急性排鉛！武漢大學(xué)鄧紅兵/陳朝吉教授團(tuán)隊(duì)AFM：固定了高生物安全性釀酒酵母的納米纖維氣凝膠用于人體綜合除鉛
2023-02-13  來源：高分子科技
  鉛中毒已成為兒童的頭號(hào)環(huán)境殺手，據(jù)世界衛(wèi)生組織（WTO）數(shù)據(jù)顯示，鉛中毒可導(dǎo)致每年約60萬兒童智力受損，發(fā)展中國家面臨鉛中毒的危害更大。目前新興的吸附技術(shù)因其吸附效率高、操作簡單，在人體去除鉛離子方面具有很大的潛力。然而，一些用于血液中除鉛的吸附劑由于不適合口服而不能用于胃腸道鉛去除，胃腸道吸附劑用于血液除鉛時(shí)，有可能引起溶血、免疫排斥反應(yīng)。因此，開發(fā)安全、高效的吸附劑，同時(shí)滿足胃腸道和血液中綜合除鉛策略是迫切需要的，但仍具有一定的挑戰(zhàn)性。近日，武漢大學(xué)鄧紅兵教授和陳朝吉教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了全生物質(zhì)氣凝膠用于人體綜合除鉛。


  該工作采用的釀酒酵母（SCV）來自發(fā)酵工業(yè)，再生納米纖維來自廢木材粉末，生物質(zhì)原料具備的低成本和大批量特性確保了大型患者的低成本和可擴(kuò)展的生產(chǎn)潛力以及良好的環(huán)境可持續(xù)性。更重要的是，這種納米纖維氣凝膠的制備不引入任何交聯(lián)劑，從而避免了有毒物質(zhì)的添加。 


圖1.生物質(zhì)廢棄物衍生酵母細(xì)胞負(fù)載再生纖維素納米纖維氣凝膠及其在人體綜合除鉛應(yīng)用的示意圖描述。生物質(zhì)廢棄物氣凝膠具有多孔的微結(jié)構(gòu)和豐富的官能團(tuán)，在人體胃腸道和血液中表現(xiàn)出良好的綜合除鉛性能。


  利用纖維冷凍成形技術(shù)，在再生纖維素納米纖維氣凝膠上負(fù)載釀酒細(xì)胞（SCV-n氣凝膠），具有多孔結(jié)構(gòu)的纖維素納米纖維可為酵母細(xì)胞提供更可觀的負(fù)載位點(diǎn)，并可保護(hù)酵母細(xì)胞在人體內(nèi)不脫落。此外，在不引入交聯(lián)劑的情況下，酵母細(xì)胞和纖維素上的活性吸附基團(tuán)(氨基、酰胺、羥基)被保留。 


圖2.(a) SCV-n氣凝膠的制備示意圖。(b)納米纖維和酵母細(xì)胞的SEM圖像。(c-e) SCV-3氣凝膠多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像。(f-i)氣凝膠光學(xué)照片:(f)醋酸纖維素納米纖維膜的光學(xué)照片。(g) 酵母細(xì)胞粉末的光學(xué)照片。(h) SCV細(xì)胞發(fā)酵罐的光學(xué)照片。(i)不同大小和形狀的SCV-n氣凝膠的光學(xué)照片。

  研究了負(fù)載SCV的氣凝膠對(duì)鉛離子的水環(huán)境吸附性能。該氣凝膠能在100分鐘內(nèi)到達(dá)吸附平衡。當(dāng)酵母細(xì)胞質(zhì)量從0.5%增加到5%時(shí)，吸附容量增加了150%到350%。最大吸附容量為103.26mg g?1（SCV-3氣凝膠）。這種極高的吸附能力得益于多孔納米纖維網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和酵母細(xì)胞的高負(fù)載率。在Cd2+，Zn2+，Ni2+和Mg2+等雜質(zhì)離子的存在下，SCV-3氣凝膠對(duì)Pb2+表現(xiàn)出較高的選擇性. Pb2+的去除率大約是Cd2+和Ni2+的兩倍，而幾乎不吸附Zn2+和Mg2+。


  進(jìn)一步對(duì)SCV細(xì)胞以及SCV-3氣凝膠吸附機(jī)理進(jìn)行研究，SCV-3氣凝膠的吸附機(jī)理與SCV細(xì)胞相似。結(jié)合吸附前后FTIR圖譜分析，1240 cm-1處的峰值(酰胺帶C-NⅢ)在吸附結(jié)束時(shí)消失，表明酰胺基團(tuán)參與了鉛離子的吸附。吸附前后的XPS的C譜，N譜，O譜以及Pb譜圖顯示Pb2+已經(jīng)成功的吸附在氣凝膠表面，以及C-O-Pb和Pb-NH2絡(luò)合物的生成。吸附前后的EDX圖譜顯示K+與鉛離子發(fā)生離子交換，助力了鉛離子的吸附。綜上所述，SCV-3氣凝膠吸附鉛的機(jī)理包括靜電吸引，化學(xué)相互作用，以及離子交換作用。


  采用模擬胃腸液和血清進(jìn)行體外吸附實(shí)驗(yàn)，氣凝膠均表現(xiàn)出優(yōu)秀的的除鉛性能，特別是在0.2 g時(shí)，鉛離子濃度從879.70 ppb降至248.53 ppb(接近安全水平)。血清鉛離子濃度由400 ppb降至186.29 ppb(安全水平)。此外，該生物質(zhì)能氣凝膠具有形狀可控性、良好的彈性和穩(wěn)定性，在人體綜合除鉛中具有廣闊的應(yīng)用前景。 



  論文題為”Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body” （《固定了高生物安全性釀酒酵母的納米纖維氣凝膠用于人體綜合除鉛》）武漢大學(xué)2021級(jí)博士研究生曹詩翊為第一作者，鄧紅兵教授與陳朝吉教授為共同通訊作者。該論文得到國家自然科學(xué)基金、湖北省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、湖北省杰出青年基金、武漢大學(xué)啟動(dòng)基金等項(xiàng)目資助。


  論文鏈接：http://doi.10.1002/adfm.202215059

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