鞠佳,祁文旭,,孔鵬飛,湯佳玉,梁飛雪,張曉欣,賀高紅,楊磊
(1 遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧撫順113001; 2 大連理工大學(xué)化工學(xué)院,精細(xì)化工國家重點(diǎn)實驗室,遼寧大連116024)
膽紅素是一種內(nèi)源性毒素,其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。膽紅素由人體正常代謝產(chǎn)生,來源于衰老紅細(xì)胞中的血紅素,在與血清蛋白結(jié)合后通過肝臟排出體外。當(dāng)人體肝臟系統(tǒng)受損或代謝受阻時則會在身體中累積,引起高膽紅素血癥,嚴(yán)重時甚至?xí)<吧黐1-2]。目前臨床上治療高膽紅素血癥的直接去除方法包括光療法、血漿置換法和血液灌流法等,其中血液灌流法效果最為顯著。選用安全、高效、價廉的吸附材料是采用血液灌流法治療高膽紅素血癥的關(guān)鍵,因此人們一直致力于研制新型高效的膽紅素吸附劑[3]。
圖1 膽紅素分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of bilirubin
膽紅素吸附劑按材質(zhì)可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類,有機(jī)吸附劑如合成樹脂[4-6]、多糖和凝膠類[7-9]、分子印跡材料[10-12]等,無機(jī)吸附劑如活性炭[13-14]、碳納米管[15-16]、二氧化鈦[17-18]等。膽紅素吸附劑按形態(tài)可分為膜和顆粒兩大類。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展,無機(jī)納米材料又重新成為膽紅素吸附材料研制的熱點(diǎn)。Yamazaki 等[19]研制出了新型活性碳納米管,其膽紅素吸附效果較好。Yang等[20]研制了TiO2納米晶體膜,最大吸附量可達(dá)17.1 mg/g,利用紫外線照射可實現(xiàn)再生利用。謝亞林等[21]利用石英晶體微天平現(xiàn)場技術(shù),研究了膽紅素在納米TiO2晶體膜表面的吸附動力學(xué)。雖然納米材料因比表面積大等特性顯示出較高的膽紅素理論吸附量,但是納米材料在吸附過程中的分散性較差,從而影響實驗吸附量;另一方面直接采用納米顆粒裝填吸附柱,如無其他措施,可能會導(dǎo)致大量吸附劑顆粒隨血液循環(huán)泄漏到血液環(huán)境中。
本文選擇應(yīng)用最廣泛的聚偏氟乙烯(PVDF)作為基膜材料[22-24],在鑄膜液中共混具有一定親水性的納米二氧化鈦顆粒,通過干濕相轉(zhuǎn)化制備TiO2/PVDF 共混微濾膜。這種方法先固態(tài)化納米二氧化鈦,防止泄漏,而且TiO2在鑄膜液中均勻分散,提高了TiO2的分散性??疾炝髓T膜液中TiO2含量對TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素效果的影響,通過SEM 和EDX 分析了TiO2最佳含量,進(jìn)一步考察了優(yōu)化的TiO2/PVDF 共混微濾膜的吸附條件,如吸附溫度、吸附時間、膽紅素初始濃度、pH等對膽紅素吸附的影響。
膽紅素,96%,東京化成工業(yè)株式會社,日本;聚偏氟乙烯(PVDF),工業(yè)級,上海三愛富有限公司;銳鈦礦型納米二氧化鈦(TiO2),10 nm,北京德科島金科技有限公司;聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30),優(yōu)級純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;其余試劑均為分析純,購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
UV-1800 紫外可見分光光度計,上海精密儀器儀表有限公司;THZ-82(A)恒溫水浴振蕩器,浙江金壇市科析儀器有限公司;SU8010 場發(fā)射掃描電鏡,日本Hitachi 公司;XFlash Detector 5030 能量色散X射線光譜儀,德國Bruker Nano 公司;OCA-200 接觸角分析儀,德國Dataphysics公司。
在20℃下,以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)為溶劑、PVDF 為基膜原料,添加致孔劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30),按一定比例混合,形成均一的鑄膜液。稱取一定質(zhì)量的銳鈦礦型納米二氧化鈦顆粒于試劑瓶中,加入溶劑DMAc,超聲分散30 min,形成均一穩(wěn)定的TiO2溶膠。邊滴加邊攪拌使TiO2溶膠在鑄膜液中均勻分布,靜置脫泡后得到穩(wěn)定無泡的鑄膜液,用玻璃棒在平板玻璃上刮涂形成厚度200 μm的薄層,在空氣中靜置揮發(fā)一段時間,迅速浸入去離子水(20℃)中進(jìn)行固化,并浸泡24 h以便徹底交換出溶劑,60℃真空干燥24 h,待用。TiO2/PVDF 共混微濾膜的制備過程和膜照片如圖2所示。
圖2 TiO2/PVDF共混微濾膜的制備示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane
鑄膜液中PVDF 和PVP K30 分別占10%和6%(質(zhì)量),其中TiO2含量范圍為0~2.5%(質(zhì)量),TiO2含量分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%(質(zhì)量),對應(yīng)記為PVDF-10-0 膜、PVDF-10-0.5 膜、PVDF-10-1膜、PVDF-10-1.5 膜、PVDF-10-2 膜和PVDF-10-2.5膜。
將PVDF-10-0 膜、PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2 膜樣品干燥脫水后,用液氮冷凍斷裂制斷面樣品,將膜正反面及斷面用導(dǎo)電膠固定于掃描電鏡樣品臺上,置于E-1010 ION SPUTTER 中鍍金,最后在Hitachi-SU8010掃描電鏡下進(jìn)行觀察。利用能量色散X 射線衍射(EDX)對PVDF-10-1 膜進(jìn)行掃描,得到膜中各元素的EDX 能譜,分析其中元素種類及分布。
在真空度為0.1 MPa 下進(jìn)行膜的純水通量實驗[25]。根據(jù)式(1)計算PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1膜的純水通量J[ml/(cm2·min)]
式中,F 為透過純水的體積,ml;A 為膜的有效過濾面積,取12.56 cm2;Δt 是透過時間,min。PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜的水接觸角θ(°)在OCA-200接觸角分析儀上測定。
采用稱重法測定膜的孔隙率,由式(2)計算PVDF-10-0膜和PVDF-10-1膜的孔隙率ε(%)
式中,W1、W2分別為膜在干、濕狀態(tài)下的質(zhì)量,g;dH2O為水密度,g/cm3;VM為膜的體積,ml。
在避光條件下配制膽紅素緩沖溶液,即配即用[26]。稱取一定質(zhì)量的共混微濾膜或TiO2顆粒,浸入裝有5 ml 新鮮膽紅素緩沖溶液的西林瓶中,密封避光處理后,將無膜的等量膽紅素緩沖溶液作為空白對照樣,以200 r/min 的速率恒溫振蕩一段時間,將膽紅素溶液稀釋一定倍數(shù),在440 nm 下測定其吸光度,膜或TiO2顆粒的膽紅素吸附量可由式(3)計算[27]
式中,Q 為單位質(zhì)量膜吸附膽紅素的量,mg/g membrane;C0和C 分別是空白溶液和吸附平衡后溶液中的膽紅素濃度,mg/ml;V 為模擬血清的吸附體積,ml;m為膜或TiO2顆粒的質(zhì)量,g。
TiO2含量對TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響見圖3,未共混的PVDF微濾膜的膽紅素吸附量較小,而添加了TiO2顆粒的共混微濾膜對膽紅素表現(xiàn)出明顯的吸附作用。隨著TiO2含量的增加,共混微濾膜的膽紅素吸附量逐漸提高,當(dāng)TiO2含量為1%(質(zhì)量)時,PVDF-10-1 膜具有最大的膽紅素吸附量,TiO2含量超過1%(質(zhì)量)時,膜的膽紅素吸附量略有降低。
SEM 結(jié)果(圖4)顯示,PVDF-10-0膜的上表面和斷面沒有顆粒狀物,在PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2膜的上表面和斷面都有顆粒狀物。PVDF-10-2膜的顆粒狀物要比PVDF-10-1膜多,而且在孔隙內(nèi)有部分顆粒發(fā)生明顯團(tuán)聚,這也與TiO2含量超過1%(質(zhì)量)發(fā)生團(tuán)聚的文獻(xiàn)結(jié)果[28]一致。為了進(jìn)一步驗證PVDF-10-1膜內(nèi)顆粒的均勻分布情況,對其斷面進(jìn)行了EDX能譜分析,結(jié)果如圖5所示,膜的斷面均勻分布Ti 元素,即說明膜斷面均勻分布TiO2顆粒,因此該膜的較高膽紅素吸附能力可能與TiO2在膜中的均勻分散有關(guān)。
圖3 TiO2含量對TiO2/PVDF共混微濾膜對膽紅素吸附量的影響(膽紅素濃度2.5 mg/ml,pH 10.9,25℃,吸附2 h)Fig.3 Effect of TiO2 content on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.5 mg/ml,pH 10.9,25℃,adsorption time 2 h)
由表1 中數(shù)據(jù)可知,PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜孔隙率接近,但添加1%(質(zhì)量) TiO2后,純水通量由18.6 ml/(cm2·min) 增大到32.8 ml/(cm2·min),而膜表面的接觸角從71°降低至58°,這可能是因為共混親水性較大的TiO2增大了其純水通量。因此在后續(xù)研究中,膽紅素吸附實驗均采用PVDF-10-1膜。
表1 微濾膜性能的比較Table 1 Comparison of properties of microfiltration membranes
圖4 TiO2/PVDF共混微濾膜的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane
圖5 PVDF-10-1膜斷面的SEM圖和EDX能譜圖Fig.5 SEM image and EDX spectra of cross section of PVDF-10-1 membrane
圖6 吸附溫度和時間對TiO2/PVDF共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響(膽紅素濃度2.5 mg/ml,pH 10.9)Fig.6 Effects of adsorption temperature and time on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.5 mg/ml,pH 10.9)
根據(jù)室溫和人體內(nèi)溫度選擇分別在25℃和37℃下進(jìn)行膽紅素的吸附實驗,其結(jié)果如圖6 所示。隨著吸附時間的延長,膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附量逐漸增大,在2 h 后逐漸趨于平緩,最終平衡達(dá)到飽和吸附。由圖6 還可明顯看出,在37℃下的吸附效果優(yōu)于在25℃的情況,這與一般的吸附過程不同,一般情況下吸附隨著溫度的升高而降低。很多研究也得到了相同的結(jié)論,即吸附劑對膽紅素的吸附隨溫度升高而升高[4,8,20],這可能與膽紅素的空間構(gòu)象隨溫度變化有關(guān)[29],膽紅素是雙吡咯二羧酸結(jié)構(gòu),常溫下,其羧基在同側(cè),順式(cis)結(jié)構(gòu)空間位阻很大;隨著溫度的升高,膽紅素的空間構(gòu)象由順式(cis)向反式(trans)旋轉(zhuǎn),減小了空間位阻,增大了膽紅素與TiO2/PVDF 共混微濾膜之間的接觸機(jī)會,從而增大其膽紅素吸附量。在下面研究中選擇在37℃下吸附2 h作為實驗條件。
膽紅素初始濃度對TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響見圖7。實驗結(jié)果表明,PVDF 原膜對膽紅素的特異性吸附量很低,而共混TiO2顆粒后,TiO2/PVDF 共混微濾膜顯示出對膽紅素的吸附特異性,這可能由于膽紅素分子與TiO2納米粒子間存在相互作用力,有文獻(xiàn)利用紅外測試證明了膽紅素分子中—COOH 與TiO2顆粒表面—OH 存在酯化縮合作用和氫鍵作用[20]。在一定范圍內(nèi),隨膽紅素初始濃度的增加,TiO2/PVDF 共混微濾膜對膽紅素的特異性吸附量隨之增加,當(dāng)膽紅素濃度達(dá)到0.5 mg/ml時,膽紅素吸附量趨于平穩(wěn),達(dá)到飽和吸附量為
Freundlich吸附等溫式如式(4)所示
式中,Q 為單位質(zhì)量TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量,mg/g membrane;C 為膽紅素吸附平衡時濃度,mg/ml;k和n均為吸附平衡常數(shù)。對式(4)取左右對數(shù),可以將指數(shù)式轉(zhuǎn)化為線性式
圖7 膽紅素初始濃度對TiO2/PVDF共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響(pH 10.9,37℃,吸附2 h)Fig.7 Effect of initial bilirubin concentration on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(pH 10.9,37℃,adsorption time 2 h)
采用Freundlich 吸附等溫式擬合TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附數(shù)據(jù),擬合結(jié)果如圖8所示,表明膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附符合Freundlich 等溫吸附,即膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附行為屬于單分子層吸附。
圖8 膽紅素Freundlich等溫吸附機(jī)理Fig.8 Freundlich isothermal adsorption mechanism of bilirubin
膽紅素緩沖溶液的pH 對TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果表明,隨著膽紅素溶液pH 的增加,TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量逐漸降低。這可能由于膽紅素分子與TiO2納米粒子間存在相互作用力,主要包括膽紅素分子中—COOH 與TiO2顆粒表面—OH 的酯化縮合作用和氫鍵作用[20-21]。在堿性條件下,這種酯化作用減弱,所以膽紅素難于吸附在TiO2/PVDF 共混微濾膜表面,因此TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量下降。
圖9 膽紅素溶液pH對TiO2/PVDF共混微濾膜吸附膽紅素的影響(膽紅素濃度2.4 mg/ml,37℃,吸附2 h)Fig.9 Effect of bilirubin solution pH on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.4 mg/ml,37℃,adsorption time 2 h)
為評估TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附性能,將其與其他吸附劑進(jìn)行比較,如表2 所示。Xie等[30]采用表面功能化活性染料Procion Blue H-5R,通過相轉(zhuǎn)化法制備改性纖維素膜,該膜的膽紅素飽和吸附量為26.0 mg/g membrane。Shi 等[31]采用氣相沉積聚合法將吡咯-3-羧酸聚合到氧化鋁膜上,制備了聚吡咯-3-羧酸-氧化鋁復(fù)合膜,再以賴氨酸為配體,該膜的膽紅素飽和吸附量為40.7 mg/g membrane。Salimi 等[32]采用β-環(huán)糊精改性聚醚砜中空纖維膜吸附膽紅素,膽紅素的飽和吸附量為51.0 mg/g membrane。TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素飽和吸附量為49.5 mg/g membrane,與大多數(shù)新型親和膜的膽紅素飽和吸附量相當(dāng)。而且TiO2/PVDF共混微濾膜高于本文所使用的TiO2顆粒的膽紅素吸附量,這可能是因為TiO2顆粒在TiO2/PVDF 共混微濾膜中分散較好,降低了TiO2顆粒的自身團(tuán)聚的程度,從而增加了其與膽紅素充分接觸的機(jī)會。
表2 TiO2/PVDF復(fù)合膜與其他吸附材料的吸附性能比較Table 2 Comparison of adsorption performance of TiO2/PVDF composite membrane with other adsorption materials
本文以PVDF 基膜原料、DMAc 為溶劑、PVP 為制孔劑,共混摻雜10 nm 銳鈦礦型納米TiO2顆粒,制備了一種能有效去除膽紅素的TiO2/PVDF 共混微濾膜。當(dāng)TiO2共混含量為1%(質(zhì)量)時,制得的TiO2/PVDF 共混微濾膜對膽紅素特異性吸附有顯著效果,因為該膜內(nèi)部及孔隙中均勻分布TiO2顆粒,顆粒團(tuán)聚較少。這種均勻分布,減少了TiO2顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象,增大了顆粒與膽紅素的接觸概率。隨著溫度的升高、時間的延長、pH 的降低及膽紅素初始濃度的增加,該膜的膽紅素吸附量不斷增加,該膜的飽和吸附量為49.5 mg/g membrane,與很多親和膜膽紅素飽和吸附量相當(dāng)。