东华大学洪枫教授团队 IJBM：可用于血液透析的细菌纳米纤维素平板膜

2024-05-08 来源：高分子科技

近日，东华大学洪枫教授团队采用负压浸渍法将壳聚糖线性分子引入细菌纳米纤维素（Bacterial NanoCellulose，BNC）凝胶膜，再通过离子凝胶法在BNC网络基质内原位形成壳聚糖颗粒充填，以缩小BNC膜的纤维网络孔隙，从而制备了内嵌壳聚糖颗粒的细菌纳米纤维素（Chitosan particle/bacterial nanocellulose，CSP/BNC）复合膜。文中详细研究了该复合膜的孔径特征、力学性能、透析性能、血液相容性和细胞相容性等，并评估了CSP/BNC膜在血液透析领域的应用潜力。该成果以Chitosan particles embedded bacterial nanocellulose flat membrane for hemodialysis为题，发表于International Journal of Biological Macromolecules上（DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.130646）。

慢性肾脏疾病影响全球10%以上的人口，过去二十年中导致死亡率不断攀升。血液透析是治疗肾病的主要方式之一。曾经商业化的血液透析膜是由再生纤维素构成的，然而再生纤维素膜可能诱发患者的炎症反应或淀粉样变，并且不能去除中等分子量的尿毒素；另一方面，目前常用的聚砜类合成高分子膜属于石油基产品，从原料、加工和用后处理方面均不具有绿色环保等优势，可持续性差。因此，发展零碳的生物基血液透析膜非常必要，但是也面临着巨大的挑战。细菌纳米纤维素（BNC）也称为细菌纤维素，是一种环境可降解的天然生物聚合物，血液相容性良好，已被广泛研究用于血液接触材料，譬如伤口敷料、止血海绵和人工血管等。BNC天然的多孔纳米纤维网络非常适合去除尿毒症毒素，然而BNC基血液透析材料却鲜有报道，另一方面该纤维网络孔隙偏大，不利于保留血液中的有益成分，如白蛋白等。壳聚糖（Chitosan，CS）是应用最广泛的生物基材料之一，具有生物相容性好、抗菌性能强和自由基清除能力高等优点。该团队曾首次在BNC网络基质引入壳聚糖并原位形成颗粒（Chitosan particle，CSP）以包封药物等活性分子。这是一种简单、高效和环保的方法，而且通过改变CS溶液的浓度，还可以很容易地调节CSP的粒径和数量。然而，CSP尚未被用于调节BNC膜的孔隙特性以应用于血液透析领域。因此，该团队为充分利用BNC的天然纳米纤维网络，采用负压浸渍和离子凝胶法，通过在BNC网络基质内原位形成CSP充填来缩小BNC膜的纤维网络孔隙，制备了CSP/BNC膜（图1），评估了CSP/BNC膜在血液透析领域的应用潜力。这是全球首个利用BNC膜实施血液透析的有益尝试，实现了从0到1的原始创新。

该研究制备工艺简单高效，无需有毒化学交联剂，巧妙利用线性CS分子渗入BNC网络，再原位形成颗粒致使体积增大，成功卡在BNC纤维网络内，为BNC的网络孔隙调节提供一种新的策略（图2）。该研究结果表明，CSP的引入可有效缩小BNC的纤维网络孔隙结构（图3）。进一步对膜的比表面积、孔隙率、孔体积和孔径等进行分析（表1），发现复合膜的比表面积随着CS浓度升高而降低。四种膜的孔隙度均为98%左右，这表明膜中存在大量孔隙，有利于尿毒素的渗透。与BNC膜相比，CSP/BNC膜的体密度提高了8.8-57.9%，骨架密度提高了0.9-4.5%；3% CSP/BNC膜的孔体积和孔径分别减少了42.2%和32.1%。这表明CSP的复合使天然BNC纤维网络变窄，孔的数量和尺寸显著减小（表1）。此外，CS的引入增加了BNC膜的密度，提高了膜的力学性能。相比BNC膜，3% CSP/BNC膜的杨氏模量提高了22.2倍，拉伸强度提高了88.9%（图4）。CSP/BNC膜具有较高的水通量，筛分系数符合要求。3% CSP/BNC膜的水通量为290±76 L/m²/h，尿素筛分系数为0.68±0.07，溶菌酶筛分系数为0.50±0.03，牛血清白蛋白筛分系数为0.05±0.03（图5）。3% CSP/BNC膜具有出色的血液透析性能，对中小分子量的尿毒素的清除率为已知文献的2-14倍，对牛血清白蛋白的截留率与已知报道相近。3% CSP/BNC膜的尿素清除率为16.37±2.71%/cm²，溶菌酶清除率为3.54±1.69%/cm²，牛血清白蛋白截留率为98.04±0.05%/cm²（图6）。结果显示，CSP/BNC膜具有良好的血液相容性，溶血率低于0.3%，属于不溶血材料（图7），同时具有良好的细胞相容性，无细胞毒性，并且能够支持HUVECs的粘附、增殖和铺展（图8）。