近日,Advanced Functional Materials(《先進功能材料》)在線發表了我院鄧紅兵、陳朝吉教授研究團隊在全生物質氣凝膠人體綜合除鉛領域的最新研究成果。
論文題目為“Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body”(《固定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》)。我院2021級博士研究生曹詩翊為論文第一作者,鄧紅兵、陳朝吉教授為論文通訊作者。
鉛中毒已成為兒童的頭号環境殺手,據世界衛生組織(WTO)數據顯示,鉛中毒可導緻每年約60萬兒童智力受損。針對急性鉛中毒,目前新興的吸附技術因其響應快速、吸附效率高、操作簡單,在人體鉛離子快速去除方面展現出巨大的潛力。然而,一些可用于血液除鉛的吸附劑由于不适合口服而不能用于胃腸道除鉛,而胃腸道吸附劑若用于血液透析除鉛時極易引起溶血、免疫排斥反應。因此,開發安全、高效的吸附劑并同時滿足胃腸道和血液中綜合除鉛具有重要臨床意義。
該工作采用的釀酒酵母(SCV)來自發酵工業,如啤酒釀造廢棄物,再生納米纖維來自廢木材粉末,生物質原料具備的低成本和大批量特性确保了大量患者低成本、可擴展的生産潛力以及良好的環境可持續性。更重要的是,該納米纖維氣凝膠的制備不引入任何交聯劑,從而避免了有毒物質的添加。
圖1. 負載釀酒酵母(生物質廢棄物)的再生纖維素納米纖維氣凝膠及其在人體綜合除鉛中的應用示意圖。生物質氣凝膠具有多孔的微結構和豐富的官能團,在人體胃腸道和血液中表現出良好的綜合除鉛性能。
利用纖維冷凍成型技術,在纖維素納米纖維氣凝膠上負載釀酒細胞(SCV-n氣凝膠),具有多孔結構的纖維素納米纖維可為酵母細胞提供更可觀的負載位點,并可保護酵母細胞在人體内應用過程中不脫落。此外,在不引入交聯劑的情況下,酵母細胞和纖維素上的活性吸附基團(氨基、酰胺、羟基)被保留。
圖2. (a) SCV-n氣凝膠的制備示意圖。(b) 納米纖維和酵母細胞的SEM圖。(c-e) SCV-3氣凝膠多孔結構的SEM圖。(f-i) 氣凝膠光學照片:(f) 醋酸纖維素納米纖維膜的光學照片。(g) 酵母細胞粉末的光學照片。(h) SCV細胞發酵罐的光學照片。(i) 不同大小和形狀的SCV-n氣凝膠的光學照片。
研究了負載SCV氣凝膠對水溶液中鉛離子的吸附性能:該氣凝膠能在100分鐘内到達吸附平衡。當酵母細胞質量從0.5%增加到5%時,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納米纖維的多孔網絡結構和酵母細胞的高負載率。在Cd2+,Zn2+,Ni2+和Mg2+等雜質離子的存在下,SCV-3氣凝膠對Pb2+表現出較高的選擇性。Pb2+的去除率大約是Cd2+和Ni2+的兩倍,而幾乎不吸附Zn2+和Mg2+。
進一步對SCV細胞以及SCV-3氣凝膠吸附機理進行研究,發現SCV-3氣凝膠的吸附機理與SCV細胞類似。結合吸附前後FT-IR圖譜分析,1240 cm-1處的峰值(酰胺帶C-NⅢ)在吸附結束時消失,表明酰胺基團參與了鉛離子的吸附。吸附前後的XPS的C譜、N譜、O譜以及Pb譜圖顯示Pb2+已成功吸附在氣凝膠表面,并形成了C-O-Pb和Pb-NH2絡合物。吸附前後EDX圖譜顯示K+與鉛離子發生離子交換,助力了鉛離子的吸附。綜上所述,SCV-3氣凝膠吸附鉛的機理包括靜電吸引、化學相互作用以及離子交換作用。
采用模拟胃腸液和血清進行體外吸附實驗,氣凝膠均表現出優異的除鉛性能:特别是在0.2 g時,腸道鉛離子濃度從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)。湖北擁有世界第二大酵母生産企業,該工作為酵母的高附加值應用提供了新的策略;此外,該生物質氣凝膠具有形狀可控性、良好的彈性和穩定性,在人體綜合除鉛中具有廣闊的應用前景。
圖3. SCV-n氣凝膠在人體環境中的應用。(a-b) Pb2+在胃、腸期的生物可及性及吸附能力結果圖。(c)血清靜态吸附結果圖。(d)血清動态吸附裝置示意圖。(e-f)血清中Pb2+的生物可及性和去除率結果圖。
該工作得到國家自然科學基金(52173061、51873157)、湖北省重點研發項目(2020BAA029)、湖北省傑出青年基金(2020CFA105)、88858cc永利官网引進人才啟動基金(691000003)等項目資助。
論文鍊接:https://doi.org/10.1002/adfm.202215059
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