血液透析用锆基MOF功能化纳米纤维膜的制备及其性能研究

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全球大约10%的人口患有慢性肾病(CKD)。肾脏作为人体主要的解毒器官和泌尿控制系统的组成部分,负责过滤血液中的毒素,维持体液和电解质的平衡。肾衰竭患者需要通过血液透析来延长生命,因此发展高性能、低成本的血液透析膜具有巨大的发展前景和市场需求。目前,传统的透析材料由于孔径尺寸单一,缺乏选择性,对中小分子毒素和蛋白结合的毒素去除率以及蛋白保留率并不高。因此,研发高效新型血液透析膜是非常有必要的。金属-有机框架材料(MOF)是一种易于调节的多孔晶体材料,它是由金属离子和有机配体自组装形成的。MOF材料由于其可调节的孔尺寸,大的表面积,所以在吸附领域受到了越来越多的关注。Zr基MOF由于具有大的比表面积、良好的化学稳定性和血液相容性等优势,成为了血液透析领域新兴的研究热点。UIO-66(Zr)MOF是由八面体[Zr6O4(OH)4]团簇与12个1,4-苯二羧酸分子配位组成。UIO-66(Zr)MOF因其具有良好的热学稳定性和化学稳定性而得到了广泛的研究。然而,MOF材料呈粉末状不易成型,使其在吸附过程中难以分离、回收,从而限制了实际应用。静电纺丝是一种通过高压电场制造纳米纤维的简单方法,静电纺纳米纤维直径在几十纳米到几微米之间,具有成膜性好,孔隙率高、孔道连通性好、易于改性和修饰等特点,所以在吸附、过滤领域具有很好的应用前景。本论文中我们将静电纺纳米纤维与MOF材料相结合,通过MOF材料的引入,增加了纳米纤维膜的比表面积和吸附位点,进而提高纳米纤维膜对尿毒症毒素的选择清除能力和对蛋白的保留率。在本论文中,重点研究Zr-MOF修饰的纳米纤维膜的制备及其在血液透析方面的应用。本论文主要分为以下两个内容:1.通过静电纺丝方法和水热合成方法相结合制备了UIO-66-NH2修饰的纳米纤维膜(UNPNFM)。UIO-66-NH2晶体成功的生长在纳米纤维表面,其含量为38.10%。随着UIO-66-NH2的引入,复合纳米纤维膜的比表面积显著增加,可达113.6 m~2/g,纤维膜的机械性能和亲水性质都得到了提高。该复合纳米纤维的细胞毒性、凝血、溶血和血小板黏附测试结果表明,纤维膜无毒,不会引起血栓,具有良好的血液相容性。UNPNFM对肌酐和马尿酸展现了较好的吸附性能,吸附过程更符合准一级动力学模型和Langmuir等温模型。UNPNFM对肌酐和马尿酸的最大吸附容量分别为96.43 mg/g和125.63 mg/g。对UNPNFM进行模拟血液透析实验,4 h后复合纤维膜对肌酐的清除率为259.54 m L/min,对马尿酸的清除率为254.66 m L/min,肌酐和马尿酸的清除效率分别为60.3%和63.56%,对牛血清蛋白(BSA)的保留率是90.83%。2.我们通过静电纺丝和粘附层修饰原位生长相结合的方法制备了柔性的UIO-66-(COOH)2修饰纳米纤维膜(UAPNFM)。UIO-66-(COOH)2纳米晶体均匀稳定地生长在纳米纤维上,含量为54.99 wt%。获得的UAPNFM对肌酐展现了优异的吸附移除性能,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型,UAPNFM对肌酐的最大吸附容量是168.63 mg/g。经过4 h模拟透析实验,UAPNFM对肌酐的清除率可达226 m L/min,是商用FX60透析器的1.24倍,对肌酐的清除效率为82.48%,对BSA的保留率为93.09%。复合纤维膜具有较好的机械性能和再生性能,经过4次吸附-脱附循环后,对肌酐的去除率仍能保持在82.31%。此外,复合纤维膜的凝血、溶血、血常规和血小板黏附测试结果显示UAPNFM具有优异的血液相容性。
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