生物大分子（如蛋白质、核酸和脂质体）的纯化是生物医学领域中的一个关键单元操作[[1], [2], [3], [4]]。这一过程需要温和的条件以保持分子结构和生物活性，同时要求快速的质量传递和高孔隙率以实现高效分离[[5], [6], [7]]。除了单分子外，从复杂的天然提取物（如黄芪中的多糖和黄酮类化合物）中分离生物活性化合物同样至关重要，这些化合物已显示出显著的治疗潜力[8]。色谱技术仍然是这些纯化任务不可或缺的技术，它依赖于目标分子与固定相上配体之间的特异性相互作用[9,10]。因此，固定相的性质从根本上决定了分离效率、纯度和回收产品的生物活性[11,12]。
琼脂糖或硅胶珠的填充床仍然主导着工业分离[13,14]。然而，它们密集堆积的结构限制了流速，珠内的缓慢孔隙扩散阻碍了大分子的结合，导致较长的停留时间和低生产率[15,16]。作为一种有前景的替代方案，多孔整体柱提供了一个连续的、相互连接的孔隙网络，可以最小化剪切力并支持高效的大分子分离[[17], [18], [19]]。
除了结构设计外，固定相的来源材料也显著影响色谱性能。对可持续固定相材料的探索激发了人们对纤维素、壳聚糖和琼脂糖等生物聚合物的兴趣[[19], [20], [21], [22]]。与合成聚合物相比，这些材料具有固有的亲水性、生物相容性和较低的环境影响[23]。然而，将这些原始生物聚合物加工成坚固、高性能的整体材料通常涉及耗能较高的步骤，例如在强溶剂或离子液体中的溶解，随后进行再生[24,25]。此外，所得材料可能具有不足的机械强度、异质孔结构或有限的化学稳定性，限制了它们的工业应用[26]。这一背景突显了该领域的一个核心挑战：开发结合了先进整体材料操作优势与可持续、可扩展材料基础的分离平台。
天然木材具有复杂的层次结构，以及形成天然对流网络的排列整齐的微通道[[27], [28], [29]]，是一种有前景的、丰富的、可再生的色谱基质资源。这种固有的结构似乎非常适合色谱应用，因为它可以提供低背压和高效的质量传递。在各种木材种类中，针叶林木材（软木）尤其具有吸引力，因为它们的结构更简单，细胞类型较少，导管以规则的辐射状排列，从而形成更加均匀的基质。具体来说，我们选择了辐射松（Pinus radiata）作为本研究的选择。作为一种生长迅速的种植木材，它具有直纹和少量节疤，表现出优异且一致的机械性能，这主要归功于其早材和晚材之间的差异很小。对于柱的制造而言，其均匀的结构和可预测的尺寸行为（膨胀和收缩）是生产可靠且可重复的整体柱的基本前提。这种结构规律性和材料一致性的结合使辐射松成为开发基于木材的色谱基质的理想模型物种。通过相对简单的“自上而下”的加工路线，可以修改木材的天然结构：去除木质素以暴露富含羟基的纤维素表面进行功能化，同时基本上保留了大孔支架[30,31]。与大多数基于生物聚合物的整体柱所需的“自下而上”的合成方法不同，这种方法利用了预先形成的、机械强度高的支架，在加工简单性和减少化学/能源消耗方面具有潜在优势。我们团队在该领域的初步研究已经证实了木材作为色谱基质的基本可行性。我们发现，直接功能化的二乙氨基乙基（DEAE）改性木材整体柱表现出有利的渗透性和流体力学性能。然而，发现了一个显著的限制：可用于配体固定的有效表面积仍然有限，导致牛血清白蛋白（BSA）的静态吸附容量仅为14.72 mg g-1[32]。这一性能水平表明，在木材基介质被视为商业产品的实际替代品之前，还有很大的改进空间。
我们团队之前通过在木材通道内原位交联甲基丙烯酸缩水甘油酯和乙二醇二甲基丙烯酸酯来合成木材-聚合物整体柱，解决了容量问题[33]。这种方法制备出了稳定的、高容量的阴离子交换剂，其BSA的静态吸附容量为33.04 mg mL-1
为了解决色谱基质的容量限制，聚合物接枝技术已成功应用于高性能树脂的设计[34,35]。该方法涉及将灵活的亲水性聚合物链连接到固定相表面，形成三维结合域，从而增加有效的结合容量。这种结构具有双重功能：它增强了可访问的配体结合位点的密度，并通过“链传递”效应提高了质量传递速率[36,37]。在各种聚合物中，线性多糖葡聚糖由于其高羟基密度、生物相容性和化学稳定性而成为商业介质中的常用材料[38,39]。
这种葡聚糖接枝策略在基于木材的色谱中的有效性已经得到验证，我们的研究团队通过接枝葡聚糖并固定蛋白质A，成功制备出了亲和性木材整体柱，与未改性的对照相比，IgG的结合能力显著提高[40,41]。这种方法同样适用于阳离子交换系统，在那里葡聚糖接枝也改善了蛋白质的吸附性能[42]。总体而言，这些研究证实了葡聚糖接枝作为提高基于木材的整体柱吸附能力的策略的广泛适用性。然而，尽管取得了这些进展，所实现的吸附容量虽然有所提高，但仍远低于商业色谱介质的性能基准。例如，领先的商业阳离子交换树脂的溶菌酶吸附容量通常超过100 mg mL-1[43,44]，而高性能蛋白质A亲和介质通常能达到50-100 mg mL-1[45,46]。相比之下，基于木材的整体柱在这些模式中的报道容量分别为阳离子交换40.24 mg g-1[42]和蛋白质A亲和34.6 mg g-1[40]。这种持续的性能差距突显了进一步研究以充分发挥葡聚糖接枝木材基质潜力的必要性。
在这项研究中，我们将葡聚糖接枝技术与木材的独特结构优势相结合。这种方法使得能够制造出高性能的阴离子交换整体柱。木材支架提供了层次化的多孔网络，促进自然对流，同时赋予机械强度。接枝的葡聚糖刷层形成了三维结合层，显著扩展了功能容量，同时保持了亲水性和生物相容性。我们假设这种合理的设计将产生一种分离介质，结合了整体柱的操作优势以及接近商业材料的增强结合能力。此外，基于木材的平台具有固有的可持续性、可重复使用性和潜在的成本效益。这些属性使其成为纯化有价值生物分子的理想且多用途的替代方案。因此，它的采用有助于开发更可持续的生物分离过程。
