羟基磷灰石纳米填料特性在调控蛋白质选择性聚砜膜形态中的作用

《Microchemical Journal》：The role of hydroxyapatite nanofiller characteristics in regulation of protein-selective polysulfone membrane morphology

本研究采用羟基磷灰石（HAp）纳米粒子作为新型绿色成孔剂，基于聚砜（PS）基体制备复合超滤膜。通过定向附聚（OA）机制调控HAp纳米颗粒的尺寸与形貌，结合量子化学计算分析表面修饰效应。实验表明，不同尺寸的HAp纳米粒子可显著改善膜表面粗糙度与亲水性，其中小尺寸HAp（<100 nm）形成不规则孔道，大尺寸（>200 nm）则增强孔道连通性，使纯水通量提升35%-42%，同时蛋白质截留率提高18%-25%。研究揭示了HAp纳米粒子尺寸与膜分离性能的构效关系，为生物医学分离和食品工业净化提供新型材料设计策略。

　　

Ksenia I. Meshina | Eshigma B. Lodonova | Lusine A. Voskanyan | Daria S. Veselova | Evgeniya A. Syukkalova | Boris A. Noskov | Alexandra Yu. Pulyalina | Olga M. Osmolovskaya

圣彼得堡国立大学，Universitetskaya Embankment 7/9，圣彼得堡 199034，俄罗斯

摘要

本研究提出了一种新型复合膜制备方法。我们的膜基于聚砜基质，并填充了无机羟基磷灰石纳米颗粒（HAp NPs）作为新的绿色孔隙形成剂。为了控制纳米颗粒的大小，采用了非传统的HAp生长机制——定向附着（OA）。通过XRD、WPPM、FTIR和TEM分析以及量子化学计算研究了棒状HAp NPs，并评估了无机离子调节剂在表面阻塞和聚集过程中的作用。

将不同大小和长宽比的HAp纳米填料掺入聚砜膜中，并通过XRD、ATR-FTIR、SEM和AFM方法对其结构和形态进行了表征。填料的大小决定了所得膜的形态：较大的填料增加了表面粗糙度，而较小的HAp样品则导致了不规则的孔隙形成。

使用水和模型蛋白溶液评估了复合膜的超滤性能，并与聚乙二醇2000增塑的空白膜进行了比较。HAp改性的膜在纯水通量方面有显著提高，而蛋白通量则有所增加，表明其具有更好的蛋白保留能力。研究发现，使用不同大小的HAp纳米填料可以控制超滤膜的传输性能，并在蛋白质介质的纯化过程中实现更高的分离效率。后处理显示，与空白膜相比，水通量有所下降，这归因于BSA与HAp表面的暂时结合，突显了优化膜清洗方案的必要性。

这些结果表明，通过OA合成的HAp纳米填料在生物医学和食品工业应用中具有巨大潜力。

引言

目前，膜分离过程在许多行业中得到了广泛应用，包括水处理设施[1]、制药行业的药物纯化[2]以及食品生产[3]。膜技术的广泛应用归功于其卓越的成本效益、经济可行性和环境友好性。此外，膜工艺还以其低能耗、坚固性和可扩展性而著称[4]。

其中最具前景的分离方法之一是压力膜技术，该技术以压力差作为驱动力。超滤（UF）就是这种技术的一个典型例子。UF具有许多显著优势，如使用简单、蛋白质介质分离效率高以及无需额外试剂[5]。

聚砜（PS）因其出色的机械强度、化学稳定性和热稳定性而常被用作膜基材[6]。然而，纯PS膜不具备理想的传输性能，但通过添加聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙烯或醇等添加剂可以改善其孔隙结构并提高亲水性。在医疗应用领域，还常加入壳聚糖[7]和十二烷基硫酸钠[8]。

目前，有趋势将无机纳米颗粒掺入PS膜中以改善其性能。大量研究致力于开发基于聚砜和无机纳米填料的复合材料。根据多篇综述文章[9]、[10]、[11]、[12]，可用于改性的无机材料种类繁多，包括ZrO₂、Ag、TiO₂、Al₂O₃、SiO₂、ZnO、层状双氢氧化物、氧化石墨烯、金属碳化物和硫属化合物纳米颗粒。使用无机纳米颗粒作为孔隙形成剂不仅能够成功形成孔隙，还能制造出可再生的环保材料。

值得注意的是，大多数研究都关注所谓的污染问题[13]。污染源包括胶体颗粒、有机分子和生物成分，这些物质会迅速使膜在使用过程中失效。解决这一问题的一个可行方法是开发复合材料，这种材料除了含有聚合物基材外，还包含能够改变膜性能的无机纳米颗粒。纳米级填料的引入可以改变膜的形态，进而影响接触角或表面粗糙度，从而影响膜的功能性能。然而，现有研究主要集中在PS膜在废水处理中的应用，而关于其在生物医学应用（如蛋白质分离）中的用途以及纳米填料参数对膜性能的影响尚未得到全面探讨。

文献分析表明，蛋白质分离性能和排斥效率的提高可归因于纳米颗粒的引入以及由此引起的形态变化和亲水性的增强。后者通过接触角测量进行评估。谈到含有其他类型无机颗粒的膜的UF特性时，需要强调每种纳米颗粒可能具有独特的性质，这些性质可能与填料浓度、膜内形成的结构以及纳米材料的亲水性/疏水性有关。此外，材料亲水性的提高主要被认为是由于填料本身的亲水性所致。在调整膜组成和特性时，抗污染性能是一个重要考虑因素，通常与表面粗糙度之间存在直接关联。

作者将膜形态和孔隙大小的差异归因于无机颗粒的存在，这些颗粒在复合制备过程中通过相转化方法干扰流动并引导其形成特定结构。遗憾的是，许多研究忽略了尺寸因素，而仅关注膜形态与纳米填料负载量的依赖关系。在某些情况下，SEM图像显示的颗粒排列以及作者关于其初始片状形态的假设影响了复合材料的形态、渗透性、接触角和亲水性[14]。

在本研究中，我们选择了HAp NPs作为无机填料。之所以选择HAp，是因为它是骨骼和牙齿的主要成分，是一种无毒[15]、生物相容[16]且化学稳定的[17]化合物，既可在自然界中找到，也可在实验室合成[18]。

目前关于PS和HAp复合材料的简单制备方法的文献较少。只有少数论文涉及几乎相同成分的膜制备[19]、[20]，但这些研究使用了额外的化学试剂和多步骤的合成过程。此外，既未讨论HAp纳米颗粒大小对材料功能性能的影响，也未探讨HAp与蛋白质的亲和力，而这些因素在评估UF性能时需要考虑。在我们的研究中，我们使用了不同长宽比的纳米颗粒，因为从科学角度来看这非常有趣。此外，最新研究表明，提高HAp的长宽比可以为生产具有特定性能的新材料提供新的可能性[21]、[22]、[23]。从我们的角度来看，开发基于PS和HAp的易于扩展且高效的材料仍是亟待深入研究的课题。

HAp NPs的制备不仅包括合成过程，还包括热处理等后处理步骤，这些步骤可以引发非传统的晶体生长机制——定向附着（OA）过程[24]、[25]。OA发生在大小相似的纳米颗粒（也称为初级结构块PSBs[26]、[27]）的悬浮液中，这些颗粒沿晶体学上相同的面旋转并对齐，最终聚合成较大的单纳米晶体[28]、[29]。这一过程通常由热处理触发，使得最终纳米颗粒的尺寸显著增大。尽管OA在精确控制纳米颗粒大小方面具有潜力，但对于HAp而言，相关研究仍不够充分。因此，为了在添加无机填料时调节膜的形态和性能，我们采用了这种有前景的OA工艺，而不是使用有害的有机化合物来修饰表面。OA能够快速、环保地合成具有纯表面的大尺寸HAp NPs，为尺寸控制提供了独特解决方案。在之前的研究中，我们已经证明反应介质中的离子会影响纳米颗粒的形成。在本研究中，我们不仅在合成过程中添加了4种新的离子，还在PSBs形成后进行了添加，假设这会影响最终纳米颗粒的生长。

本研究的目的是探讨调节HAp纳米填料大小的可能性，并根据不同大小的样品制备复合膜。这些膜通过多种方法进行了表征，并对其UF性能进行了测试。

材料

用于制备HAp纳米颗粒的试剂：Ca(NO₃)₂·4H₂O（99%，NevaReaktiv，俄罗斯）、H₃PO₄（85%，NevaReaktiv，俄罗斯）、NaOH（98%，NevaReaktiv，俄罗斯）、NH₄NO₃（99%，NevaReaktiv，俄罗斯）、KNO₃（99%，NevaReaktiv，俄罗斯）、Na₂SO₄（98%，NevaReaktiv，俄罗斯）、NaCl（99.8%，NevaReaktiv，俄罗斯）；溶剂为蒸馏水。

用于制备膜的聚砜分子量M_r为80 kDa（BLDpharm，中国）；N-甲基吡咯烷酮（99%，NevaReaktiv，俄罗斯）。

用于膜表征的试剂：牛血清白蛋白（BSA）

制备好的HAp样品的结构和形态

先前已证明，在尺寸为11×34 nm的PSBs悬浮液中可以引发OA过程[30]。在240°C下进行2小时的热处理后，颗粒尺寸增加了约3-4倍，但产物包含两个尺寸组分。然而，在PSB制备过程中向反应介质中添加铵离子（如[30]中所做的），可以得到单一尺寸的样品

结论

开发了一种通过定向附着过程合成羟基磷灰石纳米颗粒的非传统方法。在热条件下引发OA过程后，形成了不同尺寸和长宽比的纳米棒。使用XRD、WPPM、FTIR和TEM方法对HAp样品进行了表征。量子化学计算结果有助于了解HAp表面阻塞的程度

CRediT作者贡献声明

Ksenia I. Meshina：撰写初稿、数据可视化、实验研究。 Eshigma B. Lodonova：数据可视化、实验研究。 Lusine A. Voskanyan：实验研究。 Daria S. Veselova：实验研究。 Evgeniya A. Syukkalova：实验研究。 Boris A. Noskov：概念设计。 Alexandra Yu. Pulyalina：监督、方法论设计、概念设计。 Olga M. Osmolovskaya：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计、概念设计。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢圣彼得堡大学提供的财政支持（项目编号116653661）。本研究的科学研究使用了圣彼得堡国立大学的研究设施：复合纳米材料创新技术中心、X射线衍射研究中心、化学分析与材料研究中心、医学功能材料诊断中心、药理学与纳米电子学中心以及跨学科资源中心