《International Journal of Biological Macromolecules》：Design-informed construction of self-sufficient cytochrome P450 fusion enzymes for efficient avermectin oxidation
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提高肾透析膜血液相容性的壳聚糖/香草醛/明胶复合膜研究显示，经交联处理的膜孔隙率达78.21%，水吸收能力达89.63%，对肌酐和尿素清除率分别提升92.35%和61.01%，并显著降低血小板粘附和溶血率，验证了其优异的血液相容性和透析性能。
Nabila Amalia Izaaz Aanisa | Khabibi | Retno Ariadi Lusiana
印度尼西亚中爪哇省三宝垄市迪波内戈罗大学科学与数学学院化学系，邮编50275
摘要
终末期肾病（ESRD）会导致体内代谢废物的积累，需要通过血液透析来替代肾脏的过滤功能。血液透析的主要挑战在于膜的有效性，而这通常受到血液相容性问题的限制。因此，改进膜材料以提高血液相容性和清除尿毒症毒素仍然是研究的重点。在这项研究中，我们使用改性的天然聚合物作为血液透析膜的材料。我们的目标是开发基于壳聚糖（Cs）的膜，并与香草醛（Va）交联，再与明胶（Gel）混合，以改善膜的形态、传输性能和血液相容性。结果表明，这种膜的孔隙率提高了78.21%，膨胀能力增加了36%，吸水率提高了89.63%。同时，它还能将肌酐的传输效率提高92.35%，尿素传输效率提高61.01%，并且亲水性增强了45.89%。血液相容性测试显示显著改善，包括血小板粘附减少、溶血率降低（<2%）以及凝血时间延长，这证实了其优异的血液兼容性。这些结果使得壳聚糖/香草醛/明胶（CVG）膜成为有效的血液透析应用的有希望的候选材料。
引言
慢性肾病已成为一个重大的全球健康问题，影响着全球约10%的人口[1]。由于血液过滤功能受损，慢性肾病会导致代谢废物的积累，从而阻碍这些物质从体内排出[2]。在最近的一项研究中，健康成年人的血清肌酐范围大约为男性0.65–1.22 mg/dL，女性0.50–0.95 mg/dL，而血液尿素水平的正常范围约为8–20 mg/dL[3]。这些尿毒症毒素浓度的增加表明肾脏功能受损，进而导致整体器官功能下降。肾移植是治疗这种疾病的最佳方法，但由于高昂的成本和供体不足，在临床上仍存在局限性[4]。另一种广泛用于替代肾脏过滤功能的医疗程序是血液透析[5]。
血液透析的核心是一种半透膜，它能够保留有益的蛋白质，同时选择性地去除低分子量的蛋白质毒素和代谢废物，如肌酐和尿素[6]。血液透析膜需要满足多个标准：具有微小的孔隙、机械强度高以及良好的血液相容性；它们应含有能够捕获渗透物质的活性基团，并且必须具备血液相容性[7]。当前血液透析膜的主要弱点在于生物相容性和血液相容性，尤其是在膜表面，这些方面需要改进[5]。
在血液透析过程中，膜与血液的接触会引发一系列生物反应，包括血液凝固、白细胞激活（免疫系统的一部分）、血栓形成以及自由氧基的生成[5]。这种接触可能引起慢性副作用，如感染并引发新的疾病过程，因此涉及凝血减少、血小板粘附、蛋白质吸附和溶血等过程的材料需要具备良好的血液相容性[8]。
人们已经做出了许多努力来利用合成聚合物（包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚醚砜（PES）和聚砜（PSF）来提高膜的血液相容性。尽管这些聚合物具有优异的机械和热性能，但大多数都具有疏水性，生物相容性较低[9]。这种情况会导致蛋白质吸附和血小板粘附增加，从而增加血栓形成的风险，降低透析效果，并危及患者安全[10]。因此，开发基于生物的血液透析膜迫在眉睫，尽管这是一项具有挑战性的任务[11]。提高膜的血液相容性和选择性需要使用天然聚合物成分并对血液透析膜进行改性。壳聚糖是一种能够满足这些要求的生物聚合物。
壳聚糖是一种天然聚合物，由于其能够形成薄膜，因此是一种有前途的血液透析膜材料。壳聚糖是可生物降解的、可渗透的、生物相容的、无毒的，并且具有反应性，使其成为各种生物医学应用中的理想生物材料[12]。壳聚糖含有多种活性功能基团，即氨基（–NH?）和羟基（–OH），这些基团分布在其聚合物链上。然而，由于活性基团数量较少且机械稳定性较差，壳聚糖的活性不足以结合目标化合物，因此需要对其进行改性以改善膜的物理和选择性特性[13]。可以通过与富含活性位点的聚合物混合以及通过与其他基团的交联反应来改变膜表面基团来改性壳聚糖[14]。
交联改性可以使用二醛类物质（如戊二醛）来改变壳聚糖的机械性能。使用戊二醛作为交联剂的主要担忧是其毒性，这可能会影响其生物相容性[15]。最近的一些研究关注了将香草醛作为壳聚糖的交联剂，鼓励对其潜在应用进行更多研究。研究表明，壳聚糖-香草醛交联可以增强膜的机械强度[16]。天然存在的有机化合物香草醛同时含有单醛基和酚羟基[17]，通过席夫碱反应（Schiff base reaction）作为交联剂，该反应是由壳聚糖的一级胺与香草醛的醛基发生亲核攻击形成的亚胺键[16]。除了亚胺形成外，当香草醛的羟基与壳聚糖的羟基或胺基形成氢键时也会发生交联[18]。
以下的改性方法涉及将壳聚糖与其他聚合物结合以增强其性能。明胶被用作混合物，因为其氨基酸序列有助于提高生物相容性和细胞粘附性，从而增强膜的活性侧[19]。壳聚糖和明胶结合时可以形成强氢键[20]。明胶被广泛用作药物递送方法和伤口敷料材料[19][21]。
据我们所知，这项研究是首次系统地评估壳聚糖-香草醛-明胶膜在血液透析应用中的性能。虽然之前已有报道关于壳聚糖与香草醛交联的研究，但其对尿毒症毒素的传输选择性和血液相容性的研究还不够深入。本研究的创新之处还在于研究了不同浓度的香草醛作为交联剂对膜结构特性和性能的影响。在本研究中，通过在不同浓度下对壳聚糖膜进行香草醛交联和明胶混合处理，以增强膜的机械强度、孔隙率和透析能力。这些膜是通过相转化法制备的，并对其物理化学性质和血液相容性进行了评估。我们假设香草醛交联和明胶混合将产生比纯壳聚糖膜更具亲水性、更高的尿素和肌酐传输选择性以及更好的血液相容性的生物聚合物膜。这项研究旨在改进基于生物聚合物的膜，以实现更有效的肌酐和尿素透析效果以及良好的血液相容性。希望所得到的膜能够成为血液透析膜的候选材料。
材料
本研究使用的材料包括：壳聚糖（分子量=40,000 g/mol，脱乙酰度=88.5%）（Cv. Bio Chitosan Indonesia）、CH?COOH（分子量=131.11 g/mol）（Merck）、NaOH（分子量=40 g/mol）（Merck）、香草醛（分子量=152.15 g/mol）（Merck）、明胶（Merck）、肌酐（分子量=113 g/mol）（Merck）、尿素（分子量=60 g/mol）（Merck）、苦味酸（分子量=229.11 g/mol）（Merck）、4-二甲基氨基苯甲醛（DMAB）（分子量=149.19 g/mol）（Merck）、96%乙醇（Merck）、37%盐酸（Merck）、磷酸盐缓冲液（Na?HPO?）等
香草醛交联壳聚糖-明胶复合材料（CVG）
壳聚糖膜是通过将壳聚糖溶解在醋酸中制备的。由于其结构中含有许多可质子化的氨基（–NH?）基团，壳聚糖在酸性溶液中是可溶的[34]。在酸性条件下，这些氨基基团被质子化，形成带正电的铵基团（–NH??）。
在本研究中，改性的第一步是使用香草醛对壳聚糖进行交联。选择香草醛是为了提高膜的机械强度和亲水性。
结论
本研究成功合成了使用香草醛作为交联剂（CVG）的壳聚糖-明胶膜，交联浓度分别为0.3%、0.5%和1%。表征结果显示，添加香草醛和明胶改善了膜的物理性质，表现为孔隙率、膨胀程度、吸水率和亲水性的提高。
1%浓度的CVG膜表现出最佳的传输能力，肌酐传输值达到了30.12%
CRediT作者贡献声明
Nabila Amalia Izaaz Aanisa：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。
Khabibi：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论设计、数据分析、概念构建。
Retno Ariadi Lusiana：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本项目得到了迪波内戈罗大学研究与社区服务研究所通过2025计划的支持。
