基于金属有机骨架NU-1000的吸附辅助型醋酸纤维素混合基质膜用于血液透析中蛋白结合尿毒症毒素的清除

《Journal of Materials Chemistry B》：Incorporation of NU-1000 into cellulose acetate membranes with preserved indoxyl sulfate adsorption

本文推荐一篇关于新型血液透析材料的前沿研究。研究者成功将具有高吸附容量的锆基金属有机骨架（MOF）NU-1000，与生物相容性良好的醋酸纤维素（CA）相结合，制备了混合基质膜（MMM）。实验表明，该复合膜在保留原有传输性能的同时，能够通过吸附辅助传输机制显著提升对蛋白结合尿毒症毒素（PBUT）——硫酸吲哚酚（IS）的清除效率，为提升血液透析（HD）疗效提供了创新性材料解决方案。

　　

引言：亟待解决的血液透析难题

慢性肾脏病（CKD）晚期可发展为终末期肾病（ESRD），患者需依赖血液透析（HD）等替代疗法维持生命。然而，传统血液透析难以有效清除蛋白结合尿毒症毒素（PBUTs），如硫酸吲哚酚（IS）和硫酸对甲酚（pCS）。这类毒素在血浆中与人血清白蛋白（HSA）紧密结合，仅有游离态可穿透透析膜，导致清除效率低下，并在患者体内持续积累，加剧并发症和高死亡率。尽管高通量膜、血液透析滤过（HDF）等技术有所发展，但PBUTs的清除仍是重大挑战。吸附剂的引入，如活性炭（AC）、沸石、碳纳米管（CNTs）等，存在选择性差、生物相容性等问题，促使研究者寻找性能更优的新型吸附材料。

金属有机骨架NU-1000：一种有前景的吸附剂

金属有机骨架（MOFs）以其超高比表面积、可调孔径和丰富官能团，在PBUTs吸附领域展现出潜力。其中，锆基MOF NU-1000因其独特结构、对阴离子毒素的强亲和力及优异的溶液稳定性而备受瞩目。其结构由八面体Zr₆氧簇与四连接有机配体构成，形成分级多孔结构，拥有可接近的大孔道。该结构特征使其成为目前对IS、pCS等PBUTs吸附性能最优异的Zr基MOF之一。然而，NU-1000粉末直接应用面临颗粒堆积、血液相容性等临床转化壁垒。将其集成到具有良好血液相容性的聚合物基质（如醋酸纤维素膜）中，是克服这些挑战、实现临床应用的可行策略。

NU-1000的合成、表征与吸附性能

研究首先成功合成了NU-1000，并通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、热重分析（TGA）、粉末X射线衍射（PXRD）、氮气吸附-脱附、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等手段证实了其具备预期的结晶度、热稳定性、高比表面积（2256 m²g^-1）以及特征性的六方棒状形貌。

在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中的批次吸附实验表明，NU-1000在180分钟内可去除约53%的IS，对应吸附容量为17.7 mg IS g^-1NU-1000，展现了其在生理相关条件下的显著吸附能力。分子对接模拟揭示了其作用机制：IS的硫酸根基团与NU-1000的羟基和金属氧簇形成氢键，吲哚环与芳香配体发生π-π堆积，辅以静电吸引，共同稳定了IS与MOF的结合。

CA/NU-1000混合基质膜的制备与全方位表征

为将NU-1000的吸附功能与膜的成型加工性结合，研究通过相转化法，将NU-1000（2 wt%）掺入醋酸纤维素（CA）基质，制备了混合基质膜（MMMs），并设置了无MOF的纯CA膜作为对照。

• •
  形貌与结构：SEM显示，所有膜均呈现典型的不对称结构，由致密的选择层和其下的多孔支撑层构成。NU-1000微晶均匀分散在聚合物中，表面无明显团聚。3D X射线显微镜进一步证实NU-1000颗粒在膜内部均匀分布，且膜内部约60%的体积为孔隙，支撑层从顶部到底部孔径逐渐增大。
• •
  化学组成与表面性质：EDS和ATR-FTIR分析确认了NU-1000成功嵌入CA基质并保留了其化学特征。原子力显微镜（AFM）分析表明，NU-1000颗粒被连续的CA聚合物层均匀覆盖，这有助于增强MOF在水环境中的稳定性并防止浸出。水接触角测量显示所有膜均为亲水性（接触角<60°），NU-1000的加入未明显改变膜的表面润湿性。
• •
  渗透性能：膜的渗透性能评价显示，纯CA膜（CA-0）及其含NU-1000的对应膜（CA/NU-1000-0）的截留分子量（MWCO）均为~7 kDa，处于血液透析膜范围，足以允许小分子尿毒症毒素（如尿素、肌酐、游离IS）通过，同时保留HSA等必需蛋白质。NU-1000的加入使水力学渗透性（L_p）略有下降，但整体传输性能得以保持。

CA/NU-1000膜对硫酸吲哚酚的清除性能

研究的核心在于验证复合膜在实际过滤条件下的性能。在错流过滤实验中，使用含有2.0 mg dL^-1IS的PBS溶液进行测试。

结果令人鼓舞：经过180分钟过滤，CA/NU-1000-0膜相比纯CA-0膜，对IS的清除量增加了1.3倍。这并非简单的吸附截留，而是一种“吸附辅助传输”机制：IS与膜内NU-1000发生可逆的吸附-解吸相互作用，这增强了溶质在膜内的分配，从而促进了IS扩散通过致密选择层，最终表现为渗透通量的增加。这意味着NU-1000在膜中不仅保留了吸附活性，而且通过动态相互作用有效提升了毒素的跨膜传输效率。

结论与展望

本研究成功地将高性能吸附剂NU-1000整合到生物相容性良好的CA基质中，制备出了具有吸附辅助传输功能的混合基质膜。该膜不仅保持了传统聚合物膜所需的渗透选择性和机械完整性，还通过MOF的引入，显著增强了对模型PBUT——硫酸吲哚酚的清除能力。这项工作为开发下一代高效血液透析膜，以更好地清除蛋白结合尿毒症毒素、改善患者预后，提供了一条创新且实用的材料设计策略。未来的研究可着眼于该膜在含有血清蛋白的真实血液环境中的长期稳定性、防浸出能力以及对蛋白结合态毒素的清除效能评估。