利用二醛微晶纤维素高效去除尿素，以实现可穿戴人工肾脏中透析液的再生

《International Journal of Biological Macromolecules》：Efficient urea removal using dialdehyde microcrystalline cellulose for dialysate regeneration in wearable artificial kidneys

人工肾脏装置中，通过高碘酸钠氧化微晶纤维素制备的醛基化微晶纤维素（DMC）展现出优异的尿素吸附性能，其吸附容量达90.3±7.5 mg/g，吸附机制涉及氢键和Schiff碱键形成，在固定床柱模拟中实现73.8±1.7%的尿素去除率，显著优于原生纤维素。

　　

宋忠锋|张洪涛|郭伟|唐科勇|刘杰|张俊|邵凤民

郑州大学材料科学与工程学院，中国河南省郑州市，450001

摘要

可穿戴人工肾（WAK）为终末期肾病患者提供了比血液透析更有前景的替代方案，这依赖于高效的透析液再生以实现连续运行。本文通过过碘酸氧化微晶纤维素（MCC）制备了醛基微晶纤维素（DMC），并评估了其在透析液中的尿素吸附性能及其吸附机制。使用扫描电子显微镜、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱和光学显微镜对DMC的结构进行了表征。批量吸附实验表明，DMC的尿素吸附容量随醛基含量的增加而增加，最大达到90.3 ± 7.5 mg/g。FTIR、拉曼光谱和固态核磁共振分析表明，尿素吸附涉及氢键相互作用和席夫碱键的形成。热重-FTIR-质谱分析支持了所提出的吸附机制，并为废弃吸附剂的安全处置提供了重要信息。在模拟WAK运行的固定床柱条件下，DMC在120分钟内实现了73.8 ± 1.7%的最大尿素去除效率，明显高于天然MCC（40.5 ± 5.5%）。我们的研究结果表明，DMC是WAK设备的理想吸附剂候选材料。

引言

终末期肾病（ESRD）是慢性肾病的最终阶段，其特征是多器官功能障碍。它仍然是导致肾脏相关死亡的主要原因[1]。大多数ESRD患者依赖透析来维持生命，同时等待可能的肾脏移植[2]。目前的透析方法，包括血液透析和腹膜透析，主要通过在半透膜存在下进行扩散来清除血液中的代谢废物和多余溶质，如尿素、肌酐、尿酸和β2-微球蛋白[3]。其中，尿素是蛋白质代谢产生的最丰富的含氮产物。当肾脏清除功能失效时，尿素会在血液中逐渐积累，并被广泛用作尿毒症的标志物。因此，在透析过程中有效去除尿素对于保护患者健康和缓解恶心、疲劳、呕吐、神经系统紊乱等潜在危及生命的并发症至关重要[5]。

近年来，人们对开发可穿戴人工肾（WAK）系统的需求日益增长，以提供更便捷、更符合生活方式的治疗方式，同时不限制患者的活动能力。这些便携式设备旨在通过临床环境之外的连续毒素清除来实现透析液的再生，从而提供便携性、自主性和减少透析液消耗[6]。当前的WAK原型采用了多种尿素去除策略，包括酶促水解、电化学分解和直接吸附[7]。然而，这些方法通常会产生氨、二氧化碳和葡萄糖降解产物等不良物质[8]，需要额外的组件（如离子交换系统和气体过滤单元）来确保安全运行。这些额外的复杂性不仅增加了WAK的体积和成本，还可能对患者健康构成风险。

相比之下，直接吸附提供了一种更紧凑、安全且潜在可持续的尿素清除方法[9]。迄今为止，已报道了几种高效的透析液尿素吸附剂，包括活性炭[10]、介孔二氧化硅[12]、掺杂石墨烯[13]、淀粉纳米颗粒[14]和壳聚糖基材料[15]。然而，这些吸附剂仍存在局限性，例如在生理条件下对尿素的亲和力有限、吸附容量适中以及生物相容性不足，这阻碍了它们在WAK中的实际应用。此外，成本效益、合成可行性和废弃吸附剂的处置便利性同样重要，因为大规模生产和将吸附剂集成到WAK中不仅需要高性能，还需要经济和可持续的解决方案。因此，开发专门为WAK设计的新尿素吸附剂仍然非常必要。

作为地球上最丰富的天然聚合物，纤维素由于其低成本、可再生性和表面化学改性的便利性，在吸附领域受到了广泛关注[16]。典型的化学改性方法包括单体接枝、羧基化、磺化、磷酸化和胺化等，这些方法引入了特定的功能基团以增强对目标吸附物的结合亲和力和选择性[17]。近年来，关于纤维素衍生物作为金属离子[18]、染料[19]和各种有机污染物[20]吸附剂的研究论文和综述文章数量不断增加，证明了其有效性。然而，尽管人们对用于WAK中透析液尿素去除的生物相容性和可持续材料越来越感兴趣，但针对WAK定制的纤维素基吸附剂的研究仍然非常有限[21]。

在这项工作中，通过过碘酸氧化微晶纤维素（MCC）制备了醛基微晶纤维素（DMC）。我们假设DMC由于其丰富的功能基团和可调结构，可以作为有效的尿素吸附剂。评估了DMC在医疗透析液中的尿素吸附性能，以评估其在WAK中的应用可行性。在批量吸附实验中研究了接触时间、初始尿素浓度和温度对DMC尿素吸附能力的影响。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对DMC进行了表征，以研究结构变化和与尿素吸附过程相关的相互作用。通过动力学研究、固态核磁共振（ss-NMR）光谱和热重-傅里叶变换红外光谱-质谱（TG-FTIR-MS）分析进一步阐明了吸附机制。此外，在定制的动态吸附装置上进行了透析液中尿素的固定床吸附实验，以模拟WAK中的连续流动条件，从而更真实地评估DMC在实际应用中的尿素吸附性能。

材料

微晶纤维素（MCC，CAS编号：9004-34-6）购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。MCC的总碳水化合物含量为97.55 ± 1.96%，粘度平均分子量为（3.56 ± 0.18）× 10^4 Da，水分含量为4.26 ± 0.05%，比表面积为4.336 m^2/g。详细的结构表征方法在支持信息中提供。过碘酸钠（NaIO4，>99.5%）和尿素（>99.8%）购自Aladdin

DMC的FTIR、XRD和XPS分析

FTIR分析用于研究过碘酸氧化后MCC的化学结构变化，如图1A所示。MCC光谱显示在3360 cm^-1处有一个宽吸收带，对应于O-H伸缩振动，以及在2900 cm^-1处有一个与C-H伸缩相关的峰[25]。1639 cm^-1附近的吸收带归因于吸附水分子的弯曲振动。过碘酸氧化处理后，在1728 cm^-1处出现了一个新的吸收峰

结论

本研究证明，通过过碘酸氧化制备的醛基微晶纤维素表现出出色的尿素吸附性能和有利于集成到WAK中的结构特性。过碘酸氧化不仅引入了醛基，使醛基含量高达7.9 ± 0.3 mmol/g，还将高度结晶的MCC转化为非晶态多孔网络。优化的DMC（DMC-4）实现了最大的尿素吸附

CRediT作者贡献声明

宋忠锋：撰写——原始草稿，研究。 张洪涛：研究。 郭伟：研究。 唐科勇：验证。 刘杰：撰写——审稿与编辑，监督，研究。 张俊：可视化，研究。 邵凤民：可视化，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢河南省科学技术厅的财政支持[资助编号：241100310100]