一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜及制备方法及其在血液净化中的应用
技术领域
本发明属于环境纳米新功能材料技术领域，具体涉及一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜及其制备方法及其在血液净化中的应用。
背景技术
随着我国社会老龄化进程的不断加剧，高血压、高血糖等疾病的高发导致肾功能衰竭的发病率持续上升。据统计，我国慢性肾病的发病率高达11％，并呈逐年上升趋势；区别于欧美国家，目前肾小球肾炎是引起中国人尿毒症的主要原因，但由糖尿病和高血压引起慢性肾衰竭透析患者人数不断增加，逐步成为主流。
血液透析(hemodialysis，HD)是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。它通过将患者体内血液引流至体外，利用半透膜原理，将患者血液和透析液同时引入透析器，借助于透析膜两侧的浓度梯度、压力梯度，通过扩散、对流、吸附，清除患者体内毒素，通过超滤清除体内潴留过多的水分，同时补充机体需要的物质，纠正电解质和酸碱平衡紊乱。
金属有机框架(Metal-organic frameworks，MOFs)是一类具有拓扑结构的有机-无机杂化材料,由金属离子或金属团簇和有机配体通过自发自组装的方式合成得到。近几十年来的发展中，金属有机框架在配位化学领域中属于发展相当迅速的一类新型材料。相比于传统的无机多孔材料，这种材料具有孔隙率高、比表面积大、骨架孔径尺寸的可调节性及结构的可裁性和多样性等优点,在吸附与分离、传感器、药物缓释、发光及催化等领域有着广泛的应用。
近些年来，静电纺纳米纤维在吸附领域被学者们广泛研究。静电纺丝又称“电纺”,是一种使带电荷的聚合物溶液或熔体在静电场中射流来制备聚合物超细纤维的加工方法。静电纺丝纳米纤维材料由于其尺寸的细微化，使得纳米纤维材料在保持原有化学物理性质的同时，纤维膜还具有大的比表面积、高的孔隙率以及良好的孔连通性。由电纺法制备出的纤维膜具有良好的生物相容性和结构相容性,可以在生物医学材料中广泛应用。此外，静电纺纳米纤维容易被功能化或者容易得到特定的有利结构来进一步提高吸附能力，使其更有利于除去血液中的毒素。
正常情况下，肾脏是人体内的“污物处理工厂”，负责处理人体内的各类毒素。肾脏一旦生病，肾脏负责处理的这部分污物就不能排出体外，在人体内堆积，这些体内垃圾就是引起尿毒症的毒素，而血液透析的主要目的就是去除这些毒素。在这众多的毒素之中，小分子毒素相对分子质量在500以下，其中最典型的毒素主要是尿素和肌酐。尿素的代谢产物氰酸盐具有神经毒性；肌酐到达一定浓度时，可引起细胞寿命缩短，溶血，还可引起嗜睡、乏力等神经肌肉系统功能异常。因此，对这两种毒素的去除能力成为考察透析膜性能的基本要求。在公开号为CN110026098A，介绍了壳聚糖血液透析膜，其制备的透析膜对尿素的清除率可达87.1％，对蛋白的保留率可达96.7％，但其制备过程较为复杂，且缺少对肌酐的清除。在公开号为CN105709613A的中国发明专利中，介绍了一种去除中等生物分子的纳米纤维复合膜，其制备的复合膜对尿素的清除率达80～90％，对蛋白的保留率达98.5～9.5％，缺乏对肌酐的清除。
基于以上背景，本发明首次提出了一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜及其制备方法及其在血液净化中的应用。首先利用静电纺丝技术制备聚丙烯腈电纺纳米纤维膜，为了克服聚丙烯腈亲水性差这一问题，本发明利用多巴胺的自聚行为对聚丙烯腈纳米纤维膜表面包覆一层聚多巴胺，以提高纤维亲水性，也更有利于下一步MOFs在纤维表面的生长；为进一步提高电纺纤维膜对血液中尿素的吸附性能，又在纤维膜表面生长Cu3(BTC)2晶体颗粒；此膜作为下层膜。另外，为提高纤维膜对血液中肌酐的吸附性能并提高纤维膜的生物相容性，又利用静电纺丝技术制备壳聚糖/丝胶复合纳米纤维膜，作为上层膜。据报道，这是MOFs修饰的纳米纤维膜首次用于血液净化。电纺纳米纤维的成膜性良好，机械性能良好，制备过程简单易行，成本低廉，在血液净化领域具有广阔应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜及其制备方法及其在血液净化中的应用。
一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜，其结构特征在于：该膜下层由聚丙烯腈作为基体，在纤维表面包覆一层聚多巴胺，再生长Cu3(BTC)2晶体颗粒，该膜作为下层膜；上层由壳聚糖/丝胶复合纤维膜作为上层膜。
一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，有以下几个步骤：
(1)将聚丙烯腈溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中搅拌至完全溶解，其中聚丙烯腈的质量分数为7～12wt％；
(2)待步骤(1)中的溶液完全溶解得到纺丝液，将纺丝液注入纺丝管中进行静电纺丝；
(3)将步骤(2)得到的聚丙烯腈电纺纳米纤维膜烘干后，用无水乙醇浸湿，置于pH为8.5的含3～6mM多巴胺的水溶液中加热并搅拌；
(4)将步骤(3)得到的聚多巴胺包覆的电纺纳米纤维膜烘干后，浸入0.2～1.5M硝酸铜的水或乙醇溶液中进行超声处理并搅拌，后加入0.1～0.4M均苯三甲酸的水或乙醇溶液，进行水热处理使其表面生长Cu3(BTC)2晶体颗粒；
(5)将质量比为1:1～5:1的壳聚糖和丝胶溶解在溶剂三氟乙酸中搅拌直至完全溶解，其中总质量分数为2～5wt％；
(6)待步骤(5)中的溶液完全溶解得到纺丝液，将纺丝液注入纺丝管中进行静电纺丝，得到壳聚糖/丝胶电纺纤维。
一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜在血液净化方面的应用，其特征在于：得到的双层结构电纺纤维膜可以有效去除模拟血液中的肌酐及尿素同时保留蛋白质，进行模拟透析后对肌酐的去除率可达75～85％，对尿素的去除率可达75～85％，对牛血清蛋白的保留率可达95～99％。
一种MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜在血液净化方面的应用，将所述纳米纤维膜应用在具有血液净化效果的平板膜透析器上，所述的具有血液净化效果的平板膜透析器包括层叠设置的上透析室、中间透析室和下透析室；所述各透析室两端均设有进样口和出样口；所述相邻的透析室之间夹有透析膜和密封垫圈，所述透析膜为上述MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜。
所述平板膜透析器整体结构为立方体形，各透析室尺寸均为长10～200mm，宽10～200mm，高10～200mm。
所述的平板膜的过滤方式为死端过滤式或交错流过滤式。
所述的上透析室、中间透析室和下透析室通过四个角的螺栓固定锁紧。
所述的透析膜包括但不限于纳米纤维复合透析膜、聚醚砜透析膜、聚砜透析膜、聚丙烯腈透析膜、聚甲基丙烯酸甲酯透析膜、聚偏氟乙烯透析膜或聚乳酸透析膜
本发明所得的血液透析膜透析性能的测试方法为：利用紫外可见分光光度计针对不同浓度的尿素、肌酐及牛血清蛋白溶液进行吸光度的测量，用测量后数据绘制标准曲线，从而测定所测溶液中尿素、肌酐及牛血清蛋白的浓度。
有益效果：
(1)本发明使用N,N-二甲基甲酰胺为纺丝液的溶剂，制备了聚丙烯腈的电纺纳米纤维；
(2)本发明在聚丙烯腈纤维表面包覆一层聚多巴胺，提高了纤维膜的亲水性，使其更好地在水介质中应用；
(3)本发明所得MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜的下层纤维膜表面均匀地生长了Cu3(BTC)2晶体颗粒，成为丰富的吸附位点，大大提高了纤维膜对尿素的吸附能力；
(4)本发明所得的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜当被用作透析膜的时候，可在有效去除尿素和肌酐的同时，达到高的蛋白保留率；
(5)本发明所得的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜其原料易得，操作简单，环境友好，成本低廉，具有良好的应用前景。
(6)本发明设计制备的平板膜透析器可达到对小分子、中分子毒素的去除效果。
(7)本发明设计制备的平板膜透析器采用双透析室的设计，可使待透析血液两侧同时进行透析，大大提高了透析效率。
(8)本发明设计制备的平板膜透析器尺寸较小、便于携带、操作简便，有望提高血液透析患者的生活质量。
(9)本发明设计的平板膜透析器易于制备，工艺简单，有望实现工业化生产。
附图说明
图1：实施例1中得到的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜的下层膜扫描电子显微镜照片；
图2：实施例1中得到的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜的上层膜扫描电子显微镜照片；
图3：平板膜透析器示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此，不能理解为对发明保护范围的限制。
实施例1：
将聚丙烯腈溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，其中聚丙烯腈的质量分数为10wt％，于50℃下加热搅拌至完全溶解；溶液完全溶解后，得到纺丝溶液，将纺丝液进行静电纺丝；在100mL pH为8.5的三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中加入200mg多巴胺，将得到的静电纺丝纳米纤维由乙醇浸润后放入缓冲溶液中，于45℃加热并搅拌24h，用蒸馏水洗涤后置于60℃干燥箱中烘干过夜；将得到的纳米纤维膜浸于24mL 0.5M的以水和乙醇(水和乙醇的体积比为1:1)为溶剂的硝酸铜溶液中，超声10min，并于室温下搅拌1h后，加入24mL 0.25M的以水和乙醇(水和乙醇的体积比为1:1)为溶剂的均苯三甲酸溶液，并于110℃下进行水热反应4h；反应完成后，将纳米纤维膜用水和乙醇洗净后置于60℃烘箱中烘干过夜，得到下层膜。另将壳聚糖和丝胶按照质量比为2.5:1溶解在溶剂三氟乙酸中，其中总的质量分数为3wt％,于室温下搅拌直至完全溶解得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，得到上层膜。
透析效果通过透析膜经模拟透析4h后溶质的清除及蛋白的截留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.1mg/mL的肌酐及1.0mg/mL的牛血清蛋白溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。得到的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜对肌酐的清除率为80％，对尿素的清除率为80％，对牛血清蛋白的保留率为98％。
实施例2：
将聚丙烯腈溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，其中聚丙烯腈的质量分数为8.5wt％，于室温下加热搅拌至完全溶解；溶液完全溶解后，得到纺丝溶液，将纺丝液进行静电纺丝；在80mL pH为8.5的三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中加入160mg多巴胺，将得到的静电纺丝纳米纤维由乙醇浸润后放入缓冲溶液中，于45℃加热并搅拌24h，用蒸馏水洗涤后置于60℃干燥箱中烘干过夜；将得到的纳米纤维膜浸于48mL 0.8M硝酸铜的乙醇溶液中，超声10min，并于室温下搅拌1h后，加入48mL 0.4M均苯三甲酸的乙醇溶液，并于50℃下缓慢搅拌反应2h；反应完成后，将纳米纤维膜用乙醇洗净后置于60℃烘箱中烘干过夜，得到下层膜。另将壳聚糖和丝胶按照质量比为3:1溶解在溶剂三氟乙酸中，其中总的质量分数为3wt％,于室温下搅拌直至完全溶解得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，得到上层膜。
透析效果通过透析膜经模拟透析4h后溶质的清除及蛋白的截留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.1mg/mL的肌酐及1.0mg/mL的牛血清蛋白溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。得到的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜对肌酐的清除率为78％，对尿素的清除率为81％，对牛血清蛋白的保留率为99％。
实施例3：
将聚丙烯腈溶解在溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，其中聚丙烯腈的质量分数为9wt％，于70℃下加热搅拌至完全溶解；溶液完全溶解后，得到纺丝溶液，将纺丝液进行静电纺丝；在100mL pH为8.5的三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中加入200mg多巴胺，将得到的静电纺丝纳米纤维由乙醇浸润后放入缓冲溶液中，于45℃加热并搅拌24h，用蒸馏水洗涤后置于60℃干燥箱中烘干过夜；将得到的纳米纤维膜浸于30mL 0.7M的硝酸铜溶液中，超声10min，并于室温下搅拌1h后，加入30mL 0.35M均苯三甲酸的乙醇溶液，并于110℃下进行水热反应5h；反应完成后，将纳米纤维膜用水和乙醇洗净后置于60℃烘箱中烘干过夜，得到下层膜。另将壳聚糖和丝胶按照质量比为5:1溶解在溶剂三氟乙酸中，其中总的质量分数为3wt％,于室温下搅拌直至完全溶解得到纺丝液，将纺丝液进行静电纺丝，得到上层膜。
透析效果通过透析膜经模拟透析4h后溶质的清除及蛋白的截留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.1mg/mL的肌酐及1.0mg/mL的牛血清蛋白溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。得到的MOFs修饰的双层结构复合电纺纳米纤维膜对肌酐的清除率为82％，对尿素的清除率为83％，对牛血清蛋白的保留率为98％。
下面通过具体实施例对一种简便的具有血液净化效果的平板膜透析器做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此，不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明简便的具有血液净化效果的平板膜透析器的示意图，所述的平板膜透析器包括层叠设置的上透析室1、中间透析室2和下透析室3；所述各透析室两端均设有进样口4和出样口5；所述相邻的透析室之间夹有透析膜6和密封垫圈7。
所述平板膜透析器整体结构为立方体形，各透析室尺寸均为长10～200mm，宽10～200mm，高10～200mm。所述的上透析室1、中间透析室2和下透析室3通过四个角的螺栓固定锁紧。所述的透析膜6包括但不限于纳米纤维复合透析膜、聚醚砜透析膜、聚砜透析膜、聚丙烯腈透析膜、聚甲基丙烯酸甲酯透析膜、聚偏氟乙烯透析膜或聚乳酸透析膜。
安装时，将透析膜6放置于上透析室1和中间透析室2以及中间透析室2和下透析室3之间，为了增加透析膜6的稳固性，防止液体渗漏，使用密封垫圈7固定透析膜6，最后将各透析室的四个角使用螺栓固定在一起并锁紧。各透析室两端的进样口4和出样口5可通过外接宝塔街头连接进样管和出样管。安装完成的平板膜透析器可接入透析系统完成血液透析过程，达到对小分子、中分子毒素的去除效果。
