新型蛋白结合类毒素血液灌流吸附剂的制备及吸附性能

doi:10.7503/cjcu20200879

摘要/Abstract

摘要：

蛋白结合类毒素(PBUT)在尿毒症并发症的发生发展中起着重要作用, 现有血液净化模式对其清除效果较差, 开发用于高效清除尿毒症患者体内PBUT的血液灌流吸附材料已成为迫切的临床需求. 本文首先采用悬浮聚合法制备了咪唑基改性低交联聚苯乙烯微球P(St-DVB-VMZ); 然后通过小分子外交联剂的一步法傅克烷基化后交联反应, 制备出血液灌流用含咪唑基超高交联聚苯乙烯多孔树脂吸附剂HCP(St-DVB-VMZ). 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)及N₂吸附-脱附分析等表征了吸附树脂的化学结构和微观孔结构. 结果表明, HCP(St-DVB-VMZ)具有丰富的孔结构, 比表面积达到709 m²/g. 尿毒症毒素吸附实验结果表明, HCP(St-DVB-VMZ)对蛋白结合类毒素[对硫酸吲哚酚(IS)、对甲酚硫酸盐(PCS)和吲哚乙酸(IAA)]和中大分子毒素[甲状旁腺激素(PTH)、 β₂-微球蛋白(β₂M)及白细胞介素6(IL-6)]均具有优异的吸附性能并展示出较好的血液相容性, 有望实现全血灌流临床应用.

关键词: 蛋白结合类毒素, 血液灌流, 吸附树脂, 血液相容性, 咪唑基团

Abstract:

Protein-bound uremic toxins（PBUTs）， as important risk factors for the progression of chronic kidney disease（CKD）， can’t be cleared efficiently by traditional hemodialysis method until now. Therefore， it still remains a challenge for developing hemoperfusion adsorbents with enhanced PBUTs removal efficiency. In this work， a facile， one-step method was developed for the synthesis of imidazole-based hypercrosslinked polystyrene porous adsorbent， HCP（St-DVB-VMZ）， using imidazole modified low crosslinked polystyrene microspheres， P（St-DVB-VMZ）， as precursor， followed by Friedel crafts alkylation reaction with small-molecule external cross-linking agent. The chemical structure and micro-pore structure of the adsorbent were characte-rized by Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， scanning electron microscopy（SEM） and N₂ adsorption-desorption analysis. The results demonstrated that HCP（St-DVB-VMZ） had abundant microporous structure， and the specific surface area was up to 709 m²/g. Adsorption experiments showed that the as-fabricated HCP（St-DVB-VMZ） exibited good removal capacity for both the PBUTs（IS， PCS and IAA） and the middle molecular toxins（PTH，β2M and IL-6）. The hemocompatibility assays indicated that the HCP（St-DVB-VMZ） possessed good in vitro hemocompatibility，making it suitable for contacting with blood as a hemoperfusion absorbent for clinical application.

Key words: Protein-bound uremic toxin, Hemoperfusion, Adsorbent resin, Blood compatibility, Imidazole group

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 17

Scheme 1 Schematic diagram of fabricating HCP(St?DVB?VMZ)

Fig.1 Particle size distribution for the HCP(St?DVB?VMZ) adsorbents

Fig.2 Optical microscopy micrographs(A, D) and SEM images(B， C， E， F) of P(St?DVB?VMZ)(A—C) and HCP(St?DVB?VMZ)(D—F)（B， E） The surface zone; (C, F) the cross?section zone. Insets of (A) and (D) are their SEM cross-section morphologies after mechanical compression.

Fig.3 N2 adsorption?desorption isotherms(A) and pore size distribution curves(B) of P(St?DVB?VMZ)（a） and HCP(St?DVB?VMZ)(b)

Table 1 Textural properties of P(St-DVB-VMZ) and HCP(St-DVB-VMZ)

Sample	S_BET/(m²·g^-1)	S_micro/(m²·g^-1)	V_p/(cm³·g^-1)	V_micro/(cm³·g^-1)	Average pore size/nm
P(St?DVB?VMZ)	80	9	0.19	0.0037	74.84
HCP(St?DVB?VMZ)	709	481	0.62	0.2000	4.31

Fig.4 FTIR spectra of P(St?DVB?VMZ)(a) and HCP(St?DVB?VMZ)(b)

Fig.5 Survey XPS spectra of P(St?DVB?VMZ) and HCP(St?DVB?VMZ)(A), O1sXPS spectra for HCP(St?DVB?VMZ)(B) and N1s XPS spectra for P(St?DVB?VMZ)(C) and HCP(St?DVB?VMZ)(D)

Fig.6 Adsorption rates of HA130 resin, P(St?DVB?VM2Z) and HCP(St?DVB?VMZ) for IS(A), PCS(B) and IAA(C) in BSA solutionThe initial concentrations of IS, PCS and IAA were 25.0, 25.0 and 5 mg/L, respectively.

Fig.7 Adsorption rates of HA?130 and HCPCST?DVB?VMZ for PBUT toxins(A) and large middle molecule uraemic toxins(B) in the human plasma with the treatment time of 2.0 hThe initial concentrations of IS, PCS, IAA, PTH, β2M and IL-6 were 25.0 mg/L, 25.0 mg/L, 5 mg/L, 180 pmol/L, 5 mg/L and 300 pg/mL, respectively. All the experiments were carried out twice and the mean values were used in the analysis of data.

Fig.8 Adsorption isotherms of HCP(St?DVB?VMZ) for PBUT(A) Non-linear Langmuir; (B) linear Langmuir; (C) non-linear Freundlich; (D) linear Freundlich model fitting plots.

Table 2 Adsorption isotherm parameters of HCP(St-DVB-VMZ) towards PBUT

PBUT	Fitting method	Langmuir			Freundlich
PBUT	Fitting method	q_m/(mg·g^-1)	K_L/(L·mg^-1)	R²	K_F/(mg·g^-1)(L·mg^-1)^1/ⁿ	1/n	R²
PCS	Linear	73.86	0.01149	0.9940	6.858	0.3543	0.9680
PCS	Non?linear	75.78	0.01061	0.9931	9.888	0.2924	0.8983
IAA	Linear	122.70	0.01531	0.9903	10.045	0.3792	0.9617
IAA	Non?linear	137.92	0.00925	0.9868	14.926	0.3145	0.9620

Fig.9 Adsorption kinetics of HCP(St?DVB?VMZ) for PBUT(A) PBUT uptake versus time in PBS solution; (B) adsorption kinetic of pseudo-1st-order; (C) pseudo-2nd-order fitting plots for the PBUT adsorption. The initial concentration of PCS and IAA were both 100 mg/L.

Table 3 Adsorption kinetic parameters of HCP(St-DVB-VMZ) towards PBUT

PBUT	q_e,exp/(mg·g^-1)	Pseudo?1st?order			Pseudo?2nd?order
PBUT	q_e,exp/(mg·g^-1)	q_e,cal,1/(mg·g^-1)	k₁/min^-1	R²	q_e,cal,2/(mg·g^-1)	k₂/( g^-1·mg^-1·min^-1)	R²
PCS	21.56	3.69	0.0045	0.9404	21.35	0.0037	0.9993
IAA	27.20	12.12	0.0056	0.9541	26.75	0.0012	0.9943

Fig.10 Calculated adsorption rate of total protein(A) and albumin(B) from human plasma on different adsorbentsAdsorption time: 2 h. All values are expressed as mean±SD(n=3).

Scheme 2 A possible adsorption process of PBUT onto HCP(St?DVB?VMZ)

Fig.11 Hemolysis ratios of the controls and adsorbents

Fig.12 Recalcification time of the controls and adsorbents(+): Hydrophilic glass beads; (-): blank tube. Data are expressed as mean±SD of three independent measurements.

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