MXene限定微胶囊用于尿毒症毒素清除

论文信息：

Xiaomin Ye, Chaoyu Yang, Li Wang, Qihui Fan, Luoran Shang, Fangfu Ye. 2023. MXene confined microcapsules for uremic toxins elimination. Aggregate, p.e542.

论文链接：https://doi.org/10.1002/agt2.542

研究背景

吸附技术在分离和纯化领域的重要性，以及吸附剂在化工、环保和生物医学等领域的应用。近年来，研究人员提出了各种吸附材料，包括聚合物、碳基材料和金属有机框架等，以满足不同应用需求。通过添加磁性元素，吸附剂的回收变得更加方便。在生物医学领域，吸附剂需要具有良好的生物相容性。因此，对吸附剂的性能和制备方法提出了更高的要求。通过微流体共轴电喷法制备了核壳多孔微载体，其中核部分具有高负载量的MXene，用于生物分子的高效吸附。MXene因其丰富的活性位点和良好的生物相容性而备受关注。然而，MXene作为吸附剂仍面临着挑战，包括纳米片易坍塌和难以构建混合系统等问题。通过微流体技术构建MXene包裹的微胶囊能够有效解决这些问题，并实现多孔结构的合理设计，有助于提高吸附效率。

研究内容

图1展示了MXene包裹的核壳微胶囊的微流控生成过程，其中MXene分散液和含有Fe3O4纳米颗粒的海藻酸盐溶液分别用作内部和外部流体。通过电喷形成核壳液滴，然后交联以创建MXene封闭的核壳水凝胶微胶囊。

图1 (A) 通过微流体共轴电喷法制备MXene封装的多孔核壳微胶囊；(B) 使用MXene封装的多孔微胶囊去除尿毒症毒素。

他们研究了MXene包裹的微胶囊对尿毒症毒素的吸附动力学，如图2所示。测量了肌酐、尿素和尿酸吸附的动力学曲线，显示出快速的初始容量增加，然后在不同时间达到平衡。MXene包裹的核壳微胶囊对这些毒素表现出显著的吸附能力，增加MXene剂量会导致更高的吸附能力。MXene与尿毒症毒素之间的各种分子间相互作用，如范德华力、静电相互作用和氢键，对吸附过程起着关键作用。吸附数据使用伪一级和伪二级模型进行了分析，后者更好地描述了吸附过程。此外，剂量依赖性吸附实验表明，增加吸附剂的剂量会提高对肌酐、尿素和尿酸的去除效率。

图2 (A) 不含磁性纳米颗粒的核壳微胶囊的透射光显微镜图像；(B) 含有磁性纳米颗粒的核壳微胶囊的反射光显微镜图像；(C) 通过调整内部流速获得的不同微胶囊：(i) 0.5 mL/h，(ii) 1.0 mL/h，(iii) 2.0 mL/h，(iv) 4.0 mL/h；(D) 核的尺寸分布图；(E) 整个微胶囊的尺寸分布图；(F) 内部速度与核直径和整个微胶囊直径的关系图

图3是MXene-封装的多孔微囊的扫描电子显微镜表征，包括（A）完整的多孔微球；（A）（B）的放大视图；（C）多孔微囊的能谱分析结果；（D）微囊的横截面；（E）核壳边界的放大视图；（F）MXene核的放大视图。图中显示了微囊的整体结构和MXene的分布情况。通过这些表征，展示了微囊的整体结构和MXene的分布情况。这些特征有助于在清除尿毒症毒素方面发挥显著性能，包括肌酐、尿素和尿酸。因此，说明MXene-封装的多孔微囊在透析相关应用中具有潜在吸附剂的结论。

图3 MXene封装的多孔微胶囊的SEM表征：(A) 完整的多孔微球；(B) (A)的放大视图；(C) 多孔微胶囊的EDS映射结果；(D) 一个微胶囊的横截面；(E) 核壳边界的放大视图；(F) MXene核的放大视图

图4展示了X射线衍射（XRD）谱、完整的X射线光电子能谱（XPS）谱，以及碳（C1s）、钛（Ti2p）、氧（O1s）和氟（F1s）元素的高分辨率XPS谱。MXene-Ba样品的XRD谱与纯MXene相比显示(002)峰的左移，表明由于Ba的掺入而导致层间距扩大。XPS谱显示MXene纳米片含有F、Ti、O和C元素，并在Ba2+诱导凝胶化后出现了一个新的Ba3d峰。高分辨率XPS谱展示了样品的表面化学性质，显示了MXene表面上的各种功能基团。纯MXene的C1s和Ti2p轮廓与MXene-Ba样品相似，表明交联后的稳定性。此外，在凝胶化后的O1s轮廓中出现了一个新的Ba-O峰。

图4 (A) X射线衍射（XRD）光谱；(B) 全谱X射线光电子能谱（XPS）光谱；(C–F) 分别为元素C1s、Ti2p、O1s和F1s的高分辨率XPS光谱。

图5展示了每种吸附物的吸附等温线，显示随着每种毒素的初始浓度增加，吸附能力增强。数据通过Langmuir模型和Freundlich模型进行拟合，以提供对吸附机理的洞察，表明尿毒症毒素在MXene包裹的微胶囊上发生了异质吸附过程。

图5 (A–C) 使用MXene封装的多孔微胶囊对尿毒症毒素的吸附动力学。初始浓度，肌酐100 mg/L；尿素300 mg/L；尿酸50 mg/L；(D–F) 使用MXene封装的多孔微胶囊对尿毒症毒素的吸附等温线。

图6展示了使用不同量的MXene包裹的微胶囊去除尿毒症毒素的去除效率、五个吸附周期中每种吸附物的去除效率图、通量对清洁效率的影响、剂量为2 mg/mL时不同微胶囊的凝聚时间、不同剂量微胶囊的凝聚时间以及不同微胶囊的溶血比例。MXene-包埋微囊在清除尿毒症毒素方面表现出卓越的性能，具有较高的最大吸附容量；对肌酐、尿素和尿酸的吸附作用受到MXene的关键影响，具有强烈的亲和力。此外，在吸附过程中显示出磁响应性，易于收集和使用。

图6 (A) 使用不同量的MXene封装微胶囊（吸附剂）去除尿毒症毒素的去除效率；(B) 五个吸附周期中每种吸附物的去除效率图。每种吸附物的溶液浓度为50 mg/L；(C) 通量对清洁效率的影响；(D) 剂量为2 mg/mL时不同微胶囊的凝聚时间；(E) 不同剂量微胶囊的凝聚时间；(F) 不同微胶囊的溶血比例。

结论与展望

研究介绍了利用微流体共轴电喷法制备了具有高剂量MXene封装的磁性多孔微胶囊，用于高效去除尿毒症毒素。首先，通过生成核壳液滴并经过冻结预处理和与钡离子的迅速交联，形成了包裹高剂量MXene的核壳生物质水凝胶微胶囊。这些微胶囊具有显著的血液相容性，并能高效清除尿毒症毒素，如肌酐、尿素和尿酸。此外，通过添加磁性纳米颗粒，微胶囊具有可控的运动能力，有助于富集和分离。文章指出，这些MXene包裹的多孔微胶囊有望成为人工肾或透析液再生的潜在吸附剂候选。然而，尽管微流体封装方法解决了MXene活性成分不足的问题，但由于微胶囊壳体结构强度持久性不足而导致的不可重复使用问题仍需解决。未来的工作可能通过引入双网络结构或选择替代壳体材料来解决这一问题，并进一步优化MXene基复合材料的性能。