磺化碳納米管/活性炭復合微球的制備及其對低密度脂蛋白的吸附性能

盧月美 鞏前明,3 盧方平 梁 吉,* 聶慶東 張秀梅

(1清華大學機械工程系,北京100084;2清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京100084;3康乃爾大學材料科學與工程系,伊薩卡14850,美國;4清華大學第一附屬醫院腎臟科,北京100016;5清華大學校醫院,北京100084)

磺化碳納米管/活性炭復合微球的制備及其對低密度脂蛋白的吸附性能

盧月美1,2鞏前明1,2,3盧方平4梁 吉1,2,*聶慶東5張秀梅5

(1清華大學機械工程系,北京100084;2清華大學先進成形制造教育部重點實驗室,北京100084;3康乃爾大學材料科學與工程系,伊薩卡14850,美國;4清華大學第一附屬醫院腎臟科,北京100016;5清華大學校醫院,北京100084)

采用懸浮聚合、炭化、活化制得碳納米管/活性炭復合微球;而后利用重氮鹽偶合法將對氨基苯磺酸接枝到此復合微球上,得到磺化碳納米管/活性炭復合微球;將其用于吸附血清中的低密度脂蛋白(LDL).結果表明:所制備的磺化碳納米管/活性炭復合微球球形度好,表面光潔,中孔發達,并且接枝有對氨基苯磺酸.此復合微球對LDL的吸附量隨著碳納米管加入量的增加而逐漸增大;當碳納米管加入量為45%(w)時,LDL吸附量達6.564 mg·g-1,是未添加碳納米管的3.3倍.此復合微球在作為血液灌流LDL吸附劑方面有較好的應用前景.

碳納米管;復合微球;磺化;低密度脂蛋白;吸附

Abstract: Sulfonated carbon nanotubes(CNTs)/activated carbon composite beads were obtained by suspension polymerization,carbonization,activation,and further sulfonation using the diazonium salt coupling method.Adsorption of low density lipoprotein(LDL)was explored with these composite beads.The results showed that the composite beads had good sphericity,smooth surface,developed mesopores and were sulfonated byp-aminobenzenesulfonic acid.With the increase of CNTs mass ratio,the adsorption capacity of LDL increased.When the CNTs mass fraction was 45%,the amount of LDL adsorption reached 6.564 mg·g-1and was 3.3 times as large as that of the beads without CNTs.Therefore,the composite beads have good prospects as LDL adsorbents in hemoperfusion.

Key Words:Carbon nanotube;Composite bead;Sulfonated;Low density lipoprotein;Adsorption

1 引言

流行病學研究發現,1,2當血液中低密度脂蛋白(LDL)水平超出正常生理范圍值時,心腦血管疾病的發生率就升高,二者間呈線性關系.3因此國內外學者十分關注并致力于如何降低LDL的水平.近來的研究表明,血液凈化療法能有效地降低血液中LDL水平,控制病情的進程.基于吸附作用的血液灌流是LDL血液凈化治療的發展趨勢,4目前國內沒有專用的LDL凈化系統,國外的商用LDL凈化系統主要有:日本Kaneka公司的Liposorber LA5-7和德國Fresenius公司的DALI系統8-11.這些系統的關鍵在于其中的吸附劑.LA系統中的吸附劑是硫酸右旋糖苷固定在纖維素珠上,DALI系統中的吸附劑是聚丙烯酸固定在聚丙烯酰胺基體上,它們都是將帶有負電基團的物質負載到基體上.之所以在LDL吸附劑上負載負電基團是因為人類LDL在正常生理環境下是帶正電荷的,12,13吸附劑可以依靠靜電作用吸附血液中部分LDL,降低LDL的水平.雖然這些商用的LDL吸附劑有較好的療效,但價格昂貴,很難在國內推廣使用,因此有必要找到一種價廉的LDL吸附劑以滿足市場的需求.

碳納米管(CNTs)作為碳族的一員,因其具有優異的力學、電學、光學性能使其在結構材料、電學、光學等領域有著廣泛的應用.碳納米管表面易于修飾及具有良好的化學穩定性,所以在組織工程、生物傳感器等生物醫學領域也有重要的應用,14如已有較多應用碳納米管作膽固醇生物傳感器15-19的報道.碳納米管還被認為是一種高效的新型吸附材料,它們具有豐富的孔結構,大量的“堆積孔”(aggregated pore)20使得它們對中分子毒素物質具有較好吸附能力和很快的吸附速度,因此在血液灌流領域有很好的應用前景.21,22目前碳納米管的批量化生產技術日益成熟,價格也是越來越低,因此有望將碳納米管應用于血液灌流領域,以替代國外昂貴的產品.但碳納米管為粉末狀,在血液灌流中無法直接應用,所以首先要將碳納米管制成可用的多孔宏觀體,然后負載帶有負電基團物質以制得血液灌流用LDL吸附劑.

本文以酚醛樹脂為粘結劑,首先制得碳納米管/酚醛樹脂(CNTs/PF)復合微球,再經過炭化,水蒸氣活化制得多孔碳納米管/活性炭(CNTs/P-AC)復合微球,然后將對氨基苯磺酸接枝到復合微球上,得到磺化碳納米管/活性炭(S-CNTs/P-AC)復合微球.并進一步探討此復合微球對LDL的吸附性能.

2 實驗部分

2.1 主要原材料

多壁碳納米管(CNTs,自制,化學氣相沉積法制備并經混酸純化,外徑約為20-40 nm,內徑約10 nm);線型酚醛樹脂(中國科學院化學研究所);六次甲基四胺(分析純,北京益利精細化學品有限公司);十二烷基硫酸鈉(SDS)(化學純,國藥集團化學試劑有限公司);聚乙烯醇(PVA)(平均聚合度1750,北京益利精細化學品有限公司);苯磺酰氯(化學純,上海金山亭新化工試劑廠);過硫酸銨(分析純,北京化工廠);對氨基苯磺酸(分析純,天津福晨化學試劑廠);濃硫酸(95.0%-98.0%,分析純,北京化工廠);濃硝酸(65.0%-68.0%,分析純,北京化工廠);亞硝酸鈉(分析純,北京化工廠);偶氮二異丁腈(化學純,上海試四赫維化工有限公司);N,N′二甲基甲酰胺(分析純,北京化工廠);其它試劑均為市售分析純試劑.高LDL病人血清(清華大學校醫院提供).

2.2 磺化碳納米管/活性炭復合微球的制備

2.2.1 碳納米管/活性炭復合微球的制備

采用懸浮聚合法23制備碳納米管/酚醛樹脂復合微球.首先將CNTs超聲分散在無水乙醇中,然后將酚醛樹脂和六次甲基四胺溶于碳納米管乙醇溶液中,制得均勻分散相.一定濃度的PVA和SDS混合水溶液為連續相.將分散相在600 r·min-1機械攪拌作用下加入連續相中(70°C),攪拌混合液20 min后升溫至96°C恒溫攪拌3 h,酚醛樹脂在苯磺酰氯的催化下完全固化.依次用去離子水、無水乙醇清洗,烘干后即可獲得CNTs/PF復合微球.將此微球在600°C下炭化、水蒸氣850°C下活化90 min制得CNTs/P-AC復合微球.

2.2.2 碳納米管/活性炭復合微球的磺化

應用重氮鹽偶合法24對復合微球進行磺化.具體的實驗過程是:5.54 g無水對氨基苯磺酸加入到150 mL濃硫酸中室溫下攪拌至無明顯顆粒,而后加入2.21 g亞硝酸鈉在10-15°C水浴中反應20 min.再加入200 mg氧化的CNTs/P-AC復合微球(70°C水浴中濃硝酸氧化2 h)及1.2 g偶氮二異丁腈,40°C水浴中反應6 h,最后將懸浮液傾入蒸餾水冰塊中過濾、洗至中性,后繼續用丙酮、二甲基甲酰胺清洗過濾,80°C真空干燥24 h即得到S-CNTs/P-AC復合微球.

2.3 復合微球的表征

采用德國LEO公司的LEO-1530型熱場發射掃描電子顯微鏡觀察微球的形貌.采用美國Thermo Electron公司Sorptomatic 1990型分析儀在77 K下測定多孔微球的氮氣吸脫附曲線,在相對壓力0.15-0.31范圍內用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法計算比表面積,并由脫附曲線用Barrett-Joyner-Halen(BJH)模型得到多孔微球的孔結構.采用抗壓強度來表征微球的強度,使用自制的實驗裝置測定單粒微球的抗壓強度,如圖1所示,上壓頭固定在鐵架臺上,下壓頭是一個大量程的電子天平.取30顆直徑為1 mm的微球測抗壓強度,其平均值作為該樣品的抗壓強度.采用美國PerkinElmer公司Spectrum Gx型傅立葉紅外拉曼光譜儀(分辨率:4 cm-1)、美國TA Instruments公司Q5000IR型熱重分析儀、美國PerkinElmer Physics Electronics公司的PHI5300型X射線光電子能譜(XPS)表征碳納米管/活性炭復合微球的磺化效果;用英國Malvern公司的Zetasizer 3000HS電位儀測定磺化處理后復合微球的表面電位.

2.4 磺化碳納米管/活性炭復合微球對LDL的吸附

體外靜態吸附法進行LDL吸附實驗.將0.04 g S-CNTs/P-AC復合微球在生理鹽水中充分浸泡24 h,然后吸干水分,加入約1.0 mL高LDL血清,于37°C下恒溫振蕩2 h.用日本7170型全自動生化分析儀測定吸附前、后血清中的LDL含量,吸附效果用吸附量(QA(mg·g-1))來表征,其計算方法如式(1).

式中,C0為吸附前血清中LDL的濃度(mmol·L-1);Ct為吸附后血清中LDL的濃度(mmol·L-1);V為靜態吸附中所加的血清量(mL);m為靜態吸附中所用吸附劑的質量(g).

3 結果與討論

3.1 碳納米管/活性炭復合微球

懸浮聚合法所制備的復合微球球形度好,表面光潔(圖2).但當CNTs加入量超過45%(w)時,因酚醛樹脂量過少,而導致不能成球,所以本實驗所制得的復合微球的CNTs最高加入量為45%(w).經過進一步的炭化、活化能夠得到孔隙發達的CNTs/P-AC復合微球.其孔徑分布如圖3所示,未加CNTs的酚醛基活性炭微球,其孔徑峰值出現在2 nm左右,中、大孔孔容極小.而不同CNTs加入量的CNTs/P-AC復合微球的孔徑分布均呈“雙峰型”,分別出現在2-4 nm及20-100 nm之間.隨著CNTs加入量的增加,CNTs本身的堆積孔促進了中大孔的形成,所以復合微球中的中、大孔的孔容相應增大.而且復合微球的強度并沒有因為孔容的增大而下降,當CNTs加入量為30%(w)時,其強度達9.8 N,45%(w)CNTs/P-AC復合微球的強度達10.5 N,大約是未加CNTs的2.5倍.復合微球強度的提高是由于CNTs的強化作用.

3.2 磺化碳納米管/活性炭復合微球

重氮鹽偶合法磺化復合微球的反應過程如圖4所示:以濃硫酸為介質,對氨基苯磺酸在低溫條件下與亞硝酸作用生成對氨基苯磺酸重氮鹽,此重氮鹽在引發劑偶氮二異丁腈的作用下偶合到復合微球上,以實現將對氨基苯磺酸接枝到復合微球上.

圖5為復合微球的傅里葉變換紅外(FTIR)光譜,從圖中可以看到:在水蒸氣活化后的樣品中主要有1568 cm-1峰,這是sp2碳的E1u紅外基頻模,25同時也出現了微弱的O－H伸縮振動(3407 cm-1),這主要是水蒸氣在活化的同時有微弱的氧化作用.磺化前對復合微球進行濃硝酸氧化,在高波數3418 cm-1附近出現了明顯的O－H伸縮振動,1728 cm-1處出現了C＝O伸縮振動,1195 cm-1則可能是C－O的伸縮振動,表明濃硝酸氧化在復合微球表面引入了羥基和羧基等含氧官能團.磺化處理后的FTIR圖中1584 cm-1處的峰應該是石墨烯C的T2u伸縮模,25除濃硝酸氧化留下的含氧官能團外,在1217 cm-1處出現對氨基苯磺酸中磺酸基團的S＝O非對稱伸縮振動峰,26證明復合微球表面修飾有磺酸基團.

將磺化處理前后的復合微球在氮氣氣氛中加熱至800°C測定其熱失重曲線(加熱速率:10°C·min-1).如圖6所示,曲線在100°C之前的失重是樣品中水氣揮發造成的質量損失.磺化處理前,在150°C附近出現了明顯的失重臺階,直至400°C質量損失趨于平緩,這是由磺化前復合微球經過濃硝酸氧化后生成的含氧官能團分解造成的.磺化處理后,從150°C開始也出現了明顯的失重,這部分失重仍然是由含氧官能團的分解造成的,但在400°C之后熱失重的速率加快,這可能主要是因為磺化后偶合上的對氨基苯磺酸也參與了分解.27

由復合微球的XPS全譜圖(圖7(a))可見,磺化處理后的復合微球中出現了明顯的氮(N)和硫(S)元素,氧(O)元素的含量也明顯增多.由XPS作表面元素半定量分析表明,活化態、濃硝酸氧化態、磺化態的復合微球中表面元素O/C的摩爾比分別為3.7/100、6.7/100和18.9/100,濃硝酸氧化處理引入了含氧官能團使氧元素略有增多,而磺化處理接枝上了磺酸基團使復合微球表面元素氧的含量明顯增多.

將磺化后樣品各元素的XPS窄譜進行計算機擬合分析,其中C 1s的XPS峰可分解為:284.8、285.7、286.1及288.1 eV(圖7(b)),分別歸屬于CC、C－N28、C－O和C＝O基團的C 1s峰29.O 1s的結合能為532.9 eV(圖7(c)),對應于復合微球表面的C－OH和/或C－O－C基氧29;S 2p的結合能為168.6 eV(圖7(d)),比單質態的S 2p(165 eV)有明顯的右移,表明S主要是以磺酸基團形式(－SO3H)存在;30,31N 1s在401.0 eV(圖7(e))的峰值是由于σ*(N－H)響應,而在406.0 eV處是由于σ*(N－C)的響應.28,32這些都表明了對氨基苯磺酸已成功地接枝到復合微球上,磺化后的復合微球含有磺酸基團.

3.3 磺化碳納米管/活性炭對LDL的吸附性能

對于LDL吸附劑,其表面基團的負電性及內部的孔結構是其吸附能力的決定因素.表面基團的負電性用在pH值為7.4(為人體血液的pH值)的PBS緩沖溶液中的zeta電位來表征.微球表面基團不同,其負電性也不同,則它們對LDL的吸附能力也有所不同.CNTs加入量為30%(w)的復合微球,磺化處理后表面磺酸基團的zeta電位為-26.3 mV,對LDL的吸附量為3.074 mg·g-1;而磺化處理前(濃硝酸氧化)的羥基和羧基基團的zeta電位為-18.5 mV,對LDL的吸附量僅有2.242 mg·g-1.磺酸基團的負電增多,對LDL的靜電作用力越強,則其對LDL吸附能力也越強.

不同CNTs加入量的磺化復合微球對LDL吸附量的影響如圖8所示:隨著CNTs加入量的增加,復合微球對LDL的吸附量也隨之增大(在相同的磺化工藝下,不同CNTs加入量的磺化復合微球的zeta電位值均約為-26 mV).當CNTs加入量為45%(w)時,磺化復合微球的LDL吸附量達6.564 mg·g-1,是未加CNTs的3.3倍.

CNTs的加入促進了復合微球對LDL吸附量增大的原因就是因為CNTs的加入促進了復合微球中大孔的形成.如表1所示,隨著CNTs加入量的增加,20-100 nm的孔容(V20-100nm)顯著增大,從未加CNTs的0.00611 cm3·g-1增加到CNTs加入量為30%(w)時的0.138 cm3·g-1.當CNTs加入量進一步增大到45%(w)時V20-100nm達到0.175 cm3·g-1,是未加CNTs的28.6倍,這樣能吸附LDL的有效孔容就大大增多(人類LDL是大小為20-25 nm的近球形顆粒體),而仍能保持較大的比表面積,所以CNTs的加入增強了復合微球對LDL的吸附能力.

表1 不同CNTs加入量的復合微球孔容及比表面積Table1 Pore volume,specific surface area(SBET)of composite beads with different CNTs mass fractions

4 結論

(1)所制備的磺化碳納米管/活性炭復合微球的球形度好,表面光潔,中孔發達,并且成功地接枝有對氨基苯磺酸;(2)磺化碳納米管/活性炭復合微球的表面含有負電的磺酸基團,可依靠靜電作用選擇性吸附LDL;微球內部有較多的中大孔,可以容納更多的LDL,這部分的孔主要是碳納米管本身的堆積孔促進形成的;(3)隨著CNTs加入量的增加,磺化碳納米管/活性炭復合微球對LDL的吸附量逐漸增大;當CNTs加入量為45%(w)時,其LDL吸附量達6.564 mg·g-1,是未添加碳納米管的3.3倍;此復合微球在作為血液灌流LDL吸附劑方面有較好的應用前景.

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Preparation of Sulfonated Carbon Nanotubes/Activated Carbon Composite Beads and Their Adsorption Capacity for Low Density Lipoprotein

LU Yue-Mei1,2GONG Qian-Ming1,2,3LU Fang-Ping4LIANG Ji1,2,*NIE Qing-Dong5ZHANG Xiu-Mei5
(1Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China;2Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology,Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084,P.R.China;3Department of Materials Science and Engineering,Cornell University,Ithaca 14850,USA;4Department of Nephrology,The First Affiliated Hospital of Tsinghua University,Beijing 100016,P.R.China;5Tsinghua University Hospital,Beijing 100084,P.R.China)

O647

Received:September 2,2010;Revised:December 17,2010;Published on Web:January 27,2011.

?Corresponding author.Email:liangji@mail.tsinghua.edu.cn;Tel:+86-10-62773641;Fax:+86-10-62782413.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50602026).

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