一种基于马拉高尼效应的2DMXene血液透析膜的制作方法

一种基于马拉高尼效应的2d mxene血液透析膜
技术领域
1.本发明属于膜技术领域，具体涉及一种基于马拉高尼效应的2d mxene血液透析膜的应用。


背景技术：

2.据2015年《科学》杂志报道在全球范围内约有6亿人患有肾脏疾病，并且其年发病率高达95
‑
100人/100万人。目前，血液透析技术成为了目前对肾衰竭疾病最有效的临床疗法。血液透析技术的治疗效果很大程度取决于所使用的血液透析膜的性能，血液透析膜的材料和功能层可以决定血液透析的透析性能、血液相容性、生物相容性等。mxene是一种二维过渡金属碳氮化物的代称，是一种新兴的二维材料家族，它的通式为m
n 1
x
n
t
x
，其中m为早期过渡金属，x是碳或氮，t
x
表示表面终止基团，如
‑
oh、
‑
o、
‑
f。mxene在含水和潮湿的环境中会迅速氧化，本身具有一定的还原性，且mxene具有酶/h2o2响应生物降解性的固有特征，更重要的是，2d mxene具有与产生的自由基反应的特性，所以可以用作抗氧化剂。mxene 在水相的刻蚀和剥离中被许多官能团所终止，端基如
‑
oh和
‑
o的mxene具有亲水性和电负性。血液中多种组分(如血红蛋白、血小板、部分血浆蛋白质等)在血液环境中呈负电性，血管内壁也呈负电性，因此人们认为静电排斥作用可以阻碍血浆蛋白及血小板等物质的吸附，从而有利于抗凝血。而在亲水的表面上，蛋白与基底表面难以形成疏水相互作用，因而亲水表面具备的蛋白与细胞黏附能力相对更差，能呈现出优良的抗凝血性。
3.将mxene功能层固定到透析膜表面，有多种方法，如旋涂、浸涂、喷涂、真空抽滤等，但以上方法均有一定的缺陷，例如涂膜厚薄易不均匀、形成的片层互连性差、易污染环境、原料的损耗较大、膜与mxene之间的连接不是很紧密等。所以本发明利用马拉高尼效应 (marangoni effect)将mxene功能层固定到透析膜表面。在物理学中有一种马拉高尼效应，当具有低表面能的化学试剂(例如乙醇)落入高表面能介质(例如水)中时，在周围材料的边界上出现局部表面张力梯度，导致表面流向表面张力较高的区域。扩散系数(s)决定了扩散流动的速度，并由基液(水)和聚合物溶液之间的三相接触线上的表面张力定义，其中s＝γ1‑
γ2‑
γ
12
(γ1和γ2分别是基液和聚合物溶液的表面张力，γ
12
是两种溶液的界面张力)。若s为正，即基液γ1的表面张力大于γ2和γ
12
的总和，则聚合物溶液将铺展在水性基材表面形成均匀的聚合物膜。若s为负，即基液γ1的表面张力小于γ2和γ
12
的总和，聚合物溶液会在水表面聚集成球，无法铺展。用马拉高尼效应制备mxene功能层的方法，绿色无污染，且方法简便快速高效，不需要特殊设备，制出的膜稳定性好，涂膜均匀，厚度可控且较为节省原料，原料可重复使用。
4.目前，现有的血液透析膜对中、小分子毒素的清除率一般，且几乎无法改善体内氧化应激状态，因此研究一种功能化血液透析膜，在透析的同时具有较好的中、小分子毒素清除率，抑制体内氧化应激水平，维持较好生物相容性，是目前极具临床意义的发展方向之一。


技术实现要素：

5.本发明通过在血液透析膜表面构建2d mxene功能层，抑制了血液透析过程中极易出现的氧化应激状态，提出了一种既能提高透析膜对于中小分子代谢毒素的清除率，也可以实现抑制氧化应激水平的血液透析膜。
6.本发明提出一种2d mxene材料功能层的血液透析膜及其制备方法，包括如下步骤：
7.(1)在max相中加入盐酸和氟化锂，制备mxene相；
8.(2)在恒温条件下制备所使用的基膜；
9.(3)制备mxene乙醇悬浮液；
10.(4)将上述mxene乙醇悬浮液再通过马拉高尼效应成膜后固定在基膜上，得2d mxene 血液透析膜。
11.进一步地，所述步骤(1)中，盐酸浓度为；9
‑
12mol/l；mxene在60℃条件下，真空干燥 10
‑
14h，经过干燥处理后的mxene可以进行较长时间的保存。
12.进一步地，所述步骤(2)中，基膜固含量为24％，所述的恒温温度为25
‑
28℃；所制备的基膜用去离子水进行冲洗，对透析基膜进行浸泡冲洗可除去膜中溶剂的释放，确保基膜在应用过程中可以长期高效得使用。
13.进一步地，所述步骤(3)中，将mxene材料进行处理使其成为mxene乙醇悬浮液，具体为将mxene分散于乙醇中，在冰水浴中超声处理2
‑
4h；所述的mxene乙醇悬浮液浓度为 0.1
‑
0.3g/ml，具体可以为：将0.1
‑
0.3g mxene分散于1
‑
3ml乙醇中，在冰水浴中超声处理 2
‑
4h，如此反复1
‑
3次；经处理后，将mxene乙醇悬浮液放在室温下备用。
14.进一步地，所述步骤(1)中，所述的max相为nb2alc、ti2alc、ti3alc2、v2alc、v4alc3中的一种或多种的组合；
15.所述的mxene相为nb2c、ti3c2、nb4c3、v4c3、ti2c中的一种或多种的组合；所述步骤(2)中，所述的基膜为聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚醚砜膜、聚氨酯膜或再生纤维素膜中的一种或多种的组合。
16.进一步地，步骤(4)中，mxene乙醇悬浮液通过马拉高尼效应成膜的具体步骤为：将mxene 乙醇悬浮液滴落在装有水的培养皿中；用马拉高尼效应制备mxene功能层的方法，绿色无污染，且方法简便高效，稳定性好，是利用了两种介质之间的界面张力差作为驱动力实施的。
17.本发明还提出上述方法制备的2d mxene血液透析膜。
18.本发明具有如下有益效果：
19.首先，基于马拉高尼效应使mxene成膜，即水溶液和mxene乙醇悬浮液之间存在较大的表面张力梯度，由表面张力梯度为驱动力，促使mxene在水溶液表面聚集成膜，再将形成的mxene膜固定到聚合物膜表面。得到的2d mxene膜具有高效的中小分子毒素清除能力和减弱因生物相容性引起的氧化应激。
20.马拉高尼效应可以使mxene在溶液表面成膜，进而将其固定到聚合物膜表面。当具有低表面能的化学试剂(乙醇mxene悬浮液)落入高表面能介质(水)中时，使水的表面张力大于乙醇的表面张力以及水和乙醇的界面张力的合力，从而在周围材料的边界上出现局部表面张力梯度，导致含有mxene的表面流向表面张力较高的区域，即mxene从乙醇溶液流向
水溶液在水溶液表面成膜。
21.利用mxene亲水基团如羟基、羧基，可以改善基膜的亲水性，使疏水的基膜变得较为亲水，促进水分子在膜内部的传递；mxene本身呈电负性，中分子毒素β2
‑
微球蛋白呈正电性，在血液透析过程中会促进中分子毒素的清除；mxene是二维平面结构，在膜上形成的多通道功能层会实现一种超常传质现象，传质现象的作用；mxene本身具有一定的还原性，可以与产生的活性氧自由基反应，而且mxene具有酶/h2o2响应生物降解性的固有特征。从而构建具有较好的中、小分子毒素清除率，抑制体内氧化应激水平，维持较好生物相容性的血液透析膜。
附图说明
22.图1(a)为涂覆前后血液透析膜对自由基清除能力的测试结果；(b)为涂覆前后血液透析膜对血清总抗氧化能力的测试结果。
23.图2(a)为涂覆前后血液透析膜对牛血清蛋白的截留率；(b)为涂覆前后血液透析膜对尿素的清除率；(c)为涂覆前后血液透析膜对溶菌酶的清除率。
24.图3为涂覆前后血液透析膜抗凝血时间的测定结果。
具体实施方式
25.实施例1 m
mx
‑
0.1
血液透析膜的制备
26.1)mxene的制备：称取2.05g氟化锂和20ml 9mol/l盐酸分别加入到50ml塑料离心管，在40℃水浴锅中磁力搅拌15min，得到刻蚀液，在刻蚀液中加入0.5g铌碳化铝并将塑料离心管密封，温度升高至60℃搅拌刻蚀48h。刻蚀结束后，在12000rpm下离心10min，倒掉上清液，加入配制的稀盐酸溶液洗涤，重复上述步骤3次，接着将稀盐酸溶液换成去离子水洗涤，重复上诉步骤6
‑
10次，直到离心后ph在6
‑
7之间，倒掉上清液，加入乙醇，密封后在40℃以下超声3
‑
6h，最后在60℃真空干燥箱中真空干燥得到mxene粉末。
27.2)透析膜的制备：将铸膜材料聚偏氟乙烯(pvdf)粉末、致孔剂聚乙二醇(peg，分子量为 8000)、溶剂n，n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)溶液按照质量比13∶11∶76置于三口烧瓶中混合，在60℃下机械搅拌10h，真空烘箱60℃真空脱泡3
‑
6h。然后将上述铸膜液倾倒在玻璃板上，使用 200μm的刮刀刮制成型后，迅速将玻璃板转移到27℃恒温凝固浴水槽中成膜，将得到的pvdf 膜放入去离子水中浸泡2
‑
5天，纯的pvdf膜记为mp。
28.3)mxene乙醇悬浮液的制备：将0.3g的mxene粉末加入到3ml无水乙醇中，搅拌， 40℃以下超声2
‑
4h，得终浓度为0.1g/ml的mxene乙醇悬浮液。
29.4)mxene功能层涂覆血液透析膜的制备：首先准备一个培养皿，培养皿的一侧用移液枪注入占据培养皿面积三分之二的去离子水，不可将水注满培养皿底部。然后将步骤3)中的 mxene乙醇悬浮液用移液枪吸出，注入到未沾水的培养皿的一侧，两溶液的界面相遇后，因表面张力不同，由马拉高尼力的驱动，使得悬浮在乙醇溶液中的mxene从富含乙醇的低面张力区域向富含水的高表面张力区域移动，最后在水和乙醇的界面上形成一层mxene薄膜。接着将步骤2)制备的透析膜裁剪出所需面积，用滤纸吸净水后，正面朝下覆盖在所形成的mxene 薄膜上，2
‑
3s后用镊子转移出。用去离子水冲洗3次，即可得到mxene功能层涂覆的血液透析膜，记为m
mx
‑
0.1
。
30.5)mxene功能层涂覆血液透析膜的后处理：将透析膜置于冷冻干燥器中冻干12h，待膜完全干燥后将膜取出。
31.实施例2 m
mx
‑
0.2
血液透析膜的制备
32.1)mxene的制备：称取2.05g氟化锂和20ml 9mol/l盐酸分别加入到50ml塑料离心管，在40℃水浴锅中磁力搅拌15min，得到刻蚀液，在刻蚀液中加入0.5g铌碳化铝并将塑料离心管密封，温度升高至60℃搅拌刻蚀48h。刻蚀结束后，在12000rpm下离心10min，倒掉上清液，加入配制的稀盐酸溶液洗涤，重复上述步骤3次，接着将稀盐酸溶液换成去离子水洗涤，重复上诉步骤6
‑
10次，直到离心后ph在6
‑
7之间，倒掉上清液，加入乙醇，密封后在40℃以下超声3
‑
6h，最后在60℃真空干燥箱中真空干燥得到mxene粉末。
33.2)透析膜的制备：将铸膜材料聚偏氟乙烯(pvdf)粉末、致孔剂聚乙二醇(peg，分子量为 8000)、溶剂n，n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)溶液按照质量比13∶11∶76置于三口烧瓶中混合，在60℃下机械搅拌10h，真空烘箱60℃真空脱泡3
‑
6h。然后将上述铸膜液倾倒在玻璃板上，使用 200μm的刮刀刮制成型后，迅速将玻璃板转移到27℃恒温凝固浴水槽中成膜，将得到的pvdf 膜放入去离子水中浸泡2
‑
5天，纯的pvdf膜记为mp。
34.3)mxene乙醇悬浮液的制备：将0.6g的mxene粉末加入到3ml无水乙醇中，搅拌， 40℃以下超声2
‑
4h，得终浓度为0.2g/ml的mxene乙醇悬浮液。
35.4)mxene功能层涂覆血液透析膜的制备：首先准备一个培养皿，培养皿的一侧用移液枪注入占据培养皿面积三分之二的去离子水，不可将水注满培养皿底部。然后将步骤3)中的 mxene乙醇悬浮液用移液枪吸出，注入到未沾水的培养皿的一侧，两溶液的界面相遇后，因表面张力不同，由马拉高尼力的驱动，使得悬浮在乙醇溶液中的mxene从富含乙醇的低面张力区域向富含水的高表面张力区域移动，最后在水和乙醇的界面上形成一层mxene薄膜。接着将步骤2)制备的透析膜裁剪出所需面积，用滤纸吸净水后，正面朝下覆盖在所形成的mxene 薄膜上，2
‑
3s后用镊子转移出。用去离子水冲洗3次，即可得到mxene功能层涂覆的血液透析膜，记为m
mx
‑
0.2
。
36.5)mxene功能层涂覆血液透析膜的后处理：将透析膜置于冷冻干燥器中冻干12h，待膜完全干燥后将膜取出。
37.实施例3 m
mx
‑
0.3
血液透析膜的制备
38.1)mxene的制备：称取2.05g氟化锂和20ml 9mol/l盐酸分别加入到50ml塑料离心管，在40℃水浴锅中磁力搅拌15min，得到刻蚀液，在刻蚀液中加入0.5g铌碳化铝并将塑料离心管密封，温度升高至60℃搅拌刻蚀48h。刻蚀结束后，在12000rpm下离心10min，倒掉上清液，加入配制的稀盐酸溶液洗涤，重复上述步骤3次，接着将稀盐酸溶液换成去离子水洗涤，重复上诉步骤6
‑
10次，直到离心后ph在6
‑
7之间，倒掉上清液，加入乙醇，密封后在40℃以下超声3
‑
6h，最后在60℃真空干燥箱中真空干燥得到mxene粉末。
39.2)透析膜的制备：将铸膜材料聚偏氟乙烯(pvdf)粉末、致孔剂聚乙二醇(peg，分子量为 8000)、溶剂n，n
‑
二甲基甲酰胺(dmf)溶液按照质量比13∶11∶76置于三口烧瓶中混合，在60℃下机械搅拌10h，真空烘箱60℃真空脱泡3
‑
6h。然后将上述铸膜液倾倒在玻璃板上，使用 200μm的刮刀刮制成型后，迅速将玻璃板转移到27℃恒温凝固浴水槽中成膜，将得到的pvdf 膜放入去离子水中浸泡2
‑
5天，纯的pvdf膜记为mp。
40.3)mxene乙醇悬浮液的制备：将0.9g的mxene粉末加入到3ml无水乙醇中，搅拌， 40
℃以下超声2
‑
4h，得终浓度为0.3g/ml的mxene乙醇悬浮液。
41.4)mxene功能层涂覆血液透析膜的制备：首先准备一个培养皿，培养皿的一侧用移液枪注入占据培养皿面积三分之二的去离子水，不可将水注满培养皿底部。然后将步骤3)中的 mxene乙醇悬浮液用移液枪吸出，注入到未沾水的培养皿的一侧，两溶液的界面相遇后，因表面张力不同，由马拉高尼力的驱动，使得悬浮在乙醇溶液中的mxene从富含乙醇的低面张力区域向富含水的高表面张力区域移动，最后在水和乙醇的界面上形成一层mxene薄膜。接着将步骤2)制备的透析膜裁剪出所需面积，用滤纸吸净水后，正面朝下覆盖在所形成的mxene 薄膜上，2
‑
3s后用镊子转移出。用去离子水冲洗3次，即可得到mxene功能层涂覆的血液透析膜，记为m
mx
‑
0.3
。
42.5)mxene功能层涂覆血液透析膜的后处理：将透析膜置于冷冻干燥器中冻干12h，待膜完全干燥后将膜取出。
43.试验例1mxene涂覆血液透析膜抗氧化性能测试
44.实验分组：实验分为对照组，实验组1
‑
3的膜样品进行测试。
45.对照组：按照本发明实施例1步骤2)制备的pvdf膜，记为mp。
46.实验组1：按照本发明实施例1步骤4)制备的改性膜，记为m
mx
‑
0.1
。
47.实验组2：按照本发明实施例2步骤4)制备的改性膜，记为m
mx
‑
0.2
。
48.实验组3：按照本发明实施例3步骤4)制备的改性膜，记为m
mx
‑
0.3
。
49.参阅图1a，纯血液透析膜没有清除自由基的能力。而涂覆后的改性透析膜(m
mx
‑
0.1
、 m
mx
‑
0.2
、m
mx
‑
0.3
)清除自由基的能力显著提高，当mxene浓度达到0.3g/ml时，对三种活性氧自由基的清除能力达到0.062μmol/cm2、0.085μmol/cm2、4.100mmol/cm2，而且对dpph 和abts的清除率达到0.7μg/cm2、0.91μg/cm2。
50.除此之外，在血液透析时，血清中有较多物质存在抗氧化能力，如尿酸、谷胱甘肽、维生素e、抗坏血酸等，氧化应激会减弱血清的总抗氧化能力。
51.本发明还考察了膜对血清总抗氧化能力的提升效果试验。
52.采用总抗氧化能力(feap)法测试实施例1
‑
3所得改性膜对血清总抗氧化能力的提升能力。
53.参阅图1b，mp的血清抗氧化能力与对照组几乎无差别，而涂覆了mxene之后的透析膜的血清抗氧化能力明显增加，且与浓度呈正相关，在3h左右达到峰值，随后发生了下降。基于以上结果，mxene改性膜将有助于增强血液的抗氧化能力并使其维持在一个较优的抗氧化状态，防止在血液循环过程中患者血管的形态和功能受到损害。
54.试验例2mxene涂覆血液透析膜透析性能测试
55.通过测试血液透析膜牛血清白蛋白的截留率以及对小分子(尿素)、中分子(溶菌酶)的毒素的清除率来评价血液透析膜的透析性能。
56.参阅图2a，可以看出模拟透析4小时后，所有的血液透析膜对bsa的截留均在90％以上，说明血液透析膜可以防止人体所需的白蛋白流失。参阅图2b
‑
c，mp对尿素和溶菌酶的清除率为45.9％、34.1％，mxene涂覆后，当浓度为0.2g/ml时，对中小分子毒素的清除最高，为 87.0％、79.5％，说明涂覆mxene后可以显著提高膜的透析性能。
57.试验例3mxene涂覆血液透析膜血液相容性测试——活化部分凝血活酶时间(aptt)测试
58.参阅图3，与对照组mp相比，随着mxene浓度增加，aptt呈正相关趋势，当mxene 浓度达到0.3g/ml时，aptt时间最长，为56.5s，较对照组增加24s，说明mxene涂覆血液透析膜在抗凝血方面有较好的性能。
59.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。