TiO2/PVDF共混微濾膜的制備及其吸附膽紅素的研究

鞠佳，祁文旭，，孔鵬飛，湯佳玉，梁飛雪，張曉欣，賀高紅，楊磊

（1 遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧撫順113001； 2 大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

引 言

膽紅素是一種內(nèi)源性毒素，其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。膽紅素由人體正常代謝產(chǎn)生，來(lái)源于衰老紅細(xì)胞中的血紅素，在與血清蛋白結(jié)合后通過(guò)肝臟排出體外。當(dāng)人體肝臟系統(tǒng)受損或代謝受阻時(shí)則會(huì)在身體中累積，引起高膽紅素血癥，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜吧黐1-2]。目前臨床上治療高膽紅素血癥的直接去除方法包括光療法、血漿置換法和血液灌流法等，其中血液灌流法效果最為顯著。選用安全、高效、價(jià)廉的吸附材料是采用血液灌流法治療高膽紅素血癥的關(guān)鍵，因此人們一直致力于研制新型高效的膽紅素吸附劑[3]。

圖1 膽紅素分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of bilirubin

膽紅素吸附劑按材質(zhì)可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類，有機(jī)吸附劑如合成樹(shù)脂[4-6]、多糖和凝膠類[7-9]、分子印跡材料[10-12]等，無(wú)機(jī)吸附劑如活性炭[13-14]、碳納米管[15-16]、二氧化鈦[17-18]等。膽紅素吸附劑按形態(tài)可分為膜和顆粒兩大類。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)機(jī)納米材料又重新成為膽紅素吸附材料研制的熱點(diǎn)。Yamazaki 等[19]研制出了新型活性碳納米管，其膽紅素吸附效果較好。Yang等[20]研制了TiO2納米晶體膜，最大吸附量可達(dá)17.1 mg/g，利用紫外線照射可實(shí)現(xiàn)再生利用。謝亞林等[21]利用石英晶體微天平現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)，研究了膽紅素在納米TiO2晶體膜表面的吸附動(dòng)力學(xué)。雖然納米材料因比表面積大等特性顯示出較高的膽紅素理論吸附量，但是納米材料在吸附過(guò)程中的分散性較差，從而影響實(shí)驗(yàn)吸附量；另一方面直接采用納米顆粒裝填吸附柱，如無(wú)其他措施，可能會(huì)導(dǎo)致大量吸附劑顆粒隨血液循環(huán)泄漏到血液環(huán)境中。

本文選擇應(yīng)用最廣泛的聚偏氟乙烯(PVDF)作為基膜材料[22-24]，在鑄膜液中共混具有一定親水性的納米二氧化鈦顆粒，通過(guò)干濕相轉(zhuǎn)化制備TiO2/PVDF 共混微濾膜。這種方法先固態(tài)化納米二氧化鈦，防止泄漏，而且TiO2在鑄膜液中均勻分散，提高了TiO2的分散性。考察了鑄膜液中TiO2含量對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素效果的影響，通過(guò)SEM 和EDX 分析了TiO2最佳含量，進(jìn)一步考察了優(yōu)化的TiO2/PVDF 共混微濾膜的吸附條件，如吸附溫度、吸附時(shí)間、膽紅素初始濃度、pH等對(duì)膽紅素吸附的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

膽紅素，96%，東京化成工業(yè)株式會(huì)社，日本；聚偏氟乙烯(PVDF)，工業(yè)級(jí)，上海三愛(ài)富有限公司；銳鈦礦型納米二氧化鈦(TiO2)，10 nm，北京德科島金科技有限公司；聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30)，優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其余試劑均為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

UV-1800 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；THZ-82(A)恒溫水浴振蕩器，浙江金壇市科析儀器有限公司；SU8010 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本Hitachi 公司；XFlash Detector 5030 能量色散X射線光譜儀，德國(guó)Bruker Nano 公司；OCA-200 接觸角分析儀，德國(guó)Dataphysics公司。

1.2 TiO2/PVDF共混微濾膜的制備及表征

在20℃下，以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)為溶劑、PVDF 為基膜原料，添加致孔劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)，按一定比例混合，形成均一的鑄膜液。稱取一定質(zhì)量的銳鈦礦型納米二氧化鈦顆粒于試劑瓶中，加入溶劑DMAc，超聲分散30 min，形成均一穩(wěn)定的TiO2溶膠。邊滴加邊攪拌使TiO2溶膠在鑄膜液中均勻分布，靜置脫泡后得到穩(wěn)定無(wú)泡的鑄膜液，用玻璃棒在平板玻璃上刮涂形成厚度200 μm的薄層，在空氣中靜置揮發(fā)一段時(shí)間，迅速浸入去離子水(20℃)中進(jìn)行固化，并浸泡24 h以便徹底交換出溶劑，60℃真空干燥24 h，待用。TiO2/PVDF 共混微濾膜的制備過(guò)程和膜照片如圖2所示。

圖2 TiO2/PVDF共混微濾膜的制備示意圖Fig.2 Schematic diagram of preparation of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane

鑄膜液中PVDF 和PVP K30 分別占10%和6%(質(zhì)量)，其中TiO2含量范圍為0～2.5%(質(zhì)量)，TiO2含量分別為0、0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%(質(zhì)量)，對(duì)應(yīng)記為PVDF-10-0 膜、PVDF-10-0.5 膜、PVDF-10-1膜、PVDF-10-1.5 膜、PVDF-10-2 膜和PVDF-10-2.5膜。

將PVDF-10-0 膜、PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2 膜樣品干燥脫水后，用液氮冷凍斷裂制斷面樣品，將膜正反面及斷面用導(dǎo)電膠固定于掃描電鏡樣品臺(tái)上，置于E-1010 ION SPUTTER 中鍍金，最后在Hitachi-SU8010掃描電鏡下進(jìn)行觀察。利用能量色散X 射線衍射(EDX)對(duì)PVDF-10-1 膜進(jìn)行掃描，得到膜中各元素的EDX 能譜，分析其中元素種類及分布。

在真空度為0.1 MPa 下進(jìn)行膜的純水通量實(shí)驗(yàn)[25]。根據(jù)式(1)計(jì)算PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1膜的純水通量J[ml/(cm2·min)]

式中,F 為透過(guò)純水的體積，ml；A 為膜的有效過(guò)濾面積，取12.56 cm2；Δt 是透過(guò)時(shí)間，min。PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜的水接觸角θ(°)在OCA-200接觸角分析儀上測(cè)定。

采用稱重法測(cè)定膜的孔隙率，由式(2)計(jì)算PVDF-10-0膜和PVDF-10-1膜的孔隙率ε（%）

式中,W1、W2分別為膜在干、濕狀態(tài)下的質(zhì)量，g；dH2O為水密度，g/cm3；VM為膜的體積，ml。

1.3 膽紅素吸附實(shí)驗(yàn)

在避光條件下配制膽紅素緩沖溶液，即配即用[26]。稱取一定質(zhì)量的共混微濾膜或TiO2顆粒，浸入裝有5 ml 新鮮膽紅素緩沖溶液的西林瓶中，密封避光處理后，將無(wú)膜的等量膽紅素緩沖溶液作為空白對(duì)照樣，以200 r/min 的速率恒溫振蕩一段時(shí)間，將膽紅素溶液稀釋一定倍數(shù)，在440 nm 下測(cè)定其吸光度，膜或TiO2顆粒的膽紅素吸附量可由式(3)計(jì)算[27]

式中,Q 為單位質(zhì)量膜吸附膽紅素的量，mg/g membrane；C0和C 分別是空白溶液和吸附平衡后溶液中的膽紅素濃度，mg/ml；V 為模擬血清的吸附體積，ml；m為膜或TiO2顆粒的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2含量對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響

TiO2含量對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響見(jiàn)圖3，未共混的PVDF微濾膜的膽紅素吸附量較小，而添加了TiO2顆粒的共混微濾膜對(duì)膽紅素表現(xiàn)出明顯的吸附作用。隨著TiO2含量的增加，共混微濾膜的膽紅素吸附量逐漸提高，當(dāng)TiO2含量為1%(質(zhì)量)時(shí)，PVDF-10-1 膜具有最大的膽紅素吸附量，TiO2含量超過(guò)1%(質(zhì)量)時(shí)，膜的膽紅素吸附量略有降低。

SEM 結(jié)果(圖4)顯示，PVDF-10-0膜的上表面和斷面沒(méi)有顆粒狀物，在PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2膜的上表面和斷面都有顆粒狀物。PVDF-10-2膜的顆粒狀物要比PVDF-10-1膜多，而且在孔隙內(nèi)有部分顆粒發(fā)生明顯團(tuán)聚，這也與TiO2含量超過(guò)1%(質(zhì)量)發(fā)生團(tuán)聚的文獻(xiàn)結(jié)果[28]一致。為了進(jìn)一步驗(yàn)證PVDF-10-1膜內(nèi)顆粒的均勻分布情況，對(duì)其斷面進(jìn)行了EDX能譜分析，結(jié)果如圖5所示，膜的斷面均勻分布Ti 元素，即說(shuō)明膜斷面均勻分布TiO2顆粒，因此該膜的較高膽紅素吸附能力可能與TiO2在膜中的均勻分散有關(guān)。

圖3 TiO2含量對(duì)TiO2/PVDF共混微濾膜對(duì)膽紅素吸附量的影響(膽紅素濃度2.5 mg/ml，pH 10.9，25℃，吸附2 h)Fig.3 Effect of TiO2 content on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.5 mg/ml,pH 10.9,25℃,adsorption time 2 h)

由表1 中數(shù)據(jù)可知，PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜孔隙率接近，但添加1%(質(zhì)量) TiO2后，純水通量由18.6 ml/(cm2·min) 增大到32.8 ml/(cm2·min)，而膜表面的接觸角從71°降低至58°，這可能是因?yàn)楣不煊H水性較大的TiO2增大了其純水通量。因此在后續(xù)研究中，膽紅素吸附實(shí)驗(yàn)均采用PVDF-10-1膜。

表1 微濾膜性能的比較Table 1 Comparison of properties of microfiltration membranes

2.2 吸附時(shí)間和溫度對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響

圖4 TiO2/PVDF共混微濾膜的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane

圖5 PVDF-10-1膜斷面的SEM圖和EDX能譜圖Fig.5 SEM image and EDX spectra of cross section of PVDF-10-1 membrane

圖6 吸附溫度和時(shí)間對(duì)TiO2/PVDF共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響(膽紅素濃度2.5 mg/ml，pH 10.9)Fig.6 Effects of adsorption temperature and time on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.5 mg/ml,pH 10.9)

根據(jù)室溫和人體內(nèi)溫度選擇分別在25℃和37℃下進(jìn)行膽紅素的吸附實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖6 所示。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附量逐漸增大，在2 h 后逐漸趨于平緩，最終平衡達(dá)到飽和吸附。由圖6 還可明顯看出，在37℃下的吸附效果優(yōu)于在25℃的情況，這與一般的吸附過(guò)程不同，一般情況下吸附隨著溫度的升高而降低。很多研究也得到了相同的結(jié)論，即吸附劑對(duì)膽紅素的吸附隨溫度升高而升高[4,8,20]，這可能與膽紅素的空間構(gòu)象隨溫度變化有關(guān)[29]，膽紅素是雙吡咯二羧酸結(jié)構(gòu)，常溫下，其羧基在同側(cè)，順式(cis)結(jié)構(gòu)空間位阻很大；隨著溫度的升高，膽紅素的空間構(gòu)象由順式(cis)向反式(trans)旋轉(zhuǎn)，減小了空間位阻，增大了膽紅素與TiO2/PVDF 共混微濾膜之間的接觸機(jī)會(huì)，從而增大其膽紅素吸附量。在下面研究中選擇在37℃下吸附2 h作為實(shí)驗(yàn)條件。

2.3 膽紅素初始濃度對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響

膽紅素初始濃度對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響見(jiàn)圖7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVDF 原膜對(duì)膽紅素的特異性吸附量很低，而共混TiO2顆粒后，TiO2/PVDF 共混微濾膜顯示出對(duì)膽紅素的吸附特異性，這可能由于膽紅素分子與TiO2納米粒子間存在相互作用力，有文獻(xiàn)利用紅外測(cè)試證明了膽紅素分子中—COOH 與TiO2顆粒表面—OH 存在酯化縮合作用和氫鍵作用[20]。在一定范圍內(nèi)，隨膽紅素初始濃度的增加，TiO2/PVDF 共混微濾膜對(duì)膽紅素的特異性吸附量隨之增加，當(dāng)膽紅素濃度達(dá)到0.5 mg/ml時(shí)，膽紅素吸附量趨于平穩(wěn)，達(dá)到飽和吸附量為

49.5 mg/g membrane。

Freundlich吸附等溫式如式(4)所示

式中，Q 為單位質(zhì)量TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量，mg/g membrane；C 為膽紅素吸附平衡時(shí)濃度，mg/ml；k和n均為吸附平衡常數(shù)。對(duì)式(4)取左右對(duì)數(shù)，可以將指數(shù)式轉(zhuǎn)化為線性式

圖7 膽紅素初始濃度對(duì)TiO2/PVDF共混微濾膜的膽紅素吸附量的影響(pH 10.9，37℃，吸附2 h)Fig.7 Effect of initial bilirubin concentration on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(pH 10.9,37℃,adsorption time 2 h)

采用Freundlich 吸附等溫式擬合TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果如圖8所示，表明膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附符合Freundlich 等溫吸附，即膽紅素在TiO2/PVDF 共混微濾膜上的吸附行為屬于單分子層吸附。

圖8 膽紅素Freundlich等溫吸附機(jī)理Fig.8 Freundlich isothermal adsorption mechanism of bilirubin

2.4 膽紅素溶液pH 對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響

膽紅素緩沖溶液的pH 對(duì)TiO2/PVDF 共混微濾膜吸附膽紅素的影響結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果表明，隨著膽紅素溶液pH 的增加，TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量逐漸降低。這可能由于膽紅素分子與TiO2納米粒子間存在相互作用力，主要包括膽紅素分子中—COOH 與TiO2顆粒表面—OH 的酯化縮合作用和氫鍵作用[20-21]。在堿性條件下，這種酯化作用減弱，所以膽紅素難于吸附在TiO2/PVDF 共混微濾膜表面，因此TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附量下降。

圖9 膽紅素溶液pH對(duì)TiO2/PVDF共混微濾膜吸附膽紅素的影響(膽紅素濃度2.4 mg/ml，37℃，吸附2 h)Fig.9 Effect of bilirubin solution pH on bilirubin adsorption capacity of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane(bilirubin concentration 2.4 mg/ml,37℃,adsorption time 2 h)

2.5 TiO2/PVDF 共混微濾膜與其他材料的膽紅素吸附性能比較

為評(píng)估TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素吸附性能，將其與其他吸附劑進(jìn)行比較，如表2 所示。Xie等[30]采用表面功能化活性染料Procion Blue H-5R，通過(guò)相轉(zhuǎn)化法制備改性纖維素膜，該膜的膽紅素飽和吸附量為26.0 mg/g membrane。Shi 等[31]采用氣相沉積聚合法將吡咯-3-羧酸聚合到氧化鋁膜上，制備了聚吡咯-3-羧酸-氧化鋁復(fù)合膜，再以賴氨酸為配體，該膜的膽紅素飽和吸附量為40.7 mg/g membrane。Salimi 等[32]采用β-環(huán)糊精改性聚醚砜中空纖維膜吸附膽紅素，膽紅素的飽和吸附量為51.0 mg/g membrane。TiO2/PVDF 共混微濾膜的膽紅素飽和吸附量為49.5 mg/g membrane，與大多數(shù)新型親和膜的膽紅素飽和吸附量相當(dāng)。而且TiO2/PVDF共混微濾膜高于本文所使用的TiO2顆粒的膽紅素吸附量，這可能是因?yàn)門(mén)iO2顆粒在TiO2/PVDF 共混微濾膜中分散較好，降低了TiO2顆粒的自身團(tuán)聚的程度，從而增加了其與膽紅素充分接觸的機(jī)會(huì)。

表2 TiO2/PVDF復(fù)合膜與其他吸附材料的吸附性能比較Table 2 Comparison of adsorption performance of TiO2/PVDF composite membrane with other adsorption materials

3 結(jié) 論

本文以PVDF 基膜原料、DMAc 為溶劑、PVP 為制孔劑，共混摻雜10 nm 銳鈦礦型納米TiO2顆粒，制備了一種能有效去除膽紅素的TiO2/PVDF 共混微濾膜。當(dāng)TiO2共混含量為1%(質(zhì)量)時(shí)，制得的TiO2/PVDF 共混微濾膜對(duì)膽紅素特異性吸附有顯著效果，因?yàn)樵撃?nèi)部及孔隙中均勻分布TiO2顆粒，顆粒團(tuán)聚較少。這種均勻分布，減少了TiO2顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，增大了顆粒與膽紅素的接觸概率。隨著溫度的升高、時(shí)間的延長(zhǎng)、pH 的降低及膽紅素初始濃度的增加，該膜的膽紅素吸附量不斷增加，該膜的飽和吸附量為49.5 mg/g membrane，與很多親和膜膽紅素飽和吸附量相當(dāng)。