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天工大陳莉/何洋團隊 CEJ 系列進展：面向并發(fā)癥治療的高性能MXene基血液透析膜
2024-03-22  來源：高分子科技

  血液透析已成為腎臟病終末期患者的主要腎臟替代治療措施。血液透析膜作為人工腎的核心部件，在自抗凝方面已取得了長足的進步。然而，長期透析引起的氧化應(yīng)激損傷和腕管綜合征等并發(fā)癥嚴(yán)重影響著患者的預(yù)后效果，導(dǎo)致患者的遠(yuǎn)期生存率始終沒有得到有效的延續(xù)，對醫(yī)療保障體系和民生福祉造成了沉重的負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)具備干預(yù)并發(fā)癥功能的血液透析膜具有重要的科學(xué)價值和社會價值。


圖1. MXene基血液透析膜的制備：（a）Nb2CTx MXene；（b）Ti3C2Tx MXene


  近期，天津工業(yè)大學(xué)陳莉/何洋團隊與威高血液凈化公司通過Marangoni效應(yīng)或?qū)訉?/span>自組裝技術(shù)分別構(gòu)筑了具有二維層狀通道的MXene基血液透析膜，賦予了透析膜干預(yù)氧化應(yīng)激和高效清除中分子毒素的功能（圖1），相關(guān)成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal 2024，485，150047和Chemical Engineering Journal 2024，486，150365，通訊作者為何洋和陳莉教授。在該系列研究中，以聚偏氟乙烯（PVDF）膜為基膜，利用Marangoni效應(yīng)和范德華力將具有豐富活性位點和較強抗氧化活性的Nb2CTx MXene自發(fā)地沉積在基膜表面，系統(tǒng)地研究了Nb2CTx MXene的抗氧化能力和細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性的調(diào)節(jié)能力。結(jié)果表明，Nb2CTx MXene透析膜能迅速清除活性氧自由基（ROS），保護內(nèi)源性抗氧化酶，有效抑制細(xì)胞內(nèi)氧化損傷，并且可以有效清除中小分子毒素，防止體內(nèi)毒素蓄積（圖2）。為進一步提高生物相容性及MXene層狀通道的穩(wěn)定性，通過層層自組裝在PVDF膜表面交替沉積了抗氧化功能的植物多酚沒食子酸（GA）和磺化Ti3C2Tx MXene，并實現(xiàn)了對Ti3C2Tx MXene間距的精確調(diào)控，顯著抑制了MXene納米片的溶脹情況。進一步通過剖析ROS、血液、氧化應(yīng)激產(chǎn)物與心肌細(xì)胞/血管內(nèi)皮細(xì)胞細(xì)胞等不同研究層面對氧化應(yīng)激損傷的作用規(guī)律，建立了MXene基血液透析膜對氧化應(yīng)激干預(yù)效果的評價體系。同時，MXene基透析膜對血管硬化的生物標(biāo)志物晚期糖基化終末產(chǎn)物展現(xiàn)了顯著的阻滯作用，具有改善終末期腎臟病患者并發(fā)心腦血管疾病的臨床治療前景。 


圖2. 血液透析膜的抗氧化活性及ROS/RNS清除機制


  此外，通過流體力學(xué)手段模擬中、小分子毒素的傳輸行為，發(fā)現(xiàn)中分子毒素在MXene層狀通道傳輸過程中透析路徑較短，導(dǎo)致MXene基血液透析膜的中分子毒素清除率與小分子毒素的清除率基本相同，均能達(dá)到80%以上，顯著高于現(xiàn)有血液透析膜的中分子毒素清除率（圖3）。這一高效透析性能能夠明顯提高β2-微球蛋白的透析清除效果，緩解在腕關(guān)節(jié)處的沉積程度，有望改善腕管綜合征的發(fā)病情況。 


圖3. 中分子毒素（a）和小分子毒素（b）在MXene膜中的傳輸途徑


  上述研究成果揭示了MXene層狀通道-氧化應(yīng)激干預(yù)-血液透析膜性能之間的相互關(guān)系，賦予了MXene基血液透析膜優(yōu)異的透析性能和良好的生物相容性，為制備具有并發(fā)癥治療的透析膜功能設(shè)計、血液透析膜材料合成與改性提供了系統(tǒng)、充分的理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。該系列研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、天津市科技局和和天津工業(yè)大學(xué)滄州研究院的支持，并獲得中國發(fā)明專利授權(quán)兩項。


  原文鏈接：

  1. Nb2CTx MXene coating with inhibition of oxidative stress prepared by Marangoni effect for hemodialysis therapy, 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150047

  2. Inhibiting advanced glycation end products (AGEs) of high-performance hemodialysis membranes self-assembled by gallic acid and Ti3C2Tx MXene, 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150365

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