TiO2/PVDF共混微滤膜的制备及其吸附胆红素的研究

鞠佳，祁文旭，，孔鹏飞，汤佳玉，梁飞雪，张晓欣，贺高红，杨磊

（1 辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001； 2 大连理工大学化工学院，精细化工国家重点实验室，辽宁大连116024）

引 言

胆红素是一种内源性毒素，其分子结构如图1所示。胆红素由人体正常代谢产生，来源于衰老红细胞中的血红素，在与血清蛋白结合后通过肝脏排出体外。当人体肝脏系统受损或代谢受阻时则会在身体中累积，引起高胆红素血症，严重时甚至会危及生命[1-2]。目前临床上治疗高胆红素血症的直接去除方法包括光疗法、血浆置换法和血液灌流法等，其中血液灌流法效果最为显著。选用安全、高效、价廉的吸附材料是采用血液灌流法治疗高胆红素血症的关键，因此人们一直致力于研制新型高效的胆红素吸附剂[3]。

图1 胆红素分子结构Fig.1 Molecular structure of bilirubin

胆红素吸附剂按材质可分为有机和无机两大类，有机吸附剂如合成树脂[4-6]、多糖和凝胶类[7-9]、分子印迹材料[10-12]等，无机吸附剂如活性炭[13-14]、碳纳米管[15-16]、二氧化钛[17-18]等。胆红素吸附剂按形态可分为膜和颗粒两大类。随着纳米技术的飞速发展，无机纳米材料又重新成为胆红素吸附材料研制的热点。Yamazaki 等[19]研制出了新型活性碳纳米管，其胆红素吸附效果较好。Yang等[20]研制了TiO2纳米晶体膜，最大吸附量可达17.1 mg/g，利用紫外线照射可实现再生利用。谢亚林等[21]利用石英晶体微天平现场技术，研究了胆红素在纳米TiO2晶体膜表面的吸附动力学。虽然纳米材料因比表面积大等特性显示出较高的胆红素理论吸附量，但是纳米材料在吸附过程中的分散性较差，从而影响实验吸附量；另一方面直接采用纳米颗粒装填吸附柱，如无其他措施，可能会导致大量吸附剂颗粒随血液循环泄漏到血液环境中。

本文选择应用最广泛的聚偏氟乙烯(PVDF)作为基膜材料[22-24]，在铸膜液中共混具有一定亲水性的纳米二氧化钛颗粒，通过干湿相转化制备TiO2/PVDF 共混微滤膜。这种方法先固态化纳米二氧化钛，防止泄漏，而且TiO2在铸膜液中均匀分散，提高了TiO2的分散性。考察了铸膜液中TiO2含量对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素效果的影响，通过SEM 和EDX 分析了TiO2最佳含量，进一步考察了优化的TiO2/PVDF 共混微滤膜的吸附条件，如吸附温度、吸附时间、胆红素初始浓度、pH等对胆红素吸附的影响。

1 实验部分

1.1 实验药品及仪器

胆红素，96%，东京化成工业株式会社，日本；聚偏氟乙烯(PVDF)，工业级，上海三爱富有限公司；锐钛矿型纳米二氧化钛(TiO2)，10 nm，北京德科岛金科技有限公司；聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30)，优级纯，国药集团化学试剂有限公司；其余试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

UV-1800 紫外可见分光光度计，上海精密仪器仪表有限公司；THZ-82(A)恒温水浴振荡器，浙江金坛市科析仪器有限公司；SU8010 场发射扫描电镜，日本Hitachi 公司；XFlash Detector 5030 能量色散X射线光谱仪，德国Bruker Nano 公司；OCA-200 接触角分析仪，德国Dataphysics公司。

1.2 TiO2/PVDF共混微滤膜的制备及表征

在20℃下，以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂、PVDF 为基膜原料，添加致孔剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30)，按一定比例混合，形成均一的铸膜液。称取一定质量的锐钛矿型纳米二氧化钛颗粒于试剂瓶中，加入溶剂DMAc，超声分散30 min，形成均一稳定的TiO2溶胶。边滴加边搅拌使TiO2溶胶在铸膜液中均匀分布，静置脱泡后得到稳定无泡的铸膜液，用玻璃棒在平板玻璃上刮涂形成厚度200 μm的薄层，在空气中静置挥发一段时间，迅速浸入去离子水(20℃)中进行固化，并浸泡24 h以便彻底交换出溶剂，60℃真空干燥24 h，待用。TiO2/PVDF 共混微滤膜的制备过程和膜照片如图2所示。

图2 TiO2/PVDF共混微滤膜的制备示意图Fig.2 Schematic diagram of preparation of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane

铸膜液中PVDF 和PVP K30 分别占10%和6%(质量)，其中TiO2含量范围为0～2.5%(质量)，TiO2含量分别为0、0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%(质量)，对应记为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。

将PVDF-10-0 膜、PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2 膜样品干燥脱水后，用液氮冷冻断裂制断面样品，将膜正反面及断面用导电胶固定于扫描电镜样品台上，置于E-1010 ION SPUTTER 中镀金，最后在Hitachi-SU8010扫描电镜下进行观察。利用能量色散X 射线衍射(EDX)对PVDF-10-1 膜进行扫描，得到膜中各元素的EDX 能谱，分析其中元素种类及分布。

在真空度为0.1 MPa 下进行膜的纯水通量实验[25]。根据式(1)计算PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1膜的纯水通量J[ml/(cm2·min)]

式中,F 为透过纯水的体积，ml；A 为膜的有效过滤面积，取12.56 cm2；Δt 是透过时间，min。PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜的水接触角θ(°)在OCA-200接触角分析仪上测定。

采用称重法测定膜的孔隙率，由式(2)计算PVDF-10-0膜和PVDF-10-1膜的孔隙率ε（%）

式中,W1、W2分别为膜在干、湿状态下的质量，g；dH2O为水密度，g/cm3；VM为膜的体积，ml。

1.3 胆红素吸附实验

在避光条件下配制胆红素缓冲溶液，即配即用[26]。称取一定质量的共混微滤膜或TiO2颗粒，浸入装有5 ml 新鲜胆红素缓冲溶液的西林瓶中，密封避光处理后，将无膜的等量胆红素缓冲溶液作为空白对照样，以200 r/min 的速率恒温振荡一段时间，将胆红素溶液稀释一定倍数，在440 nm 下测定其吸光度，膜或TiO2颗粒的胆红素吸附量可由式(3)计算[27]

式中,Q 为单位质量膜吸附胆红素的量，mg/g membrane；C0和C 分别是空白溶液和吸附平衡后溶液中的胆红素浓度，mg/ml；V 为模拟血清的吸附体积，ml；m为膜或TiO2颗粒的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 TiO2含量对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响

TiO2含量对TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附量的影响见图3，未共混的PVDF微滤膜的胆红素吸附量较小，而添加了TiO2颗粒的共混微滤膜对胆红素表现出明显的吸附作用。随着TiO2含量的增加，共混微滤膜的胆红素吸附量逐渐提高，当TiO2含量为1%(质量)时，PVDF-10-1 膜具有最大的胆红素吸附量，TiO2含量超过1%(质量)时，膜的胆红素吸附量略有降低。

SEM 结果(图4)显示，PVDF-10-0膜的上表面和断面没有颗粒状物，在PVDF-10-1 膜和PVDF-10-2膜的上表面和断面都有颗粒状物。PVDF-10-2膜的颗粒状物要比PVDF-10-1膜多，而且在孔隙内有部分颗粒发生明显团聚，这也与TiO2含量超过1%(质量)发生团聚的文献结果[28]一致。为了进一步验证PVDF-10-1膜内颗粒的均匀分布情况，对其断面进行了EDX能谱分析，结果如图5所示，膜的断面均匀分布Ti 元素，即说明膜断面均匀分布TiO2颗粒，因此该膜的较高胆红素吸附能力可能与TiO2在膜中的均匀分散有关。

图3 TiO2含量对TiO2/PVDF共混微滤膜对胆红素吸附量的影响(胆红素浓度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 中数据可知，PVDF-10-0 膜和PVDF-10-1 膜孔隙率接近，但添加1%(质量) TiO2后，纯水通量由18.6 ml/(cm2·min) 增大到32.8 ml/(cm2·min)，而膜表面的接触角从71°降低至58°，这可能是因为共混亲水性较大的TiO2增大了其纯水通量。因此在后续研究中，胆红素吸附实验均采用PVDF-10-1膜。

表1 微滤膜性能的比较Table 1 Comparison of properties of microfiltration membranes

2.2 吸附时间和温度对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响

图4 TiO2/PVDF共混微滤膜的微观结构Fig.4 Microstructure of TiO2/PVDF blend microfiltration membrane

图5 PVDF-10-1膜断面的SEM图和EDX能谱图Fig.5 SEM image and EDX spectra of cross section of PVDF-10-1 membrane

图6 吸附温度和时间对TiO2/PVDF共混微滤膜的胆红素吸附量的影响(胆红素浓度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)

根据室温和人体内温度选择分别在25℃和37℃下进行胆红素的吸附实验，其结果如图6 所示。随着吸附时间的延长，胆红素在TiO2/PVDF 共混微滤膜上的吸附量逐渐增大，在2 h 后逐渐趋于平缓，最终平衡达到饱和吸附。由图6 还可明显看出，在37℃下的吸附效果优于在25℃的情况，这与一般的吸附过程不同，一般情况下吸附随着温度的升高而降低。很多研究也得到了相同的结论，即吸附剂对胆红素的吸附随温度升高而升高[4,8,20]，这可能与胆红素的空间构象随温度变化有关[29]，胆红素是双吡咯二羧酸结构，常温下，其羧基在同侧，顺式(cis)结构空间位阻很大；随着温度的升高，胆红素的空间构象由顺式(cis)向反式(trans)旋转，减小了空间位阻，增大了胆红素与TiO2/PVDF 共混微滤膜之间的接触机会，从而增大其胆红素吸附量。在下面研究中选择在37℃下吸附2 h作为实验条件。

2.3 胆红素初始浓度对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响

胆红素初始浓度对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响见图7。实验结果表明，PVDF 原膜对胆红素的特异性吸附量很低，而共混TiO2颗粒后，TiO2/PVDF 共混微滤膜显示出对胆红素的吸附特异性，这可能由于胆红素分子与TiO2纳米粒子间存在相互作用力，有文献利用红外测试证明了胆红素分子中—COOH 与TiO2颗粒表面—OH 存在酯化缩合作用和氢键作用[20]。在一定范围内，随胆红素初始浓度的增加，TiO2/PVDF 共混微滤膜对胆红素的特异性吸附量随之增加，当胆红素浓度达到0.5 mg/ml时，胆红素吸附量趋于平稳，达到饱和吸附量为

49.5 mg/g membrane。

Freundlich吸附等温式如式(4)所示

式中，Q 为单位质量TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附量，mg/g membrane；C 为胆红素吸附平衡时浓度，mg/ml；k和n均为吸附平衡常数。对式(4)取左右对数，可以将指数式转化为线性式

图7 胆红素初始浓度对TiO2/PVDF共混微滤膜的胆红素吸附量的影响(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 吸附等温式拟合TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附数据，拟合结果如图8所示，表明胆红素在TiO2/PVDF 共混微滤膜上的吸附符合Freundlich 等温吸附，即胆红素在TiO2/PVDF 共混微滤膜上的吸附行为属于单分子层吸附。

图8 胆红素Freundlich等温吸附机理Fig.8 Freundlich isothermal adsorption mechanism of bilirubin

2.4 胆红素溶液pH 对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响

胆红素缓冲溶液的pH 对TiO2/PVDF 共混微滤膜吸附胆红素的影响结果如图9 所示。结果表明，随着胆红素溶液pH 的增加，TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附量逐渐降低。这可能由于胆红素分子与TiO2纳米粒子间存在相互作用力，主要包括胆红素分子中—COOH 与TiO2颗粒表面—OH 的酯化缩合作用和氢键作用[20-21]。在碱性条件下，这种酯化作用减弱，所以胆红素难于吸附在TiO2/PVDF 共混微滤膜表面，因此TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附量下降。

图9 胆红素溶液pH对TiO2/PVDF共混微滤膜吸附胆红素的影响(胆红素浓度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 共混微滤膜与其他材料的胆红素吸附性能比较

为评估TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素吸附性能，将其与其他吸附剂进行比较，如表2 所示。Xie等[30]采用表面功能化活性染料Procion Blue H-5R，通过相转化法制备改性纤维素膜，该膜的胆红素饱和吸附量为26.0 mg/g membrane。Shi 等[31]采用气相沉积聚合法将吡咯-3-羧酸聚合到氧化铝膜上，制备了聚吡咯-3-羧酸-氧化铝复合膜，再以赖氨酸为配体，该膜的胆红素饱和吸附量为40.7 mg/g membrane。Salimi 等[32]采用β-环糊精改性聚醚砜中空纤维膜吸附胆红素，胆红素的饱和吸附量为51.0 mg/g membrane。TiO2/PVDF 共混微滤膜的胆红素饱和吸附量为49.5 mg/g membrane，与大多数新型亲和膜的胆红素饱和吸附量相当。而且TiO2/PVDF共混微滤膜高于本文所使用的TiO2颗粒的胆红素吸附量，这可能是因为TiO2颗粒在TiO2/PVDF 共混微滤膜中分散较好，降低了TiO2颗粒的自身团聚的程度，从而增加了其与胆红素充分接触的机会。

表2 TiO2/PVDF复合膜与其他吸附材料的吸附性能比较Table 2 Comparison of adsorption performance of TiO2/PVDF composite membrane with other adsorption materials

3 结 论

本文以PVDF 基膜原料、DMAc 为溶剂、PVP 为制孔剂，共混掺杂10 nm 锐钛矿型纳米TiO2颗粒，制备了一种能有效去除胆红素的TiO2/PVDF 共混微滤膜。当TiO2共混含量为1%(质量)时，制得的TiO2/PVDF 共混微滤膜对胆红素特异性吸附有显著效果，因为该膜内部及孔隙中均匀分布TiO2颗粒，颗粒团聚较少。这种均匀分布，减少了TiO2颗粒的团聚现象，增大了颗粒与胆红素的接触概率。随着温度的升高、时间的延长、pH 的降低及胆红素初始浓度的增加，该膜的胆红素吸附量不断增加，该膜的饱和吸附量为49.5 mg/g membrane，与很多亲和膜胆红素饱和吸附量相当。