（环境科学专业论文）高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究.pdf

【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】a b s t r a c t a bs t r a c t t h et e c h n i q u eo fh e m o p e r f u s i o n ( h p ) ，am e t h o do fp u r i f y i n gb l o o db ya d s o r p t i o n ， h a sr e c e i v e dg r e a ta t t e n t i o ns i n c e19 7 0 s i nw h i c h ，t h ea d s o r b e n ti sak e yi s s u e ，b e c a u s ei t l b 6 t l , l o v e sh a r m f u lm o l e c u l e sa n dc o n t a c t sd i r e c t l yb l o o di nt h eh p a so n eo fa d s o r b e n t s f o rb l o o dp u r i f i c a t i o n ，a c t i v a t e dc a r b o n ( a c ) m u s tm e e ts p e c i f i cr e q u i r e m e n t s ，s u c ha s ， g o o da d s o r p t i o np e r f o r m a n c ea n dh a r m l e s st oh u m a n d u et ot h eh pa c c e p t e dw o r l d w i d e ，t h ed e m a n df o rs p e c i a la ci s c o n t i n u a l l y i n c r e a s i n g c u r r e n t l yt h ea cs u p p l i e df o rh p i sf a rf r o mm a r k e tn e e d t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt op r e p a r eh i g h p e r f o r m a n c ea d s o r b e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ef e a s i b i l i t ya n da p p l y i n gp r o s p e c to fl a b m a d eh i g h l y m i c r o p o r o u so rh i g h l ym e s o p o r o u sh i g h - s u r f a c e a r e aa c sw e r es t u d i e da sh pm a t e r i a l n l eu p t a k eo fd i f f e r e n ts i z em o l e c u l e s ( c r e a t i n i n e ，v b1 2 ，a n db i l i m b i n ) b yt h e s ea c sa n d ac o m m e r c i a ls a m p l ew a sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a b m a d ea c sh a v e s i g n i f i c a n t l ys u p e r i o ra d s o r p t i v ec a p a c i t ya n da d s o r p t i o nr a t e i n d i c a t i n gt h e i ra p p l y i n g p o t e n t i a la sh pa d s o r b e n t i tm u s tb ec o n s i d e r e dt oa v o i de m b o l i s ma n de x f o l i a t i o no c c u r r e di nt h ec o u r s eo f h p t h e r e f o r e ，af u r t h e rs t e pw a st a k e nt oe n c a p s u l eal a y e ro fm e n l b r a n eo nt h es u r f a c e o fa cp a r t i c l e s n a t u r a lm a c r o m o l e c u l e s ( g l u t i na n da r a b i n lo fg o o d h e m o c o m p a b i l i t y w e r ec h o s e na st h es t u f fo fm e m b r a n e t h ec o a c e r v a f i o nw a su s e dt om a k ee n c a p s u l e d a c sa c c o r d i n gt ot h e a m p h o t e r i c c h a r a c t e ro fg l u t i n t h er e s u l ts h o w st h a tt h e e n c a p s u l e d a ch a sn o t o n l yg o o da d s o r p t i o np e r f o r m a n c e ， b u ta l s o g o o d h e m o c o m p a b i l i t y , s u g g e s t i n gt h a tt h ee n c a p s u l e da cc o u l db eu s e da sh pm a t e r i a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ef u n d a m e n t a l so fa d s o r p t i o ne q u i l i b r i u ma n da d s o r p t i o n d y n a m i c sw e r es t u d i e df o rd i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c eo fp o r es t r u c t u r ea n ds u r f a c ea r e ao f a co nt h ea d s o r p t i o n t h ep o r es i z eh a sad e c i s i v ee f f e c t e s p e c i a l l yf o rs m a l la n dm i d d l e s i z em o l e c u l e s t h ea d s o r p t i o ni s o t h e r m so fc r e a t i n i n e ，v bl2a n db i l i r u b i no b e yt h e l a n g m u i re q u a t i o n t h ea d s o r p t i o nd y n a m i c so fs m a l lm o l e c u l e ( c r e a t i n i n e ) w a s c o n t r o l l e db yp o r ed i f f u s i o nl i m i t a t i o n ，w h e r e a st h a to fl a r g e rm o l e c u l e s ( v b 12 ， b i l i r u b i n ) w a sc o n t r o l l e db yf i l md i f f u s i o nl i m i t a t i o n k e y w o r d ： a c t i v a t e dc a r b o n ，a d s o r p t i o n ，e n c a p s u l e ，h e m o c o m p a f i b i l i t ya n d a d s o r p t i o nd y n a m i c s 第4 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】 第一章前言 第一章前言弟一早月l j画 第一节概述 活性炭具有很高的比表面积，孔径分布宽，孔隙率发达，抗酸碱性和化学性质 稳定，因而是一种性能优良的广谱性吸附剂。作为一种优质吸附剂，活性炭主要用 于防毒面具、气体与液体的净化、脱色、除异味、催化剂载体等，是环保、医药、 食品、电子、催化剂等领域的重要吸附剂和材料。 活性炭在环境保护领域发挥的作用越来越大，其中最重要的、应用最广的是在 水处理、废气治理等方面险1 。目前，环境保护离不开活性炭已逐渐成为人们的共识。 美国每年的活性炭用量在1 2 - 15 万t ，日本7 9 万t ，其中用于环境保护( 包括水 处理和气体处理) 的占6 0 以上。我国虽然有近1 0 万t 的产量，但将近一半出口， 真正用于自己的环境保护的活性炭用量最多只有生产量的1o 左右阁。 随着科学技术的迅猛发展，对活性炭的需求量日益增加的同时，对其性能的要 求也越来越高，不但活性炭新产品层出不穷，而且还涌现出许多新的应用研究成果， 并具有良好的应用前景。近年来，随着对活性炭研究开发的迅猛进展，其应用也已 遍及到日常生活的各个方面，包括医药、食品、化工生产中的脱色、除臭等等。 活性炭具有很好的吸附性能，炭本身又具有其它材料所无可比拟的生物相容 性、生物稳定性、机械性能，溶出物及可渗出物含量低，便于灭菌、消毒，这些特 点使得活性炭可以应用于医学方面作为净化血液吸附剂。活性炭在生物医学方面的 应用早有报导，目前应用得较为成熟的是俄罗斯、日本等国家，我国的许多研究工 作者也正在做这方面的努力。现在用的一般是以合成树脂为原料的活性炭新产品， 选择不同的合成树脂和调节不同的聚合度，再相应地改变活性炭的制备条件，就可 以满足医疗领域对活性炭的要求。但是，我国在这方面的工作仍处于实验室阶段， 还未实现产业化，净化血液用的活性炭基本上是从欧洲或日本进口。 第二节血液灌流技术的研究背景及现状 活性炭作为血液净化吸附剂早在本世纪初已有研究。血液净化是生物医学工程 第5 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】 第一章前言 的一部分，随着生物医学材料的发展，近年来，它是医学上的重大成就之一。血液 净化疗法，是直接从患者血液中清除病原物或毒素，调节肌体内微环境的稳定，从 而达到缓解和治疗疾病的方法。 血液净化疗法己成为临床治疗上必不可少的措施和手段。目前，血液净化疗法 有：血液透析( h e m o d i a l y s i s ，h d ) ；血液滤过( h e m o f i l t r a t i o n ，h f ) ；血浆置换 ( p l a s m e t a t h e s i s ，p e ) ；血液灌流( h e m o p e r f u s i o n ，h p ) ；联合疗法( 包括透析+ 滤 过、透析+ 灌流、滤过+ 灌流、置换+ 灌流) ，下面对各自的作用作一下简单描述： 1 2 1 血液净化 1 ) 血液透析( h d ) 透析是一种溶液通过半透膜与另一种溶液进行溶质交换的过程。 血液透析是将病人血液和透析液同时以相反方向引入透析器内，分别流经透析 膜两侧，两侧的溶质和水在浓度和压力梯度的作用下做跨膜运动，使血液中代谢积 累的尿素、肌酐、胍类、酸根和过多的电解质被置换至透析液中，而透析液中的碳 酸氢根、葡萄糖、水杨酸盐、电解质等机体所需的物质被补充到血液中，从而达到 清除体内代谢废物、纠正水、电解质紊乱和酸碱失衡的治疗目的。 2 ) 血液滤过( h f ) 血液滤过是将患者血液通过连接管道与血液滤过器相连。血液流经滤膜时，利 用滤膜的对流作用和滤过压将血液中的水份及溶于其中的中、小分子量物质滤出。 大分子量物质和有形成分被截流在血液内。同时根据滤出液量，根据需要输入一定 数量和组分的置换液。在此过程中，多种有害物质及多余水份即被除去。 3 ) 血浆置换( p e ) 血浆置换是指大量血浆被除去，并代之以血浆替换液。系将患者血液引入血浆 分离器或分离机，使血细胞与血浆分离，弃去分离出的全部血浆或血浆中病理蛋白 部分，补充定量血浆、白蛋白或代血浆，借以清除有害大分子物质及与白蛋白结 合的有害物质的一项技术。 4 ) 血液灌流( h p ) 血液灌流是血液借助体外循环，引入装有固体吸附剂的容器中，以吸附清除某 第6 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第一章前言 些外源性或内源性的毒物，达到血液净化的一种治疗方法。目前临床上主要用于抢 救药物和毒物中毒，是国内外专家公认的、抢救中毒患者的首选方法，比血液透析 和血液滤过等常规血液净化方法更为有效。 5 _ ) 联合疗法 所谓联合疗法即前述几种方法根据其优缺点联合使用，以达到合适的治疗效 果。 活性炭用于血液灌流中，但对活性炭的品种及各方面性能要求较高。随着血液 灌流疗法被普遍接受，对血液灌流吸附剂的需求也日益增加。目前，能够满足临床 使用的活性炭品种较少。因此，探索新的吸附性能良好、针对性强的新型血液净化 吸附剂显得非常必要。 1 2 2 研究背景 俄罗斯于八十年代中期研制开发的s c n 球状活性炭口4 1 ，经生化处理可制成血 液净化吸附剂，作为固定生物分子的基体，进而可研制出具有吸附性能和特有免疫 活性的药物。s c n 活性炭因具有独特的化学稳定性和高度的生物相容性，可作为 固定各种生物分子的材料用于选择性排除抗体方面；由于s c n 活性炭还具有优良 的离子交换性能和电化学性质，可以作为生物体液电化学解毒以及生物电极材料等 使用。 日本k u r e h a 公司开发出珠状石油炭经生化处理后主要用作血液灌流的炭肾 材料及血液透析的辅助材料，可消除人体内生性及外源性毒性物质，能治疗肾功能 衰竭、尿毒症等多种病型4 】。 此外，九十年代初在莫斯科还建成了生产5 0 万吨的煤基球状活性炭的工厂， 作为口服解毒剂、杀菌绷带、治疗腹泻等用途。利用球状活性炭为有效成分还可制 备抗尿病剂、药物缓释剂、1 3 服治疗肠炎、痔疮等病症的胶囊等【4 】。 在我国，八五期间中科院山西煤化所进行了沥青基球状活性炭( p s a c ) f 5 】的 实验室研制开发工作，并成功地研制了p s a c ，填补了国内一项空白；南开大学分 子生物研究所曾进行过高分子基球状活性炭的研制工作 6 1 ；解放军防化研究院也在 研制p s a c f a 。其中沥青基球状活性炭由于球形度好、机械性能高、微粒脱落少、 吸附性能优良以及良好的生理相容性等一系列特征，目前倍受血液净化材料领域的 关注，现阶段已被临床使用。 第7 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】 第一章前言 活性炭作为一种药物用于治疗食物、生物碱中毒、腹泻、胃肠胀气等疾病，已 有很长的历史。活性炭作为某些药物的载体，可以提高药物的治疗效果。例如，抗 癌化学药物对癌细胞有破坏作用，抑制癌细胞的发展以至坏死，但不可避免地对正 常细胞也有一定的破坏作用，利用活性炭作为载体，吸附抗癌药物做局部肿瘤注射， 使药物持续高浓度向局部肿瘤组织释放，且具有附着肿瘤表面的特性，有不增加毒 副作用，充分达到肿瘤化疗的作用1 8 】。 用石油沥青或合成树脂为原料制成的活性炭，所含杂质极少，吸附能力很强， 在医疗方面用作人工肝脏和人工肾脏。据报导，这种吸附剂对肌酐、尿素和其它低 分子代谢产物的吸附能力达到7 0 以上，在临床上已用于血液灌流，抢救毒物中毒、 肝昏迷、尿毒症病人【3 b j 。 人体的血液循环系统是人体内生理组成的一个重要组成部分，当因某种疾病或 过量摄入药物，导致血液中有害物质积蓄，而又无法由自身保护系统进行解毒、去 除或中和时，采用血液净化在体外除去是一种十分快速有效的方法旧1 0 1 。其中采用 炭质吸附剂进行的血液灌流是一种适应广、治疗成本低，而且很有发展前途的血液 净化方法n ，目前也正以较快的速度发展。在医药和医疗领域对活性炭的吸附性能、 杂质和机械强度都有特别高的要求，而椰壳活性炭质地致密而坚固，吸附量又大， 通过一定的加工成型，应是生物医学界所追求的一种理想的医用活性吸附材料。 目前，在医学领域已得到应用的活性炭还远不能满足临床治疗的需要。因此， 探索吸附性能良好、针对性强的新型血液净化材料也尤为重要。 1 2 3 研究现状 血液灌流技术是国际上7 0 年代发展起来的吸附型血液净化方法，它是将吸附 材料装入罐流器中，血液从动脉血管引出后，经一血泵( 或心脏) 压入灌流罐，血 液中的代谢产物或毒素被罐内的吸附材料清除后，再送回静脉血管中【1 1 】。随着生物 医学工程的兴起，血液灌流技术在近三十年来得到了迅速发展，引起了医学界的广 泛兴趣和重视。血液灌流主要采用的是吸附分离的原理，它的确切含义是血液吸附 ( h p ) ，即溶解在血液中的有害物质，如内源性的肌酐、尿素、胆红素、抗体、抗 原和一些致病因子；外源性的安眠药、农药和某些毒药，被吸附到具有丰富表面积 及合适孔结构的功能高分子吸附材料上，由此对血液进行净化，从而达到治疗和辅 助治疗的目的1 1 列。 第8 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第一章前言 由于血液灌流治疗过程中，吸附剂是与血液直接接触，所以吸附剂必须符合以 下要求【叼：对人体安全无毒：具稳定的化学性质，与血液接触时，不发生任何 化学和生理变化；具有良好的血液相容性；吸附材料颗粒稳定、不易破碎和脱 落，不发生变形，机械强度良好；易消毒灭菌，便于贮存。 血液灌流技术中，吸附剂是关键，它必须具有很高的比表面积、机械强度高、 血液相容性良好，而且对中分子物质的吸附性能也要良好。血液灌流吸附剂主要有 活性炭和吸附树脂两种r 闭。吸附树脂对吸附分子量较大的物质具有其优越性，但吸 附树脂成本高，制备复杂，而活性炭以其吸附范围广、吸附能力强、价格低廉、使 用起来方便等优点，逐步发展成了应用广泛的血液灌流吸附剂。作为一种广谱性的 吸附剂，活性炭能吸附血液中的肌酐、尿酸、胍类、酚类及中分子物质，尤其对分 子量较小的外源性药物和毒物有很强的吸附能力，如巴比妥、安定等药物，但活性 炭对尿素、钠、钾、氯、磷、氢离子和水无清除作用【14 1 。目前临床上使用的最普遍 的活性炭一般是由椰壳炭、油棕炭、石油炭等反复冲洗筛选精制而成的【15 1 。 血液灌流的诞生，使血液净化不仅可以作为“人工肾”治疗尿毒症，还可以作为 “人工肝”及治疗自身免疫性疾病等许多重大疑难性疾病的手段，由于此法具有神 奇的疗效，引起了国内外学术界的广泛关注【6 】。从2 0 世纪7 0 年代开始，世界各国 都投入了这项研究，加拿大、美国、日本等国相继报道了活性炭、包膜活性炭血液 灌流的临床应用【6 1 。我国于2 0 世纪7 0 年代末期开始逐步进入这一领域，上海、天 津、北京、重庆等地相继研制了不同原料、不同包膜的活性炭或其它吸附剂【1 刀。各 地用活性炭血液灌流治疗的病种包括有急性药物中毒、有机磷或有机氯农药中毒、 精神分裂症、尿毒症和急性肾功能衰竭【1 8 2 0 。 以活性炭作为基体研制的特种吸附剂用于血液灌流已有不少种。其中以共价方 式结合脑髓磷脂碱性蛋白质( m b p ) 的合成活性炭已广泛应用于体液直接净化和人 体器官的吸附解毒，它能成功地从循环血液中选择性地提取抗m b p 抗体 3 1 ；含蛋 白质a 的s c n 血吸附剂可以清除免疫球蛋白和来自生物体液的循环免疫络合物； 日本k u r e h a 公司开发的珠状石油炭经生化处理后，用作血液灌流的炭肾材料及 血液透析的辅助材料，可消除人体内生性及外源性毒性物质，治疗肾功能衰竭、尿 毒症等多种疾病 2 1 】；我国山西煤化所研制的p s a c 沥青基球状活性炭，也已临床使 用【4 ，5 】；马育等在血液净化材料活性炭制剂研制的基础上，用血相容性较好的琼脂作 膜材料，以国家类新药凹凸棒原料药为新材，研制出的一种新型血液净化材料交 第9 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第一章前言 联琼脂包嵌凹凸棒( c a a ) 珠四】。 活性炭以其优越的特性在各个领域得到广泛的应用，但由于活性炭属于广谱类 吸附剂，可以吸附很多种物质，在血液灌流的初期采用活性炭作为吸附材料，因对 血小板破坏严重，并影响电解质平衡，使其应用受到了限制【2 3 】。另外，在血液灌流 过程中，早期使用的裸炭( 即未包囊活性炭) 的活性炭副作用较大，可能引起栓塞， 激活血小板及白细胞造成严重的出血倾向，因此多种血液相容性良好的天然高分子 材料作为半透膜被用于活性炭的微囊化，可提高活性炭的含量，而且减少了副作用 【z 4 】。一般制得的活性炭需要进一步加工处理后才能应用，这个问题也就相应地得到 了解决。 1 9 7 0 年c h a n g 2 5 等人经过长期努力研制的白蛋白火棉胶活性炭微囊 ( a c a c ) ，活性炭包膜用于血液灌流，基本解决了在血液灌流中由于颗粒脱落而造 成的血栓塞以及白血球、血小板下降的问题，这也使得血液灌流作为吸附型“人工 肝”、“人工肾”等辅助治疗进入了临床使用阶段1 2 6 1 。o t a 等人 2 7 1 用包膜活性炭对肝 昏迷病人进行血液灌流，证实了血液灌流对抢救肝昏迷患者的有效性。随后，相继 报道了大量包膜活性炭作为血液灌流吸附剂 2 8 - 3 0 。日本学者k a w a n i s h 等【3 1 】将活性 炭微囊化并固定在氨基甲酸乙酯膜( u p c ) 种新的活性炭灌流系统，血液通过血浆分 离器分出血浆，血浆反复再循环通过u p c 系统除去中、大分子物质，然后与血细 胞混合为全血，再通过重碳酸盐血液透析去除小分子物质，维持电解质平衡。由于 u p c 活性炭不与血细胞接触，所以不会激活血小板及白细胞。 第三节微胶囊技术的运用 微胶囊是一种具有聚合物壁壳或其它材料壁壳的微型容器、包装物，英语为 m i c r o 和c a p s u l e 的组合，后者含义为容器，前者表征了容器的大d d 3 2 1 。微胶囊能 够包封和保护其囊芯内的固体微粒或液体微滴，一般将包封物称为囊芯，壁壳称为 囊壁。囊壁通常是具有一定强度的无缝薄膜，也可以是具有半透性的多微孔聚合物 膜【3 3 1 。 微胶囊技术的研究始于2 0 世纪3 0 年代，但取得突破性成果是在4 0 年代末， 美国的dew u r s t e r 利用空气悬浮法成功地制备出药物包衣用微胶囊，至今仍将空 气悬浮法称为w u r s t e r 法【3 4 】。相继，美国n c r 公司的bkg r e e n 利用相分离复合 第l o 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第一章前言 凝聚法成功地制备了含油明胶微胶囊【3 5 1 ，并广泛用于无碳复写纸，在商业上取得了 极大的成功，这个时期，微胶囊制造技术主要以物理机械法为主。5 0 年代末是高分 子科学的大发展阶段，各种聚合机制和聚合技术应运而生，尤其是界面缩聚技术在 尼龙上的成功应用，极大地推动了微胶囊技术和应用的快速发展【3 6 1 。5 0 年代末开 始出现了化学原理法，如界面缩聚、原位聚合和锐孔一凝固浴法，微胶囊的应用领域 已从药物包衣、无碳复写纸扩展到医药、食品、饲料、涂料、油墨、黏合剂、化妆 品、洗涤剂、感光材料及纺织等行业。 微胶囊之所以被广泛地应用于各个领域，是由于对物质的微胶囊化可以实现其 许多目的：提高物质的稳定性；分离不相溶成分；使物质免受环境的影响：包囊香 气、味道、农药、黏合剂、活性酶、活细胞、药剂等；把液体转化为固体；对活性 成分进行控制释放；使药物具有靶向功能：减少有害物质对环境所造成的不利影响 等等 3 7 1 。鉴于微胶囊化技术带来的巨大的优越性，目前越来越多的科学工作者把微 胶囊技术应用于更广泛的领域中，来改善物质传递体系的运行嘲。 活性炭用于医学上的血液灌流材料的研究，早在本世纪初就有报道，但实际能 够得到应用却是在2 0 世纪7 0 年代，对活性炭进行微囊化后才逐渐用于临床的。 微胶囊在医学领域的应用【3 5 】主要是：口服药物、排毒和人造细胞三个方面。而 对于活性炭微胶囊则主要是在排毒方面，目前的应用如下： ( 1 ) 救助急性中毒患者对服毒自杀或误服毒物的患者用此方法对患者的血 液进行吸附比用渗析机更有效。 ( 2 ) 处理含过量铝铁离子的血液人体血液中若铝离子或铁离子过量，会严 重引起中枢神经和骨骼疾病，通过活性炭微胶囊吸附过滤可以有效地除去铝铁离 子。 ( 3 ) 用于肾病治疗若人体肾功能失调，可以采用活性炭微胶囊吸附过滤与 渗析机渗析结合的办法维持病人的血液清洁。 ( 4 ) 用于肝脏治疗 活性炭微胶囊目前可以用于肝脏的排毒。 微胶囊的制备方法主要有化学方法、物理化学法和机械加工法。一般芯材的状 态不同，制备方法也不同。微胶囊化的一般步骤是，芯材在介质中分散；在分散体 系中加入成膜材料；采取某种措施使壁材凝聚、沉积或包覆在已分散的芯材周围； 最后使壁膜固化，并辅助以适当的后处理。本论文中对活性炭样品的微囊化选用的 是天然高分子水溶性化合物明胶和阿拉伯胶作为壁材，采用复合相凝聚和控制p h 第l l 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第一章前言 值联合法，这种方法的特点是简便、效率高、产率高。 微胶囊活性炭是将活性炭表面包一层半透膜，作成微胶囊形态，以避免活性炭 表面微粒脱落产生的副作用。 微胶囊活性炭对中、小分子物质的吸附作用已经得到公认，因而众多的研究者 致力于研制开发具有较高吸附容量和较好血液相容性的优质血液灌流吸附材料，这 对血液灌流器的小型化很有益处。 第四节研究目的及意义 血液灌流的方法不断地得到改进，但实践表明仍然存在这样那样的副作用。血 液灌流的根本出路在于一方面提高吸附剂的性能和血液相容性，另一方面应继续探 索与其它类型的人工肝、肾联合应用，以相互补充疗效和降低副作用，例如与血浆 置换联合，可避免血细胞与吸附剂作用，与生物人工肝联合，可得到肝特异性的生 活活性物质的补充。 本论文旨在研究开发一种新的血液灌流吸附材料高性能活性炭，其特点是 具有较高的b e t 比表面积，发达的孔隙率，通过对其吸附性能的测定，探索其用 于血液灌流方面的可行性；为了避免灌流过程中发生栓塞、脱落等现象，实验选择 了血液相容性良好的天然高分子材料( 明胶和阿拉伯胶) 对活性炭进行包膜，进而 制得了吸附性能优越、血液相容性良好的新的血液灌流吸附剂。在理论上，我们对 对高性能活性炭的吸附平衡和吸附动力学进行了探讨，为临床应用的血液灌流吸附 剂提供依据。 第1 2 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 2 1 1 主要实验仪器 第二章实验部分 第一节主要仪器及试剂 h h s 一8 型电热恒温水浴锅( 上海天平仪器厂生产) s h i m a z u u v 3 6 5 型紫外可见分光光度计( 日本) 10 1 1 型干燥箱( 上海实验仪器总厂生产) 9 5 1 型恒温磁力加热搅拌器( 上海司乐仪器厂生产) n o v a 一10 0 0 气体吸附分析仪( q u a n t a c h r o m ec o r p 美国) p y r i s 一1 - t g a 热分析仪( 美国) 9 0 3n a ，k ，c 1 分析仪( 上海讯达医疗仪器公司生产) 2 1 2 主要实验材料 肌酐( 上海化学试剂公司生产) 胆红素( 上海化学试剂公司生产) v b l 2 ( 上海化学试剂公司生产) 人血清白蛋白( 上海生物制品研究所生产，纯度9 5 ) 阿拉伯树胶粉( 上海化学试剂公司生产) 明胶( 上海化学试剂公司生产) n a o h ( 分析纯) 冰醋酸( 分析纯) 高性能活性炭：实验室自制椰壳炭 商品炭：上海活性炭厂生产 2 1 3 主要的分子结构式 活性炭的吸附与吸附质分子的大小密切相关，下面是实验中用的三种吸附质 第1 3 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】 第二章实验部分 分子的结构式： = = n h 图2 1 1肌酐，分子直径大约为0 5 4 n m 图2 1 - 2 胆红素，为长链状结构 图2 1 ，3v b l 2 分子尺寸约为2 0 9 n m 第1 4 页 c o n h 2 h 2 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 2 2 1 实验步骤 第二节裸炭的吸附性能测试 2 2 1 1 活性炭的预准备 高性能活性炭样品是以椰壳为原料自制而成【3 9 4 0 】，商品炭为上海活性炭厂 生产。样品用纯水浸泡后抽滤、洗净，在1 0 8 0 c 下烘8 1 0 小时，置于干燥器中 待用。 2 2 1 2 溶液的配制 准确称取0 2 0 0 9 肌酐和v b l 2 于2 0 0 m l 烧杯中，加少许水溶解，然后移入 10 0 0 m l 容量瓶中，定容，配制成2 0 0 m g l 的肌酐和v b l 2 水溶液备用。 准确称取o 0 3 9 胆红素于2 0 0 m l 烧杯中，用少许0 1m o l l 的n a o h 溶液 溶解，然后移入10 0 0 m l 容量瓶中，定容，配制成3 0 m g l 的胆红素溶液备用。 取1 0 0 m g 人血清白蛋白加入1 0 0 0 m l 容量瓶中，稀释制至刻度，配成1 0 0 m g l 的人血清白蛋白溶液。 取3 0 m g l 的胆红素溶液5 0 0 m l 加入1 0 0 0 m l 容量瓶中，配成15 m g l 的 游离胆红素溶液，备用；上述3 0 m g l 的胆红素溶液和10 0 m g l 人血清白蛋白 各取5 0 0 m l ，混合成结合态胆红素溶液，备用。 2 2 1 3 静态吸附 1 ) 吸附等温线的测定 在2 5 0 r r d 锥形瓶中加入1 0 0 m l 不同浓度的肌酐和v 3 1 2 水溶液，恒温3 7 0 o 5 。c 后，加入0 0 5 9 已干燥的活性炭进行吸附，并间歇性摇动。待吸附平 衡后，采用s h i m a z u u v - 3 6 5 型紫外可见分光光度计在2 3 8 n m 和3 6 1n m 处分 别测定肌酐和v b l 2 溶液的浓度。 2 ) 吸附速度的测定 称取0 1 0 9 不同的活性炭样品，分别投入盛有2 5 0 m l2 0 m g l 浓度肌酐溶液 和4 0 m g lv b l 2 溶液的2 5 0 m l 锥形瓶中，恒温3 7 0 + 0 5 。c ，间歇性摇动，并计 时取样，采用s h i m a z u u v - 3 6 5 型紫外可见分光光度计在2 3 8 n m 和3 6 1n m 处 分别测定肌酐和v b l 2 溶液的浓度。 第1 5 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】 第二章实验部分 称取0 2 0 9 不同的活性炭样品，分别投入盛有2 5 0 m 1 1 5 m g l 浓度游离态及 结合态的胆红素溶液的2 5 0 m i 锥形瓶中，恒温3 7 0 0 5 0 c ，间歇性摇动，并计 时取样，采用s h i m a z u u v - 3 6 5 型紫外一可见分光光度计在4 4 0 n m 处测定溶液浓 度。 2 2 1 4 动态吸附 取2 0 0 m g l 的肌酐、2 0 0 m g l 的v b l 2 溶液至于5 0 0 m l 烧杯中，恒温至3 7 0 0 5 0 c 。用活性炭样品充填小型的硅化玻质灌流柱。实验装置示意图如图2 2 1 所示。控制溶液流速为2 0 m l m i n 进行循环灌流3 小时，并分别于o 、1 5 、3 0 、 6 0 、1 2 0 及1 8 0 m i n 在流入管及流出管处取样测定溶液的浓度，并计算出相对清 除百分率。 1 一水浴恒温槽；2 一溶液储槽； 3 一泵：缸一灌流柱 图2 - 2 1 动态吸附实验流程示意图 2 2 1 5 比表面积及孔结构参数的测定 使用n o v a 1 0 0 0 气体吸附分析仪，采用容量法以氮为吸附质，在液氮温度 7 7 k 下进行吸附，由测得的n 2 吸附脱附等温线使用b e t 方程计算出比表面积， 用t 曲线法计算出中孔表面积和微孔体积，用b j h 法确定孔径分布情况，将相 对压力大约为0 9 9 时的液氮吸附值换算成液氮体积得到总体积，所得结果列于 表2 2 1 。 2 2 1 6 吸附量的计算 按下式计算活性炭的吸附量： 第1 6 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 g ：华细g g ) ( 1 ) g2 r f m g g | ( 1 ) 式中：m 性炭单位重量的吸附量，单位为毫克克；q 溶液的起始 浓度，单位为毫克升；g 活性炭处理后的剩余浓度，单位为毫克升；晡液的 体积，单位升；膨活性炭的用量，单位为克。 2 2 2 活性炭样品的结构参数 表2 - 2 1 给出了实验所用活性炭样品的比表面积及孔结构特征参数： 表2 - 2 1 不同活性炭样品的孔结构数据 s a ：b e ts u r f a c ea r e a ；s 嘴：m e s o p o r es u r f a c ea r e a ；v m i ：m i c r o p o r ev o l u m e ；s m l ：m i c r o p o r e s u r f a c ea r e a ；v 憎：m e s o p o r ev o l u m e ；：t o t l ep o r ev o l u m e ；d ：d i a m e t er 根据i u p a c ( i n t e r n a t i o n a lu n i o no fp u r ea n da p p l i e dc h e m i s t r y ) 国际理论和 应用化学联合会) 对孔大小的定义： 微孔m i c r o p o r e ，l e s st h a n2n m ( 2 0a ) 中孔m e s o p o r e2 5 0a m ( 2 0 5 0 0a ) ，有时也称为过渡孔 大孔m a c r o p o r e ：l a r g e rt h a n5 0n m ( 5 0 0a ) 普通活性炭的b e t 比表面积一般为1 0 0 0m 2 g 左右，微孔比表面积占了绝大 部分，而中孔比表面积仅为1 0 - 2 0 0r n 2 g ，而本实验所用的不仅比表面积大，最大 可达2 4 5 0m 2 g ，而且中孔比率高，中孔比表面积大( 4 3 5 和1 0 9 1 m 2 g ) 。中孔对 吸附中、大分子是非常有利的。 第1 7 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 2 2 3 静态吸附性能 2 2 3 1 对肌酐的吸附 当人体肾功能低下或衰竭时便会在血液中积蓄远高于正常浓度的肌酐等代谢 废物，肌酐属于小分子物质，分子量( m w = 1 1 2 ) ，其结构式见图2 1 1 ，因此将 它作为血液中小分子物质的一个代表，对它进行吸附研究。 15 0 1 2 0 p9 0 。) e 号6 0 3 0 0 10 8 茜6 e 64 2 0 o5 01 0 015 0 c e m g l 图2 - 2 2 活性炭对肌酐的吸附等温线 z 一1 3 2 k 2 3 z 一1 0 9 010 02 0 03 0 04 0 0 t i m e ( m i n ) 图2 - 2 3 活性炭对肌酐的吸附吸附速度曲线 图2 2 - 2 给出了上述样品在水溶液中对肌酐的吸附等温线，可以看出，对肌酐 第1 8 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 的吸附量( q ) c z 1 0 9 c k 2 3 c z 一1 3 2 ，即随着样品b e t 比表面积的增大，其对 肌酐的吸附量也随之增大，原因是b e t 比表面积越大，其表面活性中心的数目越 多，因而吸附的容量越高。结合表2 - 2 - 1 和图2 2 3 可以看出，这三种活性炭样品 的比表面积关系也满足c z 1 0 9 c k 一2 3 c z 一1 3 2 ，这主要是由于肌酐是小分子物 质，分子直径大约为0 5 4 n m 。一般而言，对于小分子吸附质，由于空间位阻小， 高比表面积有利于提高吸附容量，孔径尺寸对吸附影响不大。文献 4 1 】中指出，对吸 附剂利用率最高的孔直径和吸附质分子直径的比值为1 7 - 3 ，这就决定了小于2 n m 的微孔对肌酐分子的吸附更为有效。 商品炭是由上海活性炭厂生产，与它的吸附行为相比，这几种自制活性炭具 有明显的优势，从图2 2 2 中可以看出，c z 一1 0 9 的吸附量大约是商品炭的4 倍， c k - 2 3 、c z 13 2 的吸附量也明显高于商品炭的吸附量。由山西煤化所研制的沥青 基球状活性炭e 4 , 5 3 a 其机械强度高、微粒脱落少、吸附性能优良及良好的生理相容性， 现阶段已被临床使用，从吸附量方面与其相比，自制活性炭有着比沥青基球状活性 炭更高的吸附容量，说明了自制活性炭更优的吸附性能。 吸附速度也是考察活性炭样品吸附性能的一个重要指标。图2 2 3 是不同活性 炭样品对肌酐的吸附速度曲线，可以看出：这三种样品对肌酐的吸附速度的关系是 c z 1 3 2 c z - 1 0 9 c z - 2 3 ，联系表2 2 1 可以看出，这三种样品的中孔比率也正 好满足c z 1 3 2 c z - 1 0 9 c z 2 3 这样的关系，原因在于肌酐在中孔的扩散 ( d i f f u s i o n ) 比在微孔中的扩散快，因而，中孔比率越高，吸附速度就越快。 2 2 3 2 对v b l 2 的吸附 v b l 2 属于中分子物质，分子量( m w = 1 3 3 5 5 ) ，分子尺寸约为2 0 9 n m ，结构 式见图2 。1 3 。v b l 2 是血液中中分子物质的一个代表成分，对它的吸附研究可以考 察一种吸附剂对血液中中分子物质的吸附能力。 图2 2 4 是活性炭对v b l 2 的吸附等温线，可看出对于v b l z 吸附量( q ) 的关 系是c z - 1 3 2 c z - 1 0 9 c k - 2 3 ，即随着活性炭样品中孔比表面积的增大而吸附量 越大，因为v b l 2 为中分子物质，影响它吸附容量的主要因素为中孔。由于v b l 2 的 分子尺寸约为2 。0 9 n m ，所以要有效地吸附v b l 2 ，活性炭中中孔才是吸附的场所， 即活性炭对于v b l 2 等中分子物质吸附性能的好坏，主要取决于其中中孔孔结构的 发达程度【4 2 1 。表2 2 1 中显示c z 1 3 2 是以中孔为主的活性炭，而c k - 2 3 则是以微 孔为主，因此对v b l 2 的吸附量满足的关系是c z 一13 2 c z 一10 9 c k - 2 3 。对于商 第1 9 页 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 05 01 0 01 5 02 0 0 c e m g l 图2 2 - 4 活性炭对v b l 2 的吸附等温线 c z 10 9 - c z 1 3 2 c k 一2 3 01 0 02 0 03 0 0 t i m e ( m i n ) 图2 - 2 - 5 活性炭对v b t 2 的吸附速度曲线 品炭，对v b l 2 的吸附虽远远低于c z 一1 3 2 和c z 一1 0 9 ，但却稍高于c k ，2 3 ，根据表 2 2 1 ，商品炭的b e t 比表面积不大，但是中孔比表面积是大于c k 2 3 的，因此使 得它的吸附量稍大于c k - 2 3 。 从对v b l 2 的吸附速度曲线图2 2 5 可以看出，这三种样品对v b l 2 吸附速度的 关系是c z - 1 3 2 c z - 1 0 9 c z 一2 3 ，联系前面对肌酐的吸附速度，也恰恰是这一关 系，由此更说明了吸附速度的决定因素在于中孔的比率，而不是微孔。据文献【l o 】 中所述，中孔( 2n m d 5 0n m ) 既是吸附质被吸附的场所，支配着吸附速度，又 第2 0 页 0 0 0 0 o o d 矧 6 4 2 西，6 l u b 0 5 0 5 o 5 0 3 2 2 1 1 a e o 【高性能活性炭作为血液灌流材料的应用研究】第二章实验部分 是吸附质进入活性炭内部的通道。所以，对于中小分子型吸附质，中、大孔比率的 大小对吸附速度的提高起着至关重要的作用。 另外，从文献【4 5 】中可了解到，沥青基球状活性炭在5 0 - 1 0 0 分钟就可以达到 吸附平衡。本文所试的活性炭大约需要1 0 0 分钟以后才能达到平衡，这可能是因为 实验中所试活性炭的颗粒不均匀，在一定程度上影响了吸附速度。另据文献1 0 所述， 血液灌流一般控制在2 - 3 个小时，可见，对于这几种样品应用为血液灌流材料是完 全可行的。 2 2 3 3 对胆红素的吸附 胆红素是一种内源性毒素，它是衰老的血红细胞中血红素的代谢产物，肝病患 者因胆红素代谢受阻，体内胆红素的排泄受到阻碍，而出现高未结合型胆红素血症 4 3 】，高胆红素血症是肝胆系统疾病常见症状，能造成维生素k 吸收障碍导致严重的 出血倾向，这种现象对于等待手术的患者更存在出血的危险】。除去游离态的胆红 素可以有效降低血液中胆红素的含量，缓解患者的病情。胆红素本身的分子不属于 大分子，结构式如图2 - 1 2 ，是一种长的链状结构。但由于胆红素在血浆中与蛋白 质会结合成复杂的结合态胆红素，从而形成大分子物质，所以对胆红素的吸附可以 代表活性炭对大分子物质的吸附性能。