南京大學附屬鼓樓醫(yī)院趙遠錦教授/溫州醫(yī)科大學肖健教授：對自然界來源豐富、獲取容易的天然花粉粒進行改性，制備具有空心結構和大孔表面的磁驅動無機微粒材料，用于油水分離和血脂吸附。該工藝得到的吸附劑表現(xiàn)出兩親性特質，且表面孔隙率較高、生物相容性顯著，具備對血液中低密度脂蛋白的出色吸附能力，為環(huán)境油污處理和高脂血癥的治療提供了新的解決策略。

01、研究內容簡介

對全世界而言，心血管疾病 (CVD) 仍是引起死亡和發(fā)病的主要原因，血脂異常是CVD發(fā)生發(fā)展過程中最重要的致病性危險因素之一。其中，血液中低密度脂蛋白（LDL）水平的升高是疾病的關鍵征兆。目前，除飲食和藥物治療外，基于物理吸附的LDL血漿置換術已成為最快速有效降低LDL水平的手段。至今已開發(fā)出多種油水分離材料，能夠從復雜的水油混合物（不混溶的共混物或乳液）中吸附油污、有機溶劑和過剩脂質。其中，合成多孔材料，例如氣凝膠（例如石墨烯海綿和碳納米管海綿）表現(xiàn)出了對油污脂質出色的吸附力，但有毒的前體和中間產(chǎn)物、昂貴的原材料和繁瑣的制備步驟極大地阻礙了其大規(guī)模生產(chǎn)和實際應用。為克服這些限制，多種天然吸附劑（如膨脹珍珠巖，沸石和多孔生物質）不斷被開發(fā)利用。然而，這些材料仍然面臨油水選擇性低，吸附能力不足和可回收性差的難題，同時材料的散裝使用妨礙了其運動行為和吸附過程。這些缺點以及較差的生物相容性，使得當前的吸附劑材料在生物醫(yī)學應用場景中無法大展身手。因此，迫切需要開發(fā)一種獲取容易且低成本的多孔吸附材料，以有效地分離血脂。

Fig. 1. Schemes of the process of a simulative low-density lipoprotein (LDL) -apheresis apparatus with calcined pollen grains (CPGs) used as the adsorbents.

本研究采用自然界中廣泛分布的天然生物質，葵花花粉作為基材（Fig. 1），經(jīng)過簡單的煅燒預處理過程后，賦予其表面大孔和內部空心的特殊結構。所得無機大孔顆粒用磁性納米粒子修飾后，容易在磁場作用下實現(xiàn)運動與分離，因此便于進一步重復使用（Fig. 2）。

Fig. 2. (a-c) SEM images of (a) the CPGs exhibiting their highly porous morphologies at the surface, (b) a central hollow cavity inside, and (c) the CPGs adsorbed with Fe3O4 nanoparticles. (d) EDS of the CPGs and their atomic concentrations. (e) Mercury injection curve and the corresponding pore size distribution curve of the CPGs, showing a well-defined characteristic pore size of 0.5-3 μm. (f) The EDS curves showing variations on Fe counts in the CPGs after adsorbing Fe3O4 nanoparticles. The insets showed strong magnetic responsiveness of the CPGs with Fe3O4 nanoparticles deposited. The pollen grains were dispersed in the solution and then collected to one side of a vial by a magnet. Scale bars are 1.5 μm in (a-c) and 4 cm in (f).

值得一提的是，上述所得的煅燒花粉粒（CPG）是兩親性的（Fig. 3），可以直接用于吸收血液中多余的脂質。為了使CPG具有更全面實用的浸潤性，用十八烷基三氯硅烷（OTS）在CPG表面接枝疏水基團，得到疏水性得到極大增強的花粉粒（HPG）。

Fig. 3. Water and oil contact angle measurements of the CPGs and HPGs. (a) The CPGs have a hydrophilic surface and can be wetted by water droplets. (b) The image showing the water droplet immediately penetrated the CPGs layer. (c-f) Photographs of the magnetic CPGs absorbed with Fe3O4 nanoparticles and their state of being wetted by (c) deionized water, and (e) diiodomethane. The corresponding (d) WCA value was 10.76°, and the (f) OCA value was 19.75°. (g, h) After treatment with OTS, the resultant HPGs become hydrophobic with an WCA value of 147.07°. (i-l) Pictures showing the CPGs’ amphipathic performance. (i, j) The upper layer was red-dyed n-hexadecane and the lower layer was deionized water. (k, l) The upper layer was deionized water and the lower layer was a red-dyed chloroform. The arrows indicated the location of the CPGs. The scale bars are 1 cm in (a, c, e, and g).

進一步驗證HPG的吸油效果，將其投放至表面漂浮有紅色正十六烷溶液的水面上。可觀察到有機溶劑聚集在HPG顆粒周圍并逐漸被吸收至顏色消失，過程持續(xù)約30秒（Fig. 4）。由于磁性納米粒子的存在，可利用外部磁鐵對HPG的位置和運動實施控制，達到收集回收的目的。同樣，HPG對多種油和有機溶劑有較好的吸附能力，因此可用于處理含油廢水，去除機械殘留，清潔廚房油脂等。另外，該顆粒具有出色的穩(wěn)定性和持久的使用壽命，在避免二次污染的同時能夠大量節(jié)約成本。

Fig. 4. (a-f) Photographs illustrating the adsorption stages of n-Hexadecane (red-dyed by Sudan Ⅲ) floating on the water surface by using HPGs. The adsorbed n-Hexadecane-HPGs complexes could be controllably dragged to one side with an external magnet. (g) Absorption capacities of HPGs for typical oils and organic solvents, including diesel, blend oil, peanut oil, and hexadecane, acetone, dichloromethane, respectively.

低密度脂蛋白LDL是人類血漿膽固醇的主要載體，并且是動脈粥樣硬化發(fā)展的關鍵因素之一。LDL血漿置換術已被證實可有效治療家族性高脂血癥患者以及飲食或藥物治療無效人群。將CPG顆粒作為吸附劑裝載到模擬吸附柱和血液灌流芯片中，直接用于去除血漿中的LDL，表現(xiàn)出較高的吸附量（Fig. 5）。抗凝和血小板粘附實驗驗證了CPG的良好生物相容性，因此這種新型基于天然花粉的磁性多孔顆粒有望用于血漿置換術以實現(xiàn)血脂吸附以及其他相關的生物醫(yī)學應用中。

Fig. 5. CPGs for the LDL adsorption in plasma. (a) The time-dependent static adsorption curve illustrating the adsorption capacity of CPGs for TG, TC, LDL, and HDL in hyperlipidemia plasma. (b) The dynamic adsorption test conducted in a hemoperfusion chip. The arrows indicated the inlet, outlet of the chip, and the direction of liquid flow. (c) The simulative hemoperfusion column for LDL adsorption. (d) The dynamic adsorption graph for LDL, HDL, TG, and TC removal by CPGs in five cycles. Scale bars are 1 cm in (b), and 2 cm in (c).

02、論文第一/通訊作者簡介

趙遠錦

南京大學/鼓樓醫(yī)院教授，博士生導師，科技部重點專項首席科學家，國家“萬人計劃”科技領軍人才，國家優(yōu)青，江蘇省杰青，英國皇家化學會(RSC) Fellow。現(xiàn)在的主要研究方向有生物材料與組織工程、人造器官與仿生器官芯片、微流控等。已發(fā)表SCI論文247篇，其中96篇發(fā)表于IF大于10的國際權威期刊，論文IF之和大于2500，被引用9200余次（H因子為49）；第一作者/通訊作者論文包括7篇Nature / Science子刊、5篇PNAS、以及19篇IF大于20的論文等；研究成果共申請專利118項，獲授權50項，轉讓2項。先后獲得“中國化學會青年化學獎”、“中國新銳科技人物”、以及“中國化學會-杰出青年科學家”等獎項。

肖健

溫州醫(yī)科大學藥學院教授，博導，國家優(yōu)青。主要從事生長因子與組織修復的基礎理論和臨床應用研究。近年先后承擔并順利完成國家自然科學基金(主持4項)、國家“973”計劃子課題、國家新藥創(chuàng)制重大專項等項目。以第一和通訊作者在Biomaterials、J Control Release、ACS Appl Mater Interfaces, J Neurotrauma等發(fā)表相關SCI論文85篇，被Neuron等雜志論文他引1700余次。參與獲得2015年國家科技進步一等獎，2018年國家科技進步二等獎。

03、資助信息

該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2020YFA0908200），國家自然科學基金（52073060，22002018，81800567，61927805），江蘇省自然科學基金（BE2018707），復旦大學啟動經(jīng)費（JIH1340032，JIH1340038）和附屬中山徐匯醫(yī)院啟動經(jīng)費（KJK04202000021）的支持。

04、原文信息

Yuetong Wang, Lingyu Sun, Jiahui Guo, Keqing Shi, Luoran Shang*, Jian Xiao*, Yuanjin Zhao*. 

Pollens derived magnetic porous particles for adsorption of low-density lipoprotein from plasma. 

Bioactive Materials 2021, 6, 6, 1555-1562.