近日，Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）在线发表了资源与环境科学学院邓红兵、陈朝吉教授研究团队在全生物质气凝胶人体综合除铅领域的最新研究成果。
论文题目为“Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body”（《固定高生物安全性酿酒酵母的纳米纤维气凝胶用于人体综合除铅》）。资源与环境学院2021级博士研究生曹诗翊为论文第一作者，邓红兵教授、陈朝吉教授为论文通讯作者。
铅中毒已成为儿童的头号环境杀手，据世界卫生组织（WTO）数据显示，铅中毒可导致每年约60万儿童智力受损。针对急性铅中毒，目前新兴的吸附技术因其响应快速、吸附效率高、操作简单，在人体铅离子快速去除方面展现出巨大的潜力。然而，一些可用于血液除铅的吸附剂由于不适合口服而不能用于胃肠道除铅，而胃肠道吸附剂若用于血液透析除铅时极易引起溶血、免疫排斥反应。因此，开发安全、高效的吸附剂并同时满足胃肠道和血液中综合除铅具有重要临床意义。
该研究发现，负载酿酒酵母（生物质废弃物）的再生纤维素纳米纤维气凝胶，具有多孔的微结构和丰富的官能团，在人体胃肠道和血液中表现出良好的综合除铅性能。湖北拥有世界第二大酵母生产企业，该工作为酵母的高附加值应用提供了新的策略；此外，该生物质气凝胶具有形状可控性、良好的弹性和稳定性，在人体综合除铅中具有广阔的应用前景。
该工作采用的酿酒酵母（SCV）来自发酵工业，如啤酒酿造废弃物，再生纳米纤维来自废木材粉末，生物质原料具备的低成本和大批量特性确保了大量患者低成本、可扩展的生产潜力以及良好的环境可持续性。更重要的是，该纳米纤维气凝胶的制备不引入任何交联剂，从而避免了有毒物质的添加。
图1.负载酿酒酵母（生物质废弃物）的再生纤维素纳米纤维气凝胶及其在人体综合除铅中的应用示意图。
利用纤维冷冻成型技术，在纤维素纳米纤维气凝胶上负载酿酒细胞（SCV-n气凝胶），具有多孔结构的纤维素纳米纤维可为酵母细胞提供更可观的负载位点，并可保护酵母细胞在人体内应用过程中不脱落。此外，在不引入交联剂的情况下，酵母细胞和纤维素上的活性吸附基团(氨基、酰胺、羟基)被保留。
图2.(a) SCV-n气凝胶的制备示意图；(b)纳米纤维和酵母细胞的SEM图；(c-e) SCV-3气凝胶多孔结构的SEM图；(f-i)气凝胶光学照片；(f)醋酸纤维素纳米纤维膜的光学照片；(g)酵母细胞粉末的光学照片；(h)SCV细胞发酵罐的光学照片；(i)不同大小和形状的SCV-n气凝胶的光学照片。
该工作研究了负载SCV气凝胶对水溶液中铅离子的吸附性能：该气凝胶能在100分钟内到达吸附平衡。当酵母细胞质量从0.5%增加到5%时，吸附容量增加了150%到350%。最大吸附容量为103.26mg g−1（SCV-3气凝胶）。这种极高的吸附能力得益于纳米纤维的多孔网络结构和酵母细胞的高负载率。在Cd2+，Zn2+，Ni2+和Mg2+等杂质离子的存在下，SCV-3气凝胶对Pb2+表现出较高的选择性。Pb2+的去除率大约是Cd2+和Ni2+的两倍，而几乎不吸附Zn2+和Mg2+。
进一步对SCV细胞以及SCV-3气凝胶吸附机理进行研究，发现SCV-3气凝胶的吸附机理与SCV细胞类似。结合吸附前后FT-IR图谱分析，1240 cm-1处的峰值(酰胺带C-NⅢ)在吸附结束时消失，表明酰胺基团参与了铅离子的吸附。吸附前后的XPS的C谱、N谱、O谱以及Pb谱图显示Pb2+已成功吸附在气凝胶表面，并形成了C-O-Pb和Pb-NH2络合物。吸附前后EDX图谱显示K+与铅离子发生离子交换，助力了铅离子的吸附。综上所述，SCV-3气凝胶吸附铅的机理包括静电吸引、化学相互作用以及离子交换作用。
采用模拟胃肠液和血清进行体外吸附实验，气凝胶均表现出优异的除铅性能：特别是在0.2 g时，肠道铅离子浓度从879.70 ppb降至248.53 ppb（接近安全水平），血清铅离子浓度由400 ppb降至186.29 ppb（安全水平）。
图3. SCV-n气凝胶在人体环境中的应用。(a-b) Pb2+在胃、肠期的生物可及性及吸附能力结果图；(c)血清静态吸附结果图；(d)血清动态吸附装置示意图；(e-f)血清中Pb2+的生物可及性和去除率结果图。
该工作得到国家自然科学基金、湖北省重点研发项目、湖北省杰出青年基金、武汉大学引进人才启动基金等项目资助。
论文链接：http://doi.10.1002/adfm.202215059
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