《International Journal of Biological Macromolecules》：Dual-crosslinked cellulose microspheres with high strength and hydrophobicity for hemoperfusion
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双交联纤维素微球通过短链BDDE和长链PEGDGE-1000协同增强机械性能，疏水改性（十八烷基氯）实现选择性胆红素吸附，CL-G10%微球吸附效率最高且保持球形结构，吸附动力学符合伪二级模型，等温吸附显示单层或多层吸附机制。
作者：年鑫、唐伟、吴丽珠、卢瑶、李凯、于顺川、杨家豪、史长荣、徐娟
昆明理工大学化学工程学院，中国昆明 650500
摘要
体外血液净化需要具有高机械强度、选择性吸附能力和在高流量条件下稳定性的吸附剂。在本研究中，使用短链1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）和长链聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE-1000）制备了双交联纤维素微球，并可选地加入甘油，形成了一个坚固的互穿网络。机械测试表明，这种复合交联策略显著提高了微球的断裂力、硬度和变形能力，超过了商业化的纤维素微球。通过硬脂酰氯接枝进行疏水改性后，引入了C18烷基链，从而实现了对胆红素的选择性吸附。动态灌流实验表明，经过10%改性的微球（CL-G10%）具有最高的胆红素去除效率，同时保持了球形完整性，并最小化了牛血清白蛋白的干扰。动力学分析表明，吸附过程遵循伪二级模型；而等温研究表明，未改性的微球表现为多层吸附，疏水改性的微球则表现为单层吸附。这项工作提出了一种可扩展的方法，用于制备具有可调机械性能和表面化学性质的纤维素微球，展示了它们作为高效血液净化材料的潜力。
引言
体外血液净化是一种重要的临床方法，用于清除循环系统中的有毒代谢物和不需要的溶质[1]。通常，这一过程依赖于两种主要技术：基于膜的分离和吸附剂系统。膜过滤主要通过尺寸排除作用去除溶质，因此通常被认为是一种非特异性净化方法[2]。相比之下，基于吸附剂的系统使用多孔材料（如颗粒、珠子或纤维），这些材料具有较大的表面积与体积比，并可以通过亲和配体进行功能化以实现靶向吸附[3],[4],[5]。这些材料通常被组装成能够进行高通量血浆或血液循环的卡匣，从而以更高的效率选择性地去除特定毒素。根据其工作原理，吸附装置通常分为血浆过滤和血液灌流两种类型。其中，血液灌流由于能够直接捕获全血中的有害分子而变得越来越重要。理想的血液灌流吸附剂应具有出色的机械强度以承受高剪切应力，具有较大的可接触表面积以实现有效吸附，具有适合选择性结合的表面化学性质，以及适当的粒径（通常为400–600 μm）以允许血细胞无障碍通过，并且具有最小的非特异性吸附。
在过去十年中，已经探索了多种材料（包括合成聚合物和天然来源的生物聚合物）用于制造血液吸附介质[6],[7],[8],[9]。人们越来越关注那些具有生物相容性和可再生性的材料，因为它们可以最小化不良的生物相互作用。其中，纤维素作为一种最丰富的天然多糖，具有优异的亲水性和化学稳定性，以及最小的非特异性蛋白质吸附能力，使其成为血液灌流应用的理想候选材料[10]。因此，纤维素微球（CMs）因其高表面积和良好的血液相容性而受到关注[11]。目前的CMs制备方法包括液滴形成、微流控模板法和乳化技术。尽管基于液滴和微流控的方法可以精确控制颗粒形态，但它们难以大规模工业化生产[13]。基于乳化的技术可以实现大规模合成，但仍存在主要限制：难以实现超过500 μm的颗粒尺寸；这些方法通常需要过量的表面活性剂来稳定油相中的纤维素液滴；并且所得到的再生微球作为弱交联的水凝胶，在高流量条件下的机械韧性较差。在纤维素微球的水合状态下，纤维素骨架结构主要由氢键固定，这被称为“软基质”，尽管它具有一定的机械强度，但与其他聚合物微球相比仍然相对较软。此外，一旦灌流速度波动，在高流速下会发生变形，导致血液流动受阻和溶血现象，因此需要进一步改善微球的机械性能，以便在超过200 mL/min的高流速下保持血液流动的稳定性。此外，表面修饰或接枝选择性配体对于赋予纤维素微球特定的吸附能力至关重要[14]。
解决这些挑战并开发出实用且可扩展的血液灌流用纤维素微球矩阵是必要的。化学交联可以有效增强纤维素微球骨架的刚性[15],[16],[17],[18]。通过将具有特定链长的交联剂分子引入微球结构，这些分子可以与微球骨架上的活性基团反应，将氢键框架转化为共价键框架[19]。这种转变显著提高了微球的结构刚性，满足了血液灌流中使用的吸附剂的机械强度要求。在本研究中，采用了一种双交联网络策略，其中纤维素分子链使用两种不同链长的化学交联剂进行交联：短链交联剂1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）[20]和长链交联剂聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE-1000，以下简称PEGDGE-1000）[21],[22]。这种方法允许调节微球网络内的交联密度，从而增强纤维素微球的机械性能并制备出高强度材料。需要注意的是，本研究中使用的双交联方法与Jian-Ping Gong提出的经典双网络水凝胶概念[23]根本不同，在经典概念中，第一和第二聚合物网络之间有明确的单体比例，这是实现协同机械增强的关键。
此外，选择胆红素作为吸附实验的模型溶质。纤维素微球通过硬脂酰氯进行疏水改性，使得改性微球与胆红素之间通过疏水作用发生特异性相互作用[22]。进行了模拟血液灌流实验，以评估不同程度的表面改性对胆红素吸附能力的影响。这些结果为设计和制备具有高机械强度和刚性骨架的纤维素微球提供了理论基础，这些微球可以用于高效血液净化应用[24]。
材料
棉绒浆（纤维素）来自湖北化学纤维集团有限公司。1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDDE）、牛血清白蛋白（BSA）、醚液状石蜡和聚甘油聚蓖麻油酸酯（PGPR）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。环氧氯丙烷和聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE-1000，mw=1000）购自上海麦克莱恩生化科技有限公司。L929细胞购自Procell生命科技有限公司。
纤维素微球机械性能的调控
首先，应优化双环氧交联剂的交联过程，包括反应时间、催化剂体积和反应温度。通过单轴压缩测试确定单个微球的断裂力、断裂位移和硬度，从而获得最佳的交联实验条件。如表1和图2所示，将反应温度从50°C提高到60°C后，平均硬度从1.21 MPa提高到了
结论
本研究提出了一种综合方法，用于制备具有高机械强度和选择性胆红素吸附能力的纤维素微球，适用于血液灌流应用。采用双交联策略，结合短链BDDE形成密集的一级网络以增强结构刚性，以及长链PEGDGE-1000形成柔性的二级网络以分散应力，从而提高韧性和延展性。作为三羟基交联剂的甘油进一步
作者贡献声明
年鑫：研究工作。
唐伟：方法学研究。
吴丽珠：撰写——初稿。
卢瑶：软件开发。
李凯：监督、资金获取。
于顺川：资源支持。
杨家豪：撰写——审稿与编辑。
史长荣：资源支持。
徐娟：监督。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52263012和52563011）的支持，以及云南省“兴滇人才”计划（项目编号：KKRD202205060，2022年）和云南省教育厅可降解塑料工程研究中心（项目编号：KKPU202205001）的资助。
