武汉大学陈朝吉/邓红兵《AFM》：酵母-纤维素纳米纤维气凝胶，铅中毒新疗法！

由于环境污染日益严重，铅离子也随着食物链在人体中富集，铅中毒也成为了人们日益关注的问题。据统计，每年全世界约有由铅中毒导致的智障儿童，是儿童的首要环境杀手。已应用各种物理和化学方法去除铅来开发无铅环境，在这些方法中，吸附法是去除铅的首选方案。但是对于患有铅中毒危象且急需体内除铅的患者，这些高效吸附剂不可避免地会引起溶血、免疫排斥反应和继发性中毒。因此，需要研究一些具有生物安全特性的新型吸附剂。

在临床上，通过高蛋白饮食结合胃肠灌洗的方式是主流肠除铅的方案。食品中的蛋白质和多糖快速吸附铅离子，防止消化系统吸收铅离子，胃肠灌洗去除蛋白质/多糖-铅离子复合物，实现体内铅去除。这些治疗可以在一定程度上防止铅离子进入血液，但存在两个问题。一是胃肠灌洗会给患者带来剧烈的疼痛，二是这些方法不能应用于血液。如果血液中的铅浓度超过安全浓度，神经和消化系统将面临不可逆转的损害。因此，迫切需要开发安全无毒的吸附剂，以实现满足胃肠道和血液铅去除的综合策略。

近期，武汉大学陈朝吉团队联合邓红兵团队利用酿酒酵母细胞（SCV）和纤维素等生物质废物设计了一种负载有酿酒酵母细胞纳米纤维气凝胶（SCV-n），用于人体中肠道和血液的铅去除。由于纤维素纳米纤维支架的多孔结构，可以防止酿酒酵母细胞的脱落，并确保酿酒酵母细胞的大量吸附位点。

同时，酿酒酵母细胞上丰富的官能团表现出优异的吸附能力。该材料在水中的铅离子的饱和吸附能力高达107 mg g−1。在肠道环境中，经过材料吸附后Pb2+浓度从 879.70 μgL−1降低到 248.53 μg L−1，在血液环境中可以使Pb2+浓度从 400μgL−1至186.29μgL−1（在安全水平内）。该工作以题为“Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body”的文章发表于Advanced Functional Materials上

SCV-n气凝胶的制备及吸附性能

SCV-n气凝胶是以SCV细胞，再生纤维素纳米纤维和β-几丁质为原料制备。再生纤维素纳米纤维首先通过水解工艺和静电纺丝制备。然后将平均直径为2.61±0.35μm的SCV细胞引入RC纳米纤维分散溶液中，再以β几丁质可以作为连接纤维和细胞的胶水。经过搅拌成均匀的混合物后，将分散液用冰箱冷冻，冷冻干燥，从而形成SCV-n气凝胶。

文章研究了SCV-n气凝胶对Pb2+的吸附性能。气凝胶的在100分钟内到达吸附平衡。当SCV比例从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多孔纳米纤维网络的结构和SCV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+。

SCV-n气凝胶除铅机理和生物应用评估

SCV-n气凝胶的吸附性能表明，引入SCV细胞可以大大提高吸附性能。该文研究了了SCV细胞对Pb2+的吸附机理。Zeta电位值表明SCV电池具有负表面电荷，正重金属可以通过静电相互作用吸引。BET结果表明，吸附过程对SCV电池的表面积没有明显变化。

XPS光谱数据表明，吸附后C1s峰的位置没有变化，但C-O的比例面积减小了7.05%，表明C-O络合物的形成。N1s在399.90 cm−1和401.44cm−1处的位置没有被移除，但峰值401.44 eV时的面积比下降。值得注意的是，吸附溶液的pH值为5.3，这意味着质子化氨基的数量减少。

然而，质子化氨基的峰面积比仅略有下降，这可以解释为在401.44 eV附近形成了一些金属-NH2配合物，阻止了峰面积的减少。综上所述，SCV细胞对Pb2+的吸附机制包括静电相互作用、Pb2+与K+之间的离子变化以及化学相互作用包括C-O-Pb、（COO）2 Pb和Pb-NH2。可以推断，在SCV细胞与Pb2+之间的化学相互作用中，氨基（来自蛋白质）、羧基（来自糖醛酸）和C-O（来自β葡聚糖和甘露聚糖）是控制这一过程的活性基团。

文章还研究了SCV-3气凝胶运用于生物体内的模拟实验。如果不添加SCV-3气凝胶，胃对铅的生物吸收率为100%。铅浓度随着SCV-3气凝胶重量的增加而降低，当加入量为0.5 g时，Pb的生物吸收率降低了约8%。虽然SCV-3气凝胶对胃期的铅去除影响不大，但它们能显著降低肠内的铅浓度。

仅仅0.2g SCV-3气凝胶就可以使得肠内铅离子浓度从879.70μgL−1显著降低到248.53μgL−1。外，还设计了用于血液净化的铅去除装置。测试了SCV-3气凝胶对血清中铅离子的动态吸附能力。当血清中铅浓度约为700μgL−1时，铅的去除率可以达到63.84%。最终浓度为272.67μgL−1（接近安全水平）。

小结：本文报道了一种基于纯天然微生物的吸附剂用于急性铅中毒的治疗。由于SCV细胞上具有丰富的官能团和多孔纳米纤维网络的结构，实现在胃肠道和血液中去除铅。气凝胶的除铅离子的机理包括离子的变化、静电吸引和金属配合物的形成。Pb2+的动态血清吸附试验证实， 6个吸附循环可将高铅中毒(700μgL−1)降低至接近安全水平(272.67μgL−1)，2个吸附循环可将中铅中毒(400μgL−1)降低至安全水平(186.29μgL−1)。该气凝胶具有生物安全性高、环境友好、性能优良的综合优势，具有广阔的应用前景。

封面来源：图虫创意