本研究主要通过电喷雾技术与相分离技术制备沸石-聚合物杂化微球。首先，将丙烯酸与N-乙烯基吡咯烷酮在聚醚砜溶液中原位交联聚合，以此聚合物溶液作为制备微球的基材，可将数倍质量的LTA型沸石微粒固定在沸石-聚合物杂化微球表面。然后，我们在水相中通过金属浸出和离子交换处理在沸石颗粒中引入介孔。最后，我们通过体外验证了该杂化微球具有在水、生理盐水和人血清中对钾离子进行快速选择性吸附的性能；并具有良好的血液相容性（包括低溶血率、抗凝性能、接触激活抑制性能及抗污性能）。
01
研究内容简介
高钾血症是一种潜在的严重疾病，血清钾水平超过5mmol/L（N.Engl.J.Med.()–）。慢性肾脏病患者的钾电解质紊乱，会导致严重后果甚至死亡（Nephrol.Dial.Transplant.34()iii12–iii18）。血清中过量的钾可以通过肾脏或胃肠道，以及体外血液净化排除（N.Engl.J.Med.()60–72）。血液灌流通过吸附剂快速清除尿*素，而首要的挑战是如何找到满意的选择性结合血清钾摄取剂。
本文中，我们设计了沸石-聚合物杂化微球（示意图1），在聚醚砜(PES)溶液中原位交联聚合丙烯酸(AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)。PES作为支架为微球提供力学支撑，聚丙烯酸(PAA)为微球引入羧基，而聚乙烯吡咯烷酮(PVP)则增强了类肝素聚合物与聚醚砜(PES)的混溶性。将沸石颗粒添加到上述的类肝素聚合物溶液中，通过机械搅拌和超声分散技术，使得悬浮液在静电场力驱动的作用下形成大小均一的液滴，然后经过电喷技术制备出均匀的沸石-聚合物杂化微球。最后，我们利用离子交换和金属浸出处理在该杂化微球中的沸石颗粒引入介孔，以提高微球对钾离子的吸附性能。
图1(A)AA与NVP在PES溶液中原位交联聚合得到类肝素聚合物。(B)电喷雾与相分离制备微球。(C)离子交换和金属浸出处理。
沸石晶体的水分子与类肝素聚合物的羧基存在氢键作用。不含亲水性共聚物的微球PZ4稳定性差，而PHZ4微球的悬浮液稳定性良好（图2A），因此类肝素聚合物作为微球基质与沸石相之间有更好的可混合性；如图2B所示，PHZ4表面的沸石颗粒被聚合物相覆盖，相比PZ4具有更好的一致性和更少的缺陷；在30–°C异步二维红外光谱中，相较于PZ4，PHZ4在波数–cm-1处出现了两对强交叉峰，表明沸石–聚合物两相之间的强相互作用（图2C）。
图2(A)制备PZ4和PHZ4悬浮液的稳定性。(B)PZ4和PHZ4微球表面SEM图像。(C)–cm-1PH、PZ4、PHZ4的同步和异步二维红外光谱三维视图。
微球横截面扫描电镜图像如图3A显示，PHZ4具有薄而且连续的聚合物外壳，内部呈海绵骨状网络结构，分布有大量立方形沸石颗粒。接触KCl溶液后微球的EDX图谱（图3B）显示，硅元素在截面外侧的光斑较少，表明表面的沸石颗粒比内部的沸石颗粒少；硫和硅分布良好，表明沸石在聚合物基体中分布均匀；钾在截面上的分布沿径向无变化。氮气吸附实验由BJH模型得到微球的孔径大小分布（图3D），沸石在水相中脱铝脱硅处理后在10–50nm的大范围内出现介孔。微球的多层结构如图3E所示，其最外层的聚合物外壳允许溶液中离子透过，同时阻止体积更大的蛋白质和细胞进入微球内部。
图3(A)微球断面的SEM图像。(B)KCl溶液处理过后PHZ4-x的EDX图像。(C)PHZ4-x表面的AFM图像。(D)水相处理前后LTA型沸石的BJH孔径分布。(E)微球的多层结构示意图。
静态吸附实验研究了诸多因素对钾离子吸附的影响，即微球的化学组成（图4A）、沸石含量（图4B）、水相处理方案（图4C）与吸附剂用量（图4D）。在同样吸附时间内（2h），水相中脱铝脱硅处理后微球PHZ4-x对生理盐水中的钾离子吸附量为0.62mmol/L，相比处理前的PHZ4提升近30%。
图4(A)不同化学组成的微球对钾离子的吸附及钠离子的波动。(B)不同沸石添加量(吸附剂用量2.5mg/mL)下对钾离子的吸附。(C)不同水相处理方案对钾离子吸附的影响。(D)不同吸附剂PHZ4-x用量对生理盐水组的钾离子吸收量与清除率。
为研究对血清钾的吸附效果，从人全血中分离得到血清，分为正常组和高钾血症组。静态吸附实验测定微球PHZ4-x处理后不同接触时间的血清钾、钠水平(图5A)，血清钾含量随接触时间的延长而下降，高钾血症组血钾下降更为明显，但均不明显低于正常范围下限；血清钠始终在正常范围内，无明显浓度波动。微球PHZ4-x在不同化学组成的微球中具有最高的血清钾吸附量，且血清阳离子浓度的绝对变化表明微球导致的血清钾、钠的波动较钙、镁的波动显著(图5B)。吸附柱实验中40mL血清在37℃下以15mL/min的流速通过2mL微球PHZ4-x的吸附柱(图5D)，血清钾随滤过周期增加而下降，直到略低于正常范围，而血清钾保持正常水平(图5C)。
图5(A)PHZ4-x处理，不同采样时间的血清钾、钠水平。(B)不同化学组成的微珠处理，高钾血症组各血清阳离子浓度的绝对变化。(C)PHZ4-x处理，吸附柱实验不同滤过周期后的血清钾、钠水平。浅绿色或紫色的背景分别代表血清钠、钾的正常范围。(D)PHZ4-x吸附柱照片。(E)游离的钾离子与含水的Na-LTA晶体，以及脱水的Na-LTA的{}面。
得益于微球内含有类肝素聚合物与亲水性的沸石颗粒，微球具有良好的血液相容性。蛋白静态吸附实验显示，相比其他化学组成的微球，微球PHZ4-x具有更好的抗蛋白粘附能力（图6A），并且水相金属浸出处理能进一步提高该性能（图6B）。血常规测试显示，经微球PHZ4-x孵化的血液与正常血液之间血细胞计数无明细差异（图6C）。同时，微球PHZ4-x组血液中补体激活产物C3a和C5a浓度相较于正常血液无显著升高，表明微球PHZ4-x不会触发补体激活；微球PHZ4-x的TAT和PF4浓度分别下降35%和50%，表明凝血酶生成和血小板激活受到抑制（图6D）。凝血时间测试显示，微球PHZ4-x可使部分活化的凝血酶原时间（APTT）显著延长(63.9s)。微球PHZ4-x具有较好的抗血小板粘附能力，表面黏附的血小板数量少，形态完整，且无变形和伪足。微球PHZ4-x的溶血率(0.5%)远低于允许水平(5%)，粘附在表面的红细胞呈典型的双凹盘状。
图6(A)微球蛋白质吸附行为、(B)水相处理方案对微球蛋白质吸附的影响。(C)微球或沸石粉末孵育后白细胞、红细胞和血小板计数。(D)微球孵育后补体激活、接触激活和血小板激活水平。
02
论文第一/通讯作者简介
第一作者：王周君，四川大学生物医学工程在读硕士，主要研究方向为生物材料。
通讯作者：赵伟锋，博士，四川大学高分子学院副研究员、博士生导师。主要从事血液接触材料安全性、有效性和功能性的研究。以第一/通讯作者在Nat.Biomed.Eng.、Chem.Mater.等高水平期刊发表SCI论文64篇。申请包括发明专利15项，授权6项。获准III类医疗器械产品注册证1个，实现产业化。
03
资助信息
该研究得到了国家重点研发计划(YFC)、国家自然科学基金面上项目(,)以及四川省科技厅项目(YJ)的支持。
04
原文信息
ZhoujunWang,WeiSun,ZhiweiWei,JianxuBao,XinSong,YupeiLi,HaifengJi,JueZhang,ChaoHe,BaihaiSu,WeifengZhao*,ChangshengZhao,
Selectivepotassiumuptakeviabio