纤维素源球形活性炭的可持续纳米构筑及其在药物应用中高效去除尿毒症毒素的研究

本研究针对慢性肾病(CKD)治疗中商用石油基球形活性炭AST-120 (Kremezin?)所需剂量高、患者依从性差的问题，开发了以可再生微晶纤维素为前驱体、通过直接碳化和蒸汽活化制备的球形活性炭(SACs)。所得材料SAC100的BET比表面积达2,334 m2 g?1，对尿毒症毒素吲哚的吸附容量高达762.2 mg g?1，优于Kremezin? (637.1 mg g?1)，并展现出对α-淀粉酶(81.3%残留)和DL-β-氨基异丁酸(91.7%残留)的高选择性，选择性指数(SI)最高达95.28。该研究为开发高性能、生物相容性好的口服吸附剂疗法提供了可持续的替代方案，有望改善患者依从性。

　　

在慢性肾病（CKD）的治疗领域，患者体内累积的尿毒症毒素，如吲哚和硫酸吲哚酯，是导致尿毒症和心血管疾病等严重并发症的关键因素。传统的血液透析疗法对于清除与蛋白质结合的毒素效果有限，因此，口服吸附剂疗法，特别是使用活性炭在肠道内直接吸附毒素，成为一种重要的辅助治疗手段。目前临床上广泛使用的AST-120（商品名Kremezin?）是一种源自石油沥青的球形活性炭，虽然能选择性吸附毒素，但其每日需要服用高达6克（每次2克，每日三次）的剂量，给患者带来了不小的负担，影响了治疗的依从性。此外，石油基原料的可持续性问题也日益受到关注。因此，开发一种高效、低剂量、生物相容性好且来源可持续的新型吸附材料，成为当前研究的重要方向。

为了应对这一挑战，来自首尔国立大学药学院的研究团队在《Materials Reports: Energy》上发表了一项创新性研究。他们着眼于自然界中储量丰富、可再生的纤维素，尝试将其转化为高性能的医用活性炭。研究人员巧妙地选择了市售的、本身已是球形的微晶纤维素（MCC） pellets（Cellets? 100 和 500）作为前驱体，旨在简化工艺并直接获得球形结构的碳材料。他们的核心研究思路是通过精确调控碳化和活化条件，在保留微晶纤维素原有球形形态的同时，在其内部构筑出发达的孔道结构，从而创造出具有高比表面积和优异吸附性能的球形活性炭（SACs），以期在降低临床用药剂量的前提下，实现对尿毒症毒素的高效、选择性清除。

本研究主要采用了几个关键技术方法：首先，以商业微晶纤维素球（Cellets? 100和500）为前驱体，不经过预处理，直接在氩气气氛下进行碳化（其中Cellet?100在500°C，Cellet?500在900°C），以保持球形形态。接着，在900°C下进行蒸汽活化，通过精确控制水蒸气注入速率和压力等参数来优化孔结构。然后，利用扫描电子显微镜（SEM）观察材料的形貌，通过氮气吸附-脱附等温线结合NLDFT（非局部密度泛函理论）模型分析材料的比表面积（BET法）、孔体积和孔径分布。最后，通过批次吸附实验，在模拟生理条件（pH 7.4的磷酸盐缓冲液）下，系统评估了材料对目标毒素吲哚、以及作为对照的生物大分子α-淀粉酶和小分子亲水化合物DL-β-氨基异丁酸的吸附容量和选择性，并与商用Kremezin?进行对比。

3.1. SACs的形态学特性

研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，无论是以较小粒径（约100 μm）的Cellet?100为前驱体制备的SAC100，还是以较大粒径（约500 μm）的Cellet?500为前驱体制备的SAC500，在经过碳化和活化处理后，都成功地保持了其原始的球形形态。尽管SAC500由于前驱体尺寸更大，在热处理过程中表现出更明显的尺寸收缩，但其球形完整性和表面完整性依然良好。与商业产品Kremezin?光滑的表面相比，SACs的表面更为粗糙，这与其更高的比表面积相关。形态学分析证实，微晶纤维素是一种适合制备形态均匀、机械稳定性好的球形活性炭的理想前驱体。

3.2. SACs的表面性质

元素分析结果显示，经过活化后，SAC100和SAC500的碳纯度显著提高，分别达到96.3%和94.9%，同时氧和氢的含量大幅降低。与Kremezin?（碳含量92.9%，氧含量6.53%）相比，SACs，特别是SAC100，具有更高的碳纯度和更低的氧含量，表明其表面更疏水，这有利于与疏水性的吲哚分子发生π-π相互作用。Kremezin?中检测到的微量氮（0.41%）可能源于其生产过程中的特定处理，而SACs中不含氮，体现了纤维素原料的纯净性。

3.3. SACs的化学和结构性质

拉曼光谱分析显示，所有样品都表现出碳材料的典型D带（约1350 cm^-1，代表缺陷/无序结构）和G带（约1580 cm^-1，代表石墨化结构）。SAC100的I_D/I_G比值最高，表明其具有最高程度的碳结构无序性和缺陷密度，这通常有利于吸附过程。XPS分析进一步证实了SAC100具有最低的O/C比，说明其表面含氧官能团较少，疏水性更强。氮气吸附测试结果表明，SAC100具有最高的BET比表面积（2,334 m² g^?1）和总孔体积（1.294 cm³ g^?1），显著高于SAC500（2,154 m² g^?1， 1.194 cm³ g^?1）和Kremezin?（1,671 m² g^?1， 0.896 cm³ g^?1）。更重要的是，SAC100具有分级多孔结构，其介孔（2-50 nm）体积（0.280 cm³ g^?1）和微孔（<2 nm）体积（1.014 cm³ g^?1）均优于对比样品。这种微孔-介孔协同的孔结构有利于吲哚分子的快速扩散和高效吸附。

3.4. SACs的吸附特性与分子选择性

吸附性能测试是本研究的核心。结果表明，SAC100对吲哚的吸附容量在30分钟内即达到759.7 mg g^?1，3小时后达到763.1 mg g^?1，初始吸附速率高达99.6%，均显著优于Kremezin?（589.0 mg g^?1 和 632.3 mg g^?1， 初始速率93.2%）和SAC500。更令人印象深刻的是其选择性：SAC100对α-淀粉酶的残留量高达81.3%（即吸附率低），对DL-β-氨基异丁酸的残留量高达91.7%，表明其对这两种非目标分子的吸附非常有限，而Kremezin?对应的残留量分别为73.0%和80.7%。为了量化这种选择性，研究人员定义了一个选择性指数（SI），即吲哚吸附容量与非目标分子吸附率（100%减去残留百分比）的比值。SAC100对吲哚/α-淀粉酶和吲哚/DL-β-氨基异丁酸的选择性指数分别达到45.8和95.6，远高于Kremezin?（23.9和32.8）和SAC500。动力学拟合表明，SAC100的吸附过程更符合伪二级动力学模型，暗示其吸附可能涉及化学吸附机制。与文献中报道的其他类型活性炭相比，SAC100在较低投加量下实现的吲哚吸附容量具有明显优势。

3.5. 吲哚吸附机制

综合以上结果，研究人员提出了SACs高效选择性吸附吲哚的机制。首先，SAC100超高的比表面积和分级多孔结构提供了大量的吸附位点，其中介孔作为快速传输通道，便于吲哚分子扩散至内部的微孔吸附位点。其次，SAC100极低的表面氧含量使其表面呈现高度疏水性，这非常有利于通过π-π堆叠作用吸附同样具有疏水芳香环结构的吲哚分子。而对于体积庞大的α-淀粉酶，其难以进入SACs的主要孔道，从而避免了非特异性吸附；对于亲水性的DL-β-氨基异丁酸，其与疏水碳表面的相互作用较弱。此外，均匀的球形形态确保了材料具有良好的流动性和一致的界面接触，有利于在制药工艺中的应用。

综上所述，这项研究成功开发了一种以可持续的微晶纤维素为前驱体、通过优化碳化和蒸汽活化工艺制备的高性能球形活性炭（SACs）。所制备的SAC100材料不仅保留了良好的球形形貌，更具备了超高的比表面积（2,334 m² g^?1）和理想的分级孔道结构。其在模拟生理条件下展现出对典型尿毒症毒素吲哚卓越的吸附容量（762.2 mg g^?1）和快速的吸附动力学，同时显著降低了对消化酶α-淀粉酶和必需氨基酸DL-β-氨基异丁酸的非特异性吸附，表现出极高的分子选择性。与目前临床使用的石油基产品Kremezin?相比，SAC100在吸附性能和生物相容性方面均显示出明显优势。

这项研究的重要意义在于，它为解决慢性肾病治疗中口服吸附剂面临的高剂量、患者依从性差以及原料可持续性等问题，提供了一条极具前景的新路径。这种基于纤维素的可再生、生物相容性好的球形活性炭，有望成为下一代口服吸附疗法的核心材料，通过降低有效剂量来改善患者生活质量，并符合绿色化学和可持续发展的理念。该工作将材料制备、结构表征与生物医学应用性能评估紧密结合，为设计用于医药领域的高选择性吸附材料提供了重要的理论依据和实践范例。