《Process Safety and Environmental Protection》：Surface-Engineered Fe?O?@C/PDA-PES Membranes with High Urea removal and Enhanced Flux Recovery for Efficient and Selective Hemodialysis
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摘要聚醚砜（PES）血液透析（HD）膜存在疏水性导致的污堵和血液相容性差的问题。本研究旨在利用聚多巴胺（PDA）功能化的Fe?O?@C改善PES膜的润湿性、抗污性能和血液接触行为。采用燃烧合成、酚醛树脂包覆和碳热还原制备了Fe?O?@C核壳粒子，并以0.2、0.6和1.0 w
摘要
聚醚砜（PES）血液透析（HD）膜存在疏水性导致的污堵和血液相容性差的问题。本研究旨在利用聚多巴胺（PDA）功能化的Fe?O?@C改善PES膜的润湿性、抗污性能和血液接触行为。采用燃烧合成、酚醛树脂包覆和碳热还原制备了Fe?O?@C核壳粒子，并以0.2、0.6和1.0 wt%（M2、M3和M4）的比例将其添加到PES铸膜液中，通过相转化法成膜，随后用PDA对其进行包覆。未改性的PES膜作为对照组（M1）。通过XRD、拉曼光谱、FESEM/EDX、FTIR、接触角、Zeta电位、AFM和截留分子量（MWCO）分析对粒子和膜进行了表征。XRD证实了反尖晶石Fe?O?相的存在，EDX在约110 nm的团聚粒子中检测到Fe、O和C。膜性能随Fe?O?@C/PDA负载量变化。与M1相比，M3的接触角更低（18 ± 8°对比82 ± 4°），水通量更高（45 ± 2.8对比25 ± 4.1 L m?2 h?1），MWCO更低（900对比1135 Da），BSA截留率更高（77.2 ± 1%对比54 ± 2%），通量恢复率也有改善。然而，M4的通量下降至29 ± 1.6 L m?2 h?1，表明更高的负载量并不能持续改善性能。M3的血小板黏附更低，抑菌圈为2.6 ± 1.0 mm，但尿素和铵的截留率很高（98.0 ± 3.0%和98.2 ± 3.0%），表明这些小分子溶质的清除受到限制。总体而言，可控地引入Fe?O?@C/PDA有效地调控了膜性能，0.6 wt%提供了传质、蛋白截留、污堵恢复和血液接触特性的最佳平衡。仍需进一步开展扩散研究以确立其透析清除性能。
引言
慢性肾脏病（CKD）是一个重大的全球健康问题，与高发病率、死亡率及沉重的医疗负担相关（An等，2025年；ter Beek等，2019年；Van der Bruggen，2009年）。血液透析（HD）是一种广泛使用的肾脏替代疗法，其中透析膜促进低分子量尿毒症溶质的转运，同时保留白蛋白、血细胞和其他重要血液成分。因此，有效的HD膜应在提供充足溶质转运和水力渗透性的同时，具备蛋白截留、抗污性能和血液相容性（Feng等，2024年；Fu等，2017年；Irfan和Idris，2015年；Jiang等，2014年）。血液与膜的相互作用可引发蛋白吸附、血小板黏附、凝血及其他血液接触反应，导致膜污堵和传质阻力增加（Feng等，2019年；Fu等，2017年；Kasemset等，2017年；Liu等，2024年；Li等，2010年）。因此，膜表面性质和孔结构在决定分离性能和血液相容性方面发挥着重要作用（Zhang等，2007年）。
尿素是一种低分子量的含氮代谢废物，也是透析充分性的重要标志物（ter Beek等，2019年；Ding等，2025年；Eckardt等，2013年）。在HD中，尿素需要从血液扩散至透析液；因此，其性能应以转运、清除、通透或清除率来描述，而非截留率。本研究还额外考察了铵作为低分子量离子溶质，以评估膜对带电物种的传质行为。因此，铵在本研究中被视为一种实验性溶质探针，而非透析充分性的主要标志物或主要的尿毒症毒素。甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚砜和聚醚砜（PES）等聚合物材料已被研究用于血液净化膜（He等，2017年；He等，2020年；Hou等，2010年；Irfan和Idris，2015年；Jiang等，2014年；Kaleekkal，2021年；Kasemset等，2017年；Kim等，2018年）。PES因其成膜能力及机械和化学稳定性而备受关注；然而，其相对疏水的性质可能促进蛋白吸附和污堵（Irfan和Idris，2015年；Jiang等，2014年；Li等，2014年）。因此，已探索了聚合物共混、表面改性和功能化等方法以改善PES膜性能（Ghofrani等，2023年；Hou等，2010年；Li等，2025年；Li等，2019年）。
聚多巴胺（PDA）是一种有效的膜功能化材料，因其儿茶酚、胺和醌类化学结构有利于表面黏附和二次功能化（Chernousova和Epple，2013年；Li等，2020年；Luo等，2020年；Mansur等，2025年；McKenna等，2021年）。PDA可改善膜的亲水性和抗污性能；然而，传统的PDA沉积可能通过改变膜孔特性而降低水力渗透性（Li等，2020年；Luo等，2020年；Mansur等，2025年；Raghupathi等，2011年）。将PDA功能化粒子引入膜基质提供了一种替代方案，可在不依赖厚PDA表面包覆的情况下引入功能基团。Fe?O?纳米粒子因其磁性和表面反应活性而备受关注，而Fe?O?@C则提供了核壳结构，其中碳壳提供了稳定且可功能化的界面（Mollahosseini等，2020年；Said等，2020年；Saiful等，2022年；Salimi等，2018年；Tunc等，2005年）。因此，碳壳可作为后续PDA功能化的合适平台。本研究选择Fe?O?@C/PDA以结合PDA的界面功能性和Fe?O?@C的核壳特性。所得粒子被引入PES中，在非溶剂致相分离过程中修饰膜性能。
尽管PDA和无机纳米材料已被分别研究用于膜改性，但PDA功能化的Fe?O?@C引入PES后对低分子量溶质转运、蛋白截留、抗污行为、血液相容性和抗菌性能之间同步平衡的影响仍未得到充分确立。因此，本研究制备了含不同Fe?O?@C/PDA负载量的PES膜，并从形貌、表面性质、水通量、截留分子量、尿素和铵的转运、BSA截留、抗污行为、溶血性、血小板黏附以及对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性等方面进行了评估。研究旨在确定Fe?O?@C/PDA负载量对膜渗透性、选择性、血液相容性和抗菌性能之间平衡的影响。
章节摘录
材料
PES颗粒购自印度Sigma-Aldrich公司。硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O）、甘氨酸（C?H?NO?）、绝对乙醇、铵盐、间苯二酚、甲醛和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自印度Merck公司。三（羟甲基）氨基甲烷（Tris）缓冲液、多巴胺和牛血清白蛋白（BSA）购自印度Sigma-Aldrich公司。所有化学品均直接使用，未进一步纯化。实验全程使用去离子水。
Fe?O?前驱体的合成
Fe?O?纳米粒子制备过程如下：
Fe?O?@C纳米粒子的相结构和形貌
通过X射线衍射考察了Fe?O?@C纳米粒子的晶相，如图2(a)所示。在2θ值约30.25°、35.60°、43.23°、53.58°、57.07°和62.84°处的衍射峰分别归属于(220)、(311)、(400)、(422)、(511)和(440)晶面。这些反射峰与JCPDS卡片PDF No. 19-0629中报道的Fe?O?反尖晶石结构一致。未观察到与晶态碳相关的明显衍射峰，表明
结论
通过将Fe?O?@C以0.2–1.0 wt%的比例引入铸膜液后进行PDA功能化，制备了Fe?O?@C/PDA改性的PES膜。膜性能随改性剂负载量呈非单调变化，0.6 wt%（M3）提供了最佳的综合性能。与原始PES相比，M3表现出更低的接触角（18 ± 8°对比82 ± 4°），更高的水通量（45 ± 2.8对比25 ± 4.1 L m?2 h?1），更低的MWCO（900对比1135 Da），更高的BSA截留率（77.2 ± 1%
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
S. Charan Deep | Venkatesh | Aparna S | G. Arthanareeswaran | Arunchalam Arulraj | RV Mangalaraja
