铅中毒已成为儿童的头号环境杀手，据世界卫生组织（WTO）数据显示，铅中毒可导致每年约60万儿童智力受损，发展中国家面临铅中毒的危害更大。目前新兴的吸附技术因其吸附效率高、操作简单，在人体去除铅离子方面具有很大的潜力。然而，一些用于血液中除铅的吸附剂由于不适合口服而不能用于胃肠道铅去除，胃肠道吸附剂用于血液除铅时，有可能引起溶血、免疫排斥反应。因此，开发安全、高效的吸附剂，同时满足胃肠道和血液中综合除铅策略是迫切需要的，但仍具有一定的挑战性。近日，武汉大学邓红兵教授和陈朝吉教授团队报道了全生物质气凝胶用于人体综合除铅。
该工作采用的酿酒酵母（SCV）来自发酵工业，再生纳米纤维来自废木材粉末，生物质原料具备的低成本和大批量特性确保了大型患者的低成本和可扩展的生产潜力以及良好的环境可持续性。更重要的是，这种纳米纤维气凝胶的制备不引入任何交联剂，从而避免了有毒物质的添加。
图1.生物质废弃物衍生酵母细胞负载再生纤维素纳米纤维气凝胶及其在人体综合除铅应用的示意图描述。生物质废弃物气凝胶具有多孔的微结构和丰富的官能团，在人体胃肠道和血液中表现出良好的综合除铅性能。
利用纤维冷冻成形技术，在再生纤维素纳米纤维气凝胶上负载酿酒细胞（SCV-n气凝胶），具有多孔结构的纤维素纳米纤维可为酵母细胞提供更可观的负载位点，并可保护酵母细胞在人体内不脱落。此外，在不引入交联剂的情况下，酵母细胞和纤维素上的活性吸附基团(氨基、酰胺、羟基)被保留。
图2.(a) SCV-n气凝胶的制备示意图。(b)纳米纤维和酵母细胞的SEM图像。(c-e) SCV-3气凝胶多孔结构的SEM图像。(f-i)气凝胶光学照片:(f)醋酸纤维素纳米纤维膜的光学照片。(g) 酵母细胞粉末的光学照片。(h) SCV细胞发酵罐的光学照片。(i)不同大小和形状的SCV-n气凝胶的光学照片。
研究了负载SCV的气凝胶对铅离子的水环境吸附性能。该气凝胶能在100分钟内到达吸附平衡。当酵母细胞质量从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酵母细胞的高负载率。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+。
进一步对SCV细胞以及SCV-3气凝胶吸附机理进行研究，SCV-3气凝胶的吸附机理与SCV细胞相似。结合吸附前后FTIR图谱分析，1240 cm-1处的峰值(酰胺带C-NⅢ)在吸附结束时消失，表明酰胺基团参与了铅离子的吸附。吸附前后的XPS的C谱，N谱，O谱以及Pb谱图显示Pb2+已经成功的吸附在气凝胶表面，以及C-O-Pb和Pb-NH2络合物的生成。吸附前后的EDX图谱显示K+与铅离子发生离子交换，助力了铅离子的吸附。综上所述，SCV-3气凝胶吸附铅的机理包括静电吸引，化学相互作用，以及离子交换作用。
采用模拟胃肠液和血清进行体外吸附实验，气凝胶均表现出优秀的的除铅性能，特别是在0.2 g时，铅离子浓度从879.70 ppb降至248.53 ppb(接近安全水平)。血清铅离子浓度由400 ppb降至186.29 ppb(安全水平)。此外，该生物质能气凝胶具有形状可控性、良好的弹性和稳定性，在人体综合除铅中具有广阔的应用前景。
论文题为”Biosafe Saccharomyces Cerevisiae Immobilized Nanofibrous Aerogels for Integrated Lead Removal in Human Body” （《固定了高生物安全性酿酒酵母的纳米纤维气凝胶用于人体综合除铅》）武汉大学2021级博士研究生曹诗翊为第一作者，邓红兵教授与陈朝吉教授为共同通讯作者。该论文得到国家自然科学基金、湖北省重点研发项目、湖北省杰出青年基金、武汉大学启动基金等项目资助。
论文链接：http://doi.10.1002/adfm.202215059
