張 方，徐先林，2，王 航，石 磊，莊旭品，2

(1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.省部共建膜材料與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

聚乙烯亞胺納米纖維的制備及其膽紅素吸附性能研究

張 方1，徐先林1，2，王 航1，石 磊1，莊旭品1，2

(1.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387；2.省部共建膜材料與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

文章利用同軸溶液噴射紡絲技術(shù)制備了聚乙烯亞胺(PEI)/ 聚偏氟乙烯(PVDF)皮芯型納米纖維，其中，PEI為皮層充當(dāng)吸附劑，PVDF為芯層以解決PEI難于成纖的難題；所制纖維呈三維卷曲形態(tài)并雜亂堆積形成高孔隙率的PEI/PVDF納米纖維膜(PEI/PVDF)。為提高PEI/PVDF的膽紅素吸附性能，將賴氨酸固載其表面制得賴氨酸修飾的PEI/PVDF(PEI/PVDF-lysine)。結(jié)果顯示，PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine的膽紅素吸附量分別可達(dá)376.57 mg/g和386.97 mg/g。

聚乙烯亞胺納米纖維；同軸溶液噴射紡絲；膽紅素；親和吸附

1 引言

親和色譜法是一種生物大分子純化分離的方法，此方法通過配體和特定的生物分子之間相互作用表現(xiàn)出高特異性[1]。由于其利用凝膠粒子層析柱，具有一定的局限性，如高壓降、低流速，因此生產(chǎn)力低[2]。作為親和分離新技術(shù)，親和膜分離技術(shù)是一種利用親和配基修飾的膜(親和膜)為介質(zhì)的分離純化生物大分子的技術(shù)，是親和色譜和膜分離技術(shù)的結(jié)合。相比于傳統(tǒng)的親和色譜法，具有傳質(zhì)性能好、流動(dòng)速率高、壓降低和擴(kuò)散路徑短等優(yōu)點(diǎn)。其中膜基質(zhì)的種類以及配基的選擇是親和分離的關(guān)鍵。

近年來，納米纖維[3]引起了廣泛關(guān)注，其大的橫縱比，大的比表面積使其纖維表面具有或可增加更多配基活性位點(diǎn)，因此可將其組成的膜材料用于親和膜基質(zhì)。溶液噴射紡絲技術(shù)是一種新型的納米纖維制備方法[4～6]，此技術(shù)利用高速氣流對紡絲液細(xì)流進(jìn)行拉伸并使溶劑揮發(fā)從而制得納米纖維，生產(chǎn)效率高[5]；由于成形過程中受高速氣流場的紊流剪切力作用，所制纖維呈現(xiàn)三維卷曲形態(tài)；此形態(tài)的纖維雜亂堆積形成的納米纖維膜具有高的孔隙率和蓬松度，在氣體和液體過濾中均表現(xiàn)出較低的流動(dòng)阻力；卷曲的纖維形成的曲徑式微孔結(jié)構(gòu)延長了流體穿行的路徑，從而增加了目標(biāo)分子與親和基團(tuán)接觸的幾率，提高膜親和吸附能力。

本文采用同軸溶液紡絲技術(shù)[6]制備的PEI/PVDF納米纖維膜(PEI/PVDF)為親和吸附材料。然而，PEI是多功能團(tuán)的小分子聚合物，在紡絲過程中難以成纖，因此設(shè)計(jì)了PEI/PVDF皮芯型納米纖維。其中PEI作為皮層，可以充分發(fā)揮其官能團(tuán)的作用，PVDF作為芯層，既解決了PEI難于紡絲的問題，又增加了纖維的機(jī)械性能。此外，PEI是水溶性聚合物[7]，為保持其纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，選擇戊二醛(GA)進(jìn)行交聯(lián)，將所得的PEI/PVDF吸附膽紅素。

膽紅素是一種四吡咯二羧酸，其中羧基可以與胺基發(fā)生靜電相互作用，羧基或者吡咯氮可與含氧或氮的基團(tuán)形成氫鍵，吡咯甲基可與疏水結(jié)構(gòu)苯環(huán)、長碳鏈發(fā)生疏水相互作用[8]。而PEI具有高的胺密度，在鏈端上可接近的伯胺位點(diǎn)可作為吸附劑的結(jié)構(gòu)單元[9]。由上述可知，PEI與膽紅素間可以發(fā)生相互作用，從而實(shí)現(xiàn)PEI/PVDF對膽紅素的親和吸附。

為了提高PEI/PVDF的膽紅素吸附性能，選擇具有多功能基團(tuán)并可與膽紅素產(chǎn)生相互作用的配基偶聯(lián)到PEI/PVDF。近來，氨基酸由于其親水性和多功能基團(tuán)作為親和配基引起了廣泛關(guān)注，如薛茂強(qiáng)等[10]用聚賴氨酸為配基的尼龍膜親和吸附膽紅素；徐堃等[11]以L-絲氨酸(Ser)為配基制備了PVDF中空纖維親和膜并將其用于人血漿中內(nèi)毒素的脫除；其中，賴氨酸(Lys)具有胺基，羧基和疏水性長碳鏈，本文選其作為配基固載于PEI/PVDF上，制得賴氨酸修飾的PEI/PVDF(PEI/PVDF-lysine)。將PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine用于膽紅素吸附并研究了其吸附性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

聚偏氟乙烯(PVDF)，由上海三愛富有限公司提供；聚乙烯亞胺(PEI)，由天津光復(fù)精細(xì)化工研究所提供；N，N-二甲基乙酰胺，由天津光復(fù)精細(xì)化工研究所提供；賴氨酸，由天津光復(fù)精細(xì)化工研究所提供；膽紅素，由上海篤瑪生物科技有限公司提供；PBS緩沖液，由北京索萊寶科技有限公司提供；其他的試劑均由天津科密歐有限公司提供。

2.2 紡絲液的配置

將PVDF粉末溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，獲得20 wt% 的均勻混合液作為芯層溶液；PVDF粉末和聚乙烯亞胺(PEI)粘稠液以質(zhì)量比1∶9溶解到DMAc中獲得10 wt%的溶液作為皮層溶液，過濾后備用。

2.3 PEI/PVDF及PEI/PVDF-lysine的制備

利用實(shí)驗(yàn)室自制的同軸溶液噴射紡絲設(shè)備紡制了PEI納米纖維，同軸的噴絲頭的示意圖如圖1所示。將紡絲液以一定的速率喂入噴絲頭，其中皮芯紡絲液的給液速率如表1所示；然后，利用高速氣流(壓力在0.05 MPa～0.1 MPa之間)對紡絲液細(xì)流進(jìn)行牽伸，在紡絲箱體中逐漸形成納米纖維并利用風(fēng)機(jī)的抽吸裝置將產(chǎn)生的纖維收集到網(wǎng)簾上形成PEI/PVDF納米纖維膜。最后，真空干燥后進(jìn)行熱壓加固處理。選擇皮層給液速率為3 mL/h，芯層給液速度為9 mL/h的條件下制備的皮芯納米纖維進(jìn)行下一步處理和研究。

圖1 同軸噴絲頭

實(shí)驗(yàn)編號皮層給液速度(mL/h)芯層給液速度(mL/h)成纖效果1510纖維表面液滴很多,纖維形態(tài)良好2412纖維表面液滴較多,纖維形態(tài)良好339纖維表面液滴較少,纖維形態(tài)良好

由于PEI易溶于水，將 PEI/PVDF 納米纖維膜浸沒在0.2 wt%的戊二醛的磷酸鹽緩沖溶液中室溫下處理3 h。交聯(lián)后的PEI/PVDF 納米纖維膜在0.14 wt%的賴氨酸磷酸鹽緩沖溶液中45℃下反應(yīng)24 h, 實(shí)現(xiàn)了賴氨酸親和配基的固載，獲得PEI/PVDF 納米纖維親和膜。

2.4 測試與表征

2.4.1 形貌觀察

將所制得的PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine噴金處理后，通過場發(fā)射掃描顯微鏡(SEM)觀察樣品的形貌。PEI/PVDF納米纖維放置在銅網(wǎng)上，在投射電子顯微鏡(TEM)下觀察纖維的皮芯結(jié)構(gòu)。

2.4.2 PEI/PVDF的結(jié)構(gòu)和性能測試

PEI/PVDF的孔徑大小通過孔徑測定儀(PSM 165)被測定，得到孔徑的大小分布及不同的孔徑所占比例；利用全自動(dòng)氣體吸附分析儀測得膜的孔隙率。

為了研究PEI/PVDF的流通性能，采用低壓平板膜實(shí)驗(yàn)設(shè)備(TYLG-18)測試了PEI/PVDF的純水通量。在不同壓力下，記錄一定量的純水流過一定面積的膜所需的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出單位壓力下，單位時(shí)間內(nèi)流過單位面積膜的水量即膜的水通量，其水通量看可通過式(1)計(jì)算：

(式1)

其中，Q是膜的純水通量[mL/(cm2·s)]；Pw是流過膜的水量(mL)；Ea是膜的有效面積(cm2)；Pt是水流過膜的時(shí)間(s)。

2.4.3 傅里葉紅外光譜(FITR)測試

對PEI/PVDF、PEI/PVDF-GA和PEI/PVDF-lysine進(jìn)行紅外測試，通過紅外特征峰來分析膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及膜表面的基團(tuán)組成；將三者的紅外特征峰進(jìn)行對比，找出新出現(xiàn)的特征峰對應(yīng)的官能團(tuán)，進(jìn)而判定GA交聯(lián)及賴氨酸偶聯(lián)效果。

2.5 吸附實(shí)驗(yàn)

將20mg的PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine分別分散于10mL濃度為1mg/mL的膽紅素溶液中，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。在37℃下，以160rpm的振速振蕩，每隔2h取出一組，同時(shí)對膜進(jìn)行清洗，避免膜上殘留的膽紅素對吸附效果的影響。研究了吸附動(dòng)力學(xué)以及溫度和pH對PEI/PVDF-lysine吸附膽紅素的影響。所有吸附實(shí)驗(yàn)均在暗室中進(jìn)行，同時(shí)與PEI/PVDF作對比。

利用酶標(biāo)儀測試吸附后膽紅素的吸光度，依據(jù)膽紅素濃度與吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得出膽紅素的濃度。本研究中，PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine的膽紅的吸附量可通過式(2)計(jì)算：

(式2)

其中，q是單位膜的膽紅素的吸附量(mg/g)；Cb和Ca是吸附前后膽紅素的濃度(mg/L)；V是膽紅素溶液的體積(L)；m是膜的質(zhì)量(g)。

3 結(jié)果與討論

3.1PEI/PVDF的結(jié)構(gòu)與性能

膽紅素是有毒血紅蛋白的分解代謝產(chǎn)物，血液中高水平的膽紅素可能導(dǎo)致永久性腦損傷或死亡。PEI是具有大量伯、仲和叔氨基的陽離子水溶性聚合物[12～13]。在PEI大分子鏈上，胺基的質(zhì)子化使其帶正電荷，促進(jìn)了對帶負(fù)電荷的化合物的靜電吸引[14]；另一方面，大量的氨基可以通過氫鍵使PEI和一些有機(jī)化合物之間產(chǎn)生非常強(qiáng)的相互作用[15]；PEI的疏水乙烯基還可以與一些化合物的疏水鏈相互作用[16]。因此，PEI對一系列物質(zhì)具有強(qiáng)的吸附能力[17～19]。

本文利用同軸溶液噴射紡絲技術(shù)[6]紡制了PEI/PVDF皮芯納米纖維，通過透射電子顯微鏡(TEM)觀察了所制纖維的皮芯結(jié)構(gòu)，見圖2(a)。從圖2可以清楚地看見皮層和芯層間存在明顯的接口且纖維有一個(gè)連續(xù)的芯層。通過場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察了PEI/PVDF的微觀形貌，見圖2(b)，纖維直徑在50nm～250nm并且纖維呈三維卷曲形態(tài)，此形態(tài)使膜具有高的孔隙率，可達(dá)85.6%。

為了探索PEI/PVDF的流通性能，測試了其水通量，見圖3(a)。當(dāng)壓力小于0.18MPa時(shí)，PEI/PVDF的純水通量隨著壓力的遞增呈現(xiàn)快速上升趨勢，之后趨于平衡，其平衡水通量為1.25mL/(cm2·s)。PEI/PVDF的平均孔徑小于2um和80%以上的孔徑小于1.4um，見圖3(b)。

圖2 (a)PEI/PVDF納米纖維的透射電鏡圖

圖3 (a)PEI/PVDF的水通量 (b) PEI/PVDF的孔徑

3.2 PEI/PVDF修飾前后的結(jié)構(gòu)表征

為了提高PEI/PVDF的吸附性能，進(jìn)一步將賴氨酸固載到膜的表面，得到PEI/PVDF-lysine。偶聯(lián)賴氨酸后，膜的表面形貌幾乎不變，如圖2(c)所示。PEI/PVDF修飾前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過紅外光譜進(jìn)行了分析(圖4)。從圖4 a曲線可以看出，在1200 cm-1處的是-CF2的吸收峰，此峰是PVDF的特征峰；在1640 cm-1和1469 cm-1處分別對應(yīng)著-NH2的變形振動(dòng)和-C-N的伸縮振動(dòng)，這兩個(gè)峰是PEI的特征峰；由上述特征峰可推測出PEI/PVDF納米纖維被成功紡制。1650 cm-1處的特征吸收峰被認(rèn)定為C=O的伸縮，源于用于交聯(lián)PEI的交聯(lián)劑戊二醛(圖4 b曲線)。1700 cm-1處的峰認(rèn)定為C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰，歸因于賴氨酸的羧基，由此得出賴氨酸作為配基被固載于PEI/PVDF的表面，見圖4 c曲線。除此之外，通過分光光度儀，在570 nm處測定賴氨酸的固載量是每克膜大約6 mg。

圖4 PEI/PVDF 修飾前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)

3.3 吸附性能測試

將PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine用于吸附膽紅素并研究了其吸附行為，見圖5。PEI/PVDF在前8 h呈現(xiàn)快速吸附趨勢，吸附量由開始2 h的304.31 mg/g到8 h的371.97 mg/g，之后趨于平衡，吸附量達(dá)到372.87 mg/g，可歸因于PEI分子鏈上的氨基和膽紅素分子結(jié)構(gòu)的羧基間的靜電相互作用。PEI/PVDF-lysine具有相似的吸附趨勢，PEI/PVDF在前8 h呈現(xiàn)快速吸附趨勢，吸附量由開始2 h的314.12 mg/g到8 h的386.97 mg/g，之后趨于平衡，吸附量達(dá)到387.69 mg/g，見圖5(a)。與PEI/PVDF對比，PEI/PVDF-lysine具有更好的膽紅素吸附能力。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是賴氨酸的長碳鏈與膽紅素的吡咯甲基發(fā)生疏水作用；膽紅素的羧基或吡咯氮和賴氨酸的含氧基團(tuán)形成氫鍵；賴氨酸的氨基與膽紅素的羧基間存在靜電相互作用。相對以往研究，本文制備的PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine的膽紅素吸附量大幅度地提高，可以歸因于PEI和賴氨酸好的吸附性能以及納米纖維大的比表面積。

圖5 (a)膜膽紅素的吸附量與時(shí)間的關(guān)系曲線

接下來，研究了pH和溫度對PEI/PVDF-lysine吸附性能的影響。當(dāng)pH為6.86、7.4和9.18時(shí)，PEI/PVDF-lysine所對應(yīng)的膽紅素吸附量分別為322.89 mg/g、386.97 mg/g和345.28 mg/g，見圖5(b)。當(dāng)pH 在6.86～7.4之間時(shí)，分子內(nèi)氫鍵逐漸遭到破壞，膽紅素的溶解度隨之增大，PEI/PVDF-lysine的膽紅素吸附量也隨之增大。當(dāng)pH為9.18時(shí)，膽紅素解離出更多的羧基，使膽紅素分子帶有大量負(fù)電荷，賴氨酸親和配基上的羧基也會(huì)發(fā)生解離，在膜的表面形成負(fù)電荷，使賴氨酸配基與膽紅素分子間產(chǎn)生靜電排斥，導(dǎo)致膽紅素吸附量降低。

為了研究溫度對膜親和吸附膽紅素的影響，分別在25℃和37℃下進(jìn)行膽紅素吸附實(shí)驗(yàn)，PEI/PVDF-lysine在25℃和37℃下的膽紅素吸附量分別達(dá)到373.58 mg/g和386.97 mg/g并且其膽紅素吸附量隨溫度的提高而增加，見圖5(c)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是膽紅素分子構(gòu)象發(fā)生改變，使膽紅素與賴氨酸間的空間維位阻減小[20]。

4 結(jié)論

本文采用同軸溶液噴射紡絲技術(shù)制備了一種新型的納米纖維膜(PEI/PVDF)，并將其用用于膽紅素吸附。為了提高PEI/PVDF的膽紅素吸附性能，將賴氨酸作為親和配基偶聯(lián)于PEI/PVDF上制得PEI/PVDF-lysine。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PEI/PVDF 的吸附量可達(dá)372.87 mg/g；PEI/PVDF-lysine在37℃下，pH為7.4時(shí)其膽紅素的吸附量可達(dá)393.95 mg/g。由此可以得出，PEI/PVDF和PEI/PVDF-lysine對膽紅素均有好的吸附能力，并且賴氨酸的固載在一定程度上提高了PEI/PVDF吸附能力。

[1] Xue M，Ling Y，Wu G，et al. Surface-modified Anodic Aluminum Oxide Membrane with Hydroxyethyl Celluloses as A Matrix for Bilirubin Removal[J].Journal of Chromatography B，2013，912：1—7.

[2] MA Z，RAMAKRISHNA S. ElectrospunRegenerated Cellulose Nanofiber Affinity Membrane Functionalized with Protein A/G for IgG Purification[J].Journal of Membrane Science，2008，319 (1—2)：23—28.

[3] Zhang H，Wu C，Zhang Y，et al. Elaboration Characterization and Study of A Novel Affinity Membrane Made from Electrospun Hybrid Chitosan/nylon-6 Nanofibers for Papain Purification [J].Journal of Materials Science，2010，45(9)：2296—2304.

[4] Zhuang X，Shi L，Jia K，et al. Solution Blown NanofibrousMembrane for Microfiltration[J].Journal of Membrane Science，2013，429：66—70.

[5] Shi L，Zhuang X，Tao X，et al. Solution Blowing Nylon 6 Nanofiber Mats for Air Filtration [J].Fibers and Polymers，2013，14 (9)：1485—1490.

[6] Tong J，Xu X，Wang H，et al. Solution-blown Core-shell Hydrogel Nanofibers for Bovine Serum Albumin Affinity Adsorption[J].RSC Advances，2015， 5(101)：83232—83238.

[7] Wang S，Li Z，Lu C. Polyethyleneimine as A Novel Desorbentfor Anionic Organic Dyes on Layered Double Hydroxide Surface[J].Journal of Colloid and Interface Science，2015，458：315—322.

[8] 鞠佳，聶飛，段志軍，等.親和膜配基的結(jié)構(gòu)和密度對膽紅素吸附的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2013，64(1)： 303—310.

[9] Ma Y，Zhang B，Ma H，et al. Polyethylenimine Nanofibrous Adsorbent for Highly Effective Removal of Anionic Dyes from Aqueous Solution[J].Science China Materials，2016，59(4)：38—50.

[10] 薛茂強(qiáng), 石巍,張其清. 新型親和膜的制備及其吸附膽紅素的性能研究 [J]. 功能材料, 2010, (06): 1106—1109.

[11] 徐堃，黃曼，吳禮光，等.絲氨酸配基PVDF親和膜脫除人血漿中內(nèi)毒素的研究[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2011，(02)：28—34.

[12] Ling Y，Gao Z F，Zhou Q，et al. Multidimensional Optical Sensing Platform for Detection of Heparin and Reversible Molecular Logic Gate Operation Based on the PhloxineB/PolyethyleneimineSystem[J].Analytical Chemistry，2015，87(3)：1575—1581.

[13] Zhang S，Kang P，Ubnoske S，et al. Polyethylenimine-enhanced ElectrocatalyticReduction of CO2to Formateat Nitrogen-doped Carbon Nanomaterials[J].Journal of the American Chemical Society， 2014，136(22)：7845—7848.

[14] Schulz C，Ludwig R，Gorton L. Polyethyleneimine as A Promoter Layer for the Immobilization of Cellobiose Dehydrogenase from Myriococcumthermophilum on Graphite Electrodes[J].Analytical Chemistry，2014，86(9)：4256—4263.

[15] Chibowski S，Patkowski J，Grzadka E. Adsorption of Polyethyleneimineand Polymethacrylic Acid onto Synthesized Hematite[J].Journal of Colloid & Interface Science，2009，329(1)：1—10.

[16] Li Z，Rosen M J. Two-phase Mixed Indicator Titration Method for Determination of Anionic Surfactants[J].Analytical Chemistry，1981，53(9)：1516—1519.

[17] Maketon W，Zenner C Z，Ogden K L. Removal Efficiency and Binding Mechanisms of Copper and Copper-EDTA Complexes Using Polyethyleneimine[J].Environmental Science & Technology，2008，42(6)：2124—2129.

[18] An F，Gao B. Adsorption of Phenol on A Novel Adsorption Material PEI/SiO2[J].Journal of Hazardous Materials，2008，152(3)：1186—1191.

[19] Chen Z Y，He Y Y，Gao H W. PEI@SiO2：Synthesis from Diatomite and Application for Capturing Phenolic Compounds from Aqueous Solution[J].RSC Advances，2014，4(50)：26309—26315.

[20] Shi W，Zhang F，Zhang G. Adsorption of Bilirubin with Polylysine Carrying Chitosan-coated Nylon Affinity Membranes[J].Journal of Chromatography B，2005，819(2)：301—306.

Fabrication of Polyethylenimine Nanofibers for Bilirubin Affinity Adsorption

ZhangFang1,XuXianlin1,2,WangHang1,ShiLei1,ZhuangXupin1,2

(1.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2.Key Laboratory of Membrane Materials and Membrane Process of Ministry of Construction, Tianjin 300387, China)

Polyethylenimine(PEI)/polyvinylidene fluoride (PVDF) core-shell nanofiber was fabricated via coaxial solution blowing, in which PEI was shell to act as adsorbent and PVDF was core to solve the difficulty of spinning PEI. The nanofibers were disorderly piled into PEI/PVDF nanofiber membrane (PEI/PVDF) with high porosity which was used to adsorb bilirubin. To improve the adsorption performance of the membrane, lysine was further attached on its surface to obtain lysine modified PEI/PVDF(PEI/PVDF-lysine).The results indicate that the adsorption capacity of PEI/PVDF and PEI/PVDF-lysine for bilirubin reach to 376.57 mg/g and 386.97 mg/g, respectively.

PEI nanofibers; coaxial solution blowing; bilirubin; affinity adsorption

2016-11-06

國家自然科學(xué)基金 (51476121)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(14TXGCCX00014)

張 方(1992—)，女，河北南宮人，碩士研究生。

TQ317

B

1009-3028(2016)06-0006-06