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吸附是一种重要的分离和提纯技术，在化学工程、环境保护、生物医学等领域发挥着重要作用。吸附过程依靠吸附剂去除有害成分或富集有用物质。近几十年来，研究人员提出了多种吸附材料来实现上述目标，包括聚合物、碳质材料、基于金属有机框架（MOF）的材料等。此外，通过加入磁性元素，吸附剂可被赋予可控的运动能力，使其在使用后易于收集和回收。因此，对吸附剂的成分和制备方法提出了更高的要求。因此，开发不仅具有高效性，而且具有良好生物安全性的新型吸附剂仍然值得努力。生物医学应用非常需要具有高吸附效率和出色生物安全性的吸附剂。MXene 具有这些优点，是一种很有前途的候选材料，但原始 MXene 面临着表面位点效用不足和加工性有限等问题。

来自中国科学院物理研究所的Qihui Fan团队、来自复旦大学的商珞然团队和来自中国科学院大学温州研究院的叶方富团队合作通过微流控技术开发了封装 MXene 的多孔微胶囊。这种微胶囊具有生物质水凝胶外壳，可为核心中的 MXene 提供强有力的支撑，从而使微胶囊具有高 MXene 剂量和显著的生物安全性。此外，MXene 纳米片通过金属离子诱导的凝胶化作用组装成三维网络，从而避免了重新堆积，显著提高了表面利用率。在制备过程中对微胶囊进行冷冻预处理，可在外壳中形成大孔结构，从而促进目标分子的扩散。这些特点加上磁性纳米粒子的加入所带来的额外磁响应性，使微胶囊在清除尿毒症毒素（包括肌酐、尿素和尿酸）方面表现突出。因此，预计MXene封装微胶囊在透析相关应用中将是一种前景广阔的吸附剂，而微流控封装与金属离子凝胶化的结合将为构建具有所需功能的混合MXene材料提供一种新方法。相关工作以题为“MXene confined microcapsules for uremic toxins elimination”的文章发表在2024年03月21日的国际顶级期刊《Aggregate》。

1. 创新型研究内容

本研究通过微流控同轴电喷技术提出了具有高MXene负载量的核壳多孔微载体，用于高效吸附生物分子，如图1A所示。随着生物医学领域对吸附和富集策略的关注与日俱增，二维（2D）吸附材料因其高比表面积、超薄厚度、优异的电学和机械性能等优点而备受关注。最重要的是，MXene 具有良好的生物相容性，这为生物系统中的吸附提供了一种途径，并显示出优于其他二维材料的特性。一方面，原始的 MXene 纳米片容易塌陷和重新堆积，从而导致表面效用降低。另一方面，构建 MXene 基混合系统以兼顾可加工性和足够的 MXene 含量十分困难。为了实现基于 MXene 的吸附剂的优化配方，微流体技术提供了一种解决方案，因为它可以生成具有可调成分和结构的微粒。特别是，具有核壳结构的微胶囊可以有效地容纳活性成分，并在保持整体结构完整性的同时使其发挥作用。因此，利用微流体技术构建 MXene 包裹微胶囊有望解决上述问题。同时，合理设计相应微胶囊的多孔结构可促进分子的扩散和吸附。

图1 通过微流控同轴电喷法制备多孔核壳微胶囊 MXene 包裹体

【生成 MXene 封装微胶囊】

通常情况下，利用由同轴组装的内毛细管和外毛细管组成的微流体电喷装置来制造 MXene 包囊微胶囊。MXene 分散液和 ALG 溶液分别用作内液和外液，并通过注射泵输送到相应的毛细管中。内液在毛细管出口处被外液包裹。在施加足够的电场后，上述共流体分裂成核壳液滴流，作为生成 MXene 包囊微胶囊的模板。接下来，核壳液滴被收集到一个充满液氮的容器中并立即冷冻。值得注意的是，冷冻处理会使外壳形成大孔结构。液氮蒸发后，立即向容器中加入 Ba2+离子，使 MXene 和 ALG 快速交联，形成具有核壳结构的固体微胶囊（图 2A）。此外，为了使微胶囊具有可控的运动能力，在微流体电喷雾之前，在壳溶液中加入了磁性纳米粒子。因此，得到的水凝胶核壳微胶囊表面呈现棕色（图 2B）。

微胶囊具有显著的尺寸均匀性（图2D、E）。此外，微胶囊的大小和形态还可以通过实验参数来调节，包括内/外流速、收集距离、ALG 浓度和电压。首先，在保持外流速不变的情况下改变内流速，液滴的整体尺寸增大，而外壳厚度减小。Ba2+诱导凝胶化后，相应的核壳微胶囊也表现出同样的趋势（图 2B、C）。因此，通过调节内/外流体的相对速度，可以实现高负载量 MXene 封装的超薄壳微胶囊。然而，当内流速达到 5 mL/h 时，微胶囊开始变形。因此，在随后的实验中，内流速没有超过 4 mL/h。提高外流速也会导致整体尺寸增大。除此之外，更高的 ALG 浓度或更大的收集距离也会导致整个微胶囊的直径增大；而更高的电压则会导致直径变小。然而，当 ALG 浓度低于 3 wt%时，制备的微胶囊的球形度会明显降低。因此，为了构建坚固稳定的外壳，将浓度设定为 3 wt%。

图2 外壳中未添加磁性纳米粒子的核壳微胶囊透射光显微镜图像

【MXene 包裹微胶囊的形态特征】

首先，利用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）来探索 MXene 的形态。用 LiF 蚀刻法制备的Ti3C2 MXene 纳米片显示出几层薄片结构，横向尺寸为几微米，这赋予了 MXene 较大的吸附表面积。此外，选区电子衍射（SAED）验证了所得到的 MXene 具有六方晶体结构。然后，还利用扫描电镜表征了核壳微胶囊的微观结构。如图 3A,B 和图 3D-F 所示，微胶囊呈现球形形态，具有多孔的壳层和三维交联的内核。相反，未经冷冻处理的微胶囊具有致密光滑的外壳结构。此外，EDS 图谱显示，封装了 MXene 的磁性纳米粒子结合微胶囊由 C、Ti、O、Fe 和 Ba 元素组成（图 3C）。除此之外，由 Ba2+引发的 MXene 纳米片的自组装也促成了核心层三维网络结构的形成。通过放大核心，出现了由 MXene 纳米片包围的随机孔隙。这种三维网络可有效避免 MXene 纳米片的重新堆积，并大大提高表面利用率。本研究预计，微胶囊中独特的多孔结构将有利于分子的扩散和吸附。另外，还通过评估孔径分布和布鲁纳-艾美特-泰勒（BET）表面积进一步研究了本微胶囊的多孔性。一方面，本研究发现核壳微胶囊主要具有介孔结构。另一方面，BET 比表面积结果表明，该值随着微胶囊中 MXene 剂量的增加而缓慢增加。

图3 MXene 包裹多孔微胶囊的 SEM 表征

【Ba2+ 诱导的凝胶化的光谱特征】

二价金属离子可以引发 MXene 的交联，从而实现 MXene 纳米片的高效自组装。本研究引入 Ba2+来引发核壳液滴的交联。ALG 中的α-L-谷氨酰单元会与 Ba2+快速交联，形成稳定的水凝胶外壳。至于 MXene，带正电荷的Ba2+会附着在带负电荷的 MXene 纳米片上，并作为连接点将纳米片相互连接起来，从而形成三维网络。在此，采用成分分析方法证实了 Ba2+与 MXene 之间的交联。如图 4A 所示，与纯 MXene 相比，MXene-Ba 样品的 X 射线衍射 (XRD) 光谱显示 (002) 峰左移，这表明由于掺入了 Ba，晶胞间距增大。

此外，X 射线光电子能谱（XPS）光谱显示 MXene 纳米片由 F、Ti、O 和 C 元素组成（图 4B）。在 Ba2+诱导的凝胶化后，出现了新的 Ba3d 峰，进一步验证了钡的存在。更重要的是，图 4C-F 中的高分辨率 XPS 光谱揭示了上述样品的表面化学性质，表明 MXene 表面含有多种官能团，即 -O、-F 和 -OH。此外，纯 MXene 的C1s 曲线和 Ti2p 曲线与 MXene-Ba 样品几乎相同，表明 MXene 纳米片在交联后保持稳定。除此之外，在 O1s 曲线上出现了一个新的 Ba-O 峰（图 4E），而 Ti-OH 峰的强度则显著下降，这意味着 Ba2+会与 MXene 纳米片上的 -OH 发生相互作用。[此外，MXene-Ba 的 F1s 曲线与纯 MXene 相似（图 4F）；Al-F 峰一定来自 Ti3AlC2 原料中的残余 Al。

图4 XRD光谱和XPS光谱结果

【利用 MXene 封装微胶囊吸附尿毒症毒素】

为探究 MXene 包裹微胶囊的应用潜力，以肌酐、尿素和尿酸为目标吸附物进行了一系列吸附实验。首先，测量了对每种吸附物的动力学曲线。对于肌酐的吸附，在开始的 1 小时内，吸附容量迅速上升，几乎达到平衡吸附量的 50%（图 5A）。为了评估 MXene 在肌酐吸附中的关键作用，通过调节内流速制备了含有不同相对含量 MXene 的核壳微胶囊。结果表明，所制备微胶囊的最大吸附容量分别为 26.09、30.27、33.20 和 45.15 mg/g。令人兴奋的是，与纯 MXene 粉末相比，本研究的 MXene 包囊核壳微胶囊表现出了相当的最大吸附容量。这些结果验证了 MXene 在微胶囊中的关键吸附作用。一方面，微胶囊固有的多孔结构有利于尿毒症毒素的扩散。另一方面，MXene 的关键吸附作用可归因于 MXene 与尿毒症毒素之间的各种分子间相互作用，包括范德华力、静电作用和氢键。因此，MXene 封闭微胶囊对尿毒症毒素具有很强的亲和力。

图5 使用 MXene 包裹多孔微胶囊吸附尿毒症毒素的动力学原理

此外，本研究还利用两种动力学模型，即假一阶模型（PFOM）和假二阶模型（PSOM）分析了吸附数据。显然，由于相关系数（R2）值较高，PSOM 能更好地描述吸附过程。另一方面，由于吸附剂剂量是决定给定吸附剂溶液最终吸附效率的一个重要变量，因而进行了一系列剂量依赖性实验来进一步研究。总的来说，增加吸附剂的用量有助于提高去除效率（图 6A）。特别是当吸附剂剂量达到 28 毫克时，肌酐的最大去除率为 90.68%，与纯 MXene 粉末的去除率（99.7%）相当。虽然 MXene 包裹微胶囊的吸附动力学较慢，但却避免了纯 MXene 粉末易堵塞和难分离的问题。

为进一步证实微胶囊的实用性，利用实验室自制的灌注装置进行了动态灌注吸附。具体来说，灌流装置由硅胶管、注射泵和吸附柱组成。吸附柱中装有 MXene 封装的核壳微胶囊，尿毒症毒素溶液在注射泵的驱动下流经吸附柱。如图 6B 所示，经过五次重复循环后，肌酐、尿素和尿酸的净化效率分别为 84.96%、80.87% 和 65.03%，进一步验证了 MXene 包裹多孔微胶囊的优异吸附性能。此外，还探究了通量对清洁效率的影响。当通量从 2.5 mL/h 增加到 5 mL/h 时，三种尿毒症毒素的净化效率都出现了显著下降（图 6C）。这可能是由于毒素与微胶囊之间的接触不足造成的。

图6 使用不同数量的 MXene 包裹微胶囊去除尿毒症毒素的效率

2. 总结与展望

总之，本研究通过微流控同轴电喷雾技术开发出了高剂量 MXene 封装的磁性多孔微胶囊，用于高效清除尿毒症毒素。首先生成了包含 MXene 分散核心和 ALG 溶液外壳的核壳液滴。核壳液滴经过冷冻预处理后，很快与钡离子迅速交联，形成包裹高剂量 MXene 的核壳生物质水凝胶微囊。生物质外壳可以保持微胶囊结构的完整性，避免碎片掉落或引发生物安全问题。Ba2+诱导凝胶化产生的 MXene 纳米片的组装使 MXene 核心具有三维网络结构，从而有效避免了纳米片的重新堆积，显著提高了可接触表面积。除此以外，冷冻预处理还使微胶囊外壳形成了特有的大孔结构，从而促进了目标分子的扩散。得益于这些特性，所获得的 MXene 包囊微胶囊在清除尿毒症毒素（包括肌酐、尿素和尿酸）方面具有突出的性能，并表现出显著的血液相容性。此外，通过加入磁性纳米粒子，多孔微胶囊具有可控的运动能力，在使用时可促进富集和分离。鉴于这些令人印象深刻的特点，本研究认为 MXene 包裹的多孔微胶囊将成为血液灌流或透析液再生的潜在吸附剂。另一方面，本研究团队期待微流控封装和金属离子凝胶化方法的结合将为构建基于 MXene 的功能性材料的各种应用提供新的视角。

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