1.本技术涉及一种炭气凝胶，特别涉及一种炭气凝胶的制备方法与其于血液净化中的应用，属于血液净化领域。


背景技术：

2.心脑血管疾病是导致人类死亡的三大疾病之一，并居于首位。人体血液中低密度脂蛋白胆固醇(ldl)的增高已被医学及临床实践证明是导致动脉粥样硬化病变为心脑血管疾病。如何将血液中ldl含量降低至正常值便可以有效阻止心脑血管疾病的发生。
3.目前可以采用血液净化的方法来降低ldl-c血液中的浓度。血液净化疗法对于迅速降低ldl水平具有独到的功效，但目前此疗法的费用极其昂贵而无法普遍推广于普通民众，同时在其实施过程中仍然存在诸多需要改善的地方。血液净化疗法的基础是血液透析(hd)，上世纪80年代得到开发和应用，其应用日益广泛，治疗病种也日渐增多。
4.临床出现的基于血液透析清除体内毒物的方法，大致可分为两种：一种为间断血液净化，另一种为连续肾脏替代(crrt)。前者包括传统的血液透析、血液滤过、血液灌流、血浆置换、脂蛋白分离、免疫吸附等。后者的理论设想起源于连续性动、静脉血液滤过(cavh)对利尿剂无效的病人体内过多的液体的清除。主要包括有连续性动、静脉血液透析滤过及吸附等技术，统称为crrt。目前血液净化技术已经发展成为急救医学及各种疾病有效的预防治疗手段。传统血液净化技术在重症患者代谢及体液平衡控制方面发挥了重要作用，也能使一些细胞因子得到清除，但血浆细胞因子的浓度并没有明显下降。
5.近来将吸附剂与一些血液净化方式联用，使得血液净化的应用领域与效率都得以很大提高。但是现有技术中的吸附剂不能对血液中的ldl具有选择性，而且会影响血液中其他的成分，吸附效果不理想且价格昂贵。因此，如何提供一种对ldl有选择性吸附、同时其他血液中的成分基本无影响且价格适中的吸附剂是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种炭气凝胶的制备方法与其于血液净化中的应用，以克服现有技术中吸附剂不能对血液中的ldl具有选择性，而且会影响血液中其他的成分，吸附效果不理想且价格昂贵的不足。
7.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
8.所述一种炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)制备有机-无机复合水凝胶：以脲甲醛和对二甲苯为预聚体混合均匀，之后加入纳米级二氧化硅并用蒸馏水调节溶液ph为碱性，搅拌均匀后制得溶胶溶液，再加入表面活性剂和液体石蜡中，在温度为100-150℃条件下反应30-60min，反应结束后老化处理4-5天，制得所述有机-无机复合水凝胶；
10.(2)制备有机-无机复合气凝胶：将步骤(1)制得的有机-无机复合水凝胶进行置换处理至无水，之后置于反应釜中，在温度为100-150℃、压力为10-20mpa条件下进行超临界
干燥处理，制得有机-无机复合气凝胶；
11.(3)制备炭-硅复合气凝胶：将步骤(2)制得的有机-无机复合气凝胶放置于高温炭化炉，在保护气氛下，以5-15℃/min速率升至600-700℃，保持2-3h干燥，继续于保护气氛下自然冷却直至室温，得到炭-硅复合气凝胶；
12.(4)后续处理：将步骤(3)制得的炭-硅复合气凝胶置于稀氢氟酸中处理进行刻蚀处理，再用去离子水洗去附着于凝胶上的氢氟酸溶液，干燥处理后制得所述炭气凝胶。
13.可选地，所述步骤(1)中用蒸馏水调节溶液ph为8-10。
14.可选地，所述步骤(1)中用蒸馏水调节溶液ph为8。
15.可选地，所述步骤(1)中用蒸馏水调节溶液ph为9。
16.可选地，所述步骤(1)中用蒸馏水调节溶液ph为10。
17.可选地，所述步骤(1)中所述表面活性剂选自阴离子型表面活性剂。
18.可选地，所述阴离子型表面活性剂选自硬脂酸和十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
19.可选地，采用无水乙醇置换步骤(1)制得的有机-无机复合水凝胶中的水份。
20.可选地，所述无水乙醇的质量浓度为99.99％。
21.可选地，以石油醚为超临介质进行超临界干燥处理。
22.可选地，所述保护气氛选自氮气气氛。
23.可选地，所述预聚体的浓度为5g-15g/100ml。
24.可选地，所述预聚体的浓度上限选自6g/100ml、7g/100ml、8g/100ml、9g/100ml、10g/100ml；所述预聚体的浓度下限选自5g/100ml、6g/100ml、7g/100ml、8g/100ml、9g/100ml。
25.可选地，所述预聚体的浓度为7.5g/50ml。
26.可选地，所述炭气凝胶的平均孔径为25-35nm。
27.可选地，所述炭气凝胶的平均孔径上限选自26nm、27nm、28nm、29nm、30nm、31nm、32nm、33nm、34nm、35nm；所述炭气凝胶的平均孔径下限选自25nm、26nm、27nm、28nm、29nm、30nm、31nm、32nm、33nm、34nm。
28.可选地，所述炭气凝胶比表面为500-1000m2/g。
29.可选地，所述炭气凝胶比表面上限选自550m2/g、600m2/g、650m2/g、700m2/g、750m2/g、800m2/g、850m2/g、900m2/g、950m2/g、1000m2/g；所述炭气凝胶比表面下限选自500m2/g、550m2/g、600m2/g、650m2/g、700m2/g、750m2/g、800m2/g、850m2/g、900m2/g、950m2/g。
30.可选地，所述炭气凝胶的中孔孔容在1.5-3.5cm3/g之间可调。
31.可选地，所述炭气凝胶的中孔孔容可调范围上限选自1.6cm3/g、1.8cm3/g、2.0cm3/g、2.2cm3/g、2.4m2/g、2.6m2/g、2.8m2/g、3.0m2/g、3.2m2/g、3.4m2/g、3.5m2/g；所述炭气凝胶的中孔孔容可调范围下限选自1.5m2/g、1.6cm3/g、1.8cm3/g、2.0cm3/g、2.2cm3/g、2.4m2/g、2.6m2/g、2.8m2/g、3.0m2/g、3.2m2/g、3.4m2/g。
32.所述的一种炭气凝胶于血液净化中的应用。
33.可选地，所述一种炭气凝胶制备成吸附剂吸附血液中ldl中的应用。
34.可选地，所述吸附剂的制备过程为以聚乙烯醇包膜球状炭气凝胶，通过连接剂甲
基乙二醛将配基氨基酸固定于其上，制得对低密度脂蛋白有特异性吸附的目标炭气凝胶吸附剂。
35.在一较为具体的实施方案中，所述吸附剂的制备工艺如下：
36.步骤一、将炭气凝胶置于已溶解的聚乙烯醇水溶液中，40-60℃加热搅拌包膜1-3小时后充分过滤清洗；
37.步骤二、再加入30％的甲基乙二醛水溶液及适量催化剂浓盐酸，搅拌反应3-5小时，反应结束，充分清洗掉过量的甲基乙二醛；
38.步骤三、再用细流水冲洗逸出的甲基乙二醛24h，使残留的甲基乙二醛全部逸出，再用清水反复冲洗，从而得到吸附剂中间体；
39.步骤四、将所得吸附剂中间体置于三角烧瓶，加入适量蒸馏水(10ml)，
40.步骤五、以环己烷作为回流剂，滴加过量氨基酸，并以无水乙酸作为催化剂，置20-25℃恒温振摇器中振荡反应过夜，
41.步骤六、反应结束，过滤出颗粒，用清水反复冲洗直至过量的氨基酸冲洗干净；
42.步骤七、然后用在细流水中浸泡冲洗10-24h的办法，使未反应的而且夹藏在基质缝隙中的氨基酸也脱逸出来；
43.步骤八、再次用清水反复冲洗，并在30-50℃以下的条件干燥便制得实验所需的ldl选择性吸附剂。
44.本技术中所述炭气凝胶吸附剂的制备过程的原理为：炭气凝胶经包膜改性后，其内外表面被聚乙烯醇所覆盖，甲基乙二醛作为偶联剂，在催化剂强酸的作用下其中一端的醛基与pva的羟基反应生成结构稳定的中间体pva缩醛；甲基乙二醛的另一游离醛基则被包含于中间体中，然后经由弱酸冰醋酸等催化，该游离醛基继而与氨基酸的胺基发生共价化合反应，从而将配基氨基酸固定于载体之上。
45.可选地，所述氨基酸选自亮氨酸、异亮氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸、胱氨酸、半胱氨酸、精氨酸、甘氨酸、丝氨酸中的至少一种。
46.本技术的一种制备炭气凝胶的原理为二氧化硅溶胶作为有机聚合物的支撑骨架，其主要成分为无定型二氧化硅(msio2
·
nh2o)，可以通过反应条件控制二氧化硅胶团尺寸在50～150nm左右。二氧化硅纳米颗粒具有较高的能量，易于和溶胶-凝胶过程中的反应物单体发生范德华力作用，从而使溶胶的凝胶化和旋节相分离在短时间内完成，约2-3分钟。凝胶化后，还有大量未反应的单体和游离的聚合物团簇，它们继续反应，使聚合物凝胶老化变硬。同时，二氧化硅纳米颗粒会相互交联，形成三维网络骨架，超临界干燥时起到支撑作用，防止醇凝胶收缩塌陷，得到低密度的有机-无机杂化气凝胶。由于有机-无机复合结构的协同作用，抑制了纳米二氧化硅颗粒的团簇现象和聚合物炭化的结构收缩，因此气凝胶在炭化时体积收缩较小，炭化得到具有高孔隙率炭-二氧化硅复合气凝胶，再用氢氟酸刻蚀处理后得到炭气凝胶。因而，溶胶-凝胶过程形成的三维网络结构，具有无机-有机的协同作用，能够减少超临界干燥和热解过程的孔收缩，从而得孔隙结构完整的凝胶球。
47.与现有技术相比，本发明的优点包括：
48.(1)本技术提供的一种炭气凝胶的制备方法，该方法中采用骨架支撑方法，以纳米级二氧化硅水溶胶为骨架，利用有机无机复合网络协同支撑作用，有效避免常压干燥及高温裂解造成的网络塌陷及体积收缩，从而制得高比表面积，高孔容的球状炭气凝胶。
49.(2)本技术提供的吸附剂以聚乙烯醇包膜球状炭气凝胶并改性接枝，既利用了包膜材料的生物相容性，也利用其表面的大量官能团间接键合阴离子物质氨基酸，制得的吸附剂不仅提高了吸附容量，也增加了ldl的吸附选择性。
50.(3)本技术中提供的吸附剂采用共价键固定方式对配基进行固载，固定力极强，在使用过程中阴离子基团不会被血液冲刷而从载体材料上脱掉或被血浆蛋白结合后而致脱落，能很好地满足使用上的要求；同时，由于采用共价键合的固定方式，保留了分子上呈负电性的阴离子基团不受损失，使吸附剂特异性结合ldl的能力也基本不受影响。
51.(4)本技术的制备方法简单易行，原料来源易得，能够达到使用上的基本要求，可大规模的推广和应用。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1为本技术实施例1中制得的炭气凝胶的sem图；
54.图2为本技术实施例1制得的炭气凝胶吸附剂的sem图；
55.图3为本技术实施例1中制得的炭气凝胶和实施例6中制得的炭气凝胶吸附剂的红外光谱图。
具体实施方式
56.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
57.本技术中的各物质均为市售。
[0058][0059]
仪器为1、扫描电子显微镜(sem)表面形貌由扫描电镜(日本电子,jsm-5600lv)拍摄得到。在试样表面蒸镀上一层可导电的金膜，以保持图像有较好质量；操作电压20kv；2、孔结构参数使用美国micromeritics公司asap2020自动吸附仪测定。
[0060]
以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
[0061]
实施例1
[0062]
所述一种炭气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0063]
(1)制备有机-无机复合水凝胶：将固定质量的甲醛和间苯二酚以摩尔比4：1混合，配以预聚物浓度为5.0g/100ml，并与纳米级二氧化硅溶胶溶液的反应釜中，并以去离子水定容，直至反应溶液至ph值为9，120℃下搅拌反应60min，所得溶胶溶液以计量蠕动泵加入到表面活性剂和液体石蜡的混合溶液中，于100℃继续搅拌反应2h。反应结束后，于此温度下静置老化4天，得有机无机复合水凝胶球。
[0064]
(2)以无水乙醇对老化后的水凝胶进行置换，每天一次，置换三天，从而保证凝胶网络中的水份能够完全被乙醇替换。将置换后凝胶置于高压釜中，以石油醚(沸点30～60℃)为超临界介质，在120℃，15mpa下进行超临界干燥，即得有机-无机复合气凝胶。
[0065]
(3)制备炭-硅复合气凝胶：将上述制备的复合气凝胶放置于高温炭化炉，以氮气保护，5℃/min速率升至700℃，保持3h干燥，继续于氮气保护下自然冷却直至室温，得到炭-硅复合气凝胶
[0066]
(4)后续处理：将炭-硅复合气凝胶和干凝胶置于氢氟酸中一天，充分刻蚀掉其中的二氧化硅模板，再用去离子水洗去附着于凝胶上的氢氟酸(hf)溶液。经干燥后得***终所需材料炭气凝胶。实施例2
[0067]
一种炭气凝胶的制备方法与实施例1相同，不同之处在于预聚物浓度为6.0g/
100ml。
[0068]
实施例3
[0069]
一种炭气凝胶的制备方法与实施例1相同，不同之处在于预聚物浓度为8.0g/100ml。
[0070]
实施例4
[0071]
一种炭气凝胶的制备方法与实施例1相同，不同之处在于预聚物浓度为12.0g/100ml。
[0072]
实施例5
[0073]
一种炭气凝胶吸附剂的制备方法
[0074]
步骤一、将炭气凝胶置于已溶解的聚乙烯醇水溶液中，40-60℃加热搅拌包膜1-3小时后充分过滤清洗；
[0075]
步骤二、再加入30％的甲基乙二醛水溶液及适量催化剂浓盐酸，搅拌反应3-5小时，反应结束，充分清洗掉过量的甲基乙二醛；
[0076]
步骤三、再用细流水冲洗逸出的甲基乙二醛24h，使残留的甲基乙二醛全部逸出，再用清水反复冲洗，从而得到吸附剂中间体；
[0077]
步骤四、将所得吸附剂中间体置于三角烧瓶，加入适量蒸馏水(10ml)，
[0078]
步骤五、以环己烷作为回流剂，滴加过量氨基酸，并以无水乙酸作为催化剂，置20-25℃恒温振摇器中振荡反应过夜，
[0079]
步骤六、反应结束，过滤出颗粒，用清水反复冲洗直至过量的氨基酸冲洗干净；
[0080]
步骤七、然后用在细流水中浸泡冲洗10-24h的办法，使未反应的而且夹藏在基质缝隙中的氨基酸也脱逸出来；
[0081]
步骤八、再次用清水反复冲洗，并在30-50℃以下的条件干燥便制得实验所需的ldl选择性吸附剂。
[0082]
实施例6
[0083]
一种炭气凝胶吸附剂的制备方法与实施例5相同，不同之处为步骤一中采用施例2制得的炭气凝胶。
[0084]
实施例7
[0085]
一种炭气凝胶吸附剂的制备方法与实施例5相同，不同之处为步骤一中采用施例3制得的炭气凝胶。
[0086]
实施例8
[0087]
一种炭气凝胶吸附剂的制备方法与实施例5相同，不同之处为步骤一中采用施例4制得的炭气凝胶。
[0088]
实施例9
[0089]
将新鲜猪血置于离心试管，以2000rpm的转速离心20min后取出上清液。用浓度为0.9％的氯化钠生理盐水充分浸泡实施例6中制得的炭气凝胶吸附剂后，置于滤纸上，反复用滤纸吸干吸附剂表面水分。
[0090]
吸附操作采用静态吸附法。于试管中放入定量吸附剂，并加入适量已分离好的猪血血清，35℃下恒温振荡2h后取出，滤取上清液测定血清分子含量。采用自动生化分析仪试剂盒测定吸附前后血清中各分子物质的含量。
[0091]
其中，血液的储存为配置3.8％的柠檬酸三钠作为抗凝剂储存于广口瓶中，用其储存新鲜血液，并保存于4℃冰箱中。
[0092]
对实施例1中制得的炭气凝胶进行sem扫描，结果见图1。如图1所示，sem放大2万倍下对比炭气凝胶，炭气凝胶表面稀疏。炭气凝胶的孔隙结构更多的来源于旋节相分离，孔径分布较宽，且有部分大孔孔隙，凝胶表面疏松，具有发达的孔隙结构。
[0093]
对实施例6制得的炭气凝胶吸附剂进行sem扫描，结果见图2。如图2所示，可以看出所制得的炭气凝胶吸附剂均为光滑的单分散的球形颗粒，表面无裂纹，其粒径分布也比较均匀。
[0094]
对实施例1制得的炭气凝胶和实施例6中制得的炭气凝胶吸附剂进行红外光谱测试，结果见图3。如图3所示，由图可以很明显地看到，这两种物质红外图谱的红外吸收峰大部分是重叠的，说明两种物质所含的官能基团大部分相同。从炭气凝胶吸附剂红外图谱中可以看到，配基氨基酸已成功地以共价键的方式固定到载体pva的表面上。
[0095]
将实施例1-实施例4制得的炭气凝胶进行孔结构参数，结果见表1。
[0096]
表1炭气凝胶的孔结构参数
[0097][0098]
由表1可知，炭气凝胶均具有丰富的中孔结构，预聚物含量为8％时，中孔孔容达到3.05cm3/g，平均孔径在25-35nm。随预聚物含量的增加，炭气凝胶的比表面积和总孔容先增大后减小。这是因为，当预聚物由5％增加到8％，干燥和炭化过程中气凝胶的孔道支撑力变大，孔网络的收缩减少，超临界干燥和炭化过程中孔隙结构得到了很好的保持，比表面积和总孔容增加，孔径分布变宽。但随着预聚物含量由10％继续增加，比表面积和总孔容却减小，这是由于高的固含量填充部分孔道网络所致。可见，在炭气凝胶制备中，预聚物含量与比表面积、孔隙之间存在一个相应的匹配关系。
[0099]
采用实施例9的方法，对血浆样本吸附能力进行测试，结果如下表2：
[0100]
表2
[0101][0102]
由表2可知，此吸附剂除了能够较高地选择性吸附清除ldl外，对血液中的其他指标也是有一定的影响的，比如对于总胆固醇、血浆粘度、甘油三酯、纤维蛋白原等指标来说，它能够使这些指标的水平在循环结束后得到一定程度的下降，这对于改善血液流变学特性和净化血液环境是有益的；可是它对于一些指标比如总蛋白、白蛋白、高密度脂蛋白等指标来说，这些指标水平在循环结束后却发生了一定程度的下降，这些指标水平的下降是临床上所不期望发生的，但这些有益指标的下降并不大，其下降幅度在临床上是可以接受的。
[0103]
在一较为具体的实施例中，在人体环境的ph值、37℃下，将本技术制得的炭气凝胶吸附材料0.2g，加入ldl浓度为1.5mmol/l的猪血分离血清，150rpm的摇床中震荡3小时，结果表明炭气凝胶吸附材料对ldl的清除率为92％，而对hdl的清除率为10％；对血清中的hdl、tp、alb等有益成分基本无影响，表明所制备的吸附剂有很好的选择吸附性。
[0104]
本技术的提供的炭气凝胶吸附剂将负阴离子物质氨基酸通过偶联剂的作用共价键合于载体包膜炭气凝胶上，而获得一种对ldl有选择性吸附的吸附剂。
[0105]
本技术提供的炭气凝胶采用骨架支撑方法，以纳米级二氧化硅水溶胶为骨架，利用有机无机复合网络协同支撑作用，有效避免常压干燥及高温裂解造成的网络塌陷及体积收缩，从而制得高比表面积，高孔容的球状炭气凝胶做为低密度脂蛋白吸附剂的基础载体。
[0106]
本技术提供的炭气凝胶吸附剂以聚乙烯醇包膜球状炭气凝胶并改性接枝，既利用了包膜材料的生物相容性，也利用其表面的大量官能团间接键合阴离子物质氨基酸，制得的吸附剂一方面提高了吸附容量，另一方面也增加了ldl的吸附选择性。并且采用共价键固定方式对配基进行固载，固定力极强，所以在使用过程中阴离子基团不会被血液冲刷而从载体材料上脱掉或被血浆蛋白结合后而致脱落，能很好地满足使用上的要求；同时，由于采用共价键合的固定方式，保留了分子上呈负电性的阴离子基团不受损失，使吸附剂特异性结合ldl的能力也基本不受影响。
[0107]
本技术提供的炭气凝胶吸附剂能够满足生产实际需要，由于制作工艺相对来说简单易行，原料来源也较为易得，同时，应用性能也能够达到使用上的基本要求，因此其具有较大可产业化及其可推广的可能性。
[0108]
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。