介孔碳材料特异性吸附低密度脂蛋白的研究二O一O年11月介孔碳材料特异性吸附低密度脂蛋白的研究【摘要】【关键字】一、背景碳是自然界储量丰富和存在形式变化最多的元素。

与其它无机非金属材料相比，碳元素的特点之一是存在着众多的同素异形体，其原子间除单键外，还能形成稳定的双键和叁键，从而形成许多结构和性质完全不同的物质，人们所熟知的就有金刚石、石墨和不同石墨化程度的各种过渡态炭，近年来又发现了以C60为代表的富勒烯和碳纳米管。

由于炭元素键合方式的多样化，炭材料的特性几乎可包括地球上所有物质的各种性质甚至相对立的性质，如从最硬到极软，全吸光到全透光，绝缘到半导体直至高导体，绝热到良导体，铁磁体到高临界温度的超导体等。

从特性来看，炭材料可以是兼有金属、陶瓷和高分子材料三者性能于一身的独特材料。

近年来对炭材料的认识又有飞跃性的发展，发现炭在纳米尺度的不同组装或排列方式对炭材料的性能有本质的影响。

由于纳米孔结构炭材料有良好的结构可设计性，表面积、孔结构及表面物理化学性质的可控制性，可根据不同应用对其结构的要求设计出相应的纳米孔结构炭材料，因此纳米孔结构炭材料的结构设计与可控制备及其在能源、催化和生物领域的应用成为该领域的一个重要研究方向。

（一）、多孔材料概述从20世纪60年代美国对高比表面积活性炭的研究开始，多孔材料第一次作为一门新兴的材料学跃上了材料研究的舞台，并发挥了重要的作用，成为材料研究领域不可缺少的一部分。

随着科学技术的迅速发展，多孔材料的发展也更加迅猛，不仅局限于某一方面，而且逐步面向工业生产和日常生活的每一个方面。

与一般材料不同，多孔材料不仅能和原子、离子和分子在材料的表面发生作用，而且这种作用还能贯穿于整个材料的体相内的微观空间。

由于这种独特的性能，多孔材料在多相催化、吸附分离、传感器、天然气和氢气储存、电化学电极材料等众多领域有广泛的应用前景，一直受到人们的关注，全世界有上千个实验室开展相关研究。

根据国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）的规定，孔径小于2 nm称为微孔材料（microporous materials），孔径介于2-50 nm为中孔或介孔材料（mesoporous materials），而孔径大于50 nm称为大孔材料（macroporous materials）。

其中常见的微孔材料有沸石、活性炭以及有机金属调和聚合物等，中孔材料包括气凝胶、层状粘土、MCM系列和SBA系列有序中孔氧化硅材料，大孔材料主要包括有多孔陶瓷等。

（二）、炭气凝胶1、炭气凝胶结构炭气凝胶(Carbon Aerogels)是经溶胶一凝胶、超临界干燥及炭化过程制备的一种新型轻质纳米多孔无定形炭素材料．其孔隙率高达80～98%，典型孔隙尺寸小于5Onm，网络胶体颗粒尺寸3～20nm，比表面积高达600～lO00m²/g，密度变化范围0.05～0.80g/cm³，是一种具有许多优异性能(导电性、光导性、绝热性等)和广阔应用前景的功能性材料。

气凝胶是最轻的凝聚态固体材料口，具有特殊的纳水结构，从而导致了其独特的性能和用途。

进入八十年代气凝胶的研究异常活跃，在制备和性能的基础和应用研究方面已取得引人注目的成绩。

其中最具影响力的进展之一是美国Lawrance Livermore国家实验室Pekala R.W。

在1987年首次制备出有机气凝胶．并炭化得到炭气凝胶。

虽然经过近十年的研究开发有机气凝胶和炭气凝胶，但与无机气凝胶相比，还处于研究起步阶段，有许多规律和应用需要进一步研究和开拓。

尤其是炭气凝胶与众多的高新技术相联系，我们认为其研究必将有利于高新技术的发展。

2、炭气凝胶的性质（1）气凝胶的微孔特性通过低温N2吸附法可测量气凝胶的比表面积和孔径分布，气凝胶是典型的中孔材料，最可几孔径通常小于50nm，比表面积约200～1100㎡/g，控制溶胶一凝胶过程的合成条件可以控制孔结构。

但N2吸附过程可能使一些闭孔无法检测，同时测试结果的计算涉及到模型的选择问题，不同的模型得到的结果往往相差较大，因而不能完全真实反映气凝胶的孔径分布和总孔容。

核磁共振(NMR)结合傅立叶红外光谱(FTIR)可以从分子水平了解凝胶网络结构中交联键的形成过程，为合成机理的论证提供依据。

高分辨透射电镜(HRTEM)和扫描电镜(SEM)则从直观图象给出气凝胶的内部交联网络结构,但是高压电子束与气凝胶纤细网络之间的相互作用容易引起气凝胶结构的烧结，导致气凝胶电镜图象变形。

小角散射(SAX)是目前表征气凝胶最可信、最有力的手段，且对样品没有损害。

散射结果可以反映网络和粒子的分形特征，孔、团簇和粒子的关联长度。

硅气凝胶具有典型的分形特征，而有机气凝胶的分形行为还不能确定。

硅气凝胶已成为研究分形结构动力学行为的最佳材料。

（2）气凝胶的热性能纳米多孔气凝胶具有极低的热导率。

气凝胶的热导率由气相热导率、固相热导率和辐射热导率组成。

降低气凝胶的周边气压是降低气相热导率的有效途径，当气压减少到10 Pa时，气相热导率可以忽略不计，固相和辐射热导率之和仅为0．01 w/(m·K)。

固相热导率与气凝胶的密度成标度关系，密度越低，固相热导率越低；辐射热导率则与气凝胶的红外吸收有关，通过在溶胶凝胶过程添加适量的红外吸收剂(如炭黑)可有效降低辐射热导率。

目前室温常压掺杂硅气凝胶的热导率仅0．014W/(m·K)，抽真空后热导率小于0．009 w/(m·K)，隔热性能最好的硅气凝胶热导率仅0．002 w/(m·K)，是热导率最低的固态材料。

（3）气凝胶的电化学性能有机气凝胶经过炭化以后得到炭气凝胶，这是唯一具有导电性的气凝胶。

炭气凝胶是一种强无序结构的纳米炭材料，与其他炭材料相比，常温下具有很高的电导率(10-25S/cm)，其常温电导率的大小由炭气凝胶的密度决定。

炭气凝胶的低温电输运机制是费米能级附近跳跃电导，不同温区输运机制各不相同，相应的激活能也不同。

循环伏安法测试结果显示炭气凝胶具有良好的电化学稳定性。

（三）、低密度脂蛋白LDL1、LDL的形成LDL在血液中起到运输脂类尤其是胆固醇的作用。

其形成机制比较复杂，它的产生从肝脏将极低密度脂蛋白(VLDL)捧入血液中开始。

VLDL主要由肝细胞台成，其内部主要包含在肝脏中合成的甘油三酯和少部分胆周醇酯。

表面有几种蛋白质：载脂蛋白B(apoB-100)、载脂蛋白E(apoE)和载脂蛋白C(apoC)等。

其中apoB-100和apoE都可与LDL受体结合，但在VLDL中与受体结合的仅是apoE。

当VLDL 颗粒到达脂肪组织或肌肉的毛细管时，其中的甘油三酯释放出来，并脱掉apoc，这样就生成r一种新的颗粒。

其尺寸比VLDL小．富含胆固醇，但仍然含有apoB-100和apoE，这种颗粒称为中间密度脂蛋白(IDL)。

对于人类而言．大约半数的IDL将很快从血液循环中除去，(一般在其形成的2--6h内即除去)与肝细胞结台，放出胆固醇用于制造新的VLDL和胆汁酸。

没有被肝脏吸收的IDL继续留在血液循环中，经过一段时间后apoE从IDL脱落，剩下的颗粒则转变为低密度脂蛋白(LDL)，此时apoB-100成为LDL中主要的蛋白质。

由于apoB-100与LDL受体的亲和力较低。

LDL的寿命比IDL要长，它们在与肝脏和其它组织中的LDL受体结合前，通常在体内可咀存在2 5天。

2、LDL的整体结构LDL含有一个单分子的载脂蛋白apoB一100，几乎不含其它蛋白质。

传统上，人类LDL定义为密度在1 019～1 0639／ml的脂蛋白。

LDL中含19～21％蛋白质，37—43％胆固酵酯，8-11％未酯化的胆固醇，4～11％甘油三酯，22％磷脂以及约1％糖类。

其数均分子量为2．7×106。

假定LDL为球形，且设定其密度为1 030g/ml，则其无水半径可通过计算得到，为R=10.1nm。

根据定义,Stokes半径为无水半径乘上移动摩擦系数，而LDL的移动摩擦系数为1 11。

因此人类LDL的平均Stokes半径11.2,LDL的平均尺寸和密度存在个体差异，这些差异主要由于遗传和饮食因素所引起。

关于LDL的结构，现在普遍被人们所接受的是乳状液颗粒模型(emulsion particle model)。

在这个模型中，LDL颗粒近似为球形，球内部呈中性。

主要为且日固醇酯(约1600个)，也有少量甘油三酯。

外层为亲水亲油的单分了层，包括磷脂、术酯化的胆固醇以及一个分子的载脂蛋白apoB-100。

这个亲承亲油的外层围绕着疏水的胆固醇酯和H油三酯，将其与血浆水溶液分隔开来，磷脂有序排列以使它们的亲水头部朝外，从而使得LDL可以溶解在血液中。

磷脂、胆固醇和apoB-100形成的表面单分子层的厚度可根据脂蛋白组成随脂蛋白尺寸的变化估算出，为2.15nm或2.02nm。

在该单分子层中，磷脂和未酯化胆固醇的摩尔比约为l：1，磷脂和胆固醇的体积占据了一个中等尺寸LDL的2 02nm厚外表层的约70％，单分子的apoB-100占据了剩下的约30％体积。

实际上，LDL内核与外层的界限并不是十分分明，有少量的内桉脂类溶解在表面单分子层(约3mol％)，而约l/9的未成酯的胆固醇则溶解在内核中。

家族性高胆固醇血症(Familialh ypercholesterolemia,FH)是低密度脂蛋白受体(Lowdensity lipoprotein receptor,LD L-R)基因突变引起的一种常染色体显性遗传性疾病。

纯合子患者症状严重发病率为1/100 000，血浆总胆固醇水平较正常高4倍，早年即出现严重的动脉粥样硬化(Atherosclerosis,AS )和黄色瘤。

杂合子患者的发病率为1/500，由于只含有一条突变的LDL-R基因，仅50%的受体异常，同时体内存在其他代偿机制，症状较轻，黄色瘤和心肌梗死一般在30岁以后出现，40-60岁进人高峰。

对于家族性高胆固醇血症由于是基因缺陷所致的高脂血症，无法通过调整饮食习惯(膳食治疗)和改善生活方式(生活方式治疗)和药物治疗获得改善。

低密度脂蛋白血液净化(LDL-apheresis)作为一种有效的治疗冠心病严重高胆固醇血症方法，近年来被广泛采用。

3、新型LDL血液吸附剂材料的要求新型血液净化材料的开发是低密度脂蛋白血液净化研究的核心。

研究重点主要集中在从配基和载体两方面人手的新型吸附剂的开发上。

作为一种生物医用高分子吸附材料，必须符合以下要求仁旧:对人体无毒，安全。

具有稳定的化学性质，与人体血液接触时，不发生任何化学和生理变化。

吸附剂具有较高机械强度、颗粒稳定、不易变性、破碎和脱落。

具有良好的血液相容性，即不引起血栓，不破坏血细胞，不致使血浆蛋白变形，不破坏酶系统，不扰乱电解质系统，不引起有毒的免疫反应和过敏反应，不损害邻近的组织不致癌，不产生毒性反应易消毒和灭菌，易贮存等。