脱除中药中重金属的仿生材料的设计、合成及作用机理研究

重金属含量超标是中药研发和产业化过程中急待解决的问题，是影响中药进入国际市场的主要障碍。本课题利用生物对重金属元素的敏感性（即"中毒"机制）和自发产生"抗体"的特性，在研究材料选择性富集重金属的构效关系的基础上，开发适用于脱除中药中微量有害重金属元素的仿生材料。首先培养耐重金属生物和剖析其组成结构，确定或推测能够富集重金属的关键蛋白质结构、氨基酸分子、骨盐组成成分；进而用带有氨基，羟基，烷基，巯基等的小分子与聚天冬酰胺反应，设计合成具有推测结构的类蛋白质；将此类蛋白质与壳聚糖、无机盐、表面活性物质等进行化学键合或自组装，制备仿细胞壁/膜结构或骨质结构的性能优异的仿生材料；同时完成材料的官能团和亲水/疏水性调变，解决吸附材料对于重金属与药效成分的作用差异问题；考察仿生材料对不同种类中药（羧酸型、生物碱型、离子型）的作用规律，确定适用范围。最终在保留药效成分的前提下，有效脱除中药中微量重金属。

重金属含量超标是中草药研发和产业化过程中急待解决的问题，是影响中草药进入国际市场的主要障碍。本课题提出利用生物对重金属元素的敏感性（即"中毒"机制）和自发产生"抗体"的特性，在研究相关离子或基团选择性固着重金属的构效关系的基础上，开发适用于脱除中药中微量有害重金属元素的仿生材料的研究思路。据此思路，首先以含重金属（铅、镉、铬、汞或砷）离子的水溶液培养植物（使其根/茎部富集重金属），通过分析对比含重金属环境与不含重金属环境下培养的植物根/茎部元素及其含量变化，研究重金属在植物中的存在状态，推测可能对固着重金属起关键作用的离子或官能团，并通过模拟植物沉降/吸附重金属实验进行验证，初步确定了植物固着/富集上述五种有害重金属的主要物种及其辅助物种。同时，在接近人体生理条件下，化学合成了仿骨盐—羟基磷灰石及其在人体骨质结构中可能存在的取代磷灰石，探讨了它们对重金属离子的固着作用机理，进一步确定了能够固着重金属的关键成分。此外，选用带有氨基，羟基，烷基，巯基等的小分子与聚天冬酰胺反应，设计合成了带有不同官能团侧链的类蛋白质，研究了不同官能团对重金属离子的吸附作用规律，确定了能够固着重金属的关键蛋白质结构。之后，将优化的类蛋白质与壳聚糖、无机盐、表面活性物质等进行化学键合或自组装，制备了仿细胞壁/膜结构或骨质结构的仿生材料，进一步考察仿生材料中多种离子和官能团的共存对重金属固着/吸附协同作用或相互影响。基于上述构效关系研究结果，筛选或合成富含可强力固着重金属的关键/辅助离子或官能团的材料，考察了它们对不同种类中药—甘草（羧酸型）、麻黄（生物碱型）、黄莲（离子型）中药效成分的相互作用规律，掌握了这些关键/辅助离子或官能团与重金属/药效成分间的作用差异。以此为依据，针对不同种类的中药及所含重金属类型，通过调整材料组成，既保留了药效成分，又有效地脱除了中药中微量重金属。 .研究过程运用了电感耦合等离子发射光谱、光电子能谱、热重/差热分析、X-射线衍射、红外光谱、扫描电镜、电位分析、元素分析、液相色谱等多种先进的分析、表征手段。.本课题研究思路新颖，研究内容充实，研究手段独特，研究成果理论与实用兼备。研究论文发表在化工领域顶级期刊AIChE Journal上，授权和申请了多项发明专利。所取得的研究成果也将为环保领域科学、经济、高效地治理重金属污染提供了非常有价值的理论依据和技术支持。