舒展，李 釩，楊 健

聚醚砜血液透析膜共混改性技術(shù)研究進(jìn)展

舒展，李 釩，楊 健

介紹了幾種常用添加劑對(duì)膜形態(tài)、性能的影響，綜述了近期國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚醚砜血液透析膜進(jìn)行的共混改性研究進(jìn)展，指出了共混改性法能夠顯著提高膜的親水、防污等性能，為今后血液透析膜的改性研究提供了參考。

聚醚砜；血液透析膜；共混改性

0 引言

目前，臨床上對(duì)于晚期腎病患者的主要治療方法有3種，分別是腎移植、腹膜透析以及血液透析。其中，血液透析以其良好的療效成為了最主要的治療方法，有效地延長(zhǎng)了病患的生命，提高了生活質(zhì)量。血液透析依靠彌散、對(duì)流、超濾、吸附等方法對(duì)患者體內(nèi)的毒素進(jìn)行清除，還能起到維持水電解質(zhì)平衡的作用。在治療過(guò)程中，患者體內(nèi)的有害物質(zhì)主要通過(guò)透析膜與透析液進(jìn)行交換，完成透析治療，因此透析膜的性能成為了影響透析療效的關(guān)鍵因素。衡量血液透析膜性能的主要指標(biāo)包括純水通量、親水性、防污性和血液相容性等。

近20 a血液透析膜的合成材料主要包括纖維素、醋酸纖維素（cellulose acetate，CA）、聚砜（polysulfone，PS）、聚醚砜（polyether sulfone，PES）、聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）、乙烯-乙烯醇共聚物（ethylene-vinyl alcohol copolymer，EVOH）、聚甲基丙烯酸甲酯（poly（methyl methacrylate），PMMA）和聚乙烯醇（poly（vinyl alcohol），PVA）等，目前采用PES和PS作為原料制作的透析膜超過(guò)了70%[1]。

PES與其他材料相比，具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱性良好、血液相容性高以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，制備出的透析膜較聚砜膜等其他材料有更高的親水性和耐熱、耐腐蝕性能。因此對(duì)PES血液透析膜的制備及改性進(jìn)行研究具有重要意義。

1 鑄膜液中添加劑對(duì)膜形態(tài)及性能的影響

在PES透析膜的制備過(guò)程中，影響膜形態(tài)與性能的參數(shù)很多，其中包括聚合物濃度、溶劑-非溶劑體系的選擇、制備環(huán)境溫度以及添加劑的選擇等。由于溫度等條件比較容易控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為明顯，因此對(duì)這些參數(shù)的研究已日趨成熟。而添加劑對(duì)于膜的形態(tài)與性能均有較強(qiáng)影響，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鑄膜液中使用的添加劑種類及其濃度進(jìn)行了研究，取得了較好的成果。

PES膜制備中常用的添加劑主要包括齊聚物添加劑（如聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG））及有機(jī)小分子添加劑（如醇類）等。PVP是制備PES血液透析膜常用的添加劑，它的主要作用是抑制膜表面大孔結(jié)構(gòu)的形成，使膜形態(tài)由指狀結(jié)構(gòu)向海綿狀轉(zhuǎn)變，提高膜的純水通量以及親水性。Vatsha等[2]使用PVP（K40）作為添加劑制備了PES超濾膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加至10wt%時(shí)，膜的水接觸角由67°降低至39°，膜的純水通量由112 L/（m2·h·mmHg）增長(zhǎng)至418 L/（m2·h·mmHg）（1 mmHg=133.322 Pa）。Qin等[3]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣驗(yàn)證了PVP對(duì)親水性與純水通量的提升作用，研究人員還發(fā)現(xiàn)，加入PVP降低了膜的蛋白質(zhì)的吸附以及血小板黏附，說(shuō)明PVP對(duì)PES透析膜的血液相容性也有改善。

PEG也是一種常用的添加劑，經(jīng)常被當(dāng)做致孔劑應(yīng)用于膜的制備。Li等[4]對(duì)比發(fā)現(xiàn)PEG200作為添加劑較PEG400和PEG600制得的膜具有更高的水通量。當(dāng)使用的PEG200的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30wt%提升至70wt%時(shí)，斷面結(jié)構(gòu)由大孔向海綿狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；在PEG200的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60wt%時(shí)，膜水通量峰值可達(dá)1 845 L/（m2·h·bar）（1 bar=100 kPa）；并且當(dāng)PEG200的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30wt%增至60wt%時(shí)，水接觸角由82.1°降為58.2°?？梢?jiàn)PEG的加入影響了膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)，并且有效提高了膜的親水性。

除PVP及PEG外，小分子醇類也對(duì)膜結(jié)構(gòu)有一定影響。Amirilargani等[5]分別使用甲醇、乙醇以及1-丙醇作為添加劑，加入PES/PVP/N-甲基吡咯烷酮（N-methyl-2-pyrrolidone，NMP）鑄膜液系統(tǒng)，制備了PES超濾膜。通過(guò)掃描電鏡觀察制備的3種超濾膜橫截面，可以看出3種膜的形態(tài)隨著醇類添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，由大孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹笭羁捉Y(jié)構(gòu)，在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)醇作用下，出現(xiàn)海綿狀結(jié)構(gòu)。對(duì)膜表面粗糙度分析表明，加入醇類添加劑的膜表面的平均孔徑普遍低于未加入添加劑的膜，膜的蛋白質(zhì)的截留率也隨之提高。比較3種醇分子，1-丙醇制備的PES膜具有最高的蛋白質(zhì)截留率。

2 共混改性對(duì)PES透析膜形態(tài)及性能的影響

血液透析膜在臨床應(yīng)用中還存在著一些不足，如造成血栓的形成、免疫系統(tǒng)排斥或者因血液相容性不足而遭到其他組織排斥等問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高PES透析膜的親水性、防污性能、抗溶血性等作了大量研究，如涂膜改性、輻照改性等，并取得了較好的成果。然而在諸多方法中，使用共混改性的研究占了很大比例，制得的透析膜性能提升也非常明顯。

2.1 染料木黃酮（genistein，G）共混改性

在透析過(guò)程中，血液由于長(zhǎng)時(shí)間與膜接觸，會(huì)發(fā)生透析引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)以及膜引起的炎癥。為了緩解上述反應(yīng)，可以在透析膜的制備過(guò)程中加入維生素E或植物化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行共混改性。較早前有研究者利用維生素E對(duì)血液透析膜進(jìn)行了涂膜改性，一定程度上改善了膜的抗氧化性[6-7]。Chang等使用染料木黃酮對(duì)聚酰胺纖維膜進(jìn)行共混改性，發(fā)現(xiàn)改性的膜具有非常好的細(xì)胞活性[8]，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，制備了用PVP以及染料木黃酮改性的PES透析膜[9]。掃描電鏡觀察結(jié)果表明，改性膜較純PES膜具有更為明顯的致密表層和指狀斷面結(jié)構(gòu)。在血液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)PES/G與PES/PVP/G混溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比分別為95/5和76/19/5時(shí)，染料木黃酮的浸出率分別為0.006%和0.022%。染料木黃酮的浸出率提高的原因是PVP良好的親水性能。

2.2 兩親性共聚物共混改性

親水聚合物添加劑能夠提高膜通量和親水性，但是在制備過(guò)程中會(huì)大量溶出，使用兩親性共聚物可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。Lee等[10]合成了一種三嵌段共聚物（聚環(huán)氧乙烷-聚氧化丙烯-聚環(huán)氧乙烷）進(jìn)行改性，有效地減少了膜表面的血小板黏附。為了進(jìn)一步提高PES透析膜的性能，Song等[11]合成了由PVP與聚丙烯酸接枝聚甲基丙烯酸甲酯（poly（vinylpyrrolidone）-block-poly（acrylate-graft-poly（methyl methacrylate））-block-poly（vinylpyrrolidone），P（AE-g-PMMA））形成的兩親性嵌段共聚物PVP-b-P（AE-g-PMMA）-b-PVP，再與PES進(jìn)行共混改性。研究者測(cè)試表明：當(dāng)加入新共聚物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1wt%和7wt%時(shí)，相應(yīng)改性膜的水接觸角為79.8°和55°，純水通量為17.60和134.50 ml/（m2·h·mmHg），初始白質(zhì)截留率為95.85%和94.23%，但是在經(jīng)過(guò)3次循環(huán)過(guò)濾之后，通量恢復(fù)率分別為46.40%和80.05%，活化部分凝血活酶時(shí)間（activated partial thromboplastin time，APTT）為58.5和80.1 s。可見(jiàn)高濃度兩親性嵌段共聚物可以有效提高改性膜的親水、防污性能。研究者分析由于嵌段的PVP集中于膜表面，提供了共混膜優(yōu)秀的血液相容性以及親水性，同時(shí)（AE-PMMA）鏈段與PES大分子有較強(qiáng)的相互作用，防止了浸在水中時(shí)共聚物的流失。

在使用兩親性聚合物的基礎(chǔ)上，加入特定添加劑合成新共聚物對(duì)PES進(jìn)行共混改性，還可以提高透析膜的特定性能。檸檬酸（citric acid，CA）是一種廣泛應(yīng)用的抗凝血?jiǎng)琇i等[12]將CA接枝于聚氨酯（polyurethane，PU），再用于PES透析膜共混改性。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)這種方法提高了膜的純水通量，有效減少了血小板黏附。Yin等[13]利用三嵌段聚合物對(duì)PES膜進(jìn)行共混改性，制備了一種具有較好抗污性能、能夠有效抑制血栓形成的透析膜。在該研究中，使用PEG與檸檬酸合成了mPEG-PU-mPEG和CA-PU-CA 2種新的三嵌段聚合物。新的共混物能以很高的比例與PES進(jìn)行混合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)提高mPEGPU-mPEG的濃度，可以有效提高膜的親水性、防污性能。純PES膜的水接觸角大約為82.1°，而改性膜的水接觸角最低可以達(dá)到60.4°。純水通量試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果顯示，改性膜為224.4 ml/（m2·h·mmHg），而純PES膜僅為30.9 ml/（m2·h·mmHg），在循環(huán)過(guò)濾試驗(yàn)中，改性膜在3次循環(huán)之后依然保持有90.12%的通量恢復(fù)率，純PES膜僅有53.07%。血漿蛋白在膜表面吸附測(cè)試的結(jié)果顯示，純PES膜的吸附量約為15.7 μg/cm2，改性膜吸附量為6.4 μg/cm2，通過(guò)使用掃描電鏡對(duì)膜表面進(jìn)行觀測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)純PES膜上有許多血小板積累，而改性膜大大地抑制了血小板的黏附，鮮有血小板出現(xiàn)。提高CA-PU-CA組分的濃度能夠顯著地提升改性膜的抗凝血能力，血漿復(fù)鈣時(shí)間（plasma recalcification time，PRT）測(cè)試結(jié)果顯示，改性膜的PRT可以達(dá)到近330 s，純PES膜只有不到200 s。

2.3 納米顆粒共混改性

Irfan等[14]利用了納米顆粒對(duì)PES膜進(jìn)行了表面改性以及性能增強(qiáng)的研究。研究者首先利用納米復(fù)合材料酸化后得到功能化多壁碳納米管（functionalized multi wall carbon nanotubes，f-MWCNT），再與PVP混合后對(duì)PES進(jìn)行共混改性，通過(guò)相轉(zhuǎn)換過(guò)程制備PES/PVP-f-MWCNT納米雜化血液透析膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PES膜的孔結(jié)構(gòu)由淚珠狀以及海綿狀改變?yōu)橹笭?，并且孔徑也有所提升，改性膜的水接觸角為51°，純PES膜為88°，提高f-MWCNT濃度有助于提高水通量，但是濃度超過(guò)0.1wt%時(shí)提升效果會(huì)變得很不明顯，改性膜對(duì)于尿素與肌酐的清除率為56.3%和55.08%，接近于臨床使用的透析膜產(chǎn)品。Zhao等[15]使用N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（N，N′-methylenebisacrylamide，NMBAA）作為交聯(lián)劑，NMP作為溶劑，在PES溶液中將N-乙烯基吡咯烷酮（N-vinyl-pyrrolidone，VP）通過(guò)自由基聚合的方法交聯(lián)于PES鏈上，合成了PES/PVP半互穿網(wǎng)絡(luò)納米顆粒，然后利用該材料對(duì)PES透析膜進(jìn)行共混改性。測(cè)試結(jié)果顯示：納米顆粒改性后透析膜的蛋白質(zhì)截留率和通量恢復(fù)率均有提升，當(dāng)PES與VP以1∶10質(zhì)量分?jǐn)?shù)比共混時(shí)，改性膜的蛋白質(zhì)截留率為（93±1）%，通量恢復(fù)率為（94±4）%，純PES膜的截留率和恢復(fù)率分別為（86±1）%和（34±5）%。聚合納米顆粒還可以有效抑制蛋白質(zhì)的吸附，提高膜的抗凝血能力。使用BCA（bicinchoninic acid）蛋白測(cè)定試劑盒對(duì)膜的蛋白質(zhì)吸附率進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，改性膜的蛋白質(zhì)吸附量?jī)H有不到1 μg/cm2，純PES膜為9.5 μg/cm2，改性膜的APTT測(cè)試結(jié)果達(dá)到43s，純PES膜為37s。

2.4 磺化聚醚砜共混改性

磺化聚醚砜（sulfonated polyethersulfone，SPES）在反滲透、超濾和離子交換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，研究人員利用SPES對(duì)PES透析膜進(jìn)行共混改性，有效地改進(jìn)了PES透析膜，成果主要表現(xiàn)在提高了膜的水通量以及防污性能[16]。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)SPES共混物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0提升到2wt%時(shí)，制備的透析膜的水通量從162 ml/（m2·h·mmHg）提升至1 912.9 ml/（m2·h·mmHg），改性膜的APTT較改性前延長(zhǎng)了近41%，由51 s提升至72 s，PRT測(cè)試結(jié)果也由300 s提升至1 800 s。

3 結(jié)語(yǔ)

共混改性法操作簡(jiǎn)便，能較大幅度地提升PES透析膜的親水性、防污性以及蛋白質(zhì)截留率等性能，且相對(duì)容易控制，成本較低，易于工業(yè)化生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景，有望成為今后的主要發(fā)展方向。但是目前大多數(shù)研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，今后的工作重點(diǎn)應(yīng)該向提高制備膜的穩(wěn)定性發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)，應(yīng)用于臨床，為廣大病患提供更好的醫(yī)療條件。

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（收稿：2015-01-12 修回：2015-04-25）

Development of polyethersulfone hemodialysis membrane modification

SHU Zhan,LI Fan,YANG Jian
（Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

The effects of several common additives on membrane morphology and performance were introduced.Development of blending modification of polyethersulfone hemodialysis membrane was reviewed,which could improve the membrane in hydrophilicity,antifouling and etc.It's pointed out that blending modification could significantly improve the hydrophilic and antifouling performances of hemodialysis membrane. [Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（12）：106-108]

polyethersulfone;hemodialysis membrane;blending modification

R318.08

A

[文章編號(hào)]1003-8868（2015）12-0106-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.12.106

軍隊(duì)面上項(xiàng)目（CWS11J082）

舒展（1985—），男，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程方面的研究工作，E-mail：shuzhan1011@163.com。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（舒展，李 釩，楊 ?。?/p>

楊 健，E-mail：yangjian_tj@eyou.com