聚醚砜血液透析膜共混改性技术研究进展

舒展，李 钒，杨 健

聚醚砜血液透析膜共混改性技术研究进展

舒展，李 钒，杨 健

介绍了几种常用添加剂对膜形态、性能的影响，综述了近期国内外学者对聚醚砜血液透析膜进行的共混改性研究进展，指出了共混改性法能够显著提高膜的亲水、防污等性能，为今后血液透析膜的改性研究提供了参考。

聚醚砜；血液透析膜；共混改性

0 引言

目前，临床上对于晚期肾病患者的主要治疗方法有3种，分别是肾移植、腹膜透析以及血液透析。其中，血液透析以其良好的疗效成为了最主要的治疗方法，有效地延长了病患的生命，提高了生活质量。血液透析依靠弥散、对流、超滤、吸附等方法对患者体内的毒素进行清除，还能起到维持水电解质平衡的作用。在治疗过程中，患者体内的有害物质主要通过透析膜与透析液进行交换，完成透析治疗，因此透析膜的性能成为了影响透析疗效的关键因素。衡量血液透析膜性能的主要指标包括纯水通量、亲水性、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纤维素、醋酸纤维素（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作为原料制作的透析膜超过了70%[1]。

PES与其他材料相比，具有机械强度高、化学性能稳定、耐热性良好、血液相容性高以及使用寿命长等特点，制备出的透析膜较聚砜膜等其他材料有更高的亲水性和耐热、耐腐蚀性能。因此对PES血液透析膜的制备及改性进行研究具有重要意义。

1 铸膜液中添加剂对膜形态及性能的影响

在PES透析膜的制备过程中，影响膜形态与性能的参数很多，其中包括聚合物浓度、溶剂-非溶剂体系的选择、制备环境温度以及添加剂的选择等。由于温度等条件比较容易控制，实验结果也较为明显，因此对这些参数的研究已日趋成熟。而添加剂对于膜的形态与性能均有较强影响，近年来国内外学者对铸膜液中使用的添加剂种类及其浓度进行了研究，取得了较好的成果。

PES膜制备中常用的添加剂主要包括齐聚物添加剂（如聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）、聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG））及有机小分子添加剂（如醇类）等。PVP是制备PES血液透析膜常用的添加剂，它的主要作用是抑制膜表面大孔结构的形成，使膜形态由指状结构向海绵状转变，提高膜的纯水通量以及亲水性。Vatsha等[2]使用PVP（K40）作为添加剂制备了PES超滤膜，发现当PVP的质量分数由0增加至10wt%时，膜的水接触角由67°降低至39°，膜的纯水通量由112 L/（m2·h·mmHg）增长至418 L/（m2·h·mmHg）（1 mmHg=133.322 Pa）。Qin等[3]的实验结果同样验证了PVP对亲水性与纯水通量的提升作用，研究人员还发现，加入PVP降低了膜的蛋白质的吸附以及血小板黏附，说明PVP对PES透析膜的血液相容性也有改善。

PEG也是一种常用的添加剂，经常被当做致孔剂应用于膜的制备。Li等[4]对比发现PEG200作为添加剂较PEG400和PEG600制得的膜具有更高的水通量。当使用的PEG200的质量分数由30wt%提升至70wt%时，断面结构由大孔向海绵状结构转变；在PEG200的质量分数为60wt%时，膜水通量峰值可达1 845 L/（m2·h·bar）（1 bar=100 kPa）；并且当PEG200的质量分数由30wt%增至60wt%时，水接触角由82.1°降为58.2°。可见PEG的加入影响了膜的形态结构，并且有效提高了膜的亲水性。

除PVP及PEG外，小分子醇类也对膜结构有一定影响。Amirilargani等[5]分别使用甲醇、乙醇以及1-丙醇作为添加剂，加入PES/PVP/N-甲基吡咯烷酮（N-methyl-2-pyrrolidone，NMP）铸膜液系统，制备了PES超滤膜。通过扫描电镜观察制备的3种超滤膜横截面，可以看出3种膜的形态随着醇类添加剂质量分数的提高，由大孔结构转变为指状孔结构，在高质量分数醇作用下，出现海绵状结构。对膜表面粗糙度分析表明，加入醇类添加剂的膜表面的平均孔径普遍低于未加入添加剂的膜，膜的蛋白质的截留率也随之提高。比较3种醇分子，1-丙醇制备的PES膜具有最高的蛋白质截留率。

2 共混改性对PES透析膜形态及性能的影响

血液透析膜在临床应用中还存在着一些不足，如造成血栓的形成、免疫系统排斥或者因血液相容性不足而遭到其他组织排斥等问题。近年来，国内外学者对提高PES透析膜的亲水性、防污性能、抗溶血性等作了大量研究，如涂膜改性、辐照改性等，并取得了较好的成果。然而在诸多方法中，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显。

2.1 染料木黄酮（genistein，G）共混改性

在透析过程中，血液由于长时间与膜接触，会发生透析引起的氧化应激反应以及膜引起的炎症。为了缓解上述反应，可以在透析膜的制备过程中加入维生素E或植物化学物质进行共混改性。较早前有研究者利用维生素E对血液透析膜进行了涂膜改性，一定程度上改善了膜的抗氧化性[6-7]。Chang等使用染料木黄酮对聚酰胺纤维膜进行共混改性，发现改性的膜具有非常好的细胞活性[8]，并在此基础上继续研究，制备了用PVP以及染料木黄酮改性的PES透析膜[9]。扫描电镜观察结果表明，改性膜较纯PES膜具有更为明显的致密表层和指状断面结构。在血液培养实验中，当PES/G与PES/PVP/G混溶物质量分数比分别为95/5和76/19/5时，染料木黄酮的浸出率分别为0.006%和0.022%。染料木黄酮的浸出率提高的原因是PVP良好的亲水性能。

2.2 两亲性共聚物共混改性

亲水聚合物添加剂能够提高膜通量和亲水性，但是在制备过程中会大量溶出，使用两亲性共聚物可以有效解决这个问题。Lee等[10]合成了一种三嵌段共聚物（聚环氧乙烷-聚氧化丙烯-聚环氧乙烷）进行改性，有效地减少了膜表面的血小板黏附。为了进一步提高PES透析膜的性能，Song等[11]合成了由PVP与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））形成的两亲性嵌段共聚物PVP-b-P（AE-g-PMMA）-b-PVP，再与PES进行共混改性。研究者测试表明：当加入新共聚物质量分数分别为1wt%和7wt%时，相应改性膜的水接触角为79.8°和55°，纯水通量为17.60和134.50 ml/（m2·h·mmHg），初始白质截留率为95.85%和94.23%，但是在经过3次循环过滤之后，通量恢复率分别为46.40%和80.05%，活化部分凝血活酶时间（activated partial thromboplastin time，APTT）为58.5和80.1 s。可见高浓度两亲性嵌段共聚物可以有效提高改性膜的亲水、防污性能。研究者分析由于嵌段的PVP集中于膜表面，提供了共混膜优秀的血液相容性以及亲水性，同时（AE-PMMA）链段与PES大分子有较强的相互作用，防止了浸在水中时共聚物的流失。

在使用两亲性聚合物的基础上，加入特定添加剂合成新共聚物对PES进行共混改性，还可以提高透析膜的特定性能。柠檬酸（citric acid，CA）是一种广泛应用的抗凝血剂，Li等[12]将CA接枝于聚氨酯（polyurethane，PU），再用于PES透析膜共混改性。实验评价这种方法提高了膜的纯水通量，有效减少了血小板黏附。Yin等[13]利用三嵌段聚合物对PES膜进行共混改性，制备了一种具有较好抗污性能、能够有效抑制血栓形成的透析膜。在该研究中，使用PEG与柠檬酸合成了mPEG-PU-mPEG和CA-PU-CA 2种新的三嵌段聚合物。新的共混物能以很高的比例与PES进行混合。实验结果表明，通过提高mPEGPU-mPEG的浓度，可以有效提高膜的亲水性、防污性能。纯PES膜的水接触角大约为82.1°，而改性膜的水接触角最低可以达到60.4°。纯水通量试验对比结果显示，改性膜为224.4 ml/（m2·h·mmHg），而纯PES膜仅为30.9 ml/（m2·h·mmHg），在循环过滤试验中，改性膜在3次循环之后依然保持有90.12%的通量恢复率，纯PES膜仅有53.07%。血浆蛋白在膜表面吸附测试的结果显示，纯PES膜的吸附量约为15.7 μg/cm2，改性膜吸附量为6.4 μg/cm2，通过使用扫描电镜对膜表面进行观测，可以发现纯PES膜上有许多血小板积累，而改性膜大大地抑制了血小板的黏附，鲜有血小板出现。提高CA-PU-CA组分的浓度能够显著地提升改性膜的抗凝血能力，血浆复钙时间（plasma recalcification time，PRT）测试结果显示，改性膜的PRT可以达到近330 s，纯PES膜只有不到200 s。

2.3 纳米颗粒共混改性

Irfan等[14]利用了纳米颗粒对PES膜进行了表面改性以及性能增强的研究。研究者首先利用纳米复合材料酸化后得到功能化多壁碳纳米管（functionalized multi wall carbon nanotubes，f-MWCNT），再与PVP混合后对PES进行共混改性，通过相转换过程制备PES/PVP-f-MWCNT纳米杂化血液透析膜。实验结果显示，PES膜的孔结构由泪珠状以及海绵状改变为指状，并且孔径也有所提升，改性膜的水接触角为51°，纯PES膜为88°，提高f-MWCNT浓度有助于提高水通量，但是浓度超过0.1wt%时提升效果会变得很不明显，改性膜对于尿素与肌酐的清除率为56.3%和55.08%，接近于临床使用的透析膜产品。Zhao等[15]使用N，N-亚甲基双丙烯酰胺（N，N′-methylenebisacrylamide，NMBAA）作为交联剂，NMP作为溶剂，在PES溶液中将N-乙烯基吡咯烷酮（N-vinyl-pyrrolidone，VP）通过自由基聚合的方法交联于PES链上，合成了PES/PVP半互穿网络纳米颗粒，然后利用该材料对PES透析膜进行共混改性。测试结果显示：纳米颗粒改性后透析膜的蛋白质截留率和通量恢复率均有提升，当PES与VP以1∶10质量分数比共混时，改性膜的蛋白质截留率为（93±1）%，通量恢复率为（94±4）%，纯PES膜的截留率和恢复率分别为（86±1）%和（34±5）%。聚合纳米颗粒还可以有效抑制蛋白质的吸附，提高膜的抗凝血能力。使用BCA（bicinchoninic acid）蛋白测定试剂盒对膜的蛋白质吸附率进行测定，结果显示，改性膜的蛋白质吸附量仅有不到1 μg/cm2，纯PES膜为9.5 μg/cm2，改性膜的APTT测试结果达到43s，纯PES膜为37s。

2.4 磺化聚醚砜共混改性

磺化聚醚砜（sulfonated polyethersulfone，SPES）在反渗透、超滤和离子交换等领域有着广泛的应用。近年来，研究人员利用SPES对PES透析膜进行共混改性，有效地改进了PES透析膜，成果主要表现在提高了膜的水通量以及防污性能[16]。实验表明，当SPES共混物质量分数从0提升到2wt%时，制备的透析膜的水通量从162 ml/（m2·h·mmHg）提升至1 912.9 ml/（m2·h·mmHg），改性膜的APTT较改性前延长了近41%，由51 s提升至72 s，PRT测试结果也由300 s提升至1 800 s。

3 结语

共混改性法操作简便，能较大幅度地提升PES透析膜的亲水性、防污性以及蛋白质截留率等性能，且相对容易控制，成本较低，易于工业化生产，具有良好的应用前景，有望成为今后的主要发展方向。但是目前大多数研究还停留在实验室阶段，今后的工作重点应该向提高制备膜的稳定性发展，实现工业生产，应用于临床，为广大病患提供更好的医疗条件。

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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

[文章编号]1003-8868（2015）12-0106-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.12.106

军队面上项目（CWS11J082）

舒展（1985—），男，助理实验师，主要从事生物医学工程方面的研究工作，E-mail：shuzhan1011@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（舒展，李 钒，杨 健）

杨 健，E-mail：yangjian_tj@eyou.com