聚偏氟乙烯中空纤维血液透析器研究（可编辑）

聚偏氟乙烯中空纤维血液透析器研究（可编辑） 学位版权使用授权书 .。.。奎学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留.、使用学位论文的。 尊望权,吞姿至些太生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 篓零誓琴用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 新虢鼍旅’ 学位论文作者签名.弓侠孑葫 签字日期:沙年弓月谚日 签字日期:沙年扣通过改 加剂含 添加剂 通过模 研制出 酶透析 %的血液透析器。摘要 目前,用于血液透析的膜材料主要有聚砜和聚醚砜,在去除 微球蛋白 及生物相容性方面尚存在缺陷。聚偏氟乙烯作为一种优良的制膜 材料, 有良好的化学稳定性和机械性能。另外其表面光滑,蛋白吸附量低,有可能抑 制血液在膜表面形成蛋白吸附层,使膜的透析速度稳定。本实验重点对聚偏氟 乙烯膜材料透析性能进行研究。 本实验采用干.湿法纺丝工艺纺制聚偏氟乙烯中空纤维透析膜,主要研究不 同的添加剂含量、不同内径及壁厚对膜的纯水通量和牛血清白蛋白截留率、断 裂和拉伸伸长率及始泡点和破裂压力的影响,以及不同纤维壁厚和内径的透析 器的透析性能,进而确定最佳的纺丝工艺;研究透析膜面积、透析液流速对透 析性能的影响,进而确定最佳透析条件。 把纺制的中空纤维膜浇铸成小组件,用实验室自制的装置,测试膜的始泡 点压力、破裂压力、纯水通量、拉伸伸长率、断裂强力。采用离心浇铸法将中 空纤维膜封装成透析器,用牛血清白蛋白代替人血清白蛋白,溶菌酶代替 微球蛋白,制备由纯水、尿素、溶菌酶和牛血清白蛋白构成的模 拟液,用此模 拟液来代替患者血液,对本文研制的聚偏氟乙烯中空纤维膜透析器的透析性能 进行评价。 结果表明,添加量为.%,壁厚为、内径为的透析 器的透析效果最好。增加透析液流速,对溶菌酶及尿素清除率有一定的提高。 膜透析器对大分子物质牛血清白蛋白的透析截留率为%,透析器 对其截留率为%,大分子物质截留率不太理想;膜透析器对小分子蛋 白溶菌酶的清除率要稍高于透析器,可以达到.%;对小分子物质尿素 的清除率明显高于透析器,其清除率能够达到%。 关键词:聚偏氟乙烯;中空纤维膜;血液透析;膜性能; .微球蛋白瞰 , ., 艮一 , . .. . . , , . . . ,, , ... 句盯 ..%, ?【 . ., %%,. ,.% ., , %. ; :: : ;一 量目 录 第一章文献综述?.. .血液透析简介 .血液透析疗法的发展历史和现状?. ..人工肾的发明?. ..血管通路 ..我国血液透析发展现状??。 .血液透析的基本原理. ..血液透析器?。 ..几种尿毒症中大分子物质?。 ..血液净化技术。 .血液透析用分离膜制备及改性研究进展?. ..血液透析膜材料的分类. ..血液透析器膜材料的发展趋势 .透析膜材料及透析器的选择?. .改性聚偏氟乙烯血液透析膜的优势 ..聚偏氟乙烯膜材料?。 ..聚乙二醇添加剂。 .本论文研究方向..本论文的研究目的和意义?。 ..本论文研究内容 第二章实验部分?. .实验药品与仪器??。 .聚偏氟乙烯中空纤维膜的制膜方法 .溶质在模拟液中的浓度测定? ..尿素溶液标准曲线的配制?对二甲氨基苯甲醛显色法..牛血清 白蛋白溶液标准曲线的配制?考马斯亮蓝染色法.. ..溶菌酶标准曲线制作?... .聚偏氟乙烯中空纤维膜的性能测试?. ..改性聚偏氟乙烯的电镜观察?.. ..测试装置?。 ..纯水通量..截留率 ..始泡点压力和破裂压力??. ..断裂强力和拉伸伸长率.血液透析模拟实验? ..实验原理及装置图??. ..模拟透析实验. ..标准模拟液及透析液的选择和配制。 ..样品采集??. ..样品的测定?。 第三章结果与讨论 .聚偏氟乙烯中空纤维膜性能表征? ..添加剂剂量对膜性能的影响 ..透析膜壁厚对膜性能的影响? ..透析膜内径对膜性能的影响? . 中空纤维膜透析性能评价?. ..聚偏氟乙烯透析器对不同溶质的透析性能比较..纤维壁厚对 透析器清除溶质的性能的影响. ..纤维内径对透析器清除溶质性能的影响?。“ .透析面积为.透析器透析性能测试。 ..制膜液中添加剂含量对血液透析性能的影响 .. .%添加量中空纤维膜透析性能。 ..透析液流速对溶质清除性能的影响.. . 膜透析器与透析器透析性能的比较? ..两种透析器的规格参数 .. 扫描电镜 ..两种透析器对不同溶质透析性能比较??. 第四章结论 .结论 .研究展望??. 参考文献??. 论文发表情况? 致谢第一章 文献综述 第一章文献综述 .血液透析简介 血液透析又称人工肾,它是一种安全、易行和应用广泛的血液净化技术, 是终末期肾脏病的主要治疗方法之一。透析疗法于上世纪年代开始应用于临 床,我国上世纪年代首次应用血液透析治疗急性肾功能衰竭。目前,全世界 年销售血液透析器约一亿支,我国年消耗在万支以上,预计年将达到 万支。全世界有万患者接受透析治疗,其中%是依赖血液透析维持 生命,因此人工肾被誉为世纪人类项重大发明之一。 据血液净化器械的市场分析,近年来中国血液透析事业发展迅速,全国 依赖血液透析存活的患者约万人,其中生存时间最长的已经年。我国大 医院的透析设备、治疗技术和患者生活质量已经接近或达到国外 水平。然而, 我国终末期肾病发病率为人/万人,因此血液透析有很大的发展潜 力。 .血液透析疗法的发展历史和现状 ..人工肾的发明 年美国 最先提出用人工的方法将血液 医学院 中的体内代谢产物清除掉来挽救尿毒症患者的思路。年月阿贝尔将火 棉胶膜一种半透膜铺在漏斗上,向其中倒入狗血,其中滤出了清液,后来证 实其中只含有尿素氮等废物,而不含红细胞、白细胞和蛋白质,年,爱贝 尔发明了一种原始的人工肾脏,在荷兰和伦敦的生理学大会上展示了他们设计 的简单透析器,并将其命名为“人工肾” 。由于当时透析器的 制造技术和抗凝剂很不理想,使临床使用受到限制。 年,医学专家研制出了一种效果良好的抗凝药物一肝素。第一次世 界大战期间,很多由战伤导致的急性肾功能衰竭患者需要透析治疗,促进了人 工肾的研制。德国医生利用火棉胶制成了火棉胶管,用纯化水蛙素抗凝, 进行了例病人的透析,虽然体内非蛋白氮的有效清除量不多,但为今后发展 打下良好基础。天津工业大学硕士学位论文 年代后期,荷兰医生请教了生化系教授,用塞璐芬膜代 替了火棉胶,加了大透析膜的面积,将长达米的透析管盘绕在一个鼓形圆筒 上研制出了第一台供临床使用的转鼓式人工肾,提高了透析效果,后人将这种 人工肾称为“人工肾”。考尔夫研制的这种人工肾脏的治疗效果比哈斯大 大提高了一步,使人工肾脏真正地走向临床,拯救了许许多多尿毒症患者的生 命。 自年等人首先将人工肾应用于临床以来,经过研究者的反复 研究和改进,其在结构和功能上都有显著改进。目前广泛使用的主要是中空纤 维型【。近年人工肾正在向多功能小型化的方向发展,包括正在研制的超滤型 人工肾,吸附型人工肾。 ..血管通路 年美国人和设计发明了动静脉外瘘,用两根聚氯乙 烯管分别插入桡动脉和头静脉作动静脉分流。动静脉外瘘的使用,初步解决了 需反复、长期动静脉插管、置管的难,给慢性肾衰竭患都带来了生存的希望, 这是血液透析史上的突破性进展。但外瘘有瘘管的栓堵、感染及失去功能的缺 点。年纽约退伍军人管理局医院的外科医生直接把挠动脉和邻近 的一条静脉进行吻合,建成皮下动静脉瘘管。这是透析史上的一个重要的里程 碑,使人工肾在临床上得到广泛应用。 ..我国血液透析发展现状 我国人工肾的研究起步比较晚,年天津首先研制了一种管状透析器, 世纪年代开始生产平板型透析器,世纪年代初在上海开始制造少量 中空纤维透析器。年从日本和德国引进生产技术,山西华鼎医疗器械制造 有限公司目前年血液透析器生产能力为万支。年成都欧赛医疗器械有 限公司和四川大学共同开发了治疗用聚醚砜中空纤维膜血液透析器、 中空纤维膜血液过滤器、人工炭肾及相关的医疗器械产品,其高通量 中空纤维膜血液透析器获得了国家药监局颁发的批件。最近,中国欧盟威海 膜技术研发中心已正式成立,促成了威高集团、山东大学等单位与意大利科学 院、欧盟膜技术协会的协作,今后将开展血肾透析、新型膜等技术的研究。此 外,威海市政府还组织成立了产学研合作战略联盟,将共同研究膜技术等项目。第一章 文献综述 .血液透析的基本原理 ..血液透析器 透析器由透析膜及其支撑结构组成,用来代替肾脏功能。透析膜是透析器 的核心,它将血液和透析液分开,透析时,血液和透析液在膜的两侧反方向流 动,水和溶质通过半透膜孔进行交换。透析器的性能决定透析治疗效果。 根据分类标准不同,透析器有几种分类方法。 根据构形分为:管形、平板形和中空纤维形。 根据膜材料不同透析器可以分为:再生纤维素膜,醋酸纤维素膜透析器, 替代纤维素膜透析器,合成纤维膜透析器,合成纤维透析器又包括聚甲基丙烯 酸甲脂、聚丙烯腈膜、聚砜膜、聚乙烯乙烯醇、聚碳酸酯、聚酰胺等透析材料。 根据超滤系数不同透析器可以分为两类:低超滤系数透析器和高通量及高 效透析器。低通量透析器的超滤系数/?,包括铜仿膜、血仿膜、 铜氨纤维及醋酸纤维素膜;高通量透析器的超滤系数/?,能清 除大量的 微球蛋白 , 等中分子物质和其他大分子 , 物质,包括聚砜膜系列、膜、膜及三醋酸纤维素膜 ?【】。 透析器主要技术性能指标包括:超滤率:低通量透析器, .?/.;中通量透析器,为/.;高通量透 析器,/.;清除率,小分子尿素、肌酐达./; 耐受压力.;血区预充量,通常成人透析器容量为,与 透析器面积成正比;残留量;生物相容性:临床评价生物相容性的指 标是检查透析分钟后血小板计数、血氧分压,白细胞,补体,水平; 重复使用性能:复用透析器超滤率下降%,容量下降%应该丢弃【。 ..几种尿毒症中大分子物质 ...中分子物质 目前中分子物质的定义为与蛋白结合的和或具有多室分布行为的小分子 物质【。尿毒症患者毒素根据分子量的大小可分为类:分子量小于 的小分子毒物,分子量在的中分子毒物和分子量大于 的大分子毒物例,常规血液透析很容易就能清除小分子水溶性物 质。随着血液净化技术的普及和发展,尿毒症患者的生存期明显延长,生活质 量明显提高,但随之也出现了许多远期并发症,如透析相关淀粉样变、肾性骨天津工业大学硕士学位论文 病、心血管疾病等,医务工作者认为中分子物质是尿毒症中毒的本源性物质【】, 认为许多远期并发症的发生主要与中分子毒素清除不充分有关。常规低通量血 液透析只对诸如肌酐、尿素等小分子物质有效,很难清除 等中分子毒素。 中分子物质主要有晚期糖基化终末产物 , 、氧化产物 、肽类物质、内啡肽、内皮肽 .、甲状旁腺激素等 、肽类鸦片肽类、 中分子物质的不同组分具有各不相同的生物学作用,主要归纳有:抑制成 纤维细胞的增殖、抑制多种酶的活性、抑制红细胞生成、抑制白细胞的游走和 吞噬活性。由于中分子物质对体内许多酶具有抑制作用,从而导致脂肪、糖、 蛋白质和能量代谢障碍,阻碍生物膜的运动功能。目前许多学者认为中分子物 质的来源是由以下四种物质之一或其混合物: .异常高浓度的正常激素; .高浓度积聚的正常废物; .细胞或细菌的降解产物; .继发于疾病导致的细胞代谢障碍的异常肽类的聚积。 ...大分子物质 .细胞蛋白:细胞蛋白,分子量.,是一种免疫抑制.微 蛋白,高通量透析膜不能清除。 ,分子量.,是一种半胱氨酸蛋白酶抑制剂, . : 高通量透析膜能清除%。 .瘦素:瘦素,分子量,是脂肪细胞合成的多肽激素,有抑制 食欲,降低体重的作用,尿毒症患者由于肾脏清除下降、慢性炎症 反应和胰岛 素水平升高等原因而升高,普通透析膜不能清除,高通量透析膜能降低瘦素水 平【:由于肾脏清除下降,补体因子在终 .补体因子 末期肾脏疾病患者体内蓄积,血液中补体因子水平增高可激活补体旁路替代 途径,可部分解释慢性肾功能衰竭时的炎症状态。一些透析膜如可吸附 补体因子。 还有一部分与蛋白结合的毒素如吲哚、.羟基.甲基..丙基..呋喃丙酸、 马尿酸同型半胱氨酸、甲酚、多胺等,由于其与蛋白质结合普通透析和高通量 透析膜都很难清除此类物质。第一章 文献综述 ..血液净化技术 血液净化 已经被越来越多的学者所接受,它全面概括了 现有的各种血液净化技术【】。它是指把患者血液引出体外并通过一种净化装置, 除去其中某些致病物质,净化血液,达到治疗疾病的目的。根据这个定义,血 液净化应该包括:血液滤过、血液透析、血液灌流、血液透析滤过、免疫吸附 和血浆置换等,其中在血液净化中占有重要地位的有血浆分离和治疗性血浆交 换忉。 血液滤过,利用高通透性的半透膜制成血滤器,对流方式滤过清除血液中 的尿毒症物质和水分,血液经体外循环进入血滤器后,通过施加负压,大量超 滤水分,同时亦清除大量毒素,浓缩的血液经补液稀释后前稀释或后稀释返 回体内。其优点是对尿毒症中分子物质清除率较高,患者淀粉样变的发生率较 低,血管稳定性能好。缺点是费用较高,对小分子物质清除率较差。 血液透析滤过是使用高通透性的透析滤过膜,在血液透析的基础上,提高 超滤率,从血中滤出大量含毒素的体液,同时输入等量置换液,使溶质对流超 滤和弥散透析同时进行。结合了血液滤过与血液透析的优点,对小、中分子 的清除能力都非常高。 高通量透析是指采用高通量血液透析器在容量控制的普通透析机上进行常 规血液透析的一种新技术。由于合成膜高通量滤器具有很高的溶质扩散及通透 性性能,因此在透析中能有更多的且分子量更大的溶质从血液中转移至透析液 中。高通量血液透析低分子蛋白的跨膜清除主要以对流方式进行,吸附是高通 量透析器清除中大分子溶质的一种重要方式。高通量血液透析的优点是增大了 透析膜的孔径和通透性,可以提高中分子物质的清除率睁,延迟透析相关性 淀粉样病变的发生,可大大降低肾性骨病的发生率【。 血浆置换的原理和流程与血滤基本相同,只是血浆分离器的半透膜通透性 更好,除血小板和血液细胞等血液有形成份外,全血浆都被分离出弃去,置换 输入置换液和新鲜血浆或白蛋白,从而除去血浆中的某些有害大分子物质。血 浆蛋白结合率高的药物或毒物也能够被清除。缺点是价格十分昂贵,对中、小 分子物质清除率低,对于维持性血液透析患者不适用。 血液灌流炭肾借助吸附剂的吸附作用清除引入灌流器中血液中的外源性 和内源性毒物。临床上常用的吸附剂为吸附树脂或活性炭,故称炭肾。活性炭 尤其对有机酸类化合物具有很好的清除效率,对中分子物质也有一定的清除效 果。缺点是对血液中某些成分如白细胞、血小板等起破坏作用,易造成血小板 减少,易出血,对水、电解质、无清除作用,选择性差。而且活性炭微粒 脱落会进入脏器,在微血管中形成血栓。天津工业大学硕士学位论文 免疫吸附利用生物亲和力,将高度特异性的抗原或抗体与吸附材料制成吸 附剂,从血液中有选择性地吸附相对应的抗原或抗体,从而除去某些特定的生 物活性物质,适用于治疗自身免疫性疾病。其优点是吸附剂具有选择性或特异 性,患者自身的血浆被回输,可防止传染性疾病,正常血浆成分包括凝血因子 仅轻微下降,不影响同时进行的药物治疗,价格相对便宜。其缺点是制造困难, 很难广泛应用,若免疫吸附柱的生物相容性差,则会损伤血细胞,激活纤溶系 统与补体系统等,并可引起血管活性物质的产生与释放,吸附剂的稳定性亦影 响免疫吸附治疗,万一免疫吸附剂游离、溶出则成为具有抗原性的异体蛋白, 造成人体损害。 .血液透析用分离膜制备及改性研究进展 半透膜是膜分离过程的“心脏”,是膜分离技术的核心,也是膜分离应用过 程的第一步,分离效果的好坏很大程度上取决于分离膜。广义上说,膜是两相 之间的一个不连续区间,它以特定的方式控制着物质的传递。因此,膜必须具 备两个基本特征:膜至少要有两个界面,分别与两侧的流体物质相接触: 膜应具有选择透过性【。 膜的制备方法有多种。根据膜材料的不同其制膜工艺及参数也有很大不同。 应根据膜的具体应用,选择合适的制备方法。目前的制备方法有相转化法、熔 融拉伸法、核径迹蚀刻法【.、热致相分离法、烧结法叩和涂敷 法。 用于血液透析的膜材料除了具有良好的成膜特性及机械强度外,由于在透析 过程中,透析膜与人体血液直接接触,因而要求透析膜的膜材料具有较好的血液 相容性。 ..血液透析膜材料的分类 目前临床上常用的透析膜有种:再生纤维素膜、改良的纤维素膜、合成的 聚合物膜。常用的透析膜材料有:铜仿膜、乙酸纤维素、血仿膜、聚丙烯腈、聚 酰胺、聚乙烯醇、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯膜等。 ...纤维素类 纤维素类是最早使用的血液透析膜材料,在上世纪年代初至年代,是血 液透析器的主要膜材料之一,其湿态机械强度和尿素等溶质的透过率能满足临床 的基本要求。然而纤维素膜的缺点是其血液相容性较差,压密性差,在高压长时 间作用下,纤维素膜易发生蠕变而导致膜孔径变小,使通量不可逆的下降,随着第一章 文献综述 其它新型膜材料的出现逐渐被淘汰。 ...聚砜类 聚砜类透析膜由于其膜孔径和孔径分布可以通过改变铸膜液的组成而很容 易的得到控制,且对血液中中分子量有害物质 .微球蛋白和内毒素能够有效去 除,因而在血液透析器膜材料中应用很广。然而由于聚砜材料属于强疏水性材料, 故在用作透析膜前,需要对其进行亲水化处理。 聚醚砜材料用于血液透析膜是在上世纪年代受到关注的。聚醚砜纤 维内外壁光滑,适合用于血液透析。其添加剂既起到致孔剂的作用,又能改 善材料的血液相容性。国内对于聚醚砜透析膜的研究进展很快。东华大学王 庆瑞教授利用纤维素及其酯类、聚乙烯基类的共聚物或聚合物与聚醚砜共混,研 制了出具有高强度、耐消毒性、耐压实性、生物相容性好的聚醚砜透析膜【。 ...聚丙烯腈 聚丙烯腈?由于具有好的化学和机械稳定性、耐热性,因而在血液透析 器膜材料中得到应用引,其对中分子量有害物质也有很强的去除 能力伫。其缺 点是疏水性较强,血液相容性不能充分满足透析的要求,因而在透析过程中需要 加入一定量的抗凝血剂。 ...聚氨酯 聚氨酯也是常用的透析膜材料,和其它的透析用膜材料一样,当与血 液直接接触时,其血液相容性也不理想,膜表面容易被血蛋白污染,而且长时间 的接触容易导致血栓的形成【。改性后的膜能有效地抑制蛋白和血小板的吸 附,延长了凝血时间,同时提高了透析速率,大大提高了膜的血液相 容性。 ...其它新型高分子膜材料 近年来,随着制膜材料和制膜技术的不断提高,其它新型的膜材料正在被尝 试用于透析膜。胶原是生物体内含量最丰富的蛋白质,来源丰富,生物相容性好, 免疫活性低,因而在血液透析器膜材料中的应用潜力很大【。此外,海洋甲壳类 生物的外壳内含有大量的甲壳素,它的分子结构和碳水化合物具 有相似的结构, 因此,这类透析材料血液相容性容易满足临床的需要。因此这类来源于生物体的 材料在血液透析器膜材料中的应用也日益受到重视。天津工业大学硕士学位论文 ..血液透析器膜材料的发展趋势 随着透析技术的不断发展,血液透析对透析膜材料的要求越来越高,膜材料 除了具有成膜后能去除血液中有害成分和高渗透性能外,还要求膜材料具有良好 的血液相容性。目前,单一的膜材料不能充分满足上述要求,对现有膜材料进行 共混、镶嵌、接枝以及运用等离子体等技术对材料进行改性等已成为今后一段时 期内透析器膜材料的发展趋势。其改性方法主要有利用几种高分子材料物理共 混,利用化学反应,在膜材料中引入其它基团,利用低温等离子体等技术对透析 膜材料进行表面改性等,血液透析膜的血液相容性都得到了很大的提高。 .透析膜材料及透析器的选择标准 聚合物的化学性能、热性能及机械性质的结构因素,决定了膜的 渗透分离 性能,渗透性能基本属于材料的固有特征【。对于某个实际的分离问题,选择 构成膜的聚合物并不是随意的,而是要按照明确的结构要求来进行选择。作为 良好的膜材料,应能满足以下基本要求: .具有一定的亲水性或疏水性:亲水性或疏水性与膜的吸附性或溶解性有 密切的关系,它决定了膜的应用范围。 .有选择的透过性,并有良好的透过能力:良好的选择透过性是指膜能使 混合流体的某一成分容易通过,而另一成分则不透过或极难透过,以达到分离 目的。 .能经常使用而不变性或堵塞:膜经使用中由于吸附溶质,使部分微孔堵 塞,或因压实性差而使微孔缩小,结果导致溶液或水通量下降。当通量下降 到一定程度后,必须经过活化处理使通量恢复到一定水平。 .有一定的化学稳定性,抗生物降解及抗水解性能:膜的这一性能决定了 膜的使用范围。这些性能与膜的化学结构和性能有关,也决定于 被分离溶液的 性能。膜的氧化和水解的最终结果,使膜的色泽加深、发硬变脆,其化学结构 和形态结构也受到一定的影响。为了提高膜的抗水解性能,一般应尽量减少高 分子材料中的易水解基团。但是,过分减少亲水性的基团,将使膜的透水性能 变差。 .具有一定的横向和纵向机械强度:纺织纤维主要要求有较高的纵向机械 强度,膜与纺织纤维不同,由于纵向和横向同时受力,因而要求有一定的纵向 和横向强度。除机械强度外,还要求膜有较高的模量,以防止膜在使用过程中 变形或微孔闭合。 .有一定的耐热性:有些被处理流体本身温度较高,或要求在较高温度下第一章 文献综述 处理,因此要求膜有一定的耐热性。此外,提高温度也能提高扩散速度,增加 水通量。 .对某些树脂的粘联性:由于膜尤其是中空纤维膜组装成膜器时,需用树 脂进行封装,这就要求膜对树脂的粘接性要好,粘接后要能承受一定的压力而 不脱粘。 .抗压实性;膜材料在使用的过程中,因操作压力和温度引起的压实作用, 从而造成透水率不断下降。提高膜的抗压实性,可以延长膜的使用寿命。抗压 实性决定于膜材料本身的性能和成膜工艺。为延长膜的使用寿命,提高膜的抗 压实性,可对膜材料进行交联反应,或在铸膜液中加入硅胶或硅酸铝等填料, 以提高抗压实性。 .化学相容性:由于膜的处理对象较广,它们的化学性能各不同,因此要 求膜要有较好的化学相容性,即膜不被处理的物质溶胀或溶解,也不与之产生 化学反应等,同时要求膜不应对被处理物质产生不良的影响。 众所周知,由于生物体本身的拒绝异物侵入的本能,当人工脏器材料与生 物体或血液接触时,会刺激组织细胞异常发育,甚至产生凝血、溶血等症状, 或产生肿瘤致癌。为了防止组织血栓和细胞坏死以及人工脏器在 生物体液和血 液等作用下发生老化及分解变质的现象,人工脏器用高分子材料必须满足以下 条件【】: .具有生物相容性。这包含两个方面,即组织相容性和血液相容性。组织 相容性指在生物材料的使用过程中,对人体组织不产生任何破坏,且耐生物老 化;血液相容性即当生物材料与血液接触产生的凝血和溶血。 .纯度高,不含有对人体有害的杂质。 .稳定持久的生理惰性及一定的力学性能。 .无毒性。使用中不引起发炎及异常变应等。 .可严格消毒而不变形。 .质优价廉。 血液净化用高分子膜,除了必须满足上述条件之外,还必须具备如下条件 【舯】: .对要去除溶质的渗透性好。 .合适的水透过性。 .对血液中蛋白质的截留率高。 .不引起热原反应。天津工业大学硕士学位论文 .改性聚偏氟乙烯血液透析膜的优势 ..聚偏氟乙烯膜材料 ,是一种性能优良的高分子材料, 聚偏氟乙烯 具有突出的化学稳定性、耐辐射特性、抗污染性和耐热性已经广泛应用于膜法水 处理领域【】。本课题组前期研究结果表明删,膜亲水改性后,接触角从 .。下降为.。左右;细胞毒性为一级,细胞增殖率%;溶血率为分别为 .%,小于.%,符合国标/对材料溶血性的要求:改性材料的 单位蛋白吸附量小于,仅为./,改性的动态抗凝血性和体外细 胞毒性比材料略好。改性具有良好的生物相容性,可望成为新一代血 液透析膜材料。 ..聚乙二醇添加剂 本实验聚偏氟乙烯膜材料的改性使用添加剂聚醇, 。是一种无毒、水溶性的聚合物,可由环氧乙烷开环聚合而成,根 据构成的单体数量不等分子量从几百至几十万。最常见的形式是以羟基为 末端的线性聚醚。由于无毒,并且分子中存在大量的乙氧基,它们 能够与水形成氢键,使具有良好的水溶性,因而成为一种被广泛 使用的化 学修饰材料【。由于其特殊的亲水和柔性,被认为是阻止蛋白质的非特异 性吸附和细胞粘附的最有效亲水性高分子。 聚乙二醇修饰 又称为分子的化,是 世纪年代后期逐渐发展起来的一项热门技术,是用水溶性聚合物修饰药用物 质的方法之,它可以解决化合物、蛋白和多肽等药物在临床应用过程中存在的许 多问题】。 .本论文研究方向 ..本论文的研究目的和意义 接受透析治疗的终末期肾功衰竭病人常因伴发心、脑血管和感染等并发症 致使发病率及死亡率仍居高不下,究其原因主要是透析不充分和营养状态低下 以及由此引起的各种并发症。人工肾的问世,极大地提高了急、慢性肾功能衰 蝎病人的生存率,如何提高透析的质最,延长透析病人的生命,已成为肾脏病第一章 文献综述 工作者目前最为关注的课题之一。为此,人们迫切希望具有高清除率、高流量、 高生物相容性和低反超的透析器问世。 本研究工作的目的就是寻找符合上述条件的透析器,为进一步研制具有内 部超滤功能的透析器做准备,并就如何提高现有透析器的使用效率进行探讨。 ..本论文研究内容 本实验纺制专用于血液分离的聚偏氟乙烯中空纤维膜,并将其浇铸成血液透 析器,以其对尿素、溶菌酶的清除率及对牛血清白蛋白的截留率评价该透析膜材 料透析性能,进而研制出小分子蛋白清除率及牛血清白蛋白截留率高的血液透析 器。 主要采用干.湿法纺丝工艺纺制聚偏氟乙烯中空纤维膜,从膜的机械性能和 透析性能两个方面来进行评价,找出一个最佳的纺丝工艺。主要研究内容如下: .研究添加剂含量对膜的水通量、机械性能和溶质截留的影响。 .研究壁厚及内径对膜的水通量、机械性能和溶质截留的影响。 .研究壁厚及内径对透析器透析性能的影响。 .研究添加剂含量对透析器透析性能的影响。 .研究不同透析液流量对透析时间和透析性能的影响。 .透析器与透析器透析性能对比研究。 根据透析病人的血液成份来配制模拟液和透析液;用对二甲氨基苯甲醛显 色法测尿素的浓度,用考马斯亮蓝染色法测牛血清白蛋白和溶菌酶的浓度;用 牛血清白蛋白的截留率、溶菌酶和尿素的清除率来评价聚偏氟乙烯血液透析膜 透析性能的好坏。天津工业大学硕士学位论文第二章 实验部分 第二章实验部分 .实验药品与仪器 实验药品: 聚偏氟乙烯,法国公司;聚醇,天津市武清区福康 化工厂;二甲基乙酰胺,韩国三星,工业级;尿素分析纯,天津市 北方化学试剂厂;牛血清白蛋电泳纯北京普博欣生物科技有限责任 公司;溶菌酶,北京普博欣生物科技有限责任公司;,实验室自制。考马 斯亮蓝.分析纯,天津市赢达稀贵化学试剂厂;对二甲氨基苯甲醛,天津 市天新精细化工开发中心:氢氧化钠分析纯:天津市风船化学试剂科技有限 公司;浓磷酸分析纯:天津市佳兴化工玻璃仪器工贸有限公司;无 水乙醇分 析纯:天津市风船化学试剂科技有限公司;甘油, 天津市申泰化学试剂有限 公司。 实验仪器: 玻璃转子流量计.,浙江余姚工业自动化仪表厂;电子单纱强力仪,莱 州市电子仪器有限公司;中空纤维膜纺丝机,天津工业大学生物化工研究所自制; 精密压力表,上海自动化仪表股份有限公司;恒温加热磁力搅拌器,杭 州仪表电机有限公司:型扫描显微镜,荷兰公司;移液器, 赛默飞世尔上海仪器有限公司;蠕动泵.,天津膜天膜工程技术有限 公司;分析天平,上海精科仪器厂;.紫外可见光分光光度计, 北京普析通用仪器有限公司;电热干燥箱,天津市三水科学仪器有限公 司;显微镜,德国公司。 .聚偏氟乙烯中空纤维膜的制膜方法 将聚偏氟乙烯和聚乙二醇按照一定的比例加入到斜三角烧瓶中,摇动烧瓶 使其充分混匀,然后将溶剂二甲基乙酰胺和加入到斜三颈烧瓶中, 在恒温 加热的条件下搅拌溶液使聚偏氟乙烯和聚乙二醇粉末溶解充分混匀,溶解混匀 后倒入纺丝釜中,静置脱泡。按照一定比例配制芯液,通过恒温水浴来控制其 温度。安装喷丝头及过滤器,用管道连接纺丝釜过滤器及喷丝头,调节喷丝头 和凝固浴之间的间距本实验中入水距离均为。准备就绪后,向纺丝釜中天津工业大学硕士学位论文 通入氮气,使其中保持一定的压力,铸膜液和芯液由插入管式纺丝喷头挤出, 插入管芯部通入氮气,挤出的纺丝原液及芯液在空气中走行一段距离后进入凝 固浴固化,然后由转动的纺丝轮卷绕牵伸成形。纺出的膜丝用超滤水进行冲洗, 使溶剂充分溶解出来,使膜成孔。将纺制的膜丝浸泡于甘油中,小时 后取出晾干,以备浇铸使用。纺丝工艺流程图和纺丝设备示意图如图和图 .所示。 膜丝的 膜丝晾 铸膜液 铸膜液 膜丝的 脱泡 干储藏 的配制 纺制 后处理 图纺丝工艺流程图 图纺丝设备示意图 纺丝釜过滤器芯液罐流量计喷丝头凝固浴绕丝轮 通过改变纺丝原液的芯液流量、给料压力、入水距离和纺丝牵伸速度、料 液温度等工艺条件可以得到不同结构的中空纤维膜。 .溶质在模拟液中的浓度测定 实验过程中,首先采用紫外可见分光光度法测定溶质在模拟液中的浓度。 用纯水作为溶剂,尿素和牛血清白蛋白作为溶质,配制标准模拟液,并用此模 拟液作为测试介质,对所纺聚偏氟乙烯中空纤维血液透析膜进行透析性能的评 价。尿素和牛血清白蛋白的浓度测定均用紫外分光光度法。下面以尿素为例简 单介绍一下紫外分光光度法。 用分析天平精确称取尿素于容量瓶中,加水至刻度,摇第二章 实验部分 匀,得到 /的尿素标准溶液。 取少量上述标准溶液于分光光度计吸收池中,以纯水为空白试样,在 波长范围内进行扫描,结果表明尿素在处有最大吸收峰,即 。因此,本实验确定为尿素的测定波长。 用移液管分别精确移取上述标准溶液于另外七个容量瓶中,加水分 别稀释成/、/、/、/、/、/和/ 七种浓度,摇匀。以纯水为空白试样,在处分别测定吸光度。但经过反 复实验发现,尿素和牛血清蛋白直接在紫外分光光度计下测定浓度的结果是非 常不稳定的。因此改用了另外的方法对尿素和牛血清蛋白浓度进行了测定。下 面具体介绍尿素和牛血清蛋白溶液标准曲线的配制方法。 ..尿素溶液标准曲线的配制??对二甲氨基苯甲醛显色法 对二甲氨基苯甲醛显色法,其原理是对二甲氨基苯甲醛可以与尿素反应生 成带柠檬黄绿色的物质,颜色的与一定浓度范围的尿素呈线性相关。 ...仪器和试剂 型分光光度计。/尿素标准液;显色剂:对二甲氨基苯甲醛 .,溶于无水乙醇后,加入浓盐酸。 ’ ...实验方法 取尿素标准液在~./范围内,从高到底稀释为稀释为个浓度,分 别取.加入各试管中后,加入.超纯水和.显色液。以超纯水调 零,测定吸收值,做出标准曲线,见图.,计算样品的尿素浓度。由该 标准液得到的直线方程为. .,方程的值为.。 图.尿素标准曲线天津工业大学硕士学位论文 ..牛血清白蛋白溶液标准曲线的配制??考马斯亮蓝染色法 考马斯亮蓝.是一种染料,在游离状态下呈红色,最大吸收峰在 。当它与蛋白质结合后变成深蓝色,最大吸收峰变为。蛋白质含 量在?.范围内,蛋白质染料复合物在处的吸光度与蛋白质含量 成正比,故可用比色法测定。 蛋白质.染料复合物具有很高的吸光值,因此大大提高了蛋白质测定的灵敏 度,最低检出量为蛋白。染料与蛋白质结合迅速,大约为分钟,结合物 的颜色在小时内稳定。所以本法操作简便,快速,灵敏度高,稳定性好,是 一种测定蛋白质含量的常用方法。 ...仪器和试剂 仪器:型分光光度计;试管;移液管;容量瓶。 试剂:考马斯亮蓝.试剂:称取考马斯亮蓝,溶于 %乙醇中,加入%/的磷酸,最后用蒸馏水定 容到。此溶液可在常温下放置一个月。 标准蛋白质溶液:称取牛血清白蛋白,溶于蒸馏水中并定 容至,制成/的溶液。 样品溶液:配制约/的牛血清白蛋白溶液作为样品。 ...实验方法 .绘制标准曲线 取支干燥洁净的大试管,编号,按下表加入试剂。 表.标准曲线溶液配制 上述试剂加完后,混匀,室温静置,以第管为对照,用紫外分光光 度计在测定其吸光值,以吸光值为纵坐标,以牛血清白蛋白含量 为横坐 标,绘制标准曲线。由该标准液得到的直线方程为.. 该方程的.。见图.。第二章 实验部分 图? 牛血清白蛋白标准曲线 .样品测定 准确吸取.样品溶液于一支干燥洁净的试管中,加入考马斯亮蓝 试剂,摇匀,室温静置,以标准曲线号管为对照,在处比色, 记录吸光值。根据样品的吸光值从标准曲线上查出样品的蛋白质 含量。 ..溶菌酶标准曲线制作 溶菌酶与牛血清白蛋白均属于蛋白质,因此,同样采用考马斯亮蓝染色法 制作其标准曲线。图为实验测得其标准曲线,直线方程为. 哟.,该方程的.。 图溶菌酶标准曲线天津工业大学硕士学位论文 .聚偏氟乙烯中空纤维膜的性能测试 ..改性聚偏氟乙烯的电镜观察 将待测膜丝洗净后,在真空干燥箱内烘干,用液氮脆断后喷金,然后用 型扫描电镜扫描对样品表面结构进行表征。 ..测试装置 容器自吸泵膜组件压力表 图膜分离性能测试装置第二章 实验部分 上,通过调节泵的转速或回流的大小保持入口端压力为.,出口端压力 为.。用秒表记录用量筒接取的水所需的时间,再用直尺测量该 组件的有效长度,显微镜下测量膜丝内径,至少测三根丝,取平均值作为该丝 的内径,用以计算该组件的膜面积。利用计算膜的纯水通量,单位 为/?。 ..截留率 截留率是指被膜截留的特定溶质量占总溶液特定溶质量的百分 比【引。可用 下式表示: . 麒孚×% 式中:删留率,%; ?透过液中溶质的浓度,/; 一原液中溶质的浓度,/。 测试装置如图所示。将根膜丝,一端封死,另一端用树脂浇铸制备 膜组件,把该组件装入实验装置中,接通电源进行循环,通过调节 泵的转速或 回流的大小,保持入口端压力为.,出口端压力为.,透过液 回流到原液中,运行后取样测试。用产水的浓度和原液的浓度来 表征膜 的截留率,忽略膜表面吸附和浓差极化对浓度的影响。 ..始泡点压力和破裂压力 压力表 乙 醇 溶 液 图.中空纤维膜始泡点和破裂压力测试装置 图显示的是中空纤维膜泡点和破裂压力测试装置。将两根中空 纤维膜用环氧树脂将其浇铸成小组件,待固化后,在无水乙醇中浸泡分钟,天津工业大学硕士学位论文 然后在自制测试装置上测试其始泡点压力及破裂压力,向中空纤维膜丝内通入 氮气,出现第一个气泡时的压力即为该膜的始泡点压力。继续加大压力,直至 中空纤维膜破裂,该时刻的压力记为膜的破裂压力。每组测试五次以上, 取其平均值。 ..断裂强力和拉伸伸长率 在室温条件下,利用电子单纱强力仪测试膜丝断裂强力及拉伸伸长率,以 /的速度拉伸长度为的膜丝,待其拉断后,记录测试结果,每 组测试次,取平均值【】。 .血液透析模拟实验 ..实验原理及装置图 图.为本实验的工作原理图,由该图可知,整个透析系统包括两个循环: 体外血液循环斌?巾和透析液循环。 将模拟血液与超滤水通过导管同时引进透析器,在透析膜两侧呈 反方向流动, 形成对流,凭借半透膜两侧溶质的浓度梯度,通过扩散和吸附来清除尿素、溶 菌酶,溶质在膜两侧溶液之间的浓度梯度,是溶质在溶液间进行扩散的主要原 因。 图实验原理图 模拟液和透析液的流量通过流量计进行控制,进出口的压力通过精密压力表 测量。通过调节透析液的出口流量实现模拟液的总体积不变。第二章 实验部分 ..模拟透析实验 选用聚碳酸酯材料壳体,用室温固化环氧树脂做胶粘剂,采用离心法将纺 制的中空纤维膜浇铸成透析器。浇铸好以后,检验无缺陷的情况下准备进行透 析实验。用模拟液预冲洗体外循环中的通道,用超滤水预冲洗透析液循环中的 通道,之后开始进行模拟透析实验,调节模拟液入口处的流量计,使其入口流 量在//之间,调节透析液入口处的流量计,使 /。实验过程中通过调节模拟液和透析液出口处的流量来控制透 析 膜两侧溶液的压力,保持模拟液总体积不变,每隔一定的时间抽取一定量的模 拟液作为样品,测试其中溶质的浓度,记录模拟液进出口和透析液进出口的压 力。 ..标准模拟液及透析液的选择和配制 本实验的目的是研究聚偏氟乙烯中空纤维血液透析膜对 .的清除效 果,由于很难购买到 .,且价格昂贵,因此考虑找一种替代品,本文拟选 用的是溶菌酶。溶菌酶和 .有以下几个方面的相似点详见表.,由于 透析过程中没有化学反应发生,其化学性质对透析清除过程没有影响,在此可以 不考虑其化学性质的不同。 表溶菌酶与 相似点比较吲 血液透析在清除体内多余的水分和毒素的同时要尽可能多的保留对人体有 益的蛋白,牛血清白蛋白分子量为,与人血清白蛋白的分子量很接 近,都属于高分子蛋白,因此,可以用牛血清白蛋白的截留率来模 拟透析器对人 血清白蛋白的截留率,来评价透析膜透析性能的好坏。 本实验研制的透析器要求能够有效清除分子量为万左右的中分子物质,尿 毒症患者血液中含有肌酐分子量为、尿素分子量为、尿酸分子量为天津工业大学硕士学位论文 等毒素和无机盐,都属于小分子物质,其穿透效果比较接近,因此本实验 只选择尿素这一种小分子物质,用尿素的清除率来表征该透析膜对小分子物质的 清除性能。 透析液的临床意义是给人体补充在透析过程中流失的 :、矿、等有用 离子,维持人体的电解质平衡和酸碱平衡。由于本实验尚处于临床实验前的模拟 阶段,无需考虑电解质平衡和酸碱平衡,因此可以用纯水来代替透析液。 因此,为了便于研究,本实验用由尿素、溶菌酶、牛血清白蛋白和纯水组成 的标准模拟液代替患者血液来评价透析膜的透析性能。模拟液中、溶菌酶、 尿素浓度分别为//和./。模拟液的总量为。透析液用纯水 代替。 ..样品采集 透析时分别用无菌注射器采取、、、、、 、、时的模拟液样品,其中时样品中尿素的浓度即 为它的初始浓度。于透析第、、、、、、、、、、 自透析机的排水口各取废透析液一次,每次。 用..的方法分别测定各个时刻的浓度。再根据截留率、清除率和 清除 速度的计算公式即可求得溶质的截留率、清除率和清除速度。 ? 截留率导×% 清除率?了一×% . 清除速度导? 其中为每分钟模拟液流量,: 为初始浓度,/ 为取样时浓度,/。 ..样品的测定 ...牛血清白蛋白浓度的测定 本实验中的浓度为/左右,其标准曲线在./之间成线性 关系,因此测定时稀释十倍后进行测试。稀释后取溶液,加入试管 中后, 加入染色液考马斯亮蓝,取超纯水加入染色液摇匀后作为空第二章 实验部分 白调零,在分光光度计上测定处光吸收值及其在标准曲线上的对应浓度。 ...溶菌酶浓度的测定 取样品各,加入各试管中后,加入染色液考马斯亮蓝,取超 纯水加入染色液摇匀后作为空白调零,在处测定溶液光吸收值 及其在标准曲线上的对应浓度。 ...尿素浓度的测定 取样品各.,加入各试管中后,加入超纯水和.显色液,取 超纯水.加入.显色液摇匀后作为空白调零,在分光光度计上测定 处光吸收值及其在标准曲线上的对应浓度。天津工业大学硕士学位论文第三章 结果与讨论 第三章 结果与讨论 .聚偏氟乙烯中空纤维膜性能表征 理想的透析膜除了要具有良好的生物相容性,对人体安全无害,还应具有 适宜的孔径、通量和机械强度,能耐蒸气消毒或消毒药浸泡,灭菌处理后,膜 性能不改变,中小分子量溶质清除率高,不允许分子量超过的物质通过 如血流中的蛋白质和透析液中的细菌、病毒等。高通量透析可降 低透析患者 的死亡率,其中部分研究证实死亡率的下降与中分子物质的清除率增高有关。 膜的性能表征包括膜的截留率、水通量、拉伸伸长率、拉断强力和始泡点压力、 破裂压力等。 ..添加剂剂量对膜性能的影响 添加剂对高分子膜材料是一种非极性的溶胀剂,增加聚偏氟乙烯溶液的可 塑性的同时,还影响着溶剂蒸发速度和膜的微孔形态结构。聚醇是一 种常用的高分子添加剂,在制膜体系中,加入添加剂可以对膜的结构与性 能进行控制,其在铸膜液中是一种致孔剂,可以增加所制备膜的孔隙率,使孔 与孔之间相互贯穿性好,提高膜的水通量。同时由于其特殊的亲水柔和性, 被认为是阻止蛋白质的非特异性吸附和细胞粘附的最有效亲水性高分子。不同 剂量添加剂条件下所纺制出丝的结构不同,其膜的性能也不一样。本实验通过 改变添加剂聚乙二醇的含量,来研究不同剂量添加剂对膜性能的 影响,在三种剂量添加剂条件下分别纺丝,内径均为 ,壁厚均为 ,添加剂 .%、 含量分别为 .%和.%。天津工业大学硕士学位论文 ...添加剂剂量对膜机械性能的影响 质量含:/‘ 图.添加剂含量对断裂强力的影响 《 褥 逝 晕 晕 氧 质量含/% 图.添加剂含量对拉伸伸长率的影响图添加剂含量对破裂压力的影响 图一、图、图和图?所示为三种不同添加剂加入量对中 空纤维膜断裂强力、拉伸伸长率、始泡点压力和破裂压力的影响。由图可知, 随着添加剂质量含量的增大,断裂强力、始泡点压力和破裂压力的变化趋势基 本上保持一致,均呈下降趋势,说明随着添加剂加入量的适量增 多,膜的强度 都有所下降,膜丝分离孔径变大。当含量为.%时膜丝拉伸伸长率比 其含量为.%时要大,但差别不明显。由于血液透析对膜丝强度要求不高, 三种配方纺制的膜丝均符合要求。天津工业大学硕士学位论文 ...添加剂剂量对膜水通量的影响 垒 。 一目 鼻 、、 一 棚 矍 图添加剂含量对水通量的影响 图.所示为不同剂量添加剂条件下膜的水通量单位:/?... ?。由该图分析可知,随着质量含量的增加,膜丝水通量逐渐增加,说 明膜丝孔隙率逐渐增加。含量为.%和.%时,这两种添加剂含 量的膜水通量明显比含量为.%时高。由上述分析可知,当制膜液中 含量较低时.%,制得膜丝的纯水通量比较低,但始泡点压力较高, 膜丝分离孔径较小,机械性能和纯水通量也都比较理想。 ...添加剂剂量对中空纤维膜牛血清白蛋白超滤截留率的影响 牛血清白蛋白的截留也是表征膜孔径的一个重要参数。表为实验中测 得的三组不同质量含量下截留率。该截留率为内压式超滤测得。 表不同质量含量对截留率的影响 含量 截留率 .% % .% % .% % 由表.可以看出目前纺制的聚偏氟乙烯中空纤维膜对牛血清白蛋白的截 留并不是很理想,随质量含量的减少,截留率逐渐上升,最高截留率为 %。截留率的大小取决于膜的表层孔径大小和孔径分布。质量含量为?.%.%.% 图不同添加剂中空纤维膜海绵状结构电镜图 、、放大倍数 .?% .、?畅 .% 图.不同添加剂中空纤维膜指状孔电镜图 、、放大倍数 由图可以看出,随添加剂含量的减小,膜丝海绵状结构增多,指状孔