CN101530753A - Peg接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途，将接枝PEG的聚砜(或聚醚砜)与聚砜(或聚醚砜)按1∶3～9的比例混合后，以重量比为15～30％溶解于N－甲基吡咯烷酮等溶剂中，在搅拌下溶解10～12小时，脱气泡，制得纺丝原液。采用两个同心圆的中空纤维喷丝头，将纺丝原液经喷丝头以5～20ml/min的速度挤出。初生纤维在环境中经10～30cm走丝后在温度为50～80℃的水浴中凝固成型，流体线速度为5～40m/min。该中空纤维膜具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的有益效果，可用作血透装置，或用于各种人或动物细胞组织化培养的生物人工器官、药物代谢、毒性和病理的研究。
Description
技术领域
本发明属于膜化学、材料科学和组织工程的交叉领域，尤其涉及一种利用聚乙二醇(PEG)接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途。
背景技术
聚砜和聚醚砜是生物人工器官和血液透析中最常用的膜材料，通常制备成中空纤维膜反应器。但是，它们对血小板、蛋白和小分子的非特异性吸附通常极大削弱了它的分离功能，甚至危及病人的生命，成为制约其应用的最严重问题。
聚砜和聚醚砜的吸附性由它们的疏水性引起，因此，已有一些报道进行了亲水改性，用于降低聚砜和聚醚砜膜材料的吸附性。例如，化学接枝或表面涂覆亲水分子、亲水分子的层层自组装、等离子体或紫外线引发亲水小分子参与表面反应、加入亲水单体共聚或加入亲水高分子共混等。其中，最为有效的是PEG、聚乙烯吡咯烷酮和磷脂胆碱改性方式，而PEG由于具有很好的生物惰性，被认为是最佳的抗吸附材料。通常，PEG可以作为一种制膜的添加成分，直接添加于铸膜液中。然而，由于PEG极强的亲水性，这种改性膜中的PEG会在水溶液中大量流失，从而达不到亲水改性的效果。因此，有研究者发明了将PEG采用化学反应直接连接于膜材料上的方法(称为化学接枝反应)，避免了PEG流失的问题。
2006年，美国麻省理工大学的Mayes教授课题组采用两步法制备了PEG接枝的聚砜材料，并制备了平板膜(Park，JY，et al，Biomaterials，2006.27(6)：856-65)。这是世界上首次报道的化学反应制备PEG接枝聚砜膜材料的方法。该文献采用的化学反应如下：
而聚醚砜的PEG接枝反应也可通过类似的方法实现(Li L，et al，E-Polymers，2009.No：26)。此外，也有研究者采用了这一方法实现了PEG在聚醚砜酮(PPESK)上的接枝反应(Zhu LP，et al.European Polymer Journal 2007.43：1383-93)。然而，上述研究均只是进行了PEG在聚砜类材料上的接枝反应，或者制备了结构相对简单的改性聚砜平板膜，但由于中空纤维膜的制备困难，目前为止，未见有任何采用PEG接枝的聚砜类膜材料制备中空纤维膜的报道。
为膜材料科学这一领域的技术人员所熟知的是，在中空纤维膜的制备上，膜的性能参数极大地依赖于成膜条件，包括：铸膜液配比、添加剂成分、溶剂选择、凝固浴组成和温度、环境温度和湿度、喷丝头的挤出速度、凝胶时间和流体速度等多种因素。由于影响因素众多，不同的中空纤维膜制备体系必须经过大量的条件实验，才可能获得所需性能的中空纤维膜。因此，即使是最为通用的纯聚砜或聚醚砜中空纤维膜，国内外的发明人都根据其不同的制备方法和获得的不同性能分别进行了专利保护(如美国专利：US4874522；US6017474A，中国专利：ZL 98805264.4；ZL 97107831.9)。这一领域的特点决定了该领域的普通技术人员不能由现有的制备中空纤维膜技术推导出针对PEG接枝聚砜或聚醚砜的成膜参数。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜，它同时含有分子式I表示化合物和分子式II表示化合物；
其中，分子式I表示的化合物为：
接枝PEG的聚砜
或
接枝PEG的聚醚砜
分子式II表示的化合物为：
聚砜或
聚醚砜
其中，m为6～25。
一种上述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按1:3～9的比例混合后，以重量比为15～30％溶解于溶剂中，溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜的一种或几种的混合；
(2)搅拌，溶解10～12小时，脱气泡，制得纺丝原液；
(3)采用两个同心圆的中空纤维喷丝头，将纺丝原液经喷丝头挤出。环境温度20～25℃，相对湿度30～80％，挤出速度为5～20ml/min，初生纤维在环境中经10～30cm走丝后在温度为50～80℃的水浴中凝固成型，流体线速度为5～40m/min；
上述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜，可作为抗血小板、蛋白和小分子吸附的材料，用于构建生物人工器官和血液透析装置；可作为抗蛋白和药物吸附的材料，用于构建药物体外毒性筛选和药物代谢研究的反应器；可作为抗蛋白和药物吸附的材料，构建模拟体内器官的反应器，用于体外病理研究。
本发明的有益效果是：本发明所述的中空纤维膜具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的特点，可用作血透装置，或用于各种人或动物细胞组织化培养的生物人工器官、药物代谢、毒性和病理的研究。
具体实施方式
本发明PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜同时含有分子式I表示化合物和分子式II表示化合物。
其中，分子式I表示的化合物为：
接枝PEG的聚砜
或
接枝PEG的聚醚砜
分子式II表示的化合物为：
聚砜
或
聚醚砜
其中，m为6～25。
该PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
a)分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按1:3～9的比例混合后，以重量比为15～30％溶解于溶剂中，溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜的一种或几种的混合；
b)搅拌，溶解10～12小时，脱气泡，制得纺丝原液；
c)采用两个同心圆的中空纤维喷丝头，将纺丝原液经喷丝头挤出。环境温度20～25℃，相对湿度30～80％，挤出速度为5～20ml/min，初生纤维在环境中经10～30cm走丝后在温度为50～80℃的水浴中凝固成型，流体线速度为5～40m/min。
本发明所制备的中空纤维膜，其截面为圆形，内径为150～1500μm，壁厚为10～150μm，平均膜孔径为0.005～0.8μm，白蛋白截留率为0～100％。
本发明的中空纤维膜，具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的特点，可用作血透装置，或用于各种人或动物细胞组织化培养的生物人工器官、药物代谢、毒性和病理的研究。
用于血透装置时，将中空纤维膜组装成常规的血透膜组件，内腔连接透析液循环装置，外腔连接血浆循环装置，即可直接使用。
用于各种细胞组织化培养的药物毒性和代谢、病理研究时，构建方式为以下两者中的一种：
1、将密度为105～106个/ml的细胞悬液与凝胶溶液(1～20mg/ml)按1:3的比例混合，并注入本发明所述的中空纤维膜中，使凝胶溶液凝固，并置于培养基中静置培养。其中，凝胶溶液为胶原、琼脂糖和海藻酸钠中的一种。2、将密度为105～106个/ml的细胞悬液直接注入本发明所述的中空纤维膜中，并置于培养基中静置培养，培养24小时后，细胞自组装成聚集体。
上述1～2中，细胞为肝细胞、肾小管上皮细胞、胰岛细胞、肝癌细胞系、MDCK细胞、Caco-2中的一种；培养基为William’E、DMEM、RPMI 1640、L-15、MEM中的一种。
用于各种细胞组织化培养的生物人工器官时，首先将中空纤维膜制备成膜组件，之后操作方式为以下两者中的一种：
1、将密度为106～107个/ml的细胞悬液与凝胶溶液1～20mg/ml按1:3的比例混合，并注入本发明所述的中空纤维膜组件的膜内腔，使凝胶溶液凝固，然后，外腔连接循环管路，进行血浆或培养基循环。其中，凝胶溶液为胶原、琼脂糖和海藻酸钠中的一种。
2、将密度为106～107个/ml的细胞悬液直接注入本发明所述的中空纤维膜组件膜内腔中，并在外腔连接培养基循环管路，培养24小时后，细胞自组装成聚集体，之后，外腔循环管路切换成血浆继续循环或者仍然进行培养基的循环。
上述1～2中，细胞为肝细胞、肾小管上皮细胞、胰岛细胞中的一种；培养基为William’E、DMEM、L-15、MEM中的一种。
实施例1：
PEG分子量为350，接枝率为32％的PEG-聚砜接枝产物，与聚砜按1:3的比例混合，并按15％(w/v)溶于N-甲基吡咯烷酮中，搅拌12小时使之完全溶解，脱除气泡。室温20℃，相对湿度50％时，将该纺丝液经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，挤出速度为5ml/min，初生纤维在环境中经10cm走丝距离后，在50℃的水中凝固成型，流体线速度为5.5m/min。
所得的新型中空纤维膜内径1000μm，壁厚100μm，压汞仪检测孔隙率为78％，平均孔径为0.8μm，检测不到白蛋白截留。
实施例2：
PEG分子量为750，接枝率为16％的PEG-聚醚砜接枝产物，与聚醚砜按1:5的比例混合，并按20％(w/v)溶于二甲基乙酰胺中，搅拌12小时使之完全溶解，脱除气泡。室温25℃，相对湿度70％时，将该纺丝液经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，挤出速度为12ml/min，初生纤维在环境中经14cm走丝距离后，在75℃的水中凝固成型，流体线速度为10m/min。
所得的新型中空纤维膜内径700μm，壁厚100μm，压汞仪检测孔隙率为74％，平均孔径为0.11μm，白蛋白截留率为65％。
实施例3：
PEG分子量为350，接枝率为15％的PEG-聚砜接枝产物，与聚砜按1:9的比例混合，并按30％(w/v)溶于二甲基甲酰胺中，搅拌12小时使之完全溶解，并脱除气泡。室温25℃，相对湿度70％时，将该纺丝液经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，挤出速度为20ml/min，初生纤维在环境中经30cm走丝距离后，在80℃的纯水中凝固成型，流体线速度为40m/min。
所得的新型中空纤维膜内径200μm，壁厚30μm，压汞仪检测孔隙率为56％，平均孔径为0.005μm，白蛋白截留率为100％。
实施例4：
实施例1中得到的新型中空纤维膜，置于含300μM的利福平和20μM的胺碘酮的磷酸缓冲液中，它对两种药物的吸附量分别为30nmol/cm2和4nmol/cm2。同样实验条件下，纯的聚砜中空纤维膜对两种药物的吸附量分别为270nmol/cm2和16nmol/cm2。即实施例1中得到的中空纤维膜对两种药物的吸附量仅为纯聚砜中空纤维的22.2％和25％。
采用实施例1中得到的中空纤维膜内腔注入琼脂糖凝胶溶液与大鼠原代肝细胞，组装成微型生物人工肝反应器，进行药物肝毒性研究时，发现它能反映利福平和胺碘酮的真实肝毒性。即在培养48小时，药物对肝细胞的致死率分别为76％和73％。而纯聚砜中空纤维膜吸附了大量的药物，导致了溶液中药物浓度降低到了初始浓度的22％和12％，细胞培养48小时的致死率分别为30％和25％。
实施例5：
在实施例1中得到的新型中空纤维膜内腔注入胶原凝胶溶液与人肝细胞，组装成微型生物人工肝反应器，加入氯氮平15和30μM进行药物代谢研究。发现在24小时的药物代谢过程中，该中空纤维膜仅吸附了9％的氯氮平，且对氯氮平代谢产物的吸附量可以忽略不计。而作为对比的纯聚砜膜吸附了81％的氯氮平，对它的代谢产物也有54％的吸附。这一结果表明，实施例1中得到的中空纤维膜可用于药物代谢研究，而纯的聚砜中空纤维膜由于对药物的大量吸附，不能反映药物代谢的真实情况。
实施例6：
在实施例1中得到的新型中空纤维膜内培养人肝细胞聚集体，加入乙醇25mM、100mM和200mM，建立脂肪肝病理模型。发现在乙醇作用48h后，该中空纤维膜内包埋的肝细胞出现了脂肪肝特异性的甘油三脂积累现象，且随着乙醇作用浓度的升高，甘油三脂的积累量也随之上升，乙醇25、100和200mM作用组中，甘油三脂的含量分别为对照组的1.2、2.5和3.6倍。同时，乙醇的作用也导致了肝细胞脂质过氧化的产生，乙醇25、100和200mM作用组中，表征脂质过氧化的丙二醛含量分别为对照组的1.4、2.7和3.9倍。
实施例7：
将实施例2中得到的新型中空纤维膜制备成生物人工肝膜组件，并将109个猪肝细胞直接注入中空纤维膜内腔，形成大量直径约100μm的聚集体，这一生物人工肝膜组件对血浆蛋白的吸附量为普通生物人工肝的30％，对血小板的吸附量为普通生物人工肝的15％。其中的肝细胞能存活10天以上，尿素和白蛋白合成功能维持7天以上，利多卡因代谢能力维持5天以上。肝衰竭病人血浆经该生物人工肝膜组件循环处理8小时后，胆红素含量降低59％，血氨浓度下降62％，白蛋白浓度提高52％。
实施例8：
将实施例3中得到的新型中空纤维膜制备成肝衰竭病人所用血透组件，这一血透组件对血浆蛋白的吸附量为普通血透装置的33％，血小板的吸附量为普通血透装置的21％。将肝衰竭病人血浆用该血透组件循环处理8小时后，胆红素含量降低25％，血氨含量降低30％，血肌酐含量降低47％，尿素氮降低47％。
实施例9：
将实施例2中得到的新型中空纤维膜制备人工肾组件，将初始密度为5×105个/ml的大鼠原代肾小管近端上皮细胞培养于人工肾组件中，培养48小时后形成类似体内肾小管结构的聚集体，肾细胞在3～4周内维持较高的活率及较强的增殖能力，高表达葡萄糖转运蛋白水平。将肾衰竭病人血浆经该人工肾组件循环处理12小时后，钠离子重吸收了83％、葡萄糖重吸收了79％、血肌酐重吸收了6.8％、尿毒素含量降低了80％，并显著降低肿瘤坏死因子TNF-α，白细胞介素(IL)-1β等。
实施例10：
将实施例3中得到的新型中空纤维膜制备成肾衰竭病人所用血透组件，这一血透组件对血浆蛋白的吸附量为普通血透装置的33％，血小板的吸附量为普通血透装置的21％。将肾衰竭病人血浆经该血透组件循环处理12小时后，尿素氮含量降低42％、血肌酐含量降低49％、胍类含量降低35％。
实施例11：
将实施例2中得到的新型中空纤维膜用于培养大鼠胰岛β细胞，将密度为5×105个/ml的胰岛细胞悬液与胶原凝胶溶液2mg/ml按1:3的比例混合，并注入本发明所述的中空纤维膜中，使凝胶溶液凝固，制备生物人工胰，并置于RPMI1640培养基中培养。胰岛细胞功能维持7天以上，在基础(3.3mmol/L)和高浓度(16.7mmol/L)葡萄糖条件下胰岛素平均分泌量分别为(10.8±2.1)和(40.1±4.2)μU/ml/10islets/h。
Claims (6)
1、一种PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜，其特征在于，它同时含有分子式
I表示化合物和分子式II表示化合物。
其中，分子式I表示的化合物为：
接枝PEG的聚砜或接枝PEG的聚醚砜
分子式II表示的化合物为：
聚砜
或聚醚砜
其中，m为6～25。
2、根据权利要求1所述的中空纤维膜，其特征在于，所述中空纤维膜截面为圆形，内径为150～1500μm，壁厚为10～150μm，膜孔径为0.005～0.8μm，白蛋白截留率为0～100％。
3、一种权利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按1:3～9的比例混合后，以重量比为15～30％溶解于溶剂中，溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亚砜的一种或几种的混合。
(2)搅拌，溶解10～12小时，脱气泡，制得纺丝原液。
(3)采用两个同心圆的中空纤维喷丝头，将纺丝原液经喷丝头挤出。环境温度20～25℃，相对湿度30～80％，挤出速度为5～20ml/min，初生纤维在环境中经10～30cm走丝后在温度为50～80℃的水浴中凝固成型，流体线速度为5～40m/min。
4、一种权利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜作为抗血小板、蛋白和小分子吸附的材料，用于构建生物人工器官和血液透析装置的用途。
5、一种权利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜作为抗蛋白和药物吸附的材料，用于构建药物毒性和药物代谢研究的反应器的用途。
6、一种权利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纤维膜作为抗药物和蛋白吸附的材料，用于构建体外病理模型的用途。
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