CN105013355A

CN105013355A - 类肝素化聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途

Info

Publication number: CN105013355A
Application number: CN201510388453.0A
Authority: CN
Inventors: 赵长生; 聂川雄; 程冲; 李双四; 马朗
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN105013355B

Abstract

本发明公开了一种类肝素化聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途，中空纤维膜的材料组分构成，包括作为基体组分的聚醚砜和作为类肝素化的改性组分，膜材料的结构为类肝素化改性组分与基体组分呈半互穿网络结构，所述类肝素化改性组分选自对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠，所述聚醚砜的数均分子量为20000～60000。中空纤维膜的制备方法：先将聚醚砜溶于溶剂后再加入类肝素化改性组分，充分溶解制备纺丝原液；纺丝原液通过泵由两个同心圆的喷丝孔挤出，进入20～50℃水浴中凝固成型，制备得到中空纤维膜；将中空纤维膜置于50～60℃水中浸煮，除去中空纤维膜残留的溶剂。本发明制备的聚醚砜中空纤维膜，其亲水性，抗污染性及自抗凝血性都得到了明显的提高。

Description

类肝素化聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途

一、技术领域

本发明涉及功能高分子中空纤维膜材料领域，特别涉及具有抗蛋白污染自抗凝血性能的类肝素化聚醚砜中空纤维膜及其制备方法与用途。

二、背景技术

聚醚砜(Polyethersulfone，简称PES)材料是由英国ICI公司于1972首先开发成功并商业化的一种特种工程塑料。PES具有优良的耐热性能、物理机械性能、绝缘性能以及良好的生物相容性等，因而已经在许多领域得到广泛应用。其热变型温度为200～220℃，耐蒸汽和过热水(150～160℃)性能好。耐化学药品性良好，对一般酸、碱、脂肪烃、油脂、醇类等稳定。聚醚砜还具有良好的成膜性能及滤过性能，因而使其成为最常见的中空纤维膜制备材料之一，广泛用于人造器官及血液净化领域(血液透析，血液透析滤过，血液滤过，血浆置换及血浆采集等领域)。

然而由于聚醚砜膜表现出一定的疏水性(水接触角在75°左右)，当将其用在血液透析等临床时，疏水的膜材料表面容易导致血浆蛋白、凝血因子或血小板等在膜表面的吸附并激活凝血系统，长期使用极易发生蛋白污染，进而出现“堵孔”等现象，降低透析器的使用效率。同时凝血因子激活，血小板粘附和激活等也会激活凝血系统，诱发血栓的形成，危害病人健康(注射抗凝血物质在血液透析过程中是必要的)。因此，研究制备具有良好抗污染及自抗凝血能力的聚醚砜膜材料很有必要。

目前关于改性及提高聚醚砜膜抗污染及抗凝血性能的研究报道有很多，主要有三大类方法(Progress in Materials Science,2013,58:76–150)：物理共混改性法，表面接枝改性法，表面涂覆改性法。表面接枝或者涂覆改性难以实现大规模生产应用，目前主要是采用物理共混改性来制备自抗凝血性聚醚砜血液透析器。对聚醚砜膜的物理共混改性，主体思路是制备亲水性自抗凝血的功能高分子，然后混入聚醚砜成膜液，最后纺丝成膜。目前制备的亲水性自抗凝血功能高分子主要有聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，两性离子化合物(如聚磷脂类的MPC)，以及磺化(又叫类肝素化)功能高分子。亲水性大分子PVP的使用始终存在易洗脱的问题，MPC等两性离子化合物制备成本较高，且对抗凝血性能提升有限，因而目前研究较多的是磺化或者类肝素化的功能高分子(Journal of Material Chemistry B,2014,2(44):7649-7672)。G uan R等人(European Polymer Journal,2005,41(7):1554)以浓硫酸做溶剂，氯磺酸作为磺化剂，对聚醚砜进行磺化改性，在聚醚砜主链上引入磺酸根基团。由于磺酸根基团的亲水性以及抗凝血活性，使得磺化后的聚醚砜的抗蛋白污染性能和抗凝血性能均有所改善。除了磺化聚醚砜外，其他类肝素大分子，如聚对苯乙烯磺酸钠、磺化壳聚糖等都被混入聚醚砜成膜液中作为类肝素添加剂提升聚醚砜膜材料的抗蛋白污染及抗凝血性能。虽然这种方法流程简单，易操作，成本较低，但将亲水性高分子添加剂直接与聚醚砜共混对聚醚砜中空纤膜进行改性，中空纤膜在使用过程中亲水性添加剂会慢慢析出，因而利用该方法制备得到的膜结构、性能稳定性不高(Journal of PolymerScience Part B:Polymer Physics,2006,44(10):1490)。虽然改用两亲性类肝素高分子可以解决添加剂析出的问题(Macromolecular Bioscience,2012,12:116–125)，但由于添加高分子与聚醚砜膜始终存在较大的相分离的问题，容易降低膜强度和机械性能，进而降低膜的滤过稳定性，限制了其进一步在工业生产中的应用。

三、发明内容

针对现有技术的类肝素化聚醚砜中空纤维膜存在的不足，本发明的第一个目的提供一种新的类肝素化聚醚砜中空纤维膜；本发明的第二个目的提供一种制备所述类肝素化聚醚砜中空纤维膜的方法；本发明的第三个目的是应用所述类肝素化聚醚砜中空纤维膜，以提高所述聚醚砜中空纤维膜的亲水性，抗污染性及自抗凝血性，进而提升聚醚砜中空纤维膜在血液透析等应用中的性能，降低透析治疗过程中并发症的产生风险。

本发明的基本思路是以聚醚砜为基体组分，以对苯乙烯磺酸钠与甲基丙烯酸钠为改性组分，利用对苯乙烯磺酸钠以及甲基丙烯酸钠的亲水性及抗凝血活性，通过原位交联聚合的方法制备亲水性、抗蛋白污染性及自抗凝血性好的聚醚砜中空纤维膜。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其膜材料的组分构成包括，作为基体组分的聚醚砜(简称PES)和聚醚砜质量含量10％～40％的类肝素化改性组分，膜材料的结构为类肝素化改性组分与基体组分呈半互穿网络结构，所述类肝素化改性组分选自对苯乙烯磺酸钠(简称SSNa)和甲基丙烯酸钠(简称MAANa)，所述聚醚砜的数均分子量为20000～60000。

在上述类肝素化聚醚砜中空纤维膜技术方案中，优先采用将对苯乙烯磺酸钠与甲基丙烯酸钠同时用作类肝素化改性组分；对苯乙烯磺酸钠与甲基丙烯酸钠的质量含量比，优选(1:5)～(5:1)；进一步地，优选2:1。

在上述类肝素化聚醚砜中空纤维膜技术方案中，所述中空纤维膜的内径优先设计为200～1000μm，中空纤维膜的壁厚优先设计为50～200μm。中空纤维膜的壁厚，可根据具体应用要求确定，膜的壁厚小，膜的滤过性好，但膜的强度差，膜的滤过稳定性差。反之，膜的壁厚大，膜的滤过性差，但膜的强度好，膜的滤过稳定性好。

针对本发明的第二个目的，本发明提供的制备所述类肝素化聚醚砜中空纤维膜的方法，主要包括以下工艺步骤：

1)纺丝原液的制备：将10～30质量份的聚醚砜和70～90质量份的溶剂置入反应器，在搅拌下聚醚砜充分溶解后，加入聚醚砜质量含量10％～40％的类肝素化改性组分、类肝素化改性组分摩尔含量0.5～10％的交联剂、类肝素化改性组分摩尔含量0.25～5％的引发剂，在搅拌下，于温度70～95℃交联聚合反应10～24h，得到改性聚醚砜溶液，经放置熟化制得改性聚醚砜纺丝原液；

2)中空纤维膜的制备：将纺丝原液压滤后用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝孔挤出，挤出的中空纤维膜坯置于20～50℃水浴中凝固成型，再经塑化浴牵伸卷绕，得到中空纤维膜；

3)中空纤维膜的后处理：将得到的中空纤维膜置于50～60℃水中浸煮不少于8h，充分除去中空纤维膜残留的溶剂。

在上述类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法的技术方案中，所述溶剂优先选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基亚砜，可为其中的一种，也可为其中的两种或两种以上；所述交联剂优先选用N,N'-亚甲基双丙烯酰胺或甲基丙烯酸缩水甘油酯；所述引发剂优先选用过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈。

在上述类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法的技术方案中，所述喷丝内孔直径为200～1000μm，喷丝外、内孔半径差为50～200μm；纺丝原液经中空纤维喷丝孔挤出的速度优先控制在3～10ml/min；由中空纤维喷丝孔挤出的初生中空纤维在空气中最好经8～40cm距离后进入水浴池进行水浴凝固成型；塑化浴牵伸卷绕速度优先控制在8～50m/min。

针对本发明的第三个目的，可将所述类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备成血液净化滤器，用于低通量血液透析、高通量血液透析、血液过滤和血浆分离等血液净化。

本发明是针对现有技术的不足，开发出了一种以对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠为类肝素化改性组分、通过原位交联聚合方法制备的聚醚砜中空纤维膜材料，所制备的聚醚砜中空纤维膜材料，作为类肝素化改性组分的对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠的分子链与作为基体组分的聚醚砜分子链之间，形成了稳定的半互穿网络结构，因此中空纤维膜的性能稳定性好。此外，由于对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠为小分子化合物，其与聚醚砜共混后，改性组分与基体组分不易分离，改性组分与基体组分分离的现象得到了抑制，因此在聚醚砜中空纤维膜材料的使用过程中，作为类肝素化功能改性组分的对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠不易洗出，聚醚砜中空纤维膜材料具有持久、稳定的抗污染和抗凝血性能，提升了其在血液透析等应用中的性能，降低了透析治疗过程中并发症的产生风险。

本发明制备类肝素化聚醚砜中空纤维膜的工艺方法简单，制备成本低，所制备的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其水接触角、纯水超滤系数、纯水通量回复率和部分活化凝血酶原时间(APTT)，都远远优于未用对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠改性的纯聚醚砜中空纤维膜的相应的性能(见附表1)。

本发明与现有技术相比，概括起来具有如下优点：

1.本发明的制备方法为一步法，直接在聚醚砜溶液中发生进行SSNa和MAANa单体的微交联聚合，聚合结束后，P(SSNa-co-MAANa)分子链与聚醚砜分子链形成半互穿网络，避免亲水性P(SSNa-co-MAANa)分子链的洗脱，使其具有持久、稳定的抗污染和抗凝血能力。

2.本发明所制备的改性聚醚砜纺丝原液非常均一、成膜性好，使得所制备的中空纤维膜结构均一，物理、化学稳定性好，耐酸碱，耐腐蚀。

3.本发明的改性聚醚砜中空纤维膜在抗蛋白污染测试时，在白蛋白溶液超滤后，其通量回复率从51％上升到66％～93％；在抗凝血性能测试时，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长60％～180％。

4.本发明的制备方法简单，高效，易操作，成本低，有利于工业化生产。

四、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

在下述实施例中，所涉及的组分百分比和份数，除特别说明之外，均为质量百分比和质量份数。

实施例1

将聚醚砜10份，N,N-二甲基乙酰胺90份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度约70℃溶解完全。加入SSNa 2份，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的加入量为反应单体摩尔分数的1％，偶氮二异丁腈的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约80℃反应12h左右，制得改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝原溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约35℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90μm。中空纤维膜在温度约50℃水中处理48h左右，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。所制得的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其水接触角为72.1°，纯水超滤系数1040ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为85.8％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为65.6％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长65％。

实施例2

将聚醚砜25份，N,N-二甲基乙酰胺75份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度约80℃溶解完全。加入MAANa2份，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的加入量为反应单体摩尔分数的1％，偶氮二异丁腈的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约90℃反应12h左右，制得改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约30℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90μm。中空纤维膜在温度约60℃水中处理48h左右，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。水接触角为63.2°，纯水超滤系数83.9ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为90.1％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为87.6％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长60％。

实施例3

将聚醚砜15份，N,N-二甲基甲酰胺85份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度约70℃溶解完全。加入SSNa2份，MAANa1份，N,N'-亚甲基双丙烯酰胺的加入量为反应单体摩尔分数的1％，过氧化二苯甲酰的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约80℃反应12h左右，制得改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约35℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90μm。中空纤维膜在温度约50℃水中处理48h左右，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。水接触角为64.3°，纯水超滤系数689ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为89.1％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为78.9％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长120％。

实施例4

将聚醚砜20份，N-甲基吡咯烷酮80份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度约75℃溶解完全。加入SSNa2份，MAANa3份，甲基丙烯酸缩水甘油酯的加入量为反应单体摩尔分数的1％，偶氮二异丁腈的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约85℃反应12h左右，制得改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约45℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90mm。中空纤维膜在温度约55℃水中处理48h左右，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。水接触角为62.3°，纯水超滤系数149ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为93.5％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为93.3％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长130％。

实施例5

将聚醚砜18份，二甲基亚砜82份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度约70℃溶解完全。加入SSNa3份，MAANa3份，甲基丙烯酸缩水甘油酯的加入量为反应单体摩尔分数的1％，过氧化二苯甲酰的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约80℃反应12h左右，制得改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约35℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90μm。中空纤维膜在温度约50℃水中处理48h左右，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。水接触角为59.2°，纯水超滤系数295ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为95.1％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为92.6％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长160％。

实施例6

将聚醚砜20份，N,N-二甲基乙酰胺80份，放入带有搅拌器、温度计和加热器的反应釜中，在搅拌下于温度70℃溶解完全。加入SSNa5份，MAANa3份，N，N'-亚甲基双丙烯酰胺的加入量为反应单体摩尔分数的1％，偶氮二异丁腈的加入量为反应单体摩尔分数的1％。在搅拌下逐步加入后于温度约80℃反应12h左右，制得对苯乙烯磺酸钠改性聚醚砜溶液。经过滤脱泡，放置“熟化”制得聚醚砜纺丝溶液。

将聚醚砜纺丝溶液压滤，并用计量泵经两个同心圆的中空纤维喷丝头挤出，纺丝液挤出速度为7ml/min；初生纤维在空气中经20cm距离后于温度约35℃水浴中凝固成型；再经塑化浴牵伸卷绕，速度为14m/min，则得聚醚砜中空纤维膜，其内径为1000μm，膜壁厚度为90μm。中空纤维膜在温度约50℃水中处理48h，除去残留的溶剂和引发剂。将纤维等长截切，捆扎成束，用灌封胶灌封装成滤器。水接触角为58.4°，纯水超滤系数179.4ml/m2.h.mmHg，白蛋白截留率为87.1％，过滤白蛋白溶液后，纯水通量的回复率为92.6％，部分活化凝血酶原时间(APTT)延长180％。

表1 各实施例性能比较

*纯聚醚砜中空纤维使用相同工艺制备，用作参比。其APTT时间为41.5s，以此为基准计算APTT时间延长率。

Claims

1.一种类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其特征在于，中空纤维膜的材料组分构成包括作为基体组分的聚醚砜和聚醚砜质量含量10％～40％的类肝素化改性组分，膜材料的结构为类肝素化改性组分与基体组分呈半互穿网络结构，所述类肝素化改性组分选自对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酸钠，所述聚醚砜的数均分子量为20000～60000。

2.根据权利要求1所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其特征在于，对苯乙烯磺酸钠与甲基丙烯酸钠的质量含量比为(1:5)～(5:1)。

3.根据权利要求2所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其特征在于，对苯乙烯磺酸钠与甲基丙烯酸钠的质量含量比为2:1。

4.根据权利要求1或2所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜，其特征在于，中空纤维膜的内径为200～1000μm，中空纤维膜的壁厚为50～200μm。

5.权利要求1至4之一所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

1)纺丝原液的制备：将10～30质量份的聚醚砜和70～90质量份的溶剂置入反应器，在搅拌下聚醚砜充分溶解后，加入聚醚砜质量含量10％～40％的类肝素化改性组分、类肝素化改性组分摩尔含量0.5～10％的交联剂、类肝素化改性组分摩尔含量0.25～5％的引发剂，在搅拌下，于温度70～95℃交联聚合反应10-24h，得到改性聚醚砜溶液，经放置熟化制得改性聚醚砜纺丝原液；

3)中空纤维膜的后处理：将得到的中空纤维膜置于水中于50～60℃下浸煮不少于8h，充分除去中空纤维膜残留的溶剂。

6.根据权利要求5所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基亚砜。

7.根据权利要求5所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N'-亚甲基双丙烯酰胺或甲基丙烯酸缩水甘油酯。

8.根据权利要求5所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述引发剂为过氧化二苯甲酰或偶氮二异丁腈。

9.根据权利要求5所述的类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备方法，其特征在于，所述喷丝内孔直径为200～1000μm，喷丝外内孔半径差为50～200μm；纺丝原液经中空纤维喷丝孔挤出的速度为3～10ml/min；由中空纤维喷丝孔挤出的初生中空纤维在空气中经8～40cm距离后进入水浴池；塑化浴牵伸卷绕速度为8～50m/min。

10.权利要求1至4之一所述类肝素化聚醚砜中空纤维膜制备成血液净化滤器，用于血液净化，包括低通量血液透析、高通量血液透析、血液过滤和血浆分离。