CN113262341B - 体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法 - Google Patents

体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法，本发明的体外膜肺氧合器用中空纤维膜上至少一部分血液接触部覆盖有改性功能层，改性功能层包括疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物及难溶于水的丝素蛋白，丝素蛋白的结构为丝素I型结晶结构。本发明的体外膜肺氧合器用中空纤维膜不阻碍氧、二氧化碳的透过性，由膜向血液中的溶出物少、且具有良好的物理强度及生物安全性。

Description

体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及体外膜肺氧合器技术领域，尤其涉及一种体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法。
背景技术
体外膜肺氧合(ECMO)主要用于对重症心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环，以维持患者生命。ECMO主要包括血管内插管、连接管、动力泵(人工心脏)、氧合器(人工肺)、供氧管、监测系统等部分。
其中一种代表性的氧化器为膜式氧合器，膜式氧合器原理是将体内的静脉血引出体外，经过膜式氧合器后进行氧气和二氧化碳交换变成动脉血，再回输病人动脉系统，维持人体脏器组织氧合血的供应，在手术过程中暂时替代肺作用，同时为医生提供安静、无血、清晰的手术环境，以便于实施手术。
由于使用ECMO装置进行血液循环的周期较长(最少24小时，最长可能超过一个月)，为了保证血液经过膜式氧合器后的变温和/或氧气交换效率，需要让体外循环的血液尽可能的与膜式氧合器的丝膜结构进行接触，如何保证中空纤维膜上的薄膜不阻碍氧、二氧化碳的透过性，且由膜向血液中的溶出物等少、且具有良好的物理强度及生物安全性，是目前亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种体外膜肺氧合器用中空纤维膜及其制备方法，本发明的体外膜肺氧合器用中空纤维膜不阻碍氧、二氧化碳的透过性，由膜向血液中的溶出物少、且具有良好的物理强度及生物安全性。
本发明的第一个目的是提供一种体外膜肺氧合器用中空纤维膜，体外膜肺氧合器用中空纤维膜上至少一部分血液接触部覆盖有改性功能层，改性功能层包括疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物及难溶于水的丝素蛋白，丝素蛋白的结构为丝素I型结晶结构，亲水性(甲基)丙烯酸酯的结构式如下：
其中，R3选自氢或甲基，n＝2-50中任一整数。
进一步地，疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物与丝素蛋白的质量比为10-20:0.1。
进一步地，体外膜肺氧合器用中空纤维膜以聚偏氟乙烯和聚4-甲基1-戊烯为原料进行纺丝，并以尼龙编织网作为支撑层，通过涂覆-浸没相转换法制备得到。在纺丝过程中控制参数，以达到控制中空纤维膜孔径和孔隙率大小、孔结构形态。利用尼龙编织网作为支撑层，提高了纤维整体的力学性能并具有很强的剥离强度。
进一步地，疏水性(甲基)丙烯酸酯的结构式如下：
其中，R1选自C8-C12烷基，R2选自氢或甲基。
进一步地，疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯以5-9:1-5的摩尔比进行共聚。
进一步地，体外膜肺氧合器用中空纤维膜的表面还涂覆有硅胶。将生物相容性良好的硅胶涂覆于中空纤维膜的表面，提高中空纤维膜式氧合器组件的血液相容性和综合性能。
进一步地，疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚的分子量为2000-20000g/mol。
进一步地，丝素蛋白的分子量为5-10kDa。
本发明的第二个目的是提供一种上述体外膜肺氧合器用中空纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物及难溶于水的丝素蛋白溶解于有机溶剂中，然后加入水中混匀，得到处理液；有机溶剂为除醇类之外的有机溶剂；
(2)将中空纤维膜的血液接触部的至少一部分浸渍于处理液中，干燥后在血液接触部的表面形成改性功能层，从而得到体外膜肺氧合器用中空纤维膜。
进一步地，在步骤(1)中，有机溶剂和水质量比5-45:55-95。
进一步地，在步骤(1)中，处理液的粘度为100-1000Pa.s。
进一步地，在步骤(1)中，难溶于水的丝素蛋白的制备方法包括以下步骤：
(S1)按重量计，在丝素蛋白溶液中加入多元醇，制成混合溶液，其中，多元醇占丝素蛋白质量分数的10-30％；
(S2)将上述混合溶液倒入模具中鼓风干燥，得到丝素蛋白/多元醇共混膜；
(S3)将上述共混膜至于相对湿度为30～98％的环境中处理1～48小时，得到一种难溶于水的丝素蛋白膜。使用时，粉碎丝素蛋白膜后得到难溶于水的丝素蛋白。
进一步地，在步骤(S1)中，多元醇为三元醇、四元醇、五元醇和六元醇中的一种或几种。优选为三元醇，更优选为丙三醇或1,2,4-丁三醇。
进一步地，在步骤(2)中，浸渍温度为20-30℃，干燥温度为不高于80℃。
进一步地，在步骤(2)中，中空纤维膜包括聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚砜、聚氯乙烯和聚酯中的一种或几种。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明的体外膜肺氧合器用中空纤维膜的血液接触部设有改性功能层，由于改性功能层包括疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物，因此膜向血液中的溶出物少，且由于改性功能层含有少量难溶于水的丝素蛋白，因此增加了中空纤维膜的生物相容性，同时，不影响改性功能层对血液的粘附性和活化的倾向，且由于难溶于水的丝素蛋白的结晶性，提高了中空纤维膜的物理强度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
以下实施例中，所涉及的化合物的命名及对应的结构式如表1所示。
表1化合物简称及结构
实施例1
1、将0.1公斤生丝放入3升质量浓度为0.15％的碳酸钠水溶液中，于98～100℃处理2小时，使生丝脱胶，充分洗涤后得到纯丝素(即丝素蛋白)。将晾干后的纯丝素，用1升浓度为9.0摩尔/升的溴化锂溶液，在60±5℃下加热溶解得到丝素蛋白混合溶液。
2、用纤维素膜为透析材料，将所得的丝素蛋白混合溶液用去离子水透析，去除溴化锂等杂质，得到纯丝素蛋白溶液，丝素蛋白的质量浓度约为5％。其中透析材料的截留分子量为7kDa。
3、在纯丝素蛋白溶液中加入木糖醇，木糖醇的加入量为丝素蛋白溶液中丝素含固量的40％。
4、将丝素蛋白溶液注入模具中，在40℃鼓风吹干。
5、将上述干燥后的丝素/木糖醇共混膜放入相对湿度为60％的环境中处理10小时，得到难溶于水的丝素蛋白膜，利用粉碎装置粉碎得到的丝素蛋白膜，得到颗粒状的难溶于水的丝素蛋白。
实施例2
将1mol化合物a1、5mol化合物b1、偶氮二异丁腈(AIBN)0.05g、乙醇1000mL，在80℃下聚合反应24h。聚合反应结束后，除去聚合溶剂，得到粗产物。然后将粗产物溶于四氢呋喃，将得到的溶液滴加入甲醇和水(体积比4:1)的混合溶液中，得到纯化后的共聚物1。
将5g共聚物1以及0.5g实施例1制备的难溶于水的丝素蛋白溶解在50g乙醚中，然后加入275g水中进行混合，制备处理液，处理液为悬浊液，处理液的粘度为100Pa.s。
实施例3
将1mol化合物a2、5mol化合物b2、偶氮二异丁腈(AIBN)0.05g、乙醇1000mL，在80℃下聚合反应24h。聚合反应结束后，除去聚合溶剂，得到粗产物。然后将粗产物溶于四氢呋喃，将得到的溶液滴加入甲醇和水(体积比4:1)的混合溶液中，得到纯化后的共聚物2。
将5g共聚物2以及0.5g实施例1制备的难溶于水的丝素蛋白溶解在50g乙醚中，然后加入275g水中进行混合，制备处理液，处理液为悬浊液，处理液的粘度为100Pa.s。
实施例4
将1mol化合物a3、5mol化合物b3、偶氮二异丁腈(AIBN)0.05g、乙醇1000mL，在80℃下聚合反应24h。聚合反应结束后，除去聚合溶剂，得到粗产物。然后将粗产物溶于四氢呋喃，将得到的溶液滴加入甲醇和水(体积比4:1)的混合溶液中，得到纯化后的共聚物3。
将5g共聚物3以及0.5g实施例1制备的难溶于水的丝素蛋白溶解在50g乙醚中，然后加入275g水中进行混合，制备处理液，处理液为悬浊液，处理液的粘度为100Pa.s。
对比例1
将1mol化合物a4、5mol化合物b4、偶氮二异丁腈(AIBN)0.05g、乙醇1000mL，在80℃下聚合反应24h。聚合反应结束后，除去聚合溶剂，得到粗产物。然后将粗产物溶于四氢呋喃，将得到的溶液滴加入甲醇和水(体积比4:1)的混合溶液中，得到纯化后的共聚物4。
将5g共聚物4以及0.5g实施例1制备的难溶于水的丝素蛋白溶解在50g乙醚中，然后加入275g水中进行混合，制备处理液，处理液为悬浊液，处理液的粘度为100Pa.s。
对比例2
将1mol化合物a5、5mol化合物b5、偶氮二异丁腈(AIBN)0.05g、乙醇1000mL，在80℃下聚合反应24h。聚合反应结束后，除去聚合溶剂，得到粗产物。然后将粗产物溶于四氢呋喃，将得到的溶液滴加入甲醇和水(体积比4:1)的混合溶液中，得到纯化后的共聚物5。
将5g共聚物5以及0.5g实施例1制备的难溶于水的丝素蛋白溶解在50g乙醚中，然后加入275g水中进行混合，制备处理液，处理液为悬浊液，处理液的粘度为100Pa.s。
体外膜肺氧合器用中空纤维膜的制备：
以聚偏氟乙烯和聚4-甲基1-戊烯为原料进行纺丝，同时以尼龙编织网作为支撑层，通过涂覆-浸没相转换法制备得到多孔中空纤维膜，将多孔中空纤维膜与血液接触的部分浸渍于以上对比例和实施例制备的处理液中，然后在60℃下干燥涂层，形成改性功能层。最后将以上改性的中空纤维膜的外部涂覆硅胶，形成硅胶层，得到体外膜肺氧合器用中空纤维膜，将体外膜肺氧合器用中空纤维膜组装成人工肺。上述人工肺可进一步组装成体外膜肺氧合器。
对人工肺进行以下性能测试：
1、清洁度试验：
用量筒量取10mL试验液。将滤纸(白色及绿色)放置在过滤器上，在其上放置过滤器，并通过夹钳固定，过滤试验液。从过滤器中取出滤纸，放入陪替氏培养皿中，加盖。空白试验液也进行同样的操作。使用放大镜计数过滤后的滤纸上的杂质数，通过下式进行计算。
杂质数(个)＝计数个数(个)/(10(mL)/250(mL))×1/2
杂质数为20以下时，可以避免杂质混入的可能，因此为良好，超过20个时，为不良。
2、血浆渗漏试验：
将各实施例及对比例制备的人工肺装入体外循环回路中，填充加柠檬酸的牛血1100mL和乳酸林格氏液1900mL，在37℃下以1L/分钟灌流8小时，肉眼确认血浆渗漏的有无。
3、强度测试：
将各实施例及对比例制备的中空纤维膜进行拉伸测试，测试其断裂伸长率和断裂强度。
4、血小板粘附试验
将由兔子除血得到的加柠檬酸新鲜血60mL等分到2个50mL离心分离管中，以1000rpm将其离心分离10分钟。将其上清液等分到四个10mL离心分离管中。再以1500rpm将其离心分离10分钟后，除去上清液，分离作为沉淀的血小板颗粒。通过在其中添加HBSS(Hanks平衡盐溶液)进行稀释，得到血小板浓度3.0×108/mL的血小板溶液。血小板浓度通过血球计数器进行测试。将该浓度的血小板溶液作为试验液。取0.2mL得到的试验液，滴加在60×15mm的培养皿内的中空纤维膜表面，加盖，在37℃下培养1小时。其后，添加2.5重量％的戊二醛水溶液5mL，在室温下静置24小时。重复3次用水置换培养皿内的溶液的操作后，排水。将用水洗涤后的PVC片材在-5℃下冻结24小时后，在0.1Torr下干燥24小时。从PVC片材的血小板滴加部位上切出10×10mm，用双面胶带将其粘贴在扫描型电子显微镜(SEM)用样品台上，作为测定样品。使用进行离子蒸镀后的样品，用SEM拍摄粘附血小板的状态。肉眼比较观察拍摄的SEM照片(×3000倍)。附着血小板数目为50以下时，评价为血小板不粘附，因此为良好，大于50时为不良。
以上测试结果见表2。
表2不同性能测试结果
实施例2 实施例3 实施例4 对比例1 对比例2
清洁度(个) 良好 良好 良好 良好 不良
血浆渗漏 无渗漏 无渗漏 无渗漏 有渗漏 有渗漏
断裂伸长率(％) 710％ 715％ 720％ 660％ 680％
断裂强度(MPa) 1.2 1.1 1.28 1.01 0.98
血小板粘附试验 良好 良好 良好 不良 不良
以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种体外膜肺氧合器用中空纤维膜，其特征在于：所述体外膜肺氧合器用中空纤维膜上至少一部分血液接触部覆盖有改性功能层，所述改性功能层包括疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物及难溶于水的丝素蛋白，所述体外膜肺氧合器用中空纤维膜的表面还涂覆有硅胶；所述疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物与丝素蛋白的质量比为10-20:0.1，所述丝素蛋白的结构为丝素I型结晶结构，所述亲水性(甲基)丙烯酸酯的结构式如下：
其中，R3选自氢或甲基，n＝2-10中任一整数；
所述疏水性(甲基)丙烯酸酯的结构式如下：
其中，R1选自C8-C12烷基，R2选自氢或甲基；
所述体外膜肺氧合器用中空纤维膜以聚偏氟乙烯和聚4-甲基1-戊烯为原料，以尼龙编织网作为支撑层，通过涂覆-浸没相转换法制备得到。
2.根据权利要求1所述的体外膜肺氧合器用中空纤维膜，其特征在于：疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯以5-9:1-5的摩尔比进行共聚。
3.根据权利要求1所述的体外膜肺氧合器用中空纤维膜，其特征在于：所述丝素蛋白的分子量为5-10kDa。
4.一种权利要求1-3中任一项所述的体外膜肺氧合器用中空纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述疏水性(甲基)丙烯酸酯和亲水性(甲基)丙烯酸酯的共聚物及难溶于水的丝素蛋白溶解于有机溶剂中，然后加入水中混匀，得到处理液；所述有机溶剂为除醇类之外的有机溶剂；
(2)将中空纤维膜的血液接触部的至少一部分浸渍于所述处理液中，干燥后得到所述体外膜肺氧合器用中空纤维膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述有机溶剂和水质量比5-45:55-95。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述处理液的粘度为2100-1000Pa.s。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，浸渍温度为20-30℃，干燥温度为不高于80℃。
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