CN118185013B - Edta改性聚醚砜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了EDTA改性聚醚砜及其制备方法和应用，涉及聚醚砜技术领域。其技术方案为：在聚醚砜聚合后期加入EDTA‑2Na，聚醚砜聚合完成后进行过滤，再倒入Tris‑EDTA缓冲液中进行破碎、浸泡、过滤，再用去离子水加热清洗，即得到改性聚醚砜；其中Tris‑EDTA缓冲液是将EDTA溶于Tris‑HCl缓冲液中配制成的EDTA溶液。本发明制成的EDTA改性聚醚砜膜具有更高的抗凝性，解决了在血液透析过程中由于血液与透析膜表面接触导致血浆蛋白的快速吸附，引发血小板的黏附和激活，形成血栓从而导致血液凝结，造成透析膜堵塞的问题；另外也一定程度地提高了聚醚砜膜的抗污染性，延长了膜的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及聚醚砜技术领域，具体涉及EDTA改性聚醚砜及其制备方法和应用。
背景技术
聚醚砜作为一种具备优异物化性能，如耐热性、耐酸性、耐碱性、耐氧化性等的热塑性高分子材料，由其制备的膜广泛应用于血液净化领域。
凝血和血栓的形成是血液透析过程中面临的最大挑战。血液与外源性膜表面接触的最初反应是血浆蛋白的快速吸附，接着引发血小板的黏附和激活，最后形成血栓。血栓形成的关键因素取决于膜表面的理化性质以及膜表面与血浆蛋白和血小板的相互作用。为了解决这一问题，许多材料通过共混、表面涂层、表面接枝的方式去改善血液透析膜的抗凝性。常用的改性材料包括：亲水性聚合物（如聚乙二醇、聚乙烯基吡咯烷酮）、肝素类物质、两性离子聚合物和一些生物大分子（如氨基酸、蛋白质等）。
乙二胺四乙酸（EDTA）可以有效螯合血液中的Ca2+，从而阻止内源性、外源性及共同途径的凝血过程，防止血栓形成；同时EDTA作为一种疗效极好的金属螯合药剂，可减轻重金属中毒；此外，EDTA可控制细菌菌膜生长，有助于减少相关感染。因此，通过化学方法将EDTA接枝在聚醚砜透析膜上，可以有效改善透析膜的抗凝性，并且使透析膜具备一定的抗污染性，延长使用寿命。
中国发明专利CN115975238A公开了一种乙二胺四乙酸改性膜式人工脏器材料及其制备方法，以聚砜、聚醚砜等材料为基膜，先进行等离子体处理，再接枝EDTA，使EDTA改性膜除了有良好的抗凝血、螯合重金属等毒物作用外，还能抑制膜表面的细菌菌膜形成。但整个制备过程较为繁琐，且接枝率较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供EDTA改性聚醚砜及其制备方法和应用，制成的EDTA改性聚醚砜膜具有更高的抗凝性，解决了在血液透析过程中由于血液与透析膜表面接触导致血浆蛋白的快速吸附，引发血小板的黏附和激活，形成血栓从而导致血液凝结，造成透析膜堵塞的问题；另外也一定程度地提高了聚醚砜膜的抗污染性，延长了膜的使用寿命。
本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供了EDTA改性聚醚砜的制备方法，在聚醚砜聚合后期加入EDTA-2Na，聚醚砜聚合完成后进行过滤，再倒入Tris-EDTA缓冲液中进行破碎、浸泡、过滤，再用去离子水加热清洗，即得到EDTA改性聚醚砜；其中Tris-EDTA缓冲液是将EDTA溶于Tris-HCl缓冲液中配制成的EDTA溶液。
优选的，EDTA改性聚醚砜的制备方法包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜聚合液的制备：在聚醚砜采水阶段（即双酚S、二氯砜与碳酸钾反应脱水的过程）结束后0-1.5h，小分子链段逐渐链接成大分子链段时，加入EDTA-2Na与偶联剂，继续反应，使得EDTA接枝在聚醚砜分子链段上，聚合完成后停止反应，加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）稀释、过滤得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，随后进行破碎，静置后过滤，再用去离子水加热清洗，过滤去水，烘干，即得EDTA改性聚醚砜。
优选的，步骤S1中，聚醚砜采水阶段结束时，采出的NMP溶剂内的含水量＜0.1%，采水结束后0-1.5h内，采用粘度计测得聚合液粘度处于上升状态或搅拌机扭矩处于上升状态，此时聚醚砜小分子链段逐渐聚集，更有利于发生偶联反应。
优选的，步骤S1中，EDTA-2Na与步骤S2制备的EDTA改性聚醚砜的质量比为(0.008-0.02):1；偶联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺（EDC）和N-羟基丁二酰亚胺（NHS），含量为EDTA-2Na的0.1-1wt.%，EDC和NHS的质量比为1:(1-2)。
优选的，步骤S2中，Tris-EDTA缓冲液与EDTA改性聚醚砜聚合液的质量比为(10-15):1；Tris-EDTA缓冲液中，EDTA的浓度为0.15-0.3mol/L，Tris-HCl缓冲液的pH值为7.2-8.3。
优选的，步骤S2中，静置时间为1-3h。
优选的，步骤S2中，用去离子水加热清洗时，加热温度为70-100℃，烘干温度为120-140℃，烘干时间＞12h。
第二方面，本发明提供了EDTA改性聚醚砜，通过上述EDTA改性聚醚砜的制备方法制备得到，其分子结构式为：
；
其重均分子量为128500-133000。
第三方面，本发明还提供了EDTA改性聚醚砜的应用，将上述EDTA改性聚醚砜与添加剂一起溶于N-甲基吡咯烷酮中，添加剂为PVP或LiCl，静置、脱泡，得到均质铸膜液，再利用相转化法制得EDTA改性聚醚砜膜，该EDTA改性聚醚砜膜应用于血液透析、血液净化领域中。
优选的，添加剂占EDTA改性聚醚砜与添加剂总质量的4-7%；均质铸膜液的固含量为23-28%。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明直接在聚醚砜聚合阶段将EDTA接枝在聚醚砜链段上，能够提高EDTA的接枝率，使得最终制备的EDTA改性聚醚砜膜产品的各项性能更好。本发明将EDTA接枝在聚醚砜上，使得聚醚砜膜的水平接触角显著降低，可以有效降低膜表面血栓黏附，具备了在血液透析过程中阻止血液凝结而影响透析效果的作用；同时，本发明利用EDTA是一种有效的金属螯合剂的特性，使制得的EDTA改性聚醚砜膜具备了去除血液内重金属离子、减轻或抑制重金属中毒的作用；此外，本发明利用EDTA可以控制细菌生长的特性，使EDTA改性聚醚砜具备一定的抗污染性能，制得的EDTA改性聚醚砜膜的使用寿命更长。
2.本发明直接在聚醚砜聚合阶段接枝EDTA，无需再对聚醚砜进行其他预处理，操作简单，减少了溶剂、水的使用量以及后续处理过程中污水的排放，对环境污染小、成本更低，可进行批量的工业化生产。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
以下实施例中，EDTA改性聚醚砜的制备方法包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜聚合液的制备：在聚醚砜采水阶段结束后0-1.5h，加入EDTA-2Na与偶联剂，继续反应，使得EDTA接枝在聚醚砜分子链段上，聚合完成后停止反应，加入NMP稀释、过滤得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，随后进行破碎，静置后过滤，再用去离子水加热清洗，过滤去水，烘干，即得EDTA改性聚醚砜。
通过上述制备方法制备得到的EDTA改性聚醚砜，其分子结构式为：
；
其重均分子量为128500-133000。
实施例1
本实施例的EDTA改性聚醚砜的制备方法包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜的制备：聚醚砜采水阶段进行2.5h后，测得采出NMP的含水率为0.05%，估算最终制备的EDTA改性聚醚砜产物200g；1h后加入3g的EDTA-2Na、0.005g的EDC和0.01g的NHS，继续反应1.5h后停止反应，按照与聚合反应釜内剩余NMP的体积比1:1的比例加入NMP稀释，过滤后得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液缓慢倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，其中Tris-EDTA缓冲液与EDTA改性聚醚砜聚合液的质量比为12:1，Tris-EDTA缓冲液中，EDTA的浓度为0.25mol/L，Tris-EDTA缓冲液的pH为7.8；随后使用粉碎机将物料破碎后，静置1h，过滤后再用去离子水加热清洗，加热温度为85℃，过滤去水，重复三次后于130℃下烘干13h，最终得到EDTA改性聚醚砜，其重均分子量为128500。
将25g的EDTA改性聚醚砜与1.5g的致孔剂PVP溶于73.5g的NMP中，充分搅拌溶解后，静置脱泡，得到固含量为25%的均质铸膜液；将均质铸膜液通过相转化法制成EDTA改性聚醚砜膜。
实施例2
本实施例的EDTA改性聚醚砜的制备方法包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜的制备：聚醚砜采水阶段进行2.5h后，测得采出NMP的含水率为0.08%，估算最终制备的EDTA改性聚醚砜产物200g；直接加入1.6g的EDTA-2Na、0.001g的EDC和0.002g的NHS，继续反应1.5h后停止反应，按照与聚合反应釜内剩余NMP的体积比1:1的比例加入NMP稀释，过滤后得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液缓慢倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，其中Tris-EDTA缓冲液与EDTA改性聚醚砜聚合液的质量比为10:1，Tris-EDTA缓冲液中，EDTA的浓度为0.15mol/L，Tris-EDTA缓冲液的pH为8.3；随后使用粉碎机将物料破碎后，静置2h，过滤后再用去离子水加热清洗，加热温度为70℃，过滤去水，重复三次后于140℃下烘干13h，最终得到EDTA改性聚醚砜，其重均分子量为133000。
将23g的EDTA改性聚醚砜与1g的致孔剂LiCl溶于76g的NMP中，充分搅拌溶解后，静置脱泡，得到固含量为23%的均质铸膜液；将均质铸膜液通过相转化法制成EDTA改性聚醚砜膜。
实施例3
本实施例的EDTA改性聚醚砜的制备方法包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜的制备：聚醚砜采水阶段进行2.5h后，测得采出NMP的含水率为0.07%，估算最终制备的EDTA改性聚醚砜产物200g；1.5h后加入4g的EDTA-2Na、0.02g的EDC和0.02g的NHS，继续反应1.5h后停止反应，按照与聚合反应釜内剩余NMP的体积比1:1的比例加入NMP稀释，过滤后得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液缓慢倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，其中Tris-EDTA缓冲液与EDTA改性聚醚砜聚合液的质量比为15:1，Tris-EDTA缓冲液中，EDTA的浓度为0.3mol/L，Tris-EDTA缓冲液的pH为7.2；随后使用粉碎机将物料破碎后，静置3h，过滤后再用去离子水加热清洗，加热温度为100℃，过滤去水，重复三次后于120℃下烘干14h，最终得到EDTA改性聚醚砜，其重均分子量为129000。
将28g的EDTA改性聚醚砜与2g的致孔剂PVP溶于70g的NMP中，充分搅拌溶解后，静置脱泡，得到固含量为28%的均质铸膜液；将均质铸膜液通过相转化法制成EDTA改性聚醚砜膜。
对比例1
与实施例1的区别在于，步骤S1中，聚醚砜采水阶段结束后先不加入EDTA-2Na、EDC和NHS，而是在聚醚砜聚合完成并加入NMP稀释后，再加入EDTA-2Na、EDC和NHS，继续搅拌1.5h后过滤，随后再进行步骤S2。
对比例2
对比例2的EDTA改性聚醚砜膜的制备方法包括以下步骤：
S1基膜的构建：将25g的聚醚砜和1.5g的致孔剂PVP溶于73.5g的NMP中，制成固含量为25%的溶液，静置脱泡，得到铸膜液；将铸膜液固化后浸泡在去离子水中，得到聚醚砜基膜；
S2 EDTA改性聚醚砜膜：对步骤S1的聚醚砜基膜进行氧等离子体处理，将氧等离子体处理后的聚醚砜基膜在0.1mol/L的EDTA溶液中充分浸涂12h；再用去离子水浸泡清洗后进行干燥，得到EDTA改性聚醚砜膜。
对比例3
与实施例1的区别在于，步骤S1中，采用3g的EDTA混合7g的NMP替代EDTA-2Na，7g的NMP后续脱出。
对比例4
对比例4不对聚醚砜进行改性，未改性的聚醚砜膜的制备方法为：将23g聚醚砜与1g的致孔剂LiCl溶于76g的NMP中，充分搅拌溶解后，静置脱泡，得到固含量为23%的均质铸膜液；将均质铸膜液通过相转化法制成聚醚砜膜。
对比例5
与实施例1的区别在于，步骤S1中，在聚醚砜聚合初期加入EDTA-2Na与偶联剂EDC、NHS，即在投料阶段将其与双酚S、二氯砜、碳酸钾一起作为原料投入NMP溶剂中，参与整个聚合反应过程。
对比例6
与实施例1的区别在于，步骤S2中，采用去离子水替代Tris-EDTA缓冲液。
对比例7
与实施例1的区别在于，步骤S1中，不添加偶联剂。
对比例8
与实施例1的区别在于，步骤S1中，采用NHS等量替代EDC。
对比例9
与实施例1的区别在于，步骤S2中，Tris-HCl缓冲液的pH值为6.5。
对实施例1-3和对比例1-9制备的聚醚砜膜进行如下表征：
（1）接触角测量
使用接触角测量仪，测量聚醚砜膜的接触角。
（2）接枝率计算
EDTA改性聚醚砜膜的接枝率计算方式如下：
将EDTA改性聚醚砜膜在50℃下烘干，取不同位置的膜，采用全反射红外光谱（ATR-FTIR）法测定膜的红外谱图，通过特征峰分析接枝情况。EDTA中含有（C=O）的特征峰（1697cm-1），而聚丁二酸乙二醇酯（PES）的醚键（C−O−C）特征峰（1242cm-1左右）的相对强度变化不大，接枝率采用特征峰和参比峰的峰高比来计算，计算公式如下：
DG=H1697/4H1242；
式中，DG-接枝率，%；H1697-EDTA改性聚醚砜膜在1697cm-1处的吸收强度；H1242-EDTA改性聚醚砜膜在1242cm-1处的吸收强度。
（3）抑菌性能测试
使用未改性的聚醚砜膜作为空白对照样品、EDTA改性聚醚砜膜作为样品，分别使用相同面积的空白对照样品和样品与菌悬液作用2h后培养，抑菌率按如下公式计算：
抑菌率/%=；
式中，B-空白对照样品的平均回收菌数；C-样品的平均回收菌数。
对实施例1-3和对比例1-9制备的聚醚砜膜进行接触角、接枝率和抑菌率测试，测试结果如表1所示。
表1 实施例1-3和对比例1-9的聚醚砜膜的接触角、接枝率和抑菌率的测试结果
（4）透析性能测试
以纯水替代透析液进行血液透析研究，模拟液采用与人体血清白蛋白具有相近分子量的牛血清白蛋白（BSA）以表征大分子物质，用价廉易得的溶菌酶替代血液中的中分子毒素，尿素作为小分子毒素的代表；模拟液中BSA、溶菌酶、尿素的浓度分别为1000mg/L、30mg/L和45mmol/L。检测实施例1-3和对比例1-9的聚醚砜膜在相同模拟流速（200mL/min）、相同膜内径（0.3mm）下，模拟液连续通过聚醚砜膜2h后牛血清白蛋白、溶菌酶、尿素在模拟液中的浓度，检测结果如表2所示。
表2 实施例1-3和对比例1-9中牛血清白蛋白、溶菌酶、尿素在模拟液中的浓度
由实施例1和对比例1、对比例5可知，EDTA的接枝时机对最终制得的EDTA改性聚醚砜膜具有较大影响。实施例1中在小分子链段逐渐组成大分子链段的过程中接枝，与对比例1中大分子链段已经形成后接枝相比，二者的接枝率相差较大；而对比例5中，在投料阶段加入EDTA-2Na，可能会影响聚醚砜本身的聚合。因此，本发明在聚醚砜聚合后期进行EDTA接枝，小分子链段可以先与EDTA2-接枝后再形成大分子链段，而已形成大分子链段后则无法做到，进而影响了EDTA改性聚醚砜膜的接枝率及最终产品的透析性能。
因此，本发明在聚醚砜聚合后期加入EDTA-2Na与偶联剂，EDTA的接枝率更高，使得本发明制得的聚醚砜膜具有良好的抑菌率和抗污染性能；且膜的接触角更小，说明其亲水性更高，膜的水通量也相应提高且更稳定；同时，本发明制得的EDTA改性聚醚砜膜自身的血液透析性能也更强。
由实施例1和对比例2可知，EDTA的接枝方法对于最终制得的EDTA改性聚醚砜膜有很大影响。在聚醚砜聚合后期形成大分子链的过程中接入EDTA，比先对聚醚砜成品进行氧等离子体处理后再接入EDTA的接枝效率更高，最终产品的透析性能更优秀；且本发明的EDTA接枝方法是在聚合过程中直接接枝，无需再对聚醚砜进行额外处理，可连续操作，工艺简单。
由实施例1和对比例3可知，接枝时，试剂的选择也会对EDTA改性聚醚砜膜产生较大影响，EDTA-2Na与EDTA的区别在于，接枝时EDTA-2Na会形成游离的EDTA2-离子，更容易接枝到聚醚砜的分子链段上，而EDTA则无法做到，所以EDTA2-的接枝率更高，最终产品的透析性能更好。
由实施例2和对比例4可知，通过EDTA改性，极大地提高了聚醚砜膜的亲水性能、抗污染性和透析性能，可以更好地使聚醚砜膜应用于血液透析领域。
由实施例1和对比例6可知，Tris-EDTA缓冲液具备将EDTA2-稳定接枝到聚醚砜分子链段上的作用，将EDTA改性聚醚砜聚合液浸泡在Tris-EDTA缓冲液中，可以使EDTA改性聚醚砜分子链段上的EDTA2-接枝更稳定，提高了接枝率。同时由实施例1和对比例9可知，Tris-EDTA缓冲液的pH对EDTA改性聚醚砜也有较大影响，合适pH的Tris-EDTA缓冲液可以稳定聚醚砜分子链段上的EDTA2-，pH过低，可能会使聚醚砜分子链段上已接枝的EDTA2-活化，从而脱离分子链段，降低接枝率，进而影响EDTA改性聚醚砜膜的性能。
由实施例1和对比例7可知，偶联剂具有至关重要的作用，能够有效促进EDTA2-接枝到聚醚砜分子链段上，最终得到EDTA改性聚醚砜。由实施例1和对比例8可知，偶联剂EDC和NHS搭配使用，可以提高偶联反应的效率，进而提高EDTA改性聚醚砜膜上EDTA2-的接枝率，使得EDTA改性聚醚砜膜的抑菌性能和透析性能更强。
综上，本发明利用EDTA具有抗凝结、抑菌抗污染的特性，通过EDTA-2Na的形式将EDTA2-接枝到聚醚砜上，从而使制备的EDTA改性聚醚砜膜具备了较好的抗凝性、抗污染性能，进而使得EDTA改性聚醚砜膜的透析性能更强、使用寿命更长，可以广泛用于血液透析领域。同时本发明直接在聚合阶段接枝EDTA2-，无需再对聚醚砜进行二次处理，整个过程连续多步，操作简单，减少了溶剂和水的使用以及后续处理过程中污水的产生，更加绿色、环保，且成本更低，可进行批量的工业化生产。
Claims (10)
1. EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，在聚醚砜采水阶段结束后0-1.5h，加入EDTA-2Na与偶联剂，聚醚砜聚合完成后进行过滤，再倒入Tris-EDTA缓冲液中进行破碎、浸泡、过滤，再用去离子水加热清洗，即得到EDTA改性聚醚砜；其中Tris-EDTA缓冲液是将EDTA溶于Tris-HCl缓冲液中配制成的EDTA溶液，Tris-HCl缓冲液的pH值为7.2-8.3；偶联剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺和N-羟基丁二酰亚胺，含量为EDTA-2Na的0.1-1wt.%，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺和N-羟基丁二酰亚胺的质量比为1:(1-2)。
2.如权利要求1所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1 EDTA改性聚醚砜聚合液的制备：在聚醚砜采水阶段结束后0-1.5h，加入EDTA-2Na与偶联剂，继续反应，使得EDTA接枝在聚醚砜分子链段上，聚合完成后停止反应，加入N-甲基吡咯烷酮稀释、过滤得到EDTA改性聚醚砜聚合液；
S2 EDTA改性聚醚砜的后处理：将EDTA改性聚醚砜聚合液倒入Tris-EDTA缓冲液中，形成白色条状固体，随后进行破碎，静置后过滤，再用去离子水加热清洗，过滤去水，烘干，即得EDTA改性聚醚砜。
3.如权利要求2所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚醚砜采水阶段结束时，采出的N-甲基吡咯烷酮溶剂内的含水量＜0.1%。
4.如权利要求2所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，EDTA-2Na与步骤S2制备的EDTA改性聚醚砜的质量比为(0.008-0.02):1。
5.如权利要求2所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，Tris-EDTA缓冲液与EDTA改性聚醚砜聚合液的质量比为(10-15):1；Tris-EDTA缓冲液中，EDTA的浓度为0.15-0.3mol/L。
6.如权利要求2所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，静置时间为1-3h。
7.如权利要求2所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法，其特征在于，步骤S2中，用去离子水加热清洗时，加热温度为70-100℃，烘干温度为120-140℃，烘干时间＞12h。
8. EDTA改性聚醚砜，其特征在于，通过如权利要求1-7任一项所述的EDTA改性聚醚砜的制备方法制备得到，其分子结构式为：
；
其重均分子量为128500-133000。
9. EDTA改性聚醚砜的应用，其特征在于，将如权利要求8所述的EDTA改性聚醚砜与添加剂一起溶于N-甲基吡咯烷酮中，添加剂为PVP或LiCl，静置、脱泡，得到均质铸膜液，再利用相转化法制得应用于血液透析、血液净化领域的EDTA改性聚醚砜膜。
10.如权利要求9所述的EDTA改性聚醚砜的应用，其特征在于，添加剂占EDTA改性聚醚砜与添加剂总质量的4-7%；均质铸膜液的固含量为23-28%。
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