CN1569319A - 聚丙烯腈/马来酸中空纤维膜及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚丙烯腈/马来酸共聚物中空纤维膜及其制备方法和用途。该方法以丙烯腈/马来酸共聚物为原料，以聚乙二醇、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮为致孔剂，以二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺为溶剂，采用圆形两孔同心喷丝头进行干－湿或湿法纺丝，制成微滤或超滤中空纤维膜。该膜具有稳定性、机械强度、亲水性优于聚丙烯腈膜的优点；而且膜表面引入活泼反应基团羧基－COOH，通过化学反应将生物大分子如白蛋白、酶、糖、明胶、胶原、肝素、胰岛素等固定于膜表面，使得所制备的膜具有生物活性或显著改善膜的生物相容性，可应用于生物产品的分离与提纯、以及生物医疗中的人工肝、人工肾等人工脏器。

Description

聚丙烯腈/马来酸中空纤维膜及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于中空纤维膜技术。

背景技术

随着医疗卫生、生物工程、基因工程的迅速发展，膜分离技术以其可在常压、常温或低温下操作，无相变，同时集合分离、浓缩和纯化等特点，正在逐渐取代传统分离过程，广泛应用于医药用纯水制备和蛋白质、酶、疫苗、药物、基因生物制品的分离、浓缩和纯化，尤其在生物医疗中日益重要地用于置换损坏的器官或增进其功能的人工肝、人工肺、人工肾等人工脏器中。聚丙烯腈膜是一类优异的分离膜，以其优异的耐菌、耐有机溶剂、不易水解、抗氧化、对中等分子量物质的去除能力强、超滤速率较大等优点，在血液透析中已获得广泛应用。但膜脆、机械强度差、不耐高温消毒，特别是生物相容性差等限制了其在和血液接触的人工脏器中的应用。为了获得性能更好的聚丙烯腈类分离膜，国内外研究工作者研究了丙烯腈和其它一些单体共聚，发现一些共聚物膜的性能较聚丙烯腈膜有了一些改善，如机械强度、稳定性、亲水性等，但仍然难以获得具有优异生物相容性(组织相容性和血液相容性)的分离膜。Abel等研究了丙烯睛和马来酸酐的溶液聚合，但共聚物分子量较低，不适合膜的制备(Die Angewandte Makromolekulare chemie，1995，226：71)。近年来，器官的衰竭和组织的缺损已日益成为威胁人类健康的严重问题，进行常规的组织或器官移植又受限于供体的提供，因此，人工脏器的研究和应用显得日益重要。对血液透析等医疗过程而言，其核心就是中空纤维膜。

发明内容

本发明的目的是针对聚丙烯腈膜的强度、稳定性和生物相容性等不足之处而提供一种新型聚丙烯腈共聚物的中空纤维膜及制备方法和用途。使这种共聚物中空纤维膜在机械强度、稳定性、亲水性等方面性能比聚丙烯腈膜高。

为实现上述目的，本发明中空纤维膜的技术特征是含有聚丙烯睛/马来酸共聚物。聚丙烯睛/马来酸共聚物的合成采用水相沉淀聚合方法，具体操作见聂富强发表在英文杂志Desalination的文章(2004，160：43-50)。此共聚物膜含有活泼的反应基团羧基-COOH，利用其反应性，能进一步在膜表面固定生物大分子，如白蛋白、糖、酶、胶原、明胶、肝素和胰岛素等，从而改善膜的生物相容性，可应用于人工肝、人工肾等人工脏器。另外，选用马来酸含量不同的共聚物制膜，可控制膜表面的羧基含量，影响膜表面的生物大分子固定量以及生物相容性。

聚丙烯睛/马来酸中空纤维膜制备方法工艺步骤如下：

1、备料

将聚合物原料于50℃真空干燥3小时，溶剂进行减压蒸馏提纯。

2、配料按下述重量百分比配料：

聚丙烯腈/马来酸(分子量15～40万，马来酸摩尔含量：3.6～11.4％)8～20％溶剂(二甲基亚砜、二甲基乙酰胺，二甲基甲酰胺)70～88％致孔剂(聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯醇)4～10％

依次将按聚丙烯腈/马来酸-致孔剂-溶剂的顺序依次加入到溶料釜中，开启溶料釜的搅拌轴密封压栏，开始搅拌。

3、溶解

将聚合物溶液于60～80℃下，搅拌24小时，溶解成均匀溶液。

4、过滤

停止搅拌，压紧溶料釜搅拌轴密封压栏及各密封口紧固螺栓，开启氮气瓶，在釜内充入3公斤/平方米氮气，打开溶料釜的下料阀和纺丝釜的进料阀，在压力下使物料进入纺丝釜，过滤后，进料结束，开启纺丝釜搅拌轴密封压栏，开始搅拌。

5、脱泡

关闭纺丝釜搅拌，控制脱泡温度在60±5℃，脱泡时间为24小时。

6、纺丝

(1)按工艺要求调整好纺丝液温度，并设定泵转速和卷绕速度；

(2)内、外凝固浴槽中注入超滤水，并按工艺要求控制其温度及内凝固浴流速；

(3)压紧纺丝釜搅拌轴密封压栏及各密封口紧固螺栓；

(4)开启氮气瓶，在纺丝釜中充入4公斤/平方米氮气；

(5)出料口装上圆形两孔同心喷丝头，开启纺丝釜下料阀，启动计量泵，喷丝头上喷出的初生纤维，经过一段空气间隙，浸入凝固浴和水池槽后成为中空纤维膜，将中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上。

7、收集及清洗

将绕丝轮上的纤维切断取下，纤维顺直放入裹丝网上，捆扎成束置于水槽。用超滤水清洗中空纤维膜，每日换水2～3次，浸洗两天。

8、保存

将中空纤维膜浸入重量百分含量为25％的甘油溶液中湿态保存，加入重量百分含量为0.5％的甲醛，防止微生物在膜表面繁殖及侵蚀膜。

聚丙烯腈/马来酸共聚物中空纤维膜的用途：

该膜表面能较好固定生物大分子，用于生物制品(蛋白、酶、疫苗、基因)的分离、浓缩与提纯。特别是比较理想的应用于人工肝、人工肾等人工脏器。

应用于人工脏器首先要制人工脏器的膜组件。将中空纤维等长截切，并按一定的数量捆扎成束，放入封装模具内，临时配制聚氨酯或环氧树脂密封胶，采用两端离心灌封成型，切除多余胶料，拧上端盖，装好封塞，做成膜组件；然后在膜表面固定生物大分子。将中空纤维膜浸入水溶性碳化二亚胺的缓冲溶液中，一段时间后取出(2～4小时)，浸入糖、酶、白蛋白、明胶、胶原、肝素或胰岛素缓冲溶液中反应24小时。膜固定枝生物大分子后用缓冲溶液、去离子水清洗，以除去膜表面物理吸附的生物大分子。

本发明中空纤维膜的显著优点：具有较高的机械强度、稳定性、亲水性等性能，特别是在膜表面易固定生物大分子，可应用于污水、废水处理，尤其是生物制品的分离、浓缩与提纯，以及生物医疗中的人工脏器。

制备中空纤维膜的实施例

实施例1

按上述配方将12克聚丙烯腈/马来酸(分子量19万，马来酸摩尔含量为7.5％)，7克聚乙烯吡咯烷酮，81克二甲基亚砜在80℃下溶解、过滤、脱泡成纺丝原液。30℃的纺丝液在4公斤氮气压力下，通过圆形两孔同心喷丝头，喷出的初生纤维，经过8厘米的空气间隙，浸入20℃的外凝固浴超滤水中，内凝固浴为20℃的超滤水。中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上，3小时后切下，超滤水清洗2天后，浸入重量百分比为25％的甘油溶液中保存。所得到的中空纤维膜外径为720微米，内径为500微米，纯水通量为117升/平方米每小时，对分子量为66kDa牛血清清蛋白的截留率为97％。

实施例2

按上述配方将12克聚丙烯腈/马来酸(分子量15万，马来酸摩尔含量为11.4％)，4克聚乙烯吡咯烷酮，81克二甲基乙酰胺在80℃下溶解、过滤、脱泡成纺丝原液。40℃的纺丝液在4公斤氮气压力下，通过圆形两孔同心喷丝头，喷出的初生纤维，经过15厘米的空气间隙，浸入20℃的外凝固浴超滤水中，内凝固浴为20℃的超滤水。中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上，3小时后切下，超滤水清洗2天后，浸入重量百分比为25％的甘油溶液中保存。所得到的中空纤维膜外径为710微米，内径为510微米，纯水通量为146升/平方米每小时，对分子量为66kDa牛血清清蛋白截留率为95％。

实施例3

按上述配方将15克聚丙烯腈/马来酸(分子量22万，马来酸摩尔含量为3.6％)，4克聚乙烯醇，84克二甲基亚砜在80℃下溶解、过滤、脱泡成纺丝原液。30℃的纺丝液在4kg公斤氮气压力下，通过圆形两孔同心喷丝头，喷出的初生纤维，经过5厘米的空气间隙，浸入20℃的外凝固浴超滤水中，内凝固浴为20℃的超滤水。中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上，3小时后切下，超滤水清洗2天后，浸入重量百分比为25％的甘油溶液中保存。所得到的中空纤维膜外径为730微米，内径为480微米，纯水通量为98升/平方米每小时，对分子量为66kDa牛血清清蛋白截留率为99％。

实施例4

按上述配方将12克聚丙烯腈/马来酸(分子量15万，马来酸摩尔含量为7.5％)，7克聚乙二醇，78克二甲基亚砜在80℃下溶解、过滤、脱泡成纺丝原液。40℃的纺丝液在4公斤氮气压力下，通过圆形两孔同心喷丝头，喷出的初生纤维，经过10厘米的空气间隙，浸入20℃的外凝固浴超滤水中，内凝固浴为20℃的超滤水。中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上，3小时后切下，超滤水清洗2天后，浸入重量百分比为25％的甘油溶液中保存。所得到的中空纤维膜外径为710微米，内径为520微米，纯水通量为124升/平方米每小时，对分子量为66kDa牛血清清蛋白截留率为96％。

膜表面生物大分子固定的实施例：

实施例1

将中空纤维浸入浓度为10毫克/毫升的碳化二亚胺磷酸缓冲溶液中(40毫升，pH＝7.4)0℃下反应4小时后取出，与浓度为4毫克/毫升的糖、白蛋白、明胶或胶原生物大分子溶液0℃下反应24小时。固定明胶和白蛋白后的膜用去离子水清洗，固定胶原或糖的膜用重量百分比为0.3％的醋酸溶液清洗，以除去膜表面物理吸附的生物大分子。膜固定生物大分子后，性能获得了改善。例如膜固定明胶后，水接触角从48°降到了30°，血小板粘附数量减少了84％，巨噬细胞粘附减少了76％。膜固定其它生物大分子也有类似的结果，说明膜表面固定生物大分子后，亲水性和血液相容性获得了明显的改善。

实施例2

将40毫克肝素或胰岛素溶于浓度为10毫克/毫升的碳化二亚胺柠檬酸钠缓冲溶液中(40毫升，pH＝4.7)4℃下活化5小时后，将中空纤维浸入，在4℃下反应24小时。膜固定肝素或胰岛素后，先用磷酸缓冲溶液清洗，然后用重量百分比含量为0.1％的三硝基甲苯水溶液清洗，最后用去离子水清洗，以除去膜表面物理吸附的生物大分子。膜固定肝素和胰岛素后，性能获得很大改善。例如膜固定肝素后，水接触角从48°降到了24°，血小板粘附数量减少了91％，巨噬细胞粘附减少了89％。说明膜表面固定生物大分子后，亲水性和血液相容性获得了明显的改善。

实施例3

将中空纤维浸入浓度为20毫克/毫升的碳化二亚胺磷酸缓冲溶液中(40毫升，pH＝5.5)室温下反应4小时后取出，与浓度为2毫克/毫升的脂肪酶溶液4℃下反应1小时。固定脂肪酶后的膜用磷酸缓冲溶液清洗，以除去膜表面物理吸附的酶。以橄榄油为底物，固定化脂肪酶在室温下的磷酸缓冲溶液中(pH＝7.4)催化甘油三酯水解反应活性为40～60单位/毫克蛋白质，酶的活性保留率为30～50％。

Claims (3)

1、一种中空纤维膜其特征是含有聚丙烯腈/马来酸，膜表面引入活泼反应基团羧基—COOH，将生物大分子如白蛋白或酶或糖或明胶或胶原或肝素或胰岛素固定于中空纤维膜表面。

2、如权利要求1所述中空纤维膜的制备方法，其特征在于工艺步骤依次如下：

(1)备料

将聚合物原料于50℃下真空干燥3小时，溶剂进行减压蒸馏提纯；

(2)按下列重量比配料

聚丙烯腈/马来酸8～20％，其分子量为15～40万，马来酸摩尔含量为3.6～11.4％，溶剂70～88％，采用二甲基亚砜或二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺，致孔剂4～10％，采用聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇或聚乙二醇，依次按聚丙烯腈/马来酸—致孔剂—溶剂的顺序依次加入溶料釜中，开启溶料釜的搅拌轴密封压栏，开始搅拌；

(3)溶解

将上述聚合物溶液于60～80℃下，搅拌24小时，溶解成均匀溶液；

(4)过滤

停止搅拌，压紧溶料釜搅拌轴密封压栏及各密封口紧固螺栓，开启氮气瓶，向釜内充入2公斤/平方米氮气，打开溶料釜的下料阀和纺丝釜的进料阀，在压力下使物料进入纺丝釜，过滤后，进料结束，将纺丝釜的搅拌轴密封压栏开启后，开始搅拌；

(5)脱泡

关闭纺丝釜搅拌，控制脱泡温度在60±5℃，脱泡时间为24小时；

(6)纺丝

1)按工艺要求控制纺丝液温度范围为20～50℃，并设定泵转速和卷绕速度，2)内、外凝固浴槽中注入超滤水，并按工艺要求控制其温度以及内凝固浴流速，3)压紧纺丝釜搅拌轴密封压栏及各密封口紧固螺栓，4)开启氮气瓶，在纺丝釜中冲入3公斤/平方米氮气，5)出料口装上圆形两孔同心喷丝头，开启纺丝釜下料阀，启动计量泵，喷丝头上喷出的初生纤维经过一段空气间隙，浸入凝固浴和水池槽后成为中空纤维膜，将中空纤维膜经过导丝轮引导到绕丝轮上；

(7)收集及清洗

将绕丝轮上的纤维切断取下，纤维顺直放入裹丝网上，捆扎成束置于水槽。用超滤水清洗中空纤维膜，每日换水2～3次，浸洗两天；

(8)保存

将中空纤维膜浸入重量百分含量为20％的甘油溶液中保存，加入重量百分含量为0.5％的甲醛，防止微生物在膜表面繁殖及侵蚀膜。

3、如权利要求1所述中空纤维膜的用途，其特征是用于生物制品的分离、浓缩与提纯，以及生物医疗中的人工脏器。