一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜及其制备方法和应用，所述纳米纤维复合膜为双层结构：基层为纳米纤维基膜，表层为表面活性分离层。制备方法包括：将聚丙烯腈溶液静电纺丝，冷压，得到基膜；将基膜浸入催化表层交联反应的催化凝固浴中；将交联剂加入到聚乙烯醇溶液中，预交联后，涂覆在基膜表面，得到复合膜；待表层完成交联反应后，复合膜经去离子水浸泡，即得。本发明的纳米纤维复合膜亲水性好、具有高渗透性且孔径分布均匀，在对生物大分子蛋白质保持高截留的同时可对中等生物分子有效去除。本发明的纳米纤维复合膜应用于血液透析、血液透析滤过、血液滤过、蛋白质分离、活性生物分子过滤等领域。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料复合膜领域，特别涉及一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复 合膜及其制备方法和应用。

背景技术

急、慢性肾脏病是人类在全球范围的高死亡率疾病之一。随着全球人口老龄化的发展以 及糖尿病、高血压患者人数的不断增加，该疾病的发病率也在近几年迅速增加。据统计，全 球约有301万人患有终末期肾脏疾病(ESRD)，且正以每年约6％～7％的速率增加。目前研 究认为其致病机理是体内中保留了大量本应通过肾脏清除的有毒溶质即尿毒症毒素。当血液 中尿毒症毒素的浓度超过标准范围时，毒性副作用便发生并引起急、慢性肾脏病。基于人类 现有医学条件，两种治疗方法可延长患者寿命即肾脏器官移植和透析治疗。肾移植手术后的 患者具有较高的存活率，但其往往受到供体器官严重短缺的限制。因此，绝大多数的肾功能 衰竭患者需要透析治疗，血液透析也便成为了一种重要的临床治疗肾脏疾病患者的方法。血 液透析的原理就是通过透析膜孔的对流、扩散、筛分作用清除血液中毒素和多余的水分并防 止人类必要的蛋白损失，从而使血液得到净化。

由于在透析的过程中，其效果取决于透析膜性能，故高性能的血液透析膜的制备与研究 成为了提高治疗质量、延长患者寿命的关键问题。高性能血液透析膜，应具有：(1)高渗透 性；(2)高选择透过性；(3)良好的生物相容性。其中：高渗透性保证了在治疗过程中的透析 效率；高选择透过性即要求透析膜尽可能的清除小分子量以及中等分子量的毒素的同时，可 以最大限度保留人体中大分子有益物质；良好的生物相容性要求血液透析膜不易吸附蛋白质、 不易凝血等，这样可以安全进行治疗且不产生新的并发症。

现有技术中第一代血液透析膜即是由纤维素及其衍生物材料制备的血液透析膜，由于其 原料易得，价格低廉且小分子的去除率可以满足临床要求。但是由于材料本身的特性及结构， 其具有低渗透性，纯水超滤率为0.12～55.69mL/m²·h·mmHg即在0.1Mpa下的纯水通量约为 0.09～41.76L/m²·h[KeeCM,IdrisA2010Sep.Purif.Technol75102-113]，并且截留分子量约 2000Da，几乎不能对中分子量毒素清除，故其限制了其发展前景。

为提高透析膜的渗透性及对中分子量毒素的去除，近几年越来越多的研究集中在合成聚 合物材料以及对其改性来制备高通量血液透析膜。利用具有更大孔径的高通量透析膜去除中 分子毒素。然而目前现有技术制备的透析膜，主要通过相转化法一次成型制备的平板膜或中 空纤维膜，一次成型使得表面孔径精细调控困难从而透过选择性较低，难以兼顾既要对蛋白 质大分子有高的截留同时对中等分子量毒素有高的清除。在公开号为CN101422706A的中国 发明专利中，介绍了一种具有改善亲水性的共混聚偏氟乙烯中空纤维膜的制备方法，经改性 后的偏氟乙烯膜在纯水通量为80L/m²·h时，牛血清蛋白截留率为80％，当通量达到150 L/m²·h时，对牛血清蛋白的截留率降低到72％。在公开号为CN102961977A的中国发明专 利中，介绍了一种聚乳酸中空纤维透析膜的制备方法，制备的聚乳酸透析膜纯水超滤率约100 mL/m²·h·mmHg即75L/m²·h，对中分子量去除率约为30％，对大分子蛋白质截留率约为90％。 聚醚砜透析膜通过聚乙烯吡咯烷酮和酸化碳纳米管改性后的通量由7.14L/m²·h提高到72.2 L/m²·h，对中分子量的去除率也由1.5％提高到28.4％，同时对大分子蛋白的截留率约为90％ [IrfanM,IdrisA,YusofNM,KhairuddinNFM,AkhmalH2014J.Membr.Sci46773-84]。现有 技术制备的血液透析膜材料的渗透性，选择透过性(尤其是对中等分子量的去除率低)仍有 待进一步提高，亟需开发出高通量且对中等生物分子具有特异去除的新型高效透析膜。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜及其制 备方法和应用，该发明解决现有技术中透析膜渗透性低及在保证对大分子高截留率的同时对 中分子量毒素去除率低的问题。

本发明的一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜，所述纳米纤维复合膜为双层结 构：基层为纳米纤维基膜，表层为表面活性分离层。

所述纳米纤维基膜的厚度为20～50μm，涂覆的表面活性分离层厚度为300～900nm。

所述纳米纤维复合膜对中等生物分子的筛分系数为0.65～0.85，透析清除率为45～50％。

所述中等生物分子为分子量介于6～60kDa的甲状旁腺激素、β2-微球蛋白、白细胞介素 iL-1β和肿瘤坏死因子TNF-R中的至少一种。

所述甲状旁腺激素的分子量为9.5kDa；β2-微球蛋白的分子量为11.8kDa、白细胞介素 iL-1β的分子量为17kDa；肿瘤坏死因子TNF-R的分子量介于6～60kDa。

本发明的一种有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜的制备方法，包括：

(1)将聚丙烯腈溶液静电纺丝，得到纳米纤维膜，冷压，得到基膜；

(2)将步骤(1)中的基膜浸入催化表层交联反应的催化凝固浴中，防止表层下渗到基 膜中；

(3)将交联剂加入到聚乙烯醇溶液中，预交联15～30min后，将步骤(2)中的基膜从 催化凝固浴中取出并涂覆在其表面，得到具有表面活性分离层的复合膜；

(4)将步骤(3)中的复合膜继续完成交联反应3～15h，去离子水浸泡，得到双层结构 的有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜；纳米纤维复合膜对中等生物分子的筛分系数为 0.65～0.85，透析清除率为45～50％。

所述步骤(1)中聚丙烯腈重均分子量为100,000～150,000。

所述步骤(1)中聚丙烯腈溶液浓度为质量分数6～12％，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

所述步骤(1)中静电纺丝的条件为：电压为16～24kV，溶液推进速率为15～20μL/min， 环境组成氛围为敞开或者是密闭的空间体系(其中的相对湿度调控在30～70％，温度 20～50℃)，接收距离为15～30cm，接收滚筒转速500～1000r/min。

所述步骤(1)中冷压的压力为5～10Mpa，时间为30～90s。

所述步骤(2)中凝固浴为0.5～0.8M的硼酸溶液。

所述步骤(3)中交联剂为戊二醛；加入量为戊二醛与聚乙烯醇重复单元的摩尔比为 0.1～0.3。

所述步骤(3)中聚乙烯醇溶液浓度为质量分数1.0～2.5％，溶剂为去离子水，聚乙烯醇 重均分子量为120,000～180,000。

所述步骤(3)中涂覆为通过涂覆-反应的方法涂覆。

所述步骤(4)中去离子水浸泡时间为24～72h；去离子水浸泡去除凝固浴及未反应的交 联剂。

所述步骤(4)中纳米纤维复合膜的纯水接触角为55～65°，0.1Mpa压力下的纯水通量为 250～400L/m²·h，对小分子的筛分系数为0.95～0.99，透析清除率为80～90％，同时对大分子 筛分系数为0.01～0.05，透析截留率为98.5～99.5％。这些性能指标的测试方法参见文献：Gao A,LiuF,XueL2014J.Membr.Sci452390-399。

所述小分子为尿素；大分子为蛋白牛血清蛋白。

所述的有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜应用于血液透析、血液透析滤过、血液 滤过、蛋白质分离、活性生物分子过滤等领域。

本发明将聚丙烯腈溶液静电纺丝得到纳米纤维膜并对其进行冷压作为复合膜的基膜；将 上述基膜浸入催化表层交联反应的凝固浴中；然后在聚乙烯醇溶液加入交联剂经预交联反应 后通过涂覆-反应的方法涂覆在基膜表面；最后将上述复合膜在室温下完成交联反应后经去离 子水浸泡去除凝固浴及未反应的交联剂，得到双层结构的纳米纤维复合膜。该方法制得的纳 米纤维复合膜亲水性好、具有高渗透性且孔径分布均匀，在对生物大分子蛋白质保持高截留 的同时可对中等生物分子有效去除。

有益效果

(1)本发明制得的纳米纤维复合膜呈现出高渗透性，在0.1Mpa压力下的纯水通量为 250～400L/m²·h；

(2)本发明制得的纳米纤维复合膜较现有技术一次成型的传统透析膜的孔径分布较窄，在 对生物大分子蛋白质保持高截留的同时可对中等生物分子有效去除，对小分子尿素的筛分系 数为0.95～0.99，透析清除率为80～90％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.65～0.85， 透析清除率为45～50％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.01～0.05，透析截留率为 98.5～99.5％；

(3)本发明制得的纳米纤维复合膜可应用于血液透析、血液透析滤过、血液滤过、蛋白质 分离、活性生物分子过滤等领域。

附图说明

图1为实施例2中纳米纤维复合膜断面扫描电镜图；

图2为实施例2中纳米纤维复合膜表面扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃溶于N,N-二甲基甲酰胺6h配制成质量 分数为8％的均匀溶液，静电纺丝电压为18kV，溶液推进速率为16μL/min，相对湿度40％， 环境温度35℃，接收距离为20cm，接收滚筒转速800r/min，对溶液进行静电纺丝，制备出 的聚丙烯腈纳米纤维膜厚度为50μm。

(2)将制备好的聚丙烯腈纳米纤维膜在室温下用压力为5Mpa，时间为60s进行冷压作 为基膜，并浸入催化表层交联反应的含有0.8M的硼酸溶液的凝固浴中。

(3)将重均分子量为160,000聚乙烯醇，配制成溶液浓度为质量分数2％的水溶液，加 入戊二醛进行预交联反应，戊二醛与聚乙烯醇重复单元的比为0.2，预交联反应时间为18min， 预交联后涂覆在基膜表面，得到复合膜，纳米纤维复合膜在室温继续完成交联反应时间为6h， 去离子水浸泡48h，去除凝固浴及未反应的交联剂。

(4)将制得的纳米纤维复合膜进行纯水渗透通量、筛分系数及透析性能评估。具体操作 条件如下：纯水通量在0.1Mpa压力下经30min预压后计算得出。筛分系数通过计算复合膜 在0.1Mpa压力下对溶质的截留率计算，溶液浓度分别为：1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2- 微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白。透析效果通过复合膜经过透析4h后溶质的清除或截 留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2-微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白 溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。

该纳米纤维膜在0.1Mpa压力下的纯水通量为360L/m²·h，对小分子尿素的筛分系数为 0.98，透析清除率为88％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.8，透析清除率为48％， 同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.05，透析截留率为98.6％。

实施例2

(1)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃溶于N,N-二甲基甲酰胺6h配制成质量 分数为8％的均匀溶液，静电纺丝电压为18kV，溶液推进速率为16μL/min，相对湿度40％， 环境温度35℃，接收距离为20cm，接收滚筒转速800r/min，对溶液进行静电纺丝，制备出 的聚丙烯腈纳米纤维膜厚度为50μm。

(2)将制备好的聚丙烯腈纳米纤维膜在室温下用压力为5Mpa，时间为60s进行冷压作 为基膜，并浸入催化表层交联反应的含有0.8M的硼酸溶液的凝固浴中。

(3)将重均分子量为160,000聚乙烯醇，配制成溶液浓度为质量分数2％的水溶液，加 入戊二醛进行预交联反应，戊二醛与聚乙烯醇重复单元的比为0.25，预交联反应时间为18 min，预交联后涂覆在基膜表面，得到复合膜，纳米纤维复合膜在室温继续完成交联反应时间 为6h，去离子水浸泡48h，去除凝固浴及未反应的交联剂。纳米纤维复合膜的断面形貌见图 1；表面形貌见图2。

(4)将制得的纳米纤维复合膜进行纯水渗透通量、筛分系数及透析性能评估。具体操作 条件如下：纯水通量在0.1Mpa压力下经30min预压后计算得出。筛分系数通过计算复合膜 在0.1Mpa压力下对溶质的截留率计算，溶液浓度分别为：1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2- 微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白。透析效果通过复合膜经过透析4h后溶质的清除或截 留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2-微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白 溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。

该纳米纤维膜在0.1Mpa压力下的纯水通量为290L/m²·h，对小分子尿素的筛分系数为 0.96，透析清除率为83％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.75，透析清除率为 46％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.04，透析截留率为98.8％。

实施例3

(1)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃溶于N,N-二甲基甲酰胺6h配制成质量 分数为8％的均匀溶液，静电纺丝电压为18kV，溶液推进速率为16μL/min，相对湿度40％， 环境温度35℃，接收距离为20cm，接收滚筒转速800r/min，对溶液进行静电纺丝，制备出 的聚丙烯腈纳米纤维膜厚度为50μm。

(2)将制备好的聚丙烯腈纳米纤维膜在室温下用压力为5Mpa，时间为60s进行冷压作 为基膜，并浸入催化表层交联反应的含有0.8M的硼酸溶液的凝固浴中。

(3)将重均分子量为160,000聚乙烯醇，配制成溶液浓度为质量分数2％的水溶液，加 入戊二醛进行预交联反应，戊二醛与聚乙烯醇重复单元的比为0.3，预交联反应时间为18min 预交联后涂覆在基膜表面，得到复合膜，纳米纤维复合膜在室温继续完成交联反应时间为6h， 去离子水浸泡48h，去除凝固浴及未反应的交联剂。

(4)将制得的纳米纤维复合膜进行纯水渗透通量、筛分系数及透析性能评估。具体操作 条件如下：纯水通量在0.1Mpa压力下经30min预压后计算得出。筛分系数通过计算复合膜 在0.1Mpa压力下对溶质的截留率计算，溶液浓度分别为：1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2- 微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白。透析效果通过复合膜经过透析4h后溶质的清除或截 留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2-微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白 溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。

该纳米纤维膜在0.1Mpa压力下的纯水通量为265L/m²·h，对小分子尿素的筛分系数为 0.95，透析清除率为81％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.70，透析清除率为 46％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.02，透析截留率为99.3％。

实施例4

(1)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃溶于N,N-二甲基甲酰胺6h配制成质量 分数为8％的均匀溶液，静电纺丝电压为18kV，溶液推进速率为16μL/min，相对湿度40％， 环境温度35℃，接收距离为20cm，接收滚筒转速800r/min，对溶液进行静电纺丝，制备出 的聚丙烯腈纳米纤维膜厚度为50μm。

(2)将制备好的聚丙烯腈纳米纤维膜在室温下用压力为5Mpa，时间为60s进行冷压作 为基膜，并浸入催化表层交联反应的含有0.8M的硼酸溶液的凝固浴中。

(3)将重均分子量为160,000聚乙烯醇，配制成溶液浓度为质量分数2.5％的水溶液， 加入戊二醛进行预交联反应，戊二醛与聚乙烯醇重复单元的比为0.2，预交联反应时间为18 min预交联后涂覆在基膜表面，得到复合膜，纳米纤维复合膜在室温继续完成交联反应时间 为6h，去离子水浸泡48h，去除凝固浴及未反应的交联剂。

(4)将制得的纳米纤维复合膜进行纯水渗透通量、筛分系数及透析性能评估。具体操作 条件如下：纯水通量在0.1Mpa压力下经30min预压后计算得出。筛分系数通过计算复合膜 在0.1Mpa压力下对溶质的截留率计算，溶液浓度分别为：1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2- 微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白。透析效果通过复合膜经过透析4h后溶质的清除或截 留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2-微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白 溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。

该纳米纤维膜在0.1Mpa压力下的纯水通量为320L/m²·h，对小分子尿素的筛分系数为 0.97，透析清除率为86％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.78，透析清除率为 47％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.04，透析截留率为98.7％。

实施例5

(1)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃溶于N,N-二甲基甲酰胺6h配制成质量 分数为8％的均匀溶液，静电纺丝电压为18kV，溶液推进速率为16μL/min，相对湿度40％， 环境温度35℃，接收距离为20cm，接收滚筒转速800r/min，对溶液进行静电纺丝，制备出 的聚丙烯腈纳米纤维膜厚度为50μm。

(2)将制备好的聚丙烯腈纳米纤维膜在室温下用压力为5Mpa，时间为60s进行冷压作 为基膜，并浸入催化表层交联反应的含有0.8M的硼酸溶液的凝固浴中。

(3)将重均分子量为160,000聚乙烯醇，配制成溶液浓度为质量分数2.5％的水溶液， 加入戊二醛进行预交联反应，戊二醛与聚乙烯醇重复单元的比为0.3，预交联反应时间为18 min预交联后涂覆在基膜表面，得到复合膜，纳米纤维复合膜在室温继续完成交联反应时间 为6h，去离子水浸泡48h，去除凝固浴及未反应的交联剂。

(4)将制得的纳米纤维复合膜进行纯水渗透通量、筛分系数及透析性能评估。具体操作 条件如下：纯水通量在0.1Mpa压力下经30min预压后计算得出。筛分系数通过计算复合膜 在0.1Mpa压力下对溶质的截留率计算，溶液浓度分别为：1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2- 微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白。透析效果通过复合膜经过透析4h后溶质的清除或截 留率得出，模拟液为1.5mg/mL尿素、0.4mg/mL的β2-微球蛋白及1.0mg/mL的牛血清蛋白 溶液，透析液为去离子水，模拟液流速为200mL/min，透析液流速为500mL/min。

该纳米纤维膜在0.1Mpa压力下的纯水通量为250L/m²·h，对小分子尿素的筛分系数为 0.95，透析清除率为80％，对中等生物分子β2-微球蛋白的筛分系数为0.68，透析清除率为 45％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白筛分系数为0.01，透析截留率为99.4％。