聚砜中空纤维血液透析膜的制备与表征

潘振强 马晓华 许振良* 江邦和

1(化学工程联合国家重点实验室，上海市多相结构材料化学工程重点实验室，华东理工大学化学工程研究所膜科学与工程研发中心，上海 200237)2(华东理工大学华昌聚合物有限公司，上海 200237)

聚砜中空纤维血液透析膜的制备与表征

潘振强1马晓华1许振良1*江邦和2

1(化学工程联合国家重点实验室，上海市多相结构材料化学工程重点实验室，华东理工大学化学工程研究所膜科学与工程研发中心，上海 200237)2(华东理工大学华昌聚合物有限公司，上海 200237)

为满足医学治疗的需要，提出一种以期用于血液透析的聚砜中空纤维膜制备方法。以聚砜(PSF)为膜材料，一缩二乙二醇(DEG)为致孔剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)为改性剂，N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂，应用非溶剂致相分离法(NIPS)制备中空纤维血液透析膜。采用扫描电镜、透析实验、接触角和孔隙率测试、拉伸测试等方法，表征不同质量分数的聚砜(17%、19%、21%、23%)对膜的微观结构、渗透性能、亲水性和机械性能的影响。利用肌酐、磷酸氢二钠和维生素B12配制成模拟液，进行模拟血液透析实验，测试不同聚砜质量分数的透析膜对溶质的清除效果。对不同分子量(1 000、2 000、4 000、6 000、10 000、20 000)聚乙二醇(PEG)的水溶液进行溶质截留测试，计算得到透析膜的平均孔径和切割分子量。结果表明：当铸膜液中PSF的质量分数为21%，添加剂DEG和PVP的质量分数均为10%时，能够得到性能最优的透析膜；所得透析膜超滤系数达185.1 mL/m2·h·mmHg，对中小型分子的清除率达50%，断裂强度达5.22 MPa，膜表面孔径为5.00 nm，切割分子量为14 200。基于其良好的渗透性能和机械性能，该聚砜中空纤维膜有成为理想的血液透析膜材料的潜在可能。

聚砜；中空纤维；血液透析；制备；表征

引言

血液透析(简称“人工肾”)是一种模拟人体肾脏部分功能的体外装置。根据Gibbs-Donman膜平衡原理[1]，将人体血液和体外营养物质同时引入透析器，膜两侧的溶液在浓度差和静压差下通过弥散、对流等形式进行物质交换。通过透析，不仅能将体内毒素、杂质等从血液中清除出去，还能补充体内缺乏的营养物质，从而净化血液，纠正体内电解质，并维持酸碱平衡[2]。血液透析膜材料经历了3个发展阶段：从最初的第一代纤维素衍生物膜，到第二代的改性或再生纤维素膜，再到如今的第三代合成高分子膜。追求的目标从最初的尿毒素清除到水通透性，再到如今的血液相容性。随着科技和医疗水平的提高，研究者对血透膜材料的要求也越来越高[3]。聚砜(PSF)[4]是一种常用的膜材料，由于其成膜方法简单，拥有良好的力学性能和化学稳定性，并能抗生物降解，已被越来越多的研究者用于血液透析膜的制备中。笔者以聚砜为聚合物主体，一缩二乙二醇(DEG)为致孔剂，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K30)为改性剂，通过非溶剂致相分离法(NIPS)制备了聚砜中空纤维血液透析膜，探讨了不同质量分数聚合物对膜性能的影响，并考察了其微观结构、亲水性、渗透性能、溶质清除率以及机械性能。

1 方法

1.1 透析膜制备

本研究采用如下材料：聚砜(PSF)(Mw=70 000)，华东理工大学华昌聚合物有限公司；一缩二乙二醇(DEG)、聚乙烯吡咯烷酮K-30(PVP-K30)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、不同分子量的聚乙二醇(PEG，Mw=1 000、2 000、4 000、6 000、10 000、20 000)、肌酐(Creatine)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)和维生素B12(VB12)，化学纯，国药集团化学试剂公司；去离子水，实验室自制。

首先将质量分数为17%、19%、21%和23%的PSF在60℃水浴搅拌下溶解于DMAC中，然后分别加入质量分数10%的DEG和10%的PVP-K30，保持在60℃水浴中搅拌24 h，得到澄清透明的铸膜液。采用文献[5]中所提到的方法，利用自制的纺丝装置，在环境温度25℃下制备PSF中空纤维膜。具体如下：在外压0.2 MPa的氮气挤压下，铸膜液通过外径1.2 mm和内径0.8 mm喷丝头，进入水凝胶浴发生相转换过程；芯液流速保持在0.8 mL/min，喷丝头和凝胶浴液面的空气段间距保持在3 mm，将经过水凝胶浴后的中空纤维膜收卷，其收卷速度为3 m/min；最后将中空纤维膜置于纯水中浸泡48 h，晒干备用。

1.2 透析膜表征

1)超滤系数。它是在单位膜面积、单位mmHg跨膜压下透过膜的体积流量。本实验采用自制的膜组件，测试了在1 220 m/s线速度[6]下透析膜的超滤系数，计算公式为

(1)

式中：Q是透过液体积流量，mL/h；n是组件内存放膜的根数；Di是中空纤维膜内径，L是中空纤维膜长度，m；P是跨膜压力，mmHg。

膜组件的具体规格如下：每根组件的有效长度为21.5 cm，每根组件内腔放10根中空纤维膜，有效膜面积约为38.5 cm2。

2)溶质截留。在超滤条件下，透析膜的孔径、孔径分布以及切割分子量可以通过溶质截留实验来测试。本实验用浓度为500 mg/L，分子量分别为1 000、2 000、4 000、6 000、10 000和20 000的PEG溶液进行溶质截留测试。根据不同分子量PEG截留率，利用Matlab程序，计算得到不同配方透析膜的孔径分布、平均孔径和切割分子量，计算公式[7]为

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：r是基于PEG平均分子量下的斯托克斯半径；M是PEG相对分子质量，g/mol；R是有机溶剂截留率，%；ds是溶质的几何平均直径；ds50是溶质截留率达到50%时溶质的几何平均直径；σg(σp)是截留率分别为84.13%和50%时的几何标准偏差；dp是膜孔几何直径，nm。

3)溶质清除率。它是评价透析膜好坏的一个很重要的指标，本实验中分别用肌酐、磷酸氢二钠和维生素B12来模拟体内中小型分子，配制浓度分别为100 mg/L肌酐、2 000 mg/L磷酸氢二钠和50 mg/L VB12[8]的模拟血液400 mL，用去离子水模拟透析液400 mL。在透析过程中，保持透析液端流量是血液端的2倍，通过阀门控制膜内外压力均衡，确保溶质交换在浓度差条件下发生。整个透析过程在环境温度37℃下持续4 h，并分别在0、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、4.00 h时取血液端样本。清除率的计算公式为

(7)

式中：Qb是血液端流量，mL/min；Cbi是透析器入口处血液中溶质浓度，mg/L；Cbo是透析器出口处血液中溶质浓度，mg/L。

4)孔隙率。本实验采用干-湿称重法[9]，测试了不同配方透析膜的孔隙率。将膜放在纯水中浸泡24 h，擦干表面水珠后称其质量，再将湿膜放入60℃烘箱存放24 h后称其质量，孔隙率的计算公式为

(8)

式中：mw是湿膜质量，g；md是干膜质量，g；ρw是纯水密度，g/cm3；ρp是聚砜密度，g/cm3。

5)接触角。透析膜的亲水性通过测试膜表面纯水接触角来评价，由接触角测试仪(JC2000A，上海众城电子科技有限公司)进行测试[10]。

6)SEM表征。采用场发射扫描电镜(SEM，NOVANANOSEM450)分析透析膜微观形貌，包括膜表面以及断面结构。先将中空纤维膜放在液氮中脆断，然后表面喷金，在3 kV电压的真空装置中进行扫描。

7)热重分析。膜材料的热稳定性和组分通过热重分析仪(PerkinElmer Pyris Diamond TG)进行测试。将材料在氮气氛围下从40℃加热至800℃，加热速度保持在10℃/min。

8)机械性能。透析膜的断裂强度、伸长率和杨氏模量由拉伸测试仪器(QJ210A，上海倾计仪器仪表科技有限公司)进行测试。拉伸速率为50 mm/min，测试结果取5组实验的平均值。

2 结果

2.1 膜结构分析

如图1所示，分别代表PSF的质量分数为17%、19%、21%和23%的中空纤维膜的全貌、近内皮层断面以及内外表面的SEM图。可以看出，膜断面呈现出不对称的结构，17% PSF质量分数的膜中间层呈大孔状结构，这可能是由于聚合物质量分数较低、相转化速率太快而导致，而PSF的质量分数为19%、21%和23%的膜都呈现海绵状结构。由于铸膜液黏度不同，分相速度有所差异，因而内皮层厚度不同。由于膜制备过程中内表面始终与凝固浴水接触，因此内表面形成致密的表层，对小分子截留起到关键性作用。此外，膜的外表面出现了不规则的小孔，且小孔的数目与大小也不一样，其中PSF的质量分数为21%的膜的小孔数目比较多且孔径较大，这对渗透性能有一定的提升作用，有利于透析过程中的溶质清除。

图1 不同PSF的质量分数中空纤维膜。(a)全貌；(b)近内皮层断面；(c)内表面；(d)外表面SEM图Fig.1 SEM images with different PSF. (a)Whole cross section; (b)Cross section near inner surface;(c)Inner surface;(d)Outer surface of different PSF contents hollow fiber membranes

2.2 热重分析

热重分析是一种用来检测材料热稳定性和组分质量分数的技术。从图2可见，PSF的质量分数为17%、19%、21%和23%的中空纤维膜的4条曲线趋势基本没有差别。随温度提高，膜有两个阶段的质量下降：第一阶段，质量下降320～450℃，这是由于膜中残留少量PVP裂解所致；第二阶段，质量下降480～640℃，这是由于膜中主体成分聚砜裂解造成的。

图2 不同质量分数PSF膜的热重曲线Fig.2 TG curves of membranes with different PSF contents

2.3 超滤系数

超滤系数是评价透析器的一个重要指标，肌酐、磷酸盐、VB12等溶质扩散都依赖于超滤系数。由图3可见，随着PSF质量分数的增加，超滤系数的值先由低升高，在PSF的质量分数为21%时达到最高值，KUF=185.1 mL/m2·h·mmHg，之后随着PSF质量分数的增加而降低，这与前文SEM观察到的膜形貌结构一致。根据图1分析可知，该聚合物质量分数下制备的中空纤维膜断面呈海绵状，孔道较多，而且内皮层较薄，膜外表面孔较多，使得纯水通过量比较大。

图3 PSF质量分数对超滤系数的影响Fig.3 Effect of PSF content on KUF

2.4 孔径、孔径分布和切割分子量

由图4、5和表1可知，随着PSF的质量分数增加，膜的平均有效孔径值由5.53 nm减小到4.39 nm，切割分子量由16 100降到12 600，这可能是由于聚合物质量分数的增加，导致膜内表面分离层更加致密，孔道变密集，对溶质的截留也就变高了。

图6 PSF的质量分数对溶质清除率的影响。(a)肌酐清除率；(b)磷酸盐清除率；(c)维生素B12清除率Fig.6 Effect of PSF content on solute clearance. (a)Creatine；(b) Phosphate；(c)VB12

图4 PSF的质量分数对膜孔径分布的影响Fig.4 Effect of PSF content on pore size distribution

表1 不同PSF质量分数膜的平均孔径和切割分子量

Tab.1 Pore sizes and MWCOs of membranes with different PSF contents

PSF的质量分数/%平均孔径/nm切割分子量175.53±0.2516100195.22±0.1915200215.00±0.1214200234.39±0.1712600

2.5 亲水性

从表2可知，随着PSF质量分数的变化，膜表面接触角先降低后升高，这与膜表面的形貌结构变化趋势相一致。一般而言，亲水膜表面的水接触角随表面粗糙度的升高而下降。因此，当PSF的质量分数为21%时，膜外表面的多孔结构提高了其表面粗糙度，膜的接触角最小，其亲水性最好，则表示渗透性能也最好，这与超滤系数曲线表示的趋势相吻合。在超滤实验中，孔隙率对膜的渗透性能起到至关重要的作用，一般孔隙率越大，膜的渗透性能越好。从表2可以观察到：当PSF的质量分数为21%时，膜的孔隙率达到最大值83.5%，可能是由于单位膜体积，皮层越薄其中间的支撑层就越多，孔隙率也就越高。一般而言，指状孔结构通常比海绵状孔结构具有更高的孔隙率，但孔隙率同时也受到膜孔道结构、连通性等因素的影响。因此尽管PSF的质量分数为21%的膜断面为海绵状孔结构，其孔隙率仍然略高于具有指状孔结构17%的PSF膜。

表2 不同PSF质量分数膜的接触角和孔隙率

Tab.2 Contact angles and porosities of membranes with different PSF contents

PSF的质量分数/%接触角/(°)孔隙率/%1776.4±0.178.2±0.31974.5±0.381.3±0.42173.6±0.283.5±0.42378.7±0.477.1±0.2

2.6 溶质清除率

图6为不同质量分数PSF膜对模拟血液内尿毒分子(如肌酐、磷酸盐和维生素B12)清除率的影响。

从中可见，溶质交换主要发生在透析前的2 h，这是由于透析初始阶段血液端和透析液端溶质质

量分数梯度差比较大，溶质在质量分数梯度差和渗透压差的作用下透过膜发生快速弥散，之后由于膜两侧质量分数梯度减小，透析速度慢慢减小直至最后趋于平稳；溶质清除率与超滤系数保持一致性关系，超滤系数大的透析膜其溶质清除率也大，这是由于单位时间内透过膜的溶液体积量越大，溶质之间交换的速率也越大，其清除率就高；清除率的快慢与分子大小也有一定的关系，分子量越小的溶质清除速率越快，这是由于溶质体积越小，越有利于通过膜孔道发生溶质交换。

2.7 机械性能

由表3可见，随着PSF质量分数的增加，中空纤维膜的断裂强度、伸长率和杨氏模量都随之增加。根据测试结果，随着PSF浓度的增大，膜的断裂强度依次增大。结合图1中SEM的断面图来分析：当PSF的质量分数从17%增至19%时，断面结构由疏松孔状结构变为致密的海绵状结构，因此断裂强度增大；当PSF的质量分数从19%增至21%时，膜断面海绵状支撑层的晶型结构更加明显，因此断裂强度增大；当PSF质量分数从21%增至23%时，膜断面海绵状结构更加致密，致使断裂强度增大。从微观角度来分析，随着PSF质量分数的增大，材料的分子链缠绕程度增加，致使材料的韧性增强，所以伸长率依次增大。

表3 PSF中空纤维膜的机械强度Tab.3 Mechanical properties of PSF hollow fiber membranes

3 讨论

本研究采用生物相容性较好的材料聚砜(PSF)作为膜材料，制备了中空纤维血液透析膜。通过扫描电镜、超滤实验、溶质清除测试、接触角和孔隙率测试、拉伸测试，考察了不同聚砜的质量分数对膜微观结构、渗透性能、亲水性和机械性能的影响。

通过扫描电镜发现，聚合物质量分数的变化对透析膜的微观结构有较大的影响，中空纤维膜断面整体呈不对称结构；随着聚砜质量分数的增加，中间层结构由大孔状结构变为晶型结构更加致密的海绵状结构，膜内表面呈致密皮层，膜外表面呈多孔皮层，孔的数目与大小随着聚砜质量分数的增长而变化，这是由于在相分离过程中溶剂与非溶剂的相互扩散速率不同所致。膜内表面自始至终与凝胶浴相接触，表皮溶剂与凝胶浴交换速度快，并未发生溶剂团聚，因此形成致密表层；而膜外表面需要通过空气段再与凝胶浴接触，表皮溶剂、非溶剂与凝胶浴的交换速率较慢，容易发生团聚而产生孔状皮层。由于聚砜质量分数的变化，使得铸膜液黏度有所变化，对相分离过程产生一定的影响，对应的膜内皮层厚度也不同，当聚砜的质量分数为21%时，膜内皮层最薄，透水阻力最小，膜的外表面的小孔数量多且孔径较大，因此有利于提高膜的渗透性能。这一结果可由超滤实验、溶质清除实验和亲水性测试来证实。

在超滤实验中发现，随着聚砜的质量分数从17%增加到23%，超滤系数先升高后降低，当聚砜的质量分数在21%时，超滤系数达到最大值185.1 mL/m2·h·mmHg，高于普通的血液透析膜，属于高通量透析膜。

在溶质清除研究中，分别用肌酐、磷酸二氢钠和维生素B12配制成模拟液代替血液进行血液透析实验，测试不同聚砜质量分数的透析膜对溶质清除的影响，结果表明聚砜的质量分数为21%所对应的透析膜对溶质的清除效果最好。这与其渗透性能有直接的关系，超滤系数越大，溶质清除率越高，因为单位时间内透过膜的溶液体积量越大，溶质交换速率就越快，清除率也就越高。在未来研究中，可通过改变溶剂与非溶剂的配比等方法来调节膜微观结构，进一步提高其溶质清除率。

在亲水性研究方面，接触角和孔隙率测试表明，当聚砜的质量分数为21%时，透析膜的接触角值最低且孔隙率最大，具有最好的亲水性，同时由于聚乙烯吡咯烷酮的加入，将有助于提高透析膜的生物相容性，可较好地满足临床医学研究与应用。

通过力学性能测试发现，PSF可有效地提高血液透析膜的机械性能，其质量分数为21%所对应的透析膜断裂强度高达5.22 MPa，远高于普通血液透析膜。结合膜断面SEM图可知，材料断裂强度受膜断面结构变化影响很大，随着聚砜质量分数的增加，膜断面支撑层先由不规则的孔状结构变为海绵状结构，进而变为晶形状态更加明显、孔道更加致密的结构，因此膜材料的断裂强度随之增大。

此外，通过对不同分子量聚乙二醇水溶液进行溶质截留测试，计算得到：聚砜的质量分数为21%时，对应的透析膜内表面的最小孔径达5.00 nm，切割分子量达14 200，很好地满足了血液透析膜对于切割分子量的要求。

基于制备过程简单便利，反应条件温和，所得产品拥有良好的渗透性能和优异机械性能，并能较好满足血液透析的其他方面要求，因此本研究的结果对血液透析膜的学术研究和商业应用具有很好的参考价值。

4 结论

本研究以聚砜(PSF)为材料，采用非溶剂致相分离法，制备了聚砜中空纤维血液透析膜。采用SEM扫描电镜分析了聚砜中空纤维血液透析膜微观结构，通过热重分析、超滤实验、溶质截留、接触角测试、清除率测试以及机械性能等多种方法对膜材料进行性能表征，并讨论了不同聚砜质量分数对膜性能的影响。结果表明，当铸膜液中PSF的质量分数为21%时，透析膜具有最佳性能：超滤系数达185.1mL/m2·h·mmHg，对中小型分子清除率达50%，膜表面最小孔径为5.00 nm，切割分子量为14 200，其断裂强度达5.22 MPa，在具有较好渗透性能的同时也具有良好的机械性能。

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Preparation and Characterization of PSF Hollow Fiber Hemodialysis Membrane

Pan Zhenqiang1Ma Xiaohua1Xu Zhenliang1*Jiang Banghe2

1(StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering,ShanghaiKeyLaboratoryofMultiphaseStructuralMaterials,MembraneScienceandEngineeringR&DLab,ChemicalEngineeringResearchCenter,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)2(HuachangPolymersL.L.C,Shanghai200237,China)

A novel hollow fiber hemodialysis membrane was fabricated for medical applications. The polysulfone(PSF) membrane was prepared by nonsolvent-induced phase separation (NIPS) method using diethylene glycol (DEG) as the pore former, polyvinyl pyrrolidone (PVP-K30) as the modification agent and dimethylacetamide (DMAC) as a solvent. The effect of PSF content on the morphology, permeation performance,hydrophilicity and mechanical strength of the prepared PSF membranes was characterized by scanning electron microscopy (SEM), dialysis test, contact angle, porosity and tensile test, respectively. In order to test the effects of membrane dialysis properties, the dialysis tests were conducted by using the simulated solutions containing creatine, phosphate and VB12. The pore size and molecular weight cut-off(MWCO) were obtained from the rejections of the different PEG molecular weights (MW 1 000, 2 000, 4 000, 6 000, 10 000, 20 000) in the ultrafiltration experiment. The experimental results showed that the optimal mass fraction of the casting solutions was following: 21% for PSF, 10% for DEG and 10% for PVP. The ultrafiltration coefficient, break strength, pore size and MWCO of the membrane reached 185.1mL/m2·h·mmHg, 5.22 MPa, 5.00nm and 14 200, respectively. Besides, the membrane also had ideal clearance of solutes for creatine, phosphate and VB12. The good permeability performance and the excellent mechanical property were suitable for hemodialysis.

polysulfone; hollow fiber; hemodialysis; preparation; characterization

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 03.009

2015-09-24， 录用日期:2016-02-26

上海市科委产业支撑项目(13521102000)

R318

A

0258-8021(2016) 03-0317-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:chemxuzl@ecust.edu.cn