专利名称：一种具有生理功能的透析膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于生物材料技术，具体涉及一种具有生理功能的透析膜材料，是一种具有优良的生物相容性、高的孔隙率及两端通透的TiO2纳米管阵列膜。
背景技术：
肾脏疾病已成为又一个威胁人类健康的重大疾病。国际肾脏病学会公告指出，目前世界上有超过5亿的人口罹患不同形式的肾脏疾病，每年有超过100万人死于与其相关的心脑血管疾病。粗略估计，我国的慢性肾脏疾病累计人口有1亿左右。诚然，如何防治慢性肾脏病是一个十分重要的问题，但是患者进入尿毒症后如何提高肾脏替代治疗的技术水平更是我们所面临的一个巨大挑战。肾脏移植因供体器官太少而极大受限。事实上，当肾脏失去功能发展为终末期肾病，应用血透或血滤进行的肾替代治疗至今仍是一种成功的维持性替代治疗方式。据国际人工器官协会(INFA)的德国教授H. J.Gurland估计，全世界每年有7000万人进行透析，全世界每天约有10. 6万个新病人进入常规血透治疗，血透疗法已占治疗手段的92.2%。目前常规的血透医疗系统价格昂贵，体积较大，仅仅一些专门的血透中心才拥有。病人需要频繁进入专门的医院接受费用高昂的治疗，既冗长又痛苦的过程已使患者不堪重负，严重影响了患者的正常生活。另一方面，近年来的研究已证实相对于传统的每周三次间歇性血透，每日连续性的透析能极大地改善病患者的营养状况和骨骼矿物质的新陈代谢，并能控制血压、降低相关的心脑血管疾病，能极大地延长肾衰患者的存活期。因此，发展微型化、可携带或移植的生物人工肾不仅能减轻病人的负担，且能更好地满足每日连续性的透析治疗需求。这种可便携式的透析产品可放在茄克衫内穿在身上，或置于腹膜内，工作、出差、旅游均不受限制。由此可见，发展便携式透析产品具有广泛的市场应用前景。而便携式透析产品的技术关键在于高性能透析膜材料。在生物医学领域，膜材料的性能对于血液透析器起着至关重要的作用，用于血液透析膜的膜材料除了具有良好的成膜特性及机械强度外，由于在透析过程中，透析膜与人体血液直接接触，因而要求透析膜的膜材料具有较好的血液相容性。另一方面，亲水性也是影响透析膜材料的主要因素。现用的膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚砜膜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯等。纤维素是最早使用的血液透析膜材料，其湿态强度和尿素的透过率能满足临床的基本要求，然而其血液相容性较差；聚砜类等高分子材料由于其膜孔径和孔径分布可以通过改变铸模液的组成而很容易的得到控制，且对血液中中分子量有毒物质能够有效去除，因而是目前血液透析器中应用最广的材料。但这类材料属强疏水性材料，在用作透析膜前，需要对其进行亲水化处理，同时，这些膜材料还存在以下几个问题对杀菌消毒技术较为敏感，目前的杀菌消毒技术易使膜的质量发生改变；薄膜孔径尺寸范围分布较宽且微观不均勻，因而在滤去血液中毒素的同时也使有用的蛋白质分子滤过；易导致各种蛋白质分子和生物分子吸附在薄膜上从而引起生物淤塞；由聚合物而引入的污染。这些膜的孔密度较低(< 109/Cm2)， 导致流通量下降。而在正常情况下，适合携带或移植条件的人工肾应依靠毛细血管压作为超滤的驱动力，此时，若要满足临床的超滤系数，即在30mmHg压力下达到30ml/min，可粗略计算出孔的密度大约在5X 101°左右。显然，现用的膜材料很难满足微型化和体内移植的要求。二氧化钛具有优越的生物相容性、很强的光催化活性和自洁净性能，在生物医学领域有广阔的应用前景，其形式多种多样，有二氧化钛薄膜、纳米颗粒、纳米线及纳米管等。 其中两端通透的二氧化钛纳米管阵列由于其特殊的管状结构，具有更大的比表面积及更强的吸附能力。采用电化学阳极氧化法制备，工艺简单，成本低，且能通过调节阳极氧化的参数准确控制纳米管阵列的几何特性，如纳米管阵列的长度、管径及壁厚等。我们专门考察了 TiO2纳米管阵列的血液相容性，结果表明，这种纳米管材料增加了牛血清蛋白的吸附、血小板的黏附及活性、全血液的凝固能力，而且，血液相容性还能随着纳米管阵列几何参数(如管径、厚度)的改变而改变。如前所述，要满足可携带或移植条件的人工透析膜的孔密度应在IOltVcm2这个量级，而这种特殊的纳米管状材料具有较高的孔密度(> IOuVcm2)，还能模仿细胞外基质的微环境，并能用特异的信号来精确定位分子，显然有利于人工滤器的微型化。加之T^2还具有很高的超亲水性及自洁净性能，是用作生物透析膜较为理想的材料。另一方面，传统的血液透析仅仅取代了人体肾小球的过滤功能，而体外对肾小管功能的替代仍是空白。事实上，相对于肾小球的滤过功能，肾小管的功能更为丰富。在生理情况下，肾小管除了重吸收和维持水、电解质平衡外，还包括对重要代谢物质如必需氨基酸和糖的重吸收；并具有产生和调节活性VitD、分泌内皮素及针对炎性反应和免疫调节的多种细胞因子的内分泌功能；另外，肾小管还具有合成谷胱苷肽、自由基清除酶、糖异生及产氨等代谢功能。已有报道认为目前透析病人并发症的出现及高死亡率与血液净化肾替代疗法可能忽视了肾小管功能的替代相关。近年来出现了在体外用细胞生物学，即组织工程的方法进行生物人工脏器替代的研究。该方法已成为体外脏器替代治疗的新的里程碑。基于此，1999年美国Humes首先提出了构建生物人工肾小管辅助装置(bioarficial renal tubule assist device, RAD)的概念并进行了体外实验，他将兔肾近曲小管上皮细胞作原代培养后植入血滤器的空心纤维内腔，使其在内部融合成单层上皮，体外初步测定其具有肾小管的选择性重吸收功能。在其后几年中又陆续出现了有关RAD功能鉴定及构建方法方面的报道。在此基础上，美国食品药品管理局(FDA)已于目前批准RAD进入I/II期临床实验，并取得了令人鼓舞的效果。尽管RAD研究已取得了很大进展，但目前血液透析和RAD 只是分别模拟了肾小球、肾小管部分的功能，仍存在关键问题有待解决。首先，整个过程需要将血液滤过装置和RAD组成复杂的串联回路，因而结构较复杂，不利于生物人工肾的“微缩化”和体内移植。其次，现今的RAD回路需要多个蠕动泵提供体外驱动压力，以弥补流通量的不足，这种体外蠕动泵严重限制了该装置的微缩化和可便携式及可体内移植目标的实现。最后，现今的RAD不具备抗凝功能，血液进入RAD前需持续给予肝素进行抗凝。因此， 探索研究结构小巧、能实现人体肾脏完整功能替代、且高效稳定的新型生物人工肾仍将是今后的研究热点和主要任务。针对目前生物人工肾小管辅助装置(RAD)与血液滤过装置功能分立的缺陷，如把生物人工肾小球与生物人工肾小管进行“组合”，即同时赋予我们研发的新型T^2纳米管透析膜双重功能，使之既具有肾小球的滤过功能又具有肾小管的重吸收生理功能，显然有利于生物人工滤器功能的复合化。但生物人工滤器功能的复合化则需要不同的细胞来执行其功能。而将血管内皮细胞与肾小管上皮细胞等比例混合后种植在具有生物相容性的高通量微型化的透析膜中，让构建的生物人工滤器同时兼备生物人工肾小球与生物人工肾小管的功能，形成一个类似生理意义上的“肾单元”，从而为利用组织工程方法制备功能兼备、体积较小、便于携带或移植的生物人工肾打下坚实的基础。我们研究发现细胞混合种植在实现功能复合、提高细胞的附着力等方面均有其明显的优势和特点。首先，血管内皮细胞具有抗凝及合成和分泌多种肾源性物质的功能；而肾小管上皮细胞具有重吸收及自我平衡、调节、代谢和内分泌等多种功能。因此，混合种植既能降低肝素抗凝药的用量、甚至达到无肝素透析的水平(研究已证实长期的肝素抗凝有导致严重的肝素诱发性血小板减少症及引起脂质代谢异常的可能)，又能实现营养物质的重吸收，可延长患者的预后。其次，细胞混合种植时，两种细胞之间会发生相互作用，从而也有利于提高细胞的附着力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型高性能的生物透析膜材料，该材料可以构建微型化、可携带或移植的生物人工肾；本发明还提供了生物透析膜材料的制备方法。本发明提供的一种具有生理功能的透析膜材料，其特征在于该材料是在两端通透的TiA纳米管阵列薄膜上混合种植肾小管上皮细胞株和脐静脉内皮细胞获得，使该透析膜材料具有生物功能。本发明提供的一种具有生理功能的透析膜材料的制备方法，其特征在于，(1)在纯钛片上采用两步阳极氧化方法制备出顶端开口、底部封闭的Tih纳米管阵列薄膜；(2)经浓HF蒸气处理IOmin 15min获得的两端通透的TW2纳米管阵列薄膜；(3)对管径约为45nm 140nm的两端通透的TW2纳米管阵列薄膜进行退火处理， 但不进行光照；(4)分别经两种不同颜色的细胞核染色剂染肾小管上皮细胞株和脐静脉内皮细胞的细胞核，再将染色后的两种细胞混合种植在步骤C3)得到的薄膜上。本发明提供的具有生理功能的TW2纳米管阵列透析膜的特征在于先在制备的TiO2纳米管阵列生物膜上分别种植肾小管上皮细胞(LLC-PK1)和脐静脉内皮细胞 (ECV304)，采用荧光显微镜及MTT的手段检测该材料的生物相容性。再在其上混合种植 LLC-PK1及ECV304两种细胞，使之既具有肾小球的滤过功能又具有肾小管的重吸收生理功能，有利于生物人工滤器功能的复合化。在该材料上混合种植LLC-PK1及ECV304两种细胞，发现两种细胞之间有相互促进的作用，比单独种植时的活性要高，初步功能检测证明这种透析膜材料具有良好的生理功能。该材料在蛋白质的分离、生物活性过滤、大分子量物质的扩散、分子过滤、药物输送等生物医疗领域具有广泛的应用。同时在血液透析及构建微型化、可便携或可移植的生物人工肾方面具有宽广的应用前景。具体而言，本发明相比现有的透析技术具有以下优点1.采用两端通透的T^2纳米管阵列膜作为生物透析膜材料，是本发明的最大创新，该材料具有良好的生物相容性，制备工艺简单，大大降低了成本，同时结构易控制，可制备出满足各种应用领域的薄膜尺寸。2. TiO2纳米管阵列具有良好的血液相容性、光催化性、亲水性及自清洁能力，克服了现有聚砜膜表面强疏水性的缺点，从而能很好的满足血液透析器膜材料的要求。3.这种新型的透析膜材料孔密度较高，能够满足与生理器官接近的血流量。由于这种材料两端通透，混合种植LLC-PK1及ECV304两种细胞后可以同时检测滤过、重吸收、内分泌及免疫等功能，简化了装置，有利于构建微型化的生物人工肾。4.除了血液透析应用，该透析膜材料还可用于各种药物超滤、蛋白质的分离、化学分子过滤及生物活性过滤等化学、生物技术应用领域。
图1中a是TiO2纳米管阵列的顶部图，b是TiO2纳米管阵列的底部图，c是TW2 纳米管阵列底部经腐蚀后的扫描电镜图；图2是TiO2纳米管的XRD图；图3是LLC-PK1细胞黏附在四种不同材料上的荧光显微镜照片(X400)，其中a是未退火未光照，b是未退火光照，c是退火未光照，d是退火光照；图4是LLC-PK1细胞在四种不同表面特性材料上的活性；图5是LLC-PK1细胞的增殖活性；图6是ECV304细胞黏附在四种不同材料上的荧光显微镜照片(X400)，其中a是未退火未光照，b是未退火光照，c是退火未光照，d是退火光照；图7是ECV304细胞在四种不同表面特性材料上的活性；图8是ECV304细胞的增殖活性；图9是LLC-PK1与ECV304细胞混合种植后的荧光照片(X400)；图10是混合细胞与单独细胞的黏附活性；图11中a是未包被胶原蛋白材料上ECV304细胞的荧光照片，b是包被胶原蛋白材料ECV304细胞的荧光照片(X400)；图12是ECV304细胞在包被与未包被胶原蛋白材料上的增殖活性；图13中a是实验组及对照组在加入哇巴因前后对钠离子吸收量的变化，b是实验组及对照组在加入哇巴因前后对钾离子吸收量的变化。图14是LLC-PK1黏附在四种不同管径材料上的荧光显微镜照片(X400)，其中a 是140nm管径，b是120nm管径，c是70nm管径，d是45nm管径；图15是ECV304细胞黏附在四种不同管径材料上的荧光显微镜照片(X400)，其中 a是140nm管径，b是120nm管径，c是70nm管径，d是45nm管径；图16中a是LLC-PK1细胞的黏附活性，b是ECV304细胞的黏附活性。
具体实施例方式本发明中两端通透的TW2纳米管透析膜材料，是先在纯钛片上采用两步阳极氧化技术制备出顶端开口、底部封闭的纳米管阵列薄膜，再经HF(氢氟酸)蒸气处理获得的。采用良好生物相容性、高通透性的TiO2纳米管阵列作为生物过滤膜材料，突破现有聚合物膜的局限，并结合细胞混合种植法实现人工肾单元的功能复合，克服生物人工滤器功能单一的问题，从而为生物人工肾系统功能的复合化、小型化、可便携以至将来的可移植化奠定坚实的基础。下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。实施例一首先采用两步阳极氧化的方法，基底为厚度0. 5mm的钛箔(纯度为99. 8% )，阳极氧化前先经过砂纸打磨。电解液为IOOml乙二醇、2ml水及0. 32g NH4F,第一步先在室温、 58V电压下阳极氧化20min，然后700°C快速退火，再在同样电解液、40V电压下第二步氧化 30h，可制备出顶部开口底部封闭的纳米管阵列，将其从钛基底上剥落后用浓HF蒸气处理 IOmin 15min，可将底部的阻挡层腐蚀，从而得到两端通透的TiO2纳米管阵列膜(如图1)， 其管径约为70nm，管长约为60 μ m。最后将薄膜置于真空烧结炉中400°C退火，保温池后炉冷，采用XRD检测发现退火后TW2从无定型转变为锐钛矿型(如图2)。将传至6代以上的LLC-PK1细胞稀释至一定密度后种植于4种不同表面特性(未退火未光照、未退火光照、退火未光照、退火光照)的纳米管表面ld，经4%多聚甲醛固定后再AO (吖啶橙)染色，采用荧光显微镜观察细胞在材料表面的黏附状况(如图3)；为了定量分析LLC-PK1细胞在材料上的黏附活性，将相同密度的细胞种植在以上四种材料上ld，然后用MTT方法在490nm处检测吸光度，吸光度值越大反应细胞的活性越高(如图4)。从图3中可见，退火未光照组的细胞形态最佳，细胞核圆润，胞质清晰，黏附的细胞数也最多；退火光照组的细胞黏附最少。图4的吸光度数据也反映了相同的规律，即退火未光照组的活性最高，退火光照组的活性最低。以退火未光照为例，考察LLC-PK1细胞在纳米管阵列薄膜上的增殖活性。我们将相同密度的LLC-PK1细胞在该材料上分别种植1山3(1，5(1，7(1，并以纯钛片作为对照组，在相应的时间点分别取出实验组及对照组材料，采用MTT方法在490nm处检测吸光度值(如图 5)。结果显示LLC-PK1细胞随种植时间的延长，活性越来越大，且在任意时间点，纳米管上的活性均高于纯钛片。将传至6代以上的ECV304细胞稀释至一定密度后种植于四种不同表面特性的纳米管表面ld，经4%多聚甲醛固定后再H0echst33342染色，采用荧光显微镜观察细胞在材料表面的黏附状况(如图6)；为了定量分析ECV304细胞在材料上的黏附活性，将相同密度的细胞种植在这些材料上ld，然后用MTT方法在490nm处检测吸光度值(如图7)。从图6可见，不同表面特性对内皮细胞黏附的影响较小，四组图片上黏附的形貌基本没有差别，只是黏附的数量稍微有些差别。图7是为图6补充的定量数据，根据MTT检测的吸光度值可见这四组材料上的活性差别也不大，退火未光照组的值比其他几组略高。以退火未光照为例，考察ECV304细胞在纳米管阵列薄膜上的增殖活性。我们将相同密度的ECV304细胞在该材料上分别种植ld，3d，5d，7d，并以纯钛片作为对照组，在相应的时间点分别取出实验组及对照组材料，采用MTT方法在490nm处检测吸光度值(如图 8)。结果显示ECV304细胞随种植时间的延长，活性越来越大，与上皮细胞不同的是，任意时间点，内皮细胞在纳米管上的活性比纯钛片略低。为构建具有复合功能的生物人工肾，需要将以上两种具有独立肾脏功能的细胞混合种植在TiO2纳米管阵列膜上，使其更接近生理肾脏。我们将LLC-PK1及ECV304两种细胞等比例混合种植在退火未光照的TW2纳米管阵列薄膜上。两种细胞分别稀释至相同密度后等体积混合，为了区别两种细胞，混合前分别用HoeChst33342染ECV304细胞核，用AO染 LLC-PK1细胞核，种植Id后经4%多聚甲醛固定，并采用荧光显微镜观察两种细胞的黏附状况(如图9)。同时，将相同密度的两种细胞悬液等体积混合，种植在退火未光照的T^2纳米管阵列膜上，Id后采用MTT方法检测其黏附活性，并与前面单种细胞在该材料上Id的黏附活性进行对比(如图10)。图9中圆状的是内皮细胞ECV304，无规则的是上皮细胞LLC-PI^。可见，这两种细胞混合种植后能在材料表面很好的黏附生长。图10可见，静态种植混合细胞及单种细胞时，混合细胞的黏附活性高于两种单种细胞，说明两种细胞混合种植时彼此有一定的促进作用。由前面的结果可见，内皮细胞单独种植在纳米管材料上的黏附情况欠佳，无论是黏附的形貌、数量，还是MTT反应的活性均较上皮细胞的差，为了改善这一状况，在本发明中我们在材料表面包被一层鼠尾I型胶原蛋白(促细胞生长的一种细胞外基质成分)，使细胞先与胶原蛋白相互接触，从而对比观察胶原蛋白的包被是否能改善细胞的黏附状况。因此，我们将内皮细胞的密度调至与前面一致，分别种植在包被与未包被胶原蛋白的纳米管材料上，Id后固定染色，用荧光显微镜观察结果如图11所示。另外，为了定量分析胶原蛋白对内皮细胞活性的影响，我们将相同密度的细胞分别种植在包被与未包被胶原蛋白的纳米管材料上ld，3d，5d，7d，在对应的时间点取出采用 MTT方法进行检测，结果如图12所示。图Ila是未包被胶原蛋白材料上的内皮细胞的荧光照片，图lib是包被胶原蛋白材料的内皮细胞的荧光照片，对比可见，包被胶原蛋白后，内皮细胞的黏附有一定的改善。 图12表明，胶原蛋白的包被可明显改善内皮细胞的黏附及增殖情况。由前面的分析，可见单种细胞及混合细胞都能很好的在纳米管阵列薄膜上黏附生长，由于本发明的主要内容是具有生理功能的透析膜材料，尤其是肾小管上皮细胞的重吸收、转运及内分泌等功能，因此，在该实施例中，我们初步检测了该透析膜材料对钠、钾离子的重吸收功能。实验组分别将单种上皮细胞及混合细胞种植在透析膜材料上，同时设立空白对照组(未种植细胞)，各组透析膜在培养箱中培养3d后分别将材料取出并镶嵌在一块铝框中， 然后固定在一个简易的由有机玻璃制成的滤器中，通过蠕动泵在2. 5ml/min的流速下将代血浆输送到滤器中，为测定连续滤过Ih该装置对钠、钾离子的吸收特性，我们先于Ih时吸取Iml代血浆，再在代血浆入口处加入370 μ 1哇巴因(0. ImM)，隔Ih后取出Iml代血浆。 采用原子吸收分光光度计测量加入哇巴因前后代血浆浓度的变化，从而计算出对钠、钾离子的吸收量的变化。图13为实验组与对照组在加入哇巴因前后钠、钾离子吸收量的变化，且图13a，b 有类似的规律，即钠、钾离子吸收量的变化情况一致，只是钠离子的吸收量远大于钾离子的吸收量。从图中可以看出在lh(加入哇巴因前)，实验组的钠、钾离子的吸收量远大于空白组，其中单纯上皮细胞种植组的吸收量略高于混合细胞种植组；在2h (加入哇巴后Ih)时， 实验组与对照组的值较接近。这反映了上皮细胞及混合细胞在纳米管材料上的存活，并起到了对钠、钾离子重吸收的作用，由于混合组中上皮细胞的量只有单独种植时的一半，故对钠、钾离子的吸收略低于上皮细胞组；另外，加入哇巴因后，对实验组中的钠、钾离子都有明显的抑制作用。其他实施例主要是所制备的TW2纳米管阵列薄膜的管径及管长有所不同，我们在阳极氧化时，第一步氧化条件均相同，通过改变第二步阳极氧化的电压，可得到以下四种不同管径的纳米管阵列薄膜
权利要求
1.一种具有生理功能的透析膜材料，其特征在于该材料是在两端通透的TiA纳米管阵列薄膜上混合种植肾小管上皮细胞株和脐静脉内皮细胞获得，使该透析膜材料具有生物功能。
2.根据权利要求1所述的透析膜材料，其特征在于TiO2纳米管长度为20μπι 135 μ m,管径为 45nm 140nm。
3.根据权利要求1或2所述的透析膜材料，其特征在于纳米管阵列薄膜上包被有一层胶原蛋白。
4.根据权利要求1所述的透析膜材料，其特征在于该材料对钠、钾离子具有重吸收功能。
5.一种具有生理功能的透析膜材料的制备方法，其特征在于，(1)在纯钛片上采用两步阳极氧化方法制备出顶端开口、底部封闭的TW2纳米管阵列薄膜；(2)经浓HF蒸气处理IOmin 15min获得的两端通透的TiO2纳米管阵列薄膜；(3)对管径约为45nm 140nm的两端通透的TW2纳米管阵列薄膜进行退火处理，但不进行光照；(4)分别经两种不同颜色的细胞核染色剂染肾小管上皮细胞株和脐静脉内皮细胞的细胞核，再将染色后的两种细胞混合种植在步骤C3)得到的薄膜上。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述两步阳极氧化方法中的第二步阳极氧化的电压分别为20V，40V，55V，75V时，得到的TW2纳米管对应的长度分别约为 20 μ m，60 μ m, 90 μ m, 135 μ m,对应的管径约为 45nm，70nm, 120nm, 140nm。
全文摘要
本发明公开了一种具有生理功能的透析膜材料，以及这种材料的制备方法。它以两端通透的TiO2纳米管阵列薄膜作为基底，在其上混合种植肾小管上皮细胞及脐静脉内皮细胞，赋予其生理功能。TiO2纳米管阵列薄膜首次用于透析膜材料，由于其良好的血液相容性、光催化性、亲水性及自清洁能力，克服了现有聚砜膜的不足，能很好的满足血液透析器膜材料的要求。该方法制得的具有生理功能的透析膜材料能同时满足肾小管及肾小球的功能，简化了装置，有利于构建微型化的生物人工肾。该材料在蛋白质的分离、生物活性过滤、大分子量物质的扩散、分子过滤、药物输送等生物医疗领域具有广泛的应用。
文档编号A61L31/16GK102366713SQ201110258210
公开日2012年3月7日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者刘喜, 朱文, 李继伟, 柳慧琼 申请人:华中科技大学