一种含有定向毒素去除通道的纳米纤维复合血液透析膜及其制备的制作方法

本发明属于复合材料透析膜及其制备领域，特别涉及一种含有定向毒素去除通道的纳米纤维复合血液透析膜及其制备。

背景技术：

据统计全球有数百万人患有肾脏疾病，肾衰竭已成为危害人类健康的疾病之一。急、慢性肾功能衰竭会导致人体内的毒素增加，进而引起身体不良反应甚至尿毒症。血液透析被认为是最可行有效的临床替代疗法，并且已使用超过50年之久。在透析器中，透析膜将血液和透析液分离开，血液中的小、中分子毒素通过透析膜的扩散和对流作用清除，同时人体必需的大分子血浆蛋白则由透析膜孔径的筛分作用而保留。然而，由于透析膜的固有性质，通过现有技术制备的透析膜对毒素的去除率仍然不令人满意，导致一定透析龄的患者死亡率仍然较高。因此，开发具有更高效清除毒素的高性能血液透析膜是改善患者预后的关键。

随着近代科学的发展，各种材料和技术已用于透析膜的开发。纤维素及其衍生物是第一代血液透析膜材料，这类材料制备的透析膜结构均匀且致密，故其只能允许分子量小于2000da的毒素缓慢通过。为了去除更高分子量的毒素，在过去几年中纤维素基的材料已被人工合成聚合物材料所取代，常见的有聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚乳酸和聚乙烯醇等。这类透析膜具有不对称的结构，可去除分子量高达5000da的毒素，但对分子量在5000da以上的中分子毒素仍不能有效去除。为了去除这类中分子毒素，现有技术主要集中在对透析膜制备工艺的优化或新添加剂的开发上。例如，在公告号为cn105148748b的中国发明专利中，通过原位聚合法来调控聚乳酸血液透析膜的微孔结构。在公告号为cn105833748b的中国发明专利中，将聚羟基乙酸和壳聚糖作为添加剂加入到聚丙烯腈基体中来制备高通量血液透析膜。在公告号为cn105311974b的中国发明专利中，通过原子转移自由基聚合法制备含有聚砜和丙烯酸的三嵌段共聚物，然后将其与聚砜共混来提高血液透析膜的性能。然而，所有这些通过非溶剂诱导相分离法(即聚合物在溶剂中溶解之后在非溶剂中析出沉淀成膜的方法)制备的透析膜因其具有较宽的孔径分布，因此通常要面临渗透性(即毒素多快的通过膜)和选择性(即大分子蛋白的保留程度)之间的权衡。通过现有技术可增大透析膜的平均孔径，使其在一定程度上提高了对中分子毒素的去除率，但同时牺牲了对大分子蛋白的选择性。为了打破这种普遍的上限关系，在公告号为cn105727771b的中国发明专利中，制备了类肝素改性的聚乙烯醇水凝胶薄层纳米纤维复合血液透析膜，具有互相连通开孔结构的纳米纤维支撑层可提高毒素去除率。但是，对于聚合物膜，孔隙率通常是有限的，并且孔隙以曲折的方式受聚合物链的限制，因此对毒素的去除能力仍然受到很大的限制。为使复合膜达到对毒素的最大去除能力，聚乙烯醇皮层通类肝素改性增大膜的平均孔径，但其对大分子蛋白质的截留率仅维持在90％左右。所以，在保持透析膜对大分子蛋白高选择性的同时提高对毒素的去除能力是一个巨大的挑战。

近年来，纳米通道的概念引起了人们的广泛关注。因为它为调节物质运输提供了一种新的策略，。纳米材料的发展也将其应用于各个领域，包括过滤、能源和生物医学等。研究发现碳纳米管与聚合物基质之间的界面区域可为分子运输提供高效的纳米通道，因此在聚合物膜系统中显示出巨大的潜力。然而，无机的碳纳米管与有机聚合物基体之间的不相容性以及碳纳米管潜在的毒性成为了将其应用在血液透析领域中亟须解决的两个主要的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种含有定向毒素去除通道的纳米纤维复合血液透析膜及其制备，克服现有技术材料对毒素的去除率差、无机的碳纳米管与有机聚合物基体之间的不相容性以及碳纳米管潜在的毒性等的缺陷，该方法首先制备了肝素功能化的碳纳米管，然后将其引入到纳米纤维复合膜的分离层中，肝素功能化的碳纳米管与聚合物基体间具有良好的相容性且两相之间的纳米间隙为毒素的运输提供了定向的纳米通道，得到的纳米纤维复合透析膜具有高毒素去除率、高蛋白质截留率和优异的血液相容性。

本发明的一种纳米纤维复合血液透析膜，所述透析膜的皮层为含有肝素功能化碳纳米管的聚乙烯醇分离层，支撑层为聚丙烯腈纳米纤维膜。

所述表面皮层的有效平均孔径为3-7nm。

在皮层中的肝素功能化碳纳米管与聚乙烯醇基质之间界面处形成的纳米间隙为毒素提供了定向的纳米通道。

所述皮层中形成的纳米间隙的宽度为4-6nm。

本发明的一种所述纳米纤维复合血液透析膜的制备方法，包括：

(1)将多巴胺溶液、碳纳米管混合，超声分散后调节ph值至8.0～11.0，室温搅拌反应6-24h，过滤后洗涤、干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管；

(2)将上述聚多巴胺黏附的碳纳米管分散在水中，加入肝素钠在室温下搅拌反应24-48h，过滤后洗涤、干燥，得到肝素功能化的碳纳米管；

(3)将上述肝素功能化的碳纳米管加入聚乙烯醇溶液中超声均匀分散后调节ph值至1.0～2.0，加入交联剂，进行预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

所述步骤(1)中碳纳米管与多巴胺的质量比为1：1～5：1。

所述步骤(1)中多巴胺溶液的浓度为0.5～5.0mg/ml；多巴胺溶液的溶剂为浓度为5～15mmol/l的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液。

所述步骤(2)中肝素钠与聚多巴胺黏附的碳纳米管的质量比为1：1～5：1。

所述步骤(2)中聚多巴胺黏附的碳纳米管以0.5～5.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中。

所述步骤(3)中聚乙烯醇的重均分子量100,000～200,000，醇解度88％；聚乙烯醇溶液为聚乙烯醇在50～80℃温度下溶于超纯水中5～10h配制质量分数为2％的溶液。

所述步骤(3)中交联剂为戊二醛；按醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛。

所述步骤(3)中肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比1：100～15：100。

所述步骤(3)中聚丙烯腈纳米纤维膜为静电纺丝得到聚丙烯腈纳米纤维膜，具体为：将重均分子量为100,000～150,000的聚丙烯腈在50～80℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中5～10h配制质量分数为6～10％的溶液，通过静电纺丝。

所述静电纺丝工艺参数为：环境湿度30～50％，环境温度25～60℃，电压18～30kv，纺丝速率15～20μl/min，纳米纤维接收距离为10～25cm。

所述步骤(3)中预交联时间为25～45min。

所述步骤(3)中聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层厚度为50～100μm。

本发明提供一种所述纳米纤维复合血液透析膜的应用，如作为有效去除中等生物分子的纳米纤维复合膜。

有益效果

(1)本发明制得的纳米纤维复合血液透析膜皮层中肝素功能化碳纳米管与聚乙烯醇基质之间界面处形成的纳米间隙为毒素提供了定向的纳米通道，该方法制得的复合血液透析膜在不牺牲大分子蛋白质选择性的前提下，具有高效的小、中分子毒素去除率。相比公告号为cn105727771b中国发明专利的通过类肝素改性聚乙烯醇皮层来增大膜的平均孔径的方法，本发明在没有显著影响聚乙烯醇皮层的孔径的前提下，构筑了额外的毒素去除通道达到了在不牺牲大分子蛋白质的截留率的同时对毒素的有效去除的有益效果。

(2)本发明制得的纳米纤维复合血液透析膜基于肝素的生物活性表现出优异的血液相容性：高抗蛋白吸附性、抑制血小板黏附、优异的抗凝血活性和较低的溶血率。

附图说明

图1为实施例1中制备的肝素化碳纳米管的透射电子显微镜图。

图2为实施例1中制备的纳米纤维复合血液透析膜的断面扫描电镜图。

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。

制得的纳米纤维复合血液透析膜皮层中肝素功能化碳纳米管与聚乙烯醇基质之间界面处形成的纳米间隙为毒素提供了定向的纳米通道。

实施例1

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应24h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为2：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为5nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为320l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为85％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为50％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为98.6％，蛋白质静态吸附量为28μg/cm²，血小板黏附量为5.8x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为330s，溶血率为1.7％。

实施例2

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应24h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为5：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为6nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为350l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为88％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为55％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为98.4％，蛋白质静态吸附量为24μg/cm²，血小板黏附量为3.8x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为410s，溶血率为1.5％。

实施例3

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应24h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为10：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为7nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为400l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为92％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为62％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为98.2％，蛋白质静态吸附量为17μg/cm²，血小板黏附量为2.3x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为490s，溶血率为1.1％。

实施例4

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应48h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为2：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为3nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为300l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为83％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为48％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为99.2％，蛋白质静态吸附量为26μg/cm²，血小板黏附量为5.1x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为340s，溶血率为1.2％。

实施例5

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应48h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为5：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为4nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为330l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为85％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为52％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为98.8％，蛋白质静态吸附量为21μg/cm²，血小板黏附量为2.1x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为440s，溶血率为0.9％。

实施例6

(1)将250mg多巴胺溶于500ml三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(10mmol/l)中，加入500mg碳纳米管，经超声分散后调节溶液ph值至8.5，在室温下搅拌反应12h，过滤后用0.02mol/l盐酸和超纯水分别洗涤后干燥得到聚多巴胺黏附的碳纳米管。

(2)将聚多巴胺黏附的碳纳米管以1.0mg/ml的浓度超声分散在超纯水中，加入500mg肝素钠在室温下搅拌反应48h，过滤后用超纯水洗涤后干燥得到肝素功能化的碳纳米管。

(3)将重均分子量为120,000的聚丙烯腈在50℃温度下溶于n,n-二甲基甲酰胺中8h配制质量分数为8％的溶液，在环境湿度45％，环境温度30℃，电压24kv，纺丝速率16μl/min，纳米纤维接收距离为20cm的条件下静电纺丝，选用厚度为100μm的聚丙烯腈纳米纤维膜作为复合血液透析膜的支撑层。

(4)将重均分子量146,000，醇解度88％的聚乙烯醇在60℃温度下溶于超纯水中6h配制质量分数为2％的溶液，以肝素功能化的碳纳米管与聚乙烯醇的质量比为10：100将肝素功能化的碳纳米管加入溶液中，超声均匀分散后调节ph值至1.5，以醛基与聚乙烯醇重复单元比为0.25的比例加入戊二醛，在26min预交联反应后涂覆在聚丙烯腈纳米纤维膜支撑层表面得到复合血液透析膜。

该纳米纤维复合血液透析膜表面皮层的有效平均孔径为5nm，在0.1mpa压力下的纯水通量为380l/m²·h，模拟透析4h对小分子尿素的去除率为89％，对中等生物分子β2-微球蛋白的去除率为59％，同时对大分子蛋白牛血清蛋白截留率为98.4％，蛋白质静态吸附量为14μg/cm²，血小板黏附量为0.9x10⁵cell/cm²，血浆覆钙化时间为520s，溶血率为0.6％。

对比例1

与cn105727771b中国发明专利中对尿素去除率最高的复合膜进行对比。在cn105727771b中国发明专利实施例7中，复合膜对尿素去除率85％，β2-微球蛋白的去除率为59％，蛋白截留率为91％(清除率9％)，表面皮层孔径10nm，蛋白质吸附量为17μg/cm²。而本发明实施例6中，复合膜对尿素去除率89％，β2-微球蛋白的去除率为59％，蛋白截留率为98.4％，表面皮层孔径5nm，蛋白质吸附量为14μg/cm²。

经对比可见，本发明制备的复合膜在对毒素有效去除的基础上，对大分子蛋白质具有更高的截留率和更好的血液相容性，是基于在复合膜皮层中构筑了额外的毒素去除通道，而没有显著增大聚乙烯醇皮层的孔径。

对比例2

与cn105727771b中国发明专利中和本发明中具有相同孔径的复合膜进行对比。在cn105727771b中国发明专利实施例2中，复合膜对尿素去除率80％，β2-微球蛋白的去除率为61％，蛋白截留率为95％(清除率5％)，表面皮层孔径7nm，蛋白质吸附量为22μg/cm²。而本发明实施例3中，复合膜对尿素去除率92％，β2-微球蛋白的去除率为62％，蛋白截留率为98.2％，表面皮层孔径7nm，蛋白质吸附量为17μg/cm²。

经对比可见，本发明制备的复合膜在孔径相同的情况下，具有更高的毒素去除率、蛋白质截留率和更好的血液相容性，是基于在皮层中构筑了更多的毒素去除通道。