聚氯乙烯膜作为氧合膜的应用

1.本发明属于膜材料应用领域，涉及聚氯乙烯(pvc)膜，尤其是聚氯乙烯膜作为氧合膜的应用。


背景技术：

2.膜式氧合器又称膜式人工肺，是一种能进行血气交换的一次性使用人工装置。它根据生物肺、肺泡气体交换的原理，集氧合、变温、储血、过滤、回收血等功能于一体，用于替代心脏功能和肺脏功能进行血液氧合并排除二氧化碳，以满足术中病人的需要。其特点是气血不直接接触，仿生性较好。氧合膜的主要目标是准确地供氧的同时要从血液中脱除co2。
3.对氧合膜材料的使用要求包括：血液相容性好、可有效地进行血液氧合并排出二氧化碳、长时间灌注时氧合性能稳定。国外的中空纤维膜式氧合器在八十年代初投放市场，根据血液走行的位置分为管内型及管外型，目前的中空纤维膜式氧合器特点是管外走血，管内走气。近年来推出肝素涂层膜式氧合器，其生物相容性进一步改善。
4.世界上生产的氧合膜材料种类很多，从膜的基本结构可分为无孔型和有孔型。第一代膜，是无孔型硅橡胶膜，传质的原理是气体在膜中的溶解扩散，可以长时间的使用，但氧和co2的扩散速度慢。第二代氧合膜，是有孔型中空纤维疏水膜，主要有德国membrana生产的聚丙烯材料氧合膜，产品代号为oxyphan
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，采用热致相分离法制备，孔径均匀性优于熔融拉伸法制备的聚丙烯疏水膜。由于无适宜的溶剂可以溶解聚丙烯材料，不能采用非溶剂致相分离法制备多孔膜，现行技术是采用热致相分离法制膜，由于热致相分离法制膜方法成膜原理的限制，得到的聚丙烯氧合膜的孔径较大，因此，长期使用时容易产生漏血问题。第三代膜，又回到致密的气体分离膜原理的方向上，采用聚甲基戊烯(pmp)材料，其氧的渗透性能比传统的硅橡胶材料高出一个数量级，通过膜的厚度和膜面积可以更有效地控制氧的供给和co2的脱除。目前市面上最好的第三代中空纤维氧合膜材料是美国3m公司(德国membrana)生产的聚甲基戊烯中空纤维，产品名为3m
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membrana
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oxyplus
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。oxyplus是整体上不对称的膜结构，在整个壁层均衡分布着气孔，同时具有厚度小于1微米的致密外皮，抑制了所有的液体通过气孔进入膜壁，从而防止了疏水膜的润湿渗漏，解决聚丙烯疏水膜长时间使用时的漏血问题。聚甲基戊烯材料具有较好的透氧性可以实现氧合作用，但有致密外皮，因而与聚丙烯氧合膜相比，透气性能下降。同时，聚甲基戊烯材料不耐受碳氢化合物和酯类。
5.聚甲基戊烯和聚丙烯氧合膜材料还有三个共同的问题：一是由于材料表面的化学惰性，难以在膜表面构建高血液相容性的涂层；二是这两种中空纤维膜式氧合器特点是管外走血，管内走气，这样对中空纤维膜丝的编织、缠绕、装填均匀性等的要求非常高，氧合器的生产难度极大；三是氧合器的预充量大。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种pvc膜的新的应用方法。采用聚氯乙烯材料通过非溶剂致相分离法制备小孔径的氧合膜，既可以解决聚丙烯氧合膜长期使用时孔径过大导致的漏血问题，氧合能力又大于有致密皮层的聚甲基戊烯材料。
7.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
8.聚氯乙烯材料是一种常见的制备水处理用的多孔膜材料，原料易得、价格便宜。但目前已报导的国际上所有的聚氯乙烯分离膜，均为用于液体分离用途，膜的特性都是透水不透气的亲水性分离膜。我们发现利用pvc材料的本征特性，在特殊的铸膜液配方与纺丝工艺条件下，采用非溶剂致相分离法制备技术，可以制得透气不透水的pvc疏水膜，进而可以制备出孔径小于聚丙烯氧合膜的pvc氧合膜。如果采用静电纺丝、热致相分离法、熔融拉伸、粒子烧结等膜制备方法，制备出的pvc疏水膜孔径过大，不能用于氧合膜。
9.与常规水处理用聚氯乙烯膜采用工业型树脂原料不同，聚氯乙烯氧合膜材料采用常规的医用型聚氯乙烯树脂，优选聚合度为800-1200的聚氯乙烯树脂。本发明聚氯乙烯树脂在铸膜液中含量为11-18wt％，聚氯乙烯树脂在铸膜液中含量对膜的性能有显著影响，具体为：如果含量过低，所制得的氧合膜强度过低、孔径偏大；如果含量过高，纺丝成膜能力差、膜的通透性能差。
10.与常规水处理用透水不透气的聚氯乙烯膜采用较大分子量的聚乙二醇(分子量一般为6000da以上)、聚乙烯吡咯烷酮(分子量一般为45000da以上)作为致孔剂不同，本发明采用小分子量的甘油、丙二醇、乙二醇以及聚乙二醇(分子量200-4000da)的一种或两种以上的混合物作为致孔剂，以制备透气不透水且小孔径的氧合膜，其中致孔剂聚乙二醇的分子量优选200-2000da。小分子量的致孔剂，可以在中空纤维膜成形后水洗洗净，干燥脱水后，从而得到疏水膜。如果致孔剂分子量过大，在中空纤维膜成形后水洗难以将膜中的致孔剂洗净，即使干燥脱水，也难以得到疏水膜。所述致孔剂在铸膜液中含量为6-25wt％。优选15-22wt％。致孔剂在铸膜液中含量对膜的性能有显著影响，具体为：如果致孔剂含量过低，膜的透气性能差；如果含量过高，膜的孔径大且强度差，容易出现类似聚丙烯氧合膜的漏血问题。
11.采用非溶剂致相分离法制备常规水处理用聚氯乙烯膜时，通常还需要在铸膜液中添加水不溶性的氯乙烯-醋酸乙烯共聚物等，使制得的聚氯乙烯膜具有亲水性。或对聚氯乙烯材料进行亲水化接枝改性。干燥处理时，通常需要用甘油、氯化钙等水溶液浸泡处理后再干燥。通过这些处理，使制得的聚氯乙烯膜具有透水不透气的特性。
12.本发明的聚氯乙烯氧合膜，在铸膜液中不可添加在纺丝成形后的水洗过程中不易洗净的、大分子量的亲水性物质作为致孔剂；纺制中空纤维膜后，还需要充分的水洗过程，将致孔剂从膜中洗去；然后不经过常规水处理用pvc膜的甘油、氯化钙等水溶液浸泡处理过程，水洗后直接干燥，才能获得较好的透气不透水的膜，作为氧合膜使用。
13.常规水处理用聚氯乙烯膜的乙醇始泡点法测试的最大孔径一般为0.10-0.30μm，本发明的聚氯乙烯氧合膜的乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.01-0.10μm，小于一般孔径为0.2～0.45μm的聚丙烯氧合膜。
14.铸膜液的其它组成为溶剂。铸膜液的溶剂为常规的二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯、二甲基亚砜、环丁砜等，也可以为这几种物质的混合物，构成
混合溶剂。
15.本发明的芯液为水或者上述溶剂含量为10-80wt％的水溶液。优选的溶剂含量为70-80wt％的水溶液。
16.本发明氧合膜的制备方法为：将聚氯乙烯树脂和致孔剂加入溶剂中，在50-60℃下搅拌8-12h溶解均匀，静置脱泡后，与芯液一起，通过插入管式纺丝喷头，挤出，进入凝固浴水槽中，在10-60米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接干燥，得到聚氯乙烯氧合膜。纺丝牵伸速度过低，生产效率低；纺丝速度过高，膜丝易产生缺陷。
17.本发明聚氯乙烯氧合膜的内径为200μm，壁厚为30-60μm，孔隙率大于75％。气体渗透速率为20-200ml/min
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cm2·
bar，透水压力为0.30-0.80mpa，乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.01-0.10μm。
18.本发明是关于聚氯乙烯氧合膜的中空纤维膜的制备方法，后续可以利用聚氯乙烯材料分子结构中的c-cl键，在膜表面接枝构建抗凝涂层，以进一步提高聚氯乙烯氧合膜的血液相容性。
19.本发明的优点和积极效果是：
20.1、本发明聚氯乙烯氧合膜的最大孔径为0.01-0.10μm，血浆渗漏时间大于20天。通常聚丙烯氧合膜的血浆渗漏时间为8小时。本发明聚氯乙烯氧合膜较聚丙烯氧合膜血浆渗漏长。
21.2、本发明聚氯乙烯氧合膜的气体渗透速率为20-200ml/min
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bar，聚甲基戊烯膜通常氧气的渗透速率为10ml/min
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bar，其氧合能力大于有致密皮层的聚甲基戊烯材料。
22.3、由于聚氯乙烯材料化学结构特点，容易利用材料的c-cl键在膜表面接枝构建抗凝涂层，可以解决目前聚丙烯和聚甲基戊烯材料存在的涂层技术难点；
23.4、由于材料与制膜方法的特点，可以制备出管外走气，管内走血的氧合器，并且氧合膜的内径容易优化调控，一方面无须对中空纤维膜丝进行编织、缠绕，极大地降低了氧合器的生产技术难度；管外走气，管内走血可以减少血液与异物接触的面积，还可以解决目前氧合器预充量大的问题；血液在中空纤维内流动，流场、压力场均匀，无流动死区，可减少血液的剪切力，减轻对血液成份的损伤。
24.5、本发明首次提出将聚氯乙烯材料用作氧合膜材料，氧合器成本远低于聚甲基戊烯，氧合效率高于聚甲基戊烯，氧合膜抗漏血性能优于聚丙烯氧合膜。
具体实施方式
25.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
26.对以下实施例中的聚氯乙烯氧合膜采用以下方法进行性能表征，具体的：
27.1、孔隙率测试方法：
28.采用称重法测试多孔疏水膜的孔隙率。将中空纤维膜先用乙醇充分润湿，然后浸没在纯水中，洗去乙醇。由下式(1)计算孔隙率：
[0029][0030]
其中，ε是孔隙率(％)，ww是湿膜的重量(g)，wd是干膜的重量(g)，ρw是水的密度(1.0g/cm3)，ρ
p
是聚氯乙烯材料的密度。每种样品测试五次得到算数平均值。
[0031]
2、气体渗透速率测试方法：
[0032]
取一段干燥的聚氯乙烯中空纤维膜，将其一端封闭，从另一端向膜丝管程通入压力为1bar的氮气，当氮气透过膜丝后，进入皂泡流量计，皂泡被气体吹出到标有体积刻度的容器后，计录皂泡走过一定刻度所用的时间。由下式计算气体渗透速率：
[0033][0034]
式(2)中：α为气体渗透速率，(ml/cm2·
min
·
bar)；v为透过气体体积，(ml；s为膜面积，(cm2)；t为测试时间，(min)；δp为气体跨膜压差，(bar)。
[0035]
3、透水压力测试方法：
[0036]
透水压力是疏水膜的一个重要疏水性能指标，截取一段干燥的中空纤维膜，将膜丝一端封口，从另一端向膜丝的管程通入纯水，并逐渐增大管程水的压力，当膜丝外表面渗出第一滴水时，此时的压力即为膜的透水压力，每组测试5个样品，取其平均值。
[0037]
4、乙醇始泡点法测试最大孔径：
[0038]
将聚氯乙烯中空纤维膜置于无水乙醇中充分润湿膜后，向中空纤维膜管程通入氮气，在增大压力的过程中，当中空纤维膜外表面出现第一个气泡时的压力值即为始泡点压力p。每组测试5次，取平均值。膜最大分离孔径的计算公式如下：
[0039][0040]
在公式(3)中，r为中空纤维膜最大分离孔半径，μm；p为中空纤维膜在乙醇中的始泡点压力，mpa。
[0041]
5、血浆渗漏时间的测试方法：
[0042]
使用37℃的磷脂溶液(1.5g l-а-卵磷脂溶解在500ml生理盐水)代替血液，在1bar的压力下，从中空纤维内腔(管程)循环流过，循环流速设定为1l/min，计时，观测到有液体渗出到中空纤维膜的外表面时，所用时间记为血浆渗漏时间。
[0043]
实施例1
[0044]
将11wt％聚氯乙烯树脂、10wt％聚乙二醇(分子量4000)和79wt％溶剂二甲基乙酰胺投入纺丝釜中，在60℃下搅拌10小时溶解均匀，静置脱泡4小时后，与芯液(70wt％二甲基乙酰胺的水溶液)一起通过插入管式纺丝喷头挤出、进入凝固浴水槽中。在50米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接在室温干燥，得到聚氯乙烯氧合膜。聚氯乙烯氧合膜的内径为200μm，壁厚为40μm，膜丝内壁光滑平整，无致密外皮层，可以管内走血。气体渗透速率为35ml/min
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bar，透水压力为0.52mpa，乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.05μm，孔隙率为83％，血浆渗漏时间大于20天。
[0045]
对比例1
[0046]
将11wt％聚氯乙烯树脂、10wt％聚乙二醇(分子量6000)和79wt％溶剂二甲基乙酰胺投入纺丝釜中，在60℃下搅拌10小时溶解均匀，静置脱泡4小时后，与芯液(70wt％二甲基乙酰胺的水溶液)一起通过插入管式纺丝喷头挤出、进入凝固浴水槽中。在50米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接在室温干燥，得到聚氯乙烯膜。聚氯乙烯膜的内径为200μm，壁厚为40μm，膜丝内壁光滑平整，无致密外皮层。乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.15μm，孔隙率为83％，透水压力为0.050mpa，血浆渗漏时间小于5分钟。采用聚乙二醇(分子量6000)作为致孔剂，制备的pvc膜为常规的水处理膜，透水性能好，但是不能作为氧合膜使用。
[0047]
对比例2
[0048]
将11wt％聚氯乙烯树脂、10wt％聚乙烯吡咯烷酮(牌号k-30)和79wt％溶剂二甲基乙酰胺投入纺丝釜中，在60℃下搅拌10小时溶解均匀，静置脱泡4小时后，与芯液(70wt％二甲基乙酰胺的水溶液)一起通过插入管式纺丝喷头挤出、进入凝固浴水槽中，在50米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接在室温干燥，得到聚氯乙烯膜。聚氯乙烯膜的内径为200μm，壁厚为40μm，膜丝内壁光滑平整，无致密外皮层。乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.20μm，孔隙率为85％，透水压力为0.020mpa，血浆渗漏时间小于3分钟，聚乙烯吡咯烷酮也是常规的水处理膜的致孔剂，可以看出，其也不适合用于制备氧合膜。
[0049]
实施例2
[0050]
将13wt％聚氯乙烯树脂、10wt％乙二醇和77wt％溶剂n-甲基吡咯烷酮投入纺丝釜中，在60℃下搅拌10小时溶解均匀，静置脱泡4小时后，与芯液(70wt％的二甲基乙酰胺水溶液)一起，通过插入管式纺丝喷头，挤出，进入凝固浴水槽中，在30米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接在室温干燥，得到聚氯乙烯氧合膜。聚氯乙烯氧合膜的内径为200μm，壁厚为50μm。气体渗透速率为22ml/min
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cm2·
bar，透水压力为0.62mpa，乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.08μm，孔隙率为78％，血浆渗漏时间大于20天。
[0051]
实施例3
[0052]
将18wt％聚氯乙烯树脂、8wt％聚乙二醇(分子量200)和74wt％溶剂环丁砜投入纺丝釜中，在60℃下搅拌10小时溶解均匀，静置脱泡4小时后，与芯液纯水一起，通过插入管式纺丝喷头，挤出，进入凝固浴水槽中，在10米/分钟的纺丝牵伸速度下，纺制出聚氯乙烯中空纤维膜，水洗后直接在室温干燥，得到聚氯乙烯氧合膜。聚氯乙烯氧合膜的内径为200μm，壁厚为60μm。气体渗透速率为32ml/min
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cm2·
bar，透水压力为0.41mpa，乙醇始泡点法测试的最大孔径为0.05μm，孔隙率为84％，血浆渗漏时间大于20天。
[0053]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。