專利名稱：Peg接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜及其制備方法與用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于膜化學(xué)、材料科學(xué)和組織工程的交叉領(lǐng)域，尤其涉及一種利用 聚乙二醇(PEG)接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜及其制備方法與用途。
背景技術(shù)：
聚砜和聚醚砜是生物人工器官和血液透析中最常用的膜材料，通常制備成 中空纖維膜反應(yīng)器。但是，它們對血小板、蛋白和小分子的非特異性吸附通常 極大削弱了它的分離功能，甚至危及病人的生命，成為制約其應(yīng)用的最嚴(yán)重問題。
聚砜和聚醚砜的吸附性由它們的疏水性引起，因此，已有一些報(bào)道進(jìn)行了 親水改性，用于降低聚砜和聚醚砜膜材料的吸附性。例如，化學(xué)接枝或表面涂 覆親水分子、親水分子的層層自組裝、等離子體或紫外線引發(fā)親水小分子參與 表面反應(yīng)、加入親水單體共聚或加入親水高分子共混等。其中，最為有效的是 PEG、聚乙烯吡咯烷酮和磷脂膽堿改性方式，而PEG由于具有很好的生物惰性， 被認(rèn)為是最佳的抗吸附材料。通常，PEG可以作為一種制膜的添加成分，直接 添加于鑄膜液中。然而，由于PEG極強(qiáng)的親水性，這種改性膜中的PEG會(huì)在水 溶液中大量流失，從而達(dá)不到親水改性的效果。因此，有研究者發(fā)明了將PEG 采用化學(xué)反應(yīng)直接連接于膜材料上的方法(稱為化學(xué)接枝反應(yīng))，避免了 PEG流 失的問題。
2006年，美國麻省理工大學(xué)的Mayes教授課題組采用兩步法制備了 PEG接 枝的聚砜材料，并制備了平板膜(Park, JY， et al, Biomaterials， 2006. 27(6): 856-65)。這是世界上首次報(bào)道的化學(xué)反應(yīng)制備PEG接枝聚砜膜材料的方法。該 文獻(xiàn)采用的化學(xué)反應(yīng)如下
<formula>formula see original document page 4</formula>
而聚醚砜的PEG接枝反應(yīng)也可通過類似的方法實(shí)現(xiàn)(Li L， et al, E-Polymers,
42009. No:26)。此外，也有研究者米用了這一方法實(shí)現(xiàn)了 PEG在聚醚砜酮 (PPESK)上的接枝反應(yīng)(Zhu LP， et al. European Polymer Journal 2007. 43:1383-93)。然而，上述研究均只是進(jìn)行了 PEG在聚砜類材料上的接枝反應(yīng)， 或者制備了結(jié)構(gòu)相對簡單的改性聚砜平板膜，但由于中空纖維膜的制備困難， 目前為止，未見有任何采用PEG接枝的聚砜類膜材料制備中空纖維膜的報(bào)道。 為膜材料科學(xué)這一領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的是，在中空纖維膜的制備上， 膜的性能參數(shù)極大地依賴于成膜條件，包括鑄膜液配比、添加劑成分、溶劑 選擇、凝固浴組成和溫度、環(huán)境溫度和濕度、噴絲頭的擠出速度、凝膠時(shí)間和 流體速度等多種因素。由于影響因素眾多，不同的中空纖維膜制備體系必須經(jīng) 過大量的條件實(shí)驗(yàn)，才可能獲得所需性能的中空纖維膜。因此，即使是最為通 用的純聚砜或聚醚砜中空纖維膜，國內(nèi)外的發(fā)明人都根據(jù)其不同的制備方法和 獲得的不同性能分別進(jìn)行了專利保護(hù)(如美國專利US4874522; US6017474A，中 國專利ZL 98805264.4; ZL 97107831.9)。這一領(lǐng)域的特點(diǎn)決定了該領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員不能由現(xiàn)有的制備中空纖維膜技術(shù)推導(dǎo)出針對PEG接枝聚砜或聚醚砜的 成膜參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種PEG接枝的聚砜或聚醚 砜中空纖維膜及其制備方法與用途。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種PEG接枝的聚砜或聚醚 砜中空纖維膜，它同時(shí)含有分子式I表示化合物和分子式II表示化合物；
其中，分子式I表示的化合物為
分子式II表示的化合物為:
接枝PEG的聚砜
<formula>formula see original document page 5</formula>
接枝PEG的聚醚砜
<formula>formula see original document page 5</formula>聚醚砜
其中，m為6 25。
一種上述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜的制備方法，包括以下步驟:
(1) 分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按1:3 9的比例混合 后，以重量比為15 30%溶解于溶劑中，溶劑為N-甲基吡咯垸酮、二 甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亞砜的一種或幾種的混合；
(2) 攪拌，溶解10 12小時(shí)，脫氣泡，制得紡絲原液；
(3) 采用兩個(gè)同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經(jīng)噴絲頭擠出。環(huán)境 溫度20 25。C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生 纖維在環(huán)境中經(jīng)10 30 cm走絲后在溫度為50 80°C的水浴中凝固成 型，流體線速度為5 40m/min;
上述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜，可作為抗血小板、蛋白和小分 子吸附的材料，用于構(gòu)建生物人工器官和血液透析裝置；可作為抗蛋白和藥物 吸附的材料，用于構(gòu)建藥物體外毒性篩選和藥物代謝研究的反應(yīng)器；可作為抗 蛋白和藥物吸附的材料，構(gòu)建模擬體內(nèi)器官的反應(yīng)器，用于體外病理研究。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明所述的中空纖維膜具有抗血小板、蛋白和小 分子吸附的特點(diǎn)，可用作血透裝置，或用于各種人或動(dòng)物細(xì)胞組織化培養(yǎng)的生 物人工器官、藥物代謝、毒性和病理的研究。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜同時(shí)含有分子式I表示化合物 和分子式II表示化合物。
其中，分子式I表示的化合物為
<formula>formula see original document page 6</formula>接枝PEG的聚砜
<formula>formula see original document page 6</formula>接枝PEG的聚醚砜 分子式II表示的化合物為:
CH2-0-(CH2-CH2-0)m-CH3
CH3 CH3
)——(
o
II
-s—
II
o
聚砜 ，或
聚醚砜
其中，m為6 25。
該P(yáng)EG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜的制備方法，包括以下步驟
a) 分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按l:3 9的比例混合后， 以重量比為15 30%溶解于溶劑中，溶劑為N-甲基吡咯垸酮、二甲基甲 酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亞砜的一種或幾種的混合；
b) 攪拌，溶解10 12小時(shí)，脫氣泡，制得紡絲原液；
c) 采用兩個(gè)同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經(jīng)噴絲頭擠出。環(huán)境溫 度20 25°C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生纖維 在環(huán)境中經(jīng)10 30 cm走絲后在溫度為50 80°C的水浴中凝固成型，流 體線速度為5 40 m/min。
本發(fā)明所制備的中空纖維膜，其截面為圓形，內(nèi)徑為150 1500 pm，壁厚 為10 150 pm，平均膜孔徑為0.005 0.8 (am，白蛋白截留率為0 100%。
本發(fā)明的中空纖維膜，具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的特點(diǎn)，可用作 血透裝置，或用于各種人或動(dòng)物細(xì)胞組織化培養(yǎng)的生物人工器官、藥物代謝、 毒性和病理的研究。
用于血透裝置時(shí)，將中空纖維膜組裝成常規(guī)的血透膜組件，內(nèi)腔連接透析 液循環(huán)裝置，外腔連接血漿循環(huán)裝置，即可直接使用。
用于各種細(xì)胞組織化培養(yǎng)的藥物毒性和代謝、病理研究時(shí)，構(gòu)建方式為以 下兩者中的一種
1、將密度為105 106+/ml的細(xì)胞懸液與凝膠溶液(1 20 mg/ml)按1:3的比 例混合，并注入本發(fā)明所述的中空纖維膜中，使凝膠溶液凝固，并置于培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng)。其中，凝膠溶液為膠原、瓊脂糖和海藻酸鈉中的一種。
2、將密度為105 106+/ml的細(xì)胞懸液直接注入本發(fā)明所述的中空纖維膜中，
并置于培養(yǎng)基中靜置培養(yǎng)，培養(yǎng)24小時(shí)后，細(xì)胞自組裝成聚集體。
上述1 2中，細(xì)胞為肝細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞、胰島細(xì)胞、肝癌細(xì)胞系、 MDCK細(xì)胞、Caco-2中的一種；培養(yǎng)基為William，E、 DMEM、 RPMI 1640、 L-15、 MEM中的一種。
用于各種細(xì)胞組織化培養(yǎng)的生物人工器官時(shí)，首先將中空纖維膜制備成膜組 件，之后操作方式為以下兩者中的一種
1、 將密度為106 107個(gè)/1111的細(xì)胞懸液與凝膠溶液1 20mg/ml按1:3的比例混 合，并注入本發(fā)明所述的中空纖維膜組件的膜內(nèi)腔，使凝膠溶液凝固，然后， 外腔連接循環(huán)管路，進(jìn)行血漿或培養(yǎng)基循環(huán)。其中，凝膠溶液為膠原、瓊脂糖 和海藻酸鈉中的一種。
2、 將密度為106 107+/ml的細(xì)胞懸液直接注入本發(fā)明所述的中空纖維膜組件 膜內(nèi)腔中，并在外腔連接培養(yǎng)基循環(huán)管路，培養(yǎng)24小時(shí)后，細(xì)胞自組裝成聚集 體，之后，外腔循環(huán)管路切換成血漿繼續(xù)循環(huán)或者仍然進(jìn)行培養(yǎng)基的循環(huán)。
上述1 2中，細(xì)胞為肝細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞、胰島細(xì)胞中的一種；培養(yǎng) 基為William'E、 DMEM、 L-15、 MEM中的一種。
、PEG分子量為350，接枝率為32%的PEG-聚砜接枝產(chǎn)物，與聚砜按1:3的 比例混合，并按15。/。(w/v)溶于N-甲基吡咯垸酮中，攪拌12小時(shí)使之完全溶解， 脫除氣泡。室溫20。C，相對濕度50%時(shí)，將該紡絲液經(jīng)兩個(gè)同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為5 ml/min，初生纖維在環(huán)境中經(jīng)10 cm走絲距離后，在 50°C的水中凝固成型，流體線速度為5.5 m/min。
所得的新型中空纖維膜內(nèi)徑1000 pm，壁厚100 pm，壓汞儀檢測孔隙率為 78%，平均孔徑為0.8pm，檢測不到白蛋白截留。 實(shí)施例2:
PEG分子量為750，接枝率為16%的PEG-聚醚砜接枝產(chǎn)物，與聚醚砜按1:5 的比例混合，并按20。/。(w/v)溶于二甲基乙酰胺中，攪拌12小時(shí)使之完全溶解， 脫除氣泡。室溫25。C，相對濕度70%時(shí)，將該紡絲液經(jīng)兩個(gè)同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為12ml/min，初生纖維在環(huán)境中經(jīng)14 cm走絲距離后， 在75。C的水中凝固成型，流體線速度為10m/min。
所得的新型中空纖維膜內(nèi)徑700 pm，壁厚100 pm，壓汞儀檢測孔隙率為74%，平均孔徑為O.ll pm，白蛋白截留率為65%。
實(shí)施例3:
PEG分子量為350，接枝率為15%的PEG-聚砜接枝產(chǎn)物，與聚砜按1:9的 比例混合，并按30e/。(w/v)溶于二甲基甲酰胺中，攪拌12小時(shí)使之完全溶解，并 脫除氣泡。室溫25。C，相對濕度70%時(shí)，將該紡絲液經(jīng)兩個(gè)同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為20ml/min，初生纖維在環(huán)境中經(jīng)30 cm走絲距離后， 在80°C的純水中凝固成型，流體線速度為40 m/min。
所得的新型中空纖維膜內(nèi)徑200 ^m，壁厚30 pm，壓汞儀檢測孔隙率為56%， 平均孔徑為0.005 pm，白蛋白截留率為100%。 實(shí)施例4:
實(shí)施例1中得到的新型中空纖維膜，置于含300 pM的利福平和20 ^M的 胺碘酮的磷酸緩沖液中，它對兩種藥物的吸附量分別為30 nmol/cr^和4 nmol/cm2。同樣實(shí)驗(yàn)條件下，純的聚砜中空纖維膜對兩種藥物的吸附量分別為 270 nmol/cr^和16 nmol/cm2。即實(shí)施例1中得到的中空纖維膜對兩種藥物的吸 附量僅為純聚砜中空纖維的22.2%和25%。
采用實(shí)施例1中得到的中空纖維膜內(nèi)腔注入瓊脂糖凝膠溶液與大鼠原代肝 細(xì)胞，組裝成微型生物人工肝反應(yīng)器，進(jìn)行藥物肝毒性研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)它能反映 利福平和胺碘酮的真實(shí)肝毒性。即在培養(yǎng)48小時(shí)，藥物對肝細(xì)胞的致死率分別 為76%和73%。而純聚砜中空纖維膜吸附了大量的藥物，導(dǎo)致了溶液中藥物濃 度降低到了初始濃度的22%和12%，細(xì)胞培養(yǎng)48小時(shí)的致死率分別為30%和 25%。
^在實(shí)施例1中得到的新型中空纖維膜內(nèi)腔注入膠原凝膠溶液與人肝細(xì)胞， 組裝成微型生物人工肝反應(yīng)器，加入氯氮平15和30pM進(jìn)行藥物代謝研究。發(fā) 現(xiàn)在24小時(shí)的藥物代謝過程中，該中空纖維膜僅吸附了 9%的氯氮平，且對氯 氮平代謝產(chǎn)物的吸附量可以忽略不計(jì)。而作為對比的純聚砜膜吸附了 81%的氯 氮平，對它的代謝產(chǎn)物也有54%的吸附。這一結(jié)果表明，實(shí)施例1中得到的中 空纖維膜可用于藥物代謝研究，而純的聚砜中空纖維膜由于對藥物的大量吸附， 不能反映藥物代謝的真實(shí)情況。
^ 在實(shí)施例1中得到的新型中空纖維膜內(nèi)培養(yǎng)人肝細(xì)胞聚集體，加入乙醇25 mM、 100mM和200mM，建立脂肪肝病理模型。發(fā)現(xiàn)在乙醇作用48h后，該 中空纖維膜內(nèi)包埋的肝細(xì)胞出現(xiàn)了脂肪肝特異性的甘油三脂積累現(xiàn)象，且隨著乙醇作用濃度的升高，甘油三脂的積累量也隨之上升，乙醇25、 100和200mM 作用組中，甘油三脂的含量分別為對照組的1.2、 2.5和3.6倍。同時(shí)，乙醇'的作 用也導(dǎo)致了肝細(xì)胞脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)生，乙醇25、 100和200mM作用組中，表征 脂質(zhì)過氧化的丙二醛含量分別為對照組的1.4、 2.7和3.9倍。
' 將實(shí)施例2中得到的新型中空纖維膜制備成生物人工肝膜組件，并將109 個(gè)豬肝細(xì)胞直接注入中空纖維膜內(nèi)腔，形成大量直徑約100 Mm的聚集體，這一 生物人工肝膜組件對血漿蛋白的吸附量為普通生物人工肝的30%，對血小板的 吸附量為普通生物人工肝的15%。其中的肝細(xì)胞能存活10天以上，尿素和白蛋 白合成功能維持7天以上，利多卡因代謝能力維持5天以上。肝衰竭病人血漿 經(jīng)該生物人工肝膜組件循環(huán)處理8小時(shí)后，膽紅素含量降低59%，血氨濃度下 降62%，白蛋白濃度提高52%。 實(shí)施例8:
將實(shí)施例3中得到的新型中空纖維膜制備成肝衰竭病人所用血透組件，這 一血透組件對血漿蛋白的吸附量為普通血透裝置的33%，血小板的吸附量為普 通血透裝置的21%。將肝衰竭病人血漿用該血透組件循環(huán)處理8小時(shí)后，膽紅 素含量降低25%，血氨含量降低30%，血肌酐含量降低47%，尿素氮降低47%。 實(shí)施例9:
將實(shí)施例2中得到的新型中空纖維膜制備人工腎組件，將初始密度為5xl05 個(gè)/ml的大鼠原代腎小管近端上皮細(xì)胞培養(yǎng)于人工腎組件中，培養(yǎng)48小時(shí)后形 成類似體內(nèi)腎小管結(jié)構(gòu)的聚集體，腎細(xì)胞在3 4周內(nèi)維持較高的活率及較強(qiáng)的 增殖能力，高表達(dá)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白水平。將腎衰竭病人血漿經(jīng)該人工腎組件循 環(huán)處理12小時(shí)后，鈉離子重吸收了83%、葡萄糖重吸收了79%、血肌酐重吸收 了6.8%、尿毒素含量降低了80%，并顯著降低腫瘤壞死因子TNF-a,白細(xì)胞介 素(IL)-1(3等。 實(shí)施例10:
將實(shí)施例3中得到的新型中空纖維膜制備成腎衰竭病人所用血透組件，這 一血透組件對血漿蛋白的吸附量為普通血透裝置的33%，血小板的吸附量為普 通血透裝置的21%。將腎衰竭病人血槳經(jīng)該血透組件循環(huán)處理12小時(shí)后，尿素 氮含量降低42%、血肌酐含量降低49%、胍類含量降低35%。 實(shí)施例11:
將實(shí)施例2中得到的新型中空纖維膜用于培養(yǎng)大鼠胰島J3細(xì)胞，將密度為 5xl()S個(gè)/ml的胰島細(xì)胞懸液與膠原凝膠溶液2 mg/ml按1:3的比例混合，并注入本發(fā)明所述的中空纖維膜中，使凝膠溶液凝固，制備生物人工胰，并置于
RPMI1640培養(yǎng)基中培養(yǎng)。胰島細(xì)胞功能維持7天以上，在基礎(chǔ)(3.3mmol/L) 和高濃度(16.7mmol/L)葡萄糖條件下胰島素平均分泌量分別為(10.8±2.1)和 (40.1±4.2) nU/ml/10 islets/h。
權(quán)利要求
1、一種PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜，其特征在于，它同時(shí)含有分子式I表示化合物和分子式II表示化合物。其中，分子式I表示的化合物為接枝PEG的聚砜或接枝PEG的聚醚砜分子式II表示的化合物為聚砜或聚醚砜其中，m為6～25。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空纖維膜，其特征在于，所述中空纖維膜截面為 圓形，內(nèi)徑為150 1500 nm，壁厚為10 150 pm，膜孔徑為0.005 0.8 nm，白蛋白截留率為0 100%。
3、 一種權(quán)利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜的制備方法， 其特征在于，包括以下步驟(1) 分子式I表示的化合物和分子式II表示的化合物按1:3 9的比例混合 后，以重量比為15 30%溶解于溶劑中，溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二 甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺和二甲基亞砜的一種或幾種的混合。(2) 攪拌，溶解10 12小時(shí)，脫氣泡，制得紡絲原液。(3) 采用兩個(gè)同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經(jīng)噴絲頭擠出。環(huán)境溫度20 25。C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生 纖維在環(huán)境中經(jīng)10 30 cm走絲后在溫度為50 80°C的水浴中凝固成 型，流體線速度為5 40 m/min。
4、 一種權(quán)利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜作為抗血小板、 蛋白和小分子吸附的材料，用于構(gòu)建生物人工器官和血液透析裝置的用 途。
5、 一種權(quán)利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜作為抗蛋白和 藥物吸附的材料，用于構(gòu)建藥物毒性和藥物代謝研究的反應(yīng)器的用途。
6、 一種權(quán)利要求1所述PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜作為抗藥物和 蛋白吸附的材料，用于構(gòu)建體外病理模型的用途。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜及其制備方法與用途，將接枝PEG的聚砜(或聚醚砜)與聚砜(或聚醚砜)按1∶3～9的比例混合后，以重量比為15～30％溶解于N-甲基吡咯烷酮等溶劑中，在攪拌下溶解10～12小時(shí)，脫氣泡，制得紡絲原液。采用兩個(gè)同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經(jīng)噴絲頭以5～20ml/min的速度擠出。初生纖維在環(huán)境中經(jīng)10～30cm走絲后在溫度為50～80℃的水浴中凝固成型，流體線速度為5～40m/min。該中空纖維膜具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的有益效果，可用作血透裝置，或用于各種人或動(dòng)物細(xì)胞組織化培養(yǎng)的生物人工器官、藥物代謝、毒性和病理的研究。
文檔編號A61M1/18GK101530753SQ200910097050
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者琴 孟, 張國亮, 靜 戴, 沖 沈 申請人:浙江大學(xué)