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
技術領域：
本發明屬于膜化學、材料科學和組織工程的交叉領域，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：
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，成為制約其應用的最嚴重問題。
聚砜和聚醚砜的吸附性由它們的疏水性引起，因此，已有一些報道進行了 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親水小分子參與 表面反應、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極強的親水性，這種改性膜中的PEG會在水 溶液中大量流失，從而達不到親水改性的效果。因此，有研究者發明了將PEG 采用化學反應直接連接于膜材料上的方法(稱為化學接枝反應)，避免了 PEG流 失的問題。
2006年，美國麻省理工大學的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)。這是世界上首次報道的化學反應制備PEG接枝聚砜膜材料的方法。該 文獻采用的化學反應如下
<formula>formula see original document page 4</formula>
而聚醚砜的PEG接枝反應也可通過類似的方法實現(Li L， et al, E-Polymers,
42009. No:26)。此外，也有研究者米用了這一方法實現了 PEG在聚醚砜酮 (PPESK)上的接枝反應(Zhu LP， et al. European Polymer Journal 2007. 43:1383-93)。然而，上述研究均只是進行了 PEG在聚砜類材料上的接枝反應， 或者制備了結構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道。 為膜材料科學這一領域的技術人員所熟知的是，在中空纖維膜的制備上， 膜的性能參數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、環境溫度和濕度、噴絲頭的擠出速度、凝膠時間和 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 過大量的條件實驗，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，國內外的發明人都根據其不同的制備方法和 獲得的不同性能分別進行了專利保護(如美國專利US4874522; US6017474A，中 國專利ZL 98805264.4; ZL 97107831.9)。這一領域的特點決定了該領域的普通技 術人員不能由現有的制備中空纖維膜技術推導出針對PEG接枝聚砜或聚醚砜的 成膜參數。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，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。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 一種PEG接枝的聚砜或聚醚 砜中空纖維膜，它同時含有分子式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，脫氣泡，制得紡絲原液；
(3) 采用兩個同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經噴絲頭擠出。環境 溫度20 25。C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生 纖維在環境中經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，用于構建藥物體外毒性篩選和藥物代謝研究的反應器；可作為抗 蛋白和藥物吸附的材料，構建模擬體內器官的反應器，用于體外病理研究。
本發明的有益效果是本發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，可用作血透裝置，或用于各種人或動物細胞組織化培養的生 物人工器官、藥物代謝、毒性和病理的研究。
具體實施例方式
本發明PEG接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜同時含有分子式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
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，脫氣泡，制得紡絲原液；
c) 采用兩個同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經噴絲頭擠出。環境溫 度20 25°C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生纖維 在環境中經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。
本發明所制備的中空纖維膜，其截面為圓形，內徑為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%。
本發明的中空纖維膜，具有抗血小板、蛋白和小分子吸附的特點，可用作 血透裝置，或用于各種人或動物細胞組織化培養的生物人工器官、藥物代謝、 毒性和病理的研究。
用于血透裝置時，將中空纖維膜組裝成常規的血透膜組件，內腔連接透析 液循環裝置，外腔連接血漿循環裝置，即可直接使用。
用于各種細胞組織化培養的藥物毒性和代謝、病理研究時，構建方式為以 下兩者中的一種
1、將密度為105 106+/ml的細胞懸液與凝膠溶液(1 20 mg/ml)按1:3的比 例混合，并注入本發明所述的中空纖維膜中，使凝膠溶液凝固，并置于培養基中靜置培養。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的細胞懸液直接注入本發明所述的中空纖維膜中，
并置于培養基中靜置培養，培養24小時后，細胞自組裝成聚集體。
上述1 2中，細胞為肝細胞、腎小管上皮細胞、胰島細胞、肝癌細胞系、 MDCK細胞、Caco-2中的一種；培養基為William，E、 DMEM、 RPMI 1640、 L-15、 MEM中的一種。
用于各種細胞組織化培養的生物人工器官時，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/1111的細胞懸液與凝膠溶液1 20mg/ml按1:3的比例混 合，并注入本發明所述的中空纖維膜組件的膜內腔，使凝膠溶液凝固，然后， 外腔連接循環管路，進行血漿或培養基循環。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的細胞懸液直接注入本發明所述的中空纖維膜組件 膜內腔中，并在外腔連接培養基循環管路，培養24小時后，細胞自組裝成聚集 體，之后，外腔循環管路切換成血漿繼續循環或者仍然進行培養基的循環。
上述1 2中，細胞為肝細胞、腎小管上皮細胞、胰島細胞中的一種；培養 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小時使之完全溶解， 脫除氣泡。室溫20。C，相對濕度50%時，將該紡絲液經兩個同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為5 ml/min，初生纖維在環境中經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。 實施例2:
PEG分子量為750，接枝率為16%的PEG-聚醚砜接枝產物，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小時使之完全溶解， 脫除氣泡。室溫25。C，相對濕度70%時，將該紡絲液經兩個同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為12ml/min，初生纖維在環境中經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%。
實施例3:
PEG分子量為350，接枝率為15%的PEG-聚砜接枝產物，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小時使之完全溶解，并 脫除氣泡。室溫25。C，相對濕度70%時，將該紡絲液經兩個同心圓的中空纖維 噴絲頭擠出，擠出速度為20ml/min，初生纖維在環境中經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%。 實施例4:
實施例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。同樣實驗條件下，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%。
采用實施例1中得到的中空纖維膜內腔注入瓊脂糖凝膠溶液與大鼠原代肝 細胞，組裝成微型生物人工肝反應器，進行藥物肝毒性研究時，發現它能反映 利福平和胺碘酮的真實肝毒性。即在培養48小時，藥物對肝細胞的致死率分別 為76%和73%。而純聚砜中空纖維膜吸附了大量的藥物，導致了溶液中藥物濃 度降低到了初始濃度的22%和12%，細胞培養48小時的致死率分別為30%和 25%。
^在實施例1中得到的新型中空纖維膜內腔注入膠原凝膠溶液與人肝細胞， 組裝成微型生物人工肝反應器，加入氯氮平15和30pM進行藥物代謝研究。發 現在24小時的藥物代謝過程中，該中空纖維膜僅吸附了 9%的氯氮平，且對氯 氮平代謝產物的吸附量可以忽略不計。而作為對比的純聚砜膜吸附了 81%的氯 氮平，對它的代謝產物也有54%的吸附。這一結果表明，實施例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情況。
^ 在實施例1中得到的新型中空纖維膜內培養人肝細胞聚集體，加入乙醇25 mM、 100mM和200mM，建立脂肪肝病理模型。發現在乙醇作用48h后，該 中空纖維膜內包埋的肝細胞出現了脂肪肝特異性的甘油三脂積累現象，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，乙醇'的作 用也導致了肝細胞脂質過氧化的產生，乙醇25、 100和200mM作用組中，表征 脂質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 個豬肝細胞直接注入中空纖維膜內腔，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 經該生物人工肝膜組件循環處理8小時后，膽紅素含量降低59%，血氨濃度下 降62%，白蛋白濃度提高52%。 實施例8:
將實施例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處理8小時后，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%。 實施例9:
將實施例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/ml的大鼠原代腎小管近端上皮細胞培養于人工腎組件中，培養48小時后形 成類似體內腎小管結構的聚集體，腎細胞在3 4周內維持較高的活率及較強的 增殖能力，高表達葡萄糖轉運蛋白水平。將腎衰竭病人血漿經該人工腎組件循 環處理12小時后，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,白細胞介 素(IL)-1(3等。 實施例10:
將實施例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該血透組件循環處理12小時后，尿素 氮含量降低42%、血肌酐含量降低49%、胍類含量降低35%。 實施例11:
將實施例2中得到的新型中空纖維膜用于培養大鼠胰島J3細胞，將密度為 5xl()S個/ml的胰島細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培養基中培養。胰島細胞功能維持7天以上，在基礎(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、 根據權利要求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，脫氣泡，制得紡絲原液。(3) 采用兩個同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經噴絲頭擠出。環境溫度20 25。C，相對濕度30 80%，擠出速度為5 20 ml/min，初生 纖維在環境中經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，用于構建生物人工器官和血液透析裝置的用 途。
5、 一種權利要求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，用于構建藥物毒性和藥物代謝研究的反應器的用途。
6、 一種權利要求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，用于構建體外病理模型的用途。
全文摘要
本發明公開了一種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，脫氣泡，制得紡絲原液。采用兩個同心圓的中空纖維噴絲頭，將紡絲原液經噴絲頭以5～20ml/min的速度擠出。初生纖維在環境中經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，或用于各種人或動物細胞組織化培養的生物人工器官、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 優先權日2009年3月30日
發明者琴 孟, 張國亮, 靜 戴, 沖 沈 申請人:浙江大學