血浆分离膜主要用于分离全血中的血浆,以达到除去血浆中致病大分子蛋白质的目的.当前商品化血浆分离膜主要为大孔径中空纤维膜,孔径一般为0.2~0.5μm,由于血细胞尺寸均在2μm以上,因此,为了更好地将血浆与血细胞分离,需制得更大孔径血浆分离膜.目前被广泛应用和推广的血浆分离膜材料主要包括聚砜(PS)、聚醚砜(PES)等,但这些材料均存在加工脆性、抗凝性不理想以及耐污染性能差等问题.PVDF是一种新兴的、综合性能优良的膜材料,因其化学稳定性好、无毒、耐污染的特点,在生物医学领域中备受关注,是制备血液血浆分离膜材料良好的高分子材料[1,2,3] .但由于PVDF材料本身的特性,现有技术可得到的膜孔径在0.2μm左右,难以得到0.5μm以上大孔且力学性能良好的膜,因此为制得具有良好分离性能和亲水性的PVDF新型血浆分离膜,需对PVDF膜材料进行改性.共混改性是PVDF膜材料改性方法中常用的方法之一.该方法不仅可以获得性能更为优良的改性膜材料,同时又可以调控膜孔结构[4] .常用的亲水性致孔类添加剂主要为PEG和PVP等.PVP是一种优良的添加致孔剂,无毒且具有极佳的溶解及成膜性能.但同时PVP荷正电性,易吸附荷负电的白蛋白而使膜的血液相容性差,不利于血液分离应用.一般情况下微孔膜制备时多使用生物相容性好、亲水性和耐污染性能的低相对分子质量PEG为致孔剂[5,6,7,8,9,10] .Chakrabarty等[11] 研究了PEG的相对分子质量对PSF膜结构和性能的影响,表明相对分子质量高的PEG可以提高膜孔隙率,改善膜的渗透性能,但因PEG本身相对分子质量较低,在微孔膜的制备中易流失[12] .

PEO又称聚环氧乙烷,是一种性能优异的水溶性高分子均聚物,呈电中性.PEO和PEG分子结构相同但两者相对分子质量不同,相对分子质量2万以下为PEG,相对分子质量10万以上的称为PEO.Adout等[13,14] 通过在铸膜液中分别添加共聚物PSF-g-PEO和PAN-g-PEO,大大改善了PSF膜和PAN膜的亲水性和抗污染性能.Hancock等[15] 通过将亲核取代合成的PSF-g-PEO添加到铸膜液中同样提高了PSF膜的亲水性能.Zhao等[16] 用PES/Pluronic F127作为多功能添加剂和致孔剂制备了一系列PES超滤膜,得到了高亲水性的PES膜.经PEO及其衍生物改性后,多孔膜的亲水性和抗污染性能均可得到显著改善,因此,PEO及其衍生物由于其优异的亲水性、化学稳定性而被广泛应用于各种多孔膜(如PSF、PAN、PLA)的改性[13,14,15,16] .但PEO因其相对分子质量较大,所成铸膜液黏度也相对较大,因此在纺丝时对可纺性有一定难度.

针对大分子PEO易在膜本体内残留且作为制膜添加剂有望获得大孔径膜的特点,本文选用相对分子质量较大的PEO部分取代原低分子的PEG添加剂作为亲水性添加剂和致孔剂以尝试解决PVDF膜材料难以制得0.5μm以上大孔的血浆分离用微孔膜的问题,在利用PVDF本身膜材料性能优势的前提下,用干-湿相转化法制备PVDF中空纤维血浆分离膜.通过调配聚氧化乙烯(PEO)和聚乙二醇(PEG400)复配添加剂的含量来调整成膜结构(表面形貌、孔径大小和孔径分布等),研究其对聚偏氟乙烯中空纤维分离膜结构及性能的影响,以期获得大孔径和亲水性好的PVDF血浆分离用微孔膜.

PVDF,法国苏威公司;二甲基乙酰胺(DMAc),韩国三星公司;PEG400(Mw=400),天津市武清区福康化工厂;PEO(Mw=200 000)、PVP-K30(Mw=37 900),上海攻碧克公司;二氧六环,实验室自制.

中空纤维膜纺丝机,自制;水通量测试装置,自制;电子单纱强力仪,莱州市电子仪器有限公司;接触角测定仪(YH-168A),北京哈科实验仪器厂.

纺丝过程如下,按照一定比例(见表1)将PVDF、添加剂、DMAc和二氧六环投入到斜三口烧瓶中,在恒温条件下机械搅拌使其均一、透明并脱泡数小时后,用干湿相转化法纺制中空纤维膜(见图1).膜内径和壁厚分别为200μm、50μm.

将膜丝清洗干净,在真空干燥箱内烘干,用液氮脆断后喷金,然后用QUANTA-200型扫描电镜对样品的表面结构进行表征.

用自制的装置(如图2所示)测试膜的纯水通量.取20根膜丝封装为小组件,固定在装置上,利用内压法测试.先在0.18 MPa下预压15 min后,调整入口压力为0.102 MPa,出口端压力为0.098MPa,温度为25℃,记录膜透过10mL水所需时间t,再用直尺测量该组件的有效长度l,显微镜下测量膜丝内径,至少测3根丝,取平均值作为该丝内径d,用以计算该组件的膜面积S.利用式(1),计算纯水通量J.

式中,J为纯水通量,L/(m2·h);V为透过水量,L;S为膜表面积,m2;t为透过水量V所需的时间,h.

将一根PVDF中空纤维膜用环氧树脂将其封装为小组件,待其固化后,在无水乙醇中浸泡15min,固定在自制装置上(见图3),向中空纤维膜丝内通入氮气,出现第一个气泡时的压力即为该膜的始泡点压力p.每组测试5次,取其平均值.分离孔径的计算式[17] :

式中,r为膜孔半径,μm;p为泡点压力,MPa.

为了测试亲水性小分子PEG400和大分子PEO在成膜中的残留特性.同时考虑到所制备的中空纤维血浆分离膜尺寸较细(内径为200μm、壁厚为50μm)而不方便测试接触角的问题,本实验按一定比例(见表2)分别添加PEG400和PEO于PVDF铸膜液中,制备PVDF/PEG400和PVDF/PEO两种改性平板膜,并分别对两种平板膜做了亲水性和流失性试验,同时用傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)对两种不同相对分子质量添加剂的平板膜进行定性分析.

接触角测试:用接触角测定仪测定平板膜表面接触角,每个样品测试5次取平均值.

洗脱性实验:将所刮平板PVDF/PEG400、PVDF/PEO改性膜在流动水中冲洗30d,用接触角测定仪每隔15d测试改性平板膜的接触角.

傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)分析:实验采用FTIR-ATR定性分析PEO在膜内部的残留情况,来表征大分子添加剂在膜内部的残留情况,扫描范围4 000~400cm-1.

采用YG061型电子单纱强力仪测试膜的断裂强力和拉伸伸长率.取一根长度为10cm的湿态中空纤维膜丝,将其固定在电子单纱强力仪的两夹持器之间,按500mm/min的速度均匀拉伸膜丝直至断裂,记录断裂强力和拉伸伸长率,取10个数值求平均.

图4为PVDF/PEO与PVDF/PEG改性膜的红外光谱图.由于PEG、PEO分子中含有—OH和CH2—CH2—O—CH2—CH2官能团,分别在3 400cm-1和1 111cm-1处有特征峰,可以通过改性膜红外光谱上有无这一特殊的官能团来判断大分子PEO更易在膜内残留.从图4可以看出,PVDF/PEO改性膜在洗脱后是有—OH和CH2—CH2—O—CH2—CH2官能团存在的,而PVDF/PEG400改性膜中未明显测试出这两种官能团存在,说明小分子PEG400易洗脱而亲水性大分子PEO更易在膜内残留.这主要是由于PEG400和PEO均为性能优异的水溶性均聚物,在成膜过程中利于非溶剂向膜内扩散,使溶剂向外扩散的速度小于非溶剂向膜内扩散的速度,都可以形成多孔膜,但由于PEG400和PEO相对分子质量大小不同,PEG400相对分子质量为400,在铸膜液中与PVDF聚合物缠结程度相对较低,几乎所有的PEG400分子均与PVDF脱离而在膜表面富集,使PEG400在水中得到溶解,有指状孔生长点形成,之后,在膜母体中这些指状孔生长点增长形成多孔,此时膜母体中PEG400的含量较少,导致分相速度变慢;而对于相对分子质量为200 000的PEO大分子来说,在铸膜液中与PVDF有较高的缠结程度,在成膜过程中膜母体中的PEO含量高,分相速度较快,充分发展了膜的大孔结构,从而残留在膜本体内.

由表3可知,PVDF/PEO改性膜比PVDF/PEG400改性膜的接触角明显偏低,且PVDF/PEG400改性膜接触角随洗脱时间增加有增加的趋势,而PVDF/PEO改性膜接触角变化不是很大,这是由于小分子PEG400在成膜及后期洗脱处理的过程中很容易被洗掉,而铸膜液中亲水性大分子PEO更容易与PVDF缠结,使得成膜过程中残留在膜内不易被洗脱,易形成大孔结构的膜,接触角较小,膜亲水性得以提高.

纺丝液组成对成膜结构影响很大,为提高铸膜液的表面张力,需将各种制膜添加剂复配处理,从而改善铸膜液的静置稳定性、成孔性和黏度[18] .本实验将PEG400和PEO作为复配添加剂,保持其总量不变,制备PVDF中空纤维微孔膜,并从膜的形态结构、分离性能和机械性能等方面考察PEO在添加剂中含量对PVDF中空纤维膜形态结构与性能的影响.

从图5可以看出,膜的断面结构顶部为指状孔结构,中间和底部为海绵状组织的非对称结构.随着PEO在添加剂中含量增加,膜的断面结构指状孔有变大的趋势且向底部延伸,但数目很少总体变化很小.但从指状孔局部放大图中可以看出,当PEO在添加剂中质量分数从0%到2%时指状孔结构内部膜丝孔径尺寸是有增大的趋势,但当PEO在添加剂中含量为3%时,虽然内部膜丝孔的数目增多但孔径尺寸变小,膜的大孔受到抑制.考虑主要原因,一方面是由于PEO和PEG400均为一种优良的亲水性聚合物,有利于非溶剂向膜内扩散,使得溶剂向外扩散的速度小于非溶剂向膜内的扩散速度,致使形成多孔膜;另一方面,PEO相对分子质量相对较大,随着PEO在添加剂中含量增加,PEO与PVDF缠结程度较高,使得铸膜液中PEO含量高,膜的大孔结构充分发展,但随着PEO在添加剂中含量持续增加,铸膜液黏度相应增加,膜的传质阻力增加,凝胶过程的双扩散速度受到一定限制,从而导致当PEO在添加剂中含量增加到一定程度后,膜丝孔径尺寸有所减小.

由表4和表5可知,随着PEO在添加剂中含量增加,PVDF中空纤维膜的纯水通量有先升高后降低趋势,当PEO在添加剂中质量分数为1.5%时,膜水通量达到最大为1 117L/(m2·h),而膜分离孔径尺寸有所增加,当PEO质量分数提高到3%时,膜分离孔径可达到0.602μm,但此时PVDF膜通量有所降低.这是由于PVDF为疏水性膜材料,而PEO为亲水性大分子物质,PEO含量过高时不能与PVDF很好混合而发生团聚,使所成膜贯通孔减少,从而导致了膜的纯水通量下降[19] .PEO在添加剂中含量不同的PVDF膜的机械性能总体差别不大.

选用相对分子质量较大的PEO部分取代原低相对分子质量的PEG400作为亲水性添加剂和致孔剂,用干-湿相转化法制备了PVDF中空纤维血浆分离膜,得到以下结论:

1)添加大分子PEO添加剂,达到了获得大孔径分离膜的目的,且适量加入可使PVDF膜的纯水通量最高可达到1 117L/(m2·h);在实验加入量范围内,PVDF膜的机械性能变化不大.

2)由PVDF/PEG400和PVDF/PEO改性膜的红外光谱图分析和洗脱性实验证明大分子PEO在成膜及后处理过程中可残留在膜本体内,从而有效提高了PVDF膜的电中性和亲水性.