PBT靜電紡-熔噴復(fù)合濾材的制備及其在血液過濾中的應(yīng)用.pdf

1、血液是維護(hù)人類新陳代謝、生命安全的不可缺少的成分之一，當(dāng)人體血容量及血液成分含量不足時，人類的生命安全便受到威脅，需及時對血液進(jìn)行補(bǔ)充。隨著醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，輸血安全已得到了深入的研究。目前輸入血液大部分來自人們的愛心獻(xiàn)血，異體血液在輸入病人體內(nèi)之前，除監(jiān)控血型的吻合外，還仍需保證其血液中無危害病人的細(xì)胞、病毒等，避免通過輸血導(dǎo)致疾病傳播。目前研究證明，血液中白細(xì)胞的內(nèi)部含發(fā)揮防御保護(hù)、機(jī)體免疫的白細(xì)胞抗原，且具有吞噬多種病毒的功能。因此

2、如將獻(xiàn)血者血液成分毫無保留的輸入病人體內(nèi)，極易引起獻(xiàn)血者與受血者白細(xì)胞抗原的同種異體反應(yīng)，且血液病毒(如巨細(xì)胞病毒(CMV)、皰疹病毒(EBV)、嗜T細(xì)胞病毒(HTLV)、乙肝丙肝病毒、HIV病毒等）都寄生于受感染人群的白細(xì)胞內(nèi)。因此在輸血之前通常需對血液進(jìn)行過濾去除部分白細(xì)胞，預(yù)防輸血反應(yīng)的發(fā)生。目前經(jīng)過醫(yī)學(xué)驗證，低白細(xì)胞濃度血液在輸血過程中可預(yù)防對紅細(xì)胞的非溶血性發(fā)熱反應(yīng)(FNHTR)、預(yù)防或延緩對白細(xì)胞抗原(HLA)同種免疫、預(yù)防

3、高危人群的巨細(xì)胞病毒(CMV)傳播。
　　因此，在將獻(xiàn)血者血液輸入病人體內(nèi)之前，需盡可能的去除其中的白細(xì)胞成分，保留有效的紅細(xì)胞和血小板成分。研究證明，去除白細(xì)胞的最有效手段便是過濾法，采用的過濾基材以熔噴非織布為主。熔噴非織造纖維直徑僅為幾微米，纖維的無規(guī)雜亂排列更是有利于白細(xì)胞的篩濾和粘附。經(jīng)熔噴血液過濾器過濾后，血液中的白細(xì)胞數(shù)量可由109個/L降至105個/L～106個/L左右，這基本可滿足大部分病人的需求，大大降低輸血副

4、反應(yīng)的發(fā)生。但對于骨髓移植、器官移植病人、早產(chǎn)兒等低免疫力病人，輸血安全與否仍是他們的致病原因之一。因此提供更低白細(xì)胞含量的血液，無疑可對這些低免疫力群病人提供更安全的保證。
　　為獲得更高的白細(xì)胞過濾效率，高性能濾材的制備和研究為必不可少的條件之一。近年來，靜電紡技術(shù)得到了飛速發(fā)展，通過靜電紡技術(shù)，可方便地獲得納米級纖維，其在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用前景得到了眾多研究學(xué)者的關(guān)注。本課題在此基礎(chǔ)上制備靜電紡高性能濾材，研究其在血液過濾上的應(yīng)

5、用。為了更充分地去除白細(xì)胞，將靜電紡納米纖維材料與熔噴非織造材料進(jìn)行復(fù)合使用，在結(jié)構(gòu)上起到一種梯度過濾的效果。從靜電紡材料的制備、靜電紡與熔噴非織造材料的復(fù)合、親水性靜電紡膜的共混紡絲、材料理化性能評價、血液過濾器設(shè)計制備及過濾性能表征等方面入手系統(tǒng)地研究了靜電紡/熔噴復(fù)合血液過濾材料的制備及應(yīng)用，概括而言，本課題主要得到以下結(jié)論:
　　1.聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)駐極熔噴非織造材料作為接收基材接收PBT靜電紡纖維，制備具有

6、孔徑梯度結(jié)構(gòu)的PBT靜電紡/熔噴復(fù)合材料。采用與市場上血液過濾器濾材一致的、具有良好血液相容性的PBT為主要原材料，在靜電紡/熔噴復(fù)合濾材的制備中，PBT熔噴非織造材料作為基材接收PBT靜電紡納米纖維。在使用前PBT熔噴非織造接收基材需進(jìn)行駐極處理。PBT靜電紡絲過程中采用三氟乙酸(TFA)和二氯甲烷(DCM)（1∶1體積混合）作為紡絲溶劑，實驗表明當(dāng)PBT濃度為14wt％時，PBT納米纖維直徑較小，表面均勻且無串珠，被認(rèn)定為最佳紡絲濃

7、度。PBT熔噴非織造材料表面進(jìn)行駐極處理后，其表面攜帶高密度負(fù)電荷。實驗表明，在靜電紡參數(shù)不變的情況下，PBT熔噴駐極處理后有利于獲得更細(xì)的納米纖維和提高納米纖維直徑的均勻性。通過對駐極條件進(jìn)行正交實驗設(shè)計，發(fā)現(xiàn)駐極電壓、駐極時間與駐極距離分別為60kV、40s和8cm時，熔噴材料表面電壓最大，之后用其接收的納米纖維平均直徑最細(xì)，標(biāo)準(zhǔn)方差最小。
　　2.通過極差分析，優(yōu)化靜電紡/熔噴復(fù)合濾材的制備條件，并對復(fù)合濾材的血液過濾效果進(jìn)

8、行評價。為獲得過濾性能優(yōu)異的靜電紡/熔噴復(fù)合濾材，首先通過纖維過濾器過濾機(jī)理分析，確定靜電紡絲液濃度、靜電紡絲液量及熔噴基布類型為影響過濾性能的主要影響因子。以濾材鈉鹽過濾效率為衡量指標(biāo)，進(jìn)行正交實驗，通過極差分析可知，靜電紡層的加入可使復(fù)合濾材較熔噴基布的過濾效率得到了很大的提高。然而在穩(wěn)定的靜電紡可紡濃度范圍內(nèi)，選擇盡可能低的紡絲液濃度有利于獲得更高的過濾效率;雖然靜電紡層的厚度大可獲得高的過濾效率，但會導(dǎo)致濾阻和品質(zhì)因素的降低，因

9、此濾材厚度需根據(jù)實際應(yīng)用靈活選擇。三個影響因子中，紡絲液量（即靜電紡層厚度）對材料最終的過濾效率影響最大。將靜電紡/熔噴復(fù)合材料制備成血液過濾器，測試其血液過濾性能并與傳統(tǒng)熔噴濾器進(jìn)行對比可知，其濾后血液中白細(xì)胞數(shù)量僅為4.88±2.34×104個/L，約是熔噴血液過濾器濾后白細(xì)胞含量的十分之一甚至百分之一。但紅細(xì)胞的回收率略微下降，平均過濾時間由熔噴濾器的2.47min延長至65.48min。究其原因一方面是由于靜電紡層結(jié)構(gòu)較熔噴更為

10、致密;另一方面是由于靜電紡層未經(jīng)過親水處理呈現(xiàn)疏水性，使血液在濾器中的潤濕和鋪展時間增長。因此用于血液過濾器的靜電紡/熔噴復(fù)合材料還需經(jīng)過進(jìn)一步的親水改性，來縮短血液過濾所需的時間。
　　3.再生絲素(RSF)與PBT共混靜電紡絲以改變PBT靜電紡納米材料的親水性。在以上研究基礎(chǔ)上，選擇RSF與PBT進(jìn)行共混靜電紡絲改善納米纖維膜的親水性，研究發(fā)現(xiàn)RSF可溶解于PBT的紡絲溶劑TFA/DCM中，從而無需在共混紡絲體系中引入新的溶劑

11、，單一RSF成分在靜電紡絲液濃度為16wt％時，獲得的纖維表面光滑，相對直徑較小且無串珠。采用16wt％的RSF與14wt％的PBT共混配置紡絲液，對5種PBT/RSF共混比例的靜電紡膜進(jìn)行測試，研究表明在共混過程中無新物質(zhì)形成，且在相同的靜電紡參數(shù)下，二者共混后所獲的纖維平均直徑小于PBT單獨紡絲的纖維。當(dāng)RSF在共混比例高于50∶50時，材料呈現(xiàn)良好的親水性和潤濕性。尤其是當(dāng)RSF共混比例高于80∶20時，材料的親水特性可與純RSF

12、靜電紡膜媲美。RSF的加入在親水基團(tuán)的引入、結(jié)晶度的降低、表面粗糙度增大等方面使PBT/RSF共混靜電紡膜的親水性得到了改善。
　　4.將PBT/RSF共混靜電紡材料進(jìn)行甲醇后處理，提高共混靜電紡材料的穩(wěn)定性，降低其溶失率。通過實驗發(fā)現(xiàn)甲醇處理后RSF的分子構(gòu)象由無規(guī)卷曲和α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)锽-折疊結(jié)構(gòu)的趨勢。甲醇處理10min后，共混靜電紡膜在37℃水浴溶解5h的溶失率小于5％，而在實際血液過濾過程中，血液的溫度低于37℃，且過

13、濾時間基本在1h以內(nèi)，因此認(rèn)為甲醇處理10min后，共混膜的溶失率會遠(yuǎn)低于5％，滿足實驗要求。甲醇處理除了引起納米纖維膜溶失率的變化外，還會引起由于溶脹現(xiàn)象引發(fā)的材料孔徑小幅度的降低。值得注意的是，甲醇處理后材料的瞬間接觸角較未處理前更小且潤濕時間更短，這主要是由于甲醇處理使共混膜RSF排列更為緊密，瞬時可接觸的親水基團(tuán)數(shù)量增多，且纖維表面光滑程度下降亦是造成接觸角變小的原因之一。
　　5.對PBT/RSF共混靜電紡材料的化學(xué)安全

14、性、溶劑殘留、溶血性等指標(biāo)進(jìn)行評價。從色譜質(zhì)譜分析、濾材浸出液的pH值、250～320nm范圍的紫外吸光光度值、溶血率等國家標(biāo)準(zhǔn)要求項目進(jìn)行測試，對PBT/RSF共混靜電紡膜用于血液過濾的安全性進(jìn)行評價。通過色譜質(zhì)譜分析可發(fā)現(xiàn)，共混靜電紡膜制備過程中DCM得到了充分揮發(fā)，無DCM的特征離子發(fā)現(xiàn)，但存在TFA的特征離子，通過后續(xù)對靜電紡膜進(jìn)行甲醇處理和真空干燥，可使殘留TFA得到進(jìn)一步去除，殘留量減少了約90％以上。對濾材浸出液進(jìn)行測試，

15、經(jīng)過甲醇處理和48h真空干燥后的PBT/RSF共混靜電紡膜浸出液的pH值與空白對照液之差均小于國家標(biāo)準(zhǔn)對血液過濾材料要求的1.5的安全范圍，其在指定波長范圍內(nèi)吸光光度值均小于國家標(biāo)準(zhǔn)0.3的要求。而剛剛結(jié)束靜電紡絲獲得的共混膜由于內(nèi)部存在紡絲溶劑殘留則不能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。溶血率測試結(jié)果表明，各混合比例的靜電紡共混膜溶血率均小于國家標(biāo)準(zhǔn)5％，這說明RSF的加入不會引起對紅細(xì)胞的破壞，且經(jīng)過實驗過程中的干燥除雜環(huán)節(jié)后，靜電紡殘留溶劑量對

16、紅細(xì)胞不存在顯著威脅，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對血液過濾器濾材的要求。
　　6.將PBT/RSF共混靜電紡膜與PBT熔噴非織造材料制備成血液過濾器，并對過濾器的血液過濾效果進(jìn)行測試后。通過測試得到結(jié)論PBT/RSF靜電紡復(fù)合血液過濾器濾后白細(xì)胞數(shù)量均在104個/L左右，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)濾后白細(xì)胞數(shù)量不高于1×106個/L的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。與RSF的共混使100mL血液的過濾時間由70.56min縮短為38.77min。雖然仍遠(yuǎn)大于市場上PBT熔噴血液

17、過濾的過濾時間，但考慮到其在白細(xì)胞過濾上的優(yōu)良效果，認(rèn)為在可以接受的范圍之內(nèi)，尤其是制備用于低免疫力病人輸血的白細(xì)胞過濾器，白細(xì)胞的去除效果顯得更為重要。此外，本課題還探討了過濾器制備過程中靜電紡層厚度不同、熔噴層數(shù)不同對最終過濾效果的影響。靜電紡層厚度的增大可使其對血液中白細(xì)胞的攔截效果更佳，但同時使血液中功能成份紅細(xì)胞的通過造成困難，尤其當(dāng)靜電紡層厚度達(dá)1.48mm后，紅細(xì)胞的回收率僅為78.4％，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)85％的要求，且靜電