血液透析膜在血液相容性和毒素強化清除方面的研究進展

葉 卉，侯笑洋，黃莉蘭，安 珂，李 泓，張玉忠

(天津工業大學材料科學與工程學院 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387)

1 前 言

慢性腎臟疾病(chronic kidney disease, CKD)患者隨著腎功能的下降，體內內源性和外源性毒素無法正常排出而在血液中積累，這些積累的毒素會影響各個組織或器官的功能，從而導致尿毒癥綜合癥[1, 2]。血液透析(hemodialysis, HD)是一種體外血液凈化技術，是以半透膜分隔血液和透析液，以膜兩側毒素物質濃度差作為驅動力，通過擴散作用使小分子毒素(如尿素、肌酐等)進入透析液中，從而實現血液中毒素清除和多余水分過濾，其原理示意圖如圖1所示。血液透析膜是血液透析器的核心組件，在商用血液透析器中，由于纖維素膜血液相容性較低，已經被聚合物材料所取代，如聚砜(polysulfone, PSF)、聚醚砜(polyethersulfone, PES)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)、乙烯乙烯醇共聚物(ethylene vinyl alcohol,EVOH)和聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)[3-5]。目前，血液透析膜材料使用的合成聚合物中有93%來自聚砜家族，其中71%為PSF、22%為PES[6]。

圖1 血液透析原理示意圖

目前，血液透析膜材料主要存在兩大問題：① 血液透析膜與血液接觸時發生一系列反應從而引起氧化應激，導致血液不相容；② 透析膜對中分子毒素(如β2-微球蛋白)和蛋白質結合化合物毒素(如對甲酚、馬尿酸等)的清除能力有限。現有的綜述文章主要對血液透析膜生物相容性改性方法進行介紹，并未對其毒素強化清除改性工作進行介紹。本文主要綜述血液透析膜在改善血液相容性及中分子、蛋白質結合化合物毒素強化清除方面的研究進展，并介紹了一些新型血液透析膜，為血液透析膜的改性工作提供參考。

2 改善血液相容性

血液相容性是血液透析膜的重要評價指標之一。當血液與外源性材料接觸時，蛋白質在材料表面的粘附、凝血因子的激活會引起一系列不良反應，從而引起凝血、炎癥和血栓等[7]。因此，提升血液透析膜表面的親水性、使膜表面帶適量的負電荷是改善血液透析膜血液相容性的關鍵。目前，血液透析膜表面改性的方法主要有接枝、共混、自由基聚合等，改性物質主要有肝素、維生素E、氧化石墨烯和聚丙烯酰嗎啉(PACMO)等。

2.1 肝素改性

肝素作為抗凝劑，可以在血小板因子Ⅲ協同作用下作用于凝血酶，抑制纖維蛋白原向纖維蛋白轉化，起到抗凝血作用。肝素自身帶負電荷，通過靜電排斥原理也可以抑制帶負電的血小板在材料表面粘附、聚集。Gao等[8]利用聚多巴胺將肝素固定在聚乳酸(polylactic acid, PLA)膜上，制備了肝素固定化的PLA血液透析平板膜。結果表明，肝素固定化的PLA膜可以抑制血小板粘附，延長血漿復鈣時間，降低溶血率。Santous等[9]用聚乙烯亞胺作為連接劑，將肝素固定在聚醚酰亞胺(polyetherimide, PEI)表面，制備了肝素固定化的PEI血液透析膜。肝素固定化的PEI膜表面更親水，帶有更多的負電荷，可以減少蛋白質吸附和血小板粘附。此外，膜表面的肝素延遲了活化部分凝血活酶的時間，有較好的抗血栓特性。

2.2 維生素E改性

維生素E是廣泛使用的抗氧化劑，臨床實驗表明維生素E可以有效降低炎癥反應[10]和氧化應激[11]。由于材料的疏水性會引起蛋白質的粘附，進一步導致凝血級聯和補體激活，Teotia等[12]將維生素E聚乙二醇琥珀酸酯(一種水溶性的維生素E衍生物)接枝在PSF膜表面提高膜的親水性。與純PSF膜相比，維生素E改性的PSF膜表面結構呈網狀多孔結構，孔隙率和親水性均有所提高，可以延長凝血時間，降低補體激活。Verma等[13]以納米沸石作為填充物、維生素E聚乙二醇琥珀酸酯作為添加劑制備了PES維生素E聚乙二醇琥珀酸酯-沸石中空纖維膜，由于維生素E聚乙二醇琥珀酸酯的加入可以降低溶血率、減少血小板粘附和活化、延長凝血時間，從而降低血液透析過程中產生的副作用。

2.3 氧化石墨烯改性

氧化石墨烯表面富含豐富的羧基、羥基和環氧基團，可以為膜表面提供負電荷，提高膜的親水性，增強血液透析膜的血液相容性。Fahmi等[14]將氧化石墨烯與PES共混，通過沉浸相轉化法制備了氧化石墨烯/PES混合基質膜，提高了PES膜表面的親水性。Ma等[15]將多巴胺接枝在羧基化氧化石墨烯(GOCOOH)上，制備了多巴胺改性的羧基化氧化石墨烯(DA-g-GOCOOH)納米片，然后將納米片沉積在PLA膜表面，得到PLA/(DA-g-GOCOOH)復合血液透析膜。DA-g-GOCOOH納米片帶有大量親水基團，如—COOH、—OH、—NH2，可以提高膜表面的親水性。另外，羧基化氧化石墨烯上的—COOH在溶液中易發生電離，使得復合膜表面帶有更多的負電荷，抑制了帶負電的血小板在膜表面的吸附。膜表面親水性和電負性的共同作用，提高了PLA/(DA-g-GOCOOH)膜的血液相容性。

2.4 聚丙烯酰嗎啉改性

血液透析膜表面親水性的提高可以降低蛋白質在膜表面的吸附，獲得良好的抗血栓性能。An等[16]將親水性的PACMO作為側鏈接枝在聚偏氟乙烯(PVDF)主鏈上，制備了聚偏氟乙烯聚合物(PVDF-g-PACMO)，然后將PVDF-g-PACMO與PVDF共混，制備了PVDF/(PVDF-g-PACMO)中空纖維膜。利用偏析效應使親水性的PVDF-g-PACMO聚集在中空纖維膜的表面，提高膜表面的親水性，使蛋白質吸附減少，凝血時間延長，改善了血液相容性。

3 尿毒癥毒素強化清除

歐洲尿毒癥毒素工作組(EUTox)曾對尿毒癥毒素進行研究[17]，并將其分為3類：① 游離水溶性小分子化合物，② 中分子物質，③ 蛋白質結合化合物。血液透析膜可以清除游離的小分子化合物，對中分子物質和蛋白質結合化合物的清除有限，所以很長一段時間人們都在尋求一種新的機制來清除這些難以清除的化合物。通過構建超薄功能層降低傳質阻力、調控膜表面孔徑可使中分子物質透過，或在膜中引入吸附劑以強化蛋白質結合化合物毒素的清除，本節主要介紹對流、吸附機制在尿毒癥毒素強化清除中起到的作用。

3.1 中分子毒素強化清除

通過構建超薄的功能層，結合孔隙彎曲度更低的納米纖維層可以降低毒素傳質阻力，提高中分子毒素的清除率。薄膜納米纖維復合膜(thin-film nanofibrous composite membrane，TFNC)是由超薄功能層和納米纖維微濾支撐層組成的復合膜。Yu等[18]利用靜電紡絲制備了具有PAN納米纖維支撐層和化學交聯聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)超薄分離層的薄膜納米纖維復合膜(PVA/PAN TFNC)。超薄的PVA親水層和開孔結構的PAN納米纖維支撐層有更小的傳質阻力，超薄的選擇層使得PVA/PAN TFNC對水、小分子尿素和中分子毒素的透過率更高。實驗表明，PVA/PAN TFNC可以清除82.6%的尿素(一種典型的小分子毒素)、45.8%的溶菌酶(一種典型的中分子模擬物)，保留98.8%的牛血清白蛋白。Zhu等[19]在PAN納米纖維膜表面涂覆了一層磺化聚乙烯醇/聚乙烯醇(s-PVA/PVA)的混合水凝膠隔層制備了一種s-PVA/PVA TFNC。通過控制s-PVA/PVA混合比例可調節膜表面凝膠層的網格大小，使得更多的中分子毒素得到清除。在4 h透析實驗中，84.2%的尿素和60.9%的溶菌酶被清除，95.0%以上的牛血清白蛋白得到保留。

無機納米材料填充在高分子基質膜中可以提高膜的滲透性和選擇性。Said等[20]將無機納米粒子氧化鐵(Fe2O3)摻入PSF中制備了中空纖維式的Fe2O3/PSF混合基質膜。由于Fe2O3的摻入使PSF膜表面的孔徑增大，提高了PSF膜對水的滲透性，純水通量達到110.47 L·m-2·h-1。膜表面孔徑的提高使分子尺寸較大的中分子毒素可以通過透析膜，提高血液透析膜對中分子毒素的清除能力。實驗結果表明，該膜對尿素的清除率為82%、對溶菌酶的清除率達到46.7%，牛血清白蛋白保留率為99.9%。

3.2 蛋白質結合化合物毒素強化清除

用于血液凈化的吸附劑材料眾多，利用納米孔結構的吸附材料可以將蛋白質結合化合物毒素從血漿中吸附分離出來。因此，將吸附劑與透析膜的優勢相結合，制備具有吸附功能的血液透析膜，可以提高其對蛋白質結合化合物毒素的清除[21]，這種膜通常被稱為混合基質膜(mixed matrix membranes, MMMs)。Tijink等[22]將活性炭吸附劑與PES共混制備了雙層MMMs。在吸附劑/PES共混層利用“吸附+對流”的方式可以清除蛋白質結合化合物毒素，而無吸附劑層又可防止吸附劑顆粒泄露。與PES膜相比，加入活性炭吸附劑的血液透析膜對肌酸酐和馬尿酸(2種蛋白質結合化合物毒素)有更高的清除率。隨后，他們又將活性炭與PES共混制備了中空纖維MMMs，該膜在4 h靜態吸附條件下，從人血漿中吸附了57.0%的對甲氧基硫酸鹽、82.0%的吲哚氧基硫酸鹽和94.0%的馬尿酸(3種蛋白質結合化合物毒素)[23]。

4 新型血液透析膜

除傳統改性方法外，蛋白質仿生膜、納米通道定向傳輸膜、三維模板多層纖維膜、抗凝生物大分子層層自組裝膜和自抗凝膜等也被應用于開發新型血液透析膜。新型血液透析膜致力于通過構建獨特的膜結構來改善血液透析膜的生物相容性并強化尿毒癥毒素的清除。本節主要介紹這些新材料、新技術、新方法在血液透析膜中的應用。

4.1 蛋白質仿生膜

生物膜能夠使生命系統正常工作，為細胞的生命活動創造穩定的內環境，蛋白質仿生膜的靈感就來源于自然界中的生物膜。Yang等[24]制備的蛋白質自支撐膜具有非常好的中分子毒素清除能力。這種蛋白質自組裝薄膜是由α-螺旋結構的溶菌酶在還原劑作用下快速伸展、聚合形成β-層狀堆疊低聚物，隨后在水/空氣界面上團聚，形成的自支撐蛋白質薄膜。該膜的厚度在30～250 nm范圍內可控，平均孔徑可根據蛋白質濃度在1.8～3.2 nm范圍內調控。溶菌酶顆粒間形成大小可控的納米級通道，可以保留粒徑大于3 nm的分子和粒子，允許小分子的快速遷移和中分子毒素的清除。模擬透析實驗表明，所制備的蛋白質膜可以清除(81.3±2.3)%的肌酸酐，(50.3±3.7)%的溶菌酶，牛血清白蛋白保留率為99.7%。

4.2 納米通道定向傳輸膜

納米通道的概念提供了一種調控物質轉運的新策略，近年來引起了學者的廣泛關注。這一概念的靈感來自于自然界中的水通道蛋白，納米材料的發展使這一靈感能夠應用于各個領域，包括過濾、能源利用和生物醫學等。Xu等[25]將肝素固定在多層碳納米管(Hep-g-pMWCNTs)上，將其填充在化學交聯的PVA上，然后將混有Hep-g-pMWCNTs的PVA涂覆在PAN纖維上，制備了Hep-g-pMWCNTs/PVA/PAN TFNC。Hep-g-pMWCNTs與PVA在界面處形成的間隙為毒素的運輸提供了定向納米通道，縮短了傳質路徑的長度，開孔結構的PAN纖維層有更小的傳質阻力，二者共同作用加快了小分子毒素和中分子毒素的傳輸。在4 h模擬透析中，88.2%的尿素和58.6%的溶菌酶得到清除，98.4%的牛血清白蛋白得到保留。

4.3 三維模板多層纖維膜

對于腎病患者，家庭護理血液透析儀是必要的，而便攜式設備需要高比表面積、高效率的血液透析膜。3D打印技術可以制作三維圖形，通過3D打印技術制備的具有三維壓紋的血液透析膜有更大的表面積，可用于便攜式和可穿戴血液透析儀。Koh等[26]利用3D打印技術開發了具有菱形孔的三維立體結構的聚對苯二甲酸二乙酯(polyethylene terephathalate, PET)支撐模板，然后分別將聚酰胺(PA6)、聚酰胺和Y型沸石混合物、聚甲基丙烯酸甲酯-接枝-聚二甲基硅氧烷(PMMA-g-PDNA)納米纖維絲纏繞在三維PET模板上制成印花結構的納米纖維層，將這3種納米纖維層復合在一起制備了具有3層結構的印花納米纖維復合血液透析膜。底層PA6納米纖維層增強了納米纖維復合膜的機械性能和滲透性；中間層具有納米孔結構的沸石的填充提高了納米纖維復合膜對肌酸酐的吸附；海藻酸鈉(sodium alginate, SA)與聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)改性的PMMA-g-PDMA納米纖維層由于發生酯化反應，使膜表面呈現電負性，使其與帶負電的血細胞、血小板產生靜電互斥，減少血細胞、血小板在膜表面的粘附，改善了血液相容性。3D打印印花結構納米纖維層最大的優勢是具有凹凸的三維立體結構，使其具有更高的比表面積，約為平面膜的2.5倍。這種具有高比表面積、高效能的血液透析膜可適用于便攜式和可穿戴血液透析儀。

4.4 抗凝生物大分子層層自組裝膜

新型、低成本、高效的抗血栓形成生物大分子的合成及其在生物界面修飾中的應用已成為接觸血液生物材料研究的熱點。層層自組裝是一種簡便實現膜表面功能化的修飾方法。Deng等[27]利用原子轉移自由基聚合法以環糊精為核心分別制備了星狀超支化水溶性陽離子聚合物和和陰離子聚合物。通過靜電作用將陰離子聚合物和陽離子聚合物交替沉積在聚乙烯亞胺(polyethylenimine,PEI)膜表面形成三維多孔狀3層功能層，這種功能層是以星狀超分子中心核延伸出來的線性壁連接而成，立體結構大大增加了生物活性基團或功能化基團的密度，使得環糊精改性的超分子基團可以更大地發揮抗凝血功能。與純PEI膜相比，改性膜靜態水接觸角更低、親水性更高，減少了蛋白質吸附，抑制血小板粘附，延長凝血時間，且星形超分子層沉積的三維多孔多層膜對內皮細胞的粘附和生長具有積極作用。

4.5 自抗凝膜

由于注射肝素代謝困難，長期使用會造成血小板減少等不良反應，人工合成的仿肝素化合物促進了自抗凝血液透析膜的發展。Nie等[28]利用苯乙烯磺酸鈉和聚乙二醇甲基丙烯酸酯制備了仿肝素的功能聚合物，然后通過自由基聚合將這種仿肝素聚合物接枝在碳納米管上，最后通過液-液相轉化法制備了仿肝素的高分子刷接枝碳納米管/PES復合膜。血液相容性評價實驗表明，與純PES膜相比，所制備的復合膜減少了蛋白吸附，延長了凝血時間，血小板粘附率更低。Liu等[29]還利用SA與丙烯酸(acrylic acid, AA)制備了水凝膠網絡皮層用于修飾PSF血液透析膜表面。SA和AA的抗凝機理是通過二者交聯生成一種具有豐富羧酸基團的聚合物(P(SA-AA))，羧酸基團與血液中的Ca2+發生螯合反應，從而抑制血小板粘附和蛋白激活，通過內在和外在的級聯有效地抑制了凝血。與純PSF膜相比，改性膜溶血率更低，凝血時間(活化部分凝血活酶時間APTT和凝血酶時間TT)長，降低了補體活化(C3a和C5a)。Liu等[30]采用自由基聚合的方法合成了一種兩性的帶長烷基疏水側鏈的聚(甲基丙烯酸月桂酯-對苯乙烯磺酸鈉-丙烯酸)的仿肝素聚合物，并通過疏水-疏水相互作用將這種兩性仿肝素聚合物固定在PLA的表面。合成的兩性聚合物代替肝素的作用，抑制血小板粘附，降低補體激活(C3a和C5a)，延長凝血時間，降低溶血率。APTT和TT的延長(APTT>600 s，TT>140 s)表明其具有良好的自抗凝特性。

5 結 語

血液透析是終末期腎病的有效治療手段，血液透析膜是血液透析器的核心組件。高分子聚合物膜是目前廣泛使用的血液透析膜材料，高分子血液透析膜材料的改性也成為了該領域的研究熱點。傳統改性方法中，通過在膜表面固定親水性基團或帶負電荷的基團可以提高膜表面親水性，改善膜血液相容性；通過構建超薄功能層或調節孔徑使傳質阻力降低、引入吸附功能粒子可實現毒素的強化清除。針對新型透析膜，開發蛋白質自支撐膜為仿生材料設計提供了新思路，納米通道定向傳輸更有利于毒素的強化清除，三維模板多層纖維膜的高比表面積則更適用于可穿戴式血液透析儀，人工合成生物大分子有望取代傳統抗凝物在材料改性方面的應用。未來，無論傳統高分子血液透析膜的改性還是新型血液透析膜的開發都將圍繞血液相容性的改善和毒素的強化清除進行，以實現血液透析治療過程的優化。