PVA 包膜改性樹脂制備及性能探究

宰文靜，張婷芳，孔金龍，李嘉嘉，劉志遠(yuǎn)，張 鐳，程 杰，崔景強(qiáng)

（1.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453400；2.河南省駝人醫(yī)療科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400；3.甘肅省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所，甘肅 蘭州 730070）

隨著中國(guó)人口老齡化進(jìn)程的加快，慢性腎臟病（CKD）的患者人數(shù)日益增多[1]。目前，中國(guó)實(shí)際慢性腎臟病患者人數(shù)已接近300 萬(wàn)，且未來(lái)3～5年可能以15%左右的復(fù)合增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)[2]。血液灌流（HP）市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到35.6 億元，對(duì)各適應(yīng)癥的理論市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到200 億元人民幣，市場(chǎng)空間廣闊[3-4]。

血液灌流是將患者的血液引入裝有固態(tài)吸附劑的灌流器中，通過(guò)吸附作用，清除血液中透析不能清除的外源性或內(nèi)源性毒素、藥物或代謝廢物的一種血液凈化技術(shù)。核心技術(shù)主要是內(nèi)部的吸附樹脂，目前市場(chǎng)上用的吸附樹脂主要有活性炭類、多糖類和合成樹脂類，其中合成樹脂在機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性以及孔結(jié)構(gòu)和功能基團(tuán)的可控性上具有優(yōu)勢(shì)；市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品中，全血灌流常用大孔吸附樹脂。通過(guò)物理吸附、范德華力、氫鍵作用等實(shí)現(xiàn)吸附過(guò)程[5-6]。

目前市售樹脂大多屬于化工產(chǎn)品，在物理性能、吸附性能、生物相容性能等方面參差不齊，嚴(yán)重影響了灌流器市場(chǎng)的發(fā)展，并且樹脂吸附性能缺少特異性，大多吸附劑在清除血液中有害物質(zhì)的同時(shí)，也吸附了諸如白蛋白等對(duì)人體有益的物質(zhì)，這就帶來(lái)了較大的副作用[7]。本文選用安全性較好的PVA（PolyvinylAlcohol）成膜材料，采用包膜技術(shù)對(duì)樹脂進(jìn)行改性。制備了PVA包膜改性樹脂，并對(duì)其吸附性能進(jìn)行了探究，樹脂具有較好的吸附β2 微球蛋白效果，對(duì)白蛋白的黏附較小，同時(shí)微粒脫落和生物安全性較好，能夠滿足目前血液灌流的性能要求，具有較好的臨床意義[8-10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及設(shè)備

選擇的材料如下：樹脂，型號(hào)為TRBL-1，購(gòu)于江蘇色可賽思樹脂有限公司；醫(yī)用級(jí)聚乙烯醇，型號(hào)為1788 型，購(gòu)于江西阿爾法高科藥業(yè)有限公司；戊二醛，50%水溶液，購(gòu)于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；H2SO4，0.5 mol/L，購(gòu)于煙臺(tái)雙雙化工有限公司；β2微球蛋白，購(gòu)于大連康元醫(yī)療科技有限公司；牛血漿，500 mL，購(gòu)于平睿生物科技有限公司；其他試劑均購(gòu)自國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司（上海）。

選擇的設(shè)備如下：微粒分析儀，型號(hào)為GWF-8JD，購(gòu)于天津天河分析儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，型號(hào)為DHG-9245A，購(gòu)于上海一恒科技有限公司；恒溫水浴振蕩器，型號(hào)為SHA-B，購(gòu)于常州天瑞儀器有限公司；比表面積與孔徑分析儀，型號(hào)為Belsorp MiniX，購(gòu)于大昌華嘉香港有限公司；全自動(dòng)生化分析儀，型號(hào)為BS-430，購(gòu)于深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司；全自動(dòng)凝血分析儀，型號(hào)為RAC-030，購(gòu)于雷杜生命科學(xué)股份有限公司。

1.2 樹脂改性

樹脂改性的步驟如下：①配置PVA 水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～5%），用電子天平稱取一定質(zhì)量的純化水，置于單口燒瓶中，磁力攪拌條件下，加入PVA，待分散均勻后由常溫25 ℃升至80 ℃，攪拌3 h 后得到充分溶解的PVA 水溶液；②三口燒瓶中，加入配置好的2%PVA 水溶液后，機(jī)械攪拌下，加入一定量的戊二醛（50%水溶液），而后滴加0.5 mol/L 的硫酸（硫酸溶液與所述PVA水溶液的體積比為1∶50～1∶30），溶液進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)1 h，得到PVA 交聯(lián)液；③量筒量取一定量的中性大孔樹脂（所述PVA 水溶液與樹脂的體積比為10∶1～5∶4），加入到制得的PVA交聯(lián)液中，攪拌包膜5 min，抽濾，得到粗產(chǎn)品樹脂，隨后加入用無(wú)水乙醇將吸附劑充分分散，再用純化水沖洗至中性，最終得到包覆PVA 膜的血液灌流樹脂吸附劑[11]。

交聯(lián)度的公式如下：

式（1）中：nCLA為交聯(lián)劑的物質(zhì)的量；Z為交聯(lián)劑與PVA 上OH 的結(jié)合數(shù)，當(dāng)CLA 為戊二醛時(shí)，Z=4；nPVA為PVA 單體的物質(zhì)的量。

1.3 樹脂測(cè)試與表征

1.3.1 外觀與物理性質(zhì)表征

1.3.1.1 外觀

樹脂包膜前后均為白色球狀固體顆粒，粒徑為300～800 μm。

1.3.1.2 BET 表征

將包膜后的樹脂在150 ℃真空下干燥8 h 后，用Belsorp MiniX 比表面積與孔隙度分析儀進(jìn)行分析。

1.3.1.3 SEM 表征

吸附樹脂經(jīng)離子濺射儀真空噴金后，采用美國(guó)-FEI-Quanta FEG 250（能譜：EDAX Element）進(jìn)行觀察。

1.3.2 表面結(jié)構(gòu)表征

吸附樹脂采用美國(guó)-賽默飛-Thermo Scientific ESCALAB Xi+進(jìn)行XPS 分析[12]。

1.3.3 樹脂吸附試驗(yàn)

按照YY/T 0464—2019 方法進(jìn)行樹脂吸附試驗(yàn)。

1.3.4 微粒脫落試驗(yàn)

按照YY/T 0464—2019 方法進(jìn)行樹脂微粒脫落實(shí)驗(yàn)。

1.3.5 生物項(xiàng)試驗(yàn)

參考GB/T 16886.5 中方法進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)，Viab.%值大于等于70%時(shí)，表示無(wú)潛在細(xì)胞毒性；參考GB/T 16886.4 中方法進(jìn)行樹脂溶血試驗(yàn)，溶血率應(yīng)小于等于5%；參考GB/T 16886.4 中方法進(jìn)行凝血試驗(yàn)，結(jié)果與對(duì)照相比在統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)顯著差異或優(yōu)于對(duì)照組。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀與物理性質(zhì)表征

樹脂比表面積與孔徑分析如表1所示。從表中可以看出，當(dāng)交聯(lián)度在10%～30%時(shí)，樹脂的比表面積與平均孔徑變化較小，幾乎沒(méi)有改變孔徑結(jié)構(gòu)；當(dāng)交聯(lián)度提升至50%以上時(shí)，樹脂的比表面積明顯降低，平均孔徑明顯變小，可能是由于交聯(lián)度的提升，交聯(lián)膜黏度增大，導(dǎo)致孔徑堵塞。說(shuō)明在低交聯(lián)度時(shí)，這種改性方式保留了樹脂本身的微孔結(jié)構(gòu)，可能不會(huì)對(duì)樹脂本身的吸附性能造成影響。

表1 樹脂比表面積與孔徑分析

樹脂包膜前、后SEM 表征如圖1所示。圖1（a）為樹脂包膜前SEM 圖，將圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）與其對(duì)比可以看出，當(dāng)樹脂交聯(lián)度小于30%時(shí)，表面結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯變化，可能保留了樹脂本身的微孔結(jié)構(gòu)。從圖1（e）和圖1（f）中可以看出，當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)50%時(shí)，能夠看到樹脂表面的顆粒感和PVA 交聯(lián)膜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明樹脂包膜交聯(lián)度過(guò)高，可能引起微粒脫落和堵孔的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 樹脂包膜前、后SEM 表征

2.2 表面結(jié)構(gòu)表征

PVA 改性原理如圖2所示。

圖2 PVA 改性原理

樹脂包膜前、后XPS 表征如圖3所示。從圖3（a）和圖3（c）中可以看出，樹脂包膜前、后氧的峰強(qiáng)度增加，說(shuō)明包膜后氧元素含量上升；從圖3（b）和圖3（d）中可以看出，包膜后出現(xiàn)286.2 C-O 鍵的特征峰。結(jié)合PVA 改性原理中可以得出，PVA 與戊二醛發(fā)生縮合反應(yīng)，形成了改性PVA 交聯(lián)膜，并存在于樹脂表面。

圖3 樹脂包膜前、后XPS 表征

2.3 不同交聯(lián)度對(duì)樹脂吸附性能的影響

不同交聯(lián)度對(duì)樹脂吸附性能的影響如表2所示。從表中可以看出，隨著交聯(lián)度的提升，樹脂對(duì)白蛋白的黏附有下降的趨勢(shì)，當(dāng)交聯(lián)度大于30%后，抗黏附效果不再明顯提升，但對(duì)β2 微球蛋白吸附率逐漸下降。結(jié)合樹脂比表面積數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可能是交聯(lián)度的提升會(huì)增加樹脂的團(tuán)聚、交聯(lián)膜堵孔的可能，同時(shí)也會(huì)增加樹脂微粒脫落等風(fēng)險(xiǎn)，故選擇交聯(lián)度在10%～30%之間，既有較好的抗白蛋白黏附效果，又不明顯降低對(duì)β2 微球蛋白的吸附。另外樹脂的吸附性能也可能與裸樹脂本身的材質(zhì)及物理性能、化學(xué)性能等有一定的關(guān)系[13]。

表2 不同交聯(lián)度對(duì)樹脂吸附性能的影響

2.4 微粒脫落

通過(guò)不同交聯(lián)度對(duì)樹脂吸附性能影響的分析，選用TRBL-1 和TRBL-1 20%交聯(lián)度進(jìn)行微粒脫落試驗(yàn)，包膜前、后微粒脫落如表3所示。從表中可以看出，包膜改性前樹脂的微粒數(shù)較多，接近標(biāo)準(zhǔn)值，有一定的微粒脫落風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)包膜改性之后微粒數(shù)明顯減少，說(shuō)明包膜改性不僅能降低白蛋白的黏附率，還降低了微粒脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

表3 包膜前、后微粒脫落

2.5 生物學(xué)評(píng)價(jià)

樹脂包膜前、后生物學(xué)評(píng)價(jià)如表4所示。從表中可以看出，對(duì)包膜改性后的樹脂進(jìn)行細(xì)胞毒性、溶血、凝血測(cè)試，結(jié)果表明包膜后樹脂沒(méi)有潛在的細(xì)胞毒性，溶血率均小于5%，并且有一定的抗凝血效果，說(shuō)明包膜改性并沒(méi)有影響吸附樹脂的生物安全性，為樹脂進(jìn)入臨床驗(yàn)證提供了很好的參考。

表4 樹脂包膜前、后生物學(xué)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

包膜改性是貼著樹脂的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，沒(méi)有改變樹脂本身的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)；包膜樹脂在對(duì)β2微球蛋白的吸附性能不低于90%的前提下，增加了抗白蛋白黏附效果，具有較好的臨床意義；包膜改性后樹脂微粒脫落數(shù)明顯下降，降低了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)；包膜改性后樹脂細(xì)胞毒性、溶血、凝血均符合行標(biāo)要求，說(shuō)明改性方式相對(duì)安全。

4 展望

樹脂吸附劑可以為腎衰竭患者吸附體內(nèi)的毒素，為病人提供良好的臨床效果，是血液灌流領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，但降低對(duì)血液中有益物質(zhì)的吸附仍然是一項(xiàng)需長(zhǎng)久解決的問(wèn)題。對(duì)吸附樹脂包膜改性是一種有效途徑，但是從合成樹脂的源頭引入抗白蛋白等有益物質(zhì)的吸附無(wú)論從產(chǎn)業(yè)化的方向還是對(duì)患者的治療方面，都將具有重要的意義。