（生物医学工程专业论文）接枝聚合改性聚丙烯亲和膜的制备及其清除胆红素的研究.pdf

a b s t r a c t p r e i r r a d i a t e dp o l y p r o p y l e n em e m b r a n eh a sb e e nm o d i f i e db yg r a f t i n g g l y c i d y l m e t h a c r y l a t e ( g m a ) i na na q u e o u sm e d i u m w i t hc i b a c r o nb l u e ( c b d ) o r t f i m e t h y l a m i n e ( t m mo nt h ee p o x yg r o u p so ft h eg m a c h a i n st op r e p a r et h ec b d m e m b r a n e ( c b d g p p ) a n dt h eq u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o nm e m b r a n e ( t m a g - p p ) ， w h i c hi se x p e c t e dag o o da d s o r p t i o no f b i l i m b i n t h eg r a f t i n gc o p o l y m e r i z a t i o nr e a c t i o nw a ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n ss u c ha st o t a la d s o r p t i o nd o s e ，m o l a r ss a l tc o n c e n 扛a f i o na n dv o l u m e ， s t o r a g ec o n d i t i o n s ，r e a c t i o n t i m ea n dt e m p e r a t u r e ，m o n o m e rc o n c e n t r a t i o nt o d e t e r m i n et h eo p f i m u mc o n d i t i o n sf o ra f f o r d i n gp r o p e rg r a f t i n gd e g r e e t h ed e g r e eo f g r a f t i n gi n c r e a s e da c c o r d i n g l yw i t ht h ea s c e n d i n go ft o t a la d s o r p t i o nd o s ew i t h i nt h e i r r a d i a t e dp e r m i s s i o no ft h em e m b r a n e l o wt e m p e r a t u r ei sp r o p i t i o u st ot h es t o r a g e o ft h ei r r a d i a t e dm e m b r a n e sa n dt h em e m b r a n e ss h o u l db eu s e dw i t h i n3d a y sw h e n s t o r e da to 。c h i g h e rt e m p e r a t u r ef a c i l i t a t e st h eg r a f tp o l y m e r i z a t i o np r o c e s sa n d3 h o u r si st h eo p t i m u mr e a c t i o nt i m eu n d e r7 0 t h ed e g r e eo fg r a f t i n gi n c r e a s e d a c c o r d i n g l yw i t ht h er i s i n go f t h em o n o m e rc o n c e n t r a t i o nr a n g e0 - 3 5 ，o t h e r w i s et h e p a r a b o l av a r i e t y t h e nw ec a nc o n t r o lt h ed e g r e eo fg r a f t i n gs t e a d i l yw i t h i n2 0 0 b y t h ei n v e s t i g a t i o no f t h ef a c t o r sh e r e i n b e f o r e w eu s e dt oc o n t r o lt h ed e g r e eo f g r a f t i n g b e t w e e n5 0 a n d1 0 0 t oi m p r o v i n gt h em e c h a n i c a ls t r e n g t h a n dk e e p i n gt h e m e m b r a n ep o r ec o n f i g u r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h em e m b r a n es u r f a c ew a sa n a l y z e db y v a r i o u sm e t h o d s s e r i o u ss e m p i c t u r e ss h o wt h ep o r ec o n f i g u r a t i o nk e e p i n gw e l la n d t h ep r o c e s so fp o l y m e r i z a t i o nt h r o u g ht h ec h a n g eo nt h em e m b r a n es u r f a c e f n r a n a l y s e ss h o w e dt h a tt h el i g a n d sa r el i n k e db yc o v a l e n tb o n do nm e m b r a n e s t h e r e s u l t so fc h e m i c a ld e t e c t i o ns h o w e dn st h ec b d - g - p pa f f i n i t ym e m b r a n e sw e r eg o o d a tc h e m i c a ls t a b i l i t y , b u tt h et m a - g p pm e m b r a n e sw e r et o os e n s i t i v et ot h es o l v e n t t e m p e r a t u r e t h ee f f e c t so nt h ea d s o r p t i o no f t h em e m b r a n e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ea d s o r p t i o n c a p a c i t yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h el i g a n dc o n t e n ta n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o n o fb u l i m b i na c c o r d i n g l y a n di ts h e w e dt h ep a r a b o l av a r i e t yw h e nt h ep hv a l u eo f s o l v e n ti n c r e a s i n gf r o ma c i dt oa l k a l i n e ，a n dap e a ka p p e a r e da tp hr a n g e6 0 7 0 a c c o m p a n i e d w i t ht h es o l v e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t ya n dt h e r a t ei n c r e a s e dt o g e t h e ra n dw eg o to p t i m u mt e m p e r a t u r ea t3 70 ( 2a tt h ee x p e r i m e n t a l r a n g e t h ec b d g p pm e m b r a n e ss t i l lh a dq u i t el a r g ea d s o r p t i o nc a p a c i t ya l t h o u g hi t d e c r e a s e dal o to b v i o u s l yw h e na d d i n gb o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) i nt h es o l v e n t t h er e s u l t s ，t h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yc a nb er a i s e dt o3 2 5 m g gi nt h eb s a b i l i r u b i n c o m p l e xs o l u t i o n o fn b s a ：n b r 2 0 4 js h o w e dt h em e m b r a n ec a na c h i e v eas t r o n g c o m p e t i t i v ea b i l i t yt oa d s o r bb i l i r u b i nf r o mb s a - b i l i m b i nc o m p l e xs o l u t i o n a n dt h e d e t a i l sn e e db e i n gi n v e s t i g a t e da tt h ef u t u r ee x p e r i m e n t t h et m a g p pm e m b r a i l e s w e r ei n v e s t i g a t e du n d e rt e m p e r a t u r e4 a n dw eg o tt h ea p p r o x i m a t i v er e s u l t sb a t l o w e ra d s o r p t i o ne f f i c i e n c yw h e nw eo b s e r v i n gt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yc h a n g i n gw i t h t h el i g a n dc o n t e n ta n di n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f b i l i r u b i n k e yw o r d s ：a f f i n i t ym e m b r a n e ，b i l i m b i n ，c i b a c r o nb l u ef 3 g a ，t r i m e t h y l a m i n e ， g r a f tp o l y m e r i z a t i o n ，p r e i r r a d i a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 窄毛 签字日期：j ，年j 月 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：o d f 年 月广日 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 亲脂性毒物的清除 第一章文献综述 人体新陈代谢过程中产生的各种内源性毒物，大体上可以分为两类：亲水性 ( h y d r o p h i l i c ) 和亲脂性( 1 i p o p h i l i c ) 毒物。亲水性毒物一般分子量较小、在水中的 溶解度大，如氨、肌肝和尿素等，可以通过泌尿系统直接排出体外。对于这类亲 水性毒物引起的疾病，临床上已有许多成熟的方法，如血液灌流、血液透析1 2 j 、 血液超滤【3 】等。亲脂性毒物如胆红素、中链脂肪酸、游离酚等毒物，能与血液中 的白蛋白分子强烈结合，需要经肝脏处理通过胆汁从肠道排出体外h ”。肝脏是 人体内重要的器官，既有多种生物合成作用，又有其它任何器官不可替代的解毒 作用，对于维持和调节人体糖、脂类、蛋白质和胆红素的正常代谢十分重要。如 果肝脏发生病变，将导致人体内毒物的累积，引发各种疾病。如急性肝衰竭、慢 性肝病的急性代谢失调等，尽管各自发展的严重程度和速度不同，最终的临床表 现却相似，即出现脑病、严重黄疸、肝脏综合症和循环系统病变等1 6 “。 传统的治疗都是以药物治疗为主，如难治性高胆红素血症患者往往采用较长 时间的各种药物治疗，临床症状多有明显改善，但胆红素持续不退，此时再过多 的用药无疑都是在加重肝脏的负担。因此为了在治疗上减轻肝脏的负担，一些体 外解毒的方法开始在临床上应用。 体外血液解毒的方法通常用于各种外源性和内源性毒物引起的疾病，对亲水 性毒物的清除临床上已经有了比较成熟的方法，如血液过滤、血液透析及血液灌 流等1 0 】。然而采用这类传统方法对亲脂性毒物进行分离时，由于这些分子不能透 过，该方法基本无效；用血液灌流或血浆交换法虽然可以除去部分与白蛋白结合 的毒物分子，但同时也会除去甲状腺激素、类固醇激素等多种对人体有用的物质 以及与之结合的蛋白，因而传统的血液脱毒法对亲脂性毒物引起的疾病，如肾衰 竭、肝衰竭、代谢紊乱等的治疗效果欠佳。如何在体外有效的清除血液中的亲脂 性毒物成为了国内外学者关注的重点，人们开始寻求各种体外解毒材料和方法。 胆红素在人体中具有一定生理功能，也是一种典型的亲脂性毒物，对心脏、 肾脏有一定的毒性影响。经常将血液中血清胆红素的水平作为衡量肝功能的指 标，直接反映出人体的健康状况【l l 】。因而各种体外解毒技术在临床上常以对血液 中胆红素的清除作为衡量标准。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 1 胆红素的性质 胆红素( b r ) 是血红素的终末代谢产物，含有血红素的血红蛋白、细胞色素和 肌红蛋白等均为胆红素的来源。衰老的红细胞在脾、肝和骨髓内降解而成的胆红 素是主要来源；肝内含血红素的血色蛋白含量高，周转快，为人体组织产生胆红 素的另一主要来源；而人体其他各组织虽均含有血色蛋白，但其含量低、周转慢 ( 如肌红蛋白) ，所占份额少；此外，血浆内少量游离的血红素也经肝和脾形成胆 红素 1 2 - 1 4 。以红细胞为例，胆红素产生过程为：红细胞被单核一巨噬细胞吞食后 几分钟即被溶解，血红蛋白的珠蛋白分子释放进入蛋白代谢池，血红素在微粒体 血红素氧合酶、还原型辅酶i i ( n a d p h ) 、细胞色素c 还原酶的作用下，将吡咯环 的甲烯桥打开，形成线状的四毗咯化合物胆绿素，再由胆绿素还原酶作用形 成胆红素。 胆红素是一种直线排列的四吡咯色素，其分子结构上的两个丙酸侧链羧基与 吡咯环上的亚氨基氢原子形成了6 个较强的分子内氢键，从而形成了特定的脊瓦 ( r i d g e t i l e ) 空间结构【l s ，1 6 】，如图1 1 所示。但它不是平面的二维结构，而是内旋的 屋脊瓦状立体构型，2 个吡咯平面与另两个吡咯平面以9 8 01 0 0 。相交，如图1 - 2 所 示。所有的亲水性羧基，4 个n h 基和2 个内酰胺氧基参与氢键的形成，形成的结 构将分子上的极性基团封闭在分子内部，而呈脂溶性的4 个吡咯环分布在外围， 因而分子整体显示出较强的亲腊性，可自由通过腊质表面、细胞膜、胎盘及血脑 屏障等生物膜【i ”。 图卜1 胆红素分子式 f i g 1 - 1 m o l e c u l a rf o r m u l ao f b i l i r u b i n 图1 - 2 胆红素空间结构示意图 f i g 1 - 1 s t r u c t u r ef o r m u l ao f b i l i r u b i n 游离胆红素( 非结合胆红素) 不溶于水，血浆中主要以胆红素一白蛋白复合物的 形式存在和运输。血清白蛋白( m 辟6 6 5 0 0 ) 是血液中的主要载体蛋白，其分子结构 上存在多个胆红素的结合位点，其中有l 一2 个强烈结合位点，9 - 1 3 个较弱的结合 位点，结合常数约为5 5 1 0 7 l m 0 1 【1 8 19 1 ，血液中两者的结合按1 ：1 分子结合。正常 血浆白蛋白分子浓度平均为6 0 0 p m o l l ，远超正常胆红素分子浓度5 1 9 1 x m o l l 。 p一从 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 当血清胆红素浓度超过白蛋白浓度时，两者结合很不稳定【2 0 j 。血浆p h 少许变动 或白蛋白浓度降低都会使得胆红素被置换而释出，对组织超成损伤。有研究发现， 胆红素与白蛋白之间的强亲和作用位点主要在白蛋白分子上的赖氨酸和组氨酸 残基上，作用力主要时疏水作用和静电作用【2 ”。白蛋白与胆红素的这种结合起到 改变胆红素的脂溶性和限制其自由通过各种生物膜的作用，一方面有利于胆红素 的运输，另一方面保护组织细胞。 胆红素在肝脏内的代谢过程如图卜3 所示。代谢过程包括肝细胞对血液内胆 红素的摄取，结合胆红素的形成和结合胆红素从肝细胞排泄人胆道3 个互相衔接 的过程，其中任何一个过程发生障碍都可使胆红素积聚于血液内而出现黄疸”“。 p b r = = ；苎= b r 叫 l 4 b r 蓥斗豳嚆 r 叫r 1 翟旦! ：“1 毫 l + 膜间转移j 血浆 肝窦膜 细胞质 内质网 耀制一 图1 3 胆红素在肝脏中的代1 9 f i g 1 - 3 m e t a b o l i s mp r o c e s so f b i l i r u b i ni nl i v e r 与白蛋白结合的胆红素，穿越肝窦内皮细胞的窗孑l 和内皮细胞之间的空隙， 直接与肝细胞表面接触，脱去蛋白后进入肝细胞；非结合胆红素，经肝细胞特殊 的运转机制被摄入肝细胞内。肝细胞将摄取的胆红素在肝微粒处，通过系列酶 反应，胆红素与葡萄糖醛酸结合形成胆红素单葡萄糖醛酸酯( b m g a ) 和双葡萄糖 醛酸酯( b d g a ) 。胆红素在肝细胞内结合转化后，其理化性质发生变化，从极性 很低的脂溶性的未结合胆红素变为极性较强的水溶性结合物，这是使胆红素能够 从胆汁排泄的一个必不可缺的过程。这种转化使得胆红素不易通过生物膜，起到 了解毒的作用，而且有利于在进入肠道之后排泄。正常胆汁中7 0 8 0 为b d g a ， 2 0 3 0 为b m g a ，仅少量为葡萄糖和木糖结合物。结合胆红素随胆汁排泄到 肠道，经水解、还原成为胆素原，排出体外。 许多研究表明胆红素在体内和体外对细胞都有毒性，是一种内源性的毒素。 正常情况下，成人血液中的胆红素浓度为5 1 9 肛m o l l ，能与白蛋白完全结合，经 肝脏排出。而当血液中胆红素累积过多，超过肝脏的处理能力时，会使得血浆胆 红素浓度过高，导致高胆红素血症，与肝病、肝细胞功能失调、溶血异常及胆结 石等疾病有关；若浓度高于3 0 0 1 m o l l ，则会损伤脑组织细胞，可能导致神经机 能障碍。新生儿的胆红素水平是成人的1 0 倍，在出生当天普遍有黄疸病。因此监 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 控新生儿胆红素浓度非常重要，异常高的胆红素浓度可能导致脑核性黄疸病和新 生儿脑神经损伤，比如：脑力迟钝，学习障碍，耳聋，甚至死亡等口3 ，2 ”。高胆红 素血症的病人，不仅肝脏黄染，还可能发生胆汁性肝硬化，其他器官也会不同程 度的被胆红素黄染而影响功能。例如，胆红素与多发病胆结石的形成密切相关， 胆红素在色素胆结石和胆固醇型结石的发病机理方面都有作用；胆红素在肾小管 内可行成胆栓，从而引起肝肾综合症；胆盐成分会引起心脏传导系统的抑制，发 生心动过缓，房室传导阻滞。病毒性肝炎出现高胆红素血症，若不及时救治，会 很快发展成重症肝炎，其病人死亡率高达8 0 。有研究认为，胆红素对细胞的损 伤作用主要是由于结合在胆红素分子上的氧自由基使细胞膜磷脂过氧化，膜蛋白 降解、粘度降低，细胞不能维持其正常的生理环境和生物功能【8 。这可能是胆红 素对人体具有毒性的主要原因之一。 虽然胆红素是毒素，但是它不是最重要的毒素之一。因为胆红素易于检测并 且其代谢途径与肝脏的解毒功能密切相关，使之成为反映肝脏功能状态较理想的 标志物，以及评估肝脏疾病及人工肝治疗效果的指标。胆红素的存在对人体有着 重大的生理意义。在人体生理条件下，胆红素既是一种助氧齐t j ( p r o o x i d a n t ) ，又是 抗氧化 l j ( a n t i o x i d a n t ) 2 5 , 2 6 1 。正常的胆红素含量能有效抑制过氧化脂质的形成和 清除超氧自由基对血管内皮细胞和平滑肌细胞的损害，成为机体内抗氧化物质的 重要组成部分。a k i n 等【2 7 1 研究表明，体外胆红素表现出抗氧化性，该性质能导 致d n a 损伤，但体内生理条件下高浓度的胆红素才具有抗氧化作用。近年来， 大量体内外实验证实：如若血浆中胆红素低，是冠心病的一种危险因子。 1 1 2 胆红素的清除 对胆红素的清除主要集中在光疗法和血液灌流法 2 ”，针对不同的患者在临床 上会做出选择，也出现过两者结合的临床治疗。对于高胆红素血症，光疗法是国 内外清除亲脂性毒物胆红素的首选。血液灌流的关键在于临床手术的方法和体外 解毒材料的选择，而且广泛的应用于体外血液解毒。 1 1 2 1 光疗法 光疗法医治新生儿高胆红素血症最早出现在上世纪5 0 年代末 2 9 1 。光疗法最 早采用日光照射，由于受季节影响，在人们对各种波长光源的实验中，发现吸收 率取决于光的波长和胆红素的吸收谱( 4 2 5 4 6 0 h m ) ，以蓝光最为有效。蓝光照射 也是目前国内最为常用的方法，其主波峰为4 2 5 4 7 5 n m ，最可能被胆红素吸收， 近年来发现绿光也同样有效1 3 0 1 。 光疗时常引起患者不显性失水，需要增加补液1 0 0 o - - 1 5 。而且由于肠道胆 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 盐和非结合胆红素增加，可能引起患者腹泻f 3 1 。此外，近些年来发现光疗对婴儿 的d n a 可能造成损伤p 2 ，3 3 1 。 1 i 2 2 血液灌流法 血液灌流、血浆置换、血液过滤及其联合疗法，是在衄液透析疗法基础上迅 速发展起来的血液净化技术【3 4 】。血液灌流通常采用血液体外分流技术，将患者的 血液从动脉或静脉引入灌流器，通过吸附剂或其他生物材料的作用，清除血液中 的毒素，达到净化血液的目的，再经体外循环流回到患者静脉。血液灌流目前仅 限于吸附作用，故也有人称之为血液吸附( h e m o s o r p t i o n ) 。该技术常用于体外解 毒，如外源性毒物、内源性代谢毒物、化学或生物性产物、过量用药或意向性治 疗用药等，不仅可以作为“人工肾”治疗尿毒症，还可以作为“人工肝”治疗自身免 疫性疾病等许多重大疑难疾病的手段。2 0 世纪7 0 年代初，加拿大t m sc h a n g 教授开创性采用包膜技术，使吸附剂实现临床应用，标志着血液灌流作为吸附型 人工肝、人工肾进入临床应用阶段【j “。 人工肝支持系统( a l s s ) 可分为生物型和非生物型两种 3 6 ，”】。生物型人工 肝( b a l ) 是将肝细胞悬液、培养肝细胞等与生物合成材料组装成某种形式的人 工肝系统。它不仅具有能提供部分肝脏的解毒功能，还能提供生物合成和分泌代 谢等肝脏其他功能，能够较全面的发挥肝脏解毒、生物合成和分泌代谢等功能。 肝细胞是生物型人工肝的核心部分，目前使用最多的是猪肝细胞。生物型人工肝 在2 0 世纪8 0 年代初，随着肝细胞分离培养技术和材料学的发展，取得了很大的 发展。b l a 面临最大的挑战是如何保持生物反应器种的肝细胞活性和功能，而 且作为吸附材料的生物细胞存在着种属差异、免疫反应、活性差以及细胞培养、 保存困难等问题，其使用受到很大限制。将血液透析滤过、血浆交换、活性炭吸 附等方法与生物型人工肝结合，组成混合型生物人工肝，使用高选择性的膜式反 应器可使人工肝的生物合成、转化及解毒功能更加完善。 近年来，在出现的各种人工肝支持系统中，一种基于体外白蛋白透析原理制 成的人工肝分子吸收再循环系统( m o l e c u l a ra d s o r p t i o nr e c i r c u l a t i o ns y s t e m ) 受到广泛的重视【3 e3 9 o 用于临床的m a r s 由白蛋白再循环系统、活性炭、树脂 和透析等方法组成，能清除脂溶性、水溶性及与白蛋白结合的大、中、小分子量 的毒素，同时对水电解质和酸碱失衡有一定调节作用。m a r s 主要是支持肝脏解 毒功能，清除肝衰竭时积累的大量水溶性和蛋白质结合的毒素，使肝细胞再生恢 复以改善病人的情况。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 3m a r s 系统 m a r s 系统包括三个循环：血液循环，白蛋白循环和透析循环4 “。m a r s f l u x 透析器膜一侧与含毒素的血液接触，另“侧为1 0 2 0 的白蛋白透析液。 白蛋白结台毒素及水溶性毒素通过m a r s 膜转运至白蛋白透析液的循环同路中， 透析液中自蛋白以配位体结台转运的蛋白结合毒素，通过活性炭吸附和阴离子交 换吸附被清除，白蛋白透析液得以再生和循环应用；同时水溶性小分子物质，如 尿素、尿酸、肌酐等通过透析回路被清除。 m a r s 人工肝的优点 4 1 1 在于血浆不与吸附材料直接接触，不会发生凝血因 子和蛋白质的吸附和破坏，也不会丢失肝细胞生长因予及其他营养成分，具有血 液动力学稳定、可持续除去中小分子毒物及维持电介质平衡的优点。其不足h 在于解毒能力不如血浆置换，也不能补充凝血因子，每次治疗费用昂贵。m a r s 人工肝临床主要用于治疗急慢性肝病引起的肝衰竭，使病人完全恢复，度过危险 期以及安全过渡到肝移植或避免再次肝移植。国内外近期将m a r s 人工肝应川 于治疗多脏器功能衰竭、全身炎性反应综合症等，取得了较好的效果” 4 “。 以血液灌流技术进行体外解毒的各种人工肝支持系统都依赖于灌流器中的 吸附剂、酶、活性细胞等肘血液成分的吸附和加工处理。用于人工肝支持系统的 吸附剂种类很多，按吸附机理可以分为：1 广谱性吸附剂：如活性炭、高分子吸 附树脂等。其吸附原理主要是范德华力，对分子的吸附无选择性；2 亲和吸附剂： 其吸附原理是依靠物理化学亲和力，具有特异性吸附作用，选择性较好；3 免疫 吸附剂：是依靠抗原一抗体反应进行吸附作用，其选择性非常高。吸附剂按材料 的性质可分为：1 天然吸附材料：包括天然无机材料如活性炭，高分子材料如纤 维素、琼脂糖等；2 人工合成高分子材料：这部分材料繁多。人们可依据不同要 求，设计并合成出不同的高分子吸附材料；3 ，复合型吸附材料：将天然吸附材料 经化学修饰或将天然吸刚材料和人丁合成材料共混，可制各出不同性能的复合吸 附材料。 吸附剂在治疗过程中与血液直接接触，因此吸附剂必须对人体安全无毒，具 有稳定的化学性质和物理性质，具有良好的血液相容性，并易于消毒灭菌，便于 储存。吸附剂的选择性和特异性、生物相容性、传质阻力等一直是人们关心和研 究的重点问题。经过2 0 多年的发展，人工合成的具有更强吸附能力的吸附剂材 料逐渐取代天然吸附材料；吸附剂的载体由疏水性向亲水性发展，为克服疏水性 载体还需要包膜提高血液相容性问题；吸附剂南广谱性吸附剂向免疫吸附剂和亲 和吸附剂发展：吸附剂的形念由球珠状向纤维状、薄膜状多样化发展1 4 5 】。 膜材料具有良好的传质性能，这使得采用膜技术分离吸附血液中的毒物成为 膜材料具有良好的传质性能，这使得采用膜技术分离吸附血液中的毒物成为 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 a l s s 一个新的发展方向。利用膜材料本身的性质分离吸附血液中毒物的作用有 限，如纤维素膜分离血液中的毒物时，虽然对严重肝脑病患者具有一定的效果， 但吸附结合胆红素的效果不高。还有利用膜孔的大小，截留生物大分子和血细胞 等，使结合胆红素透过达到分离的目的。但这种膜对分子量接近的大分子的分离 具有无差别性，使得许多有用的物质的截留率不高，造成这些物质的流失。相比 之下，经过物理或化学改性具有特异性亲和吸附作用的亲和膜能够较好的解决这 些问题。应用亲和膜分离技术吸附血液中的毒物并改善体外解毒的传质过程，将 是人工肝支持系统的新发展。 1 2 亲和膜技术 随着生物工程和生命科学的迅速发展，对生物大分子纯化分离的要求越来越 高。尽管采用传统的分离方法如沉淀、结晶、层析等可使产品获得较高的纯度， 但在很多情况下，存在着工艺繁琐、活性回收率低、纯化效果不理想等问题。近 年来发展起来的亲和色谱解决了这些问题，它是根据生物大分子与特定的固载化 配基之间的亲和力，即特异性的可逆结合和解离而使生物大分子分离。 亲和膜技术是膜分离和亲和分离的结合【4 6 j 。膜分离利用分子量大小进行分 离，具有表面积大，扩散路径短、处理量大的特点，但传统的膜分离只适合相对 分子量相差1 0 倍以上的物系，不能满足生化分离的需要。相比较之下，亲和膜 分离具有纯化倍数高、压降小、分离时间短、生物大分子载分离中变形的几率小， 允许较快的加料速度等特点。因而已广泛的应用于分离纯化干扰素，单克隆单体 和多克隆单体、胰岛素酶及其抑制剂、白蛋白、葡聚糖酶、尿素酶、纤维蛋白等 多种生物医药制品一”。 1 2 4 亲和膜分离原理 生物分子之间的作用力包括氢键、静电作用、疏水作用、分子问作用力( 范 德华力) 等，生物分子间的亲和相互作用就是这些作用力的综合表现。由于目标 分子与键合在膜上的配基之间的亲和作用而发生吸附现象即为特异性吸附。在亲 和膜色谱过程中，特异性相互作用可能表现为亲和作用( 即传统的“锁钥”模 型) 、离子交换、疏水作用甚至反相作用等【4 6 1 。 亲和分离技术即利用这种大多生物大分子具有与某一对应分子专一可逆结 合的特性而发展起来的分离方法，整个分离过程如图1 4 所示。待分离料液以一 定流速流过膜时，料液中的目标分子在一定条件下特异性结合到共价偶联的配基 上，形成络合物。其余与亲和膜没有特异性相互作用的物质被排阻，经清洗后， 查鲨奎堂婴主堂垡笙苎 苎二兰茎堕堡堕 体系中便只含有亲和膜与目标分子形成的络合物。最后选择合适的洗脱液，使络 合物解离洗脱下来，经过处理即可得到纯化的产物。 实际分离过程中由于溶液中其他分子与亲和膜合膜上配基之间的相互作用 1 i 6 o 图1 4 亲和膜分离过程示意图 f i g 1 4 p r o c e s so f a f f i n i t ym e m b r a n es e p e r a t i o n s u b s t a n c e ：1 m e m b r a n em a t r i x ，2 ，l i g a n d ，3 a f f i n i t ym e m b r a n e ，4 m i x t u r es o l u t i n ，5 1 i g a n d l i g a t ec o m p l e x , 6 t a r g e tm o l e c u l a r p r o c e s s e s ：i m m o b o l i z a t i o n ，i i a d s o r p t i o na n dw a s h i n g ，h i ，e l u t i n g ，i v r e g e n e r a t i o n 力造成的吸附为非特异性吸附。非特异性吸附的发生不仅会使分离过程变得复 杂，还会降低产品纯度，因此应该尽量减少非特异性吸附的发生。 1 2 5 亲和膜的制备 理想的亲和膜应该满足以下基本要求：结构匀称、具有高的孔隙率、较大的 内外表面积；较高的化学、生物、机械稳定性；一定的亲水性、低的非特异性吸 附；存在可反应的基团、高结合容量；耐溶剂冲洗；成本低、复用性好；化学无 毒；便于储存并在一定时间内不发生明显性质变化等【4 8 , 4 9 】。 亲和膜的制备是亲和分离的关键，其过程包括膜材料的选择、膜基质的制各、 活化以及间隔臂、配基的固载化等。 1 , 2 5 1 亲和膜材料 亲和膜材料的选择与制备是影响亲和膜分离的主要因素。膜基质材料的获得 主要是对材料进行加工制膜和在膜上进行化学改性两种方式，其来源可分为天然 材料和人工合成材料两大类。 天然高分子材料主要包括纤维素、多糖介质及其衍生物等。这些材料一般都 具有良好的生物相容性和亲水性，并且含有大量的活性基团，但往往难于成膜， 并且其强度和材料的物理结构差，其应用受到限制。人工合成的高分子材料包括 聚砜、聚酰胺、聚乙烯以及一些无机材料如多孔硅胶、金属氧化物、玻璃等介质。 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 这些材料机械、化学稳定性好，容易制成各种膜结构，但材料的生物相容性不佳、 亲水性差、表面活性基团少，在使用中需要加以改性。 对膜的改性即在膜表面引入可进行目标反应的基团。通常的化学活化方法 有：溴化氰法、环氧法、碳二亚胺法、羰基二咪唑法、高碘酸盐氧化法以及三嗪 活化法等【50 ，”1 。此外，利用紫外光、电子束、等离子体和辉光照射等辐射方法直 接在原有材料上形成活性自由基或基团的方法也经常被采用【5 2 ，5 3 1 o 1 2 5 2 配基 所谓的亲和配基必须含有可反应的基团，阻便固载在膜基质上；所选择的配 基与目标分子能产生特异性的可逆相互作用；不易变性失活，即化学改性过程中 能够维持配基与目标分子之间的特异性相互作用【5 叭。亲和纯化中应用的配基按特 异性可以分为通用型配基和特异性配基两种。通用性配基是指染料、氨基酸、蛋 白a 和蛋白g 、外源凝集素、辅酶和金属鳌合物等，这类配基对具有特定基团的 分子都具有相互作用，一般主要不是对着分离物的构型和序列，而是针对其分子 上的官能团；特异性配基是指酶与底物、抗体与抗原等生物配对物中的任何一种， 它们只能与其配对物发生亲和作用，并且作用力很强。 1 2 5 3 间隔臂 间隔臂的作用是使配基远离基质，从而使大分子容易接近配基的活性位。间 隔臂对亲和膜上配基含量、配基利用率及吸附能力都有着重要的影响，一般来说： 配基与目标分子都是小分子时，常采用较短的问隔臂；而当目标分子是大分子时， 应选择较长的间隔臂；配基是大分子时，则无论目标分子多大，均可不使用间隔 臂【5 ”。 间隔臂可以由单个分子形成，如二胺类n h 2 一( c h 2 ) n n h 2 ( n = i 5 ) 、对苯二 胺，也可以由分子聚合成链形成。对这种聚合链在生物分离方面的研究正在兴起， 并且聚合链还可形成一种独特的高分子结构聚合物刷【5 6 j 。这种结构在吸附、 粘附、润滑以及润湿方面有着突出的特点，近3 0 年来吸引了众多研究者的关注。 1 3 聚合物刷高分子结构 1 3 1 简介 聚合物刷( p o l y m e rb r u s h ) 是指在特定的基质表面或界面上固定具有很高密度 和一定长度的聚合物分子链而形成的一种特殊高分子结构。在高密度下，聚合链 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 被迫从基质表面垂直伸展开，每条聚合链像刷子上的一根毛，其微观形态如图1 5 所示。 2 0 世纪5 0 年代，人们发现在胶状粒子上接枝足够多的聚合物分子时，由于聚 图1 5 聚合物刷的微观结构 f i gi - 5 m i c r o s t r u c t u r eo f p o l y m e rb r u s h 合物在胶体粒子所在的 溶液中有着很好的相溶 性，使得相互接近的胶体 粒子上形成的聚合物刷 不会相互交叠，构成了各 自独立的界面，从而可有 效地防止絮凝。 聚合物刷之间互相 排斥的作用力源于其内 部的渗透压。不管在聚合物刷狭窄的内部环境还是外部表面区域，聚合物刷的链 的伸展都处在一种自然的能量平衡状态。在这种平衡状态下，与以往能够随机改 变形态的弹性聚合链表现的特征不同，聚合链的伸展是垂直于基质表面的5 ”。一 系列研究表明，这种浓密的聚合链的形态变化对其许多特性有重要影响。 1 3 2 聚合物刷的种类 聚合物刷可以按分子链的刚性或形态、聚合物刷的形态以及聚合物的化学组 成等进行分类。其中，按照聚合物的化学组成，可将在固体基质上合成的线性聚 合物刷分为以下4 类 5 8 】：( 1 ) 均聚物刷：指组成聚合物刷的聚合物链只有一种重复 性单元。均聚物刷又分为中性聚合物刷和带电聚合物刷，带电聚合物刷具有高分 子电解质的性质。( 2 ) 混合聚合物刷：指由两种或多种均聚物分子链组成的聚合 物刷。( 3 ) 无规共聚物刷：指聚合物分子链中含有两种不同的重复性单元，且重 复单元沿着聚合链无规择分布。( 4 ) 嵌段聚合物刷：指构成聚合物刷的聚合链由 两种或多种均聚物链首尾端以共价键连接而成。此外，基于聚合物刷分子链的刚 性，还可分为弹性聚合物刷、半弹性聚合物刷及液晶型聚合物刷。 1 3 3 合成方法 1 3 3 i 物理吸附法 在物理吸附中，被吸附的聚合物链的端与吸附介质有着很强的相互作用， 而另一端的作用力则较弱。采用物理吸附法制备的聚合物刷，多由长链表面活性 剂与末端官能化的聚合物集结在固体表面而形成，其接枝密度及其它特征主要由 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 热力学控制【5 ”。与化学键结合不同，物理吸附是可逆的。 聚合物刷的结构取决于媒介的选择性和共聚物的种类、结构、长度以及端点 与吸附表面间的相互作用。所谓媒介包括选择性溶剂和选择性表面，是物理吸附 的必备条件之一。一种理想的选择性溶剂必须是聚合物一端的沉淀剂，使该端在 介质表面上形成“抛锚层”；而且该溶剂又是聚合物链另一端的良溶剂，使这部 分在溶液中形成聚合物刷。而选择性表面往往具有较强的极性，聚合物的一端会 优先被吸附在介质表面上，另一端则形成聚合物刷。 p a r s o n a g e 等研究了由不同分子量的1 8p s b p v p 共聚物形成的一系列聚合 刷的特点及其热力学性质。其中p s b p v p 的选择性溶剂为甲苯，p v p 在介质表面 形成固定层，而p s 贝t 形成聚合物刷。研究结果表明，除极不对称的共聚物外，其 他聚合物的接枝密度都与理论结果非常吻合。但对于极不对称聚合物，接枝密度 降低的主要原因是非固定层的聚合物占了链的大部分。 1 3 3 2 共价键结合法 共价键结合法包括链转移法和链生成法。 1 3 3 2 1 链转移法 链转移法系采用“嫁接”的方式，将一种聚合物分子链作为支链接枝到另一 种聚合物的分子链上，从而形成聚合物刷。 m a n s k y 等【6 0 】采用活性自由基聚合的方法，合成了在聚合链末端带有羟基的苯 乙烯与甲基异丁稀酸酯单体的共聚物链，利用聚合链末端的羟基，在1 4 0 下的 真空中与硅烷醇在硅片表面反应，合成了无规共聚物刷。 这种方法通常只能使得一部分聚合物分子固定在基质表面。这是因为高浓度 的微分子链在基质表面上难于扩散，不易于到达接枝点进行反应。换言之，微分 子链的扩散是链转移法制备聚合物刷的限定步骤，因此采用链转移法合成聚合物 刷的聚合物种类不多。 1 3 3 2 2 链生成法 链生成法是在聚合物的主链上引入活性基团，使得另一单体被引发聚合，从 而在主链的活性基团上“生长”出支链。近年来该法主要应用于固体基质的聚合物 接枝。链生成法可以在基质表面形成高密度的引发基团，而且在接枝聚合过程中 可以控制聚合链的长度，是目前合成高密度聚合物刷最为有效的方法。链生成法 主要有自由基引发聚合，等离子体和辉光放电引发聚合以及离子型聚合等。 ( 1 ) 传统自由基引发聚合 自由基引发聚合一般利用基质上现有的基团或通过化学方法引入基团。如 天津大学硕士学位论文 第一章文献综述 b a l l a u f f 等1 6 1 1 采用传统方法，首先在胶体系统中合成了聚苯乙烯球形介质，然后 加入引发剂在该介质表面合成带电聚合物刷。 传统自由基引发聚合的步骤较多，致使基质上引发基团的密度不够高，影响 了聚合链的密度，还会带来较多的副反应。此外，基质表面上由引发基团组成的 引发层结构非常复杂，现有的分析手段还不能对此做出精确的分析。目前吸引研 究者目光的是由所谓的自组装单分子层( s a m s ) g i 发的聚合，该方法不仅能形成 高密度的引发层，引发机制也较简单，而且在聚合过程中还可以控制链的长度。 此外，采用辐照的方法产生自由基或引入中介分子引发聚合单体的反应，也是合 成聚合刷很好的方法1 6 “。 ( 2 ) 可控自由基引发聚合 r 0 a h e 等1 6 3 】在引发层上接入聚合反应后能拆开的基团，即引入可分成两部分的 引发分子。在聚合反应后将聚合链的部