目前商用体外膜肺氧合（Extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）中使用的聚丙烯（PP）中空纤维膜（HFM）具有气体通透性不高、抗血浆渗透性差的缺点，导致其使用寿命和安全性受到限制。
本文中，清华大学化工系林亚凯副研究员与中国矿业大学（北京）化工与环境学院唐元晖副教授联合研制了一种可用于ECMO的新型可控非对称梯度孔结构的PP HFM。以油酸（OA）和5-（二甲基氨基）-2-甲基-5-氧代戊酸甲酯（RhodiasolvⓇ PolarClean, PL）为二元稀释剂，通过复合相分离（Hybrid induced phase separation, HIPS）法在铸膜液与凝固浴界面引入传质，成功制备出了具有超薄致密外表层和双连续通透断面结构的PP HFM。结果显示，当PP浓度为35 wt.%，OA与PL的质量比为7/3，同时空气间隙为10 mm时，得到的PP HFM具有最佳性能，其气体通量达到了23.42±0.98 ml/(min·cm2·bar)，抗血浆渗透时间超过4300 min，保证高气体通量的同时比目前商用PP HFM氧合器运行寿命提高十倍以上，本研究有望显著提高PP膜在ECMO应用中的使用寿命。相关研究成果以“A novel tunable polypropylene hollow fiber membrane with gradient structure for extracorporeal membrane oxygenation applications”为题目发表在Journal of Membrane Science上。该文章第一作者为唐元晖副教授，通讯作者为林亚凯副研究员。
图1. HIPS法制备PP中空纤维膜的流程示意图
高气体通量和良好的抗血浆渗透性是PP HFM能用于ECMO应用的关键要求。考虑到血浆渗漏是影响目前氧合器用PP HFM使用寿命的主要因素，作者在传统热致相分离（TIPS）法基础上，添加水溶性的PL与OA
一起作为二元稀释剂，在铸膜液和凝固浴（水）界面上引入PL与水的传质过程，使用HIPS法成功制备出了具有优异抗血浆渗漏能力和高气体通量的新型PP HFM，图1展示了采用双螺杆挤出机通过HIPS法制备PP HFM的流程示意图。
图2. (1) HIPS法PP中空纤维膜成孔机理示意图；(2) PP-OA/PL体系的相图；(3) 不同PP质量浓度对膜结构的影响；(4) 不同PP质量浓度对气体通量的影响
图2（1）展示了HIPS法PP HFM成孔机理，在适宜的OA/PL质量比条件下，PP-OA/PL体系形成的铸膜液在低温凝固浴中先发生液-液（L-L）相分离，主体断面呈现通透的双连续结构。同时在铸膜液与凝固浴界面发生水与PL之间的传质，使界面处聚合物发生快速沉积，诱导形成薄的致密表层，从而可以同时保持高气体通透性和良好抗血浆渗透能力。图2（2）展示了PP-OA/PL系统的相图，当OA与PL的质量比分别为4/1，3/1和7/3时，偏晶点从近50 wt.%逐渐增加到近60 wt.%，L-L相分离区域扩大，得以当PP质量浓度较高（大于30 wt.%）时，更容易获得双连续断面结构的膜。
图2（3）展示了当OA与PL的质量比为7/3，PP浓度分别为30 wt.%、35 wt.%和40 wt.%时得到的PP HFM的微观结构，首先，这些膜材料具有均匀的中空纤维结构和致密的外表面，保证了膜的透气性和优异的抗血浆渗透能力。同时，由于空气间隙处稀释剂的蒸发和降温时膜内外的温度梯度，导致膜断面整体呈现出明显的梯度构型。本研究利用N2气体通量数据和泡点压力试验表征气体交换能力和膜外表面的致密度，如图2（4）所示。当PP浓度为30 wt.%（HS1-10）时，膜外表面存在明显的孔，有助于气体通过膜壁渗透，导致N2通量较高，泡点压力较低。当PP浓度为40 wt.%（HS3-10）时，膜外表面过厚的致密层限制了气体透过，导致N2通量降低，泡点压力上升。考虑膜的气体通量和外表面致密性，PP浓度为35 wt.%（HS2-10）时的膜具有综合最佳的性能。
图3. 不同样品的抗血浆渗漏测试
根据3M公司专利中抗血浆渗漏测试标准，作者采用相同的方式对自制的PP HFM进行模拟抗血浆渗漏能力的测试。图3展示了不同膜样品最大溶解氧百分比随时间的变化情况。此外，由于模拟血浆溶液中磷酸胆碱在37℃下长时间放置容易变质，为了保证实验的准确性，将测试时间限制在14000 min。膜样品HS1-10和HS2-10的渗漏时间分别为2900和4300 min，说明致密的表面和内部结构提升了抗渗漏能力。对于HS3-10样品，在14000 min的限制时间内未检测到明显的泄漏现象。表1对比了本研究中和文献报道的PP膜性能，本研究中的 PP HFM样品 (HS20-10)具有优异的综合性能，特别是在抗血浆渗透时间和机械强度方面。该研究工作还得到了国家自然科学基金（22378225）、国家重点研发计划（2022YFC2105103）、中央高校基本科研业务费项目（2022YQHH04、2022YJSHH14、 2023ZKPYHH04)）、北京市自然科学基金（2232018）、清华大学春风基金（2020Z99CFY041）、清华大学与中石化北京燕山分公司横向项目（20212000432、20212910094）的支持。
Table 1 Comparison with gas permeability of the hollow fiber membrane in the literature.
a Melt-spun and cold-stretch
b Dissolution inducing pore methods
c Polyvinyl chloride
d Liquid paraffin
[1] X. Liu, L. Ni, Y. Zhang, Z. Liu, X. Feng, L. Ji, Technology Study of Polypropylene Hollow Fiber Membranes-Like Artificial Lung Made by the Melt-Spinning and Cold-Stretching Method, Adv. Mater. Res. 418-420 (2011) 26-29. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.418-420.26.
[2] Z. Qiu, C. He, Polypropylene Hollow Fiber Membrane by Dissolution-Inducing Pore Methods, Membranes, 12 (5) (2011) 463. https://doi.org/10.3390/membranes12050463.
[3] A. Takahashi, K. Tatebe, M. Onishi, Y. Seita, K. Takahara, Influence of Molecular Weight of Polypropylene and a Nucleating Agent on Polypropylene Microporous Hollow Fiber Membranes for Artificial Lungs, Kobunshi Ronbunshu 50 (6) (1993) 507-513. https://doi.org/10.1295/koron.50.507.
[4] 3M. 3M™ Membrana™ OXYPHAN™ Capillary Membrane, Type PP 50/200. 3M-Membrana-OXYPHAN-membrane-PP-50/200-Lenntech.
原文信息：
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122325
第一作者：
唐元晖 副教授
工作单位：中国矿业大学（北京）
E-mail：tyh@cumtb.edu.cn
网址：https://scee.cumtb.edu.cn/info/1023/1115.htm
通讯作者：
林亚凯 副研究员
工作单位：清华大学
E-mail：yk_lin@tsinghua.edu.cn
网址：https://mec.tsinghua.edu.cn/yjdw/lyk.htm
Journal of Membrane Science期刊简介
《Journal of Membrane Science》是一本专注于合成膜研究领域的英文学术期刊，创刊于1976年，由ELSEVIER出版商出版，出版周期为半月刊。该刊为从事膜系统研究的学术和工业化学家、化学工程师、材料科学家和膜专家提供了行业和学界最新的研究热点。现已被SCI、EI数据库收录，在中科院JCR最新升级版分区表中，该刊分区信息为大类学科工程技术1区，2022年影响因子为9.5。
