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1、#第八章透析透析是一种物理现象：如果在一个容器中放置一张半透膜，膜的一侧放置溶液，另一侧放置纯水， 或者在膜的两侧分别放置浓度不同的溶液。溶液中的大分子物质不能通过半透膜；溶液中的小分子物质 可以穿过半透膜而相互渗透，其移动规律是：水分自渗透压低侧向渗透压高侧方向移动：而电解质及其 他分子物质则从浓度高侧向浓度低侧方向移动，经一段时间后，两侧液体中的小分子物质和水达到动态 平衡，这种现象称为透析。1913年Abel根据半透膜平衡原理用火棉胶膜进行了成功地透析试验，1938年Thalhimer以赛璐玢 纸膜作为透析膜进行了人工肾试验，1943年Kolff使用醋酸纤维素膜制成人工肾进行血液透析治疗
2、尿毒 症成功，1965年西德的ENKA-Glanzstoff公司研制了平板和管式铜仿膜，同年，Cordis-Dow公司研制成 功乙基纤维素中空纤维膜，使透析器大为小型化，1975年日本的旭化成公司和西德的ENKA-Glanzstoff 公司均开发出了铜氨人造丝中空纤维膜，使透析膜性能得到进一步改善。由于透析过程的传质推动力是膜两侧物料中组份的浓度差，受体系本身条件的限制，透析过程的传 质速度慢，且透析膜的选择性低，对于化学性质相似或分子大小相近的溶质体系很难用透析法分离，这 是其发展受到了很大限制，透析过程逐渐被借助外力驱动的膜过程，如电渗析、超滤等所取代，应用范 围日渐缩小。然而，对于某些高
3、浓度的蛋白质溶液，由于浓差极化的原因，使用超滤方法进行分离较为 困难，这种情况下使用透析方法较为合适，特别是使用人工肾处理浓度差较高的血液时，透析法无疑更 具有优越性。目前透析法应用最大的市场是血液透析，现在血液透析已成为治疗肾病患者的常规疗法。 另外，对于少量物料的处理，由于透析不需要使用超滤那样的特殊器件和装置，所以迄今其应用仍较为 广泛。第一节透析过程原理和特点一、透析过程原理和特点透析过程的简单原理如图8-1所示，即中间以膜（虚线）相隔，A侧通原液，B侧通溶剂。如此， 溶质由A侧根据扩散原理，而溶剂（水）由B侧根据渗透原理进行相互移动，一般低分子比高分子扩 散得快。透析的目的就是借助这
4、种扩散速度的差，使A侧两组分以上的溶质得以分离。不过这里所说的 不是溶剂和溶质的分离（浓缩），而是溶质之间的分离，浓度差（化 学位）是这种分离过程的唯一推动力。透析是一种扩散控制的，以浓度梯度为驱动力的膜分离方法。 溶液中的低分子溶质可从浓度较高的进料液侧，通过扩散透过膜， 而进入浓度较低的透析液侧。透析与超滤既有共同点，也有不同点； 其共同点是两者都可以从高分子溶液中去除小分子溶质；两者的不 同点是透析的驱动力是膜两侧溶液的浓度差，而超滤为膜两侧的压 力差；透析过程透过膜的是小分子溶质本身的净流，而超滤过程透 过膜的是小分子溶质和溶剂结合的混合流。正因为透析过程的推动 力是浓度梯度，故随透析
5、过程的进行，其速度不断下降，因此必须 提高被处理原液和透析液的循环量，并且其透析速度慢于以压力为 驱动力的反渗透、超滤和微滤等过程。二、唐南膜平衡能通过低分子溶质而不能通过高分子溶质或胶体粒子的半透渗析液溶剂或水原液A膜 溶质（溶剂+扩散分子）图8-1图9-1渗析的原理示意膜，可作为透析过程用膜。使一半透膜把一容器分成两部分，左侧放置含有电解质等低分子杂质的高分 子水溶液，右侧放人纯水，则低分子杂质不断地通过透析膜而进入纯水中，使高分子溶液不断纯化。当 右侧的纯水体积不是特别大，且高分子为非电解质时，半透膜两侧的低分子溶质的浓度将逐渐趋于相等 达到动态平衡。然而，当溶液中的高聚物为电解质时，在
6、平衡时的离子浓度为。，且共存的电解质为二 元电解质，则当达到平衡状态时，由于两侧的化学势相等，且不考虑活度系数对浓度的依赖关系，则得：G + C C = C 2（81）L L R式中，CL、CR分别为膜左侧和膜右侧溶液中的低分子电解质浓度。该式称为唐南（Donnan）膜平衡。 由此可见:对高分子电解质溶液或带电荷的胶体而言，因平衡离子的存在反而使左侧液（原液）的共存电 解质浓度（CL ）比右侧液（透析液）的浓度还小。第二节透析膜材料透析膜是透析器的主要构成部分，理想的透析膜材料应具有以下特点：膜材料的纯度高，不含有任 何对生体有害的物质；具有优良的生物相容性，对蛋白质无特异吸附；有稳定的物理、
7、化学性能和良好 的力学性能；能经受消毒处理而不影响结构、性能；加工成型方便，制得的透析膜的表面皮层应尽可能 的薄，膜表皮层及支撑层的孔隙率尽可能高，以获得更高的通量；孔径分布应尽可能窄，使膜对所有被 希望脱除分子的筛分系数都接近于1，即对某些溶质具有高渗透性清除率，并对大分子物质的泄漏较小； 透析器的封装材料还不能含有亚甲基二苯胺、不会释放环氧乙烷等。目前用于制备透析膜的材料主要有天然纤维素及其衍生物与合成聚合物两大类：纤维素类有醋酸纤 维素、再生纤维素等；合成聚合物类包括聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚飒、聚烯烃、聚乙烯醇、聚 苯乙烯、聚乙烯毗咯烷酮、聚甲基丙烯酸酯、乙烯一醋酸乙烯共聚物、聚醚
8、嵌段共聚物等。由于透析膜 主要用于医疗用途，对膜材料的要求非常苛刻，因此可临床应用的膜材料只有少数几种，表8-1为已商 业化的人工肾透析膜材料。表8-1已商业化的人工肾使用的透析膜材料膜材料生产厂商评论铜氨法再生纤维素Akzo-EnKa*首次用于临床透析Asahi Chemical第一种日本透析膜Terumo脱乙酰基纤维素Cordis-Dow第一种中空纤维透析膜Teijin蒸汽消毒醋酸纤维素Cordis-Dow蛋白质过滤膜Toyobo聚丙烯腈Rhone Poulenc*由合成聚合物制造的第一种膜Asahi Chemical用于清除P2-小球蛋白的第一种不对称透析膜聚甲基丙烯酸酯Toray采用特
9、征吸附，Y射线消毒，以清除P2-小球蛋白乙烯-乙烯醇共聚物Kuraray抗凝血酶源透析膜聚醚飒/多芳基化合物合金Fresenius用于清除P2-小球蛋白的不对称透析膜聚飒Nikkiso易于控制渗透率的不对称透析膜聚酰胺Grambro用于清除医-小球蛋白的不对称透析膜*平板式；*平板式和中空纤维式1.纤维素类膜纤维素类膜是由D-毗喃葡萄糖经8 -1，4糖苷键连接的天然线性高分子化合物。纤维素类膜具有一 定的机械强度，对水有良好的透过性，能有效去除血液中对人体有害的小分子物质如肌酐、尿素等。此 外，由于纤维素是天然高分子材料，具有良好的生物相容性和生物降解性，降解产物对人体无毒且可为 人体所吸收，
10、参与人体的代谢循环。因此纤维素类膜是研究开发最早、应用最广泛的血液透析膜。纤维 素类膜的商业化在很大程度上促成了血液透析成为常规的临床治疗方法。将纤维素溶于氧化铜铵溶液中，然后挤压成膜，可制成含有铜铵基团的铜氨纤维素膜，其商品名称 为铜仿膜，铜仿膜是传统的血液透析膜，市场占有率最大，它的生物相容性和药理安全性以及可靠性已 一再得到确认。但由于膜激活补体，可造成白细胞暂时性下降，血中氧分压下降，出现过敏综合症等反 应，长期使用此膜，血液中8 2微球蛋白显著提高，因此其血液相容性有待提高。目前已开发出内径为 200p m,壁厚为15p m的大孔径三醋酸纤维素中空纤维透析膜，该膜具有较高的超滤速率，
11、能有效地 去除8 2微球蛋白及其它中低分子量的有害物质。此外，用叔胺基、羟基、磺酸基和磷酸酯基对纤维素 进行取代改性后制备的膜可降低白细胞减少症，并提高膜的血液相容性。2. 聚丙烯腈膜聚丙烯腈具有很好的耐霉性、耐气候性和耐日光性，较好的耐溶剂性和化学稳定性。此外聚丙烯腈 与其单体丙烯月青具有互不相容性，易于提纯，有利于用于体外血液净化。同再生纤维素膜相比，聚丙烯 腈膜对中等分子量物质的去除能力强，超滤速度大，是目前少数已临床使用的合成聚合物膜之一。日本 的Asahi医学公司，首先将聚丙烯青制成中空纤维膜，并用于血液透析和血液透析过滤。中国纺织大学 用聚丙烯青纺制出中空纤维膜，并组装成血液透析器
12、，已通过临床应用。虽然聚丙烯青膜在血液净化应 用上获得了成功，但仍存在着许多缺点，如：膜的脆性较大，机械强度差、不耐高温消毒、干态膜的透 水性能明显下降等，膜科学工作者正通过各种方法对其进行改进。如日本东丽公司采用重均分子量为20 万的聚丙烯青制备中空纤维膜，其机械强度有明显的提高，可耐反冲洗，从而提高了膜组件的使用寿命。3. 聚飒膜聚飒化学结构中的硫原子处于最高的氧化价，加上苯环的存在，使其具有良好的化学稳定性，可在 pH值为113的范围内使用；可在128C下进行热灭菌处理，并可在90C下长期使用；具有一定的抗 水解性和抗氧化性；具有较好的柔韧性和足够的力学性能。用于血液净化的聚飒膜主要为不
13、对称中空纤 维膜，最早由美国Amicom公司研制成功。其中空纤维膜的致密层厚度可低于川m，孔径为24nm， 具有机械性能优良、化学性能稳定、孔隙率高等优点；还可通过改变膜的结构使水及溶质的传质能力增 强。与铜仿纤维素膜相比，长期用聚飒膜进行血液透析不会导致有关生化参数的改变，因而是一种极有 潜力的长期血液透析用膜。近年来，血液相容性更好、耐热性更高、溶解性能更好的聚醚飒也用作血液 透析膜材料。我国开发用于血液透析器的聚醚飒和共混聚芳飒也正在开发中。4. 聚碳酸酯膜聚碳酸酯具有优良的机械性能，遇湿不会溶胀，可热密封，耐高渗透压力，血栓形成率低。尤其是 聚碳酸酯的主链结构易于调整，与不同比率的聚醚
14、缩聚形成嵌段共聚物所制备的膜，具有一定的亲-疏 水特性，对尿素、维生素b12和水的透过率均高于再生纤维素膜，生物相容性介于铜仿纤维素膜和聚丙 烯青膜之间。聚碳酸酯-聚醚嵌段共聚物最初用于血液透析膜，后来由于改变了合成过程，提高了膜的 过滤效率，也适用于血液过滤和超滤-血液透析过程。5. 聚酰胺膜由于某些聚酰胺具有对蛋白质吸附的性质，因此将聚酰胺膜用于血液透析时必须有所选择。聚酰胺 膜或脂肪类聚酰胺共聚膜可制成高度非对称结构，因此对水的通透性良好。此外，聚酰胺类膜的机械强 度好，具有优良的血液相容性，对补体激活小、蛋白吸附及凝血性小。聚酰胺还可与聚乙烯毗咯烷酮共 混制成一定亲-疏水性比例的血液透
15、析、血液过滤膜。无论是低通量还是高通量聚酰胺系列膜，90%的内 毒素都能扩散透过膜，对8 2微球蛋白的透过量也比较高；对白蛋白的吸附量低于0.1%，在血液过滤过 程中，总蛋白的损失仅为0.05g/L。6. 聚烯烃膜聚丙烯和聚乙烯是近年开发出血液净化用膜家族中的新秀，其制膜过程与干湿法制膜工艺不同，它 是先将PP或PE熔融纺丝，然后进行热处理，再经拉伸制孔以及热定型制得微孔中空纤维膜，该膜主要 用于血浆分离过程。7. 聚乙烯醇膜聚乙烯醇通常由聚醋酸乙烯醇解制得，产品性能与分子量及残留的乙酰基团的含量有关。聚乙烯醇 为水溶性聚合物，因此可通过先进行适当的交联或交联前先共聚的方法制备透析膜。与其共聚
16、的单体有 丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯青、乙烯等。最成功的是由日本开发的乙烯一乙烯醇共聚物非对称 膜，其外层致密、内层多孔，孔径为10-70nm。用该膜制成的血液透析器对8 2微球蛋白的去除能力很 强，常被应用于血液透析、血浆置换和洗滤(Diafiltration)。除以上几种材质的膜外，近几年内人们开发研究的其它聚合物膜还有：聚醚嵌段共聚物膜、聚乙烯 毗咯烷酮膜、聚丙烯酸甲酯膜、聚苯乙烯膜、聚多肽膜、聚电解质膜等，但尚未获得较为广泛的应用。第三节透析膜的性能和表征从宏观角度看，透析膜的表征主要包括透过性(溶质透过性和透水性)、机械强度、生物相容性、 溶出物的有无及灭菌的难易等。一、传质阻力质量传递速度N
