目前,肾脏疾病已影响到全球10%以上的人口,并已成为了威胁人类健康的全球性公共卫生问题之一。当人体患有肾病时,有毒物质会在体内大量积累并最终导致尿毒症综合症。血液透析是目前临床治疗这些终末期肾病患者最可行有效的技术,它是将患者的血液引出到体外并通过透析设备(也称为人工肾)将其净化后再重新输送回患者体内的过程。血液透析膜是透析设备的核心元件,它通过扩散和对流传质机制去除患者血液中的毒素和多余的水分,同时基于孔径筛分机理保留大分子蛋白等人体必需的物质。因此,研究和开发新型高性能血液透析膜是提高透析治疗效果、延长患者寿命的关键所在。目前研究的聚合物血液透析膜大多是由非溶剂致相分离(NIPS)法制备而成,这种一次成型的方法使其孔径分布较宽,从而导致了透析膜对中分子毒素清除和大分子蛋白保留难以兼顾的问题。并且这些透析膜还存在膜污染、引起凝血以及具有细胞毒性等一系列问题,这些问题会对患者健康产生严重的不良影响。此外,在透析过程中使用的透析液会被内毒素等生物污染物污染,高通量透析膜的使用也增加了这些污染物从透析液转移到患者血液中的风险。在此,本论文探索了由超薄分离层和纳米纤维多孔支撑层双层结构构成的纳米纤维基复合(TFNC)膜用作血液透析膜。在此基础上,通过对分离层孔隙结构、表面形貌和化学组成的调控以及对支撑层材料的设计开发出了新型高性能TFNC血液透析膜,并系统地研究了TFNC血液透析膜材料、结构与性能之间的相互关系规律。具体研究内容如下:(1)探索了由超薄分离层和纳米纤维多孔支撑层双层结构构成的TFNC膜用作血液透析膜。其中,纳米纤维多孔支撑层材料选用具有优异热稳定性、化学稳定性以及可纺性的聚丙烯腈(PAN),分离层材料选用具有良好亲水性和生物相容性的聚乙烯醇(PVA)。超薄亲水的交联PVA分离层具有较窄的孔径分布可为TFNC膜提供高选择性(对尿素、溶菌酶以及牛血清白蛋白(BSA)的筛分系数分别为1.0、0.75以及0.05),PAN纳米纤维多孔支撑层具有互相连通的孔隙结构可为TFNC膜提供高渗透性(纯水通量为290 L/m~2h)。经优化后的PVA/PAN TFNC膜具有良好的透析性能(模拟透析4 h后对尿素和溶菌酶的清除率分别为82.6%和45.8%,对BSA的保留率为98.8%)。此外,PVA/PAN TFNC膜还具有优异的力学性能(拉伸强度为13.9MPa,断裂伸长率为55%)和良好的血液相容性。(2)将肝素功能化的多壁碳纳米管(Hep-g-pMWCNTs)引入到TFNC膜的交联PVA分离层中来制备一种含有定向毒素传质纳米通道的新型TFNC血液透析膜。其中,Hep-g-pMWCNTs通过贻贝仿生涂层法利用多巴胺(DA)对MWCNTs进行肝素功能化改性得到。通过模拟透析实验和孔-流模型分析可知在Hep-g-pMWCNTs与PVA基体之间产生的界面空隙可为毒素分子的运输提供额外的定向传质纳米通道,从而使得TFNC膜在不牺牲大分子蛋白高保留率的前提下进一步提高了对毒素的清除率,尤其是对中分子毒素的清除率显著高于目前报道的传统聚合物血液透析膜(Hep-g-pMWCNTs与PVA质量比为0.1的Hep-g-pMWCNTs/PVA/PAN TFNC膜在模拟透析4 h后对尿素和溶菌酶的清除率分别为88.2%和58.6%,对BSA的保留率为98.4%)。此外,Hep-g-pMWCNTs的引入还提高了TFNC膜的血液相容性(降低了蛋白质吸附、抑制了血小板粘附、延长了凝血时间、减少了对红细胞损伤以及降低了补体激活)。(3)将肝素与PVA混合制备的涂覆溶液不仅降低了涂覆溶液的粘度(从9.1±0.4 mPa s降低至6.4±0.3 mPa s),而且还加快了涂覆溶液的凝胶化过程(凝胶点从19.0 min提前至14.2 min)。通过使用具有更低粘度、更快凝胶化的肝素/PVA混合涂覆溶液制备了一种具有亚微米脊状表面结构的新型肝素化TFNC血液透析膜。其中,TFNC膜表面亚微米脊状结构的形成归因于涂覆溶液中肝素与PVA含量的变化而引起的涂覆溶液流变性质的变化,即具有更低粘度、更快凝胶化的肝素/PVA混合涂覆溶液会使TFNC膜的表面自发地形成亚微米脊状结构。此外,引入的肝素分子可以通过席夫碱反应与PVA分子链共价结合。结果表明,亚微米脊状的表面结构和肝素的化学改性协同赋予了TFNC血液透析膜优异的综合性能(优异的渗透性、抗蛋白质污染性、抗凝血活性、细胞相容性以及透析性能等)。(4)将聚乙烯亚胺(PEI)/聚醚砜(PES)纳米纤维亲和膜作为支撑层制备了一种可以同时去除血液中毒素和透析液中内毒素的新型TFNC血液透析膜。其中,PEI/PES纳米纤维亲和膜通过共混静电纺丝和刻蚀交联制备得到。经优化后的PEI/PES纳米纤维亲和膜对内毒素的理论饱和吸附量为5667 EU/g,吸附平衡时间约为4 h。对血液中毒素和透析液中内毒素的联合去除实验结果表明,将PEI/PES纳米纤维亲和膜作为TFNC血液透析膜的支撑层不仅实现了透析膜在去除血液中毒素的同时还可以去除透析液中的内毒素(模拟透析4 h后对透析液中内毒素的去除量为180.5×10~3 EU/m~2),而且还有效地阻止了透析液中的内毒素在透析过程中通过透析膜传输到血液中。综上所述,本论文探索了将TFNC膜用作血液透析膜,其独特的双层结构使其突破了传统聚合物血液透析膜在选择性和渗透性之间存在的“Trade-off”平衡效应,在此基础上将定向毒素传质纳米通道引入到TFNC膜的分离层中实现了其在对大分子蛋白高保留的同时对毒素分子的高效清除,并通过物理表面形貌和化学组成的协同改性使其具有了优异的渗透性、抗蛋白质污染性、抗凝血活性、细胞相容性以及透析性能等,此外还将纳米纤维亲和膜用作TFNC膜的支撑层来实现其同时去除血液中毒素和透析液中内毒素。期望本论文的研究可为新型高性能血液透析膜的开发提供新的视角和思路。