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膜式人工肺,又称为体外氧合装置(extracorporeal membrane oxygenator,ECMO)或体外气体交换装置(extracorporeal gas exchange device),常被当作暂时性的备用呼吸系统支持工具用于开腔手术、病人呼吸系统衰竭、医用机械换气装置无法单独使用等场景。在膜式人工肺的使用中,一部分病人的静脉血经导管被鼓入人工肺主腔体,在腔体中经历气体交换,排出富集的CO2,采入O2,之后返回到病人体内。自二十世纪以来,世界范围内的武力冲突屡见不鲜,导致伤患身受重伤、急需输血的场景屡屡发生;与此同时呼吸系统与血液循环系统发生病变的病例也与日俱增。近十年内,对于输血的需求将会持续增长逾10%,然而血库库存仍颇为匮乏。在此背景下,人们迫切地希望寻找到自然血液的替代物。人造血液主要包括血红蛋白氧气负载单元(hemoglobin-based oxygen carriers,HBOCs)及全氟化碳氧气负载单元(perfluorocarbon-based oxygen carriers,PFOCs)。后者在应用中主要考虑到全氟化碳类物质对氧气的极强溶解能力,很适合用作氧气载体。本课题组在人工肺领域已有一定的研究基础。在之前的研究中,改性膜由于接枝了蛋白、磷酰胆碱等大分子导致孔道易堵塞,造成气体通透性有所下降。本文在前人的研究基础之上,选用聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)作为膜式人工肺膜材料,以热致相分离(Thermal Induced Phase Separation,TIPS)法制备了 PMP 中空纤维膜,并使用低温等离子体接枝技术通过液相接枝及气相接枝首次在PMP中空纤维膜表面分别接枝了七氟丁酸、七氟丁醇、1H,1H,2H-全氟-1-己烯三种多氟化物小分子,避免了接枝大分子造成的气体通透能力损失,一定程度上提高了气体通透速率;同时改性膜具有一定的血液相容性,符合膜式人工肺工业指标,为后续研究与应用提供了技术基础。1.PMP中空纤维膜低温等离子体改性接枝多氟化物的研究本部分利用热致相分离法自主制备了 PMP中空纤维膜,以水为冷却介质,浓度1:2的邻苯二甲酸丁酯(DBP)和邻苯二甲酸辛酯(DOP)作为分散剂,控制流体在管路中280℃至220℃程序降温,水浴温度25±5℃,得到的PMP中空纤维膜,其外径1190um,内径850um,孔隙率64.6%。本部分首次利用低温等离子体技术在PMP中空纤维膜上接枝了多种多氟化物小分子,以液相接枝法接枝了七氟丁酸、七氟丁醇,以气相接枝法接枝了七氟丁醇、1H,1H,2H-全氟-1-己烯。优化了各自的接枝条件,以接触角的变化量考量接枝效果,经优化后的接枝条件为:Ar气体流量30SCCM,处理电压120w,处理时间5min;气相接枝处理条件为:接枝气体流量2L/min,处理时间40min;液相接枝处理条件为:浸泡16h。将七氟丁酸、七氟丁醇、1H,1H,2H-全氟-1-己烯分别命名为MF1,MF2,MF3,将接枝三种小分子的改性膜分别命名为PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3,利用红外光谱、XPS光谱表面表征技术验证了接枝成功。2.表面改性PMP中空纤维膜的气体通透实验与高斯计算理论验证本部分首先进行了七氟丁酸、七氟丁醇、1H,1H,2H-全氟-1-己烯三种接枝物质及全氟辛烷、全氟三丁胺这两种用于人工血液的全氟化碳小分子对二氧化碳及氧气的气体吸收实验,它们对氧气的亨利系数分别为28.84×103kPa、30.91×<103 kPa、42.45×103kPa、27.74×103kPa、34.59×103kPa,对二氧化碳的亨利系数分别为 10.59× 1 03 kPa、12.43 × 1 03KPa× 1 03 kPa、42.81 × 1 03 kPa、15.96× 1 03 kPa、12.01 × 1 03 kPa,而文献给出的全氟辛烷和单溴代全氟辛烷对氧气的亨利系数为19.5×103kPa和21.6×103 kPa,对二氧化碳的亨利系数为5.12×103 kPa和4.75×103 kPa。利用高斯模拟计算了三种多氟化物小分子单体与氧气和二氧化碳作用力,定性趋势都为酸>醇>烯,与实验结果相符。本部分之后对PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3分别进行了氧气和二氧化碳的气体通透性实验,它们对二氧化碳的实验结果数据分别为4.35ml·(cm2.min·bar)-1、4.52ml·(cm2·min·bar)-1、4.29ml·(cm2.min·bar)-1,对氧气的结果数据分别为 14.01 ml·(cm2·min·bar)-1、13.91 ml·(cm2·min·bar)-1、14.99 ml·(cm2·min·bar)-1。实验结果表明,PMP基膜在等离子体接枝了 1H,1H,2H-全氟-1-己烯后因为1H,1H,2H-全氟-1-已烯对氧气的良好吸收性能,将改性膜的气体通透性能提高了 25%,达到了研究目的。利用高斯模拟计算了模拟接枝条件下调整结构后的接枝基团与氧气和二氧化碳的作用力,调整结构的接枝基团命名为MF1*,MF2*,MF3*。定性趋势上三种改性膜中对二氧化碳的作用力差别不大,对氧气的作用力MF3*>MF1*≈MF2*,大体上与气体通透实验数据相符。3.表面改性PMP中空纤维膜血液相容性的研究本部分对不同的表面改性膜进行了血小板吸附、蛋白吸附、活化部分凝血酶时间(APTT)、凝血酶原时间(PT)等一系列实验以验证改性膜具有良好的血液相容性。在血小板吸附实验中,PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3的吸附结果分别为1.33×107/cm2、1.29×107/cm2、1.25×107/cm2,相比于基膜的吸附结果 4.12×107/cm2显著降低;在蛋白吸附实验中,使用牛血清蛋白(BSA)和纤维蛋白原(FBG)进行实验,PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3 的 BSA 吸附结果分别为 15.2μg/cm2、16.9μg/cm2、14.1μg/cm2,相比于基膜的吸附结果32.3μg/cm2明显降低;PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3 的 FBG 吸附结果分别为 21.9μg/cm2、23.4μg/cm2、20.8μg/cm2,相比于基膜的吸附结果55.9μg/cm2显著降低。在APTT实验中,PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3的结果分别为31.5s、30.8s、36.4s,相比于基膜的15.7s有显著改善;在PT实验中,PMP-MF1、PMP-MF2、PMP-MF3的结果分别为13.2s、13.2s、11.2s,与基膜的结果9.5s相比有了显著改善。实验证明表面改性PMP中空纤维膜具有良好的血液相容性,符合膜式人工肺的工业设计要求。