新型中空纤维膜式人工肺的设计与研究

论文摘要

人工肺，也称氧合器，具有调节血液内O2和CO2含量的功能，是治疗急性呼吸疾病和等待肺移植阶段必需的医疗设备，也是心血管手术的辅助医疗设备。作为当前已经临床应用和商业化的体外膜式人工肺，由于O2和CO2使用同一种通道，主要存在气体交换能力差、血液传输效率不足、使用时间短等问题。目前国内临床应用的人工肺使用的膜组件几乎全部依靠进口。为此，本论文设计和研究了一种O2和CO2分别具有各自通道的新型双通道中空纤维膜式人工肺。为了提高涂覆中空纤维的液晶／硅橡胶膜的透氧性、生物相容性和抗凝血性，采用高效酰化法和酰氯化法分别合成了丙烯酸胆甾醇酯、丁烯酸胆甾醇酯、戊烯酸胆甾醇酯、己烯酸胆甾醇酯和十一烯酸胆甾醇酯5种胆甾醇酯衍生物，并对其化学结构和液晶性能进行了表征。高效酰化催化剂法能明显提高产品的产率与纯度、简化操作、降低反应毒性。除丙烯酸胆甾醇酯外，其余4个胆甾醇酯样品均具有液晶性。使用硅橡胶、含氢硅油和胆甾醇酯液晶，首次制备了胆甾醇酯液晶／硅橡胶交联膜。研究了各种因素（压差、温度、取代基、交联时间、液晶含量、物理性能等）对交联膜的透气性能和分离性能的影响。结果表明，该膜具有良好的成膜性能、透气性能和分离性能。例如，在0．1 MPa压差和40℃下，透氧系数和氧氮分离系数分别高达为789 Barrer和3．40，其渗透性能明显优于普通改性的硅橡胶膜材料，可用作膜式人工肺中空纤维的涂覆膜。通过磺化、中和和络合反应制备了含钴离聚体膜。在测试中发现，处于低压侧的CO2自发地透过离聚体膜向N2或空气的高压侧反向渗透。这种CO2反向渗透的现象，是一种新的气体渗透行为，至今未见有类似现象的报道。研究了离聚体膜的气体正向渗透性能和CO2反向渗透行为，发现离聚体膜具有优越的CO2渗透性能和相对较差的O2渗透性能。例如，在25℃和0．1 MPa压差下，CO2和O2渗透系数分别为170 Barrer和28 Barrer。利用这一性能，可将其应用于通过壳体材料排除CO2的新型膜式人工肺内表面的涂敷膜材料。通过动态凝血、溶血、血小板粘附和接触角等实验研究了液晶／硅橡胶交联膜和离聚体膜的生物相容性。作为对照，按照肝素化的离子键结合方式，制备了肝素化液晶／硅橡胶交联膜和离聚体膜。结果表明，硅橡胶交联膜、离聚体膜和肝素化膜都具有良好的生物相容性，能够满足膜式人工肺膜材料的基本要求。改进目前工业上中空纤维单组分涂敷工艺，设计了中空纤维双组分涂敷工艺。优化了涂敷工艺条件：液晶／硅橡胶溶液的浓度为5．0％，交联时间为10 min，固化温度在60℃以下。按照中空纤维双组份涂敷工艺，在中空纤维的外表面涂敷具有O2促进输送的液晶／硅橡胶交联膜。将具有优越的CO2渗透性能和较差的O2渗透性能的离聚体膜涂敷于梯度陶瓷管的内壁。按照双组份涂敷工艺将具有O2促进输送的液晶／硅橡胶交联膜涂覆于中空纤维的外表面，以梯度陶瓷管作为外壳材料、中空纤维膜为基质材料，首次设计了一种O2和CO2分别具有各自通道的新型双通道中空纤维膜式人工肺，未见国内外相关文献报道。作为对比，同时也设计了一种O2和CO2使用同一种通道的中空纤维膜式人工肺。以生理盐水和去离子水代替血液，测试了单通道中空纤维膜式人工肺组件的体外性能。实验结果表明，单通道中空纤维膜式人工肺具有具有较好的氧合效果。例如，当生理盐水的流速为450 ml／min时，氧气传输速率和压力降分别为48．3 ml／（min·m2）和21．6 mmHg，其氧合效果接近于国际上通用优良膜式人工肺的性能。与单通道中空纤维膜式人工肺相比，双通道膜式人工肺的氧气传输速率更大，压力降更低，使用寿命更长。表明液晶／硅橡胶交联膜和离聚体膜有利于提高膜式人工肺的氧合效果。可以展望，双通道中空纤维膜式人工肺将具有很好的研究前景和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 人工肺的研究进展
• 1.1.1 人工肺的分类
• 1.1.2 人工肺的原理
• 1.1.3 人工肺的发展
• 1.2 中空纤维膜式人工肺的研究进展
• 1.2.1 体内膜式人工肺
• 1.2.2 体外膜式人工肺
• 1.3 液晶膜材料在人工肺富氧性能的潜在应用
• 1.3.1 聚合物/液晶复合膜
• 1.3.2 高分子液晶膜
• 1.3.3 改进液晶富氧膜性能的方法
• 1.3.4 液晶富氧膜的未来研究方向
• 1.4 膜式人工肺存在的问题及解决方法
• 1.5 膜式人工肺的设计原则
• 1.6 膜式人工肺的展望
• 1.7 研究课题的提出
• 1.7.1 研究目的
• 1.7.2 研究思路
• 1.7.3 研究方案
• 第二章 烯酸胆甾醇酯液晶的制备与表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 主要原料与仪器
• 2.1.2 试剂的纯化
• 2.1.3 高效酰化催化剂DMAP的合成
• 2.1.4 烯酸胆甾醇酯的合成
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 催化剂的选择及合成方法的评价
• 2.2.2 化学结构表征
• 2.2.3 烯酸胆甾醇酯的液品性能
• 2.3 结论
• 第三章 液晶/硅橡胶交联膜的制备及其渗透性能
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 主要原料与主要仪器
• 3.1.2 液晶/硅橡胶交联膜的制备
• 3.1.3 气体渗透性能的测定
• 3.1.4 物理性能的测定
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 液晶/硅橡胶交联膜的化学结构
• 3.2.2 取代基长度对透气性能的影响
• 3.2.3 压差对透气性能的影响
• 3.2.4 温度对透气性能的影响
• 3.2.5 交联时间对透气性能的影响
• 3.2.6 液晶含量对透气性能的影响
• 3.2.7 液晶/硅橡胶交联膜的物理性能
• 3.3 结论
• 第四章 离聚体膜的制备及其渗透性能
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料与仪器
• 4.1.2 离聚体膜的制备
• 4.1.3 透气性能的测定
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 离聚体膜的表面形貌分析
• 4.2.2 离聚体膜的气体（正向）渗透性能
• 4.2.3 抗压自发（反向）渗透现象的发现
• 4.2.4 压差对反向渗透性能的影响
• 4.2.5 温度对反向渗透性能的影响
• 4.2.6 气体组分分析
• 4.2.7 混合气体对对反向渗透性能的影响
• 4.2.8 测试时间对反向渗透性能的影响
• 4.2.9 反向渗透原因分析
• 4.3 结论
• 第五章 人工肺用膜材料的生物相容性
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 主要原料与主要仪器
• 5.1.2 肝素化液晶/硅橡胶交联膜的制备
• 5.1.3 表面接触角的测定
• 5.1.4 动态凝血实验
• 5.1.5 溶血实验
• 5.1.6 血小板粘附实验
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 膜材料的亲疏水性能
• 5.2.2 动态凝血
• 5.2.3 溶血实验
• 5.2.4 血小板粘附
• 5.3 结论
• 第六章 中空纤维膜的表面涂敷及其复合膜的渗透性能
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 主要原料与主要仪器
• 6.1.2 中空纤维的参数
• 6.1.3 中空纤维的灭菌处理
• 6.1.4 中空纤维膜的涂敷工艺
• 6.1.5 透气性能的测定
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 中空纤维的选择
• 6.2.2 涂敷工艺的选择
• 6.2.3 涂敷工艺的影响因素
• 6.2.4 中空纤维膜的表面形貌分析
• 6.2.5 中空纤维膜的透气性能
• 6.3 结论
• 第七章 单通道膜式人工肺的组装及其体外性能研究
• 7.1 实验部分
• 7.1.1 主要原料与主要仪器
• 7.1.2 性能评价原理
• 7.1.3 人工肺组什的组装
• 7.1.4 体外测试流程
• 7.1.5 氧气传输速率和压力降的测定
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 氧气传输速率对人工肺性能的影响
• 7.2.2 压力降对人工肺性能的影响
• 7.2.3 测试时间对人工肺性能的影响
• 7.3 氧合效果数学模型的建立
• 7.3.1 理论依据
• 7.3.2 膜式人工肺的氧合效果
• 7.4 结论
• 第八章 双通道膜式人工肺的组装及其体外性能研究
• 8.1 实验部分
• 8.1.1 主要原料和仪器
• 8.1.2 离聚体膜的涂敷
• 8.1.3 透气性能测试
• 8.1.4 人工肺组件的组装
• 8.1.5 体外测试流程
• 8.1.6 氧气传输速率和压力降的测定
• 8.2 结果与讨论
• 8.2.1 梯度陶瓷管膜的表面形貌
• 8.2.2 膜式人工肺的透气性能
• 8.2.3 氧气传输速率对人工肺性能的影响
• 8.2.4 压力降对人工肺性能的影响
• 8.2.5 测试时间对人工肺性能的影响
• 8.3 结论
• 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间发表的论文和科研成果清单
• 致谢