暨南大学李万斌团队用固有微孔聚合物-1 (PIM-1)通过非溶剂诱导相分离（NIPS）方法制成一种非对称纳米孔道（AsNp）膜，用于血液氧合。相关研究以题为 “Blood Oxygenation through Hemocompatible Asymmetric Polymer of Intrinsic Microporosity Membranes”发表在Research上。
Citation:
Huang X, Huang J, Su P, Li W. Fast Blood Oxygenation through Hemocompatible Asymmetric Polymer of Intrinsic Microporosity Membranes. Research 2023;6:Article 0151.
https://doi.org/10.34133/research.0151
膜式氧合器又称人工肺，是当前治疗急性呼吸疾病和等待肺移植阶段所必需的医疗设备，也是血管手术的辅助医疗设备。血液经过氧合器排出代谢过程产生的CO2同时为血液补充O2以维持患者生命。膜材料作为氧合器的关键部分，直接与血液接触并实现气体交换，决定了氧合器的性能。膜材料需具备以下特性：（a）足够高的气体渗透能力以允许快速交换，减少有效膜面积和预充血量；（b）避免血浆渗漏，血浆渗漏会严重降低氧合效率并威胁患者的生命；（c）优异的血液相容性以抑制血栓形成和溶血。还应考虑其他特征，例如可加工性等。截止目前，成功商业化的膜材料有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚丙烯（PP）以及聚4-甲基1-戊烯（PMP）。但这些膜材料在一定程度上存在血液相容性差、长时间运行容易发生血浆渗漏或气体传输性能无法满足气体交换需求等问题，无法实现长期使用。开发具有良好气体交换性能和血液相容性的氧合膜对于人工肺发展具有重要意义。
暨南大学李万斌团队报告了一种非对称纳米孔道（AsNp）膜，该膜由固有微孔聚合物-1 (PIM-1)通过非溶剂诱导相分离（NIPS）方法制成，用于血液氧合（图1）。
图1 用于氧合的非对称纳米孔道膜
作者通过使用氯仿溶剂和甲醇非溶剂的NIPS构建AsNp膜，该膜具有超疏水纳米孔和非对称结构。这种特殊的结构赋予了膜非透水性和超透气性（在0.4 Mpa压力下运行数小时后，AsNp膜未透水；CO2和O2气体渗透率高达3,500和1,100 GPU），在提高气体交换能力的同时抑制血浆渗漏（图2）。
图2 AsNp膜的渗透特性
此外，作者通过蛋白质吸附、血小板粘附和活化、溶血率和凝血时间实验评估AsNp膜的血液相容性。实验结果表明蛋白质吸附、血小板粘附和活化、溶血和血栓形成得到明显的抑制（图3）。
图3 AsNp膜的血液相容性
推测该结果与AsNp膜具有的良好的疏水-亲水平衡性质、表面带负电和低的表面粗糙度有关。最后，通过膜与水和猪血的氧合实验模拟人体静脉血氧合过程，测定水和血液中O2和CO2浓度变化以评估膜的氧合性能。在血液氧合过程中，AsNp膜没有出现血栓形成和血浆渗漏，并且显示出快速的O2和CO2传输过程，交换率为20-60和100-350 ml m-2 min-1，是传统膜的2-6倍（图4）。
图4 AsNp膜的氧合性能
目前，纳米多孔膜已被证明具有巨大的分子筛分潜力，但尚未报道其在人造器官中的应用。此研究通过简单的NIPS制备了AsNp膜，并展示了其在血液氧合应用中的出色性能。研究发现AsNp膜的特性，如超疏水纳米孔、非对称结构、疏水性和亲水性、电负性和表面光滑度，有利于气体渗透、氧交换、抑制血浆渗漏、抗血栓形成和抗溶血。尽管膜式氧合器的设计涉及许多复杂的因素，并且其应用还需要进行临床实践，但AsNp膜为推进人工膜肺提供了新的方向。纳米多孔膜的制备和应用理念为获得高性能膜提供一条替代途径，有望扩大其在人造器官中的应用范围。
李万斌，暨南大学副教授，主要从事分离膜制备设计及其化工、环境、生物医学工程等领域传质调控应用研究。主持国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金重点项目等科研基金。目前发表论文60余篇，其中以第一和通讯作者在Acc. Chem. Res.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Research、Angew. Chem.、AIChE J.、Environ. Sci. Technol.、J. Membr. Sci.等期刊发表论文46篇；担任中国海洋学会海水淡化与水在利用分会青年委员、Front. Chem. 主题编辑、Membranes客座编辑、Chin. Chem. Lett.青年编委。
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