分享一篇Advanced Healthcare Materials期刊近期发表的题目为Asymmetric Triple-Functional Janus Membrane for Blood Oxygenation的文章。文章链接https://doi.org/10.1126/science.adi1545
【文章内容】
【背景】
体外膜肺氧合（ECMO）技术，作为一种提供心肺支持的方法，在心肺功能衰竭的救治中发挥着重要作用。氧合膜作为ECMO系统中核心的组成部分，主要负责实现血气交换，即向血液中输送氧气并移除二氧化碳。然而，现有的氧合膜面临着如防止血浆渗漏、提高气体交换效率和改善血液相容性等多方面的挑战。这些问题的存在限制了氧合膜的性能，进而影响了ECMO治疗的效果。
研究人员受到自然界中肺泡不对称结构的启发，提出了开发一种新型的不对称三功能Janus氧合膜的设想，旨在同时解决上述挑战。通过这种结构设计得到了一种既能有效防止血浆渗漏，又能提高气体交换效率，同时具备良好血液相容性的氧合膜。
【文章亮点】
开发了一种具有独特三层结构的不对称三功能Janus氧合膜，包含防止血浆渗漏的疏水聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、增强气体交换效率的聚酰胺（PAD）层以及提高血液相容性的聚磺甲基丙烯酸酯（PSBMA）层，显著提升了氧合膜的气体交换性能和血液相容性。
图1 不对称多层Janus膜的制备工艺
这种三功能Janus膜的制备方式如图1所示，首先，通过将聚二甲基硅氧烷（PDMS）、四乙氧基硅烷（TEOS）和二丁基锡二月桂酸酯（DBD）混合，并涂覆在多孔聚砜（PSf）基底上，制备了基础的PDMS层。随后，在PDMS层上通过反相界面聚合技术引入PAD层，增强气体交换效率。最后，在PAD@PDMS膜表面通过多巴胺辅助的聚合方法添加PSBMA层，以提升血液相容性。
图2不对称多层Janus膜的形貌表征和化学成分
此外，多层的PSBMA-PAD@PDMS膜总厚度约为300nm，其中PDMS层厚约120nm，PAD@PDMS层厚约200nm。扫描电子显微镜（SEM）图像中未观察到层间明显界限，显示出多层结构中优异的界面兼容性。通过X射线光电子能谱（XPS）分析了各层的化学组。PDMS膜的C 1s谱图显示出≈284.8 eV的C-H峰和≈284.4 eV的C-Si键，表明PDMS网络的交联。与PAD@PDMS膜相比，PSBMA-PAD@PDMS膜中的C 1s谱图出现新的峰，分别对应于≈288.0 eV的C=O键和≈286.6 eV的C-O键，这归因于膜表面多巴胺和PSBMA的引入。此外，S 2p谱图中的-SO3- 2p1/2峰和-SO3- 2p3/2峰，分别出现在≈169.2 eV和≈167.9 eV，表明成功在膜表面引入了PSBMA层。
图3不对称多层Janus膜的理化性质和气体传输性能
图4 PSf、PDMS、PAD@PDMS 和 PSBMA-PAD@PDMS膜的血液相容性和抗血栓形成能力
在血液相容性和抗血栓能力测试中，研究者使用牛血清白蛋白（BSA）作为模型非特异性蛋白，研究了膜表面的抗蛋白静态吸附性能。结果显示，由于表面的疏水性和多孔性，聚砜（PSf）基材显示出最高的BSA吸附能力（约30.9 μg/cm²）。经过改性的PSBMA-PAD@PDMS膜表面的BSA吸附量显著减少至约5.3 μg/cm²，荧光显微镜观察也证实了该膜具有优异的抗蛋白污染性能。此外，通过与富含血小板的血浆（PRP）共孵化，评估了膜表面的血小板粘附和活化。与BSA吸附能力相似，PSf基材对血小板的粘附量最高（56.4 × 10⁶ cm²），而PSBMA-PAD@PDMS膜的粘附量最低，仅为17.6 × 10⁶ cm²。PSf基材表面的血小板表现出明显的形态变化和伪足形成，表明血小板被激活。相比之下，PSBMA-PAD@PDMS膜表面几乎不存在血小板粘附，且血小板保持非活跃的球形形态，显示出卓越的血液相容性。该膜的优异抗粘附性能主要与其表面的亲水性有关，这有助于形成水合层，有效阻止了蛋白质和血细胞的接触和粘附。此外，膜表面高密度的负电荷也可能对带负电的蛋白质和血细胞产生排斥作用。
PSBMA-PAD@PDMS膜在与贫血小板血浆（PPP）孵育后，APTT显著延长至大约12.5s，远高于临床抗凝需求的10s标准，而PDMS和PAD@PDMS膜的APTT延长值低于5s。此外，与PSBMA-PAD@PDMS膜孵育后的TT值也显著延长了3.2s。这一延长的凝血时间归因于膜表面的肝素样基团（-SO3-），这些基团与凝血因子结合形成复合体，抑制了它们的功能，并干扰了凝血级联反应。SEM图像揭示，与PSf基底相比，PSBMA-PAD@PDMS膜表面粘附的血细胞数量大幅减少，显示出优异的生物相容性和抗血栓性能。此外，通过溶血测试确认了膜与血液接触时的生物相容性，所有膜的溶血率均低于2%，符合美国材料与试验协会（ASTM F756-17）的非溶血性材料标准。L929细胞的细胞相容性测试进一步证实了PSBMA-PAD@PDMS膜作为低毒性材料的优异细胞相容性。
图5 不对称Janus氧合膜的血氧性能
在血液氧合性测试中，研究者通过自制的氧合装置对膜的氧合性能进行了测试，当血液和氧气在Janus氧合膜的两侧流动时，该膜的不对称结构有效防止了血液泄漏，而顶部的PSBMA有效阻止了血细胞的粘附。在实验设备中，O2分压在气体侧高于血液侧，而CO2分压在血液侧高于气体侧，这种分压梯度推动了气体的交换。结果显示，使用PSBMA-PAD@PDMS膜后，O2分压显著从73.6mmHg增至202.0mmHg，氧饱和度从69.8%上升至99.7%。同时，CO2在血液中的分压显著从86.0mmHg降至17.2mmHg，显示出了高效的CO2传输能力（70.1 mL min−1 m−2）。这些结果表明，PSBMA-PAD@PDMS膜在血液氧合过程中具有优异的气体交换效率，尤其在CO2的去除上表现突出，有助于减轻CO2毒性和预防高碳血症，为ECMO的实施提供了一定的安全保障。
综上所述，本文介绍了一种由用于抵抗血浆泄漏的疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、用于气体交换与选择的聚酰胺层，以及具有出色的抗蛋白质吸附、抗血细胞粘附和抗凝血性能的亲水性聚双电荷层组成的不对称的Janus膜。在性能测试方面，PSBMA-PAD@PDMS膜展现了优异的气体透过性能和血液氧合能力。CO2透过率约为220.2 GPU，O2透过率约为20.6 GPU，CO2:O2透过比约为10.7，这一比例接近人类肺泡，体现了其高效的气体交换性能。在模拟ECMO过程的血液氧合测试中，该膜能显著提高血液中的O2分压和氧饱和度，证明了其在临床应用中的潜力。同时，通过蛋白质吸附、血小板粘附等实验，验证了膜的良好血液相容性。这些研究成果不仅为ECMO系统提供了一种高效、安全的新型氧合膜，也为未来生命支持系统的优化提供了有力的材料基础和设计思路。
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