PVA 包膜改性樹脂制備及性能探究

宰文靜，張婷芳，孔金龍，李嘉嘉，劉志遠，張 鐳，程 杰，崔景強

（1.河南省醫用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南 新鄉 453400；2.河南省駝人醫療科技有限公司，河南 新鄉 453400；3.甘肅省醫療器械檢驗檢測所，甘肅 蘭州 730070）

隨著中國人口老齡化進程的加快，慢性腎臟病（CKD）的患者人數日益增多[1]。目前，中國實際慢性腎臟病患者人數已接近300 萬，且未來3～5年可能以15%左右的復合增長率持續增長[2]。血液灌流（HP）市場規模預計到2024年將達到35.6 億元，對各適應癥的理論市場規模將達到200 億元人民幣，市場空間廣闊[3-4]。

血液灌流是將患者的血液引入裝有固態吸附劑的灌流器中，通過吸附作用，清除血液中透析不能清除的外源性或內源性毒素、藥物或代謝廢物的一種血液凈化技術。核心技術主要是內部的吸附樹脂，目前市場上用的吸附樹脂主要有活性炭類、多糖類和合成樹脂類，其中合成樹脂在機械強度、化學穩定性以及孔結構和功能基團的可控性上具有優勢；市場上現有產品中，全血灌流常用大孔吸附樹脂。通過物理吸附、范德華力、氫鍵作用等實現吸附過程[5-6]。

目前市售樹脂大多屬于化工產品，在物理性能、吸附性能、生物相容性能等方面參差不齊，嚴重影響了灌流器市場的發展，并且樹脂吸附性能缺少特異性，大多吸附劑在清除血液中有害物質的同時，也吸附了諸如白蛋白等對人體有益的物質，這就帶來了較大的副作用[7]。本文選用安全性較好的PVA（PolyvinylAlcohol）成膜材料，采用包膜技術對樹脂進行改性。制備了PVA包膜改性樹脂，并對其吸附性能進行了探究，樹脂具有較好的吸附β2 微球蛋白效果，對白蛋白的黏附較小，同時微粒脫落和生物安全性較好，能夠滿足目前血液灌流的性能要求，具有較好的臨床意義[8-10]。

1 實驗部分

1.1 材料及設備

選擇的材料如下：樹脂，型號為TRBL-1，購于江蘇色可賽思樹脂有限公司；醫用級聚乙烯醇，型號為1788 型，購于江西阿爾法高科藥業有限公司；戊二醛，50%水溶液，購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；H2SO4，0.5 mol/L，購于煙臺雙雙化工有限公司；β2微球蛋白，購于大連康元醫療科技有限公司；牛血漿，500 mL，購于平睿生物科技有限公司；其他試劑均購自國藥化學試劑有限公司（上海）。

選擇的設備如下：微粒分析儀，型號為GWF-8JD，購于天津天河分析儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱，型號為DHG-9245A，購于上海一恒科技有限公司；恒溫水浴振蕩器，型號為SHA-B，購于常州天瑞儀器有限公司；比表面積與孔徑分析儀，型號為Belsorp MiniX，購于大昌華嘉香港有限公司；全自動生化分析儀，型號為BS-430，購于深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司；全自動凝血分析儀，型號為RAC-030，購于雷杜生命科學股份有限公司。

1.2 樹脂改性

樹脂改性的步驟如下：①配置PVA 水溶液（質量分數為0.1%～5%），用電子天平稱取一定質量的純化水，置于單口燒瓶中，磁力攪拌條件下，加入PVA，待分散均勻后由常溫25 ℃升至80 ℃，攪拌3 h 后得到充分溶解的PVA 水溶液；②三口燒瓶中，加入配置好的2%PVA 水溶液后，機械攪拌下，加入一定量的戊二醛（50%水溶液），而后滴加0.5 mol/L 的硫酸（硫酸溶液與所述PVA水溶液的體積比為1∶50～1∶30），溶液進行交聯反應1 h，得到PVA 交聯液；③量筒量取一定量的中性大孔樹脂（所述PVA 水溶液與樹脂的體積比為10∶1～5∶4），加入到制得的PVA交聯液中，攪拌包膜5 min，抽濾，得到粗產品樹脂，隨后加入用無水乙醇將吸附劑充分分散，再用純化水沖洗至中性，最終得到包覆PVA 膜的血液灌流樹脂吸附劑[11]。

交聯度的公式如下：

式（1）中：nCLA為交聯劑的物質的量；Z為交聯劑與PVA 上OH 的結合數，當CLA 為戊二醛時，Z=4；nPVA為PVA 單體的物質的量。

1.3 樹脂測試與表征

1.3.1 外觀與物理性質表征

1.3.1.1 外觀

樹脂包膜前后均為白色球狀固體顆粒，粒徑為300～800 μm。

1.3.1.2 BET 表征

將包膜后的樹脂在150 ℃真空下干燥8 h 后，用Belsorp MiniX 比表面積與孔隙度分析儀進行分析。

1.3.1.3 SEM 表征

吸附樹脂經離子濺射儀真空噴金后，采用美國-FEI-Quanta FEG 250（能譜：EDAX Element）進行觀察。

1.3.2 表面結構表征

吸附樹脂采用美國-賽默飛-Thermo Scientific ESCALAB Xi+進行XPS 分析[12]。

1.3.3 樹脂吸附試驗

按照YY/T 0464—2019 方法進行樹脂吸附試驗。

1.3.4 微粒脫落試驗

按照YY/T 0464—2019 方法進行樹脂微粒脫落實驗。

1.3.5 生物項試驗

參考GB/T 16886.5 中方法進行細胞毒性試驗，Viab.%值大于等于70%時，表示無潛在細胞毒性；參考GB/T 16886.4 中方法進行樹脂溶血試驗，溶血率應小于等于5%；參考GB/T 16886.4 中方法進行凝血試驗，結果與對照相比在統計學上無顯著差異或優于對照組。

2 結果與討論

2.1 外觀與物理性質表征

樹脂比表面積與孔徑分析如表1所示。從表中可以看出，當交聯度在10%～30%時，樹脂的比表面積與平均孔徑變化較小，幾乎沒有改變孔徑結構；當交聯度提升至50%以上時，樹脂的比表面積明顯降低，平均孔徑明顯變小，可能是由于交聯度的提升，交聯膜黏度增大，導致孔徑堵塞。說明在低交聯度時，這種改性方式保留了樹脂本身的微孔結構，可能不會對樹脂本身的吸附性能造成影響。

表1 樹脂比表面積與孔徑分析

樹脂包膜前、后SEM 表征如圖1所示。圖1（a）為樹脂包膜前SEM 圖，將圖1（b）、圖1（c）和圖1（d）與其對比可以看出，當樹脂交聯度小于30%時，表面結構未發現明顯變化，可能保留了樹脂本身的微孔結構。從圖1（e）和圖1（f）中可以看出，當交聯度超過50%時，能夠看到樹脂表面的顆粒感和PVA 交聯膜網狀結構，說明樹脂包膜交聯度過高，可能引起微粒脫落和堵孔的風險。

圖1 樹脂包膜前、后SEM 表征

2.2 表面結構表征

PVA 改性原理如圖2所示。

圖2 PVA 改性原理

樹脂包膜前、后XPS 表征如圖3所示。從圖3（a）和圖3（c）中可以看出，樹脂包膜前、后氧的峰強度增加，說明包膜后氧元素含量上升；從圖3（b）和圖3（d）中可以看出，包膜后出現286.2 C-O 鍵的特征峰。結合PVA 改性原理中可以得出，PVA 與戊二醛發生縮合反應，形成了改性PVA 交聯膜，并存在于樹脂表面。

圖3 樹脂包膜前、后XPS 表征

2.3 不同交聯度對樹脂吸附性能的影響

不同交聯度對樹脂吸附性能的影響如表2所示。從表中可以看出，隨著交聯度的提升，樹脂對白蛋白的黏附有下降的趨勢，當交聯度大于30%后，抗黏附效果不再明顯提升，但對β2 微球蛋白吸附率逐漸下降。結合樹脂比表面積數據進行分析，可能是交聯度的提升會增加樹脂的團聚、交聯膜堵孔的可能，同時也會增加樹脂微粒脫落等風險，故選擇交聯度在10%～30%之間，既有較好的抗白蛋白黏附效果，又不明顯降低對β2 微球蛋白的吸附。另外樹脂的吸附性能也可能與裸樹脂本身的材質及物理性能、化學性能等有一定的關系[13]。

表2 不同交聯度對樹脂吸附性能的影響

2.4 微粒脫落

通過不同交聯度對樹脂吸附性能影響的分析，選用TRBL-1 和TRBL-1 20%交聯度進行微粒脫落試驗，包膜前、后微粒脫落如表3所示。從表中可以看出，包膜改性前樹脂的微粒數較多，接近標準值，有一定的微粒脫落風險。經過包膜改性之后微粒數明顯減少，說明包膜改性不僅能降低白蛋白的黏附率，還降低了微粒脫落的風險。

表3 包膜前、后微粒脫落

2.5 生物學評價

樹脂包膜前、后生物學評價如表4所示。從表中可以看出，對包膜改性后的樹脂進行細胞毒性、溶血、凝血測試，結果表明包膜后樹脂沒有潛在的細胞毒性，溶血率均小于5%，并且有一定的抗凝血效果，說明包膜改性并沒有影響吸附樹脂的生物安全性，為樹脂進入臨床驗證提供了很好的參考。

表4 樹脂包膜前、后生物學評價

3 結論

包膜改性是貼著樹脂的微觀結構進行的，沒有改變樹脂本身的比表面積和孔徑結構；包膜樹脂在對β2微球蛋白的吸附性能不低于90%的前提下，增加了抗白蛋白黏附效果，具有較好的臨床意義；包膜改性后樹脂微粒脫落數明顯下降，降低了醫療風險；包膜改性后樹脂細胞毒性、溶血、凝血均符合行標要求，說明改性方式相對安全。

4 展望

樹脂吸附劑可以為腎衰竭患者吸附體內的毒素，為病人提供良好的臨床效果，是血液灌流領域的重要發展方向，但降低對血液中有益物質的吸附仍然是一項需長久解決的問題。對吸附樹脂包膜改性是一種有效途徑，但是從合成樹脂的源頭引入抗白蛋白等有益物質的吸附無論從產業化的方向還是對患者的治療方面，都將具有重要的意義。