2.1   膜材料的基本条件   理想的膜材料要符合特定的条件，首先，由于膜材料与血液直接接触，所以其务必具备优异的血液相容性[7]，即不引起血栓的形成、溶血、血小板功能降低、蛋白质黏附等。其次，膜材料还要求具备良好的气体渗透功能，这是膜式人工肺氧合功能保障的前提。高分子膜材料氧合功能的实现有赖于其表层的孔结构，这些微孔对气体渗透和血浆渗漏具有极其重要的影响，孔径太大容易引起血浆渗漏，而孔径太小则可能使气体的传输性能下降，如果孔分布不匀或比例太小，则氧合效果不佳[8]。此外，这些膜材料的其它性能应包括良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱性、耐微生物侵蚀性和抗氧化性等。 2.2   常用膜材料介绍   在60多年的发展历程当中，研究者们实验了一大批膜材料，根据人工肺的传质机制将这些材料主要可以分为三大类：一种是结构均匀的致密膜，如硅橡胶；另一种是具有微孔结构的高分子膜材料，如聚丙烯、聚4-甲基1-戊烯等；还有一类是被逐渐关注且应用越来越广泛的复合膜。 2.2.1   均质膜   均质膜材料的代表就是聚二甲基硅氧烷，它是一种无毒害、无污染的硅橡胶，同时也不致癌、不引起凝血、无致突变作用，作为膜式人工肺的一部分，它表现出极其良好的透氧气性能和生物相容性。硅橡胶的发展有着悠久的历史，然而直到19世纪70年代以后商业化应用的、能基本满足人体生物相容性要求的硅橡胶才正式问世。MOTOMURA等[9]为儿科应用开发了具有超薄中空纤维膜的毛细管外型硅橡胶膜式氧合器，这种硅膜表现出优异的机械稳定性和较小的血液损伤及较低的血液流动阻力。现如今，聚二甲基硅氧烷常被用作涂层以减少血浆渗漏，虽然增加聚二甲基硅氧烷涂层会使气体交换速率降低，但被认为是提高氧合器寿命的有效办法。总体来说，硅橡胶虽然价格昂贵且排除二氧化碳能力有限，但是由于其自身的其他特点：无毒、耐老化、透气性好、生物相容性强且具有一定的抗凝血性等，在医用高分子制品中，无论是人工器官还是其他各种医疗用品，都将长期占据一席之地。 2.2.2   微孔膜   最初使用的膜式氧合器主要采用的是微孔聚四氟乙烯膜，其透过性能较好，但由于聚四氟乙烯膜生产加工工艺难度较大、价格也较贵，现已基本被淘汰。目前在对膜式人工肺的膜材料研究中，微孔膜材料主要有两种：聚丙烯和聚4-甲基1-戊烯，主要原因就是与其他材料相比这两种膜材料的气体渗透性都比较好。 聚丙烯的用途十分广泛，它的密度小、耐化学腐蚀性强、表面张力小、抗霉性好、可热成形，不仅能够制成微孔纤维，而且聚合过程成本也非常低。在用聚丙烯制膜时不需要额外添加任何化学试剂和添加剂，仅用物理方法进行加工即可，所以这种膜材料毒性小、血液相容性好，基本满足体外循环装置中高分子材料的“医用级”标准。 聚丙烯中空纤维膜表面有许多微孔，这种微孔结构之所以特殊是因为它们只允许气体分子通过，且对于氧气和二氧化碳具备相同的通透能力，而且这种膜结构不对称，具有非对称膜的特点和优势。它的横断面分成了两层，皮层是多孔结构，而支持层为海绵状，皮层的开放式表面有许多长条的、不规则的微孔，这些微孔是沿纤维的轴向排列，分布均匀、比例较高，这一构造特征有利于氧合功能的顺利完成，并且能有效防止血浆渗漏，因此聚丙烯中空纤维膜是目前制备膜式氧合器的常用材料[10]。早期的微孔聚丙烯膜主要应用于血液透析[11]，但是效果一般。后来又有人提出将聚丙烯厚膜拉伸定型制取微孔滤膜，典型的膜材料壁厚20-50 μm，外径200-400 μm，孔径大小为0.1-1 μm，孔隙率为30%-50%。这种拉伸制孔的聚丙烯中空纤维组装成的组件被广泛应用于人工肺，但由于拉伸后的材料在拉伸方向易发生断裂等问题，研究者对此做了改进，如中科院研究所通过对β-聚丙烯的双向拉伸制备了各向同性的聚丙烯多孔膜，孔形状接近圆形，提高了其性能。 近几年，己经有关于热致相分离法成功生产出不对称聚丙烯膜的报道[12]，这些方法极大地提高了聚丙烯微孔膜在氧合器方面的使用价值。总之，由于以上优点，微孔聚丙烯材料目前已经成为膜式氧合器材料的主要选择，但美足不足之处在于，聚丙烯使用一段时间后由于纤维受血液润湿而容易发生血浆渗漏。 聚4-甲基1-戊烯是一种高度结晶的热稳定性强、机械强度高的聚烯烃，具有良好的透气性且耐化学腐蚀，是一种新型的、具有优异性能的膜式氧合器材料，最早于19世纪80年代就已经开发成功，可以使用热致相法制成微孔膜材料[13]。与微孔聚丙烯膜相比，聚4-甲基1-戊烯制备氧合器时可在表面控制形成厚度为2 μm左右的皮层，因此相对微孔聚丙烯材料而言减少了血浆渗漏，延长了体外循环时间，因此受到广泛关注。 同时，有研究表明其性能已明显超越了传统的硅橡胶氧合器。ESPEED等[14]证明与硅橡胶氧合器相比，聚4-甲基1-戊烯氧合器可以降低炎症反应，缩短患者术后恢复时间，此外，聚4-甲基1-戊烯氧合器具有更好的气体交换特性，血液相容性也比硅橡胶氧合器高[15]。聚4-甲基1-戊烯膜材料的缺点是不耐氧化，且柔韧性和弹性较差，这也是近些年的研究焦点。 2.2.3   复合膜   当前，中空纤维膜的应用多采用复合膜，将中空纤维作为支撑体在其表面涂覆具有特殊功能的选择分离功能层，这种具有高分离、高通过量及其他特殊功能的复合膜已成为改进人工肺研究的重要方向。复合膜的材料包括任何可能材料的结合，一般通过在表面涂覆其他涂层来实现，最常用的复合膜材料是聚二甲基硅氧烷涂层，这种涂层既能最大程度地保持膜材料的原始性能，又可以提高其表面血液相容性，防止血浆渗漏。NIIMI等[16]实验了一种新型的硅树脂超薄涂层(0.1 μm)，结果发现其表面积增大了50%，能长期、充分进行体外肺支持，体外实验证明了其良好的血液相容性。徐少波[17]在聚醚砜中空纤维表面涂敷硅橡胶溶液，制得用于氧合器的硅橡胶/聚醚砜中空纤维复合膜。 另一类新型、性能较好的复合膜材料主要是通过聚合物的共混制备而成，如甲基丙烯酸羟乙酯-苯乙稀聚合物材料等。据研究，这种微相分离形成的嵌段共聚物复合材料生物兼容性极好，如果可以制成中空纤维膜，将很有应用潜能。 ROSLAN等[18]的研究表明多层涂层的膜表现出更好的性能，只要使用两种涂层溶液的良好组合即可。研发出同时拥有良好的血液相容性、高渗透通量及其他特殊功能的复合膜已成为研究者们致力的目标[19]。 2.2.4   其他膜材料   上面几种材料是目前氧合器膜材料的主流研究方向，当然在60多年的发展历程中还有一些其他材料的研究，但是由于种种自身的缺陷没能实现商业化。 聚醚砜具有一定的血液相容性，加之耐热、耐燃、耐辐射、抗酸、抗氧化、抗溶剂等优异性能，近年来在医疗设备领域得到了越来越多的应用。 聚砜的优异性能包括耐热、耐辐射、抗酸、抗氧化和易成膜等，同时生产原料价格便宜，因此将其用作制备多孔膜的理想材料，目前被广泛应用于多种膜分离技术[20]。通过多种技术对材料表面进行处理以提高其生物相容性的研究引起越来越多研究者的关注。 聚酰亚胺是一类耐高温、耐溶剂、有一定弹性的高强度、高性能材料，在气体分离方面具备较高的选择透过性，日本的KAWAKAMI课题组通过十多年来对一种新型的合成氟化苯聚酰亚胺进行详细研究，采用干/湿相转化法制取该种不对称的聚酰亚胺中空纤维膜(330 μm×70 μm)，并由此开发出了一种新型的聚酰亚胺中空纤维膜式氧合器。实验结果显示，该材料对氧气和二氧化碳的渗透性能优越，同时其机械强度、血液相容性(抑制血小板的吸附、嗜中性粒细胞的激活)等方面优势显著，满足医用要求，这种氧合器性能特点明显优于传统的硅橡胶氧合器，应用前景非常广阔[21-22]。 纤维素制备的醋酸纤维素膜尺寸不易改变且容易加工，不产生有毒和有害物质，而且可以生物降解，经常被用作分离用膜材料，原因包括来源广泛、成本低、制备膜工艺简单、选择透过性高、亲水性强等，是超滤处理的首选。但是这类醋酸纤维素薄膜仍具有一些不可忽视的弊端，例如，容易受到微生物腐蚀、化学物质侵蚀等[23]，对其性能进行改进以扩大适用范围是当下研究的热点问题之一。 2.3   膜材料的改性   选择与人体生理特点更贴合的膜材料已成为人工肺技术发展的重要一环，目前对膜材料的研究主要集中在提高血液相容性方面。直接制备的高分子膜材料生物相容性尤其是血液相容性较低，必须对膜材料表层进行改性处理。影响材料生物相容性的因素很多，但总的来说主要取决于材料表面的物理化学特性，具体表现在：材料表面的化学结构，材料表面的亲疏水性，材料表面的拓扑结构，材料表面的电荷状况，材料表面负载活性因子。 目前而言，主要可以通过对材料进行表面改性来提高其血液相容性[24]，具体来说可以分为以下3种表面改性手段： (1)采用各种物理及化学方法对材料表面进行处理：如提高表面亲水性、降低表面自由能，研究表明这些性质与血液成分的吸附、变性等有密切的关系；使表面带负电荷，由于血液中的红、白细胞及血小板等均带负电荷，静电排斥作用能够降低血栓形成；设计微相分离结构，如亲/疏水性、结晶/非晶态、软/硬多嵌段共聚物等，可能获得较好的血液相容性[25]。 有学者将亲水性材料2-甲氧基丙烯酸乙酯分别接枝到聚砜膜和聚氨酯膜上，改性膜的亲水性有所提高，牛血清蛋白吸附、血小板黏附、凝血酶原时间、部分凝血活酶时间和凝血酶时间等一系列血液相容性实验结果表明，亲水性材料2-甲氧基丙烯酸乙酯对改善膜材料的血液相容性具有重要作用[26-27]。 聚乙二醇的亲水性好、免疫性低、没有毒性，并且不会聚集在体内。有团队采用化学改性和低温等离子体改性两种措施对膜材料进行了改性处理，在其表面接枝聚乙二醇和肝素，结果显示改性后膜材料的气体传输性能及血液相容性均有所改善，具有在氧合器中推广应用的潜能[28-30]。还有研究通过低温等离子体技术将聚乙二醇丙烯酸酯引入膜式人工肺的聚砜膜表面，改性膜仍旧具有良好的血液相容性[31]。接枝丙烯酸和肝素时同样可以使膜材料的血液相容性得到明显提高，且基本保留了初始膜优良的气体传输性能[32]。基于聚乙二醇的聚合物膜涂层已被日本尼普洛公司应用于临床。 两性分子物质指同时含有阴、阳离子或同时含有亲水-疏水端基团的化合物，因为带电基团的溶剂化作用和氢键作用会使两性离子化合物表面形成水合层，从而有效避免了非特异性蛋白的吸附作用[33]。有研究发现，将两种或三种两性离子共聚物共价接枝到中空纤维膜表面可改善血液相容性，所有两性离子共聚物改性膜都表现出良好的血液相容性，可以在不降低气体传输的前提下提高人工肺设备的抗血栓能力[34-35]。聚羧基甜菜碱是一种具有抗蛋白吸附功能的两性物质，近年来经常被用于生物材料的改性处理。有研究用3，4-二羟基苯丙氨酸与聚羧基甜菜碱pCB进行接枝，结果表明该混合物可减少纤维蛋白形成(P=0.06)和血栓形成(P < 0.05)，是一种很有前途的改善人工肺抗凝的材料[36]。磷酸胆碱是两性分子的另一代表，作为生物细胞膜外的重要组成部分，磷酸胆碱可以防止蛋白质吸附到表面，从而减少接触活化，在生物相容性方面起着重要作用。有研究者将磷酸胆碱作为改性剂对聚丙烯腈膜表面进行磷脂化改性，改性膜的亲水性、抗蛋白质吸附性能和血液相容性都得到显著提高，并且磷脂的含量越高其改性效果越明显[37]。这一改性手段的优越性在临床应用中也得到了验证，PIERI的团队[38]通过临床回顾性研究首次报道了磷酸胆碱全包覆的聚甲基戊烯中空纤维氧合器在生物相容性方面有着显著的优势。因此，利用两性离子大分子对中空纤维膜进行改性是一种很有前途的方法。 (2)对材料表面进行修饰实现仿生化：通俗地说，就是在材料表面形成一个伪机体层，如白蛋白纯化、血管内皮化等。白蛋白纯化是指在材料表面覆盖一层白蛋白对材料进行伪饰。人血清白蛋白在人体中含量很丰富，覆盖在材料表面后可形成很薄的白蛋白层，起到隔离血液成分和材料反应的作用，因而具备抗凝血的特性，常用作生物材料涂层。有研究揭示了天然的白蛋白优于热变性的白蛋白，可以钝化硅橡胶表面以防止血清生物污染。调节白蛋白的构象稳定性会影响吸附途径和钝化性能，从而可以使蛋白质涂层得到改善[39]。 血管内皮细胞在抗凝血方面起着重要作用，可以在人造血管表面覆盖内皮细胞，改善其血液相容性，但也存在如何使细胞长久生长并正常分化的问题。利用人脐血来源的内皮集落形成细胞对聚4-甲基1-戊烯气体交换膜的进行内皮化，与普通膜相比，内皮化可显著降低血小板黏附和活化，而且内皮层不会对聚4-甲基1-戊烯膜的透气性产生明显影响[40]。POLK等[41]的研究发现，旋转内皮化的微孔中空纤维束不仅可以提高生物相容性，还能增强气体传递，因此，开发膜材料的生物功能化表面有望助力研发出更安全、更有效的生物混合人工肺。在正常血管中，内皮细胞通过释放一氧化氮等分子来提供一个抗血栓的表面。一氧化氮是一种限制凝血的抗血小板剂，减少凝血蛋白对材料表面的吸附，防止感染和炎症。有学者制备了硅橡胶中空纤维，将50 nm铜颗粒作为催化剂用于血液中一氧化氮的生成[42]；另外，有学者开发了包含聚赖氨酸肽两亲体的一氧化氮释放仿生纳米矩阵，并且将其包覆在微孔中空纤维上，纳米基质在抑制血小板黏附的同时，还可以缓慢地释放一氧化氮[43]，两项研究结果表明，能够促进一氧化氮生成的中空纤维可能是控制人工肺内血栓形成的潜在有效途径。 (3)键合一些特定的功能分子：目前国内使用最多的分子就是肝素，高分子材料表面的肝素化也已经比较成熟，具体来说就是把肝素或其衍生物固定在材料表面[44]。当然目前也正在进行着一些其他分子的开发研究，但是改性并没有突破肝素接枝的效果。 有多项实验结果表明，肝素化硅橡胶交联膜不易引起溶血及血小板黏附，既能有效保持肝素的生物活性，又可使材料表面与血液之间的界面张力降低，有利于提高中空纤维膜的血液相容性[45]。有实验表明经肝素化处理后，血小板活化在PF-4水平、补体活化在C3a和C5a水平、白细胞活化在CD11b水平均明显降低。这种复合膜的血液相容性提高可能是由于亲水性基团(-SO3Na，-COONa)的作用，这些结果表明肝素改性膜在血液接触领域具有巨大的应用潜力[46]。磺化羟丙基壳聚糖的结构与肝素类似，是一种潜力巨大的新型类肝素物质[47]。将磺化羟丙基壳聚糖接枝到聚砜膜材料上，修饰膜具备良好的抗菌性能及血液相容性[48]。"