透析纤维膜的物理特性评价指南及表征

胡相华 何晓帆 柯军 庄铭 许朝生 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 广州 510663）

内容提要： 目的：血液透析治疗效果与血液透析器的性能密切相关，而透析纤维膜又是其中的核心部件，设计纤维膜评价指南对提高纤维膜质量，进而提高透析疗效具有重要意义。方法：通过分析可能影响透析疗效的透析纤维膜关键物理特性，设计纤维膜的物理评价指标。结果：初步建立透析纤维膜物理评价指标及表征方法，包括透析纤维膜结构特性、孔隙率、水通量、截留率等。结论：建议未来进一步研究建立包含物理、化学、生物相容特性的完整透析纤维膜评价体系，促进我国透析纤维膜生产制备技术有效提升。

慢性肾病是一种全球高发性疾病，患病率占全球人口的11%～13%。其不仅对人类健康造成严重损害，而且还会给卫生系统带来高昂的经济成本[1]。慢性肾病治疗最佳方法为肾脏移植，然而肾脏移植术供体有限，对医疗设备要求较高，随着医疗技术的提高及医疗保险制度的逐渐完善，其替代疗法—血液透析治疗正在越来越多的慢性肾脏疾病患者中得到推广应用。

血液透析治疗中，血液透析器是血液体外循环中的关键环节，而透析纤维膜又是其中的核心部件。受国内透析膜纺丝技术所限，国内目前使用的透析纤维膜大多直接来源于国外，市场长期被国外巨头垄断，间接导致了患者昂贵的使用成本。血液透析治疗效果与透析纤维膜的特性密切相关，改善透析纤维膜的性能可有效提高透析治疗效果，降低病死率[2-5]。因此，若能在生产透析纤维膜阶段即对透析纤维膜的质量进行有效评价，对保证血液透析器成品的透析疗效具有重要意义。然而，目前国内乃至国际上仍缺乏透析纤维膜的系统性评价体系。本文拟以物理性能评价为例，通过分析透析纤维膜特性与透析治疗效果之间相关的关键特性指标，初步建立透析纤维膜的特性评价指南，以期为纤维膜的研究及开发提供新思路。完整的透析纤维膜评价体系建议包含物理、化学、生物相容特性等，尚有待未来的进一步探索研究。

1.评价指标的建立

1.1 评价指标的选择

确定透析纤维膜物理特性评价指标，首先需通过分析可能直接影响透析疗效的透析纤维膜性能参数，对应选择确定评价指标。据此原则，拟初步建立的物理特性评价指标包括透析纤维膜的结构特性、孔隙率、水通量、截留率等，还可进一步补充其他物理特性指标，如透析纤维膜的拉伸强度、断裂伸长率、接触角、溶质清除率等。

1.2 透析纤维膜结构特性

透析纤维膜结构特性建议包括但不限于内径及膜壁厚度（对于对称结构膜）、膜壁孔径分布等。

内径及膜壁厚度：对于对称结构的单层纤维膜，当透析器外壳尺寸（即纤维膜长度）和透析纤维膜数量不变的前提下，内径及膜壁厚度将直接影响膜面积，进而影响透析治疗效果。内径和壁厚增大，会显著降低装填密度，内径降低会显著增加血流阻力和残凝血发生的风险，壁厚降低则可能增加破膜风险和透析过程中内毒素进入血液侧的风险[6]。在膜材料及其他条件保持不变的情况下，膜壁厚δ越小，膜传质系数hm越大，越容易发生溶质传递[7]。对于非对称结构纤维膜，其表层具有不对称双层甚至三层结构，则需要综合其他指标进行评价，如部分物质如脂多糖等的传质效率并不完全取决于孔径，应结合透析纤维膜的传质特性进行总体评价[8]。

表1.透析器性能评价代表性溶质分子直径[9,10]

膜壁孔径分布：膜壁孔径分布是影响透析膜清除毒素类别和清除效率的重要指标，透析过程中，溶质需要通过膜壁上的微孔渗透和扩散，孔径大小与物质传递的阻力密切相关。目前临床上使用的低通量膜孔直径一般在1.3～2.5nm，高通量膜一般在2.9～3.5nm，评价透析器使用性能常用的几种代表性溶质分子直径见表1。

1.3 透析纤维膜孔隙率

纤维膜的孔隙率指纤维膜孔隙体积占膜表观体积的百分比。孔隙率很大程度上决定了纤维膜中膜孔的数量，而孔结构会影响膜表面溶质扩散行为，从而影响膜的传质过程。孔隙率越低，纤维膜的孔道越密集，近膜壁面溶质浓度分布的不均匀程度越高，对物质的截留率就越高[11]。当膜孔径较大、孔隙率较高时，纯水通量增加[12]。

1.4 水通量

水通量是指当压力一定时，单位时间流经单位膜面积的水体积或质量膜通量。水通量常以L/(m2·h)表示，表征的是纤维膜对水的渗透性能力。水通量反映了纤维膜孔的通透性，其大小与纤维膜孔径、孔径分布情况均匀性和膜致密层厚度等因素有关。

1.5 截留率

截留率是指含有特定溶质的溶液通过膜时，被阻隔下来的溶质质量占总溶质质量的比例。截留率可用于估测中空纤维膜孔径大小，确证中空纤维膜具有选择性的保留性能，表征的是膜对不同溶质的截留能力。对于血液中需保存的有益物质（如白蛋白等），纤维膜应具有较高的截留率，以保证在人体血液引出体外循环的过程中不会大量流失。常用白蛋白、菊粉、肌红蛋白、β2-微球蛋白等作为评价透析纤维膜截留率的指标。

2.特性指标表征方法

2.1 透析纤维膜结构特性表征方法

可使用扫描电子显微镜进行透析纤维膜结构特性测试[13]。为保持完好的断面结构，可先将透析纤维膜测试样品放入液氮中冷却折断，再选取包含整齐断裂面的部分固定在样品台上，然后对透析纤维膜样品进行真空镀金放入扫描电镜样品室测试。透析纤维膜的截面内径及膜壁孔径示意图参见图1，图中可见透析纤维膜的膜孔径大小不是完全一致的，而是呈现大小交错分布的形态。

图1.聚醚砜膜的截面（左）及侧面表层（右）扫描电镜照片

图2.不对称膜结构示意图

非对称结构膜示例如PSf透析纤维膜截面具有梯度分布的海绵孔结构，孔径从外到内逐渐减小；PES透析纤维膜内表面具有表皮层，断面可见分布有大量的指状孔（见图2）[14]。

2.2 透析纤维膜孔隙率表征方法

将透析纤维膜在去离子水中充分溶胀，除去表面水用电子天平称重，得到湿重（W1）。其后将其放入80°C的干燥箱干燥6h，恒重后再用电子天平进行称量得到干重（W2），按下式计算孔隙率[15]。见公式（1）。

式中，ρS为膜密度，Wl、W2分别为湿、干膜重（g）。密度测试推荐使用液体置换法或称重法，测试时，注意选用质地比较均匀的透析纤维膜束进行测试，所得的平行样间测试结果比较稳定。

2.3 透析纤维膜水通量表征方法

先将透析纤维膜组合成测试标准组件，如将多根长度为30cm的纤维膜扎成一束（进行平行比较时，纤维膜数量应保持统一），用环氧树脂封端固化。在20°C下使用自制测试装置，150mmHg的压力下预压30min，然后在50mmHg压力下测试15min，记录透过水体积，按下式计算水通量[16]。见公式（2）。

2.4 透析纤维膜截留率表征方法

以测试白蛋白截留率为例。将透析纤维膜组合成测试标准组件，使用自制测试装置，将蛋白浓度为（60±5）g/L的抗凝牛血浆作为测试原液，设置血液流速为200mL/min，在跨膜压为150mmHg和常温条件下超滤20min后，采集透过液。配制浓度范围0～1000mg/L的白蛋白标准曲线，原液稀释适当的倍数，使用白蛋白测定试剂盒在生化分析仪上分别测定原液与透过液的光密度，并从标准曲线上查得相应的浓度。使用测得的原液（进口处浓度）和透过液（滤过液端浓度）白蛋白浓度，按下式计算白蛋白的截留率[17]。见公式（3）。

式中，R为膜对牛血清白蛋白的截留率，以百分比的形式表示；Cp为透过液中牛血清白蛋白的浓度，单位为g/dL；Cf为原液中牛血清白蛋白的浓度，单位为g/dL。其他物质的截留率也可以用类似的方法进行测试。

3.总结及展望

本文拟以物理性能评价为例，尝试建立透析纤维膜的特性评价指南及表征方法，总结及展望如下：

首先，本文根据透析纤维膜特性与透析治疗效果之间可能存在的相互关系，初步建立的透析纤维膜物理特性评价指标包括纤维膜的结构特性、孔隙率、水通量、截留率等，并提供了可参考的特性表征方法。

其次，本文仅从透析纤维膜的物理特性评价角度开展初步分析，并未完全包含纤维膜的所有待评价的特性，旨在提出对纤维膜在研发阶段先建立统一纤维膜评价标准的重视。除物理特性以外，其他特性如化学特性、生物相容特性等，也是评价纤维膜特性的重要指标，仍有待未来进一步开展深入研究。其中，透析纤维膜的生物相容特性评价方法已有部分研究基础[18-20]。

最后，建立纤维膜特性评价指南的目的在于对国内自主研发透析纤维膜提供较统一的评价依据，为生产制造我国自主研发的透析膜提供参考，以期促进未来更多的新生力量进入透析行业。完善和建立透析纤维膜特性指南后，可参考不同种类膜材的特性评价结果，通过共混改性或表面修饰等方法调整透析纤维膜的特性，从而达到改善透析疗效的预期目标[21-23]。