中空纤维器膜孔径特征表征方法概述

叶成红 国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心 （北京 100081）

内容提要： 中空纤维膜是血液净化类产品发挥功能的核心部件，其孔径及其孔径分布等特征决定了治疗效果。概述了中空纤维透析膜孔径及其孔径分布常见的表征方法，为相关领域专业人士参考使用。

血液净化技术包括用于治疗肾功能不全患者的血液透析、血液透析滤过、持续性肾脏替代治疗（CRRT）、血液/血浆灌流、血浆分离等，是临床治疗急慢性肾功能衰竭及相关疾病的主要手段。在该治疗过程中，需对患者引出体外的血液进行处理后部分或全部返回患者体内，对血液的处理效果一定程度上决定了净化的效果。

对血液处理的产品绝大部分属于中空纤维类产品，如中空纤维透析器、中空纤维血浆分离器等，其利用中空纤维膜的多孔结构实现处理效果。以血液透析器产品为例，产品一般包括外壳、中空纤维膜、端帽等组件组成，纤维属于透析器的核心部件，治疗时，血液中的尿素、肌酐、尿酸等有毒物质及体内潴留过多的水分通过弥散、对流等方式扩散至透析液侧，同时人体需补充的相关离子从透析液中扩散至血液侧，进而达到纠正电解质、酸碱平衡紊乱的治疗作用。由此可见，中空纤维膜的孔径特性（如孔径、孔径分布、孔隙率等）在一定程度上决定了相关产品的性能。本文简述了中空纤维膜孔径的常见表征手段，以期对相关产品的研制和质量控制提供参考。

1.血液净化类中空纤维膜简介

膜制品在医疗器械的生产及使用中应用广泛，如输液过滤膜、空气过滤膜、反渗膜等。一般来说，可根据其孔径大小可分为反渗膜（RO膜，＜1nm）、透析膜（2～5nm）、超滤膜（UF，2～100nm）和微滤膜（MF，100nm～2μm）。对血液净化类产品而言，其膜孔径范围一般在几纳米到几十纳米，涵盖前述透析膜和超滤膜范围。在此区间的膜表面不属于常规肉眼可见的筛网状，除表面孔状结构外，内部实际属于弯曲通道，并且有一定深度。

一定程度上膜孔径及孔径分布的大小决定了相关产品对目标物质清除或过滤的能力和效率，因此对膜孔径特性的表征就非常重要。根据测量原理的不同，常用的表征方法可分为直接法和间接法。

2.直接法

直接法顾名思义指的是直接观察膜的表面孔径的方式，常用的方法有直接法包括显微镜观察法、X射线小角度散射测量法等。

2.1 扫描电子显微镜（SEM）

扫描电镜是利用高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接收、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。

采用SEM获得的孔径常常低于其实际值，这是因为在制备样品时需要在样品表面喷上金属涂层以增加其电导率，由于膜孔形状一般不是圆柱形结构，所以涂层容易降低其孔径。同时，由于真空环境及电子束的使用也会对膜结构造成破坏。

2.2 原子力显微镜（AFM）

原子力显微镜主要是利用原子间距离减小到一定程度以后，原子间的作用力将迅速上升。因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。由于能观测非导电样品，因此不需要对样品进行任何前处理即可进行观测，并且可以显示材料表面更为清晰的三维结构[1]。

膜孔径数据需要通过AFM测得不同点的数据，再根据特殊的软件（比如IMAGE J等）拟合而得。比如，Yamazaki等[2]采用AFM方法比较了三醋酸纤维素膜和其他膜的差异。Richard等[3]就采用AFM获得不同类型的透析膜孔径特征，并与采用截留分子量法获得结果进行对比，结果显示，在某些情况下，AFM法和采用截留分子量法获得的结果相关性较好。

除此之外，其他直接法还包括X射线散射法等[4]。一般来说，不同的方法获得的孔径特征不具有可比性。比如根据前述分析可知，通过SEM获得的孔径一般要小于AFM方法获得的结果。

3.间接法

间接法是利用一些与孔径有关的物理现象，通过实验测出各有关物理参数，并通过相关换算计算出孔的等效孔径，这类方法主要有泡点法、分子量截留法、气体吸附脱附法等。

3.1 泡点法

泡点法是通过将膜充分润湿，给膜的一侧加以逐渐增大的气体压强，当气体压强达到大于某孔径内浸润液的表面张力产生的压强时，该孔径中的浸润液将被气体推出。随着压力的升高，被打通的膜孔孔径由大到小，孔中的浸润液被气体推出，直至全部的孔被打开，达到与干膜相同的透过率。记录压力和流量，得到湿膜压力-流量曲线，然后再测试出干膜的压力-流量曲线，根据相关公式即可计算得到该膜样品的孔径及孔径分布[5-8]。

由于不同材料亲疏水性和孔结构存在差异，此方法对于同种材料孔径调控具有指导意义，对于不同材料之间类比则需要重新计算接触角和表面张力。

3.2 截留试验法

该方法主要是利用含有不同溶质的液体流过空心纤维膜后，通过空心纤维膜的滤过液中含有的具有最大分子空间体积的溶质由空心纤维膜的孔径所决定的特点进行试验。

一般将纤维膜在截留率R=90%时（即是仅有10%的溶质物质可通过空心纤维膜，90%的该溶质物质被空心纤维膜所截留，该数值可通过进液端和出液端溶质浓度进行计算）对应的分子量被称为截留分子量（Molecular Weight Cut Oあ，MWCO），因此分子量截留法也被称为MWCO法。通常使用具有不同分子量的水溶性聚合物的溶液进行截留实验，获得不同分子质量相关物质的截留率。

其基本原理是，超滤膜对溶质的截留率可由溶质大小的对数正太累积分布函数表示[9]。即：

其中，R代表膜对溶质的截留率（%），rs代表溶质的斯托克斯半径（m）；μs代表截留率为50%时溶质的几何平均半径；σg代表膜截留率为84.13%和50%时所对应的半径几何标准偏差。膜的截留率和溶质直径对数符合线性关系，其关系式为：

如果忽略膜孔空间和流体阻力效应对溶质的影响，同时忽略溶液中大分子在压力和剪切速率作用下的变形效应后，有效平均孔半径μP和几何平均偏差σP分别看作等同于μS和σg，所以基于μP和σP，超滤膜的孔径分布可表示为以下概率密度函数[10-13]。即：

根据溶质截留率与溶质大小的对数呈正态累积分布函数关系，根据对数正态分布公式拟合得到空心纤维膜对应的孔径分布曲线。

一般常用不同分子量的聚乙二醇或不同分子量的葡聚糖作为测试物质[14-16]。该方法模拟了实际过滤情形，能相对真实地反应膜的真实状态。

3.3 其他

除前述方法外，其他间接法还包括气体吸附-脱附试验法、压汞法、气液平衡法等[17-20]。需要注意的是，不同方法有不同的应用范围和局限，需根据产品本身特点及测量精度要求选择适当的方法进行研究。

4.讨论

中空纤维膜属于血液净化类产品的核心部件，其膜的孔径参数作为膜的最主要物理特征影响着相关产品的性能，生产企业仅通过产品清除或分离性能进行产品质量控制不仅可靠性不佳，且成本较高，通过检测其孔径特征可以作为质量控制的一种有益补充。

直接法虽然可以直观的判断出膜的基本形态，但由于透析膜结构的复杂性，其很难准确地反映出膜在宏观层面的特性。比如由于探针尺寸影响，透射电镜法就不能连续测试膜孔径，且由于测量结果为膜表面的孔径，忽略了死孔曲折度等因素影响，不能准确反映出膜的实际孔径分布特征。间接法排除了测试条件的影响，可以充分的反映出膜的基本孔径特征，但也要考虑不同方法的特点，比如泡点法虽然原理简单，操作方便且对样品无损伤，但测量范围有限，同时，一定压力会打开一定区间的活孔，但随着压力增加，在新孔打开的基础上，原先已打开的开孔会因为压差增加，气体通量增加。通过压力的增加测量气体流量的增量，并不能客观地反映孔径分布[5,21]。

同时，由于不同方法的测量精度和准确度各不相同，测试的影响因素也有所不同，企业应根据产品特点选择合适的测量方法，以获得更为真实准确的结果，更好地服务于产品的研发和生产控制。