滤膜性能研究以及膜选择依据

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2022-05-27      环球过滤分离技术网     guolvfenlitech6

一、引言

尽管当前的大输液和输液器具都经过最终灭菌，但在某些条件相对较差的医疗环境中，配药和连接输液器材的过程仍有将环境的异物引入到输液系统的可能，造成对人体的危害。这些危害可能是直接的，也可以是潜伏的或过敏性的。另外，有些滤膜易于脱落纤维，这些纤维在体内沉积并易致癌。

总之，不良反应一方面是由于药物本身造成，但另一方面也是最重要的因素：低质及滤除率不精的输液器的缘故。

二、临床意义

静脉输液中使用过滤装置，可以降低内在风险和输注治疗相关的并发症以确保患者安全，如果疏忽混入输注系统内的微粒、气栓和脂栓等会给人体造成不应有的伤害，还潜在地激化医患矛盾，影响社会和谐，浪费社会资源。

临床医护人员最关注的是确保输注溶液或输注系统中不含有异物和输注过程中的二次污染。对于某些免疫功能缺陷或受损以及危重患者（如新生儿、烧伤患者、老年患者、移植手术患者、白血病患者）来说，由于他们对外源（抗原）特异及非特异性免疫应答能力相对较低，输注溶液或输注系统内（可能的二次污染）的异物污染也显得尤为关键

在20世纪70年代初期，虽然人们认为已经进行了充分有效的质量控制，败血症仍然像流行病一样频频发生，此后，内部污染问题开始被重视起来。尽管内部污染发生率已经减少，静脉输液污染仍被屡屡报道。输注过程的很多步骤都可能造成静脉注射液的外部污染。即使采用最严格的无菌技术，使用过程中无论接触污染还是交叉污染，仍时有报道。因此很多医生、研究人员和医护人员认为在输注治疗中使用精密过滤器是最重的安全防范措施。

三、静脉输液中的颗粒物对患者可能的危害

1、血栓形成

如果颗粒尺寸大于血管的内径，就可能直接堵塞毛细血管，形成栓塞，减少了毛细血管向它周围的肌体和神经组织提供氧以及营养物质，阻碍了微循环，影响器官（如：肺、肝、肾等）的正常生理功能。

解剖学显示，毛细血管最细处的直径约为5µm，因此大于5µm直径的颗粒容易引发直接栓塞。国外研究表明药液中的颗粒是造成一系列深层静脉栓塞（DVT）的主要原因之一，虽然很多颗粒直径小于5µm，但仍能对人体造成较大的伤害。

2、过敏（变态）反应

输入人体的颗粒物或微生物会被机体免疫系统识别为外来物质（抗原），因此产生一类能刺激机体免疫系统使之产生特异性免疫应答，并能与相应免疫应答产物(抗体或抗原受体)在体内生成特异性结合的物质，即抗原-抗体复合体，该复合体激活了体内补体，使人体发生过敏（变态）反应。

3、炎症反应

国内外多项研究表明，颗粒可以促发人体的炎症反应。由于颗粒磨损激活的内皮细胞炎性反应将导致其释放出各种炎症因子，进而促发该部位的炎症反应，炎性细胞（如：中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞等）的迁移作用会加剧这个过程，颗粒表面的自由基能够直接损伤周边细胞，将进一步加剧炎症因子释放导致局部炎症反应。

4、微循环障碍

局部炎症和肌体组织缺血会导致内皮细胞缺氧，这种能量缺失将导致细胞功能紊乱，细胞壁的离子转运功能受损，细胞内外离子间的平衡被破坏，影响细胞壁离子泵的正常功能，体液将不受控制地流入细胞而导致细胞水肿，水肿的内皮细胞将造成毛细血管内径减小，使微循环系统功能更进一步衰竭。

5、给患者带来二次伤害和并发症

对于那些由于患有疾病或正在进行某种临床治疗，已经造成微循环功能紊乱的患者，药液中的颗粒更容易给患者造成二次伤害，如：创伤、大手术、全身炎症反应、败血症、烧伤、心肌梗塞和中风等。这些患者因输液导致的血管颗粒物增加会导致其本来就不佳的微循环系统更趋恶劣，进而导致器官衰竭以及更严重的并发症。

综上所述：近年来输液中微颗粒污染所造成的危害，已引起人们普遍关注，较大微粒，可造成局部循环障碍，引起血管栓塞；微粒过多造成局部堵塞和供血不足，组织缺氧产生水肿和静脉炎；颗粒物侵入组织，由于巨噬细胞的包围和增值引起的肉芽肿，有人发现曾用40升输液的病人尸检肺标本中有5000个肉芽肿。此外，微粒还可引起热原反应等，因此，有效滤除输液中的微颗粒，阻止其进入人体，以减少对机体造成的伤害和降低临床输液的风险，所以使用药液过滤器滤除药液和输注系统中的异物，在临床上显得尤为重要。

四、药液过滤膜的性能研究

1、孔径与孔径分布

膜的孔径有最大孔径和平均孔径之分，它们都在一定程度上反映了孔的大小，但各有其局限性。

孔径分布是指膜中一定大小的孔的体积占全部孔体积的百分数，由此可以判断膜的好坏，孔径分布窄的膜比孔径分布宽的膜要好。孔径、孔径分布是孔径大小和差别的表示，并没有反映孔的多少，后者要由孔隙率来描述。

2、孔隙率

指整个膜中孔所占的体积百分数，即多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的总体积的比值。孔隙率分为两种：多孔介质内相互连通的微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称为有效孔隙率；多孔介质内相通的和不相通的所有微小空隙的总体积与该多孔介质的外表体积的比值称为绝对孔隙率或总孔隙率。

所谓孔隙率通常是指有效孔隙率，孔隙率与多孔介质固体颗粒的形状、结构和排列有关。孔隙率是影响多孔介质内流体传输性能的重要参数。

3、亲水性

带有极性基团的分子，对水有良好的亲和能力，可以吸引水分子或溶解于水。这类分子形成的固体材料的表面，易被水所润湿。具有这种特性都是物质的亲水性。

亲水性指分子能够透过氢键和水形成短暂键结的物理性质。因为热力学缘故，这种分子也可以溶解在其他的极性溶液内。

一个亲水性分子，或说分子的亲水性部分，是指其有能力极化至能形成氢键的部位，相对于油或其他疏水性溶液而言，更容易溶解于水。亲水性和疏水性分子也可分别称为极性分子和非极性分子。

所谓的亲水性，是可以溶解或电离在水中，疏水是不能在水中电离，会排斥水。

从分子的极性而言，水是极性分子，所以亲水的几乎都是极性分子，而一般的非极性分子都疏水，这类分子形成的固体表面易被水润湿。

过滤膜的主要原料为聚丙烯、聚酯、聚醚砜材料等制成。这些材料制成的过滤膜以其纤维细、有效孔径小、均匀等而受到欢迎。但是，由于其非极性结构以及强的结晶性、没有亲水基团、超分子结构十分紧密、分子间相互作用力大，因此这些材料的亲水性差，影响了过滤效果。为了改善其表面的亲水性，缩短过滤时间提高去除微粒效率，须对其进行接枝改性。按自由基的引发方式，接枝反应可分为：化学接枝、高能射线接枝、紫外线辐射接枝、等离子体接枝等，但无论哪种方法，其目的均是在织物表面引入亲水性基团，如：-COOH、-OH等。

4、表面张力（或表面能）：

是液（或固）体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。在水（或固）内部的一个水（或固体）分子受到周围水（或固体）分子的作用力的合力为零，但在表面的一个水（或固体）分子却非如此。

因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液（或固）相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液（或固）体内部，结果导致液（或固）体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力（固体应为：表面能）。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。

五、聚醚砜滤膜材料性能评价

聚醚砜滤膜（PES膜）是由聚醚砜超细纤维热熔粘连在一起制成，属于深层过滤的一种膜材料，立体结构，是一种亲水性高分子聚合过滤膜，物理、化学性能稳定，而且有很好的药物兼容性；具有系列的孔径，孔隙率高、纳污量大、可反冲和高温消毒、耐压性能好等优点，可以从水溶液中去除不溶微颗粒。

极佳的亲水性和特有的微观结构，使得聚醚砜滤膜润湿迅速且完全，并在保证极高的颗粒拦截效率的前提下，具有更高且稳定的液体流速，对一般酸、碱、脂肪烃、油脂和醇类等制剂稳定，适用于物理和化学灭菌，如：高压蒸汽、咖玛射线和环氧乙烷灭菌，泡点高，膜完整性优良。

聚醚砜滤膜材料对蛋白吸附率非常低，可以保证过滤药液成分的稳定性，适用于一次性使用精密过滤输液器和麻醉用药液过滤器。聚醚砜以其优良的力学性能、稳定的润湿强度和血液相容性常用于制作血液透析器、血液浓缩器、人工肺等，目前国外制作的药液过滤膜多采用聚醚砜材料。

下图分别为PES膜表面图和截面图。

上图显示，聚醚砜滤膜结构纹理清晰，滤孔表面致密性强，而截面图反映出，聚醚砜膜属超细纤维形成的立体结构，此种结构增加了过滤深度及过滤梯度，在过滤过程中既有表面过滤也有深层过滤，提高了过滤效率。

由于某些材料制成的滤膜在药液中长时间浸泡，润湿强度较差，屈服强度有所降低，纤维易于脱落，导致流量降低率上升。我们对聚醚砜膜进行测试验证，流量稳定，表明聚醚砜膜耐浸润性、性能优良，而且流量稳定。

六、其它滤膜材料性能评价

目前市场上用于滤膜材料多为醋酸纤维素膜、尼龙膜等，现将这些材料的性能描述如下。

1、醋酸纤维素膜：

醋酸纤维是从棉花中提炼的，强度差、易粉化，而且易被许多微生物侵蚀而分解，当微生物的种类及取代的化学基团不同时，膜性能被破坏的程度也不相同。

2、尼龙膜：

目前市场的膜大多使用尼龙66，强度高、亲水性好，但也存在耐碱不耐酸的特性。而且本身具有吸湿性，随着吸湿性的增加，它的屈服强度下降，膜孔径易变化，例如变小，使用的时间越长，它的流量降低率越大。

七、结论

从制微孔滤膜材料分析：聚醚砜材料形成的微孔滤膜是由超细纤维经热熔制成，以无药物吸附率、优良的药物兼容性、流量稳定性、低溶出物、无吸附蛋白及提取物、无纤维和微粒脱落、适宜于制成截留微生物微孔滤膜以及理想的过滤微生物的效率、优良的力学性能和润湿强度稳定等而优于其它材料的微孔滤膜，聚醚砜是目前较为适宜的滤膜材料。

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