透析膜表面荷电性能的研究进展_邵嘉慧

・综述・透析膜表面荷电性能的研究进展邵嘉慧中图分类号：Ｒ３１６．０２１ 文献标识码：Ａ作者单位：　２００２４０　上海，上海交通大学环境科学与工程学院血液透析器用于去除肾衰竭患者血液中的新陈代谢废物（溶质分子质量小于４９　６００Ｉｕ）和过量的水。

透析膜是血液透析器的关键。

透析膜的设计最主要考虑两方面的因素：膜的传递特性和膜表面性质。

膜的传递特性决定了溶质的清除率和对液体的去除。

膜的表面性质决定了血液和膜之间相互作用的特性及程度，包括蛋白质的吸附、血栓症、补体激活和免疫反应等［１］。

虽然透析膜的性能最终需要在实际的临床透析过程中确定，但透析膜的体外研究可为深入探究其质量传递和表面性质提供重要的本质认识。

现有的文献报道中有大量的关于血液透析膜传质方面的研究工作，而对膜表面性质的研究报道则较少。

膜表面的荷电性是表征膜表面性质、血液和透析膜之间相互作用的关键特性之一。

因此本文将简要介绍膜的荷电性（?电位），总结近年来透析膜表面荷电性能研究的进展。

１ 膜的?电位（ｚｅｔａ电位）图１为一负荷电膜表面上的离子分布示意图［２］。

紧靠膜表面的一层称为Ｓｔｅｒｎ层，它是不可移动层，由牢固吸附在膜表面的离子和参予部分溶剂化的水分子构成。

在Ｓｔｅｒｎ层的最外缘处液体开始可以移动，这个平面被称为剪切面。

Ｓｔｅｒｎ层以外的层被称为扩散层或双电层，在这里过量的补偿反离子集聚以补偿膜表面的荷电来保持溶液体系的荷电平衡。

膜在溶液中表现的荷电性是由于膜材料本身的荷电官能基团（如磺酸、羧酸或胺基团）所致，和／或由于溶液中离子在膜表面不同程度的吸附所致。

膜的?电位是膜表面动电效应中，固液相之间相对运动时剪切面上的电位差，可以通过实验方法获得。

?电位可以反映出膜表面荷电性质、荷电分布密度等，是研究膜表面荷电性的重要参数。

流动电位方法是测量膜表面?电位使用最广泛的方法。

流动电位测量时，电解质溶液在当双电层厚度（德拜屏蔽长度）远小于膜孔孔径，同时膜表面电导可以忽略时，膜的?电位可应用Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ－Ｓｍｏｌｕｃｈｏｗｓｋｉ公式，直接从实验测得的不同压力（?Ｐ）条件下的流动电位（Ｅｚ）的斜率数据计算出［２］：式中，?为溶液粘度；?ｏ为溶液电导率；?ｏ为自由空间的介电常数；?ｒ为电解质溶液的介电常数。

典型的血液透析膜表面?电位测量的实验装置如图２所示。

外界压力作用下流过膜孔时，靠近膜表面双电层中扩散层中的补偿反离子也随主体流体流经膜孔，并在膜孔的下游积聚而产生电势，这就是通常所指的流动电位。

此流动电位可导致反离子的相对于压力流动方向相反的流动。

在稳态平衡时，这些离子流完全平衡而使整个系统呈电中性。

通过电解质溶液平行流过膜表面，流动电位也可由于相反离子在膜表面集聚而产生。

图１ 负荷电膜表面离子分布示意图?＝?????????　（ ）??ｏ ｄＥｚ?ｏ?ｒ ｄ?Ｐ２膜表面荷电性对溶质清除率的影响大量的实验结果表明带电溶质和荷电膜之间的静电相互作用对蛋白质在超滤膜中的传质具有很大影响［３］。

类似的现象在透析中可能同样存在，即由于带负电的溶质（如磷酸、氨基酸和小分子量蛋白质）和荷负电膜之间的静电相互排斥作用，其清除率会降低。

Ｏｋａｄａ等人［４］通过流动电位的测量计算出了单个纤维素和甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）中空纤维的?电位，并通过Ｈ３２ＰＯ４２－标记的扩散实验获得了磷酸阴离子通过这两种膜的扩散渗透系数。

对于由阴离子和阳离子高分子涂于甲基丙烯酸甲酯膜表面形成的膜，其上的?电位和磷酸渗透系数之间有很好的关联性；而对于表面改性的纤维素膜却没有同样的关联性。

Ｓｕｚｕｋｉ等人［５］用放射性同位素示踪的磷酸氢二钠（Ｎａ２ＨＰＯ４）考察了其在铜仿膜（Ｃｕｐｒｏｐｈａｎ）和血仿膜　（Ｈｅｍｏｐｈａｎ）血液透析器上的渗透系数，其中血仿膜是由二乙氨基乙基纤维素取代原再生纤维素膜上的氢氧基。

负荷电量高的铜仿膜上磷酸离子的清除率较小，这与磷酸阴离子和负荷电膜之间存在的静电相互作用是一致的。

Ｎａｋａｊｉｍａ　等人［６］同样考察了铜仿膜和血仿膜血液透析器上的磷酸离子渗透系数，得出了相似的结果。

郭瑞敏和沈文清等［７，８］报道了不同的透析膜对维持性血液透析患者血磷的影响，得到血仿膜对磷的清除效果优于聚砜膜和铜仿膜，作者认为可能因为血仿膜是唯一带正电荷的膜，其膜表面的正电荷达（０．８６±０．１４）ｍｖ，血中的磷带负电荷，正负相吸。

所以血仿膜除了一般透析器共有的弥散清除作用外，还有将血液中的磷吸附在膜上的作用，因而对磷的清除高于其他膜。

其他膜均带负电荷，无此种作用。

３ 透析膜表面荷电性与补体激活作用、蛋白质吸附等特性的关系缓激肽的释放被公认为是引起透析过程中超敏性反应（也被称为首次使用综合征）的原因之一。

当血浆和负荷电表面接触时产生活化作用，此时血浆激肽释放酶产生高分子质量的激肽原前驱物，进而释放具有很强炎性作用趋势的缓激肽。

Ｒｅｎａｕｘ等人［９］的研究表明透析膜表面荷电量和激肽释放酶以及缓激肽的活化作用直接相关。

他们发现当Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ聚砜血液透析器膜与血浆接触后，激肽释放酶的活化作用非常小，而对于带高负荷电的其它合成膜，如聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯，其活化作用非常大。

不少研究者通过测量透析膜表面?电位值的变化，来考察蛋白质吸附情况。

Ｙａｎ等人［１０］研究发现白蛋白的吸附使ＡＮ６９聚丙烯腈膜上负荷电量增加。

他们认为当溶液ｐＨ为７时，吸附的白蛋白中带负电的氨基酸残基的存在造成了膜上负电量的增加。

Ｗｅｒｎｅｒ及其合作者［１１］考察了溶有肝素或肝素化人血浆的电解质ＫＣｌ（０．００１Ｍ）溶液中几种透析膜上的流动电位。

实验表明随着肝素浓度的增加，铜仿膜和改性纤维素血仿膜上负荷电量增加；随着血浆蛋白质浓度的增加，膜上负荷电量也增加。

实验还发现当肝素浓度高于０．５Ｕ／ｍｌ和蛋白质浓度高于１．２ｍｇ／ｍｌ时，膜上?电位反而有所下降，但文中未给出这种反常现象出现的原因。

Ｋｏｋｕｂｏ等人［１２］用细胞色素Ｃ和?－乳白蛋白作为模型蛋白质，考察了蛋白质吸附对聚丙烯膜上的?电位和离子渗透系数的影响。

当溶液ｐＨ值为７时，细胞色素Ｃ带正电，?－乳白蛋白带负电。

细胞色素Ｃ吸附到聚丙烯膜表面上后，膜上负荷电量减少，因此磷酸氢二钠和氯化钠的扩散渗透系数增加。

相反，?－乳白蛋白的吸附使膜上负电量增加，从而使磷酸氢二钠和氯化钠的扩散渗透系数减小。

因尿素呈电中性，这两种蛋白质的吸附使其扩散渗透系数仅有略微的减少。

Ｋｏｂｕｂｏ等人的研究结果再次显示透析膜表面?电位和带电离子的清除率之间有很好的关联性。

以上研究表明血浆或血液接触后，透析膜表面或膜孔内会形成蛋白质层，从而使溶质和溶剂扩散增加了额外的阻力。

这层蛋白质层还可引起膜表面荷电量的改变，进而影响补体激活、免疫反应［９］和带电溶质的清除率［１２］。

４复用处理对透析膜表面荷电性能和溶质清除率的影响邵嘉慧和Ｚｙｄｎｅｙ［１３］首次直接测量了商业用透析膜（Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ　Ｆ８０Ｂ）上的ｚｅｔａ电位，并报道了次氯酸盐复用处理可明显改变Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ聚砜膜表图２ ?电位测量实验装置面的负荷电量：经次氯酸盐复用处理后，聚砜膜上的ｚｅｔａ电位显著增加。

Ｗｏｌｆｆ和Ｚｙｄｎｅｙ［１４］进一步证实了次氯酸盐复用处理可使Ｆ８０Ｂ膜上的负荷电量增加。

Ｆ８０Ｂ聚砜膜中的共混物聚乙烯吡咯烷酮（ＰＶＰ）中氨基化合物水解会产生带负电的ＣＯＯ－基团，由于膜上ＣＯＯ－基团数目的增加和／或随着ＰＶＰ从膜中被冲洗掉，负离子优先吸附量也增加，最终造成Ｆ８０Ｂ膜上的负荷电量增加。

邵嘉慧［１３］和Ｗｏｌｆｆ［１４］的研究都表明这些ｚｅｔａ电位的变化对小分子尿素的清除率无影响，却引起较大分子清除率的明显增加，这和临床观察到的次氯酸盐复用处理可增加白蛋白流失的报道一致。

但这些研究均没有对磷酸离子清除率的报道。

Ｚｙｄｎｅｙ课题组的Ｓｈａｆｆｅｒ［１５］进而研究了次氯酸盐复用处理对磷酸离子的清除率与膜表面ｚｅｔａ电位的的影响及相关性。

实验结果表明次氯酸盐复用处理降低了透析器对磷酸离子的去除，并且此作用大小直接和Ｆ８０Ｂ膜上的负荷电量增加相关。

他们的实验数据和考虑了静电相互作用对磷酸离子扩散影响作用的理论模型计算值相吻合。

这充分证明了磷酸离子和负荷电膜之间的静电相互作用导致磷酸离子清除率的改变。

Ｗｏｌｆｆ和Ｚｙｄｎｅｙ［１６］报道了过氧乙酸复用处理对Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ　Ｆ８０Ａ聚砜血液透析器膜表面上ｚｅｔａ电位的影响。

实验结果表明过氧乙酸复用处理对Ｆ８０Ａ膜表面负荷电影响很小。

邵嘉慧和Ｚｙｄｎｅｙ［１７］还比较了同种Ｆｒｅｓｅｎｉｕｓ　Ｆ８０Ｂ聚砜血液透析器膜表面上荷电性受次氯酸盐和过氧乙酸复用处理的影响，发现次氯酸盐对Ｆ８０Ｂ膜表面荷电性的影响远大于过氧乙酸复用处理。

过氧乙酸复用处理对磷酸离子清除率的影响以及与膜表面ｚｅｔａ电位的关联性有待进一步的研究。

５ 结束语对透析膜表面荷电性能的研究（?电位的测定）是理解血液和膜之间相互作用的基础，也是开发透析膜新材料（具有良好的生物相容性和较高磷清除率等）的关键基础。

因此，对于透析膜表面荷电性能的研究应引起重视。

参　考　文　献１Ｗｅｒｎｅｒ　Ｃ，　Ｋ？ｎｉｇ　Ｕ，　Ａｕｇｓｂｕｒｇ　Ａ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓｕｒｆａｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　ｐｏｌｙｍｅｒｓ－ａ　ｓｕｒｖｅｙ．Ｃｏｌｌｏｉｄｓ　ａｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅｓ，　１９９９，　１５９：　５１９－５２９．２Ｂｕｒｎｓ　ＤＢ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｂｕｆｆｅｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｚｅｔａ　ｐｏｔｅｎ－ｔｉａｌ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．　Ｊ　Ｍｅｍｂｒ．　Ｓｃｉ，　２０００，１７２：　３９－４８．３Ｂｕｒｎｓ　ＤＢ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｒｏｔｅｉｎ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｉｎ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．ＡＩＣＨＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ，　２００１，　４７（５）：　１１０１－１１１４．４Ｏｋａｄａ，　Ｍ，　Ｔａｋｅｓａｗａ，　Ｓ，　Ｗａｔａｎａｂｅ，　Ｔ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆｚｅｔａ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｄｉａｌｙｓｉｓ　ｍｅｍ－ｂｒａｎｅｓ　ｔｏ　ｉｎｏｒｇａｎｉｃ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ．　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　－　ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｏｒｇａｎｓ，　１９８９，　３５：　３２０－３２２．５Ｓｕｚｕｋｉ，　Ｙ，　Ｋａｎａｍｏｒｉ，　Ｔ，　Ｓａｋａｉ，　Ｋ．　Ｚｅｔａ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆｈｏｌｌｏｗ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉａｌｙｓｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｉｏｎ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ．　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙｆｏｒ　Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｉｎｔｅｒｎａｌ　Ｏｒｇａｎｓ　Ｊｏｕｒｎａｌ，　１９９３，　３９：　Ｍ３０１－Ｍ３０４．６Ｎａｋａｊｉｍａ　Ａ，　Ｍｉｙａｓａｋａ　Ｔ，　Ｓａｋａｉ　Ｋ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｈｏｌｌｏｗ－ｆｉｂｅｒ　ｄｉａｌｙｓｉｓｍｅｍｂｒａｎｅｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｉｏｎ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ．Ｊ．　Ｍｅｍｂｒ．　Ｓｃｉ，２００１，　１８７：　１２９－１３９．７郭瑞敏，于明忠，赵国东．不同透析膜对维持性血液透析患者血磷的清除效果．中国煤炭工业医学杂志，２００５，８（７）：　７２４－７２４．８沈文清，梁波，麦慈光．不同透析膜对维持性血液透析血磷清除的比较研究．现代临床医学生物工程学杂志，　２００３，　９（４）：３２２－３２３．９Ｒｅｎａｕｘ　Ｊ，　Ｔｈｏｍａｓ　Ｍ，　Ｃｒｏｓｔ　Ｔ，　ｅｔ　ａｌ．　Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｋａｌｌｉｋｒｅｉｎ－ｋｉｎｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ：　Ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｍｅｍ－ｂｒａｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｅｇａｔｉｖｉｔｙ，　ｂｌｏｏｄ　ｄｉｌｕｔｉｏｎ，　ａｎｄ　ｐＨ．　Ｋｉｄ－ｎｅｙ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９９，５５：　１０９７－１１０３．１０Ｙａｎ　Ｆ，　Ｄｅｊａｒｄｉｎ　Ｐ，　Ｓｃｈｍｉｄｔｔ　Ａ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅ．　Ｊ．　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉ－ｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９３，９７：　３８２４－３８２８．１１Ｗｅｒｎｅｒ　Ｃ，　Ｊａｃｏｂａｓｃｈ　Ｈ，　Ｒｅｉｃｈｅｌｔ　Ｇ．　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅｍｏｄｉｌａｙｓｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔｒｅａｍｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ，Ｊ．ｏｆ　Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｐｏｌｙｍｅｒ，１９９５，７（１）：　６１－７６．１２Ｋｕｋｕｋｏ　Ｋ，　Ｔａｇｕｃｈｉ　Ｍ，　Ｓａｋａｉ　Ｋ．　Ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｃｈａｒｇｅ　ａｎｄ　ｉｏｎｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＰＡＮ－ＤＸ　ｄｉａｌｙｓｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｐｒｏｔｅｉｎａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ，　Ｔｈｅ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，　１９９６，６２：　７３－７９．１３Ｓｈａｏ　Ｊ（邵嘉慧），　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｂｌｅａｃｈ　ｒｅｐｒｏ－ｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ　ｈｅｍｏｄｉａｌｙｚｅｒｓ．　ＡＳＡＩＯ　Ｊ，２００４，５０：２４６－２５２．１４Ｗｏｌｆｆ　ＳＨ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｂｌｅａｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ　ｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ，　Ｊ．　Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ，２００４，２４３：　３８９－３９９．１５Ｓｈａｆｆｅｒ　Ｊ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｂｌｅａｃｈｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ　ｈｅｍｏｄｉａｌｙｚｅｒｓ：　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃ－ｔｒｏｓｔａｔｉｃ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ．　ＡＳＡＩＯ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００５，５１：７４８－７５３．１６Ｗｏｌｆｆ　ＳＨ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐｅｒａｃｅｔｉｃ　ａｃｉｄ　ｒｅｐｒｏ－ｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅｈｅｍｏｄｉａｌｙｚｅｒｓ．　Ａｒｔｉｆ　Ｏｒｇａｎｓ，　２００５，２９：１６６－１７３．１７ Ｓｈａｏ　Ｊ（邵嘉慧），　Ｗｏｌｆｆ　ＳＨ，　Ｚｙｄｎｅｙ　ＡＬ．　Ｉｎ　ｖｉｔｒｏ　ｃｏｍｐａｒｉ－ｓｏｎ　ｏｆ　ｐｅｒａｃｅｔｉｃ　ａｃｉｄ　ａｎｄ　ｂｌｅａｃｈ　ｒｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓ　ｍｅｍｂｒａｎｅｓ，Ａｒｔｉｆ　Ｏｒｇａｎｓ，（ａｃｃｅｐｔｅｄ）．（收稿日期：２００６－１０－３１）（本文编辑：赵青艺）。