中空纖維透析膜的制備、傳質(zhì)特性及其在低溫保存中應(yīng)用研究.pdf

1、膜分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于血液透析，血液凈化等生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。常用膜組件的形式為中空纖維式的透析器，結(jié)構(gòu)與管殼式的換熱器非常類似。研究也主要集中在三個(gè)方面，中空纖維膜本身的研究、膜組件的傳質(zhì)過(guò)程的研究以及新的膜分離應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)。本文的研究工作也圍繞這樣一條主線完成。 (1)本文首先制備中空纖維膜。浸沒(méi)沉淀相轉(zhuǎn)化法是最主要的制備中空纖維膜的方法，采用相轉(zhuǎn)化干．濕紡絲工藝，以PAN/DMF/水(聚丙烯腈/二甲基甲酰胺/水)為三元制膜體

2、系，以聚乙二醇PEG400作為成孔添加劑，運(yùn)用自行加工設(shè)計(jì)的芯液桶、噴絲頭等關(guān)鍵部件，實(shí)驗(yàn)制備了可以用于血液透析的聚丙烯腈中空纖維膜。通過(guò)顯微鏡觀察中空纖維膜內(nèi)徑、外徑、壁厚等宏觀結(jié)構(gòu)；用掃描電鏡觀察膜橫斷面及表面其他微觀結(jié)構(gòu)。探討了紡絲液的壓力、噴絲頭尺寸、芯液壓力以及卷繞速率等對(duì)中空纖維膜宏觀結(jié)構(gòu)(外徑和壁厚)的影響。結(jié)合相轉(zhuǎn)化法成膜理論，分析目前存在大孔缺陷的原因，找到改良中空纖維膜結(jié)構(gòu)，避免缺陷的基本方法。結(jié)果表明：噴絲頭尺寸對(duì)

3、膜宏觀結(jié)構(gòu)起決定性影響，噴絲頭尺寸越大，所得的中空纖維膜的尺寸也越大；紡絲液壓力增大，纖維膜的內(nèi)、外徑、壁厚均增加；芯液壓力增大，纖維膜的內(nèi)外徑增加，壁厚減少；適當(dāng)增大噴絲頭尺寸，減小紡絲液和芯液壓力，可以減少纖維表面的穿孔，改善纖維膜的結(jié)構(gòu)性能。 (2)本文其次使用Matlab軟件，同時(shí)考慮透析器外殼內(nèi)壁面的影響和中空纖維隨機(jī)排布的影響，通過(guò)假定恒定中空纖維表面濃度和恒定濃度流量?jī)煞N類比傳熱問(wèn)題中經(jīng)常采用的邊界條件，數(shù)值模擬了

4、管外流場(chǎng)充分發(fā)展情況下，中空纖維透析器的管外傳質(zhì)，計(jì)算了透析器管外流場(chǎng)及濃度場(chǎng)分布以及不同填充密度情況下透析器管外傳質(zhì)系數(shù)，考察了壁面、中空纖維的隨機(jī)排布方式、填充密度、管外流體的平均流速等對(duì)管外傳質(zhì)的影響，并與忽略壁面影響的結(jié)果進(jìn)行比較。模擬結(jié)果表明：受中空纖維隨機(jī)排布的影響，管外流場(chǎng)存在溝流現(xiàn)象，局部填充密度的不同導(dǎo)致流場(chǎng)分布不均勻；隨機(jī)排布的方式對(duì)傳質(zhì)系數(shù)有較大的影響，但相比忽略壁面影響時(shí)的影響要??；管外流速越大，傳質(zhì)系數(shù)也越大；

5、在所研究的中空纖維填充密度范圍內(nèi)(10％～50％)，隨著填充密度的增大，透析器的管外傳質(zhì)系數(shù)先增大，后減小，變化幅度均較小，存在一個(gè)最佳的填充密度；與忽略壁面影響時(shí)的值比較發(fā)現(xiàn)，在填充密度較小時(shí)，壁面對(duì)傳質(zhì)有促進(jìn)作用，填充密度較大時(shí)，則相反。 (3)本文最后將透析膜分離方法應(yīng)用到低溫生物學(xué)領(lǐng)域，特別是細(xì)胞低溫保存過(guò)程中低溫保護(hù)劑的去除。成功搭建實(shí)驗(yàn)裝置，研究各種因素對(duì)細(xì)胞溶液中滲透壓變化的影響，結(jié)果表明：透析液側(cè)預(yù)填充亞高滲的低

6、溫保護(hù)劑溶液或者高滲的鹽水溶液，能夠有效減緩初始時(shí)的滲透壓突變。隨著清洗過(guò)程進(jìn)行，逐步加速血液和透析液的流速可以增大清洗效率，縮短清洗所需要的時(shí)間。兩者結(jié)合可以得到最佳的清洗程序。 分別運(yùn)用透析法和常規(guī)離心方法做了去除紅細(xì)胞低溫保護(hù)劑甘油的實(shí)驗(yàn)，新方法冰凍-復(fù)溫．洗滌后的紅細(xì)胞計(jì)數(shù)回收率(％)為89．71±2．46(平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差)，血紅蛋白回收率(％)為84．93±4．64，上清游離血紅蛋白的含量(g/L)為0．66±0．1

7、3，所得冰凍-復(fù)溫-洗滌后的紅細(xì)胞懸液的滲透壓(殘余甘油的含量)為340．33±20．56mOsm，與傳統(tǒng)離心方法所得結(jié)果相當(dāng)，均達(dá)到了國(guó)家對(duì)冰凍洗滌紅細(xì)胞的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。清洗一個(gè)單位冰凍紅細(xì)胞需要用時(shí)30-40分鐘，遠(yuǎn)小于離心方法所需要的約2個(gè)小時(shí)。結(jié)果表明：與常規(guī)的離心洗滌法比較而言，本文方法能夠快速有效安全地去除低溫保存細(xì)胞懸浮液中的低溫保護(hù)劑。 設(shè)計(jì)自動(dòng)控制的清洗系統(tǒng)，初步調(diào)試結(jié)果驗(yàn)證了其可行性和潛力，表明該系統(tǒng)將在醫(yī)院