Способ изготовления трековой мембраны для фильтрации крови
Владельцы патента RU 2519184:
Общество с ограниченной ответственностью "НАНО КАСКАД" (RU)
Изобретение относится к способам изготовления трековых мембран и может быть использовано для получения мембранных материалов, пригодных для ультрафильтрации жидких сред в медицине, биотехнологии, фармацевтике и микробиологии, а именно мембранных материалов для фильтрации крови. Способ изготовления трековой мембраны для фильтрации крови включает облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне и последовательную обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, раствором полиэтиленимина и раствором поливинилпирролидона. В качестве заряженных частиц используют ионы криптона при плотности облучения 0.9·109÷1.1·1010 ионов/см2. Время экспозиции при сенсибилизации пленки излучением в ультрафиолетовом диапазоне составляет 9-17 минут при интенсивности ультрафиолета А 5.8-12.5 Вт/м2, а ультрафиолета В - 2.6-4.4 Вт/м2. Изобретение позволяет повысить задерживающую способность изготавливаемой трековой мембраны по отношению к липопротеинам низкой плотности в крови человека при сохранении альбуминовой фракции. 4 ил., 6 табл., 3 пр.
Изобретение относится к способам изготовления трековых мембран и может быть использовано для получения мембранных материалов, пригодных для ультрафильтрации жидких сред в медицине, биотехнологии, фармацевтике и микробиологии, а именно, мембранных материалов для фильтрации крови.
Известен способ изготовления трековой мембраны, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, и последовательную обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, раствором полиэтиленимина и раствором поливинилпирролидона (см. патент RU 2325944, кл. МПК B01D 61/00, опубл. 10.06.2008). Недостатком известного способа является невозможность получения мембраны, селективно задерживающей выбранные компоненты плазмы крови.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении задерживающей способности изготавливаемой трековой мембраны по отношению к липопротеинам низкой плотности в крови человека при сохранении альбуминовой фракции. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе изготовления трековой мембраны для фильтрации крови, включающем облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, и последовательную обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, раствором полиэтиленимина и раствором поливинилпирролидона, в качестве заряженных частиц используют ионы криптона при плотности облучения 0.9·109÷1.1·1010 ионов/см2, а время экспозиции при сенсибилизации пленки излучением в ультрафиолетовом диапазоне составляет 9-17 минут при интенсивности ультрафиолета A 5.8-12.5 Вт/м2, а ультрафиолета B - 2.6-4.4 Вт/м2.
На рисунке №1 представлено распределение пор полученной мембраны по их размеру.
На рис.№2 - Гистограмма распределения пор по размерам в исследуемых образцах мембраны по примеру 1.
На рис.№3 - Гистограмма распределения пор по размерам в исследуемых образцах мембраны по примеру 2.
На рис.№4 - Гистограмма распределения пор по размерам в исследуемых образцах мембраны по примеру 3.
Первой стадией получения трековой мембраны является облучение полимерной пленки на ускорителе с целью образования треков - каналов радиационного повреждения без сквозных отверстий в пленке. При изготовлении трековой мембраны для снижения уровня липопротеинов низкой плотности в крови человека тонкую (12 мкм) полимерную пленку (материал - полиэтилентерефталат) облучают на циклотроне ионами криптона (Kr) с плотностью 0.9-1·1010 ионов/см2. Выбор Kr в качестве ускоряемого иона заряженных частиц обусловлен увеличенной (по сравнению с Ar) скоростью облучения полимерной пленки на ускорителе, а также диапазоном пор трековой мембраны 0,02-0,13 мкм, изготовленной на основе этой пленки. Указанная плотность облучения позволяет впоследствии получить необходимое количество пор в мембране (при большем количестве пор механическая прочность мембраны падает, при проведении фильтрации возможно нарушение целостности мембраны), а при меньшем - неоправданно увеличивается гидравлическое сопротивление, создаваемое мембраной, и скорость отбора фильтрата значительно уменьшается).
Следующей стадией получения трековой мембраны является сенсибилизация облученной пленки ультрафиолетовым излучением с целью ускорения последующего химического травления. При изготовлении трековой мембраны для снижения уровня липопротеинов низкой плотности в крови человека устанавливают экспозицию 9-17 минут при интенсивности ультрафиолета A 5.8-12.5 Вт/м2, а ультрафиолета B - 2.6-4.4 Вт/м2. Экспериментально было обнаружено, что именно такие параметры сенсибилизация обеспечивает получение такого распределения пор по размерам, которое обеспечивает максимальную задерживающую способность изготавливаемой трековой мембраны по отношению к липопротеинам низкой плотности в крови человека при сохранении альбуминовой фракции.
Завершающей стадией изготовления трековых мембран является избирательное химическое травление - на местах образования треков формируются сквозные отверстия - поры. При изготовлении трековой мембраны для снижения уровня липопротеинов низкой плотности в крови человека исходную облученную и сенсибилизированную пленку подвергают воздействию щелочи (NaOH) в течение 5-20 минут при температуре 80°C. Концентрация щелочи 1-2 моль/л, скорость на установке травления 40-70 м/ч.
Химическую модификацию мембраны с указанными выше характеристиками проводят в динамическом режиме путем последовательной обработки поверхности мембраны водорастворимыми полимерами - полиэтиленимином (средний молекулярный вес не более 1800) и поливинилпирролидоном (средний молекулярный вес 10000). Время модифицирования каждым раствором варьируется от 5 до 30 минут. Обычно эту стадию проводят уже в готовом изделии - плазмофильтре.
После модифицирования вышеуказанными реагентами и непосредственно перед фильтрацией плазмы крови трековая мембрана также в динамическом режиме обрабатывается физиологическим раствором хлорида натрия (с целью удаления следов вышеуказанных реагентов и блокирования попадания их в кровеносное русло человека).
Конкретные варианты реализации предложенного метода иллюстрируются нижеследующими примерами.
Пример 1.
Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной 12 мкм облучали на циклотроне ускоренными ионами криптона, плотность облучения ~ 0,9·109 ионов/см2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе в ультрафиолетовом излучении в течение 17 минут при интенсивности ультрафиолета A равной 5,8 Вт/м2, а ультрафиолета B - 2.6 Вт/м2.
Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 6,5 минут водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 1 моль/л при температуре 80°C. Затем мембрана последовательно обрабатывалась растворами полиэтиленимина с концентрацией 2% масс и поливинилпирролидона с концентрацией 2% масс.
Получили трековую мембрану с эффективным диаметром пор 92±3 нм и пористостью ~ 6%.
Результаты полученных данных сведены в Табл.1. Гистограмма распределения пор полученной вышеописанным способом трековой мембраны приведена на Рис.№2.
| Таблица 1. | |
| Сводная таблица полученных результатов распределения пор по размерам. | |
| Диапазон по размерам, пт | Время экспозиции УФ |
| 17 мин |
| Распределение пор по размерам, % | ||||||
| № образца | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | среднее |
| dэф.ср., пт | 89,4 | 92,9 | 94,7 | 93,8 | 91,5 | 92,46 |
| 0-20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20-30 | 0,3 | 0,1 | 0 | 0 | 0,2 | 0,12 |
| 30-40 | 2,7 | 2,4 | 1,4 | 2,1 | 1,9 | 2,1 |
| 40-50 | 3,2 | 2,8 | 3,1 | 3,7 | 2,4 | 3,04 |
| 50-60 | 5,6 | 4,2 | 4,8 | 5,3 | 4,3 | 4,84 |
| 60-70 | 9,1 | 8,3 | 9,6 | 8,8 | 8,9 | 8,94 |
| 70-80 | 11,4 | 11,6 | 11,3 | 12,2 | 12,7 | 11,84 |
| 80-90 | 29,2 | 26,2 | 23,1 | 21,7 | 25,8 | 25,2 |
| 90-100 | 31,4 | 35,5 | 37,2 | 36,9 | 35,9 | 35,38 |
| >100 | 7,1 | 8,9 | 9,5 | 9,3 | 7,9 | 8,54 |
Пример 2.
Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной 12 мкм облучали на циклотроне ускоренными ионами криптона, плотность облучения ~ 1,1·109 ионов/см2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе в ультрафиолетовом излучении в течение 9 минут при интенсивности ультрафиолета A равной 12,5 Вт/м2, а ультрафиолета B - 4,4 Вт/м2.
Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 6 минут водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 1 моль/л при температуре 80°C. Затем мембрана последовательно обрабатывалась растворами полиэтиленимина с концентрацией 2% масс и поливинилпирролидона с концентрацией 2% масс.
Получили трековую мембрану с эффективным диаметром пор 88±3 нм и пористостью ~ 6,7%.
Результаты полученных данных сведены в Табл.2. Гистограмма распределения пор полученной вышеописанным способом трековой мембраны приведена на Рис.№3.
| Таблица 2. | ||||||
| Сводная таблица полученных результатов распределения пор по размерам. | ||||||
| Диапазон по размерам, пт | Время экспозиции УФ | |||||
| 9 мин | ||||||
| Распределение пор по размерам, % | ||||||
| № образца | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | среднее |
| dэф.ср., пт | 85,5 | 91,3 | 89,7 | 88,8 | 86,4 | 88,34 |
| 0-20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20-30 | 0,7 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,6 | 0,44 |
| 30-40 | 3,8 | 2,1 | 5,3 | 4,1 | 3,1 | 3,68 |
| 40-50 | 4,1 | 3,2 | 4,1 | 3,6 | 4 | 3,8 |
| 50-60 | 9,3 | 7,2 | 6,6 | 8,9 | 8,1 | 8,02 |
| 60-70 | 9,6 | 5,4 | 9,4 | 9,1 | 9,9 | 8,68 |
| 70-80 | 12,5 | 12,1 | 11,8 | 11,5 | 12,8 | 12,14 |
| 80-90 | 32,9 | 29,1 | 30,4 | 33 | 35,5 | 32,18 |
| 90-100 | 25,3 | 37,5 | 29,5 | 27,2 | 23,4 | 28,58 |
| >100 | 1,8 | 3,3 | 2,6 | 2,1 | 2,6 | 2,48 |
Пример 3.
Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной 12 мкм облучали на циклотроне ускоренными ионами криптона, плотность облучения ~ 1,0·109 ионов/см2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе в ультрафиолетовом излучении в течение 13 минут при интенсивности ультрафиолета A равной 9,6 Вт/м2, а ультрафиолета B - 3,2 Вт/м2.
Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 6 минут при температуре 80°C водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 1 моль/л при температуре 80°C. Затем мембрана последовательно обрабатывалась растворами полиэтиленимина с концентрацией 2% масс и поливинилпирролидона с концентрацией 2% масс.
Получили трековую мембрану с эффективным диаметром пор 90±3 нм и пористостью ~ 6,4%.
Результаты полученных данных сведены в Табл.3. Гистограмма распределения пор полученной вышеописанным способом трековой мембраны приведена на Рис.№4.
| Таблица 3. | ||||||
| Сводная таблица полученных результатов распределения пор по размерам. | ||||||
| Диапазон по размерам, пт | Время экспозиции УФ | |||||
| 13 мин | ||||||
| Распределение пор по размерам, % | ||||||
| № образца | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | среднее |
| dэф.ср., пт | 86,8 | 90,5 | 92,1 | 89,6 | 93,2 | 90,44 |
| 0-20 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 20-30 | 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,5 | 0,3 | 0,3 |
| 30-40 | 3,1 | 2,8 | 2,6 | 3,2 | 2,3 | 2,8 |
| 40-50 | 4 | 3,3 | 3,2 | 3,8 | 3,4 | 3,54 |
| 50-60 | 8,6 | 7,6 | 5,2 | 7,2 | 5,1 | 6,74 |
| 60-70 | 9,4 | 9,1 | 9,3 | 8,3 | 8,2 | 8,86 |
| 70-80 | 12,4 | 11,2 | 11,6 | 12,3 | 12,5 | 12 |
| 80-90 | 30,1 | 29 | 30,1 | 30,5 | 27,6 | 29,46 |
| 90-100 | 29,2 | 31,7 | 34,8 | 29,9 | 35,4 | 32,2 |
| >100 | 2,8 | 5,1 | 3,1 | 4,3 | 5,2 | 4,1 |
Тестирование полученной трековой мембраны показало следующее.
Базовые характеристики получаемой мембраны приведены в табл.4. Примерное содержание пор определенного диаметра на единице поверхности представлено в табл.5 (см. также рис.№1).
Через поры трековой мембраны с указанными характеристиками была проведена фильтрация плазмы крови в тангенциальном режиме с рециркуляцией. Для рассмотрения эффективности фильтрации введем коэффициент пропускания S:
где Cf - концентрация растворенного вещества в фильтрате, Cin - концентрация растворенного вещества на входе в плазмофильтр. Полученные селективные свойства (значения параметра S) вышеуказанной мембраны по целевым компонентам сведены в табл.6.
Результаты по селективным свойствам выбранной мембраны в значительной мере зависят от качества исходной плазмы, однако можно сделать вывод, что модифицированная трековая мембрана с полученным распределением пор позволяет задержать 70-75% патогенных липопротеинов низкой плотности, в то же время сохраняя 70-80% альбумина и общего белка, необходимых для нормальной работы организма.
Таким образом, трековая мембрана, полученная предлагаемым способом, позволяет эффективно и селективно отфильтровывать из плазмы крови человека патогенный компонент, повышенное содержание в крови которого ведет к развитию заболеваний системы кровообращения - ишемической болезни сердца, атеросклероза и др.
| Таблица 4 | ||
| Пористость, % | Диаметр пор по СЭМ, нм | Эффективный диаметр пор, нм / Газодинамический диаметр пор, нм |
| не менее 5 | 150 | 85-95/110-130 |
| Таблица 5. | |
| Диаметр пор, нм | % от общего количества пор |
| 0-20 | 0 |
| 20-30 | Не более 1% |
| 30-40 | Не более 6% |
| 40-50 | Не более 8% |
| 50-60 | Не более 10% |
| 60-70 | Не более 10% |
| 70-80 | Не более 13% |
| 80-90 | Не менее 21% |
| 90-100 | Не менее 21% |
| >100 | Не более 10% |
| Таблица 6. | |
| Компонент | S |
| Общий белок | Не менее 70% |
| Альбумин | Не менее 75% |
| Липопротеины высокой плотности | Не менее 65% |
| Липопротеины низкой плотности | Не более 25% |
Способ изготовления трековой мембраны для фильтрации крови, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне и последовательную обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, раствором полиэтиленимина и раствором поливинилпирролидона, отличающийся тем, что в качестве заряженных частиц используют ионы криптона при плотности облучения 0.9·109÷1.1·1010 ионов/см2, а время экспозиции при сенсибилизации пленки излучением в ультрафиолетовом диапазоне составляет 9-17 минут при интенсивности ультрафиолета А 5.8-12.5 Вт/м2, а ультрафиолета В - 2.6-4.4 Вт/м2.
