羟基磷灰石 (HAP) 分子式为Ca10 (PO4) 6 (OH) 2, 属于六方晶系, 结构为六方柱体, 是脊椎动物骨和齿的主要成分[1]。由于HAP优异的生物相容性, 生物可降解性, 骨诱导性和蛋白质吸附性能[2], 近年来在生物医学工程方面百富策略白菜网广泛。不仅可以用作控释药物的纳米载体[3], 齿科和人工骨材料[4], 还可以在血液净化过程中作为吸附剂去除有害蛋白[5]。

聚醚砜 (PES) 是一种性能优良的膜材料, 其分子结构中同时具有苯环的刚性、醚基的柔性及砜基与整个结构单元形成的大共轭体系, 玻璃化温度高达225℃[6]。PES具有良好的化学稳定性, 耐高温蠕变性, 尺寸稳定性, 阻燃性, 生物相容性等优异性能, 是制备有机无机复合膜的理想基质材料, 而有机无机复合膜既有高分子材料的柔性和韧性, 又具备无机材料的强度和硬度。Li等[7]通过在PES铸膜液中添加亲水性的中空Si O2微球来制备PES Si O2复合超滤膜来增强膜的抗污染性能;Sun等[8]通过相转化法制备PES/HAP复合膜用来对蛋白质进行分离纯化;Rajabi等[9]研究了纳米Zn O/PES复合膜的水通量, 耐污染性, 亲水性, 孔隙率等结构与性能;Li等[10]通过往PES铸膜液中加入Ti O2前驱体, PES膜的形成和Ti O2的分子自组装同步进行, 从而制备了PES/Ti O2复合膜。

预蒸发时间为膜刮好后在玻璃板上固化的时间, 这时膜内的溶剂向外挥发和从空气中吸水同时进行。预蒸发时间是影响复合膜的结构和性能的重要因素, 本文通过相转化法, 改变预蒸发时间, 制备PES/HAP复合膜, 研究预蒸发时间对复合膜的结构形态、水通量、收缩率、孔隙率、平均孔径和对蛋白质吸附性能的影响。

聚醚砜 (PES) :巴斯夫 (中国) 有限公司, 型号为Ultrason E6020P, 重均分子量为5.8×104g/mol, Mw/Mn=3.6;羟基磷灰石 (HAP) :南京埃普瑞纳米材料有限公司, 粒径为40 nm;N, N-二甲基乙酰胺 (DMAC) :化学纯, 中国医药化学试剂厂;聚乙烯吡咯烷酮 (PVP, K90) :工业级, 巴斯夫 (中国) 投资有限公司;牛血清白蛋白 (BSA) :生化试剂, 国药集团化学试剂有限公司。

PES在使用前先在真空烘箱中烘干2h, 去除水分。将14%的PES和5%的PVP (K90) 于DMAC溶剂中搅拌, 搅拌速率为200 rpm, 40℃加热1h, 使PES充分溶胀。然后升温至75℃, 搅拌器转速升为300 rpm左右, 充分搅拌6 h, 使PES溶解完全。将HAP (其添加量为总固含量的60%) 加入到溶解后的PES溶液中, 25℃搅拌分散24 h, 待溶液完全分散后, 将得到的混合溶液在室温中静置脱泡12 h, 配成铸膜液。将铸膜液倒在洁净的玻璃板的一端, 用刮刀使之铺展成一层均匀的液膜, 分别预蒸发一定时间 (0min, 1min, 2min, 3min, 4min, 5min) 后, 把玻璃板浸入到水中。当膜从玻璃板上漂浮起来后, 放入蒸馏水中充分洗涤、浸泡至中性, 以去除膜表面的溶剂, 得到PES/HAP复合膜, 最后将膜以湿态保存。

采用美国Nicolet公司生产的Nicolet 8700红外光谱仪对PES膜和PES/HAP复合膜进行红外光谱分析来表征膜的化学组成。采用ATR制样, 光谱范围为4000cm-1~400 cm-1, 精度为4 cm-1, 扫描次数为32次。

先将预蒸发时间不同的CS/HAP复合膜在液氮中断裂, 然后在其断面喷金, 用日立S-3000N扫描电子显微镜来观察膜断面的形态结构。

水通量是膜材料选择透过性的一种表现, 在水通量的测试过程中, 以压力为推动力, 施加不同的压力, 所得膜材料的水通量也是不同的。水通量是在自制的超滤评价装置上进行, 先将膜在0.15MPa的压力下预压30min, 然后将压力调至0.1MPa, 使通量保持稳定, 记录一定时间内透过水的体积, 计算膜的水通量, 公式如下:

式中:

JW—水通量, L·m-2·h-1;

V—透过水的体积, L;

A—透过水的面积, m2;

t—透过水的时间, h。

剪一块长方形的膜, 准确量取其长度ao和宽度bo, 然后把膜放在60℃的烘箱内烘干, 再量取其长度a和宽度b, 膜的收缩率按式 (2) 进行计算:

将洗干净的膜放在蒸馏水中浸泡, 剪取一小块膜, 用滤纸吸干膜表面的水分, 量取其长度和宽度, 计算所剪的膜的面积A, 用测厚仪测其厚度Ld, 然后用分析天平准确称其重量W1, 精确至0.0001g, 把膜放在烘箱内烘干。把烘干后的膜放在盛有P2O5的干燥器内平衡8 h, 再准确称量其重量W2。膜的孔隙率可由式 (3) 计算得出:

膜的平均孔径Rf可用式 (4) 来计算:

式中:

Pr—孔隙率, %;

W1—湿膜重量, g;

W2—干膜重量, g;

ρ水—测定温度下水的密度, g/cm3;

A—膜的面积, m2;

Ld—湿膜厚度, m;

J—单位面积水的流量, m3/ (m2·s) ;

ηH2O—水的动力黏度, 0.89×10-3N·s/m2;

ΔP—跨膜压力, N/m2。

取一定量的Na2HPO4·12H2O和Na H2PO4·2H2O配制p H=7的缓冲溶液, 以该缓冲溶液为溶剂, BSA为溶质, 配制不同浓度的BSA溶液, 选用5×10mm的比色皿, 用UV-1800紫外分光光度计来测定BSA溶液的吸光度, 然后绘制p H=7的BSA浓度-吸光度标准曲线 (如下页图1) 。吸光度与BSA浓度的线性关系为y=0.3216x, 其中, x为BSA溶液的浓度 (单位为mg/m L) , y为吸光度。

将PES/HAP复合膜剪成1.5cm×1.5cm大小, 置于30℃真空烘箱中烘干10 h, 然后将烘干的膜置于干燥器中备用。取一片膜称重后放入小样品瓶中, 用移液管移取2 mg/m L的BSA溶液5m L, 密封, 在25℃下的恒温水浴摇床中振荡24h进行膜吸附实验, 然后再用紫外分光光度计测定吸附后溶液中的BSA浓度, 根据公式 (5) 计算其吸附量q (mg BSA/g干膜) :

式中:

C0—BSA原液的浓度, mg/m L;

C1—吸附后BSA溶液的浓度, mg/m L;

W—PES/HAP复合膜的干重, g;

V—BSA溶液的体积, m L。

图2为纯PES膜和PES/HAP复合膜的红外光谱图, 研究HAP加入以后膜化学结构的变化。从图中可以看出, 纯PES膜和PES/HAP复合膜在1326 cm-1和1151 cm-1都有S=O的对称振动和不对称振动峰。HAP表面富含羟基, PES/HAP复合膜的红外光谱图中, 在3425cm-1附近出现一个比较大而宽的峰, 对应O-H的伸缩振动峰, 是HAP的特征峰。

图3所示为不同预蒸发时间制备的PES/HAP复合膜的截面SEM照片, 由A到C其预蒸发时间分别为0, 2, 4 min。由图可知, 预蒸发时间为0时, 复合膜的断面为明显的双指状孔结构, 随着预蒸发时间延长到2min, 从膜底部发展的支撑层中的指状孔逐渐延长, 当预蒸发时间为4min时, 指状孔进一步延长, 几乎贯穿了整个截面, 同时指状孔的形态从直的变为斜的。

随着预蒸发时间的延长, 膜表面固化程度增加, 膜内的溶剂向外扩散的速率变慢, 相转化过程减慢, PES的分子链松弛, 膜内的孔从规整的指状孔发展为斜指状孔。另外, 可以从图中看出, 膜的上皮层的孔结构较为致密且有许多小孔, 下皮层较为疏松, 这与刮膜方式和膜的相转化过程有关, 浸入凝固浴时, 膜的上表面与凝固浴相接触, 下表面与玻璃板相接触, 因此在相转化刚开始时, 上表面的溶剂更容易通过双扩散浸入到凝固浴中, 扩散速度较快, 形成较致密的孔结构, 而靠近下表面的溶剂扩散速度较慢, 形成疏松的膜结构。

下页图4为预蒸发时间对PES/HAP复合膜的水通量的影响。如图所示, 随着预蒸发时间的延长, 膜的水通量逐渐增大。因为在预蒸发过程中, 膜表面的孔结构受两方面因素的影响:一方面是溶剂的吸水性, 空气中的水分进入膜中, 膜表皮层稀释凝固, 有利于形成内部疏松且孔径大的膜结构, 通量增加;另一方面是膜中溶剂挥发, 导致膜表层聚合物的浓度变大, 粘度增大, 聚合物之间容易结合, 膜表面结构致密, 降低膜浸入凝固浴时的相转化速度, 水通量减小。本次实验中所用的溶剂DMAC具有较强的吸水性, 随着预蒸发时间长, 膜内部的孔的结构变得疏松, 水通量随预蒸发时间的延长而增加。

图5为预蒸发时间对PES/HAP复合膜的收缩率的影响。由图可见, 随着预蒸发时间的延长, 膜的收缩率变化不大, 收缩率最小是预蒸发1min时, 收缩率为3.37%, 收缩率最大是在预蒸发时间为2min时, 为4.69%。这与PES/HAP复合膜本身的结构有关, PES分子里含有醚基, 砜基和亚苯基, 构成一种刚性结构, 这种结构使膜本身具有很好的稳定性, 而HAP无机粒子的添加, 进一步增强了复合膜的机械强度, 降低膜的收缩率, 所以预蒸发时间对复合膜的收缩率影响很小。

图6为预蒸发时间对PES/HAP复合膜的孔隙率和平均孔径的影响。由图可见, 随着预蒸发时间的延长, 膜的孔隙率不断减小, 从80.2%减小到64.8%, 平均孔径不断增大, 从39.3 nm到47.2nm。预蒸发开始时, 膜的皮层优先开始固化, 形成一层较为致密的结构, 预蒸发时间越长, 表层越致密, 影响相转化的进行, 膜内部的溶剂向外扩散速率降低, 内部的一些大孔无法从膜表层一直发展至膜底部形成贯通孔, 因此导致膜的有效孔隙率降低。虽然膜在预蒸发时会不断吸水使表层固化, 但是膜进入凝固浴后的相转化速度更快, 而表层的致密程度明显影响相转化速度, 因此溶剂在凝固浴中向外扩散时会形成大孔缺陷, 并且预蒸发时间越长, 表层越致密, 孔径越大。

图7为预蒸发时间对BSA吸附量的影响。由图可知, 当预蒸发时间为0时, 复合膜对BSA的吸附量最大, 达到26.7 mg/g, 同时膜中的HAP对BSA的吸附量也达到44.4 mg/g, 当预蒸发时间为1min~5min时, BSA吸附量都有所降低。复合膜对BSA的吸附, 也就是BSA分子从膜表面向膜内部的HAP吸附位点扩散并被吸附的过程。随着预蒸发时间的延长, 膜内部的孔隙率减小, 结构致密, 阻碍了BSA的扩散。孔隙率的降低, 使部分BSA分子无法到达膜内HAP的吸附位点, 所以延长预蒸发时间, 复合膜对BSA的吸附量有所降低。

本研究用相转化法制备了PES/HAP复合膜, 研究了预蒸发时间对膜的形态结构, 水通量, 收缩率, 孔隙率, 平均孔径和BSA吸附性能的影响。结果表明:随着预蒸发时间的延长, PES/HAP复合膜中指状孔的形态从直的变为斜的;随预蒸发时间的延长, 复合膜的水通量逐渐增大, 收缩率基本没有改变, 复合膜的有效孔隙率不断减小, 平均孔径逐渐增大, 对BSA的吸附量有所降低。