專利名稱：精餾滲析器、膜及方法
技術領域：
本發明涉及流體過濾裝置(如血液滲析裝置)、生物反應器和與之有關的方法。具體地說，本發明涉及一種具有精餾過濾性能以及適于完成此滲析和其它過濾操作的雙皮層膜的改進的滲析器或生物反應器，以及制備和使用這種膜的方法。
滲析膜和裝置用于人工腎和其它類型過濾裝置上時具有重要的生命維持作用。高通量滲析器的一個公認的問題是從滲析液到血液返向過濾所不希望的一些分子。由于使用滅菌、無熱源的滲析液成本高昂，所以最好有適用的某種滲析膜，這種膜能除去相當大的溶質(如β-2小球蛋白)，同時能阻止大小相似的分子從滲析液到血液中。但是，給從血液到滲析液的溶質提供高擴散速度的滲析膜，也會遇到溶質從滲析液返回到血液的高速反向擴散問題。同樣，提供高速傳遞的現有的滲析膜也遇到高速反向過濾的問題。因此，對滲析膜的現實要求是它能夠從血液中適當的除去尿毒癥毒素，同時能防止所不希望的物質反回到血液中。同樣，其它的流體過濾法得益于具有這樣的精餾性能的膜的適用性。
目前還需要一些裝置，如生物反應器等，其中精餾膜提供了一種向用于制造不能由傳統的合成化學方法經濟地加以制造的產品的活細胞供給營養物，同時從中帶走產品和廢的副產品用手段。
本發明的一個主要目的在于提供滲析裝置之類過濾裝置用的新的和改進的膜，以及制備這類膜的方法。本發明的另一方面在于提供一些改進的過濾裝置，其中裝有具有精餾性能(即在一個方向上的篩選系數大于另一方向上的值)的膜，以及采用這樣裝置的改進的過濾方法。
本發明的又一重要內容，涉及提供一些雙皮層膜，如這樣一類空芯纖維膜，其中孔徑、孔結構和所產生的篩選系數在所說膜的兩個相對表面之間均不相同。在優選方案中，所說的膜是空芯纖維狀，其中所說纖維內壁或內皮層的篩選系數或對特定尺寸分子的滲透率大于外壁的。這樣的纖維可以按照已知方法組裝成滲析裝置，以便提供這樣一種滲透裝置，其中大溶質能從血液之類流體中除去，在纖維的內部流到包圍纖維的濾液或滲透液中。由于在纖維的外側備有一層致密性不等的滲透性皮層，因而發現從纖維外側反流到內側的反流現象被顯著降低。
本發明的另一個重要的目的在于提供一種可以在滲析器中作為單向(one way)膜或反濾作用減小的精餾膜用的雙皮層膜。優選的膜是呈空芯纖維狀的雙皮層聚合物材料。所說的膜的相對側有聚合物皮層，這些層有不同的溶質滲透率或篩選系數特性。這類的膜可以如下方法成形擠出溶解在溶劑中的聚合物，同時使其至少一個表面與所說溶劑能混溶的該聚合物的非溶劑接觸，另一表面也與一種非溶劑接觸，但所說的非溶劑或者不同于第一種非溶劑，或者含有在擠出的被溶解的聚合物形成皮層時改變孔徑和結構的可溶解的添加劑。
在本發明的另一方面，和用本發明提供的膜制成了具有的精餾性能的改進的滲析裝置。此外，本發明還提供了一種制備雙皮層膜的方法，它包括的步驟如下提供一種溶在溶劑中的聚合物溶液，擠出所說的溶液生成一種連續伸長的形狀(例如空芯管)、且通常具有均勻厚度的薄的橫斷面，和相對的兩個大表面，其中一個表面與能和所說溶劑混溶的第一液體接觸，但是此液體是所說聚合物的一種非溶劑，以在上述表面形成一聚合物皮層。相對的另一表面同時或隨后與所說聚合物的第二種液體非溶劑接觸。所說的第二種非溶劑液體也可以與所說溶劑混溶，并且使產生的第二聚合物皮層具有與在所說膜相對表面上形成的第一聚合物皮層不同的滲透率特性。
按照本發明的另外一些內容，將精餾膜裝入生物反應器中以便提供這樣一類裝置，其中透過膜向反應容器的輸送速度與透過膜從容器向液流反輸送的速度是不同的，所說的液體用來供給營養物并且從所說容器中所含的活細胞帶走廢副產物。使用這類膜可以使昂貴的血漿成分通過所說膜到達細胞，然后在反應容器中濃縮，因而降低了血漿成分的需要量。本發明的空芯纖維膜生物反應器是一種類似滲析的裝置，其中活動物，植物或細菌細胞在圍繞空芯纖維的殼程空間中生長。流體通過纖維流動，向細胞供給營養物，同時除去廢的產物。在此情況下，整過殼程區域無直接的流體流動，通向殼程空間的一些口被封閉形成用于生物反應器的容器。但是，在所說生物反應器內的starling′s流動將溶質帶入或帶出所說的殼程空間。根據產物分子的大小，可以使之反向透過膜，而純化廢物流，也可以在殼程空間收集，并間歇式或半連續式除去。
在所說方法的優選方案中，通過在一個非溶劑芯四周擠出聚合物溶液形成連續空芯圓筒，因此在圓筒的內部形成一皮層。通過使圓筒的外部與第二非溶劑接觸，形成第二皮層。可以使用制成的空芯圓筒或空芯纖維束制成滲析裝置。所說的非溶劑，最好是一種含有增大第一層，即內部皮層孔隙率的溶質的水溶液。所說空芯纖維的外表面可以與一種不同的非溶劑組合物接觸，以形成具有不同溶質滲透率特性的第二皮層。
本發明的優選滲析裝置用空芯的聚合物纖維膜制成，所說空芯聚合物纖維膜壁具有微孔結構，所說的微孔結構具有在其內外表面上整體形成的一層聚合物皮層。所說的外皮層篩選系數與內皮層的不同。本發明的精餾滲析裝置為從血液等體液中除去所不希望的物質提供了一種手段，其中溶質從血液到滲析液中高速過濾，同時使從滲析液到血液所不希望的溶質的反過濾維持在一個相當低的速率之下。
本發明將在下列詳細說明中參照附圖作更為詳細的說明，其中附

圖1是說明制成本發明空芯纖維狀的膜的方法的流程示意圖;
附圖2是實施本發明時使用的環狀擠出模的剖面視圖;
附圖3是本發明過濾裝置經部分剖視的一側正視圖;
附圖4是說明假定在使用本發明過濾裝置時存在的過濾機理，作了充分放大的示意圖;
附圖5和6是在電子顯微鏡下不同放大倍數時拍攝的本發明空芯纖維膜的剖面視圖;
附圖7是本發明生物反應器的一側正視圖;
現在更具體參照附圖加以說明，附圖1示意說明一種空芯纖維的紡絲系統60。聚合物在有機溶劑中的溶液62存放在容器64之中，借助于計量泵66將溶液62自容器64送到環形擠出模68內;按相似方式，將作為聚合物的非溶劑的凝聚劑溶液72盛裝在第二容器70之中，并用另一臺泵使其輸送到模68之中。
非溶劑72和聚合物溶液62在兩種溶液從所說模擠出而互相接觸時，在所形成的界面63上互相反應，此反應決定了內部膜的最終結構和性能。
然后成型的擠出物通過空氣間隙76之后落下，并進入含第二種非溶劑凝聚劑溶液80的浴78之中。該擠出物與第二溶液80之間的反應決定著外部膜的結構和性能。利用驅動輥82從浴78中將纖維拉出，必要時再經過一或多個附加浴84之后，從空芯纖維中完全提取出溶劑。經提取過的纖維最后被纏繞在一臺多段卷繞機86上，然后干燥之。
將干燥過的纖維88切成一定長度，并置于殼室90中，用熱固性樹脂92將纖維88密封在所說殼室內，將此組裝件裝上端蓋94和96，在殼室上也備有濾液的入口97和出口98。
圖5和圖6以放大的截面圖形式說明本發明的一典型纖維88，它示出了內部的微孔結構83、內部皮層85和外部皮層87，外部皮層87的孔隙率不同于內部皮層85的。
總篩選系數是隨同被過濾的流體穿過膜進入的溶質的分數，利用膜上游側溶質濃度去除膜下游側的溶質濃度算得。
對單皮層膜來說，總篩選系數等于所說皮層的篩選系數，其值為溶質穿過該皮層的分數。皮層本身的篩選系數僅僅取決于孔和溶質分子的相對尺寸。皮層越致密(即孔越小)，穿過它的給定分子的分數值就越小。
但是，對于雙皮層膜來說，達到第二層表皮的溶質濃度取決于第一層皮層的特性和流動條件，所以總篩選系數既具有流動的屬性又具有膜的屬性。精餾膜的關鍵，即一個方向上的篩選系數不同于另一方向上的篩選系數，在于一個方向上的流動導致溶質在所說膜的兩個皮層之間積聚。
圖4示意說明雙皮層精餾膜88，其中外皮層12比內皮層14更致密。由于施加的壓力梯度的結果使流體從內部流到外部。在這種情況下，進入膜88中心區16的部分分子當它們達到較致密的外皮層時被截留。膜內部濃度提高一直達到一個穩態值為止，在纖維外部流體20中的濃度也隨之一起上升。纖維腔18中的濃度未變，所以總篩選系數與時俱增，達到一個高于僅有致密皮層12所能獲得的穩態值為止。
如果同樣的膜曝露在相反方向上的一個壓力梯度下，而流體從外部流向內部，則溶質很難完全進入到膜之中，所以膜中無溶質積聚。在這種情況下，膜內部的濃度和膜下游側的濃度都低，總篩選系數小于在另一方向上所獲得的數值。
在本發明方法中可以使用各種聚合物制成空芯纖維膜。所說的聚合物必須至少溶于一種有機溶劑中和不溶于另一種與所說溶劑混溶的液體中。適用的聚合物實例有聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺、聚偏二氟乙烯、聚丙烯和聚醚砜。適于這些聚合物的溶劑實例有N-甲基-2-吡咯烷酮、N，N′-二甲基甲酰胺、N-N′-二甲基乙酰胺和γ-丁內酯。優選的，可以用作凝聚劑或膠凝劑來形成所說皮層的非溶劑是水。其它適用的液體包括甲醇、乙醇-水混合物(如95或99.5體積%的乙醇水溶液)或異丙醇。為了使形成的皮層具有不同的孔隙率，可以在所說的非溶劑中加入各種物質，例如聚乙烯醇、三水縮四乙二醇、聚乙二醇、過氯酸鹽和聚乙烯基吡咯烷酮。
本發明的一個重要優點是能夠為被濾除液體的、具有定義窄的分子量范圍的分子提供具有不同篩選系數的纖維膜。例如，所提供的纖維膜具有能夠過濾在膜的一側比另一側分子量差為5000～10000的分子。通過適當改變孔隙率，也可以使篩選系數最佳化，使之適于過濾分子量范圍為10000～15000或者甚至于15000～20000的分子。最佳化的獲得方式是調節凝聚劑溶液的組成和所加摻雜劑的數量和類型，此外還有改變紡絲的條件(如流速、流速和空氣間隙距離等等)。
實施例下列實施例詳細說明按本發明生產和使用膜的諸優選方法。除非另外注明，否則全部份數均指重量份數而言。
實施例1采用圖1和圖2所示的紡絲系統和方法，按照表1所示出的配方和工藝條件制備了空芯纖維;按實施例3將這些纖維組裝成試驗組件，并按上述的操作測定了篩選系數。所制得纖維用于肌紅蛋白的篩選系數，經測定為0.35(濾液徑向向外流動時)和0.8(濾液向內流動時)。
表Ⅰ聚合物 聚砜溶劑 N-甲基吡咯烷酮紡絲溶液濃度 15克/100克芯流液組成 異丙醇/水(15:85)沉淀浴液組成 異丙醇/水(2:98)洗滌浴液組成 水空氣間隙距離 1cm線速度 18米/分紡絲溶液流速 1.8C.C/分芯流針孔直徑 0.009英寸模具環狀間隙 0.0035英寸實施例2除了芯流液組成為異丙醇/水(10/90)和沉淀浴液是異丙醇/水(5/95)之外，其它按實施例1條件制備了空芯纖維膜。圖5和圖6分別是所得纖維膜在2000和400倍放大倍數下得到的掃描電子顯微照片，圖中表明與手指相似的結構從每個邊界伸出并在壁的中部會合;經測定對肌紅蛋白的篩選系數在向外流動濾液和向內流動時分別為0.45和0.90。
實施例3試驗方法試驗組件裝配如下在長約22cm、內徑約0.6cm的一些微型滲析器殼體中封裝入100根纖維，用聚氨酯封裝每端大約1cm，使有效長度保留20cm，滲析液口設在距每端的封裝材料大約1cm處。
使用一臺血液滲析機配料系統用濃縮物制備了下列組成的標準滲析液Na 134毫當量/升K 2.6毫當量/升Ca 2.5毫當量/升Mg 1.5毫當量/升Cl 104毫當量/升乙酸鹽 36.6毫當量/升葡萄糖 2500毫當量/升肌紅蛋白溶液是在每升滲析液中加入330mg肌紅蛋白來制備的。使用肌紅蛋白(分子量＝17000)作為B-2微球蛋白(分子量＝12000)等中等微球蛋白的標記物，因為它可以用分光光度法測量。
用注射器向腔內和濾液室內注入醇(異丙醇或乙醇)，然后用過量滲析液中沖洗試驗組件，關閉濾液口用泵通過腔打入250ml，然后打開一個濾液口再打入200ml。為了測量入口流速，關閉滲析液口，開啟灌注泵至所需的速度(10.5ml/分)，利用定時收集法測量流出速度。
測量篩選系數時，將試驗組件固定在垂直位置上，纖維與臺用插頭垂直。將灌注泵連接到一個入口貯罐上，從灌注泵引出的管線連接到底部集管上，廢產品管連接到頂部集管上。關閉滲析液口，啟動泵，將試驗溶液抵達該裝置的時刻定為零時。
在時間為零時，滲析液側的原始溶液通過開啟兩個活栓而放出，然后關閉下滲析液口，當濾液室一充滿就從上口取出零時刻的濾液樣品;同時將出口腔樣品收集在另一只燒杯中。直接從入口貯罐取入口腔樣品。然后每隔3分鐘收集濾液樣品。在樣品之間不要損失濾液。利用Gilford分光光度計測定每個樣品的肌紅蛋白含量。篩選系數按公式計算S＝ (2×滲析液中的濃度)/((入口腔濃度+出口腔濃度))取樣操作一直持續到所算出的篩選系數對三個連續取的樣品為定值時為止。
本發明的生物反應器示于圖7之中，其結構與圖3所示的裝置有些相似。但是在生物反應器中，纖維四周的空間89被殼90的內部和熱固性樹脂92所密封，并構成活細胞生長的一個反應容器。如圖所示，口97和98或省略或能由閥99和100所關閉。根據設備尺寸，可以使產品反向透過膜88，并將廢物流純化，或者可以在構成所說反應容器的殼空間中收集，再從此可以將其以半連續式或間歇式地放出。
營養物、廢產物和所需的生物產品透過膜的遷移可以通過擴散和/或對流方式進行。在空芯纖維內產生的軸向壓力降造成Starling′s流動，而在裝置入口處從管側向殼側以及在裝置出口處從殼側向管側產生對流作用。
一些典型的細胞需要昂貴的生長介質。其中可以含有10%的牛胎腓腸血清。使用精餾膜可以使血清成分通過膜到細胞，然后在殼程空間被富集，因而減小了所需介質的容積。這也降低了通過膜純化產品的成本，因為純化物流的容積較小。
也可以使用精餾膜直接富集產品。如果所需的產品由大于新陳代謝廢物和營養物的分子組成，則精餾膜裝置可以用于在殼程空間富集產品，同時可以使營養物達到細胞并且可以使廢物被通過空芯纖維內部的流體物流洗出。
權利要求
1.一種制造雙皮層膜的方法，其中包括提供一種聚合物的溶劑液體溶液；在一種液體中心芯四周擠出所說的溶液，形成一種環狀連續的細長形狀，其內表面上有一層皮層；所說的液體與所說的溶劑液體混溶而且是所說聚合物的非溶劑；使所說的細長形品外表面與所說聚合物的第二種液體非溶劑接觸，所說的第二種液體也是與所說的溶劑混溶的，以便在外部表面上形成一層聚合物皮層，此皮層的孔結構與所說的第一聚合物皮層的不同，由此使所說的膜的內表面和外表面具有不同篩選系數。
2.按權利要求1的方法，其中所說的細長形狀包括一種連續的空芯圓筒。
3.按權利要求2的方法，其中所說的混溶液體之一是水溶液，其中含有一種通過與皮層接觸使所形成的皮層提高孔隙率的溶質。
4.按權利要求3的方法，其中所說的溶質是聚乙烯醇。
5.按權利要求2的方法，其中所說的細長形狀包括空芯聚砜纖維。
6.按權利要求5的方法，其中所說的溶劑包括N-甲基-2-吡咯烷酮。
7.按一種在其壁中具有微孔結構的雙皮層空芯聚合物膜，所說的微孔結構具有與其內外表面整體形成的一層聚合物，所說的外部皮層的篩選系數與所說內部皮層的不同。
8.按權利要求7的膜，其中所說的膜包含聚砜聚合物。
9.按權利要求8的膜，其中所說的一個皮層對于分子量約10000～20000的分子來說篩選系數不同于另一皮層的。
10.一種過濾流體用裝置，其中包括大體上平行地定位在一個殼體中的數根如權利要求7所說的雙皮層空芯纖維的聚合物膜，在所說殼體的相對兩端由封住所說纖維外部的聚合物樹脂構成，所說纖維的相對兩端穿過所說的聚合物樹脂伸出第一流體的流入裝置，所說的第一流體是與所說的內部相通的流體流;與所說膜的另一端相通的流體流的流出裝置用于所說的第一流體的流出;一種流體流路徑，其中包括與所說殼體的內部流體相通的流入和流出通道，從而可以使第二流體與所說膜的外表面流體接觸。
11.按權利要求10的裝置，其中對分子量約10000～20000的分子的篩選系數，從所說纖維的外部到內部通道大于從其內部到外部的通上的相應值。
12.按權利要求10的裝置，其中對分子量約10000～20000的分子的篩選系數，從所說纖維的內部到外部的通道上大于從外部到內的通道上的相應值。
13.一種生物反應器，其中包括數根其壁上具有微孔結構的雙皮層空芯纖維聚合物膜，所說的微孔結構具有與其內外表面整體形成的聚合物皮層，所說的外皮層的篩選系數不同于所說內皮層的，所說的空芯纖維聚合物膜被大體平行地定位在殼體之中，所說殼體的相對兩端由封住所說纖維外部的聚合樹脂所構成，所說纖維的相對兩端穿過所說的聚合物樹脂伸出，所說纖維的外部和所說殼體的內部構成出供活細胞生長的生物反應容器;與所說膜的內部流體流相通的流體流入裝置;與所說膜另一端流體流相通的流體流出裝置，用于所說的流體的流出;經由所說容器的內部導入和放出流體用的通常被閉合的口。
14.按權利要求13的裝置，其中所說的纖維包含聚砜聚合物。
15.一種從體液中除去廢物的方法，其中包括提供一種滲析裝置，其中包括數根大體上被平行定位在殼體中的如權利要求7所述的雙皮層空芯纖維聚合物膜，所說殼體的相對兩端被封住所說纖維外部的聚合物樹脂所構成，所說纖維的相對兩端穿過所說聚合物樹脂而伸出，待滲析的液體的流入裝置，所說的流入裝置與所說膜的內部流體流相通，以及與所說膜的另外端的流體流相通的流出裝置，用于滲析后所說的液體的流出;使進行滲析的流體流過所說的纖維;使滲析液體流過所說的殼體與所說纖維的外部接觸，以便使不需要的物質從所說的流體中除去，而且不需要的物質從滲析液中反流到所說流體中的現象被減至最小;一種流體流動路徑，包括與所說殼體的內部流體流相通的流入通道和流出通道，以便可以使滲析液與所說膜的外表面的流體接觸。
16.一種從液體中除去規定范圍分子量廢物的方法，其中包括提供一種過濾裝置，其中包括數根被大體平行地定位在殼體中的如權利要求7所述的雙皮層空芯纖維聚合物膜，所說殼體的相對兩端由封住所說纖維外部的聚合物樹脂構成，而所說纖維的兩端穿過所說的聚合物樹脂伸出，欲過濾液體的流入裝置，所說的流入裝置與所說膜的內部流體流相通，以及與所說膜的另外端流體流相通的流出裝置，用于過濾后所說的液體的流出;使欲加過濾的液體流過所說的纖維;使第二種液體流過所說的殼體與所說纖維的外部接觸，借以使不需要的物質從所說的液體中除去，而且所規定分子量范圍的不需要物質從所說的第二液體向所說經過濾的液體中返流的現象減至最小。
17.按權利要求16中的方法，其中所說的分子量范圍選自由5000～10000，10000～15000和15000～20000組成的組中。
18.權利要求16的方法，其中所說的經過濾的液體是人血，從中除去的不需要物質是β-2-微球蛋白或其它一些中等分子。
19.一種生產生物制品的方法，其中包括將活細胞封入權利要求13所述的容器中;使含所說細胞所需的營養物流過所說的空芯纖維膜，使所說的營養物通過所說膜輸送給所說的細胞;由于廢物質通過所說膜輸送到所說流體之中，從而從所說細胞中除去廢物;然后從所說的容器中放出生物制品。
全文摘要
本發明涉及流體過濾裝置(如血液滲析裝置)、生物反應器和與之有關的方法。具體地說，本發明涉及一種具有精餾過濾性能以及適于完成此滲析和其它過濾操作的雙皮層膜的改進的滲析器或生物反應器，以及制備和使用這種膜的方法。
文檔編號B01D61/14GK1078410SQ9310117
公開日1993年11月17日 申請日期1993年1月9日 優先權日1992年1月10日
發明者N·J·奧夫斯亨, L·W·亨德森, R·I·布朗, R·G·保利 申請人:巴克斯特國際有限公司