清华大学化工系林亚凯/杨振忠和北京交通大学吴欢欢SMALL STRUCT：通过介孔二氧化硅纳米粒子接枝聚丙烯膜实现长期高效氧合

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论文信息

研究背景

体外膜肺氧合（ECMO）系统，作为“人工心肺机”，在严重心肺衰竭患者的治疗中发挥着至关重要的作用。氧合膜作为ECMO系统的核心部件，其性能直接关系到设备的使用寿命和患者的安全。然而，如何在保持较大气体通量的同时提高抗渗漏性能，一直是氧合膜研发的难点。

研究概述

清华大学化工系林亚凯副研究员/杨振忠教授和北京交通大学吴欢欢副教授联合研究在ECMO氧合膜制备方面取得重大突破。研究团队通过在商业聚丙烯（PP）膜接枝多效能Janus纳米粒子，成功开发出一种新型PP基氧合膜，将PP膜使用寿命提升了6~8倍，达到了商品聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）膜水平，其气体通量远超PMP膜，为ECMO商品膜材料的改进提供新思路。

图1. PP中空纤维膜接枝介孔纳米粒子示意图

团队通过在商业聚丙烯（PP）膜接枝官能化介孔二氧化硅（图1），利用三氟丙基等官能化的介孔二氧化硅赋予PP膜高疏水性，其疏水性的提高和膜表面孔隙的缩小显著提高了抗血浆渗漏性能。接枝介孔二氧化硅粒子层厚度远小于PP膜厚度，保证了改性PP氧合膜的高透气性。粒子间的间隙和多效能二氧化硅纳米粒子表面的孔道为氧气进入血液提供了充分的气液接触面积，保持优异氧气的传输能力，解决了ECMO膜材料在实际应用中面临的气体透过性与抗血浆渗漏矛盾难题，为推动ECMO的发展提供了新方案。

图2 改性氧合膜表面气液接触面变化示意图

研究团队的这一创新成果，不仅在理论上解决了ECMO膜材料在实际应用中面临的气体透过性与抗血浆渗漏的矛盾，而且在实际应用中也展现出了卓越的性能。新型PP基复合膜在各项性能方面均表现出色，其泡点从0.36 MPa显著提高至1.20 MPa（图3a），而气体通量仅略有下降，下降幅度不超过4%，血浆渗漏抗性时间从600分钟延长至4140分钟（图3d），为其在ECMO等领域的广泛应用奠定了基础。

图3. 接枝粒子前后PP氧合膜各项性能变化

研究小结

研究通过引入疏水化的介孔二氧化硅纳米粒子，充分显示了多效能Janus纳米粒子的关键作用，解决了PP氧合膜在ECMO应用中的性能限制，在ECMO关键核心部件领域取得了突破，极大地扩展了其在医疗健康领域的应用前景。

期刊简介

Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊，Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学，类型包括原创研究、综述、展望、评论等。期刊最新引文指标为1.41，最新影响因子为13.9（2023）。

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