RU2835016C2 - Sorption-bactericidal material from non-woven polymer fibrous material, method of liquid media dialysis - Google Patents
Sorption-bactericidal material from non-woven polymer fibrous material, method of liquid media dialysis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2835016C2 RU2835016C2 RU2023119671A RU2023119671A RU2835016C2 RU 2835016 C2 RU2835016 C2 RU 2835016C2 RU 2023119671 A RU2023119671 A RU 2023119671A RU 2023119671 A RU2023119671 A RU 2023119671A RU 2835016 C2 RU2835016 C2 RU 2835016C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sorption
- bactericidal
- fibers
- membrane
- dialysis
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 62
- WMWXXXSCZVGQAR-UHFFFAOYSA-N dialuminum;oxygen(2-);hydrate Chemical compound O.[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] WMWXXXSCZVGQAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims abstract description 4
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 42
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 claims description 7
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 chlorine ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 claims description 3
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 claims description 3
- 231100000699 Bacterial toxin Toxicity 0.000 claims description 2
- 239000000688 bacterial toxin Substances 0.000 claims description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 2
- 241001507939 Cormus domestica Species 0.000 claims 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 23
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 abstract description 10
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009736 wetting Methods 0.000 abstract description 3
- XFBXDGLHUSUNMG-UHFFFAOYSA-N alumane;hydrate Chemical compound O.[AlH3] XFBXDGLHUSUNMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N eosin Chemical compound [Na+].OC(=O)C1=CC=CC=C1C1=C2C=C(Br)C(=O)C(Br)=C2OC2=C(Br)C(O)=C(Br)C=C21 YQGOJNYOYNNSMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 14
- FAHBNUUHRFUEAI-UHFFFAOYSA-M hydroxidooxidoaluminium Chemical compound O[Al]=O FAHBNUUHRFUEAI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 11
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 11
- 229910001593 boehmite Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 7
- 238000001631 haemodialysis Methods 0.000 description 7
- 230000000322 hemodialysis Effects 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 6
- 229920002565 Polyethylene Glycol 400 Polymers 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000012085 test solution Substances 0.000 description 4
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 2
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 125000001165 hydrophobic group Chemical group 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 208000004210 Pressure Ulcer Diseases 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 206010052428 Wound Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 125000001797 benzyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(C([H])=C1[H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000000385 dialysis solution Substances 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000008131 herbal destillate Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области разработки сорбционно-бактерицидных материалов для изготовления мембран диализа жидкостей малых и средних молекул и микробиологических загрязнений, в том числе медицинского назначения, а также к способу изготовления и способам использования сорбционно-бактерицидного материала в составе мембран диализа жидких сред.The group of inventions relates to the field of developing sorption-bactericidal materials for the manufacture of membranes for dialysis of liquids of small and medium molecules and microbiological contaminants, including those for medical purposes, as well as to a method for manufacturing and methods for using sorption-bactericidal material in the composition of membranes for dialysis of liquid media.
Большинство существующих в настоящее время сорбционных материалов для мембран диализа получают в основном путем модифицирования или частичной замены в органических сорбентах гидрофобных групп на гидрофильные, или заменой некоторых гидроксильных групп положительно заряженными радикалами, которые повышают градиент концентрации отрицательно заряженных молекул или частиц и увеличивают их клиренс. Бактерицидные свойства не задействованы в используемых мембранах.Most of the currently existing sorption materials for dialysis membranes are obtained mainly by modifying or partially replacing hydrophobic groups in organic sorbents with hydrophilic ones, or by replacing some hydroxyl groups with positively charged radicals, which increase the concentration gradient of negatively charged molecules or particles and increase their clearance. Bactericidal properties are not involved in the membranes used.
Известно использование мембраны толщиной ~ 30 мкм для диализа из сорбционного материала, в котором гидрофобные группы полиэфирсульфона частично заменены на гидрофильные группы поливинилпирролидона [Каграманов Г.Г. Диффузионные мембранные процессы: учебное пособие. / Г.Г. Каграманов. - М.: РХТУ им. Менделеева, 2009. - 73 с.]. Они имеют высокую проницаемость для средних молекул и хорошо очищают различные протеины при использовании в гемодиализе. Недостатком сорбционного материала является его невысокая сорбционная емкость и отсутствие бактерицидных свойств.It is known to use a membrane with a thickness of ~ 30 μm for dialysis from a sorption material in which the hydrophobic groups of polyethersulfone are partially replaced by hydrophilic groups of polyvinylpyrrolidone [Kagramanov G.G. Diffusion membrane processes: a tutorial. / G.G. Kagramanov. - M.: Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 2009. - 73 p.]. They have high permeability for medium molecules and purify various proteins well when used in hemodialysis. The disadvantage of the sorption material is its low sorption capacity and the absence of bactericidal properties.
Известен сорбционный материал, из которого состоит целлюлозная мембрана для гемодиализа, в которой с целью улучшения биосовместимости, она модифицирована путем замены некоторых гидроксильных групп, которым приписывается основная активирующая способность при контакте с кровью, положительно заряженными диэтиламиноэтильными радикалами, которые повышают градиент концентрации на мембране отрицательно заряженных фосфатов и увеличивают их клиренс [Каграманов Г.Г. Диффузионные мембранные процессы: учебное пособие. / Г.Г. Каграманов. - М.: РХТУ им. Менделеева, 2009. - 73 с.]. Недостаток сорбционного материала заключается в недостаточной биосовместимости и сорбционной емкости. Отсутствие бактерицидных свойств у мембраны также является ее недостатком.A sorption material is known, which is used to make up a cellulose membrane for hemodialysis, in which, in order to improve biocompatibility, it is modified by replacing some hydroxyl groups, which are credited with the main activating ability upon contact with blood, with positively charged diethylaminoethyl radicals, which increase the concentration gradient of negatively charged phosphates on the membrane and increase their clearance [Kagramanov G.G. Diffusion membrane processes: a tutorial. / G.G. Kagramanov. - M .: Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 2009. - 73 p.]. The disadvantage of the sorption material is its insufficient biocompatibility and sorption capacity. The absence of bactericidal properties in the membrane is also its disadvantage.
Известен сорбционный биополимер - синтетически модифицированная целлюлоза для мембран гемодиализа, в которой гидрофильные гидроксильные группы замены гидрофобными бензильными [Бекман И.Н. Мембраны в медицине: курс лекций. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010. URL:http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.htm]. Это позволяет повысить биосовместимость мембраны, но приводит к снижению смачивания мембраны кровью, ухудшению ее адсорбционной емкости и проницаемости. Мембрана не обладает бактерицидными свойствами.A known sorption biopolymer is synthetically modified cellulose for hemodialysis membranes, in which hydrophilic hydroxyl groups are replaced by hydrophobic benzyl ones [Beckman I.N. Membranes in Medicine: Lecture Course. Moscow: Lomonosov Moscow State University, 2010. URL: http://profbeckman.narod.ru/MedMemb.htm]. This improves the biocompatibility of the membrane, but leads to a decrease in the wetting of the membrane by blood, deterioration of its adsorption capacity and permeability. The membrane does not have bactericidal properties.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому материалу и способу его изготовления является сорбционно-бактерицидный материал, способ его получения, способ фильтрования жидких или газообразных сред, медицинский сорбент [патент на изобретение RU 2426557 С1 «Сорбционно-бактерицидный материал, способ его получения, способ фильтрования жидких или газообразных сред, медицинский сорбент», опубл. 20.08.2011 - прототип], который заключается в получении сорбционно-бактерицидного материала модифицированием нетканого полимерного волокнистого материала путем закрепления на его волокнах, имеющих диаметр 0,1-10 мкм, высокопористых частиц гидрата оксида алюминия (бемита). Нанесение частиц на основе алюминия на нетканый полимерный волокнистый материал выполняется в виде водной суспензии с последующими гидролизом и дополнительной обработкой неорганическим бактерицидным компонентом, для которой выбраны частицы коллоидного серебра, имеющие близкую к сферической форму, размером от 5 до 50 нм частиц и сушкой при температуре 80-100°С в течение 2-4 ч.The closest in technical essence and achieved result to the claimed material and method of its manufacture is a sorption-bactericidal material, a method for its production, a method for filtering liquid or gaseous media, a medical sorbent [patent for invention RU 2426557 C1 "Sorption-bactericidal material, a method for its production, a method for filtering liquid or gaseous media, a medical sorbent", published 20.08.2011 - prototype], which consists in obtaining a sorption-bactericidal material by modifying a non-woven polymer fibrous material by fixing highly porous particles of aluminum oxide hydrate (boehmite) to its fibers, which have a diameter of 0.1-10 μm. The application of aluminum-based particles to a non-woven polymer fibrous material is carried out in the form of an aqueous suspension with subsequent hydrolysis and additional treatment with an inorganic bactericidal component, for which colloidal silver particles of a close to spherical shape, with a particle size of 5 to 50 nm, and drying at a temperature of 80-100°C for 2-4 hours are selected.
Недостатком прототипа является то, что материал не эффективен для сорбдии малых и средних молекул жидких сред при диализе, так как современные диализаторы включают в себя мембраны, представляющие собой конструкцию, состоящую из большого числа полых волокон с пористыми стенками, по которым пропускают очищаемую жидкость. В процессе диализа происходит перенос вредных веществ в диализирующую жидкость через полупроницаемую мембрану. Сорбционный материал прототипа не имеет полых волокон и наночастицы гидрата оксида алюминия сгруппированы на поверхности волокон из нетканого полимерного материала.The disadvantage of the prototype is that the material is not effective for sorbing small and medium molecules of liquid media during dialysis, since modern dialyzers include membranes that are a structure consisting of a large number of hollow fibers with porous walls through which the purified liquid passes. During dialysis, harmful substances are transferred to the dialysate through a semipermeable membrane. The sorption material of the prototype does not have hollow fibers and aluminum oxide hydrate nanoparticles are grouped on the surface of fibers made of non-woven polymer material.
Задачей настоящего изобретения является повышение сорбционной емкости и проницаемости мембран для диализа, для чего необходимо решить следующие задачи:The objective of the present invention is to increase the sorption capacity and permeability of membranes for dialysis, for which it is necessary to solve the following problems:
- увеличить рабочую поверхность мембраны;- increase the working surface of the membrane;
- повысить адсорбцию и проницаемость микробиологических объектов жидких сред;- increase the adsorption and permeability of microbiological objects in liquid media;
- повысить адсорбцию и проницаемость микробиологических объектов жидких сред, имеющих электроотрицательный заряд;- increase the adsorption and permeability of microbiological objects of liquid media that have an electronegative charge;
- придать мембране бактерицидные свойства;- give the membrane bactericidal properties;
- повысить смачивание рабочей поверхности мембраны очищаемой жидкостью;- increase the wetting of the working surface of the membrane with the cleaned liquid;
- повысить гидрофильность гидрофобных волокон.- increase the hydrophilicity of hydrophobic fibers.
Техническим результатом является формирование нового сорбционно-бактерицидного материала путем модифицирования мембраны диализатора, состоящей из полых волокон, группированием наночастиц гидрата оксида алюминия на внутренней поверхности волокон.The technical result is the formation of a new sorption-bactericidal material by modifying the dialyzer membrane, consisting of hollow fibers, by grouping aluminum oxide hydrate nanoparticles on the inner surface of the fibers.
Поставленная задача решается тем, что после предварительной очистки мембраны из водного раствора суспензии на основе гидрата оксида алюминия и 2,5%-го раствора ПАВ ПЭГ-400 в дистиллированной воде на внутреннюю поверхность волокон, составляющих основу мембраны, методом пропитки введены наночастицы гидрата оксида алюминия.The problem is solved by the fact that after preliminary cleaning of the membrane from an aqueous solution of a suspension based on aluminum oxide hydrate and a 2.5% solution of PEG-400 surfactant in distilled water, nanoparticles of aluminum oxide hydrate are introduced onto the inner surface of the fibers that form the basis of the membrane using the impregnation method.
Рассмотренные технические задачи целесообразно решать путем использования наночастиц с развитой активной поверхностью, хорошо смачиваемой очищаемой жидкостью, обладающих электроположительным зарядом, эффективным для адсорбции отрицательно заряженных молекул, бактерий и вирусов. При этом наибольший положительный эффект будет достигнут при размещении наночастиц на внутренней поверхности волокон мембран.The technical problems considered are best solved by using nanoparticles with a developed active surface, well wetted by the liquid being purified, and possessing an electropositive charge effective for adsorbing negatively charged molecules, bacteria and viruses. The greatest positive effect will be achieved by placing nanoparticles on the inner surface of membrane fibers.
В данном патенте применили наночастицы гидрата оксида алюминия в качестве электроположительного адсорбента.This patent uses aluminum oxide hydrate nanoparticles as an electropositive adsorbent.
Известно, что наночастицы гидрата оксида алюминия со структурой бемита обладают антибактериальным эффектом и используются для медицинских покрытий ран, пролежней и ожогов [Марченко И.Н. Синтез и коллоидно-химические свойства гидрозолей бемита и смешанных дисперсий AlOOH-ZnO: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 02.00.11, М.: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 2017, 114 с.]. Поэтому применение бемита для модифицирования мембран для диализа из сорбционного материала для придания ему бактерицидных свойств целесообразно. Наночастицы гидрата оксида алюминия обладают гидрофильной поверхностью, что также необходимо для решения поставленных задач. Для модифицирования материала мембран гемодиализа использовали наночастицы бемита размером 30-50 нм, являющиеся побочным продуктом процесса получения водорода по патенту [RU 2363659 С1, 2009].It is known that nanoparticles of aluminum oxide hydrate with a boehmite structure have an antibacterial effect and are used for medical coatings of wounds, bedsores and burns [Marchenko I.N. Synthesis and colloidal-chemical properties of boehmite hydrosols and mixed dispersions of AlOOH-ZnO: dissertation for the degree of candidate of technical sciences: 02.00.11, Moscow: D.I. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, 2017, 114 p.]. Therefore, the use of boehmite for modifying dialysis membranes made of sorption material to impart bactericidal properties to it is advisable. Aluminum oxide hydrate nanoparticles have a hydrophilic surface, which is also necessary for solving the problems. To modify the material of hemodialysis membranes, boehmite nanoparticles measuring 30–50 nm were used, which are a by-product of the hydrogen production process according to the patent [RU 2363659 C1, 2009].
Задачи решаются тем, что для изготовления сорбционного материала использовали мембраны в составе диализатора. Полые волокна мембран из полисульфона в диализаторе имеют внешний диаметр 200-300 мкм, внутренний диаметр - 100-200 мкм, толщину стенки ~ 15-40 мкм. При использовании волокон с внешним диаметром менее 200 мкм и внутренним диаметром менее 100 мкм процесс диализа будет удлиняться. Мембраны с волокнами, имеющими внешний диаметр более 300 мкм и внутренний диаметр более 200 мкм утяжеляют конструкцию диализатора. Мембраны с толщиной стенки ~ 15 мкм обычно имеют равномерную структуру. Использование мембран с волокнами толщиной менее 15 мкм нецелесообразно ввиду недостаточной прочности Структура мембран с более толстой стенкой в поверхностном слое пористая (фиг. 1). Мембраны с волокнами, имеющими толщину стенки более 40 мкм, утяжеляют конструкцию диализатора.The problems are solved by using membranes as part of the dialyzer to manufacture the sorption material. The hollow fibers of the polysulfone membranes in the dialyzer have an outer diameter of 200-300 μm, an inner diameter of 100-200 μm, and a wall thickness of ~ 15-40 μm. When using fibers with an outer diameter of less than 200 μm and an inner diameter of less than 100 μm, the dialysis process will be lengthened. Membranes with fibers having an outer diameter of more than 300 μm and an inner diameter of more than 200 μm make the dialyzer structure heavier. Membranes with a wall thickness of ~ 15 μm usually have a uniform structure. The use of membranes with fibers less than 15 μm thick is impractical due to insufficient strength. The structure of membranes with a thicker wall is porous in the surface layer (Fig. 1). Membranes with fibers having a wall thickness of more than 40 μm make the dialyzer structure heavier.
Задачи решаются применением следующего способа для введения наночастиц гидрата оксида алюминия размером 30-50 нм внутрь волокон. Проводят обработку пропиткой волокон с одной стороны водной суспензией на основе наночастиц алюминия, содержащей 2,5% поверхностно-активного вещества (ПАВ) полиэтиленгликоля ПЭГ-400 в ультразвуковой ванне УЗУМИ-2 с применением ультразвука при рабочей частоте колебаний преобразователей 35±2 кГц в течение 5 мин. Конструкция диализатора с плотной заливкой волокон полиуретаном на его концах обеспечивает проникновение пропитывающей суспензии только внутрь волокон и отсутствие попадания ее на их поверхность. Необходимое количество суспензии на основе дистиллированной воды, моделировали, исходя из объема полой части волокон, заполненных дистиллированной водой, что составило 100 мл. Суспензия содержала гидрата оксида алюминия в материале 8-45 мас.%. При содержании его менее 8 мас.% не достигается необходимое повышение сорбционной способности и проницаемости мембраны. Если содержание гидрата оксида алюминия в материале превышает 45 мас.%, то возможно отслоение наночастиц с попаданием их в очищаемую жидкость.The tasks are solved by using the following method for introducing aluminum oxide hydrate nanoparticles of 30-50 nm into fibers. The fibers are treated by impregnating them on one side with an aqueous suspension based on aluminum nanoparticles containing 2.5% of the surfactant (surfactant) polyethylene glycol PEG-400 in an ultrasonic bath UZUMI-2 using ultrasound at an operating oscillation frequency of the transducers of 35±2 kHz for 5 min. The design of the dialyzer with dense filling of the fibers with polyurethane at its ends ensures penetration of the impregnating suspension only into the fibers and does not get on their surface. The required amount of suspension based on distilled water was modeled based on the volume of the hollow part of the fibers filled with distilled water, which was 100 ml. The suspension contained aluminum oxide hydrate in the material of 8-45 wt.%. If its content is less than 8 wt.%, the required increase in the sorption capacity and permeability of the membrane is not achieved. If the content of aluminum oxide hydrate in the material exceeds 45 wt.%, then exfoliation of nanoparticles is possible, with their entry into the purified liquid.
Другой проблемой способа формирования модифицированной структуры волокон является диспергирование наночастиц гидрата оксида алюминия перед пропиткой. Суспензия, кроме гидрата оксида алюминия, содержала 100 мл раствора ПАВ ПЭГ-400 в дистиллированной воде концентрацией 2,5%. Применение ПАВ ПЭГ-400 в растворе способствует качественному диспергированию агломератов бемита и понижению поверхностного натяжения между суспензией и мембраной при пропитке волокон мембраны (Манякина Д.С., Чердынцева В.В., Лунькова А.А. Исследование структуры и шероховатости гидрофобных композиционных покрытий на основе полисульфона // Современные проблемы науки и образования. - №5, 2012. - с. 235-243). Применение ПАВ ПЭГ-400 в растворе в количестве менее 2,5% не обеспечит качественное диспергирование агломератов бемита. При содержании его в растворе более 2,5% приведет к применению повышенного количества неосновного в процессе пропитки материала. Взвешивание образца после пропитки показало, что волокна заполнены суспензией в количестве 30 мл. Полного заполнения волокон не происходит, однако использование этого способа целесообразно, учитывая малое время пропитки. Затем образец закрывали крышкой с этой стороны и продолжали вводить оставшиеся 70 мл подготовленной суспензии в волокна с обратной стороны образца методом закапывания с помощью шприца. Образец с пропитанными волокнами сушили в сушильном шкафу-при 90-120°С в течение 5-9 ч. При температуре менее 90°С время сушки значительно возрастает. Применение температуры сушки выше 120°С нецелесообразно ввиду риска оплавления и испарения материалов диализатора. При обработке менее 5 ч полного высушивания образца не происходит. Увеличение ее более 9 ч нецелесообразно, так как уже достигнут постоянный вес пропитанной мембраны.Another problem of the method of forming a modified fiber structure is the dispersion of aluminum oxide hydrate nanoparticles before impregnation. The suspension, in addition to aluminum oxide hydrate, contained 100 ml of PEG-400 surfactant solution in distilled water with a concentration of 2.5%. The use of PEG-400 surfactant in solution promotes high-quality dispersion of boehmite agglomerates and a decrease in the surface tension between the suspension and the membrane during impregnation of membrane fibers (Manyakina D.S., Cherdyntseva V.V., Lunkova A.A. Study of the structure and roughness of hydrophobic composite coatings based on polysulfone // Modern Problems of Science and Education. - No. 5, 2012. - pp. 235-243). The use of PEG-400 surfactant in solution in an amount of less than 2.5% will not ensure high-quality dispersion of boehmite agglomerates. If its content in the solution is more than 2.5%, it will lead to the use of an increased amount of the non-basic material during the impregnation process. Weighing the sample after impregnation showed that the fibers were filled with the suspension in the amount of 30 ml. Complete filling of the fibers does not occur, but the use of this method is advisable, given the short impregnation time. Then the sample was closed with a lid from this side and the remaining 70 ml of the prepared suspension was continued to be introduced into the fibers from the back of the sample by dropping with a syringe. The sample with impregnated fibers was dried in a drying cabinet at 90-120 ° C for 5-9 hours. At a temperature of less than 90 ° C, the drying time increases significantly. The use of a drying temperature above 120 ° C is impractical due to the risk of melting and evaporation of the dialyzer materials. When processing for less than 5 hours, complete drying of the sample does not occur. Increasing it for more than 9 hours is impractical, since a constant weight of the impregnated membrane has already been achieved.
Таким образом, количество частиц гидрата оксида алюминия на внутренней поверхности волокон мембраны составило 8-45 мас.%.Thus, the amount of aluminum oxide hydrate particles on the inner surface of the membrane fibers was 8-45 wt%.
Разрабатываемый сорбционно-бактерицидный материал находится в составе мембраны диализатора, в котором выполняется модифицирование мембраны.The developed sorption-bactericidal material is part of the dialyzer membrane, in which the membrane modification is carried out.
Задачи способа диализа жидких сред решаются тем, что этот способ предусматривает пропускание жидкой среды через сорбционно-бактерицидный материал, выполненный путем модификации внутренней поверхности волокон полисульфона наночастицами гидрата оксида алюминия методами пропитки.The tasks of the method of dialysis of liquid media are solved by the fact that this method involves passing a liquid medium through a sorption-bactericidal material made by modifying the inner surface of polysulfone fibers with aluminum oxide hydrate nanoparticles using impregnation methods.
В качестве модельного адсорбата был выбран анионный краситель эозин (C20H6O5Br4K2) с исходной концентрацией 500 мг/л. По размеру молекул эозин сопоставим с размерами молекул веществ крови, подлежащих удалению при гемодиализе (табл. 1), и составляет 12 The anionic dye eosin (C 20 H 6 O 5 Br 4 K 2 ) with an initial concentration of 500 mg/l was chosen as a model adsorbate. In terms of the size of the molecules, eosin is comparable to the size of the molecules of blood substances to be removed during hemodialysis (Table 1), and is 12
Необходимое количество раствора эозина, так же как и количество пропитывающей суспензии, которые выполнены на основе дистиллированной воды, моделировали, исходя из объема полой части волокон, заполненных дистиллированной водой, что составило 100 мл.The required amount of eosin solution, as well as the amount of impregnating suspension, which are made on the basis of distilled water, were modeled based on the volume of the hollow part of the fibers filled with distilled water, which amounted to 100 ml.
Раствор эозина пропускали через исходный сорбционный материал - полисульфон и через модифицированный сорбционно-бактерицидный материал на основе полисульфона, модифицированный электроположительными наночастицами бемита, которые находились в составе мембран диализатора.The eosin solution was passed through the original sorption material - polysulfone and through a modified sorption-bactericidal material based on polysulfone, modified with electropositive boehmite nanoparticles, which were part of the dialyzer membranes.
При этом материал мембран сорбирует и пропускает электроотрицательные частицы эозина.In this case, the membrane material absorbs and allows electronegative eosin particles to pass through.
Концентрацию эозина в диализирующей дистиллированной воде в диализаторе в процессе его массопереноса из волокон мембраны определяли на спектрофотометре Evolution 300 при аналитической длине волны для эозина 513 нм.The concentration of eosin in the dialysing distilled water in the dialyzer during its mass transfer from the membrane fibers was determined using an Evolution 300 spectrophotometer at an analytical wavelength for eosin of 513 nm.
Расчет концентрации эозина в диализирующей жидкости выполняли по формуле:The calculation of the eosin concentration in the dialysis fluid was performed using the formula:
где Сх - концентрация исследуемого раствора, мг/мл,where C x is the concentration of the test solution, mg/ml,
Dx - оптическая плотность исследуемого раствора,D x - optical density of the test solution,
ε - молярный коэффициент поглощения исследуемого раствора, соответствует длине волны при максимальном поглощении, нм,ε is the molar absorption coefficient of the test solution, corresponding to the wavelength at maximum absorption, nm,
l - толщина слоя (в используемом спектрофотометре равна 1 см).l is the layer thickness (in the spectrophotometer used it is equal to 1 cm).
Модифицирование полисульфоновых волокон на их внутренней поверхности положительно заряженными наночастицами гидрата оксида алюминия значительно усиливает адсорбцию и проницаемость электроотрицательных частиц эозина.Modification of polysulfone fibers on their inner surface with positively charged aluminum oxide hydrate nanoparticles significantly enhances the adsorption and permeability of electronegative eosin particles.
Пример. Ниже рассмотрены результаты формирования сорбционно-бактерицидного материала для мембран диализа, состоящих из волокон полисульфона, с внешним диаметром 280 мкм, внутренним диаметром 200 мкм, толщиной стенки ~ 40 мкм. Использовали асимметричную мембрану, имеющую плотный тонкий внутренний слой толщиной 15 мкм, который и определяет проницаемость волокна для веществ с различной молекулярной массой, и поддерживающий его поверхностный слой с рыхлой структурой, составляющий основную толщину стенки (~ 25 мкм) полого волокна (фиг. 2).Example. The results of forming a sorption-bactericidal material for dialysis membranes consisting of polysulfone fibers with an external diameter of 280 μm, an internal diameter of 200 μm, and a wall thickness of ~ 40 μm are considered below. An asymmetric membrane was used, having a dense thin internal layer 15 μm thick, which determines the permeability of the fiber for substances with different molecular weights, and a supporting surface layer with a loose structure, which constitutes the main wall thickness (~ 25 μm) of the hollow fiber (Fig. 2).
Внутреннюю поверхность волокон мембран модифицировали наночастицами гидрата оксида алюминия методом пропитки двумя способами в количестве 8 мас.%. Проводили сравнительную оценку интенсивности переноса эозина (методика описана выше) через полупроницаемую мембрану из полисульфона до и после его модификации.The inner surface of the membrane fibers was modified with aluminum oxide hydrate nanoparticles by impregnation in two ways in an amount of 8 wt.%. A comparative assessment of the intensity of eosin transfer (the method is described above) through a semipermeable polysulfone membrane before and after its modification was carried out.
Обнаружена слабая диффузия эозина через мембрану из полисульфона в диализаторе. Через 60 мин концентрация исследуемого раствора не превышала 13,65*10-6 мг/мл и мало изменялась с увеличением времени диализа.Weak diffusion of eosin through the polysulfone membrane in the dialyzer was detected. After 60 min, the concentration of the test solution did not exceed 13.65*10 -6 mg/ml and changed little with increasing dialysis time.
Оценка массопереноса через модифицированную мембрану проводилась анализом динамической кривой (фиг. 2). На динамической кривой массопереноса молекул эозина из волокон, внутренняя поверхность которых покрыта наночастицами бемита, имеется участок нулевых концентраций. После чего через ~ 15 мин результаты свидетельствуют о возрастании скорости массопереноса молекул эозина через мембрану в диализирующую дистиллированную воду и достижении значений 113*10-6 мг/мл.The mass transfer through the modified membrane was assessed by analyzing the dynamic curve (Fig. 2). The dynamic curve of mass transfer of eosin molecules from fibers whose inner surface is covered with boehmite nanoparticles has a section of zero concentrations. After which, after ~ 15 min, the results indicate an increase in the rate of mass transfer of eosin molecules through the membrane into the dialyzing distilled water and reaching values of 113*10 -6 mg/ml.
Интенсивный процесс диффузии молекул эозина через волокна из модифицированного полисульфона свидетельствует о том, что не происходит закупоривания пор в мембране в процессе осаждения наночастиц гидрата оксида алюминия на внутренней поверхности волокон. Это обеспечивает качественный процесс диализа. Создание электроположительного заряда на внутренней поверхности волокон наиболее эффективно отразится на адсорбции веществ очищаемой жидкости, имеющих отрицательный заряд (например, фосфатов при гемодиализе, бактериальных токсинов, ионов хлора при диализе воды), и последующем массопереносе через мембрану.The intensive process of diffusion of eosin molecules through fibers made of modified polysulfone indicates that there is no clogging of the pores in the membrane during the deposition of aluminum oxide hydrate nanoparticles on the inner surface of the fibers. This ensures a high-quality dialysis process. The creation of an electropositive charge on the inner surface of the fibers will most effectively affect the adsorption of substances in the purified liquid that have a negative charge (for example, phosphates in hemodialysis, bacterial toxins, chlorine ions in water dialysis), and subsequent mass transfer through the membrane.
После этих операций диализатор с волокнами мембран, пропитанными суспензией на основе гидрата оксида алюминия или на основе эозина сушили в течение 5 ч и 9 ч, соответственно. В табл. 2 приведены результаты изменения веса диализатора с модифицированной мембраной в процессе сушки после пропитки суспензией на основе частиц гидрата оксида алюминия. Видно, что качественная сушка диализатора с мембранами из волокон после процесса их пропитки, происходит в течение 5-9 ч.After these operations, the dialyzer with membrane fibers impregnated with a suspension based on aluminum oxide hydrate or based on eosin was dried for 5 hours and 9 hours, respectively. Table 2 shows the results of the change in the weight of the dialyzer with a modified membrane during drying after impregnation with a suspension based on aluminum oxide hydrate particles. It is evident that high-quality drying of the dialyzer with membranes made of fibers after the impregnation process occurs within 5-9 hours.
Предлагаемое изобретение дает принципиальную возможность решения перечисленных проблем за счет придания требуемых сорбционных и бактерицидных свойств нетканому полимерному материалу.The proposed invention provides a fundamental possibility of solving the listed problems by imparting the required sorption and bactericidal properties to a non-woven polymer material.
Структура волокон из полисульфона и динамическая кривая массопереноса эозина волокнистым сорбционным материалом полисульфоном, модифицированным наночастицами бемита, представлены на фиг. 1, 2.The structure of polysulfone fibers and the dynamic mass transfer curve of eosin by the fibrous sorption material polysulfone modified with boehmite nanoparticles are shown in Figs. 1, 2.
На фиг. 1 приведена структура волокон асимметричной мембраны для гемодиализа, состоящая из волокон полисульфона, закрепленных полиуретановой заливкой на концах диализатора.Fig. 1 shows the fiber structure of an asymmetric hemodialysis membrane consisting of polysulfone fibers fixed with a polyurethane filler at the ends of the dialyzer.
На фиг. 2 показана динамическая кривая массопереноса эозина волокнистым сорбционным материалом полисульфоном, модифицированным наночастицами бемита.Fig. 2 shows the dynamic curve of eosin mass transfer by the fibrous sorption material polysulfone modified with boehmite nanoparticles.
Claims (5)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023119671A RU2023119671A (en) | 2025-01-27 |
| RU2835016C2 true RU2835016C2 (en) | 2025-02-20 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2198725C2 (en) * | 1996-12-31 | 2003-02-20 | Алтин Медикал, Инк. | From-melt formed polysulfone semipermeable membranes and method of preparation thereof |
| RU2426557C1 (en) * | 2009-12-07 | 2011-08-20 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Физики Прочности И Материаловедения Сибирского Отделения Ран (Ифпм Со Ран) | Sorption-bactericidal material, method of its obtaining, method of filtering liquid or gaseous media, medical sorbent |
| RU2440181C2 (en) * | 2006-08-10 | 2012-01-20 | Курарэй Ко., Лтд. | Porous membrane from vinylidene fluoride resin and method of its production |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2198725C2 (en) * | 1996-12-31 | 2003-02-20 | Алтин Медикал, Инк. | From-melt formed polysulfone semipermeable membranes and method of preparation thereof |
| RU2440181C2 (en) * | 2006-08-10 | 2012-01-20 | Курарэй Ко., Лтд. | Porous membrane from vinylidene fluoride resin and method of its production |
| RU2426557C1 (en) * | 2009-12-07 | 2011-08-20 | Учреждение Российской Академии Наук Институт Физики Прочности И Материаловедения Сибирского Отделения Ран (Ифпм Со Ран) | Sorption-bactericidal material, method of its obtaining, method of filtering liquid or gaseous media, medical sorbent |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МБ.61. Изготовление и определение характеристик мембран из полученных электропрядением волокон, пропитанных наночастицами бемита, для удаления ионов металлов. Серия. Критические технологии. Мембраны. Информационно-аналитический журнал, N4(40), Москва, 2008, с.50-51. ЛОЖКОМОЕВ А.С. и др. Закономерности адсорбции микроорганизмов волокнистым сорбционным материалом, включающим частицы псевдобемита. Современные проблемы науки и образования, 2013, N2, [он-лайн], [найдено 18.07.2024]. Найдено в Интернет: https://science-education.ru/ru/article/view?id=8973. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2735360B1 (en) | Adsorber device combining beads and hollow fiber membranes | |
| RU2317843C2 (en) | Filtering material, method of its manufacture and method of filtering | |
| Li et al. | Preparation and characteristics of polysulfone dialysis composite membranes modified with nanocrystalline cellulose | |
| US9901885B2 (en) | Method and device for transferring gas molecules from a gaseous medium into a liquid medium or vice versa | |
| JP4226050B1 (en) | Absorption column for body fluid purification treatment | |
| CN103881124A (en) | Polyamide film loading graphene oxide nanometer sheet and preparation method and application thereof | |
| JPH0364544B2 (en) | ||
| Dou et al. | A critical review of hemoperfusion adsorbents: materials, functionalization and matrix structure selection | |
| Du et al. | GO/TiO 2-decorated electrospun polyvinylidene fluoride membrane prepared based on metal-polyphenol coordination network for oil–water separation and desalination | |
| Zeng et al. | Adsorptive removal of uremic toxins using Zr-based MOFs for potential hemodialysis membranes | |
| Liu et al. | Alginate/HSA double-sided functional PVDF multifunctional composite membrane for bilirubin removal | |
| Zainol Abidin et al. | Co-adsorptive removal of creatinine and urea by a three-component dual-layer hollow fiber membrane | |
| Hayder et al. | Fabrication and characterization of cellulose acetate/hydroxyapatite composite membranes for the solute separations in Hemodialysis | |
| Mansur et al. | Dual-layer hollow fibre haemodialysis membrane for effective uremic toxins removal with minimal blood-bacteria contamination | |
| Ahmad et al. | Equilibrium and Kinetic Study of Bovine Serum Albumin (BSA) Adsorption onto Fabricated Polyethersulfone (PES)/Hydroxyapatite (HAP) Adsorptive Mixed Matrix Membrane (MMM). | |
| RU2835016C2 (en) | Sorption-bactericidal material from non-woven polymer fibrous material, method of liquid media dialysis | |
| Ismail et al. | Hemodialysis membrane for blood purification process | |
| Zhang et al. | A novel recyclable hemoperfusion adsorbent based on TiO 2 nanotube arrays for the selective removal of β 2-microglobulin | |
| JPH0260660A (en) | Adsorbent for treating body fluid | |
| JPS5814906A (en) | permeable membrane | |
| Li et al. | Heparin-modified polyether ether ketone hollow fiber membrane with improved hemocompatibility and air permeability used for extracorporeal membrane oxygenation | |
| RU2023119671A (en) | Sorption-bactericidal material for membranes for dialysis of liquid media, method for its production, method for dialysis of liquid media | |
| Irfan et al. | Polyurethane/N-3-(triethoxysilyl) propylamine grafted MCM41 membranes: hemocompatibility and dialysis evaluations | |
| Motlagh et al. | Hemodialysis by hollow fiber membranes | |
| RU2235583C1 (en) | Method of manufacture of track membrane |