《Journal of Membrane Science》：Lotus-Inspired Janus Hollow Fiber Membranes with Efficient Gas Exchange for Blood Oxygenation
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该研究设计了一种基于荷叶仿生结构的Janus空心纤维膜，通过PDMS层防液体渗透、聚酰胺层促进气体交换、两性离子聚合物层增强生物相容性，实验显示其CO2/O2交换率分别达196.9和68.3 mL·min?1·m?2，动物实验验证了其在兔血循环中的优异生物相容性，为ECMO技术提供了新型仿生解决方案。
赵振毅|吴新蕾|杨月|常云|沈和晨|高文清|刘艳妮|赵松
天津大学化学工程与技术学院，天津膜科学与海水淡化技术重点实验室，中国天津市300072
摘要 限制体外膜氧合（ECMO）效果的核心瓶颈在于其对血液相容性、二氧化碳/氧气交换性能以及防止液体泄漏的要求。受荷叶独特亲水/疏水结构的启发，本研究提出了一种创新的Janus中空纤维膜设计。这种仿生结构通过逐层组装技术精心制备，结合了聚二甲基硅氧烷、聚酰胺和两性聚合物层，实现了防止泄漏、二氧化碳/氧气交换和血液相容性的高度集成。血液循环实验表明，该仿生膜具有优异的生物相容性，氧气和二氧化碳的传输速率分别达到了68.3 mL min-1 m-2 和196.9 mL min-1 m-2 。动物体内实验进一步证实了其在兔子血液循环中的卓越生物相容性，凸显了其未来临床应用的巨大潜力。这项工作表明，仿生Janus中空纤维膜在临床应用方面具有显著潜力，为下一代ECMO技术提供了新的仿生范例。
引言 体外膜氧合（ECMO）是一种重要的体外生命支持技术，可作为患者心脏和呼吸功能的临时替代方案[1]。特别是在2019冠状病毒病大流行期间，ECMO为呼吸和循环提供了关键支持[2]、[3]。限制ECMO效果的主要挑战在于开发高性能的氧合膜，这类膜需要模拟人体肺泡的生理功能，以促进体外环境下的血液氧合和二氧化碳清除。
由于其优越的比表面积，中空纤维膜已成为氧合器的主要配置[4]。早期的ECMO系统主要依赖疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）来有效防止血浆泄漏[5]。为了提高气体交换效率，目前的ECMO氧合器主要使用多孔材料，如聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）或聚丙烯（PP）[6]、[7]，这些材料的气体传输阻力低于致密的PDMS膜[8]。然而，PMP相对较高的材料成本和复杂的加工过程导致PMP膜氧合器价格较高[9]、[10]、[11]。作为更具成本效益的替代品，PP膜具有优异的机械性能和相当的血液相容性，但其宏观且分布广泛的多孔结构使其容易发生血浆泄漏[12]、[13]、[14]。
尽管对氧合膜开发的兴趣日益增长，但仍迫切需要研究更先进的材料。已经探索了多种改性策略来赋予氧合膜特定功能，包括表面超疏水改性[15]、[16]、[17]、亲水改性[18]、[19]以及仿生结构构建[21]、[22]。例如，Wang等人[23]开发了一种用聚电解质制备的PMP/PP复合膜，实现了良好的血液相容性。He等人[24]通过聚合磺丁基甲基丙烯酸酯构建了抗血栓形成的PMP膜表面，实现了最小的蛋白质吸附和优异的血液-气体交换能力。
Janus结构以其固有的不对称性为材料赋予了独特的物理化学性质[25]。受荷叶仿生概念的启发，其微观结构表现出复杂的不对称性，使Janus膜在其上下表面展现出不同的特性，如亲水性和疏水性的显著差异。这种不对称性，特别是模仿荷叶“亲水顶层和疏水底层”的结构特征，可以有效防止液体从亲水层渗透到疏水层。值得注意的是，具有这种仿生不对称疏水/亲水性的Janus膜在防止泄漏方面显示出巨大潜力。例如，Zhao等人[26]采用一步法在亲水膜上引入了液体层，从而构建了单层Janus膜以防止液体泄漏。此外，两性聚合物因其独特的链结构（含有平衡的相反电荷）而表现出显著的血液相容性，使其非常适合用于血管内支架[28]、[29]、导管[30]和血液透析膜[32]、[33]等生物医学应用。
在这里，我们受到荷叶独特亲水/疏水结构的启发，提出了一种创新的仿生Janus中空纤维膜设计，以探索其在血液氧合领域的应用潜力。该氧合膜的仿生Janus结构集成了高效血液氧合所需的关键属性，包括防止液体泄漏的PDMS层、促进二氧化碳/氧气交换的聚酰胺（PA）层以及增强血液相容性的两性聚合物层。通过系统地表征各层的化学结构、表面亲水性和电荷性质，确认了这种不对称Janus结构的构建。此外，还通过体外循环模型和动物体内实验验证了该氧合膜的功能性能，评估了其血浆泄漏阻力、气体渗透性、生物相容性和血液氧合效率。
材料与表征 材料及表征细节见补充信息。
mPP膜的制备 采用浸涂法在PP中空纤维膜表面引入PDMS层。制备涂层溶液时，将6.8 g L-1 的PDMS、5.6 g L-1 的四乙基正硅酸盐（TEOS）和5.6 g L-1 的二丁基锡二月桂酸盐（DBD）溶解在正庚烷中。随后将PP膜浸入制备好的涂层溶液中10分钟，然后在60°C下干燥12小时，得到mPP膜。
PA/mPP膜的制备
仿生Janus膜的顺序组装 荷叶的上下表面具有典型的Janus不对称疏水-亲水分布，这是由于它们的物理结构和化学成分差异所致[38]。具体来说，其表面的乳突状疏水蜡结构赋予了其优异的抗污染性能，而相对亲水的气孔层则负责水分传输和气体交换。受荷叶Janus结构的启发
结论 我们报道了一种基于荷叶结构的Janus中空纤维膜，专为血液氧合而设计。该仿生结构的Janus膜结合了防止血浆泄漏的疏水层、促进高效二氧化碳/氧气交换的多孔层以及具有优异抗凝性能的亲水层。体外血液循环实验证明了其卓越的生物相容性和高气体传输速率。此外，动物体内实验也验证了其良好的
CRediT作者贡献声明 沈和晨： 方法学研究。
高文清： 指导与资金获取。
刘艳妮： 指导。
赵松： 撰写 – 审稿与编辑、指导与资金获取。
赵振毅： 撰写 – 初稿撰写、方法学研究、数据管理。
吴新蕾： 方法学研究、数据管理。
杨月： 概念构思。
常云： 软件开发
数据获取 数据可应要求提供。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 本研究得到了天津市生物医药产业链创新项目（项目编号21ZXSYSY00030）、国家自然科学基金（项目编号82370420）以及天津市重点医学学科（特色）建设项目的支持。作者感谢Shiyanjia实验室（
www.shiyanjia.com ）对XPS表征工作的支持。
