專利名稱：功能性多孔多層纖維及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空或?qū)嵭睦w維，其具有多個(gè)同心排列多孔層，且其中所述層的一者包含完全可接近且在制備后保持其功能的功能化或活性粒子。本發(fā)明也涉及此纖維的制備及所述纖維用于從尤其來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁、細(xì)胞湯汁或血液的化合物混合物中(選擇性)吸附、轉(zhuǎn)化、分離或純化化合物的用途。
背景技術(shù)：
在此項(xiàng)技術(shù)中，已知涉及使用顆粒物的制備多孔纖維的方法，其通常需要額外處理步驟以于纖維中引入所需孔隙度。在制備包含顆粒材料的纖維的步驟之后，自非孔性纖維中移除顆粒材料或拉伸非孔性纖維，從而產(chǎn)生多孔纖維。僅在后一情況中，獲得包含具有一定(吸附)功能的粒子的微孔纖維。
與此相關(guān)的缺點(diǎn)為這些方法涉及在形成纖維之后的額外處理步驟以獲得最終產(chǎn)物，以及取決于為獲得最終產(chǎn)物所需采用的實(shí)際處理步驟，不得不選擇具有可承受額外處理步驟條件的性質(zhì)的合適起始材料。顯然此要求對(duì)于聚合物材料及可使用的顆粒材料類型造成限制。顆粒材料的載荷量將受達(dá)到基質(zhì)材料充分拉伸以達(dá)成所需孔隙度所需的力限制。因拉伸包含粒子的材料，顆粒材料會(huì)自待形成的多孔結(jié)構(gòu)中落出。在涉及熔融擠壓的方法，僅可使用可承受熔融基質(zhì)聚合物所需的溫度的顆粒材料。這些溫度完全超過(guò)200℃并非是罕見(jiàn)的。
DD-A-233,385揭示制備多孔纖維的方法，其包含一步驟相轉(zhuǎn)換或所謂濕式紡絲法。擠壓后，纖維立即進(jìn)入凝結(jié)浴。施加粒子以維持高溫下干燥期間的孔隙度；其中粒子的可接近性及功能性不太重要。據(jù)信最終產(chǎn)物的性質(zhì)及性狀基本上由所用聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定。
根據(jù)DD A 233,385的方法的缺點(diǎn)為在具有少于60wt.％溶劑的凝結(jié)浴中直接紡絲導(dǎo)致外表面相當(dāng)致密且粒子可接近性有限。然而，溶劑量增加導(dǎo)致難以控制紡絲過(guò)程；此歸因于開始出現(xiàn)的纖維凝固分層延遲耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。
使用根據(jù)WO-A-2004/003268的用于制備包含在制備后仍具有可接近性及活性的功能化或活性粒子的多孔聚合物纖維的方法來(lái)解決上述問(wèn)題。
然而，上文揭示的纖維僅具有有限的顆粒材料載荷量。據(jù)報(bào)導(dǎo)，纖維的機(jī)械缺陷及其有限可加工性可部分地由共擠壓細(xì)線、絲或紗線來(lái)克服，且75wt％的粒子含量仍產(chǎn)生具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的纖維。對(duì)于許多應(yīng)用，需要具有最大功能性的機(jī)械性穩(wěn)定纖維；在那些情況中，增加載荷量，甚至可能至100％，將是有利的。顯然，使用WO-A-2004/003268方法不可達(dá)到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有第一多孔層及與其同心排列的相鄰第二多孔層的纖維，所述第二多孔層包含聚合物材料，所述層的孔至少對(duì)于流體是可滲透的。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，具有聚合物材料的第二多孔層的共擠壓可產(chǎn)生具有比此項(xiàng)技術(shù)中所揭示者更大粒子含量的功能化纖維，而不受機(jī)械不穩(wěn)定性的影響。額外多孔層優(yōu)于施用絲線或紗線的益外為纖維的幾何形狀不限于處于外部的功能化粒子的幾何形狀。由于存在提供穩(wěn)定性的第二層，所以可達(dá)到更高顆粒含量，且另外，根據(jù)本發(fā)明的具有以纖維總重量計(jì)的一定總粒子密度的纖維具有優(yōu)于粒子密度相同的一層式纖維的改良機(jī)械穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明，第二層可為內(nèi)層或外層。在第二層為殼層的情況下，由于第二層對(duì)于流體及氣體的可滲透性，所以含有粒子的核仍可接近且粒子保持其功能。事實(shí)上，可接著有利地微調(diào)聚合物類型及第二層孔隙度以使得可使用外層作為在核結(jié)構(gòu)中不當(dāng)物質(zhì)的篩網(wǎng)及/或使纖維的相容性與應(yīng)用條件相符。此外，由作為殼層的第二層所引起的增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性可產(chǎn)生內(nèi)部具有最大功能性的纖維。
本發(fā)明的另一目的是為了提供制備此纖維的方法，其中所述方法包含使用具有至少兩個(gè)同心排列的出口開孔的紡絲頭的共擠壓步驟，其中分別饋送含有顆粒材料的流(A)及具有處于聚合物材料的溶劑中的聚合物材料的流(B)且其同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)相鄰出口開孔，然后兩流經(jīng)受相轉(zhuǎn)換步驟。


圖1為具有內(nèi)部多孔聚合物層2及外部多孔層1的本發(fā)明多孔纖維的橫截面示意圖，外部多孔層1由其中截留有顆粒材料的聚合物基質(zhì)制成。
圖2為具有內(nèi)部多孔層1及外部多孔聚合物層2的本發(fā)明多孔纖維的橫截面示意圖，內(nèi)部多孔層1由其中截留有顆粒材料的聚合物基質(zhì)制成。
圖3為類似于圖2的多孔纖維的橫截面示意圖，此差異在于內(nèi)部多孔層1由100wt％顆粒材料組成。
圖4為具有中空核4及夾于由聚合物材料制成的第二及第三多孔層(2及3)之間的多孔層1的多孔纖維的橫截面示意圖，多孔層1由具有顆粒材料的聚合物基質(zhì)制成。
圖5為實(shí)驗(yàn)性制備的纖維的橫截面100x放大圖，其顯示由具有截留于其中的40wt％(干重)34μm瓊脂糖顆粒材料的PEG/聚醚砜基質(zhì)制成的內(nèi)部多孔層，及外部多孔PEG/聚醚砜層。
圖6A顯示圖5中所示的共擠壓雙壓纖維的內(nèi)層的橫截面1000x放大圖。
圖6B顯示圖5中所示的纖維的外層的橫截面10,000x放大圖。
圖7顯示于內(nèi)部?jī)H具有瓊脂糖顆粒材料的實(shí)驗(yàn)性制備的纖維的橫截面，瓊脂糖顆粒材料由多孔外部PEG/聚醚砜層環(huán)繞。
具體實(shí)施例方式
因此，在本發(fā)明的一方面，纖維包含第一多孔層及第二多孔層。對(duì)于本發(fā)明的目的而言，任一層可為外層。若第一多孔層為外層，則獲得如圖1所示的結(jié)構(gòu)。對(duì)于第二多孔層為外層的那些情況，纖維橫截面類似于圖2者。在任一情況中，第二多孔層提供纖維的機(jī)械穩(wěn)定性。
若第二多孔層為外層，則較佳以層總重量計(jì)，第一多孔層包含0-95wt％的聚合物基質(zhì)及截留于其中的100-5wt％的顆粒材料。因此，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，多孔纖維具有顆粒的最大載荷量，此意謂第一多孔層包含以層總重量計(jì)100wt％顆粒材料。在無(wú)聚合物殼層的情況下，不可實(shí)現(xiàn)纖維核的高顆粒物含量。更佳地，內(nèi)部第一多孔層包含5-95wt％的聚合物基質(zhì)及95與5wt％之間的顆粒材料，且最佳地5-50wt％的聚合物材料及95-50wt％的顆粒材料。這些數(shù)字以層的干重計(jì)。
然而，若第一多孔層為外層，則較佳以第一多孔層總干重量計(jì)，其包含5-95wt％的聚合物基質(zhì)及截留于其中的95-5wt％的顆粒材料。甚至更佳地，本發(fā)明纖維所包含的外部第一多孔層含有5-50wt％的聚合物基質(zhì)及95-50wt％的顆粒材料。
在第一多孔層包含聚合物基質(zhì)的本發(fā)明方面，聚合物基質(zhì)可為包括彈性體、共聚物、聚合物混合物、共聚物混合物或聚合物與共聚物混合物的聚合物。較佳聚合物材料為聚醚砜、聚砜、聚醚酰亞胺、聚酰亞胺、聚丙烯腈、聚乙烯-共-乙烯醇、聚偏氟乙烯及纖維素酯。然而，本發(fā)明不限于那些聚合物材料且其他合適材料可為熟習(xí)技術(shù)者所顯而易見(jiàn)。也可使用例如磺化聚合物的具有化學(xué)及/或物理變化的聚合物。也可使用兩種或兩種以上聚合物的混合物。
如本文所使用的術(shù)語(yǔ)“顆粒材料”用以涵蓋具有規(guī)則(例如球形)或不規(guī)則形狀以及碎片、纖維及粉末的功能化或活性粒子，其中粉末包括金屬粉末、塑料粉末，例如粉末化聚苯乙烯、正相二氧化矽、煙霧狀二氧化矽及活性炭?？墒褂闷骄?直徑)高達(dá)100μm的粒子。較佳平均粒徑小于50μm，且較佳在1至35μm范圍內(nèi)，較佳小于20μm。
“功能化或活性粒子”應(yīng)理解為具有催化及/或(選擇性)吸附性質(zhì)，亦即對(duì)于尤其諸如肽、蛋白、核酸或其他生物化合物的大分子的特定分子的親和性或與其交互作用的粒子。最適合粒子應(yīng)具有與多孔基質(zhì)形態(tài)相組合的快速吸附動(dòng)力學(xué)、與應(yīng)用相當(dāng)?shù)娜萘考斑x擇性且容許以適當(dāng)試劑解吸分子。合適吸附粒子對(duì)于特定分子的親和性可根據(jù)疏水、親水或帶電功能性，尤其離子交換功能性、分子(印記)識(shí)別、決定基識(shí)別、異構(gòu)體選擇性或其他特定交互作用來(lái)界定。術(shù)語(yǔ)“功能化或活性粒子”也應(yīng)理解為包含其中存在大分子功能性的生物細(xì)胞或有機(jī)體，其通常經(jīng)改變或未經(jīng)改變。只要大分子功能性保留，一些或所有這些細(xì)胞或有機(jī)體可在制備纖維后死亡。較佳地，這些細(xì)胞或有機(jī)體，或其至少一大部分在制備纖維后保持其吸附或轉(zhuǎn)化物質(zhì)的能力。
在其他實(shí)施例中，顆粒材料可經(jīng)功能化以便尺寸排除或便于分離光學(xué)活性化合物或分離異構(gòu)體或可用于逆相色譜。分離光學(xué)活性化合物或分離異構(gòu)體可基于選擇性親和性。
在另一實(shí)施例中，粒子可經(jīng)功能化以充當(dāng)反應(yīng)混合物中的組份以尤其作為催化劑促進(jìn)反應(yīng)。也可能需要組合吸附與催化。尤其此催化劑可為生物催化劑。
合適吸附粒子應(yīng)為熟習(xí)技術(shù)者所顯而易見(jiàn)且包括陽(yáng)離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、交聯(lián)聚乙烯吡咯烷酮粒子(PVPP)、二氧化硅類型粒子(例如未經(jīng)改質(zhì)或以C2、C4、C6、C8或C18或離子交換功能性衍生)、沸石、陶瓷粒子(諸如TiO2、Al2O3及類似物)、磁性膠狀粒子、多孔或無(wú)孔聚合物粒子(諸如未經(jīng)改質(zhì)或以例如磺酸、四級(jí)胺及類似物衍生的多孔聚苯乙烯或苯乙烯-二乙烯基苯類型粒子)、分子印記粒子及(均質(zhì))催化劑粒子。
在另一實(shí)施例中，顆粒材料可在制備纖維后以后續(xù)功能化來(lái)改變其功能。例如離子交換粒子可通過(guò)后續(xù)交聯(lián)反應(yīng)來(lái)吸附保留在粒子上的蛋白。經(jīng)蛋白改質(zhì)的離子交換(IEX)粒子現(xiàn)具有不同于其初始吸附功能的功能。另一實(shí)例為例如將(均質(zhì))催化劑固定于多孔基質(zhì)內(nèi)的功能性粒子上。
當(dāng)欲將纖維用作通過(guò)移除毒性或不當(dāng)(小)有機(jī)化合物來(lái)解毒或純化的方法時(shí)，可使用例如活性炭的吸附性顆粒材料。
通常第一多孔層中的孔的尺寸不大于20μm，較佳小于5μm。雖然孔徑取決于應(yīng)用，但其不應(yīng)大于粒徑以避免處理期間粒子損耗。
第二多孔層包含與第一多孔層的聚合物基質(zhì)相同的聚合物或另一不同的聚合物。本發(fā)明也不限于一定的聚合物材料且其他合適材料可為熟習(xí)技術(shù)者所顯而易見(jiàn)。此聚合物層的主要功能是提供纖維的機(jī)械強(qiáng)度。其次，尤其在選擇此層為纖維的外層的情況下，較佳此層對(duì)于所關(guān)注的化合物或物質(zhì)為可滲透的，以便保持可接近第一多孔層中的功能化顆粒材料。在一實(shí)施例中，當(dāng)?shù)诙咏?jīng)選擇為纖維的內(nèi)層時(shí)，第二層的孔隙度較不重要且提供機(jī)械強(qiáng)度的層可甚至無(wú)孔。在另一實(shí)施例中，第二多孔層也包含截留于聚合物基質(zhì)中的功能化或活性粒子，從而所產(chǎn)生的多孔纖維具有一聚合物基質(zhì)中或不同聚合物基質(zhì)中的不同功能性或不同聚合物基質(zhì)中的功能化顆粒材料。
如上如述，當(dāng)?shù)诙嗫讓咏?jīng)選擇為外層時(shí)，選擇給予纖維合適特征的聚合物類型可為有利的。通常使用與食品中所見(jiàn)的組份相容的聚合物是有利的。較佳地，所述聚合物顯示與食物組份的低交互作用，由此防止與饋送流中的組份的非選擇性交互作用。更佳地，第二多孔層的聚合物經(jīng)選擇以具有生物相容性，尤其血液相容性。例如聚氨基甲酸酯或聚碳酸酯與聚氨基甲酸酯的共聚物或聚乳酸適合于此目的。在另一實(shí)施例中，聚合物防止諸如血漿蛋白及核酸的生物聚合物與纖維表面的非特定交互作用。
第二多孔層的孔徑為纖維制備中的可調(diào)節(jié)參數(shù)。在本發(fā)明一方面，第二多孔層的平均孔徑可經(jīng)選擇小于第一多孔層者以充當(dāng)篩網(wǎng)。優(yōu)選地，第二多孔層的平均孔徑為第一多孔層平均孔徑的75％以下，甚至更優(yōu)選50％以下。平均孔徑可由顯微技術(shù)(如SEM、ESEM)測(cè)定。第二多孔層的此等阻隔或篩分性質(zhì)防止不當(dāng)化合物或物質(zhì)接觸到纖維的功能化顆粒物。纖維內(nèi)的化合物或物質(zhì)可能因?yàn)槠涑叽?阻礙)或其對(duì)于功能化粒子的親和性(任一方式均會(huì)減少纖維的功能容量)而不適當(dāng)。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，較佳地第二多孔層的平均孔徑小于紅血球的尺寸，通常約7μm，較佳小于5μm。在另一實(shí)施例中，第二多孔層平均孔徑大于第一多孔層的孔徑。
本發(fā)明也涵蓋包含第三多孔層的多孔纖維，其中第二及第三多孔層夾持第一多孔層。此第三多孔層包含可相同或不同于其他層的聚合物材料。如同第二多孔層，第三多孔層可提供機(jī)械強(qiáng)度且改良纖維與其環(huán)境的相容性。在一實(shí)施例中，第三層包含如同第一多孔層般的顆粒材料，從而提供具有截留于其中的更多功能性的纖維。
本文所使用的術(shù)語(yǔ)“纖維”包括中空及實(shí)心纖維。取決于應(yīng)用類型，選擇具有中空或?qū)嵭暮说暮线m形式的纖維。例如，可制備中空纖維模組，其中迫使饋送流穿過(guò)多孔聚合物層，隨后為包含顆粒材料的多孔層且再穿過(guò)多孔聚合物層(圖4)而自纖維內(nèi)部流至纖維外部，或反之亦然。在纖維層中的此流動(dòng)導(dǎo)致壓力下降。當(dāng)使用小顆粒尺寸時(shí)，尤其當(dāng)在特定而言為100％的相對(duì)高濃度時(shí)，此壓力下降取決于顆粒層的厚度及孔隙度。出于改良纖維機(jī)械穩(wěn)定性及優(yōu)化功能容量(接近于或甚至最大，即100wt％的粒子載荷量)的原因，將第一多孔層夾于兩個(gè)聚合物層之間可能較佳。僅包含任何順序的第一及第二多孔層的中空纖維也在本發(fā)明范圍內(nèi)。
典型纖維直徑在10μm與3mm之間，較佳至少50μm，而在多數(shù)情況中有利地使用具有0.1與2mm之間，較佳至少0.5mm的直徑的纖維。若包含顆粒材料的第一多孔層形成內(nèi)層，則較佳具有小于0.5mm的層厚度。
本發(fā)明的另一目的是為了提供制備此纖維的方法，其涉及共擠壓步驟及相轉(zhuǎn)換步驟。
“共擠壓”應(yīng)理解為使用具有多個(gè)開孔的紡絲頭來(lái)同時(shí)擠壓不同材料。
“相轉(zhuǎn)換”應(yīng)理解為可由下列因素引起的相分離均質(zhì)溶液溫度變化(熱相分離)，含有非揮發(fā)性非溶劑的聚合物溶液中溶劑蒸發(fā)(蒸發(fā)引起相分離)，非溶劑蒸氣滲透(蒸氣引起相分離)或均質(zhì)聚合物溶液浸沒(méi)于非溶劑浴(浸沒(méi)引起相分離)。后者在本發(fā)明方法中較佳。
在本發(fā)明方法中，較佳使用WO-A-2004/003268的第11頁(yè)第2-20行所述的兩步式相轉(zhuǎn)換方法?？傊谶M(jìn)入凝結(jié)浴中之前，初始纖維外部與選定介質(zhì)接觸，從而導(dǎo)致層外部的組成變化。此視為相分離過(guò)程的第一步。當(dāng)纖維進(jìn)入凝結(jié)浴時(shí)，初始纖維將進(jìn)一步相分離且應(yīng)中止此結(jié)構(gòu)。此視為相分離的第二步。
使用WO-A-93/12868中所述的三層紡絲頭，在第一步中，液體、蒸氣、氣體或蒸氣/氣體混合物的流可饋送穿過(guò)第三最外部出口開孔以允許控制外部多孔層的孔徑。然而，本發(fā)明范疇中考慮提供制備內(nèi)壁孔徑受控制的中空纖維的方法。在那種情況下，實(shí)際上，體、蒸氣或氣體的流經(jīng)饋送穿過(guò)紡絲頭最內(nèi)部出口開孔。
簡(jiǎn)單的插管孔紡絲頭也可用于本發(fā)明方法中，但因?yàn)樵诘谝荒Y(jié)步驟中不保留控制外層孔隙度的出口開孔，所以此紡絲頭提供改變纖維表面孔隙度的較小靈活性。代替使用三層紡絲頭來(lái)控制外層孔隙度，可通過(guò)氣氛由蒸氣、氣體或蒸氣/氣體混合物的連續(xù)流來(lái)控制的“玻璃罩”或密閉箱來(lái)紡絲。當(dāng)使用熱凝結(jié)浴時(shí)，也可使用自凝結(jié)浴蒸發(fā)的蒸氣來(lái)影響外層孔結(jié)構(gòu)。
在共擠壓步驟中，分別饋送含有顆粒材料的流(A)及具有處于聚合物材料的溶劑中的聚合物材料的流(B)且其同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)相鄰紡絲頭出口開孔。流(A)及流(B)將最終分別導(dǎo)致纖維的第一及第二多孔層。
較佳流(A)為包含以流(A)總重計(jì)0-50wt％的聚合物基質(zhì)的混合物。合適量的粒子取決于所使用的聚合物類型及聚合物濃度。通常粒子量可在1與95重量％之間變化。因此，以流(A)總重計(jì)，流(A)包含0至50重量％聚合物材料及1至100重量％顆粒材料，其余為溶劑。更佳流(A)包含0.5wt％至50wt％聚合物材料及1wt％至95wt％顆粒材料。因此可在單一制備步驟中制備包含截留于第二多孔殼層中的100wt％功能化顆粒物的纖維且選擇較佳具有小于0.5mm內(nèi)徑的薄纖維尺寸。
較佳流(A)包含3-50wt％且最佳5-20wt％聚合物材料。較佳基質(zhì)聚合物濃度小于12％，更佳小于10重量％。以干重計(jì)，流(A)中粒子量更佳在流(A)重量的1與97wt％之間，通常大于30wt％，甚至更佳大于40wt％，且最佳50-90重量％。較佳濃度取決于所用特定聚合物及顆粒物及待獲得纖維的第一多孔層中的粒子所需量。
流(B)包含3至50wt％，較佳5-25wt％的聚合物材料。在一實(shí)施例中，進(jìn)一步向流(B)提供與流(A)一致的1至95wt％功能化顆粒材料，以獲得具有兩個(gè)由截留于聚合物基質(zhì)中的顆粒材料制成的相鄰層，其中兩層的顆粒材料及/或聚合物基質(zhì)可不同。對(duì)于所施用的流(A)及流(B)兩者，聚合物材料應(yīng)溶解于合適溶劑中。因此，溶劑類型取決于所選聚合物。鑒于相分離過(guò)程，較佳使用與水完全混溶的溶劑。
可同時(shí)使用甚至與非溶劑組合的一或多種溶劑。合適溶劑包括但不限于N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亞砜(DMSO)、甲酰胺(FA)、四氫呋喃(THF)、ε-己內(nèi)酰胺、丁內(nèi)酯(尤其4-丁內(nèi)酯)、環(huán)丁砜、環(huán)己酮及磷酸三乙酯。較佳溶劑為NMP、DMAc、DMF、DMSO、THF、ε-己內(nèi)酰胺及4-丁內(nèi)酯。因?yàn)榱?A)及流(B)中的聚合物彼此獨(dú)立地選擇，所以溶劑也可不同。
溶劑及非溶劑的混合物以及任何性質(zhì)的添加劑組份可用于凝結(jié)浴中以影響任一層的形態(tài)結(jié)構(gòu)。添加劑可用于流(A)及或流(B)，例如以影響粘度，作為成孔劑，作為孔連通增強(qiáng)劑，以減少或防止大孔形成及/或引入親水性?？赡芴砑觿┌ǖ幌抻诰垡蚁┻量┩橥?PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、葡聚糖、甘油、二乙二醇、例如辛醇的(高碳)醇、羧酸或有機(jī)酸(例如草酸、順丁烯二酸、酒石酸、反丁烯二酸)、鹽(例如LiCl及CaCl2)。熟習(xí)者能夠估計(jì)且應(yīng)用合適(非)溶劑(混合物)、添加劑及處理?xiàng)l件以產(chǎn)生具有所要性質(zhì)的纖維。添加劑及非溶劑可部分地替代溶劑且可在0.01與50重量％之間變化。
若待獲得的纖維中具有截留于其中的顆粒材料的第一多孔層形成內(nèi)層，則流(A)于流(B)的內(nèi)側(cè)經(jīng)饋送穿過(guò)紡絲頭，且對(duì)于那些第二多孔層為纖維外層的實(shí)施例反之亦然。
對(duì)于那些需要中空核及/或第三或甚至更多層的實(shí)施例，熟習(xí)者知曉調(diào)適紡絲頭以包含所要數(shù)目的出口開孔且選擇需將流遞送至這些開孔的順序。為達(dá)成中空核，例如在技術(shù)中已知施用穿過(guò)最內(nèi)開孔的鉆孔液體流(C)，即針。當(dāng)需要纖維保持第三聚合物層時(shí)，自應(yīng)用與流(B)相同條件及限制的流(D)形成此層。對(duì)于在共擠壓步驟中具有處于聚合物材料的溶劑中的聚合物材料的流(D)與流(A)及流(B)共擠壓的那些情況，其中流(A)饋送穿過(guò)的出口開孔夾于流(B)及(D)饋送穿過(guò)的出口開孔之間，然后三流經(jīng)受相轉(zhuǎn)換。
如上所述，相分離較佳涉及凝結(jié)介質(zhì)。水為較佳凝結(jié)介質(zhì)?？赡苣Y(jié)介質(zhì)及非溶劑的其他實(shí)例為甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、甲基乙基酮。
為獲得纖維中所要孔隙度，結(jié)合如溫度、生產(chǎn)率、濕度、氣隙長(zhǎng)度、拉伸及卷取速度的物理過(guò)程參數(shù)的變化來(lái)使用非溶劑及溶劑的混合物。
如前述，纖維壁的孔隙度主要地第一步驟中通過(guò)穿過(guò)出口開孔中的與最終形成纖維殼層的流相鄰的液體、蒸氣或氣體流的流動(dòng)來(lái)控制。此流組成的選擇及進(jìn)入凝結(jié)浴之前的接觸時(shí)間的選擇決定殼層變致密抑或變得多孔。當(dāng)最終形成殼層的流與適中濕度的空氣接觸時(shí)，外層表面變致密。為獲取所截留粒子的最優(yōu)可接近性，應(yīng)在紡絲期間使合適介質(zhì)沿最終形成殼層的物流而流動(dòng)。較佳介質(zhì)為對(duì)于聚合物而言的溶劑及非溶劑的液體混合物。較佳非溶劑為水。
或者可用包含對(duì)于聚合物而言的非溶劑的氣流。然而，若使用蒸氣，則需要最終形成纖維殼層的流含有非揮發(fā)性溶劑，由此與向內(nèi)部擴(kuò)散的非溶劑蒸氣相比，排放至蒸氣路徑中的溶劑較少。也可使用兩種非溶劑或溶劑及非溶劑的蒸氣的混合物以影響纖維形成。在氣體或蒸氣流的情況中，較佳非溶劑為水蒸氣。熟習(xí)者可容易地確定氣體流中所要水蒸氣量以產(chǎn)生第一相轉(zhuǎn)換效應(yīng)。
第一多孔層的孔隙度可由改變聚合物材料濃度、添加劑的量及類型及顆粒材料的尺寸、含量及功能性來(lái)控制，其如以引用方式并入本文中的WO-A-2004/003268的第10頁(yè)第4-26行所更詳細(xì)描述。改變功能性意謂改變粒子中或其上或其本身的化學(xué)基團(tuán)。
由此產(chǎn)生的多孔纖維可經(jīng)受例如熱處理、化學(xué)處理(例如氧化或降解特定添加劑，然后洗滌)拉伸或另一功能化步驟的后處理以活化粒子，以固定纖維的多孔結(jié)構(gòu)或以減小或增大多孔纖維的孔徑。取決于所用聚合物及粒子，熟習(xí)者應(yīng)能夠確定待用于熱處理中的合適溫度或溫度范圍。
根據(jù)本發(fā)明方法制備的纖維可如此使用，然而，在本發(fā)明另一實(shí)施例中，纖維可包含于模組中。合適地此模組包含填充于外殼中的螺旋纏繞纖維墊，縱向填充于外殼中的纖維束，外殼內(nèi)部中的橫向流纖維配置，以平行或跨接模式作為線圈于外殼中纏繞的纖維或外殼內(nèi)部的任何其他有序或無(wú)序纖維填充配置。根據(jù)本發(fā)明方法制備的包含視情況呈精細(xì)切分形式的纖維的其他實(shí)體也在本發(fā)明范圍內(nèi)。此等實(shí)體包括例如色譜管柱。
本發(fā)明多孔纖維及多孔纖維模組取決于粒子選擇及第二多孔層組合物的孔隙度及選擇而具有廣泛應(yīng)用。其可用于從尤其來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁、細(xì)胞湯汁、乳品或血液的化合物混合物中(選擇性)吸附、轉(zhuǎn)化、分離或純化化合物，或用于固定反應(yīng)混合物中的催化劑。其中，可便利地應(yīng)用有可能篩分及預(yù)選擇欲接近功能化粒子的那些所關(guān)注化合物或促進(jìn)纖維與其環(huán)境(尤其生物環(huán)境)相容的第二多孔層。例如，應(yīng)用包括肽及蛋白分離、固定配體以便基于親和性來(lái)分離、色譜、固定催化劑及酶以便反應(yīng)、釋放及產(chǎn)物保護(hù)等。那些熟習(xí)技術(shù)者將會(huì)依據(jù)所需應(yīng)用來(lái)選擇合適粒子及粒子功能化以及合適聚合物材料及視情況添加劑。所關(guān)注的特定用途為分離包括一般來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁或細(xì)胞湯汁的單克隆抗體的所要蛋白，催化及酶促反應(yīng)，解毒，產(chǎn)物保護(hù)及釋放系統(tǒng)。
實(shí)例1通過(guò)混合9.5wt％聚醚砜(Ultrason E 6020P)、24wt％聚乙二醇400、4.5wt％PVP、6.8wt％無(wú)水瓊脂糖FF(34μm)、6wt％水及49.2wt％N-甲基吡咯烷酮(NMP)來(lái)制備具有以下組成的均質(zhì)聚合物溶液1。另外通過(guò)混合16wt％聚醚砜(Ultrason E 6020P)、38.75wt％聚乙二醇400、38.75wt％N-甲基吡咯烷酮及6.5wt％水制備具有以下組合物的均質(zhì)聚合物溶液2。
兩種溶液同時(shí)擠壓穿過(guò)具有以下尺寸的插管孔紡絲頭ID管＝0.4mm，OD管＝0.6mm，ID mm孔口＝1.2mm。溶液1以5.1ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭管且溶液2以0.51ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭孔口。在穿過(guò)45mm氣隙后，雙層初始纖維進(jìn)入水浴，其中發(fā)生相分離。所有溶液保持于室溫。
所得纖維橫截面展示于圖5中。纖維核層(層1)的較高放大圖明顯展示具有所截留瓊脂糖粒子的極開放結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6A。外層(層2)的更高放大圖明顯展示此層也多孔且不含有任何瓊脂糖粒子，見(jiàn)圖6B。自這些圖中已可看出層2具有比層1顯著更致密的結(jié)構(gòu)且與僅由層1組成的纖維相比，給予纖維經(jīng)改良的機(jī)械強(qiáng)度。層1具有以層1總干重計(jì)40wt％的粒子含量。在濕狀態(tài)中，由于粒子吸收水，所以其重量約為層的83wt％。
比較實(shí)例I根據(jù)實(shí)例1制備的纖維與具有可比量粒子的僅由層1組成的纖維比較。此外，根據(jù)實(shí)例1的溶液1在室溫下經(jīng)擠壓穿過(guò)具有以下尺寸的插管孔紡絲頭的管ID管＝0.4mm，OD管＝0.6mm，ID mm孔口＝1.2mm擠壓速率為1.75ml/min。在穿過(guò)25mm氣隙后，初始纖維進(jìn)入室溫下的水浴，其中發(fā)生相分離。
如此獲得的纖維在如于拉伸測(cè)試機(jī)器(Zwick Z020型)上所測(cè)量的機(jī)械穩(wěn)定性方面與根據(jù)本發(fā)明的纖維比較。夾鉗間的距離(LE位置)為15mm模數(shù)速度為10mm/min。預(yù)載荷為0.1cN且預(yù)載荷速度為10mm/min。僅由層1組成的纖維在干燥狀態(tài)下具有1.3+0.2MPa斷裂拉伸應(yīng)力及13.9±0.8％斷裂伸長(zhǎng)率；在濕狀態(tài)(20wt％乙醇溶液)斷裂拉伸應(yīng)力為1.05MPa且斷裂伸長(zhǎng)率為19.4±1.1％。由雙層(如圖5所示)組成的纖維在干狀態(tài)具有斷裂拉伸應(yīng)力1.9±0.2MPa及斷裂伸長(zhǎng)率28.9±0.3％；在濕狀態(tài)(20wt％乙醇溶液)斷裂拉伸應(yīng)力為1.41±0.05MPa且斷裂伸長(zhǎng)率為45.8±4.7％。
實(shí)例2如實(shí)例1中所定義的相同溶液同時(shí)擠壓穿過(guò)具有以下尺寸的插管孔紡絲頭ID管＝0.4mm，OD管＝0.6mm，ID mm孔口＝1.2mm。溶液2以5.1ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭管且溶液1以0.51ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭孔口。在穿過(guò)45mm氣隙后，雙層初始纖維進(jìn)入水浴，其中發(fā)生相分離。此產(chǎn)生核層為層2(無(wú)瓊脂糖粒子)且外層為層1(具有以層1總重計(jì)40wt％瓊脂糖粒子)的雙層纖維。
實(shí)例3
制備具有以下組合物的均質(zhì)聚合物溶液15wt％Bionate80A(自The Polymer Technology Group Inc.的以聚碳酸酯為主的聚氨基甲酸酯)、2wt％PVP K90及83wt％N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
自實(shí)例1之溶液1及溶液3同時(shí)擠壓穿過(guò)具有以下尺寸的插管孔紡絲頭ID管＝0.4mm，OD管＝0.6mm，ID mm孔口＝1.2mm。溶液1以5.1ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭管且溶液3以0.51ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭孔口。在穿過(guò)45mm氣隙后，雙層初始纖維進(jìn)入水浴，其中發(fā)生相分離。所有溶液處于室溫。
此產(chǎn)生類似于圖5所示者(根據(jù)實(shí)例1制備)的雙層纖維，其具有含有所截留的瓊脂糖的高度多孔核層(層1)及纖維外側(cè)的層2，所獲得纖維多孔且生物相容。
實(shí)例4通過(guò)混合以下成份來(lái)制備溶液41g無(wú)水瓊脂糖FF(34μm)、2.3g水及9.2g NMP。
實(shí)例1之溶液2及溶液4同時(shí)擠壓穿過(guò)具有以下尺寸的插管孔紡絲頭ID管＝0.4mm，OD管＝0.6mm，ID mm孔口＝1.2mm。溶液4以5.1ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭管且溶液2以0.51ml/min流速擠壓穿過(guò)紡絲頭孔口。在穿過(guò)65mm氣隙后，雙層初始纖維進(jìn)入水浴，其中發(fā)生相分離。所有溶液處于室溫。此產(chǎn)生具有截留于纖維核中的純粒子層的多孔聚醚砜中空纖維，見(jiàn)圖7。
權(quán)利要求
1.一種具有第一多孔層及與其同心排列的相鄰第二多孔層的纖維，所述第一多孔層包含顆粒材料，所述第二多孔層包含聚合物材料，且其中所述層的孔至少對(duì)于流體而言是可滲透的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維，其中所述纖維包含第三多孔層，所述第二多孔層與所述第三多孔層夾持所述第一多孔層，所述第三多孔層包含聚合物材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的纖維，其中所述第二多孔層為外層，且其中所述第一多孔層包含所述層總重量計(jì)0-95wt％的聚合物基質(zhì)及截留于其中的100-5wt％的顆粒材料。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維，其中所述第二多孔層的聚合物材料具有生物相容性，優(yōu)選血液相容性。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維，其中所述第二多孔層的平均孔徑小于所述第一多孔層的平均孔徑。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維，其中所述第二多孔層的平均孔徑小于紅血球的尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維，其中所述第一多孔層為外層，所述第一多孔層包含以所述第一多孔層總重量計(jì)5-95wt％的聚合物基質(zhì)及截留于其中的95-5wt％的顆粒材料。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維，其中所述纖維具有中空核。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維，其中所述顆粒材料具有催化和/或(選擇性)吸附性質(zhì)。
10.一種用于制備前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的纖維的方法，所述方法包含使用具有至少兩個(gè)同心排列的出口開孔的紡絲頭的共擠壓步驟，其中分別饋送含有顆粒材料的流(A)及具有處于聚合物材料的溶劑中的所述聚合物材料的流(B)且其同時(shí)穿過(guò)兩個(gè)相鄰出口開孔，然后所述兩個(gè)流經(jīng)受相轉(zhuǎn)換，較佳其中所述兩個(gè)流經(jīng)受兩步式相轉(zhuǎn)換過(guò)程，以獲得所述具有多孔層的纖維。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述流(A)為包含0-50wt％的聚合物基質(zhì)及1-100wt％的顆粒材料的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中所述流(B)包含3wt％至50wt％的聚合物材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述兩步式相轉(zhuǎn)換過(guò)程涉及使用三層式紡絲頭，其中具有液體、蒸氣或氣體的流(C)經(jīng)饋送穿過(guò)最外部的第三出口開孔以允許控制外部多孔層的孔徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求10-13中任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述流(A)于所述流(B)的內(nèi)側(cè)經(jīng)饋送穿過(guò)所述紡絲頭。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-14中任意一項(xiàng)所述的方法，其中具有處于聚合物材料的溶劑中的所述聚合物材料的流(D)經(jīng)共擠壓，其中流(A)饋送穿過(guò)的出口開孔夾持于流(B)及(D)饋送穿過(guò)的出口開孔之間，然后所述三個(gè)流經(jīng)受相轉(zhuǎn)換，以獲得所述具有三個(gè)多孔層的纖維。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述相轉(zhuǎn)換步驟之后為熱處理、化學(xué)處理、拉伸或另一功能化步驟以活化粒子、固定所述纖維的多孔結(jié)構(gòu)或減小所述多孔纖維的孔徑。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的纖維用于從尤其來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁、細(xì)胞湯汁、乳品或血液的化合物混合物中(選擇性)吸附、轉(zhuǎn)化、分離或純化化合物的用途。
18.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的纖維的模組，所述模組包含填充于外殼內(nèi)部的螺旋纏繞纖維墊，縱向填充于外殼內(nèi)部的纖維束，外殼內(nèi)部的橫向流纖維配置，于外殼內(nèi)部以平行或跨接方式纏繞成線圈的纖維或外殼內(nèi)部的任何其他有序或無(wú)序纖維填充配置。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的纖維或根據(jù)權(quán)利要求18所述的模組用于從尤其來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁、細(xì)胞湯汁、乳品或血液的化合物混合物中(選擇性)吸附、轉(zhuǎn)化、分離或純化化合物的用途。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的纖維或根據(jù)權(quán)利要求18所述的模組用于固定處于反應(yīng)混合物中的催化劑的用途。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種中空或?qū)嵭睦w維，其具有多個(gè)同心排列多孔層，且其中所述層的至少一者包含在制備后完全可接近且保持其功能的功能化或活性粒子。含有高載荷粒子的層可為外層或內(nèi)層。另一多孔層的主要功能是提供纖維的機(jī)械穩(wěn)定性。其可進(jìn)一步充當(dāng)篩網(wǎng)且防止不當(dāng)?shù)幕衔锘蛭镔|(zhì)接觸到功能化顆粒物。當(dāng)?shù)诙訛閮?nèi)層時(shí)，其可有利地為生物相容材料。在第二層為外層的情況下，則可在內(nèi)層達(dá)到100wt％的粒子含量。包含高密度功能化顆粒物且仍具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的這些纖維可用于從尤其來(lái)自發(fā)酵湯汁、組織湯汁、植物湯汁、細(xì)胞湯汁或血液的化合物混合物中(選擇性)吸附、轉(zhuǎn)化、分離或純化化合物。
文檔編號(hào)D01D5/34GK101068958SQ200580028238
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2005年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月17日
發(fā)明者基爾特-漢基特·庫(kù)普斯, 馬提亞·威斯林, 威廉姆·泰特瑞科·凡威科 申請(qǐng)人:摩賽科系統(tǒng)公司