含納米纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利說明】含納米纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)
[00011 本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?01280036228.5申請(qǐng)日為2012年7月13日的中國(guó)專利申請(qǐng)的分 案申請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求2011年7月21日提交申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61 /510，290的優(yōu)先權(quán)， 通過引用在此引入其全部?jī)?nèi)容。
[0004] 發(fā)明說明 發(fā)明領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明大體涉及液體過濾介質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了從被過濾液體 中截留微生物的液體過濾介質(zhì)及其使用和制備方法。
[0006] 發(fā)明背景
[0007] 用各種方法如熔噴、靜電紡和電吹法(electroblowing)已將合成聚合物制成非常 小直徑纖維的網(wǎng)狀物(web)(即直徑大約為幾個(gè)微米(μπι)或更?。＿@些網(wǎng)狀物已被表明可 用作液體阻隔材料和過濾器。它們通常與更強(qiáng)的基底結(jié)合以形成復(fù)合材料。
[0008] 生物制藥業(yè)一直尋找方法以簡(jiǎn)化操作、合并和取消步驟、并降低處理每批藥物物 質(zhì)所需的時(shí)間。同時(shí)，市場(chǎng)和監(jiān)管壓力驅(qū)使生物制藥廠商降低成本。因細(xì)菌、支原體和病毒 的去除占藥物物質(zhì)凈化全部費(fèi)用的很大比例，所以非常需要能夠提高多孔膜過濾處理量和 降低凈化處理時(shí)間的方法。
[0009] 隨著采用新的預(yù)過濾介質(zhì)以及細(xì)菌、支原體和病毒截留過濾器(virus retentive filter)通量的相應(yīng)提高，進(jìn)料流的過濾正成為流量限制因素。因此顯著提高細(xì)菌、支原體 和病毒截留過濾器的滲透率將對(duì)細(xì)菌、支原體和病毒過濾步驟的成本產(chǎn)生直接有益的影 響。
[0010] 液體過濾所用過濾器通常可分類為纖維無紡介質(zhì)過濾器或多孔膜膜過濾器。
[0011] 多孔膜膜液體過濾器或其它類型的過濾介質(zhì)過濾器可以或者在沒有支撐的情況 下使用或者與多孔基底或支撐體結(jié)合使用。多孔膜液體過濾膜的孔徑通常小于多孔無紡介 質(zhì)的孔徑，其可用于：
[0012] (a)微濾(MF)，其中從液體中被過濾顆粒通常為約0.1微米-10微米(μπι);
[0013] (b)超濾(UF)，其中從液體中被過濾顆粒通常為約2納米(nm)至約0· ΙμL?;及
[0014] (c)反滲透(R0)，其中從液體中被過濾顆粒物質(zhì)通常為約1 Α至約lnm。
[0015] 逆轉(zhuǎn)錄酶病毒截留膜通常被認(rèn)為是在超濾膜的開口端上。
[0016] 高滲透率和高度可靠的截留是液體過濾膜的兩個(gè)期望參數(shù)。然而，在兩個(gè)參數(shù)間 存在權(quán)衡，對(duì)于同類型的液體過濾膜，犧牲滲透率可以實(shí)現(xiàn)更大的截留。制備液體過濾膜常 規(guī)方法的固有局限性防止了膜的孔隙率超過一定的閾值，因此限制了在給定孔徑尺寸下所 能實(shí)現(xiàn)滲透率的大小。
[0017] 纖維無紡液體過濾介質(zhì)包括，但不限于，由紡粘法、熔噴或水刺法所得連續(xù)纖維而 形成的無紡介質(zhì);粗梳短纖維等所形成的水刺無紡介質(zhì)，和/或它們的組合。通常，用于液體 過濾的纖維無紡介質(zhì)過濾器的孔徑尺寸一般大于約Ιμπι。
[0018] 無紡材料被廣泛用于制造過濾產(chǎn)品。打褶膜濾芯通常包括作為排水層的無紡材料 (例如，參見美國(guó)專利號(hào)6，074,869、5,846,438、和5,652,050,都屬于Pall Corporation;及 美國(guó)專利號(hào)6,598,749屬于Cuno Inc，現(xiàn)為3M Purification Inc.)〇
[0019] 無紡微孔材料還可以被用作位于其上相鄰多孔膜層的支撐篩，如EMD Millipore Corporation，Bill erica，ΜΑ 的 Biomax?.超濾膜。
[0020] 無紡微孔材料還可以被用作支撐架構(gòu)以提高位于無紡微孔結(jié)構(gòu)上多孔膜的強(qiáng)度， 如EMD Millipore Corporation Milligard?過濾器〇·
[0021] 無紡微孔材料還可以被用于"粗濾"，通過去除直徑一般大于Ιμπι的懸浮顆粒，提高 位于無紡微孔材料下游多孔膜的能力。多孔膜通常提供關(guān)鍵的生物安全屏障，或具有明確 定義的孔徑尺寸結(jié)構(gòu)，或截止分子量。關(guān)鍵過濾通過確?？深A(yù)期的和可證實(shí)的高度去除(通 常>99.99%，如所述試驗(yàn)所定義)微生物和病毒顆粒為特征。關(guān)鍵過濾通常取決于在多個(gè)生 產(chǎn)階段中以及在使用時(shí)，確保液體藥物和液體生物制劑無菌。
[0022] 熔噴和紡粘纖維介質(zhì)通常被稱為"傳統(tǒng)"或"常規(guī)"無紡織物。這些傳統(tǒng)無紡織物中 的纖維直徑通常至少為約l，〇〇〇nm，因此在傳統(tǒng)無紡織物中有效孔徑大于約1微米。生產(chǎn)傳 統(tǒng)無紡織物的方法通常導(dǎo)致高度不均勻的纖維墊。
[0023]歷史而言，常規(guī)無紡墊(mat)形成(例如利用熔噴和紡粘法）的隨機(jī)性質(zhì)，已經(jīng)導(dǎo)致 一般假設(shè)，即無紡墊不適合于液體流的任何關(guān)鍵過濾，因此，包括常規(guī)無紡墊的過濾裝置通 常只將這些墊用于預(yù)過濾以提高被放置在常規(guī)無紡墊下游的多孔關(guān)鍵過濾膜的能力。
[0024] 另一種無紡織物包括電紡納米纖維無紡墊，其象"傳統(tǒng)"或"常規(guī)"無紡織物一樣， 已經(jīng)通常被假定為不適合于液體流的關(guān)鍵過濾（例如參見，Bjorge et al.，Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications, Desalination, 249,(2009),942-948)〇
[0025] 電紡聚合物納米纖維墊高度多孔，其中"孔"尺寸與纖維直徑大致成線性比例關(guān) 系，而孔隙率相對(duì)地不依賴于纖維直徑。電紡納米纖維墊孔隙率通常為85-90 %，這使得納 米纖維墊與具有相似厚度和孔徑等級(jí)的浸潤(rùn)流延膜相比顯示出顯著提高的滲透率。電紡聚 合物納米纖維墊與多孔膜相比的孔隙率優(yōu)勢(shì)在病毒過濾所通常要求的小孔徑范圍內(nèi)得到 放大，因?yàn)橄惹坝懻摰腢F膜的孔隙率降低。
[0026] 通過用電勢(shì)，而非制備常規(guī)或傳統(tǒng)無紡織物所用的熔噴、濕法成網(wǎng)或擠出生產(chǎn)方 法，紡織聚合物溶液或熔體而制備電紡納米纖維無紡墊。通常用電紡得到的纖維直徑為10-lOOOnrn，比常規(guī)或傳統(tǒng)無紡織物小1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0027] 電紡納米纖維墊的形成是通過將溶解或熔融的聚合物材料放置在第一電極附近 并施加電壓以使溶解或熔融的聚合物材料作為纖維由第一電極拉向第二電極。在制備電紡 納米纖維墊的過程中，所述纖維并未通過吹熱空氣或其他機(jī)械方法而強(qiáng)迫置于墊中，這會(huì) 導(dǎo)致非常寬的孔徑分布。而電紡納米纖維形成高度均勻的墊，這是因?yàn)殡娂徏{米纖維之間 的彼此電排斥。
[0028] EMD Millipore Corporation的W0 2010/107503教導(dǎo)具有特定厚度和纖維直徑的 納米纖維墊具有改進(jìn)的液體滲透率和微生物截留組合。所教導(dǎo)的最薄的樣品為55μπι厚，滲 透率為4,960lmh/psi，然而，并沒有描述測(cè)定截留保證(retention assurance)的方法，也 沒有描述所達(dá)到的保證水平。通常而言，納米纖維墊比具有相似截留的多孔膜對(duì)比物具有 2-10倍更好的滲透率，據(jù)信這是納米纖維墊具有更高孔隙率(~90%對(duì)比對(duì)于典型的濕法 流延多孔膜的70-80%)的結(jié)果。
[0029]電紡納米纖維墊可以通過將纖維沉積（deposit)于常規(guī)紡粘無紡織物上而生產(chǎn) (無紡織物和納米纖維層之間面對(duì)面界面的實(shí)例描述于Elmarco s .r.o.的W0 2009/010020 和Clarcor Inc.的US公開專利申請(qǐng)2009/0199717中，其各自在此整體通過引用并入全文）。 在各個(gè)方法中，支撐無紡織物的表面的粗糙度可以延伸到納米纖維層中，造成納米纖維結(jié) 構(gòu)的可能的非均勻性，因此可能犧牲截留特性。
[0030] 頒發(fā)給Jirsak等的美國(guó)專利號(hào)7,585,437教導(dǎo)了用電紡由聚合物溶液制備納米纖 維的無噴嘴方法及執(zhí)行該方法的裝置。
[0031] 在此通過引用整體并入的Nano Technics Co.LTD.的W0 2003/080905教導(dǎo)了電吹 方法，其中將包含聚合物和溶劑的聚合物溶液流從儲(chǔ)存塔進(jìn)料到噴絲板中的一系列紡織噴 嘴中，并向其施加高壓，聚合物溶液由其中發(fā)射出去。壓縮空氣，可以任選將其加熱，由置于 紡織噴嘴側(cè)面或周邊的空氣噴嘴中釋放。通常將壓縮空氣作為吹入氣體流封膜朝向下方， 并使新形成的聚合物溶液向前，從而幫助形成納米纖維網(wǎng)，其被收集在位于真空室上面的 研磨多孔收集帶上。
[0032] Schaefer等人的美國(guó)專利公開No.2004/0038014教導(dǎo)了用于過濾污染物、包含一 層或多層由靜電紡形成的細(xì)微聚合物微纖維和納米纖維的厚收集層的無紡過濾墊。
[0033] Green的美國(guó)專利公開No. 2009/0199717教導(dǎo)了在基底層上形成電紡纖維層的方 法，大量電紡纖維具有直徑小于1 〇〇納米(nm)的纖維。
[0034] Bjorge等人在Desalination 249(2009)942-948中教導(dǎo)了納米纖維直徑為約50-100nm、厚度為約120μπι的電紡尼龍納米纖維墊。對(duì)于表面未處理的纖維，測(cè)量的細(xì)菌LRV為 1.6-2.2 jjorge等人據(jù)稱得到納米纖維電紡墊的細(xì)菌去除效率并不滿意的結(jié)論。
[0035] Gopal等人在Journal of Membrane Science 289(2007)210-219中教導(dǎo)了電紡聚 醚砜納米纖維墊，其中納米纖維直徑約為470nm。在液體過濾過程中，納米纖維墊作為篩網(wǎng) 而過濾掉大于1微米(μπι)的顆粒，并作為深度過濾器(如預(yù)過濾器)去除小于1微米的顆粒。
[0036] Aussawasathien等人在Journal of Membrane Science,315(2008)11-19中教導(dǎo) 了用于去除直徑約為0.5-10μπι的聚苯乙烯顆粒的直徑為約30-110nm的電紡納米纖維。
[0037] 為什么研究集電極性質(zhì)的一個(gè)原因是為了控制在那個(gè)電極上所收集的納米纖維 的取向。Li等人在Nano Letters，vol.5，ηο·5(2005)913-916中描述了在集電極中引入絕緣 間隙及該引入的絕緣間隙的面積和幾何形狀的影響。他們證明了納米纖維的集合和走向可 以通過改變集電極的形態(tài)而得到控制。
[0038] 然而，沒有一個(gè)先前討論的納米纖維墊的教導(dǎo)中教導(dǎo)了納米纖維性能和基底表面 性質(zhì)之間的關(guān)系。