功能多孔纤维的制作方法

专利名称：功能多孔纤维的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备包含功能化的或活性颗粒，特别是包含在制备后仍可使用且具有活性的颗粒的多孔聚合物纤维的方法，并且涉及由此获得的多孔聚合物纤维。本发明还涉及这种纤维用于从(复杂)混合物(例如发酵液体培养基)中纯化和/或分离组分的用途，或者在反应混合物中用作催化剂的用途。对于这种用途，优选将所述多孔聚合物纤维用在例如下文所述的组件中。
背景技术：
包含颗粒的多孔聚合物基体(matrix)先前已有描述。
举例来说，在US 6,048,457中描述了多孔聚砜膜结构，其包含吸附颗粒，例如活性碳、(煅制或衍生化的)二氧化硅或(功能化的)聚苯乙烯二乙烯苯微珠。其着眼于用于小规模的样品制备的吸移管尖内的原位(cast-in-place)结构。
另一个实例是US 5,258,149，其中描述了包含聚砜聚合物和二氧化硅的中空纤维膜。据称二氧化硅在膜形成中起着孔成形剂和增粘剂的作用，并且具有二氧化硅的纤维直至通过用碱处理除去二氧化硅后才是微孔的。中空纤维膜在聚丙烯酸的存在下通过加压热处理而固定。聚丙烯酸与纤维壁结合并且对低密度脂蛋白胆甾醇配合物(LDL-C)起着亲合试剂的作用。
在US 5,238,735中，通过从230℃的熔融物中将(共)聚烯烃、合成树脂颗粒和增塑剂的混合物挤成可以切成颗粒的线，制得了包含合成树脂颗粒的微孔聚烯烃中空纤维。从215℃的熔融物中通过中空纤维生产喷嘴挤出所得的颗粒。为了产生所需的空隙率，通过辊-拉伸方法单轴向拉伸未拉伸的中空纤维，得到分子取向的微孔中空纤维。
另外，在WO 00/02638中，描述了包含基本上固定的材料的多孔聚合物基体。这种柔性的片状膜(平坦的、有褶的或者有波纹的)在外表面上具有选择性渗透的表皮。具体地说，描述了通过在聚酯载体上流铸聚氨酯和活性炭的浆状混合物来制备薄膜。其中提到所述混合物还可以被挤出到载体上。此外，还提到不用整块载体来制备薄膜，举例来说通过将混合物施用到转鼓上，然后从转鼓表面上剥离薄膜。另外，还提到可以形成平坦的片状薄膜以外的形态，例如纤维、棒和管。但是，除了在载体上流铸薄膜的实施方案外，没有公开其它的方案。
在WO 98/34977中，描述了由至少一种水不溶性聚合物、至少一种水溶性聚合物和至少20％的至少一种填料材料(特别是活性炭)形成的多孔复合产物。使用挤压机通过熔融挤出工艺来获得所述产物。通过从挤出的产物中消除可溶性聚合物来在产物中引入空隙率。据称所述聚合物材料是非纤维性的，并且更多涉及的是多孔复合产物膜。
因此，由起始组分的适当混合物一步制备包含颗粒材料的聚合物材料在本领域是公知的。这种材料通过浇铸工艺来制备，并且可以通过浇铸模具的外壳限制其三维尺寸，或者形成片状。这种浇铸工艺不适合于纤维的制备。
为了制备包含颗粒材料的多孔聚合纤维，需要附加的工艺步骤来引入所需的空隙率。在制备包含颗粒材料的纤维步骤之后，从非多孔的纤维中除去颗粒材料，或者拉伸非多孔纤维，来得到多孔纤维。仅在后一情况中，能获得包含具有特定(吸附)功能的颗粒的微孔纤维。
已知的多孔聚合纤维制备方法的缺点是它们在形成纤维后为了得到终产品需要附加的工艺步骤。有待开发更高效的制备工艺。根据所要采取的实际工艺步骤，不得不选择具有可以支持附加工艺步骤工艺条件的性质的适当起始材料。明显地，这些要求限制了可以使用的聚合物材料。此外，它限制了可以包含在聚合物基体中的颗粒材料的类型。高的负载颗粒含量将降低纤维的机械强度，并因此限制了拉伸步骤。负载颗粒含量受基体材料达到足够拉伸所需的力的限制。通过拉伸包含颗粒的材料，颗粒材料可能脱出待形成的多孔结构。在包括熔融挤出的工艺中，只有可以承受熔化基体聚合物所需温度的颗粒材料才可以使用。这些温度常常远在200℃以上。
DD A 233,385公开了一种包含一步相转化或者所谓湿纺丝过程的制备多孔纤维的方法。在挤出之后，立即将纤维加入纺丝浴。添加颗粒来维持空隙率，同时在升高的温度下进行干燥；颗粒的可接近性和功能性在其中是不太重要的。据称终产品的性质和行为本质上取决于所用聚合物的化学结构。
根据DD A 233,385的方法的缺点是在溶剂含量低于60重量％的纺丝浴中直接纺丝导致相当致密的外表面以及有限的颗粒可接近性。但是，溶剂量的增加会导致纺丝工艺难以控制；由于初生纤维分层的延迟，固化花费太长的时间。

发明内容
本发明的目的是提供包含具有特定功能性的颗粒材料的多孔纤维，其可在室温或控制温度下制备，并且在纤维形成后不需要附加工艺步骤。
本发明的进一步的目的是提供可包含在聚合物基体中或者负载结构中的各种功能颗粒的使用方法。可以使用多种具有不同官能团的颗粒或者具有一种以上官能团的颗粒。
所述功能颗粒在结合入多孔纤维的基体(支撑结构)时应该是可接近的并且能维持其功能性。
已经惊人地发现本发明的目的可以通过混合一种或多种聚合物的溶液和颗粒材料的方法来实现。通过挤出所得混合物，可以获得包埋有颗粒材料的多孔纤维。可以向所述聚合物溶液中添加任选的添加剂和/或非溶剂。纤维的挤出在相转化条件下进行。
因此，根据本发明，提供了一种制备包埋有颗粒材料的聚合物基体的方法，其中所述聚合物基体是多孔的，并且在制成后所述颗粒是很易接近的而且能维持其功能性，所述方法包含提供溶解的聚合物材料和颗粒材料的混合物，以及将所述混合物挤出成纤维并且通过两步相转化过程固化所述纤维。


图1是根据实施例1制备的多孔实心纤维的扫描电子显微镜照片(SEM)。
图2和3是图1的放大。
图4是根据实施例2制备的多孔中空纤维的扫描电子显微镜照片(SEM)。
图5表示根据实施例5使用NMP/水(70/30重量％)混合物作为初始凝结剂制备的实心PES/CER纤维的外表面SEM照片。
图6表示根据实施例5使用NMP/水(90/10重量％)混合物作为初始凝结剂制备的实心PES/CER纤维的外表面SEM照片。
图7表示颗粒含量为10重量％的PES/CER纤维的SEM照片。
图8表示颗粒含量为75重量％的PES/CER纤维的SEM照片。
具体实施例方式
本发明人发现了一种制备包埋有颗粒材料的多孔聚合纤维的方法。其优点在于在形成纤维的同时在纤维中引入空隙率，因此不再需要额外的形成孔的处理。
本发明方法的另一个优点是它在挤出步骤期间不影响颗粒材料的完整性。该方法可以在聚合物基体中包埋具有多种官能团的颗粒。不能用于高温熔融挤出的热敏感颗粒也可以通过相转化过程引入多孔基体中，而不会伤害所述颗粒。纤维可以在温和的条件下加工。
纤维的挤出在相转化条件下进行。相转化，或者相分离可以通过如下方式产生均匀溶液的温度变化(热相分离)、从包含非挥发性非溶剂的聚合物溶液中蒸发溶剂(蒸发诱导的相分离)、非溶剂蒸汽的渗透(蒸汽诱导的相分离)，或者将均匀的聚合物溶液浸入非溶剂浴中(浸渍诱导的相分离)。
通常，相转化挤出过程需要使用其中聚合物浓度大于12重量％的聚合物溶液。出乎意料地，颗粒材料的存在允许使用较低浓度的聚合物溶液。具体地说，它允许使用低于12重量％，更具体地是低于10重量％的聚合物浓度。
通过本发明的方法，可以形成无限长度的负载有颗粒的基体。显然，除了无限长度的负载有颗粒的基体，也可以通过相同的技术生产长度非常短的基体。除了连续的纤维以外，可以在所述无限基体结构固化后将所述结构切割或压成小片，或者将包含颗粒的聚合物溶液在短的时间间隔内通过例如喷丝头的挤出机挤出，或者通过其它能引起液滴离开挤出机的装置来挤出。
本文使用的术语纤维包括中空和实心的纤维。根据应用的类型，选择适当的纤维形态，中空的或者是实心的。
还根据纤维的用途和所需性质，本领域技术人员将理解可以使用许多不同的颗粒。举例来说，当用于除去有毒的或者不需要的(小的)有机化合物的解毒或纯化装置时，可以使用举例来说如活性碳的吸附颗粒材料。
在本发明优选的实施方案中，却是使用多孔纤维来分离所需的分子。具体地说，这种应用关注大分子，例如肽、核酸或其它有机化合物的分离。在这种情况中，优选使用吸附颗粒。结合多孔的基体形态，最合适的颗粒应具有快速吸附的动力学特性、与所述应用相称的容量和选择性，并且可以使用适当的试剂来脱附分子。合适的吸附颗粒对于特定分子的亲合力可以根据疏水、亲水或荷电的官能团的来确定，特别是离子交换官能团、分子(印迹)识别、抗原决定基的识别、异构体选择或者其它特异性相互作用。在一个实施方案中，合适的吸附颗粒材料是疏水性的。
在另一个实施方案中，官能化的颗粒材料被用于尺寸排阻，或者光学活性化合物的分离或异构体的分离，或者可以用于反相色谱。光学活性化合物的分离或者异构体的分离可以基于选择性的亲合力。
在另一个实施方案中，官能化的颗粒材料被用作反应混合物中的组分，特别是作为催化剂来促进反应性。另外，也可以结合吸附作用和催化作用。具体地说，所述催化剂可以是生物催化剂。
合适的吸附颗粒对于本领域技术人员是明显的，并且包括阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、二氧化硅型颗粒(例如用C2、C4、C6、C8或C18或者离子交换官能团改性或衍生出来的)、沸石、陶瓷颗粒(例如TiO2、Al2O3等)、磁性胶体粒子、多孔或非多孔聚合物颗粒(例如用例如磺酸、季铵等改性或衍生出来的多孔聚苯乙烯或苯乙烯-二乙烯基苯型颗粒)、分子印迹颗粒，以及(均相)催化剂颗粒。
在另一个实施方案中，多孔基体内的功能颗粒可以通过随后的官能化而改变其功能。举例来说，离子交换颗粒可以通过随后的交联反应吸附能保持在颗粒上的蛋白质。蛋白质修饰的离子交换(IEX)颗粒现在具有不同于其原始吸附功能的功能。举例来说，蛋白质修饰的IEX颗粒现在可以具有不同的吸附功能或者不同的对映体分离功能。其它的实例包括将(均相)催化剂固定在多孔基体内的功能颗粒上。
本文中使用的术语颗粒材料包括具有规则(特别是球形)或者不规则形状的颗粒，以及碎片、纤维和粉末，包括金属粉末，例如粉末化聚苯乙烯的塑料粉末、正常相的二氧化硅、煅制二氧化硅和活性碳。
可以使用平均粒径(直径)高达100微米的颗粒。优选平均粒径小于50微米，并且优选在0.1至30微米，更优选小于20微米的范围内。
所述聚合物材料可以是包括弹性体、共聚物、聚合物混合物、共聚物混合物，或者聚合物与共聚物的混合物。适于根据本发明方法制备多孔纤维的聚合物材料的实例包括聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚酰胺(PA)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯-共聚-乙烯醇(EVAL)、聚乙烯-共聚-乙烯基乙酸酯(EVAC)、醋酸纤维素(CA)、纤维素三醋酸酯(CTA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)、聚氨酯(PAU)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯酸(PAA)。但是本发明并不限制于这些聚合物材料，并且对于本领域技术人员而言，显然还存在其它适合的材料。另外，还可以使用化学和/或物理改性的聚合物，如磺化聚合物。还可以使用两种或多种聚合物的混合物。通常，使用与食品组分兼容的聚合物是有利的。优选这些聚合物表现出与食品组分低的相互作用，以防止与进料流以外的成分的非选择性相互作用。
优选的聚合物材料是聚醚砜、聚砜、聚乙烯-共聚-乙烯醇、聚偏二氟乙烯和醋酸纤维素。
在本发明的方法中，聚合物材料应该溶解在适合的溶剂中。溶剂的类型取决于聚合物的选择。从相转化过程的角度来看，使用与水能良好混溶的溶剂。可以同时使用一种或多种溶剂，甚至与非溶剂组合。适当的溶剂包括，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)、二甲亚砜(DMSO)、甲酰胺(FA)、四氢呋喃(THF)、ε-己内酰胺、丁内酯，特别是4-丁内酯、环丁砜、环己酮和磷酸三乙酯。优选的溶剂是NMP、DMAc、DMF、DMSO、THF、ε-己内酰胺和4-丁内酯。
水是优选的凝结介质。可用凝结介质的其它实例和非溶剂是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、丙酮、甲乙酮。
通过紧密混合溶剂、聚合物基体材料和颗粒材料制得了基本的挤出用混合物。
为了在纤维中获得所需的空隙率，使用非溶剂和溶剂的混合物，结合物理过程参数(例如温度、生产速率、湿度、空隙长度、拉伸及收缩速率)的变化。出于各种原因，还可以使用添加剂，例如用于影响聚合物溶液的粘度的添加剂(例如孔成形剂、孔连通性增强剂)、用于降低或阻止大空隙的形成和/或引入亲水性的添加剂。可能的添加剂包括，但不局限于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚氧化乙烯(PEO)、右旋糖酐、甘油、二甘醇、例如辛醇的(更高级)醇、羧酸或有机酸(例如草酸、马来酸、酒石酸、富马酸)、盐(例如LiCl和CaCl2)。评价并使用适合的(非)溶剂(混合物)、添加剂和工艺条件来生产具有所需性质的纤维都在本领域一般技术人员的能力范围内。
为了生产中空、实心或实心支撑的纤维，可以使用常用的挤出机。举例来说，通过使用双壁圆筒(孔内管)喷丝头并且应用孔内液体(boreliquid)，可以获得中空纤维。不使用孔内液体导致形成实心的纤维。通过用聚合物纺线或结网，可以获得复合纤维。可以通过挤入水浴中来固化包埋有颗粒材料的多孔纤维。
聚合物溶液中基体聚合物的浓度在0.5至50重量％。待挤出混合物中颗粒的用量取决于聚合物的类型和所用聚合物的浓度。通常，待挤出混合物中颗粒的量可以在1至95重量％之间变化。因此，待挤出的混合物包含0.5％至50重量％的聚合物材料和1％至95重量％的颗粒材料，剩余的是溶剂。添加剂和/或非溶剂可以部分地替换溶剂并且可以在0.01至50重量％之间变化。
在一个实施方案中，聚合物溶液中基体聚合物浓度在3至50重量％之间，并且优选在5至35重量％之间。优选基体聚合物浓度低于12％，更优选低于10重量％。优选的浓度取决于所用的具体聚合物，以及具体的颗粒材料和待获得纤维中所需的颗粒量。
在一个实施方案中，待挤出的混合物中颗粒的含量在1至60重量％之间变化。优选待挤出的混合物中颗粒的含量在5重量％以上，优选在10至60重量％之间。因此，待挤出的混合物包含3％至50重量％的聚合物材料和1％至60重量％的颗粒材料，剩余的是溶剂。添加剂和/或非溶剂可以部分地替换溶剂并且可以在0.01至50重量％之间变化。
此外，本发明人出人意料地发现聚合物溶液中的颗粒尺寸、官能团以及颗粒的量对基体最终的孔结构具有显著的影响。颗粒越小基体结构越多孔。举例来说，观察到当颗粒从90微米降至20微米，结构从包含大孔的结构改变成完全无大孔的结构。此外，当颗粒含量增加时，颗粒的可接近性显著改善。图7和8表示从含有10重量％颗粒材料的纤维到含有75重量％颗粒材料的纤维，空隙率的变化。
通常认为聚合物基体中可良好接近的颗粒的含量越高越好。但是，还认为在颗粒载量和可接近性之间存在平衡，这取决于聚合物基体的具体应用。使用具有大孔的聚合物基体是更加有利的，从聚合物基体中的对流传输和扩散阻力来看，这也是有益的。
因此，在本发明的一个方面中，提供了一种通过改变颗粒材料的尺寸来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。在本发明的另一个方面，提供了一种通过改变颗粒材料的含量来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。在本发明的再一个方面中，提供了一种通过改变颗粒材料的官能团来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。改变官能团意指改变颗粒内或颗粒上的化学基团。
根据本发明方法制备的纤维包含5-95重量％的聚合物材料和5-95重量％的颗粒材料，优选为60-95重量％的颗粒材料。即便在75重量％和更高的颗粒含量下，也已经获得具有足够机械强度的纤维。在一个实施方案中，根据本发明方法制备的纤维包含20-70重量％的聚合物材料和30-80重量％的颗粒材料，优选为60-70重量％的颗粒材料。
为了生产具有所需多孔性质的纤维，使用两步相转化过程。在进入凝结浴之前，使初生纤维的外面与所选的介质接触，导致外层组成的变化。这被认为是相分离过程的第一步。当纤维进入凝结浴中时，初生纤维将进一步相分离并且结构被固定。这被认为是相分离的第二步。在第一步中，可以调节纤维外壁的孔径和空隙率。
为了影响离开挤出机冲模的聚合物溶液外部的环境，在两步相转化过程中，特别使用了借助喷丝头的挤出。优选使用这样的装置其中所用纺丝头可以使用控制的液体、蒸汽或气体流作为纤维外部介质。有利地，所述两步相转化过程包括使用在WO93/12868中描述的所谓的三层纺丝头。三层纺丝头允许控制的液体、蒸汽或气体流作为沿纤维的外部介质。对于中空纤维，通过三层纺丝头的针通入孔内液体，这会影响内表面结构。对于制备实心纤维，所述针没有作用并且甚至可以省去。
三层纺丝头中外部介质的组成和进入凝结浴前的接触时间决定了纤维外表面是致密的或多孔的。当纤维外表面与适当湿度的空气接触时，纤维的外表面变得致密。为了有益于包埋颗粒的最佳可接近性，纺丝期间适当的介质应该沿纤维外表面流动。优选的外部介质是聚合物溶剂与非溶剂的液体混合物。优选的非溶剂是水。可选地，可以使用包含聚合物的非溶剂的汽流。在此情况下，优选非溶剂是水蒸汽。技术人员可以容易地确定汽流中所需的水蒸汽量，以产生第一相转化作用。
在两步相分离过程中初生纤维连续地与两种不同的介质接触，并且都通过溶剂和非溶剂的交换影响初生纤维组合物，从而避开了DDA 233,385中描述的一步相转化过程中的种种困难，其中与第一种介质的接触时间是短的并且第二种介质对于初生纤维组合物是强的凝结剂。根据本发明方法使用的两步相转化过程确保了多孔基体中的颗粒在制备后是容易接近的并且能保持其功能。
还可以使用简单的孔内管(tube-in-orifice)的纺丝头，但是其在改变壳表面方面不太灵活。当然当生产实心纤维时，不再需要内针(inner needle)，并且三层纺丝头被简化成孔内管的纺丝头，其中聚合物溶液通过所述针被纺丝，并且第一种凝结剂流过孔口。因此在此情况下需要调节管和孔的尺寸。
对于纤维的其它实施方案，一种或多种任何材料的细丝、线、纱线等可以与纤维共挤压，并且被包埋在实心纤维的芯中或者在中空纤维的壁中，基本上如同在WO 01/02085中所述。
纤维中孔的典型尺寸不大于20微米。尽管孔径取决于应用，但是为了避免在加工期间的颗粒损失，应当不大于颗粒的尺寸。
纤维的最优直径取决于目标颗粒的扩散系数、吸附剂的长度和流动条件。典型的纤维直径介于10微米或20微米与15毫米之间，在大多数情况中使用直径介于0.3或0.5至3毫米之间的纤维是有益的。
可以对由此生产的多孔纤维进行后处理，例如热处理或者进一步的功能化步骤，从而活化颗粒或者固定纤维的多孔结构，或者降低多孔纤维的孔径。根据所用的聚合物和颗粒，本领域的一般技术人员能够确定热处理中使用的适合温度或温度范围。
本发明还涉及通过根据本发明的方法获得的纤维。
根据本发明的方法制备的纤维可以直接使用，但是在本发明的另一个实施方案中纤维被包含在一组件中。合适的组件包括装填在外壳(housing)内的螺旋缠绕的簇(spirally wound fiber mats)、纵向装填在外壳内的一束纤维、外壳内的横向纤维结构、外壳内的以平行或交叉方式缠绕的纤维线圈，或者外壳内任何其它有序或无序的纤维装填结构。另外，本发明还包括根据本发明方法制备的包含纤维(任选以细分形式)的其它实体。这些实体举例来说包括色谱柱。
本发明的多孔纤维和多孔纤维组件根据颗粒的选择具有广泛的应用。它们可以用于从反应混合物中，或者实际上是任何化合物的混合物中吸附和/或纯化化合物。举例来说，其应用包括肽和蛋白质的分离、用于基于亲合力的分离的固定配体、色谱、用于反应的固定催化剂和酶、释放和产品保护等。本领域技术人员能够根据所需的应用，来选择适当的颗粒和颗粒官能化，并结合以适当的聚合物材料和任选的添加剂。
特别有意义的具体应用是从通常的发酵液体培养基、组织液体培养基、植物液体培养基或者细胞液体培养基中分离所需的蛋白质，以及用于催化和酶反应、解毒作用、产品保护及释放系统。
实施例1实心纤维聚乙烯-乙烯醇/阳离子交换树脂结构通过在二甲亚砜(DMSO)中溶解7重量％EVAL和12重量％阳离子交换树脂(CER)(Lewatit CNP 80 WS(Bayer)，总离子交换容量4.3eq/l)以及7重量％辛醇，来制备聚乙烯-乙烯醇(44％乙烯含量的EVAL)实心纤维。树脂颗粒小于20微米。所得的分散液体通过孔内管纺丝头(OD＝2.4且ID＝1.65毫米)被挤入水浴(20℃)中，在其中发生相分离。对于实心纤维的生产，不使用孔内液体。以此方式获得颗粒载量为60重量％CER的多孔实心纤维，其中80％的固定颗粒对于蛋白质(BSA)吸附具有活性。BSA吸附达到80毫克/克纤维。
实施例2中空纤维聚砜/阳离子交换树脂结构通过在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中溶解30重量％的聚砜(UDEL3500)，并将其与30重量％的苯乙烯-二乙烯苯型阳离子交换树脂(CER)(Amberlite IR-120总离子交换容量4.4meq/克干树脂)混合，来制备聚砜中空纤维。树脂颗粒小于20微米。所得的分散液体通过孔内管纺丝头(OD＝2.1且ID＝1.0毫米)被挤入水浴(16-18℃)中，在其中发生相分离。孔内液体由60％NMP和40％水组成。纺丝速率为0.35米/分钟。以此方式获得颗粒载量为50重量％CER，其中88％的固定颗粒对于盐离子是可接近的多孔中空纤维。
所生产的没有进行后处理的中空纤维表现出7.9mol·hr·m2的NaOH通量和2.4mol·hr·m2的Na2SO4通量。这导致相当低的选择性3.3。在基体聚合物玻璃化转变温度之上对所制得的纤维进行热处理会显著地影响纤维的性质。在200℃热处理10分钟后，NaOH和Na2SO4的通量分别降低至1和0.01mol·hr·m2。对NaOH/Na2SO4的选择性从3.3增加为102。
实施例3实心纤维聚乙烯-乙烯醇/BSA改性的阳离子交换树脂结构通过在二甲亚砜(DMSO)中溶解7重量％的EVAL和12重量％的阳离子交换树脂(CER)(Lewatit CNP 80 WS(Bayer)，总离子交换容量4.3eq/l)以及7重量％辛醇，来制备聚乙烯-乙烯醇(44％乙烯含量的EVAL)实心纤维。树脂颗粒小于20微米。所得的分散液体通过孔内管纺丝头(OD＝2.4且ID＝1.65毫米)被挤入水浴(20℃)中，在其中发生相分离。对于实心纤维的生产，不使用孔内液体。以此方式获得颗粒载量为60重量％CER的多孔实心纤维。在一批实验中，使用功能多孔纤维来吸附牛血清白蛋白(BSA)。所述功能多孔纤维具有165毫克BSA/克纤维的吸附容量。用戊二醛(GA)连续处理BSA改性的功能多孔纤维，从而将蛋白质化学粘附到多孔基体中。所得的聚乙烯-乙烯醇/BSA改性阳离子交换树脂结构能吸附胆红素。因此它还具有吸附其它物质，例如色氨酸、巴比妥酸盐或抗抑郁药的潜力。
实施例4对内毒素具有选择性的实心纤维聚乙烯-乙烯醇/聚乙烯亚胺改性的氧化锆颗粒通过在二甲亚砜(DMSO)中溶解7重量％EVAL和12重量％氧化锆微球和7重量％辛醇，来制备聚乙烯-乙烯醇(44％乙烯含量的EVAL)实心纤维。氧化锆颗粒小于20微米，并且或者可以商购或者通过聚合诱导的胶体聚集作用合成并设计成所需性质。所得的分散液体通过孔内管纺丝头(OD＝2.4且ID＝1.65毫米)被挤入水浴(20℃)中，在其中发生相分离。对于实心纤维的生产，不使用孔内液体。以此方式获得氧化锆颗粒载量为63重量％的多孔实心纤维。进一步用2％的PEI甲醇溶液涂布由此获得的纤维，以将聚乙烯亚胺(PEI)固定到氧化锆颗粒上。PEI借助诸如1，2-双-(2-碘乙氧基)乙烷或1，10-二碘癸烷的化合物发生交联，可以影响季铵化PEI的亲水性。这种含有聚乙烯-乙烯醇/聚乙烯亚胺改性的氧化锆颗粒的功能性多孔纤维可以从蛋白质中选择性地吸附内毒素。
实施例5实心纤维聚醚砜阳离子交换树脂结构通过在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中溶解13.8重量％PES和13.8重量％的阳离子交换树脂(CER)(Lewatit CNP 80 WS(Bayer)，总离子交换容量4.3eq/l)、33.6重量％的聚乙二醇(PEG400)和5.2重量％的水，来制备聚醚砜(PES)实心纤维。树脂颗粒小于20微米。所得的分散液体通过三层纺丝头(OD＝2.4且ID＝1.65毫米)被挤入水浴(20℃)中，在其中发生相分离。对于实心纤维的生产，不使用孔内液体。NMP和水的混合物(第一凝结剂)在初生纤维的外面流动。与第一凝结剂的接触时间小于1秒。以此方式获得颗粒载量为50重量％CER的多孔实心纤维。扫描电子显微镜(SEM)照片清晰地表明，与90重量％NMP和10重量％水的混合物相比，当使用70重量％NMP和30重量％水的混合物作为第一凝结剂时，外表面更加致密，参阅图5和6。
实施例6颗粒含量的影响为了表明颗粒含量对聚合物基体的影响，改变颗粒含量制备根据实施例5的纤维。图7表明颗粒含量为10重量％的纤维中明显可见大孔。图8表明颗粒含量为75重量％的纤维中没有大孔。
权利要求
1.一种制备包埋有颗粒材料的聚合物基体的方法，其中所述聚合物基体是多孔的，并且在制成后所述颗粒是很易接近的而且能维持其功能性，所述方法包含提供聚合物材料和颗粒材料在聚合物材料的溶剂中的混合物，以及将所述混合物挤出成纤维，并且通过两步相转化过程固化所述纤维。
2.根据权利要求1的方法，其中所挤出的混合物包含0.5％至50重量％的聚合物材料和1％至95重量％的颗粒材料，剩余的是溶剂。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所用溶剂选自N-甲基-吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO)、四氢呋喃(THF)、ε-己内酰胺或4-丁内酯。
4.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述聚合物材料和颗粒材料的混合物中的溶剂用0.01-50重量％的一种或多种添加剂和/或非溶剂替换。
5.根据权利要求4的方法，其中所述添加剂选自辛醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)和甘油。
6.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述纤维包含5-95重量％的聚合物材料和5-95重量％的颗粒材料。
7.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述纤维包含约60-95重量％的颗粒材料。
8.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述两步相转化过程包括使用纺丝头，其可以使用控制的液体流、蒸汽流或气体流作为纤维的外部介质。
9.根据权利要求8的方法，其中所述外部介质是所述聚合物的溶剂和非溶剂的液体混合物。
10.根据权利要求8的方法，其中所述外部介质是包含所述聚合物的非溶剂的气流。
11.根据权利要求9或10的方法，其中所述非溶剂是水或水蒸汽。
12.根据权利要求8-11任何一项的方法，其中使用三层纺丝头。
13.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述聚合物材料选自聚醚砜、聚砜、聚乙烯-共聚-乙烯醇、聚偏二氟乙烯和醋酸纤维素。
14.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述多孔基体中的颗粒材料通过随后的官能化来改变其功能。
15.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料是吸附性颗粒材料。
16.根据权利要求15的方法，其中所述吸附性颗粒材料是离子交换树脂。
17.根据权利要求16的方法，其中所述吸附性颗粒材料是疏水性的。
18.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料被用于尺寸排阻。
19.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料被用于异构体化合物的分离。
20.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料被用于光学活性化合物的分离。
21.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料被用于反相色谱。
22.根据前述权利要求任何一项的方法，其中预先或随后将所述颗粒材料用催化剂或者生物催化剂官能化。
23.根据前述权利要求任何一项的方法，其中所述颗粒材料是活性碳。
24.根据前述权利要求任何一项的方法，其中为了机械增强，将任何材料的细丝、线、纱线等与纤维共挤压。
25.根据前述权利要求任何一项的方法，其还包含热处理。
26.通过改变根据权利要求1的方法中的颗粒材料的尺寸来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。
27.通过改变根据权利要求1的方法中的颗粒材料的含量来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。
28.通过改变根据权利要求1的方法中的颗粒材料的官能团来控制包埋有颗粒材料的聚合物基体的空隙率的方法。
29.一种通过前述权利要求任何一项的方法制得的纤维。
30.一种包含根据权利要求29的纤维的组件，所述组件包含装填在外壳内的螺旋缠绕的簇、纵向装填在外壳内的一束纤维、外壳内的横向纤维结构、外壳内的以平行或交叉方式缠绕的纤维线圈，或者外壳内任何其它有序或无序的纤维装填结构。
31.包含根据权利要求29的纤维的实体，所述纤维任选为细分形式。
32.根据权利要求29的纤维或根据权利要求30的组件用于从化合物混合物或反应混合物中，特别是从通常的发酵液体培养基、组织液体培养基、植物液体培养基或者细胞液体培养基中吸附和/或纯化化合物的用途。
33.根据权利要求29的纤维或根据权利要求30的组件用于固定反应混合物中的催化剂的用途。
34.根据权利要求29的纤维或根据权利要求30的组件用于固定化学或生物化合物的用途。
全文摘要
本发明涉及制备包含官能化或活性颗粒的多孔聚合物纤维的方法。通过挤出一种或多种溶解的聚合物与颗粒材料的混合物，获得其中包埋了颗粒材料的多孔纤维。纤维挤出在两步相转化条件下发生。所述多孔纤维具体地可用于从复杂的反应混合物中，具体地说从发酵液体培养基中分离大分子(例如肽、蛋白质、核酸或者其它有机化合物)。所述多孔纤维的另一种应用是固定反应混合物中的催化剂。
文档编号C12N11/04GK1688755SQ03820502
公开日2005年10月26日 申请日期2003年6月30日 优先权日2002年6月28日
发明者海尔特·亨德里克·库普斯, 玛丽亚·埃莱娜·阿夫拉梅斯库, 赞德里·博尔内曼, 里奥塔罗·基奥尧诺, 马蒂亚斯·韦斯林 申请人:马赛克系统股份公司