专利名称：一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法，特别涉及到采用硅烷化的 POEGMA(聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯)分子刷接枝改性制备抗蛋白吸附陶瓷膜的方法，该 方法特别适用于对多孔陶瓷膜进行表面接枝改性。
背景技术：
在蛋白质的分离与纯化过程中，膜分离技术作为一种新型分离技术，由于具有能 耗低、设备简单、常温操作、选择性高、无相变及化学变化等优点日益受到人们的关注。但在 陶瓷膜分离蛋白质过程中，膜的表面及孔内容易吸附蛋白质分子形成膜污染，使其分离性 能及通量降低，而采用化学和物理清洗去除膜污染又会对膜本身造成破坏，缩短膜的使用 寿命。因此，开发具有抗蛋白吸附性能的功能型陶瓷膜具有重大的现实意义。研究表明，以丙烯酸类化合物为功能性单体，对材料表面进行改性可有效提高材 料的抗蛋白吸附性能。J-Ladd等(Bimacromolecules, 2008,9 (5) :1357 1361)对几种具 有抗蛋白吸附功能的的接枝聚合物的性能进行了比较，结果表明0EGMA(甲基丙烯酸寡聚 乙二醇酯)、SBMA (磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)、CBMA (羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯)改性过的 材料表面的抗蛋白吸附性能相对于用聚乙二醇(OEG)、三甲胺/磺酸(TMA/SA)、三甲胺/羧 酸(TMA/CA)改性过的材料表面大大提高。HanBang等人(Applied Surface Science, 2009, 255 8860 8866)采用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)法在聚醚砜膜表面接枝 了 POEGMA分子刷，提高了膜的纯水通量和抗蛋白吸附性能。目前，智能或功能型陶瓷膜的制备方法主要是采用表面改性法，即在陶瓷膜表面 接枝一些基团或聚合物分子，从而改变膜的表面性质。CN101318836A和CN101537316A中 采用从表面接枝法(grafting from)，用硅烷偶联剂KH-570对陶瓷膜进行硅烷化改性，然 后在引发剂的作用下，引发功能性单体在膜表面接枝聚合，制备PH敏感型和温度敏感响应 型智能陶瓷复合膜；CN101108311A中采用含双键的硅烷偶联剂处理陶瓷膜，在膜上引入具 有反应活性的乙烯基，然后引发表面接枝反应，制备亲水性复合渗透汽化分离膜。但在实 际应用体系中，用于蛋白质体系分离纯化的的陶瓷膜为多孔的微滤超滤膜，采用从表面接 枝法对陶瓷膜进行接枝改性时，反应液中的反应物分子尺寸很小，可以透过膜进入膜孔内， 在膜表面和孔内进行反应，导致膜的孔结构和膜孔径的变化。如采用该方法对平均孔径为 7. 4nm(如图2所示)的膜管进行接枝改性，改性后膜管的平均孔径为降低到2. 9nm(如图3 所示)。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法，它主要是针对陶瓷 膜用于蛋白质体系的分离和纯化时，膜污染严重，通量恢复困难所提出的一种解决方法。本发明的技术方案如下在制备过程中，为了有效抑制聚合物在膜的孔内接枝对 膜性能造成的影响，本发明采用接枝到表面法(grafting to)，以OEGMA为功能性单体，制备硅烷化的POEGMA分子刷，该分子刷的分子量大，无法通过膜进入膜孔内，从而有效控制 接枝反应只在膜的表面进行。首先将可引发原子转移自由基聚合(ATRP)反应的引发剂硅 烷化；然后在催化剂的作用下，用硅烷化的引发剂引发功能性单体聚合，制备出硅烷化的聚 合物分子刷；将该聚合物分子刷与陶瓷膜表面羟基发生反应，从而得到抗蛋白吸附陶瓷复 合膜。本发明的具体技术方案为一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法，其具体步骤 如下(1)引发剂硅烷化以三乙胺为缚酸剂，将硅烷偶联剂和引发剂以摩尔比1 1 5溶于溶剂中， 在-5°C 5°C、无水无氧条件下酰胺化反应4h 10h，产物在30°C 50°C下真空干燥，得到 硅烷化的引发剂；(2)硅烷化聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯，简称硅烷化POEGMA分子刷制备在催化体系的作用下，将步骤⑴中所得的硅烷化的引发剂与功能性单体甲基丙 烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)以摩尔比1 10 60溶于溶剂中，在20°C 80°C、无水无氧 条件下，发生原子转移自由基聚合(ATRP)反应4h 12h，制备硅烷化的POEGMA分子刷。(3)陶瓷膜表面接枝POEGMA分子刷将含水质量分数为2% 10%的乙醇溶液加酸调节pH值为1 4后，与步骤⑵ 制备的硅烷化的POEGMA分子刷混合，得到含POEGMA分子刷质量分数10% 30%的混合溶 液；将该混合溶液与陶瓷膜表面接触反应0. 5h 池后，在70°C 120°C下脱水反应池 10h，制得抗蛋白吸附陶瓷复合膜。本发明中，步骤(1)中的硅烷偶联剂为末端为氨基的烷氧基硅烷；优先选用3-氨
基丙基三乙氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷。本发明中，步骤(1)中的引发剂为溴代碳链酰溴或氯代碳链酰氯；优先选用2-溴 丙酰溴或2-氯丙酰氯。本发明中，步骤(1)中的三乙胺与引发剂的摩尔比为1 2 1 ；三乙胺与溶剂的 体积比为1 8 25。本发明中，步骤⑴中的溶剂为回流干燥过的二氯甲烷或四氢呋喃；步骤(2)中的 溶剂为回流干燥过的异丙醇、甲醇或乙醇。本发明中，步骤(1)及步骤O)中无水无氧条件通过对所有溶剂及缚酸剂进行预 回流干燥处理、采用高纯氮或氩气为保护气氛实现的。本发明中，步骤O)中催化体系为CuX/CuX2/2，2_联吡啶体系，其中X为Br或Cl ； 01)(2和CuX的摩尔比为0 1 10，Cu元素与2，2_联吡啶的摩尔比为1 1 3，Cu元 素与步骤(1)中所得的硅烷化的引发剂的摩尔比为2 1 3。本发明中，步骤(3)中调节pH值所用的酸为冰醋酸或盐酸。本发明中，步骤(3)中采用的陶瓷膜为至少含Al、Zr、Ti或Si元素中一种元素的 氧化物所制得的多孔陶瓷膜，平均孔径为4nm 500nm ；陶瓷膜为平板膜或管式膜，其中管 式有单管和多通道；通道形状是圆形、扇形、方形、星型和六角形。本发明中，步骤(3)中通过控制接枝聚合物的混合溶液浓度和接枝反应时间来控 制聚合物分子刷在陶瓷膜表面的接枝率，制备不同的抗蛋白吸附陶瓷复合膜。
有益效果1、采用接枝到表面法对陶瓷膜进行表面改性，可有效控制聚合物分子刷仅在陶瓷 膜表面接枝，抑制其在膜孔内接枝所带来的通量下降、截留率不稳定等不利效果。2、POGEMA分子刷具有优异的抗蛋白吸附效果，将其接枝到陶瓷膜表面上，可有效 抑制蛋白质在陶瓷膜表面的吸附，延长膜清洗周期，简化膜清洗工艺，从而提高陶瓷膜的使 用效率和寿命。
图1接枝前后膜表面的全反射红外光谱图(a)接枝前膜片表面的红外谱图，(b) POEGMA分子刷接枝后膜片表面的红外谱图；图2陶瓷膜接枝前对葡聚糖截留的曲线，单管孔径为7. 4nm ；图3陶瓷膜接枝POEGMA分子刷后对葡聚糖的截留曲线，单管孔径为2. 9nm ；图4从表面接枝法接枝POEGMA分子刷反应机理； 为多孔陶瓷膜《为反应过程 中生成的自由基；图550nm管式膜接枝前后牛血清白蛋白溶液的截留率随截留时间的变化，+未 接枝膜管，+接枝后膜管；图6接枝到表面法接枝POEGMA分子刷反应机理a)硅烷化引发剂引发OEGMA单 体聚合制备硅烷化的聚合物分子刷，b)硅烷化的聚合物分子刷与陶瓷膜表面羟基反应形成 共价键；P为POEGMA分子刷。
具体实施例方式实施例1 采用接枝到表面法制备抗蛋白吸附陶瓷膜，机理图见图6(1)将3. 5ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3. 35ml三乙胺和30ml 二氯甲烷混合溶液 在氮气保护下冰浴降至0°c，然后向其中缓慢加入3ml2-溴丙酰溴溶液和15ml 二氯甲烷的 混合溶液后，反应乩，在45 °C下真空干燥。(2)将 9.5g0EGMA、0. 143gCuBr、0. 0223gCuBr2、0. 344g2，2-联批啶禾Π 15ml 异 丙醇在氮气保护下加热到40°C，然后向其中加入0.37g(l)中所制备的硅烷化的引发剂 2-溴-2-甲基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丙基)丙酰胺和25ml异丙醇的混合溶液反应6h， 得到含硅烷化POEGMA分子刷的溶液。⑶50ml无水乙醇和Snl去离子水混合搅拌30min,加入冰醋酸调成pH值为3混合搅 拌，然后将混合溶液中加入以上制备的POEGMA分子刷溶液中，用蠕动泵带动混合溶液，使其在 直径为1. 8cm的ISnmTW2片式陶瓷膜表面循环流动lh，放入70°C恒温干燥箱脱水干燥3h。得到的陶瓷复合膜的全反射红外光谱图如图1所示，(a)接枝前膜片表面的红外 谱图图中1109. 34cm 1和1031. 75cm—1处的较弱的吸收峰为终端Ti-O键的伸缩振动吸收； (b)POEGMA分子刷接枝后膜片表面的红外谱图图中Ti-O和Si-O有机硅振动吸收加强了 1108. 65CHT1 和 1026. 24cm1 处的吸收；1722. OlcnT1 为 POEGMA 上的 0 = C-O 的特征吸收峰， 说明POEGMA分子刷已接枝到膜表面。对比例采用从表面接枝法制备抗蛋白吸附陶瓷膜，机理图见图4。
(1)在烧杯中加入98ml无水乙醇和0. 5ml0. 01mol/L的HCl溶液混合搅拌lh，然 后再向混合溶液中加入2. 5ml 3-氨基丙基三乙氧基硅烷超声搅拌后，将膜7. 4nm的TiO2 单管陶瓷膜浸泡在反应液中反应30min，反应结束后取出膜管，用乙醇和水反复清洗后，在 120°C下干燥3h。(2) 1. 5ml2-溴丙酰溴、1. 5ml三乙胺和IOOml 二氯甲烷混合搅拌后，将膜管(1)浸 泡在其中，反应30min，反应结束后，用二氯甲烷和乙醇清洗，在氮气保护下60°C真空干燥。(3)将 IOmlOEGMA,0. IgCuBr,0. 24g2，2_ 联吡啶、50ml 纯水、50ml 甲醇以及膜管 (2)加入通氮气保护的反应器中反应lh，反应后取出用去离子水反复清洗，在氮气保护下 60°C真空干燥。该膜接枝前后对葡聚糖的截留曲线见图2和图3，从膜孔径的计算结果可以看出， 接枝后膜的平均孔径由7. 4nm减小到2. 9nm。实施例2 (1)将1. 75ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3. 35ml三乙胺和15ml四氢呋喃在氮气 保护下混合搅拌降至5°C，再向其中缓慢滴加3ml2-溴丙酰溴溶液和15ml四氢呋喃混合溶 液后，5°C下反应4h后，在50°C下真空干燥。(2)将 19g0EGMA、0. 286gCuBr、0. 614g2，2-联吡啶和 40ml 甲醇在氮气保护下 混合搅拌热至60°C，再在其中加入0.37g(l)中所制备的硅烷化的引发剂2-溴-2-甲 基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丙基)丙酰胺和30ml甲醇的混合溶液反应4h，得到含硅烷化 POEGMA分子刷的溶液。(3) IOOml无水乙醇和5ml去离子水混合搅拌30min，加入盐酸调成pH值为1，然后 将混合溶液中加入以上制备的POEGMA分子刷溶液中，用泵带动混合溶液，使其在IOcm长的 50nmZr02单管陶瓷膜表面循环流动池，将反应后的陶瓷膜用去离子水及表面活性剂水溶液 反复清洗后，放入90°C恒温干燥箱反应5h，即得到抗蛋白吸附陶瓷复合膜。该膜接枝前后对牛血清白蛋白溶液的截留率如图5所示，由于抗蛋白吸附聚合物 分子刷的存在，使蛋白质分子不能在陶瓷膜表面吸附，形成凝胶层，使得接枝后的陶瓷膜的 截留率的上升速度明显低于接枝前的陶瓷膜；而膜对于BSA溶液的初始截留率相同，说明 在接枝改性后，聚合分子刷对膜孔径的无影响。实施例3 (1)将3ml4_氨基丁基三乙氧基硅烷、4. 5ml三乙胺和50ml 二氯甲烷在氩气保护 下混合搅拌降至_5°C，再向其中缓慢滴加3. 3ml2-氯丙酰氯和35ml 二氯甲烷混合溶液后， 反应IOh后，在30°C下真空干燥。(2)将 28. 5g0EGMA、0. 099gCuCl、0. 027gCuCl2、0. 413g2，2-联批啶和 15ml 乙 醇混合搅拌，水浴加热至80°C，再在烧瓶中加入0.51g(l)中所制备的硅烷化的引发剂 2-氯-2-甲基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丁基)丙酰胺和15ml乙醇的混合溶液，反应10h。(3) 50ml无水乙醇和2ml去离子水混合搅拌30min，加入冰醋酸调成pH值为4，然 后将混合溶液中加入以上制备的聚合物分子刷溶液中，用泵带动混合溶液，使其在IOcm长 的200nmAl20319通道陶瓷膜表面循环流动3h，将反应后的陶瓷膜用去离子水及表面活性 剂水溶液反复清洗后，放入120°C恒温干燥箱中脱水反应10h，即得到抗蛋白吸附陶瓷复合 膜。
权利要求
1.一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法，其具体步骤如下(1)引发剂硅烷化以三乙胺为缚酸剂，将硅烷偶联剂和引发剂以摩尔比1 1 5溶于溶剂中，在-5°c 5°C、无水无氧条件下酰胺化反应4h 10h，产物在30°C 50°C下真空干燥，得到硅烷化的 引发剂；(2)硅烷化聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯，简称硅烷化POEGMA分子刷制备在催化体系的作用下，将步骤(1)中所得的硅烷化的引发剂与功能性单体甲基丙烯酸 寡聚乙二醇酯以摩尔比1 10 60溶于溶剂中，在20°C 80°C、无水无氧条件下，发生原 子转移自由基聚合反应4h 12h，制备硅烷化的POEGMA分子刷。(3)陶瓷膜表面接枝POEGMA分子刷将含水质量分数为2% 10%的乙醇溶液加酸调节pH值为1 4后，与步骤(2)制备 的硅烷化的POEGMA分子刷混合，得到含POEGMA分子刷质量分数10% 30%的混合溶液； 将该混合溶液与陶瓷膜表面接触反应0.证 池后，在70°C 120°C下脱水反应池 10h， 制得抗蛋白吸附陶瓷复合膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中的硅烷偶联剂为末端为氨 基的烷氧基硅烷。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙 氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中的引发剂为溴代碳链酰溴 或氯代碳链酰氯。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的引发剂为2-溴丙酰溴或2-氯丙酰氯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中的三乙胺与引发剂的摩尔 比为1 2 1，与溶剂的体积比为1 8 25。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中的溶剂为回流干燥过的二 氯甲烷或四氢呋喃；步骤O)中的溶剂为回流干燥过的异丙醇、甲醇或乙醇。
8.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中催化体系为CuX/CuX2/2，2-联 吡啶体系，其中X为Br或Cl ;01)(2与0^的摩尔比为0 1 10，Cu元素与2，2-联吡啶 的摩尔比为1 1 3;Cu元素与步骤(1)中所得的硅烷化的引发剂的摩尔比为2 1 3。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤C3)中调节PH值所用的酸为冰醋酸或盐酸。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(3)中采用的陶瓷膜为至少含 Al、Zr、Ti或Si元素中一种元素的氧化物所制得的多孔陶瓷膜；平均孔径为4nm 500nm。
全文摘要
本发明涉及一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法。采用甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)为功能性单体，通过硅烷化的引发剂引发聚合，制备硅烷化的POEGMA分子刷。该分子刷一端为烷氧基硅烷基，可与陶瓷膜表面的羟基发生反应，在膜表面接枝POEGMA分子刷，制得抗蛋白吸附陶瓷复合膜。本发明采用接枝到表面法实现了聚合物分子刷只在陶瓷膜表面接枝，只改变膜的表面性质，对膜孔的性质无影响。通过此方法可在4～500nm的多孔陶瓷膜表面接枝抗蛋白吸附的聚合物分子刷。
文档编号B01D69/12GK102059059SQ20101055321
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月16日 优先权日2010年11月16日
发明者何华婷, 徐南平, 景文珩, 邢卫红 申请人:南京工业大学