CN101910268B - 多孔聚合物树脂 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了多孔聚合物树脂、可用于制备所述多孔聚合物树脂的反应混合物和方法，以及所述多孔聚合物树脂的用途。更具体地讲，所述聚合物树脂通常具有分层多孔结构，以及可用于与多种不同目标化合物反应或相互作用的反应性基团。所述反应性基团可选自酸基团或其盐、氨基团或其盐、羟基、二氢唑酮基团、缩水甘油基基团或它们的组合。

Description

多孔聚合物树脂
技术领域
本发明描述了多孔聚合物树脂、用于制备该多孔聚合物树脂的方法和反应混合物，以及该多孔聚合物树脂的多种用途。
背景技术
聚合物树脂广泛用于多种目标化合物的分离和纯化。例如，根据是否存在离子基团、目标化合物的粒度、疏水性相互作用、亲和相互作用或共价键的形成情况，可将聚合物树脂用于纯化或分离目标化合物。
在生物技术行业中，对诸如蛋白质、酶、疫苗、DNA、RNA之类的各种生物分子进行大规模分离和/或纯化具有重大意义。用于分离和纯化生物分子的绝大多数聚合物树脂均基于苯乙烯/二乙烯基苯共聚物或交联琼脂糖。苯乙烯/二乙烯基苯共聚物的疏水性主链易于与多种物质发生非特异性相互作用，导致产生不纯产物。虽然交联琼脂糖树脂一般来讲不易受非特异性相互作用的影响，但是这些物质往往为极柔软的凝胶并且对许多生物分子来说具有相对较低的容量。
需要改良的聚合物树脂，特别是用于分离和纯化生物分子。
发明内容
本发明描述了多孔聚合物树脂、可用于制备该多孔聚合物树脂的反应混合物和方法，以及该多孔聚合物树脂的多种用途。更具体地讲，该聚合物树脂通常具有分层多孔结构以及可用于纯化目标化合物或将目标化合物与样品中的其他分子分离开来的官能团。该聚合物树脂通常为亲水性的，并且可具有较低的非特异性吸附性。在许多实施例中，该聚合物树脂以聚合物珠的形式存在。
在第一方面，本发明提供了可用于制备多孔聚合物树脂的反应混合物。该反应混合物包含水相组合物，该水相组合物包含a)能够进行自由基聚合的单体混合物；b)尺度范围为0.05至5微米的分散或悬浮的有机聚集体；以及c)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂。水相组合物中的单体混合物包含1)交联单体和2)官能化单体。交联单体包括式(I)化合物
其中R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y为亚烷基或杂亚烷基。亚烷基或杂亚烷基Y基团未被取代或被羟基取代。官能化单体包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的官能团。
在第二方面，本发明提供了用于制备多孔聚合物树脂的方法。该方法包括形成水相组合物，该水相组合物包含1)能够进行自由基聚合的单体混合物；2)尺度范围为0.05至5微米的分散或悬浮的有机聚集体；3)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂。水相组合物中的单体混合物包含i)交联单体和ii)官能化单体。交联单体包括式(I)化合物
其中R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y为亚烷基或杂亚烷基。亚烷基或杂亚烷基Y基团未被取代或被羟基取代。官能化单体包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。该方法还包括使单体混合物聚合以形成包含有机聚集体的聚合物材料，然后从该聚合物材料中除去有机聚集体的至少一部分以形成多孔聚合物树脂。
在第三方面，本发明提供了用于纯化或分离目标化合物的方法。该方法包括如上所述形成多孔聚合物树脂，该多孔聚合物树脂具有选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的官能团。该方法还包括使多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品接触，该目标化合物与多孔聚合物珠的至少一个官能团反应或相互作用。在一些应用中，多孔聚合物树脂可设置在色谱柱内或过滤介质的表面上，或掺入到连续多孔的基质内。
在第四方面，本发明提供了用于纯化或分离目标化合物的另一种方法。该方法包括如上所述形成多孔聚合物树脂，该多孔聚合物树脂具有选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。该方法还包括通过用改性剂处理多孔聚合物树脂以及将第一官能团转化为第二官能团来制备改性的多孔聚合物树脂。然后将具有第二官能团的改性的多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品接触。目标化合物与改性的多孔聚合物树脂的第二官能团反应或相互作用。
在第五方面，本发明提供了多孔聚合物树脂。该聚合物树脂具有包括平均孔径小于200纳米的第一组孔和平均孔径大于500纳米的第二组孔的分层多孔结构。该多孔聚合物树脂为包含a)交联单体和b)官能化单体的水相单体混合物的反应产物。交联单体包括式(I)化合物
其中R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y为亚烷基或杂亚烷基，其中Y未被取代或被羟基取代。官能化单体包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。在单体混合物中的所有或基本上所有单体的亲脂性指数不大于20。在一些实施例中，多孔聚合物树脂为多孔聚合物珠。
以上本发明的发明内容并非意图描述本发明的每个实施例或每种实施方式。以下附图、具体实施方式和实例更为具体地对这些实施例进行了举例说明。
附图说明
结合附图对本发明多个实施例进行的以下详细说明可以更为全面地理解本发明，其中：
图1为具有一级多孔结构和二级多孔结构的示例性多孔聚合物珠(实例6中制备)的扫描电子显微图。
图2为具有一级多孔结构但不具有二级多孔结构的对比聚合物珠(比较例2中制备)的扫描电子显微图。
图3为具有一级多孔结构和二级多孔结构的其他示例性多孔聚合物珠(实例4中制备)的光学显微图。
图4为具有一级多孔结构和二级多孔结构两者的示例性多孔聚合物珠(实例4中制备)的扫描电子显微图。
图5为具有一级多孔结构和二级多孔结构的另外的示例性多孔聚合物珠(实例5中制备)的扫描电子显微图。
虽然本发明接受各种修改形式和替代形式，但其具体方式已在附图中以举例的方式示出，并且将对其进行详细描述。然而，应当理解其目的并非在于将本发明局限于所描述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖属于本发明精神和范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施方式
本发明描述了多孔聚合物树脂、可用于制备该多孔聚合物树脂的反应混合物和方法，以及该多孔聚合物树脂的用途。更具体地讲，该聚合物树脂通常为亲水性的并且具有分层多孔结构，以及可用于与多种不同目标化合物反应或相互作用的官能团。该多孔聚合物树脂通常以聚合物珠的形式存在，可用于纯化所需材料或从样品的其他分子中分离所需材料。在一些应用中，多孔聚合物树脂设置在色谱柱内或过滤介质的表面上，或掺入到连续多孔的基质内。
术语“一个”和“所述”可与“至少一种”互换使用来表示正在描述的一种或多种元素。
术语“烷基”指为烷烃基的单价基团，其为饱和烃。烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合，并且通常具有1至20个碳原子。在一些实施例中，烷基包含1至16个碳原子、1至12个碳原子、1至10个碳原子、1至8个碳原子、1至6个碳原子或1至4个碳原子。烷基的例子包括(但不限于)甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正己基、环己基、正庚基、正辛基和乙基己基。
术语“亚烷基”指为烷烃基的二价基团。亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。亚烷基通常具有1至20个碳原子。在一些实施例中，亚烷基包含1至10个碳原子、1至8个碳原子、1至6个碳原子或1至4个碳原子。亚烷基的基团中心可在相同碳原子(即烷叉基)或不同碳原子上。
术语“烷氧基”指式-OR表示的单价基团，其中R为烷基。
术语“酰基”指式-(CO)-R表示的单价基团，其中R为烷基，并且(CO)表示碳是以双键连接至氧。示例性的酰基为其中R为甲基的乙酰基。
术语“酰氧基”指式-O-(CO)-R表示的单价基团，其中R为烷基，并且(CO)表示碳是以双键连接至氧。示例性的酰氧基为其中R为甲基的乙酰氧基。
术语“芳烷基”指为化合物R-Ar基团的单价基团，其中Ar为芳族碳环基而R为烷基。
术语“芳基”指为碳环芳族化合物基团的单价基团。芳基可具有一个芳环或包含最多5个与芳环连接或稠合的其他碳环。其他碳环可为芳族的、非芳族的或它们的组合。芳基的例子包括(但不限于)苯基、联苯基、三联苯基、蒽基、萘基、苊基、蒽醌基、菲基、蒽基、芘基、苝基和芴基。
术语“吖内酯”指如下式的单价基团
其中p为整数0或1；并且各Ra独立地选自氢、烷基、杂烷基、芳基、芳烷基，或者两个Ra基与它们连接至的碳原子合在一起形成碳环。
术语“羧基”指式-(CO)OH表示的单价基团，其中(CO)表示碳是以双键连接至氧。
术语“羧烷基”指由羧基取代的烷基。
术语“缩水甘油基”指下式表示的基团。
术语“卤素”指氟、氯、溴或碘。
术语“卤代烷基”指由卤素基团取代的烷基。
术语“杂亚烷基”指具有一个或多个由硫、氧或-NRb-取代的-CH2-基团的二价亚烷基，其中Rb为氢或烷基。杂亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合，并且可包括最多60个碳原子和最多15个杂原子。在一些实施例中，杂亚烷基包括最多50个碳原子、最多40个碳原子、最多30个碳原子、最多20个碳原子或最多10个碳原子。示例性的杂亚烷基包括亚烷基氧或聚(亚烷基氧)。也就是说，该杂亚烷基包括至少一个式-(R-O)-表示的基团，其中R为亚烷基。如本文所用，术语“亚烷基二醇”和“亚烷基氧”可互换使用来表示此式的二价基团。
术语“(甲基)丙烯酰基”指式H2C＝CR1-(CO)-表示的基团，其中R1为氢或甲基。
术语“(甲基)丙烯酰胺”指式H2C＝CR1-(CO)-NH-表示的基团，其中R1为氢或甲基。
术语“(甲基)丙烯酰氧”指式H2C＝CR1-(CO)-O-表示的基团，其中R1为氢或甲基。
术语“(甲基)丙烯酸酯”既指甲基丙烯酸酯又指丙烯酸酯。相似地，术语“(甲基)丙烯酰胺”既指甲基丙烯酰胺又指丙烯酰胺；术语“(甲基)丙烯酸”既指甲基丙烯酸又指丙烯酸；术语“(甲基)丙烯酰氨基酸”既指甲基丙烯酰氨基酸又指丙烯酰氨基酸。
术语“聚合物”或“聚合物型”指均聚物、共聚物、三元共聚物等材料。同样，术语“聚合”或“聚合化”指制备均聚物、共聚物、三元共聚物等的工序。
短语“在...范围内”包括端值和端值之间的所有数值。例如，短语“在1至10的范围内”包括1、10以及1至10之间的所有数值。
术语“室温”指20℃至25℃范围内的温度。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表达特征尺寸、数量和物理特性的所有数字在所有情况下均应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非有相反的说明，否则采用本文所公开的教导示出的数字均为可根据所需特性而变化的近似值。
本发明所提供的聚合物树脂为多孔的。该多孔聚合物树脂可为大孔聚合物材料或凝胶型聚合物材料的形式。如本文所用，术语“大孔的”指即使在干燥状态下也具有持久性多孔结构的聚合物树脂。虽然聚合物树脂在接触溶剂时可溶胀，但无需通过溶胀来使得能穿过多孔结构进入聚合物树脂内部。如本文所用，术语“凝胶型”或“凝胶”可互换使用，指在干燥状态下不具有持久性多孔结构、但可通过合适的溶剂溶胀来允许物质扩散进聚合物树脂内部的聚合物树脂。大孔聚合物材料和凝胶型聚合物材料均在以下文章中有进一步描述：
Sherrington，Chem.Commun.，2275-2286(1998)(Sherrington，《化学通讯》1998年第2275-2286页)；Macintyre等人，Macromolecules，37，7628-7636(2004)(《大分子》2004年第37期第7628-7636页)。术语“大孔的”和“凝胶型”并非意在指明具体的孔径或孔径范围。
该聚合物树脂具有分层多孔结构。如本文所用，术语“分层多孔”结构指至少具有一级多孔结构和二级多孔结构的聚合物树脂。一级多孔结构与本体聚合物基质相关。这种可以是凝胶型或大孔型的一级多孔结构与由类似于本文所述但无有机聚集体的反应混合物聚合所得的多孔结构基本上相同。一级多孔结构通常包括多个平均孔径小于约200纳米(nm)的孔。向反应混合物中添加有机聚集体导致产生二级多孔结构。二级多孔结构通常在树脂内包括多个横截面通常为圆形的大孔(例如球形或部分球形如半球状的孔穴或空隙)。这些大孔的平均孔径通常大于约500纳米，一些孔可大到约15至20微米。这些大孔可具有开孔构造、闭孔构造或它们的组合。在任一种构造中，诸如液体、改性剂或目标化合物之类的物质可从二级多孔结构中的一个孔移动到二级多孔结构中的另一个孔。在闭孔构造中，这种移动会穿过一级多孔结构。二级多孔结构的孔可直接通向珠的外部或可穿过一级孔结构。
分层多孔结构特别有利于分子量相对较大的目标化合物的分离和纯化。更具体地讲，具有平均孔径小于约200纳米的第一组孔和平均孔径大于约500纳米的第二组孔的聚合物树脂有利于生物分子的纯化或分离。诸如酶、蛋白质、核酸等之类的生物分子的重均分子量通常大于5,000克/摩尔、大于10,000克/摩尔、大于20,000克/摩尔、大于50,000克/摩尔或大于100,000克/摩尔。随着在无相对较大孔的情况下分子量的增大，生物分子向聚合物树脂内部区域的扩散通常会减少。通常，使用聚合物树脂来分离和纯化生物分子所需的时间可通过采用具有相对较大孔(如直径大于约500纳米的孔)的聚合物树脂来缩短。然而，孔的尺寸通常会影响用于纯化和分离一种或多种目标化合物的聚合物树脂的总表面积和容量。仅具有相对较大孔的聚合物树脂往往具有较小的表面积和较低的目标化合物容量。为了最大化聚合物树脂的容量，较小的孔径(如直径小于约200纳米的那些)是有利的。也就是说，直径小于约200纳米的孔往往会增大聚合物树脂的表面积。
聚合物树脂具有多种可用于与目标化合物反应或相互作用的官能团。官能团可为选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。或者，第一官能团可与改性剂反应以得到不同于第一官能团的第二官能团。目标化合物与聚合物树脂或改性的聚合物树脂的反应或相互作用是将目标化合物从样品的其他分子中纯化或分离出来的基础。在一些实施例中，目标化合物为可使用聚合物树脂或改性的聚合物树脂分离和收集的所需材料。在其他实施例中，目标化合物为可使用聚合物树脂或改性的聚合物树脂从所需材料中分离出来的杂质。
使用自由基聚合反应来聚合存在于水相组合物中的单体。由于聚合反应过程中聚合物材料的分子量增大，所得聚合物材料通常变得与水相不相容并且往往会相分离。一些水相组分通常被截留在聚合物材料内。随后除去截留的水相组分通常会导致孔的形成。不同的水相组分可导致形成大小不同的孔。也就是说，可对水相组分进行选择，以得到具有一级多孔结构和二级多孔结构的分层多孔聚合物珠。
水相组合物可聚合形成整体式多孔聚合物树脂。该整体形式可具有任何所需形状或可分割成颗粒。或者，水相组合物可聚合形成聚合物珠。例如，可采用逆相或反相悬浮聚合法形成聚合物珠。使用该聚合法，包含单体混合物的水相组合物以小滴形式分散或悬浮于与水不能混溶的有机相中。随着聚合物材料的分子量增大，其通常变得与水相不相容并且往往会在小滴内实现相分离。一些水相组分通常会被截留在聚合物材料内，导致孔的形成。
用于制备聚合物树脂的反应混合物包含水相组合物。该水相组合物包含1)单体混合物，2)尺度范围为0.05至5微米的分散或悬浮的有机聚集体，以及3)水相溶剂。单体混合物包含i)交联单体和ii)官能化单体。水相溶剂包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂。
水相组合物中的交联单体由式(I)表示。
在式(I)中，各R1独立地为氢或甲基；各Q独立地为氧或-NH-；并且Y为亚烷基或杂亚烷基。亚烷基或杂亚烷基Y基团可任选由羟基取代(即基团Y可以是未取代的或由羟基取代)。交联单体具有两个(甲基)丙烯酰基，这两个(甲基)丙烯酰基可进行反应以使一个聚合物链与另一个聚合物链交联，或可进行反应以使聚合物链的一部分与其另一部分交联。选择可溶解于水相组合物的交联剂。
在式(I)的交联单体的一些实施例中，两个Q基团均为-NH-，并且Y为具有1至10个、1至8个、1至6个或1至4个碳原子的亚烷基。亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。具体例子包括(但不限于)N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺、N，N′-亚乙基双(甲基)丙烯酰胺、N，N′-(1，2-二羟基亚乙基)双(甲基)丙烯酰胺、N，N′-丙烯基双(甲基)丙烯酰胺和N，N′-环己基双(甲基)丙烯酰胺。
在式(I)的交联单体的其他实施例中，两个Q基团均为-NH-，Y为具有2至20个、2至16个、2至12个、2至10个、2至8个、2至6个或2至4个碳原子的杂亚烷基。杂亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。具体例子包括(但不限于)N，N′-胱胺双(甲基)丙烯酰胺、双-3-(甲基)丙烯酰胺丙-1-基聚乙二醇、双-2-(甲基)丙烯酰胺丙-1-基聚乙二醇和N，N′-哌嗪双(甲基)丙烯酰胺。
在式(I)的交联单体的其他实施例中，两个Q基团均为氧，Y为具有2至10个、2至8个、2至6个或2至4个碳原子的亚烷基。亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。具体例子包括1，4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1，3-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1，5-戊二醇二(甲基)丙烯酸酯、1，6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯、2，2-二甲基丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、反式-1，4-环己二醇二(甲基)丙烯酸酯和乙二醇二(甲基)丙烯酸酯。
在式(I)的交联单体的其他实施例中，两个Q基团均为氧，Y为杂亚烷基。杂亚烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合。杂亚烷基通常为直链的并且具有一个或多个式-(R-O)-的亚烷基氧单元，其中R为亚烷基。该亚烷基通常具有2个、3个或4个碳原子。具体例子包括二(乙二醇)二(甲基)丙烯酸酯、三(乙二醇)二(甲基)丙烯酸酯、四(乙二醇)二(甲基)丙烯酸酯、聚(乙二醇)二(甲基)丙烯酸酯、二(丙二醇)二(甲基)丙烯酸酯和聚(丙二醇)二(甲基)丙烯酸酯。其他例子包括烷氧基化二醇二(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、丙氧基化丁二醇二(甲基)丙烯酸酯和乙氧基化己二醇二(甲基)丙烯酸酯；烷氧基化三羟甲基丙烷二(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化三羟甲基丙烷二(甲基)丙烯酸酯和丙氧基化三羟甲基丙烷二(甲基)丙烯酸酯；以及烷氧基化季戊四醇二(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化季戊四醇二(甲基)丙烯酸酯和丙氧基化季戊四醇二(甲基)丙烯酸酯。
一些具体列出的交联单体可从诸如Sigma-Aldrich(Milwaukee，WI)、Polysciences，Inc.(Warrington，PA)以及Sartomer(Exeter，PA)等各供应商商购获得。或者，这些交联单体中的一些可通过本领域中描述的工艺合成，例如，在Rasmussen等人的Reactive Polymers，16，199-212(1991/1992)(《反应性聚合物》1991/1992年第16期第199-212页)中所述的工艺。
在一些示例性反应混合物中，水相中的交联单体为N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺或N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺与至少一种其他式(I)的交联单体的混合物。交联单体总量的至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、或至少80重量％、至少80重量％、至少90重量％、至少95重量％、至少98重量％或至少99重量％通常为N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺。
除式(I)的交联单体外，单体混合物还可包含额外的交联单体。例如，水相可包含为式(I)的第一交联单体和具有三个或更多个烯键式不饱和基团的第二交联单体。通常，水相组合物中总交联单体的至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％或至少90重量％为式(I)单体。
一些示例性第二交联剂包括具有三个烯键式不饱和基团的那些，例如三[2-(丙烯酰氧基)乙基]异氰脲酸酯、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯和多种烷氧基化三(甲基)丙烯酸酯。烷氧基化三(甲基)丙烯酸酯的例子包括(但不限于)烷氧基化三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯和环氧乙烷/环氧丙烷共聚物三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯；以及烷氧基化季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯。
其他示例性的第二交联剂包括具有四个或更多个烯键式不饱和基团的那些，例如烷氧基化四(甲基)丙烯酸酯和烷氧基化五(甲基)丙烯酸酯。烷氧基化四(甲基)丙烯酸酯的例子包括烷氧基化季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯，例如乙氧基化季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯。
在一些示例性反应混合物中，水相组合物中的交联单体为N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺或N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺与具有三个或更多个烯键式不饱和基团的第二交联单体的混合物。交联单体总量的至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％、至少60重量％、至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％、至少95重量％、至少98重量％或至少99重量％通常为N，N′-亚甲基双(甲基)丙烯酰胺。
基于单体混合物中单体的总重量，单体混合物包含至少1重量％的交联单体。当使用少量的交联单体时，所得聚合物材料往往为凝胶聚合物树脂而非大孔聚合物树脂的形式。通过聚合物树脂可经受的压差测定的刚度或机械强度往往会随着单体混合物中所含交联单体的量的增大而增大。一些单体混合物包含至少2重量％、至少5重量％、至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少25重量％或至少30重量％的交联单体。
基于单体混合物中单体的总重量，单体混合物通常包含最多99重量％的交联单体。当交联单体的量超过99重量％时，与各种目标化合物的反应性通常由于存在于单体混合物中的官能化单体的量的相应减少而降低。一些单体混合物包含最多95重量％、最多90重量％、最多85重量％、最多80重量％、最多70重量％、最多65重量％、最多60重量％、最多55重量％、最多50重量％、最多45重量％或最多40重量％的交联单体。
基于单体总重量，单体混合物通常包含1至99重量％、10至99重量％、10至95重量％、10至90重量％、20至90重量％、30至90重量％、20至80重量％、30至80重量％、30至75重量％、25至70重量％、25至60重量％或25至50重量％的交联单体。
除交联单体外，单体混合物还包含至少一种官能化单体。该官能化单体为能够进行自由基聚合且包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自如下的官能团的化合物：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合。烯键式不饱和基团经历自由基聚合反应，同时该官能团可用于与目标化合物或改性剂反应或相互作用。
第一种类型的官能化单体具有烯键式不饱和基团以及为酸基团或其盐的官能团。该官能化单体可为弱酸、弱酸盐、强酸、强酸盐或它们的组合。该官能化单体可为中性状态，但如果调节pH值，则其能够带负电。当适当调节pH值时，所得聚合物树脂可具有能够与目标化合物的带正电基团(即目标化合物为阳离子)相互作用的带负电基团。也就是说，该聚合物树脂可起到阳离子交换树脂的作用。如果官能化单体为弱酸盐或强酸盐的形式，则这些盐的反离子可为但不限于碱金属离子、碱土金属离子、铵离子或四烷基铵离子。
具有酸基团或其盐的一些示例性官能化单体包括式(II)的(甲基)丙烯酰胺磺酸或其盐。
在式(II)中，Y1为具有1至10个碳原子的直链或支链亚烷基，且R1为氢或甲基。根据式(II)的示例性官能化单体包括(但不限于)N-(甲基)丙烯酰胺甲磺酸、2-(甲基)丙烯酰胺乙磺酸和2-甲基丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸。也可使用这些酸性单体的盐。
一些具有酸基团或其盐的其他示例性官能单体包括其他磺酸，例如乙烯基磺酸和4-苯乙烯磺酸；(甲基)丙烯酰胺烷基磷酸，例如2-(甲基)丙烯酰胺乙基磷酸和3-(甲基)丙烯酰胺丙基磷酸；丙烯酸和甲基丙烯酸；以及羧烷基(甲基)丙烯酸酯，例如2-羧乙基(甲基)丙烯酸酯和3-羧丙基(甲基)丙烯酸酯。其他合适的单体包括(甲基)丙烯酰氨基酸，例如美国专利No.4,157,418(Heilmann)中描述的那些，将该专利以引用方式并入本文中。示例性的(甲基)丙烯酰氨基酸包括(但不限于)N-(甲基)丙烯酰甘氨酸、N-(甲基)丙烯酰天冬氨酸、N-(甲基)丙烯酰基-β-丙氨酸和N-(甲基)丙烯酰基-2-甲基丙氨酸。也可使用任何这些酸性单体的盐。
第二种类型的官能化单体具有烯键式不饱和基团以及氨基团或其盐。氨基可为伯氨基、仲氨基、叔氨基或季铵基。此类官能化单体可为弱碱、强碱、弱碱盐、强碱盐或它们的混合物。该官能化单体可为中性状态，但如果调节pH值，则其能够正电。当适当调节pH值时，所得聚合物树脂可具有能够与目标化合物的带负电基团(即目标化合物为阴离子)相互作用的带正电基团。也就是说，该聚合物树脂可起到阴离子交换树脂的作用。如果该官能化单体为盐的形式，则反离子可为但不限于卤素离子(如氯离子)、羧酸根离子(如乙酸根离子或甲酸根离子)、硝酸根离子、磷酸根离子、硫酸根离子、硫酸氢根离子、甲基硫酸根离子或氢氧根离子。或者，伯氨基或仲氨基可作为亲核剂与目标化合物反应。
具有氨基团或其盐的一些示例性官能化单体包括氨基(甲基)丙烯酸酯或为式(III)的氨基(甲基)丙烯酰胺或其季铵盐。
在式(III)中，R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y1为单键或亚烷基(如具有1至10个碳原子、2至6个碳原子或2至4个碳原子的亚烷基)。各R2独立地为氢、烷基、羟烷基(即被羟基取代的烷基)、氨基烷基(即被氨基取代的烷基)、芳基或芳烷基。或者，两个R2基团可与它们连接至的氮原子合在一起形成为芳族的、部分未饱和的(即未饱和但不是芳族的)或饱和的杂环基团。此类杂环基团可任选稠合至芳族的(如苯)、部分未饱和的(如环己烯)或饱和的(如环己烷)次级环上。季铵盐的反离子通常为卤素离子、硫酸根离子、磷酸根离子、硝酸根离子等。
在式(III)的一些实施例中，两个R2基团均为氢。在其他实施例中，一个R2基团为氢，另一个为具有1至10个、1至6个或1至4个碳原子的烷基。在其他实施例中，至少其中一个R2基团为具有2至10个、2至6个或2至4个碳原子的羟烷基或氨烷基，其中羟基或氨基位于烷基的除第一个碳原子之外的任何碳原子上。在其他实施例中，至少其中一个R2基团为具有5或6个碳原子的芳基；或芳烷基，其中烷基具有1至10个碳原子，芳基具有5或6个碳原子。在其他实施例中，两个R2基团与它们连接至的氮原子结合在一起形成杂环基团。该杂环基团包含至少一个氮原子，并且可包含其他杂原子，例如氧或硫。示例性的杂环基团包括(但不限于)咪唑基、哌嗪基和吗啉基。杂环基团可稠合至诸如苯、环己烯或环己烷之类的附加环上。稠合至附加环上的示例性杂环基团包括(但不限于)苯并咪唑基。
示例性的氨基(甲基)丙烯酸酯(即在式(III)中Q为氧)包括N，N-二烷基氨烷基(甲基)丙烯酸酯，例如N，N-二甲基氨乙基(甲基)丙烯酸酯、N，N-二乙基氨乙基(甲基)丙烯酸酯、N，N-二甲基氨丙基(甲基)丙烯酸酯、N-叔丁基氨丙基(甲基)丙烯酸酯等。
示例性的氨基(甲基)丙烯酰胺(即在式(III)中Q为-NH-)包括例如N-(3-氨丙基)(甲基)丙烯酰胺、N-[3-(二甲基氨基)丙基](甲基)丙烯酰胺、N-(3-咪唑基丙基)(甲基)丙烯酰胺、N-(2-咪唑基乙基)(甲基)丙烯酰胺、N-(1，1-二甲基-3-咪唑基丙基)(甲基)丙烯酰胺和N-(3-苯并咪唑基丙基)(甲基)丙烯酰胺。
式(III)官能化单体的示例性季盐包括(但不限于)(甲基)丙烯酰胺基烷基三甲基铵盐，例如(甲基)丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵；以及(甲基)丙烯酰氧烷基三甲基铵盐，例如2-(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和2-(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基硫酸甲酯铵。
第三种类型的官能化单体具有烯键式不饱和基团以及羟基。聚合物树脂上的烃基可直接与目标化合物反应，也可与改性剂反应以得到不同类型官能团从而与目标化合物相互作用。烃基可通常与目标化合物或改性剂发生缩合反应。例如，烃基可与目标化合物或与具有羧基(-COOH)的改性剂反应，以形成含酯基的物质。也就是说，反应导致形成用于将目标化合物或改性剂共价结合至聚合物树脂的羰氧基键合基团。例如，可将蛋白质或其他生物分子共价结合至聚合物树脂。连接的蛋白质或生物分子可起到亲和配体的作用，该亲和配体可随后与互补生物分子相互作用。亲和配体为可结合其他分子的化合物。例如，结合的抗原(即抗原为改性剂)可与抗体(即抗体为目标化合物)相互作用，或者结合的抗体(即抗体为改性剂)可与抗原(即抗原为目标化合物)相互作用。
合适的含羟基单体包括羟基取代的烷基(甲基)丙烯酸酯、羟基取代的烷基(甲基)丙烯酰胺或乙烯醇。具体的含羟基单体包括(但不限于)2-羟乙基(甲基)丙烯酸酯、3-羟丙基(甲基)丙烯酸酯、4-羟丁基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸甘油酯、N-[三(羟甲基)甲基]丙烯酰胺、乙烯基苯甲醇和羟甲基(甲基)丙烯酰胺。
第四种类型的官能化单体具有烯键式不饱和基团以及二氢唑酮基团。二氢唑酮基团可与具有亲核基团的目标化合物或改性剂发生开环反应。与二氢唑酮基团反应的合适亲核基团包括(但不限于)伯氨基、仲氨基和羟基。二氢唑酮基团与目标化合物或改性剂的亲核基团反应，通常导致形成将目标化合物或改性剂连接到聚合物树脂的键合基团。由二氢唑酮基团的开环反应形成的键合基团通常包含基团-(CO)NHC(Ra)2(CH2)p(CO)-，其中Ra为烷基例如甲基，并且(CO)表示羰基。吖内酯官能化树脂与多种亲核化合物(如目标化合物或改性剂)的反应在美国专利No.5,292,840(Heilmann等人)、No.5,561,097(Gleason等人)和No.6,379,952(Rasmussen等人)中有进一步的描述。
与改性剂反应之后，起初包含二氢唑酮基团的聚合物树脂可基于多种相互作用或反应而用于纯化或分离目标化合物。例如，改性的聚合物树脂可起到亲和树脂、离子交换树脂、疏水性相互作用树脂、反相树脂、尺寸排除树脂、螯合型树脂、细胞选择树脂、固定化酶树脂、混合型树脂等的作用。
亲和树脂可通过聚合物树脂上的二氢唑酮基团与亲和配体的亲核基团(即改性剂为具有亲核基团的亲和配体)发生反应来制备。更具体地讲，生物分子的氨基可与二氢唑酮基团反应，以将生物分子共价连接至聚合物树脂。连接的生物分子可与互补生物分子相互作用。示例性的亲和配体包括可结合至对应(即互补)抗体的抗原或可结合至对应(即互补)抗原的抗体。其他示例性的亲和配体包括可与互补DNA或RNA片段结合的DNA或RNA片段以及可与含碳水化合物部分的化合物或生物分子结合的凝集素。
离子交换树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与同时具有亲核基团和第二基团的改性剂反应制备，其中第二基团为碱基、酸基团或其盐。亲核基团与二氢唑酮基团反应，导致具有离子基团(即酸基、碱基或其盐)的改性剂连接到聚合物树脂。同时具有亲核基团和离子基团的合适改性剂包括(但不限于)2-氨基乙磺酸或氨丙基二甲基胺。
疏水性相互作用树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与同时具有亲核基团和疏水性第二基团的改性剂反应来制备。亲核基团与二氢唑酮基团反应，导致具有疏水基的改性剂连接至聚合物树脂。同时具有亲核基团和疏水基的合适改性剂包括(但不限于)苄胺、丁胺、己胺或苯乙胺。对于疏水性相互作用树脂，洗脱液通常为水基盐溶液。疏水性相互作用树脂可用于例如纯化或分离相对较大的分子，例如蛋白质。
反相树脂可采用类似于制备疏水性相互作用树脂所用改性剂的改性剂来制备。也就是说，反相树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与同时具有亲核基团和疏水性第二基团的改性剂反应来制备。亲核基团与二氢唑酮基团反应，导致具有疏水基的改性剂连接至聚合物树脂。具有亲核基团和疏水基的合适改性剂包括例如具有至少8个碳原子、至少10个碳原子、至少12个碳原子或至少16个碳原子的烷基胺。烷基胺可为例如辛基癸胺。对于反相相互作用树脂，洗脱液通常为有机溶剂而非水基盐溶液。而且，反相树脂通常用于分离或纯化相对较小的分子而非蛋白质。
尺寸排除树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与同时具有亲核基团和第二基团的改性剂反应来制备，其中第二基团为非相互作用基团或中性基团。亲核基团与二氢唑酮基团反应，导致具有非相互作用基团或中性基团的改性剂连接至聚合物珠。同时具有亲核基团和非相互作用基团或中性基团的合适改性剂包括(但不限于)乙醇胺和氨。
螯合型树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与同时具有亲核基团和金属螯合第二基团的改性剂反应来制备。亲核基团与二氢唑酮基团反应，导致连接具有金属螯合基团的改性剂。合适的改性剂包括(但不限于)亚氨基二乙酸、N-(3-氨丙基)亚氨基二乙酸和N-(2-羟乙基)亚氨基二乙酸。金属螯合基团在金属离子螯合后可与例如蛋白质上的某些基团(如组氨酸基团)反应。
细胞选择树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与细胞表面标记抗体反应来制备。也就是说，该抗体通常具有可与二氢唑酮基团反应以将抗体连接至聚合物树脂的亲核基团。该抗体继而还可与细胞上的细胞表面标记结合，导致细胞连接至聚合物树脂。细胞选择树脂可用于例如纯化或分离干细胞、血细胞或细菌。
固定化酶树脂可通过使聚合物树脂上的二氢唑酮基团与酶的亲核基团反应以将酶连接至聚合物树脂来制备。例如，酶可为青霉素G酰化酶或葡糖淀粉酶。固定化酶树脂可用作各种反应的催化剂。
混合型树脂可通过使二氢唑酮基团与具有亲核基团和附加基团的改性剂反应来制备，其中附加基团可赋予聚合物树脂两种或更多种相互作用的方式。该两种或更多种相互作用的方式可为上述任何方式。例如，二氢唑酮基团可与诸如苯基丙氨酸之类的改性剂反应，其中氨基起到亲核基团的作用，苯基起到疏水基团的作用，羧基起到离子基团的作用。
具有二氢唑酮基团的示例性官能化单体包括(但不限于)乙烯基烷基吖内酯，例如2-乙烯基-4，4-二甲基吖内酯(又称为2-乙烯基-4，4-二甲基-2-噁唑啉-5-酮)、2-(4-乙烯基苯基)-4，4-二甲基吖内酯、2-异丙烯基-4，4-二甲基吖内酯、2-乙烯基-4-乙基-4-甲基-2-噁唑啉-5-酮和2-乙烯基-4，4-二甲基-1，3-噁嗪-6-酮。
其他官能化单体具有烯键式不饱和基团以及缩水甘油基。缩水甘油基可与具有亲核基团的目标化合物或改性剂发生开环反应。与缩水甘油基反应的合适亲核基团包括(但不限于)伯氨基、仲氨基、硫醇基和羧基。缩水甘油基与目标化合物或改性剂的亲核基团反应，通常导致形成作用为将目标化合物或改性剂连接至聚合物树脂的键合基团。缩水甘油基的开环反应形成的键合基团通常包含基团-C(OH)HCH2NH-(缩水甘油基与伯氨基反应时)、C(OH)HCH2S-(缩水甘油基与硫醇基反应时)、或-C(OH)HCH2O(CO)-(缩水甘油基与羧基反应时)。
通过与改性剂反应进行改性后，具有缩水甘油基的聚合物树脂可基于多种相互作用或反应而用于纯化或分离目标化合物。例如，这些改性的聚合物树脂可起到亲和树脂、离子交换树脂、疏水性相互作用树脂、反相树脂、尺寸排除树脂、螯合型树脂、细胞选择树脂、固定化酶树脂、混合型树脂等的作用。这些不同类型的树脂可通过采用与制备具有二氢唑酮基团的聚合物树脂的上述反应相类似的反应，用具有缩水甘油基的聚合物树脂制备。
具有缩水甘油基的示例性单体包括(但不限于)
缩水甘油基(甲基)丙烯酸酯。
其他官能化单体具有选自以下基团的两种或更多种官能团的组合：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团或(5)缩水甘油基。具有多个或不同类型反应基团的示例性官能化单体为3-(甲基)丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵和2-(甲基)丙烯酰胺基羟基乙酸。各官能团可如上所述反应或相互作用。
基于单体混合物中单体的总重量，单体混合物包含至少1重量％的官能化单体。当使用少量的官能化单体时，所得聚合物材料与目标化合物或改性剂反应或相互作用的功能位点数量通常会减少。一些单体混合物包含至少2重量％、至少5重量％、至少10重量％、至少15重量％、至少20重量％、至少25重量％、至少30重量％、至少35重量％、至少40重量％或至少50重量％的官能化单体。
基于单体的总重量，单体混合物通常包含不超过99重量％的官能化单体。当使用大量的官能化单体时，所得聚合物材料的一级多孔结构往往为凝胶而非大孔形式。也就是说，官能化单体的高含量通常伴随着交联单体量的相应减小。聚合物树脂的刚度和机械强度往往与交联单体的量相关联。一些单体混合物包含不大于95重量％、不大于90重量％、不大于85重量％、不大于80重量％、不大于75重量％、不大于70重量％、不大于65重量％、不大于60重量％、不大于55重量％、不大于50重量％、不大于45重量％或不大于40重量％的官能化单体。
基于单体总重量，一些单体混合物包含1至99重量％、1至95重量％、1至90重量％、5至90重量％、10至90重量％、20至90重量％、30至90重量％、30至80重量％、40至90重量％、40至80重量％、50至80重量％或60至80重量％的官能化单体。官能化单体和交联单体的量可变化，从而得到具有所需的机械强度、孔隙度和容量组合的聚合物树脂，以与目标化合物或改性剂反应或相互作用。
就诸如制备离子交换树脂之类的应用而言，包含25至75重量％的官能化单体和25至75重量％的交联单体的单体混合物通常使得目标化合物在容量和机械强度之间达到最佳平衡。用于制备离子交换树脂的一些示例性单体混合物包含35至75重量％的官能化单体和25至65重量％的交联单体、40至75重量％的官能化单体和25至60重量％的交联单体、50至75重量％的官能化单体和25至50重量％的交联单体、或60至70重量％的官能化单体和30至40重量％的交联单体。
就诸如制备亲和树脂、疏水性相互作用树脂、反相树脂或固定化酶树脂之类的应用而言，单体混合物通常包含1至20重量％的官能化单体和80至99重量％的交联单体。用于制备这些类型树脂的一些示例性单体混合物包含1至15重量％的官能化单体和85至99重量％的交联单体、5至15重量％的官能化单体和85至95重量％的交联单体、5至20重量％的官能化单体和80至95重量％的交联单体、或1至10重量％的官能化单体和90至99重量％的交联单体。
虽然一些单体混合物除交联单体和官能化单体之外不含其他单体，但其他单体混合物包含亲水性共聚单体，该亲水性共聚单体具有单个烯键式不饱和基团但没有选自以下基团的官能团：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合。可添加亲水性共聚单体，例如用于调节官能化单体的含量，同时保持交联单体的量恒定。也就是说，可在未显著改变交联量或聚合物树脂刚度的情况下改变官能化单体的含量。另外，可使用这些共聚单体来改变聚合物树脂的亲水性特征。合适的亲水性共聚单体包括(但不限于)丙烯酰胺、异丁烯酰胺、二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和N-乙烯基乙酰胺。
基于单体混合物中单体的总重量，合适的亲水性单体的存在量通常不大于50重量％。在一些反应混合物中，基于单体的总重量，单体混合物包含不大于40重量％、不大于30重量％、不大于20重量％、不大于10重量％、不大于5重量％、不大于2重量％或不大于1重量％的亲水性单体。
在许多实施例中，在单体混合物中的所有或基本上所有单体的亲脂性指数小于或等于20。如本文所用，术语“亲脂性指数”或“LI”是指表征单体疏水性或亲水性的指数。通过在等体积(1∶1)的非极性溶剂(如己烷)和极性溶剂(如75∶25的乙腈-水溶液)中分配单体来确定亲脂性指数。亲脂性指数等于分配后保留在非极性相中的单体的重量百分数。疏水性较好的单体往往具有较高的亲脂性指数；类似地，亲水性较好的单体往往具有较低的亲脂性指数。亲脂性指数的测定在Drtina等人的Macromolecules，29，4486-4489(1996)(《大分子》1996年第29期第4486-4489页)中有进一步的描述。
如果在单体混合物中的所有或基本上所有单体的亲脂性指数小于或等于20，则所得聚合物树脂往往为亲水性的。亲水性聚合物树脂往往具有低的非特异性结合性。如本文所用，对于单体混合物小于或等于20的亲脂性指数，术语“基本上所有”是指亲脂性指数大于20的任何单体均作为杂质存在。基于单体混合物中单体的总重量，亲脂性指数大于20的任何杂质的含量小于2重量％、小于1重量％、小于0.5重量％、小于0.2重量％或小于0.1重量％。在一些树脂中，在单体混合物中的所有或基本上所有单体的亲脂性指数不大于15、不大于10、不大于5、不大于3或不大于1。
基于水相组合物(如单体混合物、有机聚集体和水相溶剂)的总重量，水相组合物通常包含至少4重量％的单体混合物。在一些实施例中，水相组合物可包含至少10重量％或至少15重量％的单体混合物。基于水相组合物的总重量，水相组合物通常包含最多50重量％的单体混合物。在一些实施例中，水相组合物可包含最多40重量％、最多30重量％、最多25重量％或最多20重量％的单体混合物。例如，基于水相组合物的总重量，水相组合物可包含5至50重量％、5至40重量％、5至30重量％、5至25重量％、5至20重量％或10至20重量％的单体混合物。
除能够发生自由基聚合的单体混合物之外，水相组合物还包含分散或悬浮的有机聚集体。可使用尺度范围为0.05至5微米的任何合适的有机聚集体，只要这些有机聚集体不溶于水相并且在将其加入水相组合物时不会凝结或完全聚结。然而，有机聚集体可发生某种程度的聚结，产生尺寸比有机聚集体更大的孔。通常将有机聚集体加入为水基乳液或水基分散体形式的水相组合物中。
有机聚集体的粒度通常为至少0.05微米、至少0.1微米、至少0.2微米、至少0.5微米或至少1微米。有机聚集体的粒度通常为不大于5微米、不大于4微米、不大于3微米、不大于2微米或不大于1微米。例如，有机聚集体的尺度范围可为0.05至5微米、0.05至3微米、0.05至2微米、0.05至1微米、1至5微米、1至3微米或1至2微米。随着聚合物材料分子量的增大，有机聚集体初始便包埋于聚合物材料内。将有机聚集体至少部分地从聚合物树脂中除去，以得到具有平均直径通常大于约500纳米的孔的二级多孔结构。
一些合适的有机聚集体具有连接至疏水基的亲水基。将有机聚集体置于水性介质中时，会形成水基乳液或水基分散体。例如，烃类疏水基可连接到诸如聚(亚烷基氧)之类的亲水基。也就是说，一些有机聚集体为烷氧基化材料。在一些示例性的烷氧基化材料中，至少30重量％、至少40重量％、至少50重量％或至少60重量％的烷氧基化材料为亲水性的，其余的则为疏水性的。包含长链乙氧基化醇的示例性水基乳液或水基分散体可以商品名PETROLITE和UNITHOX从BakerPetrolite(Sugar Land，TX)商购获得。更具体地讲，UNITHOX D-100具有25重量％的固体，并且包含平均粒度为约0.5微米的有机聚集体，这些有机聚集体的约50重量％为亲水性的，约50重量％为疏水性的。PETROLITE D-110具有10重量％的固体，并且包含平均粒度为约0.1微米的有机聚集体。PETROLITE D-1038具有10重量％的固体，并且包含平均粒度为约0.1微米的有机聚集体。UNITHOX D-300具有23重量％的固体，并且包含平均粒度为约0.5微米的有机聚集体，这些有机聚集体的约50重量％为亲水性的，约50重量％为疏水性的。
其他合适的水基乳液或水基分散体包含通过采用表面活性剂而蜡稳定的有机聚集体。例如，可通过将烷氧基化烃用作表面活性剂来将蜡分散于水性介质中。更具体地讲，PETROLITE D-800具有50重量％的固体，并且包含具有采用乙氧基化烃来稳定的石蜡的有机聚集体。该有机聚集体的平均粒度为0.7微米。PETROLITE D-900具有40重量％的固体，并且包含具有采用乙氧基化烃来稳定的微晶蜡的有机聚集体。该有机聚集体的平均粒度为0.7微米。其他蜡乳液和分散体可从多个供应商购得。例如，其他蜡乳液可以商品名MICHEM从Michelman(Cincinnati，OH)商购获得，也可以商品名LIQUILUBE从Lubrizol(Wickliffe，OH)商购获得。
其他合适的水基乳液或水基分散体包含采用表面活性剂来稳定的有机聚集体。例如，可用表面活性剂来稳定诸如聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯或橡胶之类的疏水性聚合物，从而得到水基乳液。具体例子包括(但不限于)聚苯乙烯或聚苯乙烯共聚物乳液或胶乳、聚(甲基)丙烯酸酯乳液或胶乳、橡胶乳液或胶乳、聚乙酸乙烯酯乳液或胶乳等。用于制备这些乳液或分散体的方法是本领域所熟知的。例如，丙烯腈、异丁烯酸酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯以及多种其他单体的乳液聚合工艺在W.R.Sorenson和T.W.Campbell的“PreparativeMethods of Polymer Chemistry”，pp.214-265，Interscience Publishers，1968(《聚合物化学品的制备方法》1968年第214-265页，IntersciencePublishers)中有所描述。丙烯酸类微球分散体的制备工艺在美国专利申请公开No.2003/0104042(Lucast等人)中有所描述。此外，可用的乳液和分散体可得自多个供应商，例如Rohm and Haas(Philadelphia，PA)、Cray Valley(Paris，France)、Lubrizol(Wickliffe，OH)和BASF(Florham Park，NJ)。
基于水相组合物的总重量，水相组合物通常包含最多10重量％的有机聚集体。在许多例子中，水相组合物包含最多8重量％、最多6重量％或最多5重量％的有机聚集体。基于水相组合物的重量，有机聚集体的量通常为至少0.5重量％、至少1重量％、至少2重量％或至少3重量％。一些水相组合物包含0.5至10重量％的有机聚集体、1至10重量％的有机聚集体或0.5至5重量％的有机聚集体。
除单体混合物和有机聚集体之外，水相组合物还包含含有水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂。如本文所用，对于极性有机溶剂，术语“可混溶”意指极性有机溶剂的绝大部分溶于水或与水相容。一般来讲，至少95重量％、至少97重量％、至少98重量％、至少99重量％、至少99.5重量％、至少99.8重量％或至少99.9重量％的极性有机溶剂溶于水。
任何用于水相溶剂中的水可为自来水、井水、去离子水、泉水、蒸馏水、无菌水或任何其他合适类型的水。如本文所用，术语“极性有机溶剂”指与水可混溶的有机溶剂。极性有机溶剂通常能够键合氢，并在与水混合时形成单相。极性有机溶剂通常不与存在于水相组合物中的单体反应，但可提高一些单体(如水相组合物中的交联单体)的溶解度。极性有机溶剂可影响形成聚合物的相分离行为，并且可影响所得聚合物材料的一级孔结构特性(即一级多孔结构)。
在一些实施例中，极性有机溶剂为具有1至10个碳原子、1至6个碳原子或1至4个碳原子的一元醇(即具有单个羟基的醇)。合适的一元醇包括(但不限于)甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、环己醇或它们的组合。一些一元醇可起到致孔剂的作用，并且至少部分有助于形成多孔聚合物材料的一级孔结构。更具体地讲，除起到溶剂的作用之外，一些一元醇还可增加直径小于约200纳米的孔的数量。
其他极性有机溶剂可与一元醇联合使用或取代一元醇。这些其他合适的极性有机溶剂包括(但不限于)二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、四氢呋喃、丙酮、N-甲基吡咯烷酮和乙腈。
使用时，基于水相溶剂的总重量，极性有机溶剂的存在量通常为至少10重量％。在一些实施例中，至少20重量％、至少30重量％、至少40重量％或至少50重量％的水相溶剂可为极性有机溶剂。最多80重量％、最多70重量％、最多60重量％或最多50重量％的水相溶剂可为极性有机溶剂。例如，极性有机溶剂的含量范围可为水相溶剂的10至80重量％、20至80重量％、30至80重量％、40至80重量％或50至80重量％。
极性溶剂、官能化单体和交联单体的选择可影响所得聚合物树脂是凝胶型树脂还是大孔树脂。如果水相对形成于其中的所得聚合物材料而言是良好的溶剂，则所得聚合物树脂更有可能为凝胶型树脂。如果水相对形成于其中的所得聚合物材料而言不是特别良好的溶剂，则所得聚合物树脂更有可能为大孔树脂。
水相组合物还可任选包含其他水溶性组分，例如可改性所得聚合物树脂的一级孔结构的致孔剂。更具体地讲，可添加致孔剂以增加直径小于约200纳米的孔的数量。致孔剂通常为可与水相组合物内的单体混合物混溶的固体或液体。可用的致孔剂在使用时通常不会以任何显著的程度在水相组合物和非极性有机溶剂之间分配(即，致孔剂不会以任何显著的量从水相组合物中被萃取至非极性有机溶剂中)。例如，小于5重量％、小于4重量％、小于3重量％、小于2重量％或小于1重量％的致孔剂可从水相组合物中被萃取至非极性有机溶剂(例如甲苯、庚烷等)中。
一些合适的致孔剂由式(IV)表示：
R3-(R4-O)q-R5
(IV)
其中R3为羟基、烷氧基、羧基、酰氧基或卤素；每个R4独立地为具有1至4碳原子的亚烷基；R5为氢、烷基、羧烷基、酰基或卤代烷基；q为1至1,000的整数。
示例性的致孔剂包括(但不限于)具有羟端基的聚乙二醇和聚丙二醇(在式(IV)中，R3为羟基，且R5为氢)。聚乙二醇和聚丙二醇的重均分子量通常不大于10,000克/摩尔、不大于8,000克/摩尔、不大于6,000克/摩尔、不大于4,000克/摩尔、不大于1,000克/摩尔、不大于800克/摩尔、不大于600克/摩尔或不大于400克/摩尔。
其他合适的致孔剂包括具有至少三个羟基的脂族水溶性化合物。示例性的致孔剂包括单糖、二糖以及诸如葡萄糖、核糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、麦芽三糖和葡聚糖之类的多糖；单糖的衍生物，例如葡萄糖酸、甘露糖醇、葡糖醛酸、葡糖胺等；以及多元醇，例如甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇等。
在聚合物树脂为聚合物珠的形式的实施例中，反应混合物还包含有机相组合物。水相组合物以小滴形式分散或悬浮于有机相组合物中。有机相组合物通常包含非极性有机溶剂和任选的助悬剂。在形成聚合物珠的过程中使用的有机相与水不可混溶。如本文所用，对于有机相，术语“不可混溶”意指有机相不溶于水。一般来讲，至少95重量％、至少97重量％、至少98重量％、至少99重量％、至少99.5重量％、至少99.8重量％或至少99.9重量％的有机相不溶于水。
有机相通常包含非极性有机溶剂和任选的助悬剂(即聚合物稳定剂)。有机相与水相组合物的体积比通常在2∶1至6∶1的范围内。除用作分散或悬浮水相组合物的惰性介质外，有机相的主要用途在于消散聚合反应过程中产生的热量。在一些实施例中，可对有机相组合物的密度进行选择，使之大约等于水相组合物的密度。大致匹配这些密度往往会导致形成更多球形聚合物珠以及尺寸更加均匀的聚合物珠。
合适的非极性有机溶剂通常为烷烃，例如己烷、庚烷、正辛烷、异辛烷、异十二烷和环己烷；卤代烃，例如四氯化碳、氯仿和二氯甲烷；芳香烃，例如苯和甲苯；低粘度硅油；或它们的组合。例如，非极性有机溶剂可为庚烷和二氯甲烷的混合物，或为苯和甲苯的混合物。
可添加助悬剂以促进水相小滴悬浮于非极性有机溶剂中。虽然助悬剂通常同时具有疏水性部分和亲水性部分，但可溶于有机溶剂。助悬剂的作用是调节水相与非极性有机溶剂之间的界面张力。另外，助悬剂使水相组合物小滴具有立体稳定性。这种立体稳定性往往会在聚合过程中最大程度地减少或防止形成凝聚的聚合物珠。
合适的助悬剂包括山梨糖醇酐倍半异硬脂酸酯、聚氧化乙烯脱水山梨糖醇三油酸酯(如聚氧化乙烯(20)脱水山梨糖醇三油酸酯)、聚氧化乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯(如聚氧化乙烯(20)脱水山梨糖醇单油酸酯)、脱水山梨糖醇三油酸酯、琥珀酸二(2-乙基己酯)磺酸钠、丙烯酸异辛酯与丙烯酸的共聚物、丙烯酸己酯与丙烯酸钠的共聚物、丙烯酸异辛酯与2-丙烯酰胺基异丁酰胺的共聚物等。助悬剂的量可影响所得聚合物珠的粒度。也就是说，使用较大量的助悬剂通常导致形成较小的聚合物珠。基于单体混合物中单体的总重量，助悬剂的量(如果存在)通常为0.1至10重量％。例如，基于单体的总重量，单体混合物可包含0.1至8重量％或0.5至5重量％的助悬剂。
相比有机聚集体，助悬剂在有机相和水相中具有不同的溶解度特性。虽然该助悬剂可溶于有机相，但某些助悬剂可以既溶于有机相又溶于水相。相比之下，有机聚集体绝大多数在水相中，并且分散或悬浮在水相内。有机聚集体不可溶于水相。
在第二方面，本发明提供了用于制备多孔聚合物树脂的方法。该方法包括形成水相组合物，该水相组合物包含1)能够进行自由基聚合的单体混合物；2)尺度范围为0.05至5微米的分散或悬浮的有机聚集体；3)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂。单体混合物包含i)交联单体和ii)官能化单体。交联单体包括式(I)化合物
其中R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y为亚烷基或杂亚烷基。亚烷基或杂亚烷基Y基团未被取代或被羟基取代。官能化单体包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。该方法还包括使单体混合物聚合以形成包含有机聚集体的聚合物材料，然后从该聚合物材料中除去有机聚集体的至少一部分以形成多孔聚合物树脂。在此聚合物树脂制备方法的一些实施例中，水相组合物小滴分散或悬浮于与水不可混溶并且包含非极性有机溶剂的有机相中。所得多孔聚合物树脂包含多孔聚合物珠。
可向水相组合物中添加引发剂来启动自由基聚合反应。自由基引发剂通常可溶于水相溶剂中。可通过加热、光化学方式或氧化还原反应来激活自由基引发剂。基于单体混合物中单体的总重量，自由基引发剂的用量通常为0.02至10重量％。在一些例子中，基于单体的总重量，自由基引发剂的存在量为2至6重量％。
合适的水溶性热引发剂包括例如偶氮化合物、过氧化物或氢过氧化物、过硫酸盐等。示例性的偶氮化合物包括2，2′-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐、2，2′-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐和4，4′-偶氮二-(4-氰基戊酸)。市售的偶氮化合物热引发剂的例子包括以商品名“VAZO”得自DuPont Specialty Chemical(Wilmington，DE)的材料，例如VAZO 44、VAZO 56和VAZO 68。合适的过氧化物和氢过氧化物包括过氧化乙酰、叔丁基氢过氧化物、异丙基苯过氧化氢和过氧乙酸。合适的过硫酸盐包括例如过硫酸钠和过硫酸铵。
在其他例子中，自由基引发剂为氧化还原对，例如过硫酸铵和N，N，N′，N′-四甲基乙二铵(TMEDA)、或过硫酸钠和N，N，N′，N′-四甲基乙二铵；过硫酸铵和硫酸亚铁铵、或过硫酸钠和硫酸亚铁铵；过氧化氢和硫酸亚铁铵；异丙基苯过氧化氢和N，N-二甲基苯胺等。
聚合温度通常取决于所选择的具体自由基引发剂。热引发聚合的聚合温度通常为约50℃至约150℃。在一些方法中，该温度为约55℃至约100℃。就氧化还原或光化学方式引发的聚合反应而言，如果需要，该温度可接近室温或低于室温。聚合反应时间可为约30分钟至约24小时或更长。通常，2至4小时的聚合反应时间就已足够。
随着自由基聚合反应的进行，水相内形成许多聚合物分子。这些聚合物分子随着反应的进行继续生长和交联。当分子量变得足够大时，聚合物材料便从水相组合物中分离出来。虽然不想受到理论的限制，但据信具有平均孔径大于约500纳米的孔的二级多孔结构是由于有机聚集体截留在聚合物材料内以及随后将有机聚集体从聚合物材料中除去而产生的。有机聚集体通常不含与聚合物材料形成化学键的基团。通过用水、极性有机溶剂或它们的组合进行冲洗可将有机聚集体从聚合物材料中至少部分地去除。在一些例子中，二级多孔结构的孔径可以大致等于有机聚集体的直径。在其他实例中，二级多孔结构的孔径可以为有机聚集体尺寸的数倍，并且可大到约15至20微米。虽然不想受到理论的限制，但据信这些大孔是由聚合过程之前或期间有机聚集体的部分聚结所造成的。
另外，据信平均孔径小于约200纳米的一级多孔结构是由于水相溶剂和任何任选的致孔剂与聚合物材料随着分子量增大而进行相互作用所造成的。当水相溶剂对形成聚合物材料而言是良好的溶剂时，水相内可能不会发生相分离，并且往往会形成溶胀凝胶型一级多孔结构。反之，当水相溶剂和任何任选的致孔剂对形成聚合物材料而言是相对较差的溶剂时，聚合物材料可发生相分离，并且往往会形成大孔一级多孔结构。
不论是否发生相分离，各种水相组分(例如任何任选的极性有机溶剂或致孔剂)与形成聚合物材料的相容性和量可影响在水相内发生相分离的时刻。另外，单体混合物中交联单体的含量可影响相分离，较大量的交联单体通常有利于较早地发生相分离，因为聚合物材料的分子量增大得更快。
如果在聚合物树脂形成期间发生相分离，则发生相分离的时刻可影响一级多孔结构的平均孔大小以及孔大小分布。添加与形成聚合物材料相容的极性有机溶剂和致孔剂(即对形成聚合物材料而言是良好溶剂的极性有机溶剂和致孔剂)往往会导致较晚发生相分离。较晚发生相分离往往有利于形成在一级多孔结构内具有较小的孔并且具有较大表面积的聚合物树脂。反之，添加对形成聚合物材料溶解度较低的极性有机溶剂和致孔剂往往会导致形成在一级多孔结构内具有较大的孔并且具有较小表面积的聚合物树脂。较早发生相分离往往有利于在一级多孔结构内形成具有较大的孔并且具有较小表面积的聚合物树脂。
在制备多孔聚合物树脂的一些实施例中，形成了多孔聚合物珠。这种制备聚合物珠的方法为逆相或反相悬浮聚合法。水相组合物可如上所述制备。该方法还涉及将水相组合物小滴分散或悬浮于与水不能混溶的有机相中。有机相的体积通常大于水相组合物的体积。有机相通常包含非极性溶剂和任选的助悬剂。该方法还包括聚合单体混合物以形成包含有机聚集体的聚合物颗粒，然后从聚合物颗粒中除去有机聚集体的至少一部分以形成多孔聚合物珠。
聚合物的粒度在很大程度上由水相组合物小滴的尺寸决定。小滴尺寸可受多个变量的影响，例如搅拌速率、温度、助悬剂的量、助悬剂的选择、非极性有机溶剂的选择以及任何水相极性有机溶剂的选择。通常可改变搅拌速率、助悬剂的类型以及助悬剂的量来控制所得聚合物珠的聚集或凝聚。通常优选不发生聚集。
可通过例如过滤或滗析来分离所得聚合物颗粒。然后可使聚合物颗粒经历一系列洗涤步骤，以除去有机聚集体和任选的致孔剂的至少一部分。用于除去有机聚集体和致孔剂的合适溶剂包括极性有机溶剂例如水、丙酮、醇(如甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇)、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈等。如果需要，可采用任何合适的方法来干燥洗涤过的聚合物珠。在一些方法中，可采用诸如筛分、沉淀和风选之类的技术对聚合物珠进行分级。
在第三方面，本发明提供了用于纯化或分离目标化合物的方法。该方法包括如上所述形成多孔聚合物树脂。该方法还包括将多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品相接触，使得目标化合物与多孔聚合物树脂的至少一个官能团反应或相互作用。官能团选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合。在一些实施例中，多孔聚合物树脂为多孔聚合物珠的形式。
可将目标化合物从其他样品组分中分离出来或可纯化目标化合物。在一些实施例中，目标化合物为生物分子，例如病毒、蛋白质、酶、疫苗、DNA和RNA。在一些应用中，可调整样品的组分以提高样品中目标化合物与聚合物树脂上其中一个官能团反应或相互作用的可能性。例如，可使用具有选自酸基、酸基盐、碱基或碱基盐的官能团的聚合物树脂来调节样品的pH值，以对带电生物分子的分离或纯化进行优化。
如果官能团为酸基团或其盐，则聚合物树脂还可起到阳离子交换树脂的作用。可将样品在聚合物树脂具有带负电基团而目标化合物具有带正电基团的pH值下与聚合物树脂相接触。目标化合物可吸附在聚合物树脂上。为了从聚合物树脂中释放所吸附的目标化合物，可升高pH值(如将pH值升高至至少6或7或更高)。或者，当目标化合物为生物分子时，可使样品在pH值为约3至10或约4至6的低离子强度缓冲液(如5至50毫摩尔缓冲盐和0至200毫摩尔氯化钠)中与聚合物树脂相接触，并且吸附在该聚合物树脂上。为了释放所吸附的生物分子，通常使阳离子交换树脂与高离子强度缓冲液相接触。在一些实施例中，高离子强度的缓冲液包括用于吸附目标化合物的相同缓冲组合物和1摩尔氯化钠。吸附和释放过程通常在接近室温的温度下进行。
可用于控制阳离子交换树脂pH值的缓冲盐包括(但不限于)磷酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼酸钠、醋酸钠和TRIS(三[羟甲基]氨基甲烷)。其他合适的缓冲液包括“Good′s”缓冲液，例如MOPS(3-吗啉代丙烷磺酸)、EPPS(4-(2-羟乙基)哌嗪-1-丙烷磺酸)、MES(2-吗啉代乙烷磺酸)以及其他缓冲液。
如果官能团为氨基团或其盐，则聚合物树脂还可起到阴离子交换树脂的作用。可将样品在阴离子交换树脂具有带正电基团而目标化合物具有带负电基团的pH值(如pH值为1至10)下与阴离子交换树脂相接触。一般来讲，为了使带负电的目标化合物有效地吸附到阴离子交换树脂上，可使用高于目标化合物的pK(或蛋白质的pI)至少约1至2个pH单位的pH值。如果需要从阴离子交换树脂中释放所吸附的目标化合物，可将pH值降低至少1至2个pH单位或更多。或者，当目标化合物为生物分子时，可使样品在具有适当的pH值(如对牛血清白蛋白而言，pH值为约6至8)的低离子强度缓冲液(如5至20毫摩尔缓冲盐)中与阴离子交换树脂相接触。为了释放所吸附的生物分子，通常使阴离子交换树脂与高离子强度的缓冲液相接触。在一些实施例中，高离子强度的缓冲液包括用于吸附目标化合物的相同缓冲组合物和1摩尔氯化钠。吸附和释放过程通常在接近室温的温度下进行。
可用于控制阴离子交换树脂pH值的缓冲盐包括(但不限于)磷酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼酸钠、醋酸钠和TRIS(三[羟甲基]氨基甲烷)。其他合适的缓冲液包括“Good′s”缓冲液，例如MOPS(3-吗啉代丙烷磺酸)、EPPS(4-(2-羟乙基)哌嗪-1-丙烷磺酸)、MES(2-吗啉代乙烷磺酸)以及其他缓冲液。
如果聚合物树脂上的官能团为羟基，则聚合物树脂可用作尺寸排除树脂。或者，聚合物树脂可用于纯化或分离具有可与羟基反应的基团的目标化合物。例如，包含具有羧基的目标化合物的样品可通过缩合反应与羟基反应而形成酯。在本例中，反应会导致目标化合物通过羰基氧基共价连接到聚合物树脂。
如果聚合物树脂上的官能团为二氢唑酮基团，则包含具有亲核基团的目标化合物的样品可通过开环反应与该二氢唑酮基团反应。与二氢唑酮基团反应的合适亲核基团包括(但不限于)伯氨基、仲氨基和羟基。二氢唑酮基团与目标化合物的亲核基团的反应通常导致形成将目标化合物共价连接至聚合物树脂的键合基团。通过二氢唑酮基团的开环反应形成的键合基团通常包含基团
-(CO)NHC(Ra)2(CH2)p(CO)-，其中Ra为烷基，例如甲基，p等于0或1，(CO)表示羰基。
如果聚合物树脂上的官能团为缩水甘油基，则包含具有亲核基团的目标化合物的样品可通过开环反应与该缩水甘油基反应。与缩水甘油基反应的合适亲核基团包括(但不限于)伯氨基、仲氨基、硫醇基和羧基。缩水甘油基与目标化合物的亲核基团的反应通常导致形成将目标化合物共价连接至聚合物树脂的键合基团。通过缩水甘油基的开环反应形成的键合基团通常包含基团-C(OH)HCH2NH-(缩水甘油基与伯氨基反应时)或-C(OH)HCH2O(CO)-(缩水甘油基与羧基反应时)。
在第四方面，本发明提供了用于纯化或分离目标化合物的另一种方法。该方法包括如上所述形成多孔聚合物树脂，该多孔聚合物树脂包含选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。该方法还包括通过用改性剂处理多孔聚合物树脂以及将第一官能团转化为第二官能团来制备改性聚合物树脂。然后使具有第二官能团的改性的多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品接触。目标化合物与改性的多孔聚合物树脂的第二官能团反应或相互作用。
改性剂可为可与第一官能团反应或相互作用的任何化合物。在一些例子中，改性剂为包含亲核基团和第二官能团的化合物。在其他实例中，改性剂为包含羧基和第二官能团的化合物。第二官能团不同于第一官能团。如果改性剂为生物分子，则所连接的生物分子可具有可与另一生物分子的互补基团相互作用或反应的官能团。
在一些实施例中，改性剂可与为羟基的第一官能团反应。例如，烃基可与具有羧基的改性剂反应，以将改性剂通过包含羰基氧基的键连接到聚合物树脂。羧基可在诸如蛋白质之类的生物分子上，与羟基的反应导致蛋白质连接到聚合物树脂。所得的改性的聚合物树脂起到亲和树脂的作用。也就是说，所连接的生物分子可起到亲和配体的作用，以与互补生物分子反应或相互作用(即，所连接的生物分子具有可与另一生物分子的互补官能团反应或相互作用的第二官能团)。
在其他实施例中，改性剂可与为缩水甘油基或二氢唑酮基团的第一官能团反应。这些第一官能团中的任一者可与具有亲核基团的改性剂发生开环反应。改性剂与第一官能团的反应导致改性剂连接至聚合物树脂。改性剂可为例如可起到亲和配体作用(即，第二官能团为亲和配体)以与互补生物分子反应或相互作用的生物分子。所得改性聚合物树脂可起到亲和树脂的作用。在其他实例中，改性剂可提供离子电荷(即，第二官能团为离子基团)，以与具有相反离子电荷的目标化合物反应或相互作用。所得改性聚合物树脂可起到离子交换树脂的作用。或者，改性聚合物树脂可起到尺寸排除树脂的作用。在其他实例中，改性剂可提供可与具有疏水基的目标化合物反应或相互作用的疏水基。所得改性聚合物树脂可起到疏水性相互作用树脂或反相树脂的作用。在其他实例中，改性剂可提供可与各种含金属的物质反应或相互作用的金属螯合基团。所得改性聚合物树脂可起到螯合树脂的作用。在其他实例中，改性剂可提供还可与细胞结合从而导致细胞连接至聚合物树脂的抗体。也就是说，改性聚合物树脂可起到细胞选择树脂的作用。在其他实例中，改性剂可为酶。所得改性聚合物树脂可起到固定化酶树脂的作用，并且其在暴露于某些目标化合物时可用作催化剂。
在纯化或分离目标化合物的方法的一些实施例中，可将多孔聚合物树脂置于柱中来制备色谱柱。如果用改性剂处理聚合物树脂以改变可用于与目标化合物反应或相互作用的官能团，则可在将聚合物树脂置于柱中之前或之后进行改性。合适的柱是本领域已知的，并且可用诸如玻璃、聚合物、不锈钢、钛及其合金或镍及其合金之类的材料构造。用于在柱中有效装填聚合物树脂的填充方法是本领域已知的。
聚合物树脂的刚性通常较好，并且具有的机械强度适合在任何合适流速及压力条件下在任何合适尺寸的色谱柱中使用。聚合物树脂可在例如具有高流速的色谱柱中使用。聚合物树脂适合在色谱柱中常常遇到的差压条件下使用。如本文所用，术语“差压”指整个色谱柱中的压降。例如，用于对治疗性蛋白进行下游纯化或分离的色谱柱可使用诸如至少150cm/小时、至少250cm小时、至少500cm/小时或至少700cm/小时的表观速度(如流速)来提高产率。更快的流速通常得到更高的产率。
色谱柱可为分析仪器(如液相色谱仪)的组成部分。用聚合物树脂进行装填时，色谱柱可用于分离或纯化目标化合物。目标化合物可与聚合物树脂上的官能团反应或相互作用。或者，可除去样品中的杂质，从而致使样品中目标化合物的浓度增加。可确定目标化合物的量以及包含目标化合物的样品中的杂质的量。
或者，色谱柱可为用于分离或纯化目标化合物的制备型液相色谱系统的一部分。制备型液相色谱系统可为实验规模的系统、试验性工厂规模的系统或工业规模的系统。
在纯化或分离目标化合物的方法的其他实施例中，将多孔聚合物树脂设置在过滤介质的表面。如果用改性剂处理聚合物树脂以改变可用于与目标化合物反应或相互作用的官能团，则可在将聚合物树脂设置在过滤介质的表面之前或之后进行改性。过滤元件可设置在壳体内以提供滤筒。合适的过滤介质以及包括滤筒的系统在美国专利No.5,468,847(Heilmann等人)中有进一步的描述。此类滤筒可用于例如纯化或分离生物分子。由于滤筒系统中的固有压降较低，因此与色谱柱内的材料相比，滤筒内可使用刚性较低的颗粒或孔较小的多孔聚合物树脂。
过滤介质可具有单个过滤层或多个过滤层，并且可用玻璃或聚合物纤维(例如聚烯烃纤维，如聚丙烯纤维)制备。在一些实施例中，过滤介质包括粗预过滤层和一个或多个细过滤层。例如，过滤介质可包括粗预过滤层，然后是一系列平均孔径逐渐减小的附加过滤层。聚合物树脂可设置在具有最小平均孔径的过滤介质层上。
过滤介质孔径的选择取决于聚合物树脂的粒度。通常选择过滤介质的孔径小于聚合物树脂的平均直径。然而，聚合物树脂的一部分可渗透进过滤介质中。
过滤介质可为垂直褶皱型过滤器的形式，例如美国专利No.3,058,594(Hultgren)中描述的那些。在其他实施例中，过滤介质为水平、径向复合褶皱型过滤器的形式，例如美国专利No.4,842,739(Tang等人)中描述的那些。在垂直方向上使用包含过滤介质的滤筒的应用中，理想情况是水平布置褶皱。此类布置方式可减少在使用和存储期间因过滤元件损耗聚合物树脂。
在纯化或分离目标化合物的方法的其他实施例中，多孔聚合物树脂被掺入连续多孔的基质中。如果用改性剂处理聚合物树脂以改变可用于与目标化合物反应或相互作用的官能团，则可在将多孔聚合物树脂并入连续多孔的基质中之前或之后进行改性。连续多孔的基质通常为织造或非织造纤维网、多孔纤维、多孔膜、多孔薄膜、中空纤维或管。合适的连续多孔基质在美国专利No.5,993,935(Rasmussen等人)中有进一步的描述。
为纤维网的连续多孔基质可提供许多优点，例如表面积大、易于制造、材料成本低以及具有多种纤维纹理和密度。虽然宽泛的纤维直径范围是合适的，但纤维通常具有0.05微米至50微米的平均直径。可改变网的厚度以适应最终用途应用(如约0.2微米至约100厘米)。
复合材料可用例如熔喷法制备。例如，可将熔融的聚合物材料挤出，以产生熔喷纤维流。可将聚合物树脂引入纤维流中并与纤维混在一起。可在筛网上收集纤维与聚合物树脂的混合物，使得形成网。聚合物树脂可分散于纤维网内。在一些实施例中，聚合物树脂可均匀地分散在整个纤维网内。
也可用原纤维化聚合物基质(如原纤维化聚四氟乙烯(PTFE))来制备复合材料。合适的方法在美国专利No.4,153,661(Ree等人)、4,565,663(Errede等人)、4,810,381(Hagen等人)和4,971,736(Hagen等人)中有更全面的描述。一般来讲，这些方法涉及：将聚合物树脂与聚四氟乙烯分散体共混以得到油灰状物质，在5℃至100℃下对该油灰状物质进行剧烈混合以使PTFE发生原纤化，然后将该油灰状物质进行双轴压延，并干燥所得片材。
在另一种制备复合材料的方法中，可将聚合物树脂分散在液体中，然后在足以形成均匀混合物的温度下将所得物与热塑性聚合物共混。该均匀混合物可置于具有所需形状的模具中。混合物冷却之后，液体会发生相分离，从而留下包含分散聚合物颗粒的热塑性聚合物基质。美国专利No.4,957,943(McAllister等人)对此方法进行了进一步的描述。
基于所得复合材料的体积，掺入到连续多孔基质中的聚合物树脂的量为至少1体积％、至少5体积％、至少10体积％、至少20体积％、至少30体积％、至少40体积％或至少50体积％。基于所得复合材料的体积，掺入到连续多孔基质中的聚合物树脂的量可占最多99体积％、最多95体积％、最多90体积％、最多85体积％或最多80体积％。聚合物树脂含量较高的复合材料往往具有较大的容量。
在第五方面，本发明提供了多孔聚合物树脂。该多孔聚合物树脂为包含a)交联单体和b)官能化单体的单体混合物的反应产物。交联单体包括式(I)化合物
其中R1为氢或甲基；Q为氧基或-NH-；Y为亚烷基或杂亚烷基，其中Y可任选被羟基取代。官能化单体包含(a)烯键式不饱和基团和(b)选自(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合的第一官能团。在单体混合物中的所有单体的亲脂性指数均不大于20。聚合物树脂具有包括平均孔径为200纳米的第一组孔和平均孔径大于500纳米的第二组孔的分层结构。
聚合物树脂可具有任何所需形状。其形状可为规则的或不规则的。在一些实施例中，聚合物树脂为球形或大致球形的聚合物珠形式。在其他实施例中，聚合物树脂可为整体柱形式。整体柱可具有任何形状，例如用于制备聚合物树脂的容器的形状。可将整体柱切削、破碎、碾磨等。例如，聚合物树脂的颗粒可由整体柱形成。颗粒可具有规则或不规则的形状。
当聚合物树脂为聚合物珠时，可采用诸如光散射或带图像分析的电子显微镜法等技术来确定聚合物珠的平均粒度。聚合物珠的平均直径通常为至少10微米。例如，聚合物珠的平均直径可为至少20微米、至少30微米、至少40微米、至少50微米或至少60微米。聚合物珠的平均直径通常不大于2,000微米、不大于1,000微米、不大于500微米或不大于200微米。在一些应用中，大孔聚合物珠的平均直径为10至2,000微米、20至2,000微米、20至500微米、50至500微米、20至200微米、50至200微米,50至100微米、50至75微米、50至70微米或60至70微米径。
聚合物树脂通常具有一级多孔结构和二级多孔结构。一级多孔结构与本体聚合物基质相关。此多孔结构与在不存在有机聚集体的情况下形成的多孔结构基本上相同。此一级多孔结构通常具有小于约200纳米(nm)的平均孔径，但是可能存在一些大于此孔径的孔。通过在水相组合物中添加任选的致孔剂或任选的非极性溶剂可影响一级多孔结构。向水相组合物中添加有机聚集体导致在珠内产生具有大孔(如孔穴或空隙)的二级多孔结构。这些孔的平均直径通常大于约500nm。二级孔的平均孔径可大于1微米、大于2微米、大于5微米或大于10微米。二级孔结构中的一些孔可大到约15至20微米。这些孔穴可以彼此开放连通(即，开孔构造)，也可以具有闭孔构造。然而，在后一种情况下，孔穴仍通过一级多孔结构彼此连通。二级孔可以具有或可以不具有通向珠外部的开口。
通常可采用诸如扫描电子显微镜法之类的各种微观技术来观察聚合物树脂中的一级多孔结构和二级多孔结构。此外，二级多孔结构通常大到足以通过普通光学显微镜进行观察。可采用低温条件下的氮吸附来表征一级多孔结构。
多孔结构的组合对于纯化或分离相对较大的目标化合物(如生物分子)而言特别有利。平均孔径大于约500纳米的二级多孔结构使相对较大的目标化合物更易于进入聚合物树脂的内部区域。平均孔径小于约200纳米的一级多孔结构通常可为目标化合物提供足够大的表面积和容量。
一级多孔结构为大孔时，表面积通常为至少20m2/g、至少30m2/g或至少40m2/g。表面积通常在20至350m2/g、30至200m2/g、20至100m2/g、30至100m2/g或40至350m2/g的范围内。
可根据可与其反应或相互作用的目标化合物的量来给定聚合物树脂的容量。例如，可起到阳离子交换树脂作用的聚合物树脂可与多种具有带正电基团的目标化合物相互作用。更具体地讲，阳离子交换容量可根据具体蛋白质(例如可被聚合物树脂吸附的免疫球蛋白，如IgG)的量来给定。
上述内容按照发明人在现有描述情况下可预见的实施例对本发明进行了描述，然而目前尚未预见的对本发明的非实质性修改形式仍可以代表本发明的等同形式。
实例
这些实例用于进行示意性的说明，并且无意于对所附权利要求书的范围进行限制。除非另有说明，否则所用溶剂和其他试剂均得自Sigma-Aldrich Chemical公司(Milwaukee，WI)。
测试方法
免疫球蛋白G(IgG)的阳离子交换容量
通过以下步骤制备50体积％的阳离子交换聚合物珠的浆料：将聚合物珠与去离子水混合，以3000的相对离心力(rcf)离心20分钟以形成珠装填的珠床，然后调节去离子水的量，使得总体积为所装填的珠床的两倍。使浆料充分混合以悬浮聚合物珠，然后将400微升的浆料样品吸移至0.45微米孔径的5mL醋酸纤维素离心微过滤器中，该过滤器以商品名CENTREX MF从VWR(Eagan，MN)商购获得。通过在3000rcf下离心5分钟除去水。然后将聚合物珠与4mL pH值为4.5的包含50mM醋酸钠和80mM氯化钠的缓冲液混合。将样品在3000rcf下再次离心10分钟。弃去上清液。然后将4.5mL浓度为约7mg/mL的人IgG(其可购自Equitech-Bio(Kerrville，TX))在相同醋酸盐缓冲液中的样品加入至装有聚合物珠的过滤器中。使混合物翻滚一整夜进行混合，然后通过在3000rcf下离心20分钟来从聚合物珠中除去上清液。
通过UV光谱法分析上清液。将样品在280nm处的吸光度与起始IgG溶液的吸光度进行比较。将差值用于计算聚合物珠的IgG容量。测定三次并取平均值。
免疫球蛋白G(IgG)的动态结合容量(DBC)
将聚合物珠的含水浆料(约350微升总体积的聚合物珠)装填进5厘米长内径为0.3厘米的玻璃柱(可以商品名OMNIFIT从Chromtech(Apple Valley，MN)商购获得)中，置于快速蛋白质液相色谱仪(可以商品名AKTA从GE Healthcare(Uppsala，Sweden)商购获得)上，并用10倍柱体积的缓冲液A(50mM醋酸盐，40mM NaCl，pH值为4.5)以0.7mL/分钟的速度进行平衡。通过50mL的超容量杯以0.09mL/分钟(3.93分钟停留时间/76cm/小时)的速度加载测试用溶液(缓冲液A中5.0mg/mL的人IgG)，直至已加载7mL的样品或280纳米(A280)波长下的UV吸光度超过800mAU(以先出现者为准)。使18倍柱体积的缓冲液A以0.7mL/分钟的流速流动来对未结合的样品进行冲洗。然后用超过8倍柱体积的缓冲液B(50mM醋酸盐，1.0M NaCl，pH值为4.5)进行从0体积％的缓冲液B(100体积％的缓冲液A)到100体积％的缓冲液B(0体积％的缓冲液A)的梯度洗脱，并保持在10倍柱体积的100体积％的缓冲液B。缓冲液B溶液洗脱了结合的IgG。在初始加载期间离开柱的溶液浓度为初始IgG测试用溶液浓度(已减去未结合蛋白的坪浓度)的10％的点处确定结合到载体上的IgG量。然后通过流过20倍柱体积的缓冲液A来重新平衡柱。
氢离子的小离子容量(SIC)
将约8mL聚合物珠浆料(在去离子水中约50体积％)转移至15mL刻度离心管中，并以3000的相对离心力(rcf)离心5分钟。记录所得装填聚合物珠的体积并精确至0.1mL，然后将浆料定量转移至多孔玻璃漏斗，用去离子水(3×50mL)洗涤，随后用0.5N的HCl(3×50mL)洗涤，然后再用去离子水(3×50mL)洗涤。然后将洗涤过的聚合物珠定量转移至125mL锥形瓶中，并加入4.0mL 2M NaCl以置换氢离子。5分钟后，将2滴酚酞(100mL乙醇中1克)加入浆料中，并用0.1N的NaOH滴定(同时在磁性搅拌盘上混合)混合物，直至溶液呈淡粉色。以微摩尔/毫升聚合物珠来表示的小离子容量的计算方法为：除以0.1N NaOH的体积与所分析珠的体积之和，再乘以100。
缩写表
  缩写或商品名   说明
  MBA   N，N′-亚甲基双丙烯酰胺
  AMPS   2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸，可以商品名AMPS 2405 Monomer(50％的钠盐水溶液)从Lubrizol Corp.(Wickliffe，Ohio)商购获得
  IPA   异丙醇
  TMEDA   N，N，N′，N′-四甲基乙二胺
  VDM   2-乙烯基-4，4-二甲基吖内酯，得自SNPE，(Princeton，NJ)
  TMPTMA   三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯
  TEGDMA   二甲基丙烯酸三甘醇酯
  PEG-Acr 375   重均分子量为约375克/摩尔的聚(乙二醇)单丙烯酸酯
  MAPTAC   甲基丙烯酰胺基-丙基三甲基氯化铵，可作为50％的水溶液商购获得
  MA   异丁烯酰胺
  HEMA   2-甲基丙烯酸羟乙酯
  GMA   甲基丙烯酸缩水甘油酯
  MeOH   甲醇
  PEG 6000   重均分子量为约6000克/摩尔的聚乙二醇
  助悬剂1   按重量计91.8∶8.2的丙烯酸异辛酯与2-丙烯酰胺基异丁酰胺的共聚物，可如Rasmussen等人，Makromol.Chem.，Macromol.Symp.，54/55，535-550(1992)中所述制备
  助悬剂2   按重量计95∶5的丙烯酸异辛酯与丙烯酸的共聚物，通过乙酸乙酯的自由基聚合制备
 PETROLITED110  可购自Baker Petrolite(Sugar Land，TX)的乙氧基化蜡的10重量％水分散体
  UNITHOXD-100   平均粒径为约0.5微米的乙氧基化蜡的25重量％水分散体
  UNITHOXD-300   平均粒径为约0.5微米的乙氧基化蜡的23重量％水分散体
 PETROLITED-800   平均粒径为约0.7微米的石蜡的50重量％水分散体
 PETROLITED-900   平均粒径为约0.7微米的微晶蜡的40重量％水分散体
实例1
使用包含重量比为35∶65的AMPS和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。将PETROLITE D110作为有机聚集体加入水相中。
更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
通过合并以下物质制备水相：MBA(18.2克)、AMPS(19.6克50重量％水溶液)、IPA(85mL)、PETROLITE D110(5mL)、去离子水(27.2mL)、PEG 6000(10克50重量％水溶液)以及乙二醇(20mL)。将该水相搅拌并在30至35℃范围内的温度下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水相中加入溶解于去离子水(3mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水相加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至43.5℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，然后用多孔玻璃漏斗进行过滤。用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤反应产物。将水作为流动液体来在Ro-Tap RX-29型分选筛(Ro-Tap Model RX-29 classifier，W.S.Tyler，Mentor，OH)上分选洗涤过的产物，得到尺度范围为38至106微米的无色聚合物珠。
用扫描电子显微图(SEM)和光学显微图证实聚合物珠具有多个被大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于0.5微米)。可通过上述方法用IgG(重均分子量等于150,000克/摩尔)测定的阳离子交换容量为62mg/mL，可通过上述方法用IgG测定的动态结合容量(DBC)为41mg/mL。
比较例1
通过反相悬浮聚合法制备按重量计为35∶65的AMPS/MBA共聚物阳离子交换珠。该水相不含分散或悬浮的有机聚集体。
更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
制备含有以下物质的水相：MBA(18.2克)、AMPS(19.6克50重量％的水溶液)、IPA(85mL)、去离子水(32.2mL)、PEG 6000(10克50重量％的水溶液)以及乙二醇(20mL)。将该水溶液搅拌并在30至35℃下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水溶液中加入溶解于去离子水(3mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水溶液加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至44.5℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，用多孔玻璃漏斗过滤，用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤，并用水作为流动液体在Ro-TapRX-29型分选筛(W.S.Tyler，Mentor，OH)上进行湿分选，得到尺度范围为38至106微米的无色珠粒。
IgG的阳离子交换容量为67mg/mL。IgG的动态结合容量(DBC)为34mg/mL。
实例2-5
使用包含重量比为35∶65的AMPS和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。将有机聚集体的各种水分散体加入水相中。实例2包含UNITHOX D-100。实例3包含UNITHOX D-300。实例4包含PETROLITE D-800。实例5包含PETROLITE D-900。
更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
制备包含如下物质的水相：MBA(18.2克)、AMPS(19.6克50重量％的水溶液)、IPA(85mL)、10mL包含如上所述有机聚集体的合适水分散体、去离子水(22.2mL)、PEG 6000(10克50重量％的水溶液)以及乙二醇(20mL)。将该水溶液搅拌并在30至35℃范围内的温度下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水相中加入溶解于去离子水(3mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水相加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至40至45℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，用多孔璃漏斗过滤，用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤，并用水作为流动液体在Ro-TapRX-29型分选筛(W.S.Tyler，Mentor，OH)上进行湿分选，得到尺度范围为38至106微米的无色珠粒。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大空隙。图4所示为实例4的SEM，图5所示为实例5的SEM。图3所示为实例4的光学显微图，放大倍数为64倍。
实例6
使用含有重量比为5∶95的VDM和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。PETROLITE D-110为有机聚集体的来源。
更具体地讲，通过将助悬剂2(0.27克)、甲苯(188mL)和庚烷(348mL)加入1000mL的圆底烧瓶(Morton型)来制备有机相，其中圆底烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
制备包含MBA(13.3克)、去离子水(45mL)、IPA(90mL)以及PETROLITE D-110(10mL)的水相。将该水溶液搅拌并在30至35℃下加热，直至MBA溶解。再次搅拌，向水溶液中加入溶解于去离子水(5mL)中的过硫酸钠(0.55克)。将水溶液加入装有非水溶液的反应烧瓶中。用注射器将VDM(0.72mL)加入搅拌的混合物中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡5分钟。
加入TMEDA(0.55mL)以引发聚合反应。温度升高至40.1℃超过5分钟。引发反应后，持续加热并搅拌总共2小时，然后过滤珠状产物并用丙酮(3×250mL)洗涤。将湿滤饼转移至单颈圆底烧瓶中，并在室温下真空干燥过夜。
扫描电子显微图显示聚合物珠具有多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于1微米)(见图1)。
实例7
使用含有重量比为5∶95的VDM和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。除水相中所用PETROLITE D-110(1mL)和去离子水(54mL)的量有变化之外，步骤类似于实例6中的步骤。扫描电子显微图显示聚合物珠具有多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于1微米)。
比较例2
除用等体积的去离子水替换PETROLITE D-110之外，按照实例6中的步骤来制备聚合物珠。也就是说，在水相中不存在有机聚集体的情况下制备聚合物珠。
扫描电子显微图显示聚合物珠粒具有典型的大孔基质结构但没有大于1微米的大孔(见图2)。
实例8
采用包含45∶25∶30的AMPS/MBA/TMPTMA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。PETROLITE D-900为有机聚集体的来源。
通过将助悬剂1(0.28克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，该烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
制备包含如下物质的水相：MBA(7.0克)、AMPS(25.2克50重量％的水溶液)、TMPTMA(8.4克)、IPA(110mL)、去离子水(22.4mL)和PETROLITE D-900(10mL)。将该水溶液搅拌并在30至35℃下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水溶液中加入溶解于去离子水(5mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水溶液加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高约10℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，用多孔玻璃漏斗过滤，用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤，并用水作为流动液体在Ro-TapRX-29型分选筛(W.S.Tyler，Mentor，OH)上进行湿分选，得到尺度范围为38至106微米的无色珠粒。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔。
实例9
使用包含按重量计35∶55∶10的AMPS/MBA/TEGDMA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法来制备聚合物珠。PETROLITE D-1038为有机聚集体的来源。除水相组合物不同之外，步骤类似于用于实例8中的步骤。该水相包含MBA(15.4克)、AMPS(19.6克50重量％的水溶液)、TEGDMA(2.8克)、IPA(110mL)、去离子水(25.2mL)和PETROLITED-1038(10mL)。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例10
使用包含按重量计35∶55∶10的AMPS/MBA/PEG-Acr 375的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。PETROLITE D-900为有机聚集体的来源。除水相组合物不同之外，步骤类似于用于实例8中的步骤。该水相包含MBA(15.4克)、AMPS(19.6克50重量％的水溶液)、PEG-Acr 375(2.8克)、IPA(110mL)、去离子水(25.2mL)和PETROLITE D-900(10mL)。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例11
使用包含按重量计50∶50的MAPTAC/MB的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。除有机相和水相中的组分有变化之外，步骤类似于实例8中的步骤。有机相包含助悬剂1(0.28克)、庚烷(243mL)和甲苯(132mL)。水相包含MBA(14.0克)、MAPTAC(28.0克50重量％的水溶液)、MeOH(50mL)、去离子水(21.0mL)和PETROLITE D-900(10mL)。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例12
使用包含按重量计65∶30∶5的MBA/MA/HEMA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。除有机相和水相中的组分有变化之外，步骤类似于实例8中的步骤。有机相包含助悬剂1(0.13克)、庚烷(348mL)和甲苯(188mL)。水相包含MBA(9.1克)、MA(4.2克)、HEMA(0.67克)、IPA(80mL)、去离子水(45.0mL)和PETROLITE D-1038(10mL)。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例13
使用包含按重量计5∶95的GMA/MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。除水相组合物不同之外，步骤类似于实例6中的步骤。更具体地讲，用GMA(0.72mL)代替VDM、用80mL的IPA代替90mL的IPA，并用PETROLITE D-900(10mL)代替PETROLITED-110(10mL)。
SEM和光学显微图证实存在多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例14
使用类似于实例1中步骤的步骤，通过反相悬浮聚合法制备按重量计65∶35的AMPS/MBA共聚物。水相溶液包含MBA(9.8克)、AMPS(36.3mL 50重量％的水溶液)、IPA(80mL)、去离子水(20mL)、过硫酸钠(0.5克)和PETROLITE D-110(31.8mL)。
SEM和光学显微图证实聚合物珠具有多个被典型大孔聚合物基质包围的大孔(直径大于约0.5微米)。
实例15
通过标准水性乳液聚合法聚合苯乙烯来制备30重量％的水性聚苯乙烯胶乳，从而形成粒度为0.4微米的分散体。
使用包含重量比为45∶55的AMPS和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
通过合并以下物质制备水相：MBA(15.4克)、AMPS(25.2克50重量％的水溶液)、IPA(85mL)、3.3mL上述聚苯乙烯胶乳、去离子水(25.1mL)、PEG 6000(10克50重量％的水溶液)和乙二醇(20mL)。将该水相搅拌并在30至35℃范围内的温度下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水相中加入溶解于去离子水(5mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水相加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至44.0℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，然后用多孔玻璃漏斗进行过滤。用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤反应产物。
扫描电子显微图显示存在多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于0.5微米)。
实例16
按照类似于美国专利申请2003/0104042A1中描述的方法来制备丙烯酸酯微球的38重量％水分散体，以用作包含有机聚集体的分散体。更具体地讲，通过将8克丙烯酸(可购自Sigma-Aldrich(Milwaukee，WI))、11.8克聚氧化乙烯丙烯酸酯(可以商品名M90G NK ESTER购自Shin-Nakamura(Arimoto，Japan))以及1.1克氧化苯甲酰(在水中为70％；可以商品名LUCIDOL-70购自Arkema Inc.(Philadelphia，PA))溶解于377克丙烯酸异辛酯(可购自3M公司)中来制备单体混合物。通过将6.4克十二烷基硫酸铵(以商品名STANDAPOL A购自CognisCorp(Hoboken，NJ))溶解于595克水中来制备表面活性剂溶液。然后将单体混合物加入表面活性剂溶液中，用搅拌器(可以商品名GIFFORD-WOOD购自J.W.Greer(Wilmington，MA))乳化所得混合物，直至小滴尺寸小于1微米。将乳化液装入1升的折流式反应器，加热至65℃，用氮气除气并使反应进行8小时。结果形成平均粒径为2微米的微球。
使用包含重量比为45∶55的AMPS和MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法制备聚合物珠。更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
通过合并以下物质制备水相：MBA(15.4克)、AMPS(25.2克50重量％的水溶液)、IPA(85mL)、10.0mL丙烯酸酯胶乳、去离子水(27.4mL)、PEG 6000(10克50重量％的水溶液)和乙二醇(20mL)。将该水相搅拌并在30至35℃范围内的温度下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水相中加入溶解于去离子水(5mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水相加入至装有有机相的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至43.9℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，然后用多孔玻璃漏斗进行过滤。用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤反应产物。
扫描电子显微图显示聚合物珠具有多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于约2微米)。
比较例3
使用包含按重量计45∶55的AMPS/MBA的单体混合物，通过反相悬浮聚合法来制备聚合物珠。水相不含有机聚集体。
更具体地讲，通过将助悬剂1(0.56克)和庚烷(536mL)加入烧瓶中来制备有机相，其中烧瓶配备有机械搅拌器(搅拌速度为450rpm)、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热套和冷凝器。将烧瓶中的有机相搅拌加热至35℃，并用氮气鼓泡15分钟。
制备包含以下物质的水相：MBA(15.4克)、AMPS(25.2克50重量％的水溶液)、IPA(85mL)、去离子水(27.4mL)、PEG 6000(10克50重量％水溶液的水溶液)和乙二醇(20mL)。将该水溶液搅拌并在30至35℃下加热，以溶解MBA。再次搅拌，向水溶液中加入溶解于去离子水(5mL)中的过硫酸钠(0.5克)。将水溶液加入装有非水溶液的反应烧瓶中。搅拌所得混合物，并用氮气鼓泡10分钟。
加入TMEDA(0.5mL)以引发聚合反应。反应温度快速升高至43.6℃，然后缓慢下降。从加入TMEDA的那一刻起，将反应混合物总共搅拌2小时，用多孔玻璃漏斗过滤，用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)和丙酮(2×250mL)洗涤。
扫描电子显微图显示出典型的大孔基质结构并且不存在大于0.5微米的大孔。
实例17
制备按重量计35∶65的MPS/MBA聚合物整体柱。更具体地讲，在50mL爱伦美氏烧瓶中制备包含MBA(1.14克)、AMPS(1.22克50重量％的水溶液)、IPA(5.3mL)、去离子水(1.24mL)、PEG 6000(0.625克50重量％的水溶液)以及乙二醇(1.25mL)的水相混合物。将该水溶液搅拌并在30至35℃下加热，以溶解MBA。将混合物转移至15mL聚丙烯离心管中，并加入Petrolite D-800(0.625克)。加入过硫酸钠(0.34mL，于去离子水中的0.1mg/mL溶液)，然后用氮气对混合物鼓泡1分钟。加入TMEDA(35μL)，将混合物涡旋混合、松散封盖并使其在试管架上放置2小时15分钟。用刮刀打碎已形成的固体整体柱，将其过滤，用丙酮(2×15mL)、甲醇(2×15mL)和丙酮(2×15mL)洗涤，并在室温下于真空炉中干燥过夜。
扫描电子显微图显示存在多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于0.5微米)。
实例18
除用Petrolite D-900代替D-800之外，按照实例17中的方法制备按重量计35∶65的AMPS/MBA共聚物阳离子交换整体柱。扫描电子显微图显示存在多个被典型大孔基质包围的大孔(直径大于0.5微米)。

Claims (20)

1.一种反应混合物，其包含： 
水相组合物，所述水相组合物包含 
a)单体混合物，所述单体混合物包含 
1)式(I)的交联单体： 
(I) 
其中 
R1为氢或甲基； 
Q为氧基或–NH-；并且 
Y为亚烷基或杂亚烷基，其中所述亚烷基或所述杂亚烷基未被取代或被羟基取代；和 
2)官能化单体，所述官能化单体具有(a)烯键式不饱和基团和(b)选自如下的官能团：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合； 
b)尺寸范围为0.05至5微米的分散的有机聚集体，其中所述有机聚集体为（1）包括具有烃类疏水基和聚（亚烷基氧）亲水基的烷氧基化材料的水基乳液，其中所述烃类疏水基连接至聚（亚烷基氧）亲水基，或（2）包括通过烷氧基化烃类表面活性剂稳定的蜡的水基乳液，其中所述蜡分散在使用烷氧基化烃类表面活性剂的水性介质中，或（3）使用表面活性剂来稳定的疏水性聚合物的水基乳液，其中所述疏水性聚合物选自聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯或橡胶；以及 
c)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂。 
2.根据权利要求1所述的反应混合物，其还包含与水不能混溶的有机相组合物，所述有机相组合物包含非极性有机溶剂。 
3.根据权利要求2所述的反应混合物，其中所述水相组合物以小滴形式分散于所述有机相组合物内。 
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的反应混合物，其中所述水相还包含致孔剂。 
5.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的反应混合物，其中在所述单体混合物中的所有或基本上所有的单体的亲脂性指数均不大于20，其中术语“基本上所有”是指亲脂性指数大于20的任何单体均作为杂质存在，并且亲脂性指数大于20的任何杂质，基于单体混合物中的单体的总重量，以小于2重量%的量存在。 
6.一种制备多孔聚合物树脂的方法，所述方法包括： 
形成水相组合物，所述水相组合物包含： 
a)单体混合物，所述单体混合物包含 
1)式(I)的交联单体： 
其中 
R1为氢或甲基； 
Q为氧基或–NH-；并且 
Y为亚烷基或杂亚烷基，其中所述亚烷基或所述杂亚烷基未被取代或被羟基取代；和 
2)官能化单体，所述官能化单体具有(a)烯键式不饱和基团和(b)选自如下的官能团：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合； 
b)尺寸范围为0.05至5微米的分散的有机聚集体，其中所述有机聚集体为（1）包括具有烃类疏水基和聚（亚烷基氧）亲水基的烷氧基化材料的水基乳液，其中所述烃类疏水基连接至聚（亚烷基氧）亲 水基，或（2）包括通过烷氧基化烃类表面活性剂稳定的蜡的水基乳液，其中所述蜡分散在使用烷氧基化烃类表面活性剂的水性介质中，或（3）使用表面活性剂来稳定的疏水性聚合物的水基乳液，其中所述疏水性聚合物选自聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯或橡胶物；以及 
c)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂； 
聚合所述单体混合物以形成包含所述有机聚集体的聚合物材料；以及 
从所述聚合物材料中除去所述有机聚集体的至少一部分以形成所述多孔聚合物树脂。 
7.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括将所述水相组合物以小滴形式分散于与水不能混溶的有机相组合物中，所述有机相组合物包含非极性有机溶剂。 
8.根据权利要求6或权利要求7中任一项所述的方法，该方法还包括使所述缩水甘油基基团或所述二氢唑酮基团与具有亲核基团的改性剂反应，以将所述改性剂连接至所述聚合物树脂。 
9.根据权利要求6或权利要求7中任一项所述的方法，该方法还包括使所述羟基与具有羧基的改性剂反应，以将所述改性剂连接至所述聚合物树脂。 
10.一种纯化或分离目标化合物的方法，所述方法包括： 
形成多孔聚合物树脂，所述形成包括： 
制备水相组合物，所述水相组合物包含 
a)单体混合物，所述单体混合物包含 
1)式(I)的交联单体： 
其中 
R1为氢或甲基； 
Q为氧基或–NH-；并且 
Y为亚烷基或杂亚烷基，其中所述亚烷基或所述杂亚烷基未被取代或被羟基取代；和 
2)官能化单体，所述官能化单体具有(a)烯键式不饱和基团和(b)选自如下的官能团：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合； 
b)尺寸范围为0.05至5微米的分散的有机聚集体，其中所述有机聚集体为（1）包括具有烃类疏水基和聚（亚烷基氧）亲水基的烷氧基化材料的水基乳液，其中所述烃类疏水基连接至聚（亚烷基氧）亲水基，或（2）包括通过烷氧基化烃类表面活性剂稳定的蜡的水基乳液，其中所述蜡分散在使用烷氧基化烃类表面活性剂的水性介质中，或（3）使用表面活性剂来稳定的疏水性聚合物的水基乳液，其中所述疏水性聚合物选自聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯或橡胶；以及 
c)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂； 
聚合所述单体混合物以形成包含所述有机聚集体的聚合物材料；以及 
从所述聚合物材料中除去所述有机聚集体的至少一部分以形成所述多孔聚合物树脂；以及 
将所述多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品接触，其中所述目标化合物与所述多孔聚合物树脂的至少一个官能团反应或相互作用。 
11.根据权利要求10所述的方法，其中接触包括将所述多孔聚合物树脂置于柱中以制备色谱柱，以及使所述样品穿过所述色谱柱。 
12.根据权利要求10所述的方法，其中接触包括将所述多孔聚合物树脂设置在过滤介质表面上，以及使所述样品穿过所述过滤介质。 
13.根据权利要求10所述的方法，其中接触包括将所述多孔聚合物树脂并入连续多孔的基质中，以及使所述样品穿过所述多孔基质。 
14.根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的方法，其中形成所述多孔聚合物树脂还包括将所述水相组合物以小滴形式分散于与水不能混溶的有机相组合物中，所述有机相组合物包含非极性有机溶剂。 
15.根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的方法，其中所述多孔聚合物树脂为多孔聚合物珠。 
16.一种纯化或分离目标化合物的方法，所述方法包括： 
形成多孔聚合物树脂，所述形成包括： 
制备水相组合物，所述水相组合物包含： 
a)单体混合物，所述单体混合物包含 
1)式(I)的交联单体： 
其中 
R1为氢或甲基； 
Q为氧基或–NH-；并且 
Y为亚烷基或杂亚烷基，其中Y可任选被羟基取代；和 
2)官能化单体，所述官能化单体具有(a)烯键式不饱和基团和(b)选自如下的第一官能团：(1)酸基团或其盐、(2)氨基团或其盐、(3)羟基基团、(4)二氢唑酮基团、(5)缩水甘油基基团或(6)它们的组合； 
b)尺寸范围为0.05至5微米的分散的有机聚集体，其中所述有机聚集体为（1）包括具有烃类疏水基和聚（亚烷基氧）亲水基的烷氧基化材料的水基乳液，其中所述烃类疏水基连接至聚（亚烷基氧）亲 水基，或（2）包括通过烷氧基化烃类表面活性剂稳定的蜡的水基乳液，其中所述蜡分散在使用烷氧基化烃类表面活性剂的水性介质中，或（3）使用表面活性剂来稳定的疏水性聚合物的水基乳液，其中所述疏水性聚合物选自聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯或橡胶；以及 
c)包含水和任选的与水能混溶的极性有机溶剂的水相溶剂； 
将所述水相组合物悬浮于与水不能混溶的有机相中，所述有机相包含非极性有机溶剂； 
聚合所述单体混合物以形成包含所述有机聚集体的聚合物材料；以及 
从所述聚合物材料中除去所述有机聚集体的至少一部分以形成所述多孔聚合物树脂； 
制备改性的多孔聚合物树脂，包括用改性剂处理所述多孔聚合物树脂以及将所述第一官能团转化为第二官能团；以及 
将所述改性的多孔聚合物树脂与包含目标化合物的样品接触，其中所述目标化合物与所述改性的多孔聚合物树脂的第二官能团反应或相互作用。 
17.根据权利要求16所述的方法，其中处理包括使所述改性剂的亲核基团与所述缩水甘油基或所述二氢唑酮基团反应。 
18.根据权利要求16所述的方法，其中处理包括使所述改性剂的羧基与所述羟基反应。 
19.一种具有分层多孔结构的多孔聚合物树脂，所述分层多孔结构包括具有平均孔径小于200纳米的第一组孔的第一多孔结构和具有平均孔径大于500纳米的第二组孔的第二多孔结构，其中所述多孔聚合物树脂是通过根据权利要求6-9中任一项所述的方法制备的，其中在所述单体混合物中的所有或基本上所有的单体的亲脂性指数均不大于20，其中术语“基本上所有”是指亲脂性指数大于20的任何单体均作为杂质存在和亲脂性指数大于20的任何杂质，基于单体混合物中的 单体的总重量，以小于2重量%的量存在。 
20.根据权利要求19所述的多孔聚合物树脂，其中所述多孔聚合物树脂为多孔聚合物珠。 
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