CN102112191A - 用于离子交换色谱的接枝共聚物 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有改进性能的改性的分离材料、其的制备，和其用于从液体分离带电生物聚合物的应用。

Description

用于离子交换色谱的接枝共聚物
本发明涉及改性的分离材料、其的制备，和其用于从液体分离带电生物聚合物的应用。
现有技术
离子交换色谱可能是最频繁采用的用于纯化药物蛋白质、肽和其他生物聚合物的方法。基本所有工业纯化工艺都包括一个或更多个离子交换步骤。特别重要的是对目标分子具有高连接容量的离子交换树脂。
其中离子基团只位于线型接枝聚合物上，该聚合物进而与载体表面共价键接的合适分离材料的使用特别有利(W. Müller, J. Chromato­g­raphy 1990, 510, 133-140)。
通过将相应的官能化单体接枝到多个不同表面上获得的官能化聚合物被已知许多年。如果官能化涉及化学键接的离子基团，则相应的材料可用于离子交换色谱。
相对大量可能的预期用于生物聚合物分级的接枝聚合物结构在专利EP 0 337 144或US 5,453,186中找到。该专利中还要求了包含多于一个单体单元(共聚)的接枝聚合物。为了该接枝共聚，单体必须以使得两种单体包含碱性或酸性基团或者一种单体为中性的方式选择，以获得合适的交换。没有解释优选用于接枝共聚的单体的组合和类型，这意味着本领域技术人员在他获得适用于纯化药物蛋白质、肽和其他生物聚合物的分离材料前必须进行大量实验。
EP 1 473 075 A描述了用于离子交换色谱的材料。为了制备该材料，将由2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸、N(异丁氧基甲基)丙烯酰胺和羟甲基甲基丙烯酸酯组成的聚合物溶液吸附到含羟基的载体，例如多孔硝酸纤维素上。然而，该“吸附”没有涉及载体材料与施涂的涂层之间的化学连接。在吸附中，水凝胶－水溶胀的交联聚合物，在载体的孔中聚合。只通过在孔中聚合，材料变得足够尺寸稳定，使得其在应用中压力稳定。需要至少三种单体用于制备使用的水凝胶；并且需要至少五种组分用于制备实际的分离材料，即载体、单体1、单体2和交联剂以及右旋糖苷。
Kobayashi等人[Journal of Chromatography, Vol.958, No. 1-2, 109 – 119, (2002)]进而描述了通过将包含异丙基丙烯酰胺和丙烯酸的聚合物接枝到二氧化硅或硅胶上获得的色谱材料。该接枝的目的是通过引入不带电单体产生疏水性能。由于载体表面不存在脂族羟基并且二氧化硅对水解而言是稳定的，因此使得聚合物与无机二氧化硅的连接更加困难。
US 2004/203149 A1描述了由载体材料和凝胶组成的色谱材料。获得载体担载的多孔交联凝胶。正如还在EP 1 473 075 A中所述，水凝胶在载体的孔中聚合，得到足够尺寸稳定的材料，其在应用中压力稳定。没有出现与载体共价键接，而是相反水凝胶与载体缠绕。优选使用疏水载体材料。正如还被Kobayashi所述，在所有情形中所希望的分离材料的制备都需要交联剂，其在材料的应用中对连接性能具有显著影响。另外，优选使用的丙烯酰胺对水解而言并不足够稳定。
目的
因此，本发明的目的是制备具有以高容量连接蛋白质和其他生物聚合物的离子基团并且可用于工业规模的制备应用的载体材料。
该载体材料应当对水解而言是稳定的，特别是对碱稳定，以确保分离材料在pH ≥ 13下纯化或再生，保持了载体的必要性能。
发明主题
本发明涉及包括无机或有机载体材料的分离材料，特征在于由至少两个单体单元构成的聚合物与载体材料连接，其中至少2个不同的重复单元出现在分离材料中，而这些单元的一个带电并且这些单元的至少一个带有中性基团。
实验表明，用作为中性共聚单体的N-烷氧基烷基丙烯酰胺衍生的载体材料适用作用于分离带电的生物分子，特别是带电的生物聚合物的分离材料。由于与N-烷氧基烷基丙烯酰胺接枝共聚，因此实现了表面上低电荷密度的好的利用。
因此本目的还通过制备多孔颗粒或其他模塑品的含羟基表面上的相应接枝共聚物而实现。根据本发明，通过反应与这些表面连接的接枝聚合物由两个或更多个重复单元构成，其中这些单元的至少一个带电并且至少一个单元与中性基团连接，使得这些接枝聚合物能够通过离子相互作用连接带电物质。
本发明因此进一步涉及能够通过离子相互作用连接带电物质，特别是生物聚合物的分离材料。为了制备这些载体材料，可以使由两个或更多个重复单体单元构成的接枝聚合物通过化学反应与多孔颗粒或其他模塑品的含羟基表面连接，其中这些单元的至少一个带电并且这些单元的至少一个与中性基团连接。
特别地，本发明涉及具有交联合成聚合物或交联琼脂糖或右旋糖苷，或者包含具有有机涂层的无机载体的复合材料作为基质载体的相应分离材料。
基于其表面与共聚物共价键接的相应含羟基的基质载体的用于离子交换色谱的这类分离材料显著在于如下事实：
a)基质载体含有脂族羟基，
b)该共聚物与该载体共价键接，
c)该共聚物含有至少两个不同的单体单元，
d)单体单元以线型方式连接，
e)该共聚物具有至少一个单体单元，该单体单元带有磺酸或羧酸形式或者胺基或铵基形式的电荷，并且另外含有烷基和/或亚烷基和任选的酰胺基，但不含芳基，
或者其带有磺酸或羧酸形式或者胺基或铵基形式的负电荷，并且另外含有烷基和/或亚烷基，但不含芳基，
f)该共聚物具有至少一个通式(1)的不带电单体单元
(1)
其中
R1 表示氢，
R2 表示氢或甲基，和
R3和Y 彼此独立地表示氢、具有至多4个C原子的直链烷基、甲氧基丙基、乙氧基乙基或甲氧基乙基，
g)如果存在多于一种带电荷的单体，则仅将相同电荷的单体单元合并，
h)带电荷的单体单元与不带电荷的单体单元的比例为1 : 99－90 : 10。
本发明优选还涉及基于其表面与共聚物共价键接的含羟基的基质载体的用于离子交换色谱的相应分离材料，并且特征在于：
a)基质载体含有脂族羟基，
b)该共聚物与该载体共价键接，
c)该共聚物含有至少两个不同的单体单元，
d)单体单元以线型方式连接，
e)该共聚物具有至少一个通式(1)的带电单体单元，其中
R1表示氢，
Y表示氢，和
R3表示R4-SO3M、R4-COO、R4-NR9R10或R4-NR9R10R11X
其中
R4表示具有2－4个C原子的直链或支链亚烷基，
R9、R10和R11彼此独立地表示氢、甲基、乙基、丙基、苯基或苄基，
M表示氢、Na、K或NH4，和
X表示Cl、Br、I或甲基硫酸根
或者该共聚物具有至少一个通式(2)的单体单元
(2)
其中
R7表示氢，
R8表示甲基，
Z表示氢、Na、K或NH4。
优选根据本发明的分离材料特征在于：
f)连接的共聚物具有至少一个通式(1)的不带电单体单元，
Figure 634071DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
R1表示氢，
R2表示氢或甲基，和
R3表示甲基、乙基、丙基、甲氧基丙基、甲氧基乙基，其中
Y表示氢，或
R3表示甲基或乙基，其中
Y表示甲基。
根据本发明的分离材料的一个特别优选的变型显著在于以下事实：
c)该共聚物由至少两个不同的单体单元构成，
e)该共聚物具有至少一个选自以下的带负电荷的单体单元：2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸、2-丙烯酰氨基乙烷磺酸、羧甲基丙烯酰胺、羧乙基丙烯酰胺、羧丙基丙烯酰胺、羧甲基甲基丙烯酰胺、羧乙基甲基丙烯酰胺、羧丙基甲基丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸，和
f)该共聚物含有至少一个选自以下的不带电的单体单元：二甲基丙烯酰胺、乙氧基乙基丙烯酰胺、甲氧基乙基丙烯酰胺和甲氧基丙基丙烯酰胺。
根据本发明所述的分离材料的另一个优选实施方案显著在于以下事实：
c)该共聚物含有至少两个不同的单体单元，
e)该共聚物具有至少一个选自以下的带正电的单体单元：2-(丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵、3-(丙烯酰基氨基丙基)­三甲基氯化铵、2-(二乙基氨基乙基)丙烯酰胺、2-(二乙基氨基乙基)­甲基丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)­丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)­甲基丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­甲基丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­甲基丙烯酰胺、2-(甲基丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵和3-(丙烯酰基氨基丙基)三甲基氯化铵，和
f)该共聚物含有至少一个选自以下的不带电的单体单元：二甲基丙烯酰胺、乙氧基乙基丙烯酰胺、甲氧基乙基丙烯酰胺和甲氧基丙基丙烯酰胺。
本发明另外涉及制备根据本发明的分离材料，优选多孔颗粒或其他模塑品的含羟基表面上的接枝共聚物的方法，其特征在于该接枝聚合物由两个或更多个重复单体单元构成，其中这些单元的至少一个带电并且这些单元的至少一个带有不带电的基团，该接枝聚合物通过化学反应与含羟基的表面连接，得到能够通过离子相互作用连接带电物质，特别是生物聚合物的材料。
发明详述
使用作为离子交换基团与载体表面连接的柔性接枝聚合物(“触手”)是已知的。因此，可商购获得的阳离子交换剂Fractogel® EMD SO3 - (M)中的接枝聚合物仅由一个具有磺酸基的重复单元构成。
专利EP 0 337 144或US 5,453,186没有给出将优选于离子交换剂合成的单体组合的信息。实施例也仅描述了与一种单体接枝聚合，直接得到离子交换剂。
特别地，研究了官能化丙烯酰胺和丙烯酸的接枝，因为由其形成的聚合物在碱性条件下对水解而言是稳定的。另外，聚(丙烯酰胺)能够形成氢键，由于水溶液中较好的溶胀能力和因此它们的亲水性，因此这是使用的主要优点。
对于制备根据本发明的分离材料，可以使用亲水性色谱载体，例如Fractogel TSK HW65 (M)或商购获得的Toyopearl HW-65 (S)。这些载体用接枝共聚物改性。
也可以使用其他色谱载体用于制备根据本发明的材料。然而，优选使用的材料具有反应基团，优选OH基，其容易接枝聚合反应。因此合适的载体材料也可例如由有机聚合物组成。这些有机聚合物可以是多糖，例如琼脂糖、右旋糖苷、淀粉、纤维素等，或者合成聚合物，例如聚(丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酰胺)、聚(丙烯酸酯)、聚(甲基丙烯酸酯)、亲水取代的聚(烷基烯丙基醚)、亲水取代的聚(烷基乙烯基醚)、聚(乙烯醇)、聚(n-乙烯基脲)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚(苯乙烯)和相应单体的共聚物。这些有机聚合物也可优选以交联的亲水性网络形式使用。这些交联的亲水聚合物还包括包含苯乙烯和二乙烯基苯的那些，如同其他疏水聚合物那样，这些可以优选以亲水形式使用。
作为选择，无机材料例如二氧化硅、氧化锆、二氧化钛、氧化铝等可以用作载体。同样，复合材料可以用作合适的载体材料，即例如可以通过例如根据本发明的方式衍生的无机颗粒或模塑品的表面衍生获得根据本发明的分离材料。其的例子是本身可以通过可磁化的颗粒或可磁化的核共聚而磁化的颗粒。
然而，优选使用对水解而言是稳定的或者只能困难地水解的亲水载体材料，因为根据本发明的材料必须在长时间使用期间在pH ≥ 13下承受碱性纯化或再生。载体可以已经带有低分子量配体。配体可以带有一个或更多个带电基团、疏水基团或者稳定形成氢键的基团。优选带有与接枝聚合物相同电荷的配体。
载体材料也可由不规则形状或球形的颗粒组成，颗粒的颗粒大小可以为2－1000 µm。优选3－300 µm的颗粒大小。
特别地，载体材料可以为非多孔或者优选多孔颗粒的形式。孔尺寸可以为2－300 nm。优选5－200 nm的孔尺寸。
同样，载体材料也可以为隔膜、纤维、中空纤维、涂料或单片模塑品的形式。单片模塑品为例如圆柱形的三维体。
对于优选的接枝聚合，使用至少一种正或负电的单体。如果使用多种带电单体，则仅具有相同电荷的单体可被混合以获得根据本发明的性能改进的分离材料。具有负电荷基团的单体可以具有例如磺酸基或羧基。
具有磺酸基的合适单体例如为式(2)的丙烯酸酯，其中Z = R4-SO3M，其中R7和R8彼此独立地可以具有氢或具有至多6个C原子的烷基，优选氢或甲基，羧基或羧甲基的含义，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基。
M是氢原子或金属阳离子，例如钠或钾或者铵阳离子。M以使得单体水溶的方式选择。
作为例子，提及磺基烷基丙烯酸酯，例如3-磺基丙基丙烯酸酯或2-磺基乙基丙烯酸酯，和磺基烷基甲基丙烯酸酯例如3-磺基丙基甲基丙烯酸酯或2-磺基乙基甲基丙烯酸酯。优选使用通式(1)的丙烯酰胺
Figure 200980129665X100002DEST_PATH_IMAGE003
(1)
其中R3 = R4-SO3M，其中R1、R2和Y彼此独立地可以具有氢或者具有至多6个C原子的烷基的含义，可以优选为氢或甲基。R1和R2同样可以彼此独立地为羧基或羧甲基。
R3也可以是R4-SO3M，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基。
M是氢原子或金属阳离子，例如钠或钾或者铵阳离子。M以使得单体水溶的方式选择。
例如这里可以提及的合适的丙烯酰胺是2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)和2-丙烯酰氨基乙烷磺酸。
具有羧基的合适单体也可以是例如通式(2)的丙烯酸酯
(2)
其中Z = R5-COOM，其中R1和R2彼此独立地可以具有氢或具有至多6个C原子的烷基，优选氢或甲基，羧基或羧甲基的含义，并且其中R5可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基。
M是氢原子或金属阳离子，例如钠或钾或者铵阳离子。M以使得单体水溶的方式选择。
例如提及羧基烷基丙烯酸酯，例如羧乙基丙烯酸酯和羧基烷基甲基丙烯酸酯。优选使用式(1)的丙烯酰胺，其中R3 = R5-COOM，其中R1、R2和Y彼此独立地具有氢或者具有至多6个C原子的烷基的含义，优选氢或甲基，R1和R2同样可以彼此独立地为羧基或羧甲基。
R3也可以是R5-COOM，并且其中R5可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基。
M是氢原子或金属阳离子，例如钠或钾或者铵阳离子。M以使得单体水溶的方式选择。
特别优选使用通式(2)的不饱和羧酸，其中Z = M，其中R7和R8彼此独立地可以具有氢或具有至多6个C原子的烷基，优选氢或甲基，羧基或羧甲基的含义。M是氢原子或金属阳离子，例如钠或钾或者铵阳离子。M以使得单体水溶的方式选择。可以例如提及马来酸、衣康酸、柠康酸、中康酸或富马酸。这些当中，特别优选式(2)的单体，其中Z = M，其中R7表示氢和R8表示氢或具有至多3个C原子的烷基。出于该目的，可以例如提及丙烯酸和甲基丙烯酸。
Figure 871334DEST_PATH_IMAGE002
(2)
具有正电荷基团的单体可以带有例如伯、仲或叔氨基，或者可以是季铵盐。具有氨基的合适单体为例如式(2)的丙烯酸酯，其中Z = R4-NR9R10，其中R7和R8彼此独立地可以具有氢或具有至多6个C原子的烷基的含义，优选氢或甲基，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基，并且其中R9和R10彼此独立地具有氢、烷基、苯基或烷基苯基的含义，例如甲基、乙基或苄基。可以例如提及氨基烷基丙烯酸酯，例如2-(二乙基氨基乙基)丙烯酸酯、2-(二甲基氨基乙基)丙烯酸酯或2-(二甲基氨基丙基)丙烯酸酯，和氨基烷基甲基丙烯酸酯，例如2-(二乙基氨基乙基)甲基丙烯酸酯、2-(二甲基氨基乙基)甲基丙烯酸酯或3-(二乙基氨基丙基)甲基丙烯酸酯。
优选使用式(1)的丙烯酰胺，其中R3 = R4- R4-NR9R10，其中R1、R2和Y彼此独立地具有氢或具有至多6个C原子的烷基的含义，优选氢或甲基，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基，并且其中R9和R10彼此独立地具有氢、烷基、苯基或烷基苯基的含义，例如甲基、乙基或苄基。这里可以例如提及的合适的丙烯酰胺是2-(二乙基氨基乙基)丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)丙烯酰胺或3-(二乙基氨基丙基)丙烯酰胺，并且这里可以例如提及的合适的甲基丙烯酰胺是2-(二乙基氨基乙基)甲基丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)甲基丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)甲基丙烯酰胺或3-(二乙基氨基丙基)甲基丙烯酰胺。
作为季铵盐的合适单体例如为通式(2)的丙烯酸酯，其中Z具有含义R4-NR9R10R11X，并且其中R7和R8彼此独立地可以具有氢或具有至多6个C原子的烷基的含义，优选氢或甲基，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基，并且其中R9、R10和R11彼此独立地具有氢、烷基、苯基或烷基苯基的含义，例如甲基、乙基或苄基。X是阴离子并且以使得单体水溶的方式选择，并且可以为例如氯离子、溴离子、碘离子或甲基硫酸根。例如提及丙烯酰氧基烷基铵盐，例如[2-(丙烯酰氧基)­乙基]三甲基氯化铵，和甲基丙烯酰氧基烷基铵盐，例如[2-(甲基丙烯酰氧基)­乙基]三甲基氯化铵。
优选使用通式(1)的丙烯酰胺，其中R3 = R4-NR9R10R11X，其中R1、R2和Y彼此独立地具有氢或具有至多6个C原子的烷基的含义，优选氢或甲基，并且其中R4可以是具有1－8个C原子的直链亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚己基，或者具有1－8个C原子的支链亚烷基，例如异亚丙基或异亚丁基，并且其中R9、R10和R11彼此独立地具有氢、烷基、苯基或烷基苯基的含义，例如甲基、乙基或苄基。X是阴离子并且以使得单体水溶的方式选择，并且可以为例如氯离子、溴离子、碘离子或甲基硫酸根。这里可以例如提及的合适的丙烯酰胺是2-(丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵和3-(丙烯酰基氨基丙基)三甲基氯化铵。这里可以例如提及的合适的甲基丙烯酰胺是2-(甲基丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵和3-(丙烯酰基氨基丙基)三甲基氯化铵。
作为另外的组分，需要至少一种优选亲水的未带电单体。适合于该目的的中性单体为例如低级烷基丙烯酸酯，例如丙烯酸甲酯，低级烷基甲基丙烯酸酯例如甲基丙烯酸甲酯。优选使用通式1的丙烯酰胺，其中Y = R6，其中R1和R2彼此独立地为氢或甲基，并且其中R3和R6彼此独立地表示氢或具有至多4个C原子的烷基。R3和/或R6因此表示氢或低级烷基。这里，后者优选具有甲基、乙基、丁基、异丙基、3-丁基或异丁基的含义，和另外具有至多4个C原子的烷氧基烷基的含义，例如甲氧基乙基或乙氧基乙基。这里可以例如提及丙烯酰胺(AAm)、二甲基丙烯酰胺、乙氧基乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲氧基乙基丙烯酰胺和甲氧基丙基丙烯酰胺。优选N-取代的酰胺，因为它们比酯和未取代的酰胺对水解而言更稳定。
实际的聚合物可以各种方式制备。在“接枝在…上”的情形中，必须首先由单体形成聚合物链并且在第二步连接在表面。在“从…接枝”的情形中，在表面引发聚合反应，并且直接由单个单体构成接枝聚合物。也可以使用允许连接到载体材料表面的其他聚合方法。
优选第二种方法并且特别优选其中仅形成少量必须分离的副产物，例如非共价键接的聚合物的变型。具有控制的自由基聚合的方法，例如原子转移自由基聚合(ATRP)方法显得特别重要。这里，在第一步中使引发剂基团以所希望的密度与载体表面共价键接。引发剂基团可以是例如通过酯官能团连接的卤化物，如2-溴-2-甲基丙酸酯中的情况。接枝聚合在第二步中在铜(I)盐的存在下进行。优选的一步接枝聚合反应可以通过铈(IV)在含羟基的载体上引发，载体不需要活化。该反应通常在稀的无机酸中进行。为了进行该接枝聚合，酸通常以具有1－0.00001 mol/l，优选0.1-0.001的浓度的水溶液使用。非常特别优选使用稀硝酸，其以0.1－0.001 mol/l的浓度使用。
对于接枝的实验系列，优选使用官能化丙烯酰胺和丙烯酸，因为由其形成的聚合物在碱性条件下对水解而言是稳定的。发现如果将合适的载体材料与下表中提及的单体接枝聚合，则获得根据本发明的性能改进的通过接枝聚合衍生的分离材料。
2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)
2-丙烯酰氨基乙烷磺酸
丙烯酸
2-(丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵
2-(二乙基氨基乙基)丙烯酰胺
二甲基丙烯酰胺
甲氧基乙基丙烯酰胺
举例来说，在合适的载体例如Fractogel TSK HW65 (M)或(S)上通过两种单体的组合制备下面的载体连接的接枝共聚物，并且研究它们作为阳离子交换剂的性能，特别是它们的连接容量：
聚(AMPS，二甲基丙烯酰胺)，
聚(AMPS，甲氧基乙基丙烯酰胺)
为了获得具有有利性能的接枝聚合物，优选将带电单体和不带电单体以这样的比例彼此混合：使得相对于单体总量，带电组分的比例为1－90mol%，优选基于单体总量，比例为3－70mol%。为了制备根据本发明的分离材料，单体通常比载体材料过量加入。使用0.05－100mol总单体/升沉积的聚合物材料，优选使用0.05－25mol/l。
发现带电和不带电的丙烯酰胺可以作为混合物接枝聚合，并且获得对应于使用的单体浓度的引入比例(表1)。
相应于含水介质中存在的各自可电离基团的pH值并且取决于含水环境的现有pH，根据本发明由带电单体和不带电单体制备的接枝聚合物在含水介质中或多或少为强电离的形式，为羧酸盐或磺酸盐基团或者质子化仲或叔氨基或者季铵基团的形式。因此，根据本发明的材料特别适用于离子交换色谱。未带电的单体单元确保了接枝聚合物上两种电荷之间的平均分离大于仅由一种带电单体单元组成的接枝聚合物中的情况。由于接枝聚合物全部与表面连接，因此它们在其上形成水凝胶，由于中性基团的存在，其相应地具有比仅由一种带电单体单元组成的水凝胶低的电荷密度。
为了评价阳离子交换剂，首先在pH 5-7范围内研究溶菌酶和多克隆的人IgG (Gammanorm)的静态连接容量。在蛋白质洗脱后通过将盐浓度增至约1 M NaCl测量连接容量。
在各种流动速率下，使得填充到柱中的阳离子交换剂在2或8 min的接触时间下装载以蛋白质而测量动态连接容量。为此，用溶于pH 5.0的包含25 mM磷酸钠和25 mM乙酸钠的缓冲液中的IgG (Gammanorm)进行装载（charging）至10%的临界点。通过在结合缓冲液的pH下将盐浓度增至约1 M NaCl进行洗脱。由洗脱液中的蛋白质浓度(280 nM)计算连接容量。相应的实验结果示于表2中。
惊奇地发现可以实现可比拟的静态连接容量，尽管较少带电的单体被提供用于接枝聚合。因此，包含AMPS和二甲基丙烯酰胺的称为08PP063的产品与产品07PP221相比甚至具有更高的溶菌酶和IgG的静态连接容量，尽管用于08PP063的AMPS的量仅为用于 07PP221的66%。
惊奇地另外发现，包含接枝共聚物的根据本发明的分离材料实现了比对比凝胶显著更高的动态连接容量。这特别适用于在装载期间在高流动速率(短接触时间)下连接大分子，例如IgG。例如，包含AMPS和甲氧基乙基丙烯酰胺的接枝共聚物07SW261，其中带电与中性单体单元的摩尔比约为1:0.9 (参见实施例)，在pH 5.0和2 min接触时间下实现比商购获得的Fractogel® EMD SO3 M高30%的连接容量。
特别地，在载体表面上方的空间中负电荷的新型排列使得相对大的带电分子能够更容易地扩散到水凝胶中。因此，在研究连接的pH 5.0，IgG带有比负电荷更多的正电荷(pH < pI)。可能地，出现接枝聚合物与IgG上的负电荷的较少的排斥相互作用。根据本发明的在多孔载体上的接枝因此使得大分子能够从载体的外表面更迅速地输送到内部孔体系，并且仍然足够牢固地连接用于离子交换色谱。
根据本发明的材料也可被描述为具有分离效应的聚合物。它们可以用于一种或更多种目标组分的选择性、部分选择性或非选择性连接或吸附，目的是从基质分离，或者用于一种或更多种次要组分的选择性、部分选择性或非选择性连接或吸附，目的是次要组分从基质分离，以及用于仅仅基于通过尺寸排除色谱的分子尺寸的物质混合物分离，而不连接或吸附一种或更多种组分，生物聚合物从天然来源中分离、富集和/或消耗，生物聚合物从重组体来源中分离、富集和/或消耗，生物聚合物从无限增殖化细胞系和其的培养上清液中分离、富集和/或消耗，生物聚合物从B-细胞系和其的衍生物、淋巴细胞和杂交瘤细胞系及其的培养上清液中分离、富集和/或消耗，蛋白质和肽的分离、富集和/或消耗，酶的分离、富集和/或消耗，单克隆和多克隆抗体以及天然形成或重组的抗体片段的分离、富集和/或消耗，磷酸化的肽/蛋白质和核酸的分离、富集和/或消耗，食品添加剂的分离、富集和/或消耗，单和多糖的分离、富集和/或消耗，糖基化蛋白质的分离、富集和/或消耗，单链或双链DNA的分离、富集和/或消耗，质体DNA的分离、富集和/或消耗，RNA的分离、富集和/或消耗，病毒的分离、富集和/或消耗，宿主细胞蛋白质的分离、富集和/或消耗，低聚和聚核苷酸的分离、富集和/或消耗，脂质体的分离、富集和/或消耗，产物从血液和牛奶中分离、富集和/或消耗，低分子量药物活性化合物(API:活性药物成分)的分离、富集和/或消耗，API从API药物载体(例如API/脂质体加合物或API/纳米颗粒加合物)上分离，对映体的分离、富集和/或消耗。
生物聚合物主要但不唯一地来源于液体源，或者存在于其中例如体液如血液、血清、唾液或尿液，有机提取物，奶，乳清，植物提取物，细胞提取物，细胞培养物，发酵肉汤，动物提取物中。抗体可以来源于例如啮齿动物的哺乳动物细胞或者杂交瘤细胞。
将目标分子从来自样品的至少一种或更多种其他物质中分离，其中将包含目标分子的样品溶于液体，使其与根据本发明的材料接触。接触时间通常为30秒－24小时。有利的是根据液相色谱的原理借助于使液体通过包含根据本发明的分离材料的色谱柱工作。液体可以仅通过其的重力穿过柱或者借助于泵而泵送通过。一种替代方法是分批色谱，其中通过搅拌或振荡使分离材料与液体混合到目标分子或生物聚合物必须能够连接于分离材料之久。同样可以根据色谱流化床原理通过将待分离的液体引入例如包含分离材料的悬浮液工作，其中由于其的高密度和/或磁性核，因此分离材料被选择为使得适用于所希望的分离。
目标分子通常与根据本发明的材料连接。随后可以将分离材料用清洗缓冲液清洗，该缓冲液优选具有与其中目标分子与分离材料接触的液体相同的离子强度和相同的pH。该清洗缓冲液除去了不连接分离材料的所有物质。之后可以是使用其他合适缓冲液的另外清洗步骤，而不解吸目标分子。通过增加洗脱液中的离子强度或者通过改变洗脱液中的pH进行所连接的目标分子的解吸。因此目标分子可以洗脱液中纯化和浓缩的形式获得。解吸后，目标分子通常具有70%－99%，优选85%－99%，特别优选90% – 99%的纯度。
然而，目标分子也可能保留在液体中，但其他附随的物质可能连接于分离材料上。然后通过收集通流中的柱洗脱液直接获得目标分子。本领域技术人员知道他应该如何修改条件，特别是pH和/或导电率，以使特定生物聚合物与分离材料连接，或者不连接目标分子的纯化任务是否有利。
根据本发明的分离材料可用于生物聚合物的加工工艺的第一色谱纯化步骤(捕集步骤)。如果捕集步骤用其他分离材料进行，则其可用于捕集步骤之后的其中一个色谱纯化步骤，以除去残余杂质。
本说明书使得本领域技术人员能够全面地应用本发明。即使没有进一步的备注，也因此假定本领域技术人员将能够利用最宽范围的上述说明。
如果不清楚的话，不用说应该参考引用的公开物和专利文献。因此，这些文献被看作本说明书的公开内容的一部分。
为了更好的理解和为了解释本发明，下面给出本发明保护范围内的实施例。这些实施例还用于解释可能的变型。
此外，对于本领域技术人员而言不用说的是，在给出的实施例以及在说明书的其余部分中，基于组合物作为整体，组合物中存在的组分量通常只合计为100重量%或mol%，并且不能超过此，即使可能从所示的百分比范围出现较高的值。除非另外说明，因此%数据是重量%或mol%，除了以体积数据表示的比例之外。
实施例和说明书以及权利要求中给出的温度始终以℃计。
实施例
包含 2- 丙烯酰氨基 -2- 甲基丙烷磺酸和 2- 甲氧基乙基丙烯酰胺的接枝共聚物 ( 批号 07SW261) 的制备步骤
在具有桨式搅拌器的玻璃反应装置中将于30ml去离子水中的4.2 g甲氧基乙胺冷却到0－5℃。通过滴液漏斗计量加入6.6 g 32%氢氧化钠溶液，并且在0－5℃的内温下伴随着剧烈搅拌从第二滴液漏斗计量加入4.8 g丙烯酰氯。当加入结束时，再在5℃下将溶液搅拌30 min并且使用65%硝酸调节至pH 6，并且用去离子水补充至180 ml总体积。
由该溶液、78 g过滤润湿的Fractogel TSK HW65 (M) (用稀无机酸和去离子水清洗)以及16.4 g 2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)和9.9 g 32%氢氧化钠溶液于30 ml去离子水中的溶液制备悬浮液。使用32%氢氧化钠溶液和65%硝酸将pH调节至6。
最初将于40 ml去离子水中包含1.6 g硝酸铵铈(IV)和0.4 g 65%硝酸的引发剂溶液引入均压的滴液漏斗。通过重复(3x)抽空和用氮气减压，使整个装置惰性。随后在装置中将悬浮液加热至40℃。
在40℃内温下伴随着搅拌将引发剂溶液加入惰性化悬浮液。在平缓的氮气流下，在40℃下搅拌悬浮液18小时。然后通过玻璃过滤器釉料(P2)伴随着抽吸将反应溶液滤掉，并且在釉料上在每一情形下用如下的100 ml洗液清洗凝胶：
3x 去离子水
8x 1M硫酸，0.2M抗坏血酸
3x 去离子水
2x 1M NaOH
3x 去离子水
使凝胶悬浮于200 ml去离子水中并且使用25%盐酸调节至pH 7。在室温下在20%乙醇中进行储存。
包含 2- 丙烯酰氨基 -2- 甲基丙烷磺酸和二甲基丙烯酰胺的接枝共聚物 ( 批号 07PP221) 的制备
在具有桨式搅拌器的玻璃反应装置中，由78 g过滤润湿的Fractogel TSK HW65 (M) (用稀无机酸和去离子水清洗)以及5.1 g二甲基丙烯酰胺、16.7 g 2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸和10.4 g 32%氢氧化钠溶液于97 ml去离子水中的溶液制备悬浮液。使用32%氢氧化钠溶液和65%硝酸将pH调节至6，并且用去离子水将混合物补充至200 ml总体积。
最初将于15 ml去离子水中包含1.6 g硝酸铵铈(IV)和0.4 g 65%硝酸的引发剂溶液引入均压的滴液漏斗。通过重复(3x)抽空和用氮气减压，使整个装置惰性。随后在装置中将悬浮液加热至40℃。
在40℃内温下伴随着搅拌将引发剂溶液加入惰性化悬浮液。在平缓的氮气流下，在40℃下搅拌悬浮液22小时。然后通过玻璃过滤器釉料(P2)伴随着抽吸将反应溶液滤掉，并且在釉料上在每一情形下用如下的100 ml洗液清洗凝胶：
7x 去离子水
10x 1M硫酸，0.2M抗坏血酸
5x 去离子水
2x 1M 氢氧化钠溶液
3x 去离子水
1x 50mM磷酸盐缓冲液pH 7
2x 去离子水
在室温下将产物储存于20%乙醇中。
包含 2- 丙烯酰氨基 -2- 甲基丙烷磺酸和二甲基丙烯酰胺的接枝共聚物 ( 批号 08PP063) 的制备
在具有桨式搅拌器的玻璃反应装置中，由100 g过滤润湿的Fractogel TSK HW65 (S) (用稀无机酸和去离子水清洗)以及8.0 g二甲基丙烯酰胺、11.1 g 2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸和6.9 g 32%氢氧化钠溶液于60 ml去离子水中的溶液制备悬浮液。使用32%氢氧化钠溶液和65%硝酸将pH调节至6.2，并且用去离子水将混合物补充至190 ml总体积。
最初将于25 ml去离子水中包含1.6 g硝酸铵铈(IV)和0.4 g 65%硝酸的引发剂溶液引入均压的滴液漏斗。通过重复(3x)抽空和用氮气减压，使整个装置惰性。随后在装置中将悬浮液加热至40℃。
在40℃内温下伴随着搅拌将引发剂溶液加入惰性化悬浮液。在平缓的氮气流下，在40℃下搅拌悬浮液22小时。然后通过玻璃过滤器釉料(P2)伴随着抽吸将反应溶液滤掉，并且在釉料上在每一情形下用如下的100 ml洗液清洗凝胶：
7x 去离子水
10x 1M硫酸，0.2M抗坏血酸
5x 去离子水
2x 1M 氢氧化钠溶液
3x 去离子水
1x 50mM磷酸盐缓冲液pH 7.0
2x 去离子水
2x 20% 乙醇/150mM NaCl
在室温下将产物储存于20%乙醇中。
接枝聚合物的化学组成的测量
可以通过酸解使官能团从接枝聚合物－聚丙烯酰胺链上分离。官能团作为胺释放。在用邻苯醛和巯基乙醇衍生后，可以通过HPLC定量分析伯胺。为了校正，使用商业的胺或者用于合成的单体然后必须如同接枝聚合物那样水解。
将1000 µl 5 M盐酸加入10 mg干凝胶，将混合物在超声浴中处理并且随后在1 ml压力容器中在125℃加热10小时。
冷却至室温后，打开压力容器。吸出约200 µl上清液并且离心分离(8000 rpm) 5 min。
使用176 µl的1 M氢氧化钠溶液将40 µl清澈上清液中和，加入325 µl的0.5 M硼酸盐缓冲液，pH 9.5，119 µl乙腈/水8:2 (V/V)并且混合。加入100 µl OPA试剂，其由100 mg邻苯醛、9 ml甲醇、1 ml 0.5 M硼酸盐缓冲液pH 9.5和100 µl巯基乙醇制备，并且将混合物剧烈振荡。在2分钟反应时间后，通过HPLC (UV 检测330 nm)分析样品。
表1: 与使用的单体量相比，07SW261接枝聚合物的分析(使用AMPS和乙醇胺校正)
单元 每克过滤润湿的凝胶使用的单体 每克干接枝凝胶的单体单元
AMPS 1.0 mmol/g 0.70 µmol/g
甲氧基乙基丙烯酰胺 0.67 mmol/g* 0.63 µmol/g
*使用丙烯酰氯。
静态 IgG 连接容量的测量 ( 微滴定板形式 )
使用于水中的20%乙醇将所有凝胶悬浮液调节至50%的凝胶沉积体积。将滤板装入连接缓冲液并且在每一情形下装入20 µl均匀的凝胶悬浮液。然后在真空站将滤板吸干。
将深井板装填连接缓冲液，加入蛋白质储液(多克隆的人IgG Gammanorm，Octapharma，或者水中的溶菌酶)并且混合，使得浓度为9.3 mg pIgG/ml或12.5 mg溶菌酶/ml。
将200 µl蛋白质溶液加入滤板中的凝胶，并且在振荡器中振荡15 min。在真空站将滤板吸干。每次用100 µl 连接缓冲液清洗并且进行吸干两次。然后在每一情形将200 µl洗脱缓冲液(20 mM磷酸盐、1 M氯化钠，pH 7)加入滤板，并且进行振荡5 min。在真空站将上清液吸入UV板，并且在光度计中在280 nm测量该板。
由洗脱液计算的每ml凝胶沉积体积的IgG连接容量(IgG SBC)列于表2中。使用的连接缓冲液对于pIgG为25 mM磷酸钠、25 mM 乙酸钠，pH 5和对于溶菌酶为25 mM磷酸钠、25 mM 乙酸钠，pH 7。
动态 IgG 连接容量的测量
填充具有1 ml容量的柱(具有19 mm的床宽和20% 压缩率的Proteo-Cart柱)。向柱装入于缓冲液A中具有1g/l含量的IgG溶液(由多克隆的人IgG Gammanorm，Octapharma制备)至10%的临界点。流动速率选择为使得柱上的接触时间为2或8 min。用缓冲液A冲洗后，用缓冲液B洗脱柱。
缓冲液A: 25 mM磷酸钠、25 mM 乙酸钠，pH 5.0
缓冲液B: 25 mM磷酸钠、25 mM 乙酸钠、1 M NaCl，pH 5.0
由光度计(280 nm)测量的洗脱液中蛋白质量计算多克隆的人IgG的动态连接容量(DBC)，并且以每ml填充的凝胶表示(表2)。
表 2: 以mg蛋白质/ml沉积或填充的凝胶计的在pH 5.0下多克隆的人IgG (Gammanorm)的静态和动态连接容量(SBC和DBC)。
批号 溶菌酶 SBC IgG SBC IgG DBC1 IgG DBC2
Fractogel EMD SO3 M 104 124 70 131
07SW261 110 121 91 139
07PP221 86 126 82 138
08PP063 119 130 157 164
1 接触时间2 min
2 接触时间8 min。

Claims (6)

1.用于离子交换色谱的分离材料，其包括交联合成聚合物或交联琼脂糖或交联右旋糖苷，或者包含具有有机涂层的无机载体的复合材料作为载体材料，该载体材料的表面与共聚物共价键接，特征在于：
a)基质载体含有脂族羟基，
b)该共聚物与该载体共价键接，
c)该共聚物含有至少两个不同的单体单元，
d)该单体单元以线型方式连接，
e)该共聚物具有至少一个单体单元，该单体单元带有磺酸、羧酸形式或者胺基或铵基形式的电荷，并且含有烷基和/或亚烷基和任选的酰胺基，但不含芳基，
f)该共聚物具有至少一个通式(1)的不带电单体单元
Figure 200980129665X100001DEST_PATH_IMAGE001
(1)
其中
R1 表示氢，
R2 表示氢或甲基，和
R3和Y彼此独立地表示氢、具有至多4个C原子的直链烷基、甲氧基丙基、乙氧基乙基或甲氧基乙基，
g)如果存在多于一种带电荷的单体，则仅将相同电荷的单体单元合并，
h)带电荷的单体单元与不带电荷的单体单元的比例为1 : 99－90 : 10。
2.根据权利要求1的用于离子交换色谱的分离材料，特征在于
e)该共聚物具有至少一个具有通式(1)的带电单体单元，其中
R1表示氢，
Y表示氢，和
R3表示R4-SO3M、R4-COO、R4-NR9R10或R4-NR9R10R11X
其中
R4表示具有2－4个C原子的直链或支链亚烷基，
R9、R10和R11彼此独立地表示氢、甲基、乙基、丙基、苯基或苄基，
M表示氢、Na、K或NH4，和
X表示Cl、Br、I或甲基硫酸根
或者该共聚物具有至少一个通式(2)的单体单元
(2)
其中
R7 表示氢，
R8表示甲基，
Z表示氢、Na、K或NH4。
3.根据权利要求1的用于离子交换色谱的分离材料，特征在于
f)该共聚物具有至少一个通式(1)的不带电单体单元，其中
R1表示氢，
R2表示氢或甲基，和
R3表示甲基、乙基、丙基、甲氧基丙基、甲氧基乙基，其中
Y表示氢，或
R3表示甲基或乙基，其中
Y表示甲基。
4.根据权利要求1－3的一项或多项的分离材料，特征在于
e)该共聚物具有至少一个选自以下的带负电荷的单体单元：2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸、2-丙烯酰氨基乙烷磺酸、羧甲基丙烯酰胺、羧乙基丙烯酰胺、羧丙基丙烯酰胺、羧甲基甲基丙烯酰胺、羧乙基甲基丙烯酰胺、羧丙基甲基丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸，和
f)该共聚物含有至少一个选自以下的不带电的单体单元：二甲基丙烯酰胺、乙氧基乙基丙烯酰胺、甲氧基乙基丙烯酰胺和甲氧基丙基丙烯酰胺。
5.根据权利要求1－4的一项或多项的分离材料，特征在于
e)该共聚物具有至少一个选自以下的带正电的单体单元：2-(丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵、3-(丙烯酰基氨基丙基)­三甲基氯化铵、2-(二乙基氨基乙基)丙烯酰胺、2-(二乙基氨基乙基)­甲基丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)­丙烯酰胺、2-(二甲基氨基乙基)­甲基丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­甲基丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­丙烯酰胺、3-(二乙基氨基丙基)­甲基丙烯酰胺、2-(甲基丙烯酰基氨基乙基)三甲基氯化铵和3-(丙烯酰基氨基丙基)三甲基氯化铵，和
f)该共聚物含有至少一个选自以下的不带电的单体单元：二甲基丙烯酰胺、乙氧基乙基丙烯酰胺、甲氧基乙基丙烯酰胺和甲氧基丙基丙烯酰胺。
6.制备多孔颗粒或其他模塑品的含羟基表面上的接枝共聚物的方法，特征在于该接枝聚合物由两个或更多个重复单体单元构成，其中这些单元的至少一个带电并且这些单元的至少一个带有不带电的基团，该基团带有单或二烷基和/或烷氧基乙基或烷氧基丙基取代的酰胺基，该接枝聚合物通过化学反应与含羟基的表面连接，得到能够通过离子相互作用连接带电物质，特别是生物聚合物的材料。
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