JP2000061275A - ゲート機能膜とその使用方法 - Google Patents
ゲート機能膜とその使用方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】分子認識によって溶液の環境変化に対し分子認
識による応答性を有し、溶質の選択透過性及び濃度制御
機能を有する高度なゲート機能膜とその使用方法を提供
する。 【解決手段】細孔５に固定化したゲル４中に、特定の溶
質Ｋ＋を濃度変化により捕捉するレセプター部１を有す
る。レセプター部１による溶質Ｋ＋の吸脱着により、ゲ
ル４が膨潤収縮して細孔５が開閉する。このため、溶質
Ｋ＋の濃度変化に対し分子認識によって応答でき、溶質
選択性及び濃度制御機能を有する。
識による応答性を有し、溶質の選択透過性及び濃度制御
機能を有する高度なゲート機能膜とその使用方法を提供
する。 【解決手段】細孔５に固定化したゲル４中に、特定の溶
質Ｋ＋を濃度変化により捕捉するレセプター部１を有す
る。レセプター部１による溶質Ｋ＋の吸脱着により、ゲ
ル４が膨潤収縮して細孔５が開閉する。このため、溶質
Ｋ＋の濃度変化に対し分子認識によって応答でき、溶質
選択性及び濃度制御機能を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、細孔にゲルを固定
したゲート機能膜に関わり、特に特定溶質を分子認識し
て細孔の開閉制御を行う新規なゲート機能膜とその使用
方法に関する。
したゲート機能膜に関わり、特に特定溶質を分子認識し
て細孔の開閉制御を行う新規なゲート機能膜とその使用
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、溶液中の生理活性成分や界面活性
成分等を選択的に分離する機能膜が知られている。この
種の機能膜にあっては種々の構造のものがあるが、例え
ば吸脱着剤を用いて分離を行うものがある。これは、多
孔質膜基材の孔表面に吸脱着化合物を固定し、分子サイ
ズや電荷によって溶質を吸脱着するものである。
成分等を選択的に分離する機能膜が知られている。この
種の機能膜にあっては種々の構造のものがあるが、例え
ば吸脱着剤を用いて分離を行うものがある。これは、多
孔質膜基材の孔表面に吸脱着化合物を固定し、分子サイ
ズや電荷によって溶質を吸脱着するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の膜分
離法では、分子サイズや電荷により溶質の分離を行って
いる。しかし最近では、分子サイズや電荷による分離機
能に加え、さらに溶液の環境変化に敏感に応答できる、
より高度な機能膜の開発が要請されている。例えば、省
エネルギーシステムや人工臓器などへの膜の適用を考え
たばあい、単なる分離機能に加えて、生体膜のように分
子認識による溶質の選択透過性や濃度制御などのセンシ
ング機能を兼ね備えたものが望まれる。本発明者は上記
の現状に鑑み、特定溶質を分子認識して濃度変化に応答
できるゲート機能膜を鋭意開発したもので、細孔に固定
化したゲル中に、溶質分子を特異的に受容するレセプタ
ー部を設けることで、ゲルの相変化により細孔を開閉す
ることを見出し、本発明を完成したものである。即ち本
発明は、分子認識機能と濃度応答性をあわせもった「分
子認識応答タイプのゲート機能膜」の新概念を提案する
ものである。
離法では、分子サイズや電荷により溶質の分離を行って
いる。しかし最近では、分子サイズや電荷による分離機
能に加え、さらに溶液の環境変化に敏感に応答できる、
より高度な機能膜の開発が要請されている。例えば、省
エネルギーシステムや人工臓器などへの膜の適用を考え
たばあい、単なる分離機能に加えて、生体膜のように分
子認識による溶質の選択透過性や濃度制御などのセンシ
ング機能を兼ね備えたものが望まれる。本発明者は上記
の現状に鑑み、特定溶質を分子認識して濃度変化に応答
できるゲート機能膜を鋭意開発したもので、細孔に固定
化したゲル中に、溶質分子を特異的に受容するレセプタ
ー部を設けることで、ゲルの相変化により細孔を開閉す
ることを見出し、本発明を完成したものである。即ち本
発明は、分子認識機能と濃度応答性をあわせもった「分
子認識応答タイプのゲート機能膜」の新概念を提案する
ものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、多孔質膜基材
の細孔にゲルを固定化すると共に、このゲルに、特定溶
質をその濃度変化により捕捉するレセプター部を有し、
この捕捉作用に伴うゲルの膨潤収縮により、細孔の開閉
を行うことを特徴とするゲート機能膜であって、このゲ
ート機能膜は単体として使用されるだけでなく、アフィ
ニィー膜，逆浸透膜，ナノ濾過膜，限外濾過膜，精密濾
過膜および浸透気化膜のうちの少なくとも１つと組み合
わせて使用できる。上記ゲルおよびレセプター部として
は、環境変化すなわち特定溶質の濃度変化に応答するゲ
ルポリマーを用い、このゲルポリマーを、多孔質膜基材
の細孔中又は膜表面に担持させることができる。尚、ゲ
ル及びレセプター部は、ホモ重合体又は共重合体より製
造できる。この重合体は、例えば、レセプター機能を持
つ感温性のモノマーより合成される。
の細孔にゲルを固定化すると共に、このゲルに、特定溶
質をその濃度変化により捕捉するレセプター部を有し、
この捕捉作用に伴うゲルの膨潤収縮により、細孔の開閉
を行うことを特徴とするゲート機能膜であって、このゲ
ート機能膜は単体として使用されるだけでなく、アフィ
ニィー膜，逆浸透膜，ナノ濾過膜，限外濾過膜，精密濾
過膜および浸透気化膜のうちの少なくとも１つと組み合
わせて使用できる。上記ゲルおよびレセプター部として
は、環境変化すなわち特定溶質の濃度変化に応答するゲ
ルポリマーを用い、このゲルポリマーを、多孔質膜基材
の細孔中又は膜表面に担持させることができる。尚、ゲ
ル及びレセプター部は、ホモ重合体又は共重合体より製
造できる。この重合体は、例えば、レセプター機能を持
つ感温性のモノマーより合成される。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明は、例えば特定溶質がＫ＋
であるケースを考えると、このＫ＋を特異的に認識し、
Ｋ＋濃度に応答する膜である。膜は、図１（ａ）に示す
ように、レセプター部１により特定溶質のＫ＋２を特異
的に分子認識し、膜３のバルク側のＫ＋２濃度が一定値
より高くなると、ゲル（例えば感温性グラフト鎖）４が
急激に膨潤し、細孔５を閉じてＫ＋２の溶出しを阻止す
る。このとき他のイオンの濃度変化による影響はうけな
い。逆に、バルク中のＫ＋２の濃度が一定値よりも低く
なると、図１（ｂ）に示すように、ゲル４が急激に収縮
して細孔５を開き、Ｋ＋２以外のＮａ＋６などを含んだ
溶液を透過させる。この分子認識タイプのゲート効果に
より、バルク中のＫ＋濃度の制御およびＫ＋の溶出防止
が可能になる。
であるケースを考えると、このＫ＋を特異的に認識し、
Ｋ＋濃度に応答する膜である。膜は、図１（ａ）に示す
ように、レセプター部１により特定溶質のＫ＋２を特異
的に分子認識し、膜３のバルク側のＫ＋２濃度が一定値
より高くなると、ゲル（例えば感温性グラフト鎖）４が
急激に膨潤し、細孔５を閉じてＫ＋２の溶出しを阻止す
る。このとき他のイオンの濃度変化による影響はうけな
い。逆に、バルク中のＫ＋２の濃度が一定値よりも低く
なると、図１（ｂ）に示すように、ゲル４が急激に収縮
して細孔５を開き、Ｋ＋２以外のＮａ＋６などを含んだ
溶液を透過させる。この分子認識タイプのゲート効果に
より、バルク中のＫ＋濃度の制御およびＫ＋の溶出防止
が可能になる。
【０００６】多孔質膜基材としては、ポリエチレン、ポ
リスチレン、ポリプロピレン、ポリシクロキサン、ポリ
カーボナート等があり、膜モジュールとしては、平膜
型、プリーツ型、管型、スパイラル型、中空糸型があ
る。この膜基材は、その表面の一部または全部に細孔を
有する。ここに、細孔の孔径の大きさは、通過物質の粒
径に比べて大きすぎると、孔開閉遅れ等が生ずるので、
概ね１０μｍ以下がよい。細孔中やその付近の膜表面に
はゲルが固定化され、その一応用例では、環境変化に応
答可能なポリマーを担持することができる。ゲル化合物
としては、例えばＮ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ
−エチルアクリルアミド、Ｎ−アクリルピロリジン等の
アクリルアミド系と、クラウンエーテルやシクロデキス
トリン等の機能性官能基を含むモノマーとを共重合させ
れば、強い結合安定性を有する。又、ゲル中のレセプタ
ー部は、特定溶質の受容認識、情報応答を行うもので、
Ｋ＋，Ｂａ２＋，Ｐｂ２＋，４級アンモニウム塩等のあ
る濃度を境にして、可逆的な吸脱着性を示す。つまり、
外部環境の濃度変化に応じて特定溶質を取り込む。
リスチレン、ポリプロピレン、ポリシクロキサン、ポリ
カーボナート等があり、膜モジュールとしては、平膜
型、プリーツ型、管型、スパイラル型、中空糸型があ
る。この膜基材は、その表面の一部または全部に細孔を
有する。ここに、細孔の孔径の大きさは、通過物質の粒
径に比べて大きすぎると、孔開閉遅れ等が生ずるので、
概ね１０μｍ以下がよい。細孔中やその付近の膜表面に
はゲルが固定化され、その一応用例では、環境変化に応
答可能なポリマーを担持することができる。ゲル化合物
としては、例えばＮ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ
−エチルアクリルアミド、Ｎ−アクリルピロリジン等の
アクリルアミド系と、クラウンエーテルやシクロデキス
トリン等の機能性官能基を含むモノマーとを共重合させ
れば、強い結合安定性を有する。又、ゲル中のレセプタ
ー部は、特定溶質の受容認識、情報応答を行うもので、
Ｋ＋，Ｂａ２＋，Ｐｂ２＋，４級アンモニウム塩等のあ
る濃度を境にして、可逆的な吸脱着性を示す。つまり、
外部環境の濃度変化に応じて特定溶質を取り込む。
【０００７】本発明は、レセプター部による特定溶質の
取り込みによって、ゲルに相転移が起こる。そのため、
ゲル体積の膨潤収縮が可逆的に変化し、細孔の開閉が行
われる。従って、膜は分子認識による溶質透過の選択性
をもち、特定溶質を含む溶液を膜に透過させておけば、
透過溶液に対してゲート機能を有する。つまり、特定溶
質の濃度変化に応答する、環境変化応答タイプのゲート
機能膜となる。従って、例えば体液，薬液，界面活性
液，洗浄液等を分離・精製するときに用いて好適とな
る。上記細孔の開閉に伴うフラックスの変化について
は、開孔時は閉孔時の５倍以上が好ましい。５倍以下だ
と、ゲート機能膜として要求される透過量制御機能を満
足しないからである。ここにフラックスとは、一定温度
下での単位膜面積、単位時間あたりの透過量をいう。
取り込みによって、ゲルに相転移が起こる。そのため、
ゲル体積の膨潤収縮が可逆的に変化し、細孔の開閉が行
われる。従って、膜は分子認識による溶質透過の選択性
をもち、特定溶質を含む溶液を膜に透過させておけば、
透過溶液に対してゲート機能を有する。つまり、特定溶
質の濃度変化に応答する、環境変化応答タイプのゲート
機能膜となる。従って、例えば体液，薬液，界面活性
液，洗浄液等を分離・精製するときに用いて好適とな
る。上記細孔の開閉に伴うフラックスの変化について
は、開孔時は閉孔時の５倍以上が好ましい。５倍以下だ
と、ゲート機能膜として要求される透過量制御機能を満
足しないからである。ここにフラックスとは、一定温度
下での単位膜面積、単位時間あたりの透過量をいう。
【０００８】
【実施例】以下に、本発明の実施例を説明する。本例で
は、ポリエチレン製の多孔質膜基材の細孔中に、化１に
示すＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲルポリマーを固定化
し、クラウンエーテルの一種である１８−Ｃｒｏｗｎ−
６をレセプター部とした。
は、ポリエチレン製の多孔質膜基材の細孔中に、化１に
示すＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲルポリマーを固定化
し、クラウンエーテルの一種である１８−Ｃｒｏｗｎ−
６をレセプター部とした。
【０００９】
【化１】
【００１０】Ｎ−イソプロピルアミドＮＩＰＡＮ（Ｎ−
ｉｓｏｐｙｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）ゲルポリ
マーは、温度変化を与えると相転移温度（ＬＣＳＴ）３
２℃を境にして親疎水性のバランスを崩し、大量の自由
水を吸収放出して可逆的に膨潤収縮する。一方、ＢＣＡ
ｍ（Ｂｅｎｚｏ−１８−Ｃｒｏｗｎ−６−ａｃｒｙｌａ
ｍｉｄｅ）ゲルポリマー中のクラウンエーテル１８−Ｃ
ｒｏｗｎ−６は、Ｋ＋等の特定溶質が結合する空洞を中
心に有し、特定溶質が濃度変化により選択的に捕捉され
る。本例のゲルポリマー膜は、特定イオンに対して応答
可能としたもので、通常のゲルと同様の原理によるグラ
フト鎖の膨潤収縮を行う。膜の製造では、孔径０．３〜
０．５μｍ、厚さ１１０μｍのポリエチレン製の多孔質
膜基材（旭化成（株）製、商品名Ｈ−２１００）を用い
た。又、ゲルポリマーの製造では、まず化２に示す手順
でＢＣＡｍモノマーを合成し、１Ｈ−ＮＭＲでその合成
確認を行った。
ｉｓｏｐｙｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ）ゲルポリ
マーは、温度変化を与えると相転移温度（ＬＣＳＴ）３
２℃を境にして親疎水性のバランスを崩し、大量の自由
水を吸収放出して可逆的に膨潤収縮する。一方、ＢＣＡ
ｍ（Ｂｅｎｚｏ−１８−Ｃｒｏｗｎ−６−ａｃｒｙｌａ
ｍｉｄｅ）ゲルポリマー中のクラウンエーテル１８−Ｃ
ｒｏｗｎ−６は、Ｋ＋等の特定溶質が結合する空洞を中
心に有し、特定溶質が濃度変化により選択的に捕捉され
る。本例のゲルポリマー膜は、特定イオンに対して応答
可能としたもので、通常のゲルと同様の原理によるグラ
フト鎖の膨潤収縮を行う。膜の製造では、孔径０．３〜
０．５μｍ、厚さ１１０μｍのポリエチレン製の多孔質
膜基材（旭化成（株）製、商品名Ｈ−２１００）を用い
た。又、ゲルポリマーの製造では、まず化２に示す手順
でＢＣＡｍモノマーを合成し、１Ｈ−ＮＭＲでその合成
確認を行った。
【００１１】
【化２】
【００１２】次に、このＢＣＡｍモノマーとＮ−イソプ
ロピルアミドモノマーとを、プラズマグラフト重合（プ
ラズマ照射１０Ｗ×６０ｓ）させることで、組成割合の
異なる膜を複数種類作成した。作成した膜は、重量変化
とＩＲ．Ｒａｍａｎ測定、元素分析によって評価した。
この時のプラズマグラフト重合法として、次の二つの方
法を用いた。まず重合法Ａでは、膜基材にプラズマ照射
した直後、ＢＣＡｍモノマー溶液を導入して６０℃で重
合を開始させた。また重合法Ｂでは、膜基材にプラズマ
照射した直後、大気中に数分間さらしてラジカルと酸素
を反応させ、パーオキサイド基に変換した後、膜基材に
ＢＣＡｍモノマー溶液を導入し、８５〜９０℃に加熱し
てパーオキサイド基を開裂させて重合を開始させた。
ロピルアミドモノマーとを、プラズマグラフト重合（プ
ラズマ照射１０Ｗ×６０ｓ）させることで、組成割合の
異なる膜を複数種類作成した。作成した膜は、重量変化
とＩＲ．Ｒａｍａｎ測定、元素分析によって評価した。
この時のプラズマグラフト重合法として、次の二つの方
法を用いた。まず重合法Ａでは、膜基材にプラズマ照射
した直後、ＢＣＡｍモノマー溶液を導入して６０℃で重
合を開始させた。また重合法Ｂでは、膜基材にプラズマ
照射した直後、大気中に数分間さらしてラジカルと酸素
を反応させ、パーオキサイド基に変換した後、膜基材に
ＢＣＡｍモノマー溶液を導入し、８５〜９０℃に加熱し
てパーオキサイド基を開裂させて重合を開始させた。
【００１３】上記のゲルポリマー膜に対して、循環型の
透過実験装置を用いて溶液を透過させた。図２に示すよ
うに、透過実験装置１１は、スターラー付きバルク１２
と、バルク１２内の透過溶液をゲルポリマー膜１３に供
給するポンプ１４と、バルク１２とゲルポリマー膜１３
間に設けた切替弁１５、圧力計１６及び温度計１７から
概略構成されている。ここでは透過溶液（陰イオンは基
本的にはＣｌ−）として、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ
２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｐｂ２＋の単成分あるいは
多成分混合水溶液を用いた。流量は５００ｍｌ／ｍｉ
ｎ、操作圧力は０．３〜０．５Ｋｇｆ／ｃｍ２とし、バ
ルクの中は乱流で、ゲルポリマー膜１３付近の溶液濃度
はバルクと同じと仮定した。ゲルポリマー膜１３として
４種類の膜を用いた。その内訳は、ＮＩＰＡＮのみを重
合させた１種類の膜と、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマーの共重合組成の異なる３種類の膜であった。
透過実験の条件設定は、実験１，２の二通りとした。実
験１では、イオン濃度を一定にし、温度を変化させた。
一方、実験２では温度を一定にし、イオン濃度が異なる
溶液を交互に透過させた。尚、透過流束の粘度補正は２
０℃の水の粘度を基準に行った。
透過実験装置を用いて溶液を透過させた。図２に示すよ
うに、透過実験装置１１は、スターラー付きバルク１２
と、バルク１２内の透過溶液をゲルポリマー膜１３に供
給するポンプ１４と、バルク１２とゲルポリマー膜１３
間に設けた切替弁１５、圧力計１６及び温度計１７から
概略構成されている。ここでは透過溶液（陰イオンは基
本的にはＣｌ−）として、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ
２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋、Ｐｂ２＋の単成分あるいは
多成分混合水溶液を用いた。流量は５００ｍｌ／ｍｉ
ｎ、操作圧力は０．３〜０．５Ｋｇｆ／ｃｍ２とし、バ
ルクの中は乱流で、ゲルポリマー膜１３付近の溶液濃度
はバルクと同じと仮定した。ゲルポリマー膜１３として
４種類の膜を用いた。その内訳は、ＮＩＰＡＮのみを重
合させた１種類の膜と、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマーの共重合組成の異なる３種類の膜であった。
透過実験の条件設定は、実験１，２の二通りとした。実
験１では、イオン濃度を一定にし、温度を変化させた。
一方、実験２では温度を一定にし、イオン濃度が異なる
溶液を交互に透過させた。尚、透過流束の粘度補正は２
０℃の水の粘度を基準に行った。
【００１４】次に、上記の製膜法および膜構造について
評価する。重合速度については重合法ＡもＢも共に、Ｂ
ＣＡｍモノマーの添加によって重合速度が急激に低下し
た。しかし、ＢＣＡｍモノマー溶液の組成とグラフト鎖
の共重合組成の関係については、重合法ＡとＢでは異な
った。また、重合法Ａでは水溶液中でのみ重合して溶媒
依存性を示したのに対し、重合法Ｂでは溶媒依存性を示
さなかった。このように、重合法ＡとＢでは重合機構が
明らかに異なるが、本例のゲルポリマー膜１３の製法と
しては、重合法Ａよりも重合法Ｂの方がより適切であ
る。尚、透過実験で用いたゲルポリマー膜１３の断面を
顕微ＩＲで測定したところ、図３に示すように、重合量
・共重合組成分布ともに断面方向において均一であっ
た。一方、塩濃度によるＮＩＰＡＮゲルポリマー膜への
影響について評価したところ、ＮＩＰＡＮグラフトゲル
は、純水中において相転移温度３２℃で体積が急激に収
縮し、フラックスが急激に低下した。これに対し、水溶
液の塩濃度が上昇すると、図４に示すように、相転移温
度は塩の種類に依らず、純水のときに比べ低温側にシフ
トし、これは通常の架橋ゲルの性質と一致した。
評価する。重合速度については重合法ＡもＢも共に、Ｂ
ＣＡｍモノマーの添加によって重合速度が急激に低下し
た。しかし、ＢＣＡｍモノマー溶液の組成とグラフト鎖
の共重合組成の関係については、重合法ＡとＢでは異な
った。また、重合法Ａでは水溶液中でのみ重合して溶媒
依存性を示したのに対し、重合法Ｂでは溶媒依存性を示
さなかった。このように、重合法ＡとＢでは重合機構が
明らかに異なるが、本例のゲルポリマー膜１３の製法と
しては、重合法Ａよりも重合法Ｂの方がより適切であ
る。尚、透過実験で用いたゲルポリマー膜１３の断面を
顕微ＩＲで測定したところ、図３に示すように、重合量
・共重合組成分布ともに断面方向において均一であっ
た。一方、塩濃度によるＮＩＰＡＮゲルポリマー膜への
影響について評価したところ、ＮＩＰＡＮグラフトゲル
は、純水中において相転移温度３２℃で体積が急激に収
縮し、フラックスが急激に低下した。これに対し、水溶
液の塩濃度が上昇すると、図４に示すように、相転移温
度は塩の種類に依らず、純水のときに比べ低温側にシフ
トし、これは通常の架橋ゲルの性質と一致した。
【００１５】ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲルポリマー
膜について、透過実験１，２の結果は次の通りであっ
た。まず実験１では、ＢＣＡｍモノマーの共重合比率が
小さいときは、ＮＩＰＡＮのみのゲルポリマー膜の挙動
とほとんど同じであった。しかし、ＢＣＡｍモノマーの
共重合比率が一番高いゲルポリマー膜では、図５に示す
ように、純水中での相転移温度は、ＮＩＰＡＮのみのゲ
ルポリマー膜に比べ、上昇して連続転移になった。これ
は親水性のＢＣＡｍモノマーが共重合されたためであ
る。さらに、さまざまな塩を添加した時の相転移温度
は、純水中での相転移温度に比べ、高温側にシフトし
た。このシフトの大きさは、塩の陽イオンの種類によっ
て大きく変わった。たとえば表１に示すように、クラウ
ンエーテルに対する配位定数が大きなＢａ２＋、Ｋ＋、
Ｐｂ２＋などでは、低濃度でも相転移温度が大きくシフ
トした。しかし、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋などでは純
水のみの時と変わらず、濃度を上げると逆に低温側にシ
フトした。これらの結果から、クラウンエーテルによる
分子認識作用によって、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマー膜のゲート挙動が変化していることが確認さ
れた。
膜について、透過実験１，２の結果は次の通りであっ
た。まず実験１では、ＢＣＡｍモノマーの共重合比率が
小さいときは、ＮＩＰＡＮのみのゲルポリマー膜の挙動
とほとんど同じであった。しかし、ＢＣＡｍモノマーの
共重合比率が一番高いゲルポリマー膜では、図５に示す
ように、純水中での相転移温度は、ＮＩＰＡＮのみのゲ
ルポリマー膜に比べ、上昇して連続転移になった。これ
は親水性のＢＣＡｍモノマーが共重合されたためであ
る。さらに、さまざまな塩を添加した時の相転移温度
は、純水中での相転移温度に比べ、高温側にシフトし
た。このシフトの大きさは、塩の陽イオンの種類によっ
て大きく変わった。たとえば表１に示すように、クラウ
ンエーテルに対する配位定数が大きなＢａ２＋、Ｋ＋、
Ｐｂ２＋などでは、低濃度でも相転移温度が大きくシフ
トした。しかし、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｃａ２＋などでは純
水のみの時と変わらず、濃度を上げると逆に低温側にシ
フトした。これらの結果から、クラウンエーテルによる
分子認識作用によって、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマー膜のゲート挙動が変化していることが確認さ
れた。
【００１６】
【表１】
【００１７】次に実験２では、一定温度３８℃付近の条
件下、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲルポリマー膜に、
Ｂａ２＋０．０１〔Ｍ〕／Ｃａ２＋０．１〔Ｍ〕混合溶
液と、Ｃａ２＋０．１〔Ｍ〕溶液を交互に透過させた。
その結果は図６に示すように、Ｃａ２＋溶液では、Ｃａ
２＋がクラウンエーテルと錯体を形成しないため、溶液
中にＣａ２＋が大量に混合していても、ゲートの応答性
には関与しなかった。一方、Ｂａ２＋混合溶液では、Ｂ
ａ２＋がクラウンエーテルと錯体を形成するため、溶液
中にＢａ２＋が微量に混合しているだけでも、ゲートの
応答性が高く細孔が迅速に開閉した。その時の応答速度
は非常に早く、１分以内にほぼ全ての細孔が開閉応答し
て、３分後には定常状態になった。この場合、細孔の開
閉に伴うフラックスの変化量は、開孔時のフラックス量
が閉孔時のフラックス量の実際には約１００倍以上であ
り十分満足する結果が得られた。
件下、ＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲルポリマー膜に、
Ｂａ２＋０．０１〔Ｍ〕／Ｃａ２＋０．１〔Ｍ〕混合溶
液と、Ｃａ２＋０．１〔Ｍ〕溶液を交互に透過させた。
その結果は図６に示すように、Ｃａ２＋溶液では、Ｃａ
２＋がクラウンエーテルと錯体を形成しないため、溶液
中にＣａ２＋が大量に混合していても、ゲートの応答性
には関与しなかった。一方、Ｂａ２＋混合溶液では、Ｂ
ａ２＋がクラウンエーテルと錯体を形成するため、溶液
中にＢａ２＋が微量に混合しているだけでも、ゲートの
応答性が高く細孔が迅速に開閉した。その時の応答速度
は非常に早く、１分以内にほぼ全ての細孔が開閉応答し
て、３分後には定常状態になった。この場合、細孔の開
閉に伴うフラックスの変化量は、開孔時のフラックス量
が閉孔時のフラックス量の実際には約１００倍以上であ
り十分満足する結果が得られた。
【００１８】以上のように、本例のゲルポリマー膜は、
ＢＣＡｍ（クラウンエーテルモノマー）と、ＮＩＰＡＮ
（感温性モノマー）とをグラフト重合させたものである
が、各種の陽イオンに対して分子認識の応答性を示すこ
とが確認された。とくにＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマーは、Ｋ＋に対する分子認識の濃度応答性が高
く、図７に示す膨潤収縮挙動を示した。例えば、ＢＣＡ
ｍゲルポリマー中のクラウンエーテル環がＫ＋を配位し
ていない脱着時は、相転移温度Ｔ１の状態Ａをとるが、
クラウンエーテル環がＫ＋を配位している吸着時は、ク
ラウンエーテル環のコンフォメーションが変化し、親疎
水性のバランスが変化するので、相転移温度Ｔ２の状態
Ｂになる。従って、一定温度Ｔｃを保ってＫ＋イオンの
濃度を０から一定値まで変化させると、状態Ａから状態
Ｂにジャンプし、ＮＩＰＡＮグラフトゲルがＫ＋濃度に
応答して膨潤収縮する。即ち、親疎水性のバランスの変
化は、温度変化によるものではなく、Ｋ＋の配位による
クラウンエーテル環のコンフォメーションの変化によっ
て誘起され、ゲルの膨潤収縮がひきおこされる。
ＢＣＡｍ（クラウンエーテルモノマー）と、ＮＩＰＡＮ
（感温性モノマー）とをグラフト重合させたものである
が、各種の陽イオンに対して分子認識の応答性を示すこ
とが確認された。とくにＮＩＰＡＮ−ｃｏ−ＢＣＡｍゲ
ルポリマーは、Ｋ＋に対する分子認識の濃度応答性が高
く、図７に示す膨潤収縮挙動を示した。例えば、ＢＣＡ
ｍゲルポリマー中のクラウンエーテル環がＫ＋を配位し
ていない脱着時は、相転移温度Ｔ１の状態Ａをとるが、
クラウンエーテル環がＫ＋を配位している吸着時は、ク
ラウンエーテル環のコンフォメーションが変化し、親疎
水性のバランスが変化するので、相転移温度Ｔ２の状態
Ｂになる。従って、一定温度Ｔｃを保ってＫ＋イオンの
濃度を０から一定値まで変化させると、状態Ａから状態
Ｂにジャンプし、ＮＩＰＡＮグラフトゲルがＫ＋濃度に
応答して膨潤収縮する。即ち、親疎水性のバランスの変
化は、温度変化によるものではなく、Ｋ＋の配位による
クラウンエーテル環のコンフォメーションの変化によっ
て誘起され、ゲルの膨潤収縮がひきおこされる。
【００１９】このように、レセプター部であるクラウン
エーテルによるＫ＋の捕捉作用により、ＮＩＰＡＮ−ｃ
ｏ−ＢＣＡｍゲルポリマーの相状態に変化を起こし、立
体的構造の膨潤収縮で細孔が開閉する。つまり、細孔の
開閉は、特定溶質のイオン濃度の変化に敏感に応答す
る。従って、目的物質を含む溶液をゲルポリマー膜に透
過させておけば、特定溶質のイオン濃度を変化させるだ
けで、細孔の開閉が制御され、もって膜内部の薬剤など
の目的物質を選択的に透過制御させることができる。例
えばカプセル型膜内に薬剤やホルモン等の生理活性物質
を封入すれば、所定の血中イオン濃度時でのみ、標的ガ
ン細胞に対して放徐することができる。
エーテルによるＫ＋の捕捉作用により、ＮＩＰＡＮ−ｃ
ｏ−ＢＣＡｍゲルポリマーの相状態に変化を起こし、立
体的構造の膨潤収縮で細孔が開閉する。つまり、細孔の
開閉は、特定溶質のイオン濃度の変化に敏感に応答す
る。従って、目的物質を含む溶液をゲルポリマー膜に透
過させておけば、特定溶質のイオン濃度を変化させるだ
けで、細孔の開閉が制御され、もって膜内部の薬剤など
の目的物質を選択的に透過制御させることができる。例
えばカプセル型膜内に薬剤やホルモン等の生理活性物質
を封入すれば、所定の血中イオン濃度時でのみ、標的ガ
ン細胞に対して放徐することができる。
【００２０】本発明は実施例に限らず、ゲルとレセプタ
ー部は、分子認識のレセプター機能を持つ感温性のモノ
マーを重合させてなるホモ重合体より製造してものよ
い。また、ゲート機能膜単体として用いるだけでなく、
例えば、アフィニィー膜、逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外
濾過膜、精密濾過膜、浸透気化膜と組み合わせてもよ
く、又、選択的又は非選択的なイオン透過膜と組み合わ
せてもよい。本発明は、選択的イオン透過作用により物
質の分離精製・選別や濃縮のほか、スイッチ作用等のセ
ンシング機能膜ともなりうる。
ー部は、分子認識のレセプター機能を持つ感温性のモノ
マーを重合させてなるホモ重合体より製造してものよ
い。また、ゲート機能膜単体として用いるだけでなく、
例えば、アフィニィー膜、逆浸透膜、ナノ濾過膜、限外
濾過膜、精密濾過膜、浸透気化膜と組み合わせてもよ
く、又、選択的又は非選択的なイオン透過膜と組み合わ
せてもよい。本発明は、選択的イオン透過作用により物
質の分離精製・選別や濃縮のほか、スイッチ作用等のセ
ンシング機能膜ともなりうる。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、細孔に固定化したゲル
中に、特定の溶質分子を濃度変化により捕捉するレセプ
ター部を有し、この捕捉に伴うゲルの膨潤収縮により細
孔を開閉するようにしたので、単なる分離機能に加え
て、生体膜のように分子認識によって溶液の環境変化に
対して敏感に応答でき、溶質の選択透過性及び濃度制御
のセンシング機能を有し、物質の分離精製・選別や濃縮
のほか、省エネルギーシステムや人工臓器等における高
度なゲート機能膜として広く適用することができる。
中に、特定の溶質分子を濃度変化により捕捉するレセプ
ター部を有し、この捕捉に伴うゲルの膨潤収縮により細
孔を開閉するようにしたので、単なる分離機能に加え
て、生体膜のように分子認識によって溶液の環境変化に
対して敏感に応答でき、溶質の選択透過性及び濃度制御
のセンシング機能を有し、物質の分離精製・選別や濃縮
のほか、省エネルギーシステムや人工臓器等における高
度なゲート機能膜として広く適用することができる。
【図１】本発明に係るゲート機能膜の濃度応答をモデル
的に示す概念図である。
的に示す概念図である。
【図２】本発明の一実施例に係る透過実験装置を示す配
管図である。
管図である。
【図３】顕微ＩＲによるＮＩＰＡＭ−ｃｏ−ＢＣＡｍ膜
の断面方向のグラフト鎖の重合量・組成分布を示す膜表
面からの深さとＩＲピーク吸収比との関係図である。
の断面方向のグラフト鎖の重合量・組成分布を示す膜表
面からの深さとＩＲピーク吸収比との関係図である。
【図４】ＮＩＰＡＭ膜への塩添加の影響を示す塩濃度と
ＬＣＳＴとの関係図である。
ＬＣＳＴとの関係図である。
【図５】ＮＩＰＡＭ−ｃｏ−ＢＣＡｍ膜の温度応答性の
イオン種による相異を示す温度とフラックス量との関係
図である。
イオン種による相異を示す温度とフラックス量との関係
図である。
【図６】Ｃａ２＋濃度０．１Ｍ一定で０．０１ＭＢａ
２＋を添加・除去した時の交互透過実験結果を示す時間
と温度とフラックス量との関係図である。
２＋を添加・除去した時の交互透過実験結果を示す時間
と温度とフラックス量との関係図である。
【図７】Ｋ＋吸脱着時のゲルの膨潤挙動の相異を示す温
度と膨潤度との関係図である。
度と膨潤度との関係図である。
１ レセプター部
２ Ｋ＋
３ 膜
４ ゲル
５ 細孔
６ Ｎａ＋
１１ 透過実験装置
１２ バルク
１３ ゲルポリマー膜
１４ ポンプ
１５ 切替弁
１６ 圧力計
１７ 温度計
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4D006 GA03 GA06 GA07 GA12 HA01
HA21 HA41 HA61 HA71 KE05R
KE07P KE09P KE12P KE16P
MA03 MA22 MB07 MC22X
MC23 MC24 MC49 MC55X
MC65 MC71X MC82 NA43
PA01 PA10 PB09 PB12 PB27
PC41
4F071 AA35 AA80 AF07 AH02 FA11
FC09 FD05
Claims (5)
- 【請求項１】多孔質膜基材の細孔にゲルを固定化すると
共に、このゲル中に、特定溶質をその濃度変化により捕
捉するレセプター部を有し、この捕捉作用に伴うゲルの
膨潤収縮により、細孔の開閉を行うことを特徴とするゲ
ート機能膜。 - 【請求項２】ゲルおよびレセプター部が、ホモ重合体又
は共重合体であることを特徴とする請求項１記載のゲー
ト機能膜。 - 【請求項３】ゲルおよびレセプター部が、特定溶質の濃
度変化に応答するゲルポリマーであって、該ゲルポリマ
ーを、多孔質膜基材の細孔中又は膜表面に担持したこと
を特徴とする請求項１記載のゲート機能膜。 - 【請求項４】細孔における開孔時のフラックス量が、閉
孔時のフラックス量に比べて５倍以上であることを特徴
とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のゲート
機能膜。 - 【請求項５】多孔質膜基材の細孔にゲルを固定化すると
共に、このゲル中に、特定溶質をその濃度変化により捕
捉するレセプター部を有し、この捕捉作用に伴うゲルの
膨潤収縮により、細孔の開閉を行うゲート機能膜であっ
て、このゲート機能膜を、アフィニィー膜，逆浸透膜，
ナノ濾過膜，限外濾過膜，精密濾過膜および浸透気化膜
のうちの少なくとも１つと組み合わせて使用することを
特徴とするゲート機能膜の使用方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10268894A JP2000061275A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | ゲート機能膜とその使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10268894A JP2000061275A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | ゲート機能膜とその使用方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000061275A true JP2000061275A (ja) | 2000-02-29 |
Family
ID=17464755
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10268894A Pending JP2000061275A (ja) | 1998-08-19 | 1998-08-19 | ゲート機能膜とその使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000061275A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002066276A (ja) * | 2000-08-29 | 2002-03-05 | Asahi Kasei Corp | 有機汚染耐性膜 |
| WO2008078650A1 (ja) * | 2006-12-26 | 2008-07-03 | Kaneka Corporation | 多孔体及びその製造方法 |
| JP2010540714A (ja) * | 2007-09-24 | 2010-12-24 | セクレタリー、デパートメント オブ アトミック エナジー | 化学結合クラウンエーテルを有する非イオン性多孔性の小さい固体樹脂 |
| US8784627B2 (en) | 2002-07-29 | 2014-07-22 | Applied Biosystems, Llc | Graft copolymers, their preparation and use in capillary electrophoresis |
-
1998
- 1998-08-19 JP JP10268894A patent/JP2000061275A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002066276A (ja) * | 2000-08-29 | 2002-03-05 | Asahi Kasei Corp | 有機汚染耐性膜 |
| US8784627B2 (en) | 2002-07-29 | 2014-07-22 | Applied Biosystems, Llc | Graft copolymers, their preparation and use in capillary electrophoresis |
| WO2008078650A1 (ja) * | 2006-12-26 | 2008-07-03 | Kaneka Corporation | 多孔体及びその製造方法 |
| JP2010540714A (ja) * | 2007-09-24 | 2010-12-24 | セクレタリー、デパートメント オブ アトミック エナジー | 化学結合クラウンエーテルを有する非イオン性多孔性の小さい固体樹脂 |
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