JP2014506190A

JP2014506190A - 浄水用のナノファイバ精密ろ過膜の官能化

Info

Publication number: JP2014506190A
Application number: JP2013548484A
Authority: JP
Inventors: マホンヤン; ベンジャミンチュ; ベンジャミンエスシャオ
Original assignee: ザリサーチファウンデーションオブザステイトユニヴァーシティオブニューヨーク
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2032-01-04
Also published as: CN103402614A; EP2661317A4; JP6130791B2; EP2661317A1; WO2012094407A1; US9968892B2; EP2661317B1; CN103402614B; US20160184778A1

Abstract

高流束で低圧力降下の精密ろ過(MF)膜及びこのＭＦ膜の製造方法。この精密ろ過膜は、ナノファイバ構造体を準備し、このナノファイバ構造体の表面を表面修飾剤で修飾することを含む方法で形成される。ナノファイバ構造体は、エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド又は多糖ナノファイバ注入ナノスキャフォールド又はこれらの混合物を含む。このエレクトロスパンナノファイバスキャフォールドは、ポリアクリロニトリル(PAN)又はポリエーテルスルホン(PES)／ポリエチレンテレフタレート(PET)又はこれらの混合物を含み得る。表面修飾剤は、エチレングリコールジグリシジルエーテル(EGdGE)／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド(GTMACl)又はポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド(VEVIMIBr)で架橋したポリエチレンイミン(PEI)及びポリビニルアミン(Lupamin)を含む。
【選択図】図１

Description

本願は、２０１１年１月４日出願の仮特許出願第６１／４２９６０３号の優先権を主張するものであり、その開示は全て本明細書に組み込まれる。

本発明は、アメリカ国立科学財団からの助成金ＤＭＲ−１０１９３７０及びＯｆｆｉｃｅｏｆＮａｖａｌＲｅｓｅａｒｃｈからの助成金第Ｎ０００１４０３１０９３２号の下に政府の支援を得てなされた。政府は、本発明において一定の権利を有する。

本発明は、浄水に使用する高流束及び低圧力降下精密ろ過（ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：ＭＦ）膜である。特に、本発明は、エレクトロスピニングで形成する精密ろ過膜に関する。

エレクトロスピニング技術は、この１０年で急速に発展した。天然及び合成ポリマーから作製されるサブミクロンサイズの直径の繊維は広く様々な研究分野及び産業で応用されていて、例えば組織工学、薬剤送達、電子機器で使用するセンサ及び電極、ガス貯蔵並びに空気の浄化で応用されている。エレクトロスピニング工程の間、印加する電圧がスピナレットの先端で（帯電した）ポリマー溶液の表面張力を越えるほどに強いと、微細なジェット流が射出される。このジェット流がスピナレットからコレクタへと移動するにつれて、ジェット流中の溶媒が蒸発し、同時にポリマー溶液はごく薄いジェット流を形成し始め、コレクタで不織繊維状スキャフォールドが形成される。繊維の直径及び形状は、加工及び材料の両方のパラメータの影響を受ける。エレクトロスパンナノファイバスキャフォールドの比較的新しい活用例は、浄水におけるその応用である。

エレクトロスパン膜は、高い空隙率（＞８０％）を微細な直径（約０．１〜約１μｍ）及び連続細孔構造と共に有していて、比表面積は比較的極めて広いものとなる。典型的な実例として、エレクトロスパンナノスキャフォールドは、薄膜ナノファイバ複合体（ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍｎａｎｏｆｉｂｒｏｕｓｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＴＦＮＣ）ウルトラ及びナノろ過膜における支持層として使用され、典型的な市販の膜と比較して約２〜約１０倍高い透過流束を示した。浄水用途で実際に使用されているエレクトロスパンスキャフォールドの別の代表的な応用例（自立型又は不織性の基体、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）で支持）は、このようなマイクロフィルタの、飲料水中の水系細菌（例えば、大腸菌、Ｂ．ジミヌタ（Ｂ．ｄｉｍｉｎｕｔａ）のモデルと見なすことができるナノ粒子の除去への利用である。エレクトロスパンポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及び再生セルローススキャフォールドの細孔径及び細孔径分布が研究されている。汚染された飲料水中の細菌の除去に関し、細菌をサイズ排除で除去するためにはエレクトロスパン膜の細孔径及び細孔径分布を改良してしなくてはならない。

典型的には、水系細菌の直径は約０．２μｍより大きい。例えば、Ｂ．ジミヌタの寸法は０．３μｍｘ０．９μｍであり、大腸菌の寸法は０．５μｍｘ２．０μｍである。このため、エレクトロスパン膜の平均細孔径が０．２μｍ未満であることが重要となる。更に、細菌に対する高い捕捉値を達成するためには、細孔径分布が比較的狭くなくてはならない（例えば、６ｌｏｇ減少値（ｌｏｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ：ＬＲＶ））。エレクトロスパン膜の平均細孔径は、一定空隙率の平均フィルタ直径と関連付けることができる。０．３μｍの平均細孔径に近づけるためには、エレクトロスパンマットの平均繊維直径が１００ｎｍレンジ未満でなくてはならない。ＰＥＴ支持体上のエレクトロスパンＰＶＡ及びＰＡＮのナノファイバ複合膜は、この目標に近づくことができた。

別の懸念は、エレクトロスパンナノスキャフォールドの表面を官能化してサイズ排除では取り除けない小さなウイルス（又は金属イオン）を吸着（又は錯体形成）によって吸着しなくてはならない点である。典型的な修飾法には、帯電した基又はリガンドを化学的にグラフトすること（ただし多くの反応ステップを伴う）又は活性な基の物理的な吸収（基の付着は耐久性がないことが多い）が含まれる。あるいは、官能性添加物をエレクトロスピニングポリマー溶液に組み入れる。しかしながら、これだと全エレクトロスピニングパラメータに影響がでる可能性がある。このため、修飾は、異なるタイプの官能化のための特異的な経路を必要とする。

代表的な特許は例えばＯｓｔｒｅｉｃｈｅｒの米国特許第５０８５７８０号（Ｃｕｎｏ社、１９９２年２月４日発行）、Ｗｅｉの国際公開第００／３７３８５号（Ｋｉｍｂｅｒｌｙ−ＣｌａｒｋＷｏｒｌｄｗｉｄｅ社、２０００年６月２９日公開）、Ｙｅｈらの米国特許出願公開第２００２／０１５５２２５号（Ｃｕｍｍｉｎｇｓ＆Ｌｏｃｋｗｏｏｄ社、２００２年１０月２４日公開）及びＨｏｕらの米国特許第６５６５７４９号（ＴｈｅＰｒｏｃｔｅｒ＆Ｇａｍｂｌｅ社、２００３年５月２０日発行）であり、正に帯電したポリマー（例えば、ポリアミノ−ポリアミド、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ））で表面をコーティングし、続いてエピクロロヒドリン又は複数のエポキシ基で架橋することで繊維フィルタ（例えば、グラスファイバ）に電荷を付与する手軽な方法を提供している。この段落で引用した全ての特許及び特許公報は、全て本明細書に組み込まれる。

Ｏｓｔｒｅｉｃｈｅｒの米国特許第５０８５７８０号では、セルロース繊維／シリカ系微粒子／繊維フィルタ要素を基体として使用し、繊維の表面を、一次層としてポリアミノ−アミン−エピクロロヒドリン／ポリアミン−エピクロロヒドリン樹脂でコーティングした。フィルタの容量を向上させるために、第二級アミン（例えば、エチレンジアミン）も使用して更に修飾した。次に、フィルタを、メタニルイエロー（４ｐｐｍ）、０．１μｍラテックス粒子懸濁液及びパイロジェン水溶液（ｐＨ７〜１２）を使用し、吸着工程について負荷試験に供した。

Ｗｅｉの国際公開第００／３７３８５号では同様の修飾を行っているが、グラスファイバ／セルロース繊維を支持体として使用している。更に、アクリル樹脂バインダを、ポリアミノ−アミン−エピクロロヒドリン／ポリアミン−エピクロロヒドリン樹脂系において使用した。

Ｙｅｈらの米国特許出願公開第２００２／０１５５２２５号では、ＮａＯＨでの加水分解又はＮＨ₃（ａｑ）でのアミノライズ（ａｍｉｎｏｌｙｚｅ）により基体としてポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））を修飾した。加水分解後、カルボキシレート基／アミド基が形成され、更にエポキシ−アンモニウム試薬と反応した。修飾後、アンモニウム基がポリエステルフィルタの表面に導入され、ｐＨ９でのメタニルイエロー（１０ｐｐｍ）吸着能がもたらされた。しかしながら、この特許では静的吸着実験しか行われなかった。

Ｈｏｕらの米国特許第６５６５７４９号では主に、基体としてのＡｈｌｓｔｒｏｍ社（ヘルシンキ、フィンランド）の様々なグレードのグラスファイバ、第四級アンモニウム単位を含有する修飾ポリマー、１，４−ブタンジオールのジグリシジルエーテルで架橋したＰＥＩ及びジカルボン酸とのポリ（メチルビス（３−アミノプロピルアミン））の縮合により調製されたポリアミドを使用した。これらのフィルタの吸着容量を、細菌（クレブシエラ・テリゲナ（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａｔｅｒｒｉｇｅｎａ）、大腸菌、Ｂ．ジミヌタを含む）及びバクテリアファージＭＳ２の両方での包括的な負荷試験に供した。フィルタは、機能しなくなるまでに最高５０００ｍＬの細菌又はウイルス（濃度は約１０⁶〜約１０⁸ｐｆｕ／ｍＬ)懸濁液に耐え、またフィルタのＬＲＶが低下し始めるまでに最高１０００ｍＬの懸濁液に耐えた。

精密ろ過膜は、Ｃｈｕらの米国特許第６７９０４５５号明細書（全て本明細書に組み込まれる）に開示されているように、細胞の貯蔵及び送達系を含めた様々な用途で使用されている。

精密ろ過フィルタの使用寿命を延ばすことが、全ての市販の精密ろ過膜が抱えている主な課題である。ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）は、ウイルスに効果的な吸着剤であることが判明している。しかしながら、効果的に固定しない限り、すぐに洗い流されてしまう可能性がある。ＰＥＩで修飾したＰＡＮ／ＰＥＴフィルタ（例えば、ＡＷＡ−１６−１。以下、「ＡＷＡ」と称する。Ｓａｎｋｏ社（日本）から入手可能）は、バクテリアファージＭＳ２に対して４ｌｏｇ減少値（ＬＲＶ）を有し得るが、これは短い間にすぎない。ＰＥＩは、架橋によりＰＡＮ／ＡＷＡで安定化させることができる。ジエポキシ基が、高架橋度及び制御された反応速度でもってＰＥＩを架橋するための良い候補である。加えて、架橋反応にはグルタルアルデヒド（ＧＡ）という別の選択肢もあり、高流束、高捕捉率及び長寿命（高容量）ナノファイバ精密ろ過フィルタを、浄水用途に成し遂げることができる。

本発明では、高流束で低圧力降下の精密ろ過（ＭＦ）膜及びこのＭＦ膜の製造方法を提供する。この高流束で低圧力降下の精密ろ過膜は、ナノファイバ構造体を準備し、このナノファイバ構造体の表面を表面修飾剤で修飾することを含む方法で形成される。ナノファイバ構造体は、エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド又はその混合物を含む。このエレクトロスパンナノファイバスキャフォールドは、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はこれらの混合物を含み得る。マイクロファイバスキャフォールドは、ミクロン又は数十ミクロンサイズレンジの直径を有するグラスファイバ又は他のファイバ又はこれらの混合物を含み得る。ナノファイバ構造体には、直径約５０〜約５００ｎｍ、好ましくは約１００〜約４００ｎｍを有するナノファイバが含まれる。

表面修飾剤には、グルタルアルデヒド（ＧＡ）又はエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ））で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）及びポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）が含まれる。好ましくは、表面修飾剤はインシチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）重合で生成され、またナノファイバ構造体上でコーティングを形成する。好ましくは、このコーティングは約５〜３０ｎｍ、より好ましくは約１０〜２０ｎｍの厚さを有する。
本発明の高流束で低圧力降下の精密ろ過膜の好ましい実施形態並びに本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面から明らかとなる。

図１ａは、コーティング前のＰＡＮエレクトロスパンナノファイバのＳＥＭ画像である。図１ｂは、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）でコーティングした後のナノファイバを示す。ＰＡＮエレクトロスパン膜、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮ精密ろ過膜のＴＧＡ曲線を示すグラフである。ＰＡＮエレクトロスパン膜、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮ精密ろ過膜のＤＳＣ曲線を示すグラフである。ＰＡＮエレクトロスパン、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜の機械的性質を示すグラフである。ＰＡＮエレクトロスパン、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜の細孔径分布を示すグラフである。ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜及び市販のＧＳ０．２２精密ろ過膜の場合のＢＳＡの静的吸着を示すグラフである。同じ２つの膜についてのラングミュア吸着等温式を示す。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ及びＣｕｎｏフィルタのｐＨ＝７での吸着容量を示すグラフである。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡの吸着容量を示す試験管である。様々な予洗時間でのＰＥＩ／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜の吸着容量を示すグラフである。２つの異なるろ過ディスクサイズのＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡの吸着容量を示すグラフである。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡの最大吸着容量を示すグラフである。ＰＥＩ／ＰＥＴ膜の吸着容量を示すグラフである。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜及びＣＵＮＯ（登録商標）フィルタのｐＨ＝９での吸着容量を示すグラフである。（ＥＧｄＧＥ／ＧＭＡＣｌ／ＰＥＩ）／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜のｐＨ＝９での吸着容量を示すグラフである。（ＥＧｄＧＥ／ＧＭＡＣｌ／ＰＥＩ）／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜の様々なｐＨ値での吸着容量を示すグラフである。

本発明は、エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド（例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ））／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））及びマイクロファイバスキャフォールド（例えば、グラスファイバ）及びこれらの混合物の、インシチュ重合で生成されるようなエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）、グルタルアルデヒド（ＧＡ）で架橋したＰＥＩ／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はＥＤｄＧＥで架橋したポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）又はＧＡ若しくはポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）で架橋したポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）での表面修飾によって作製される高流束、高捕捉率で長寿命（高容量）のナノファイバ精密ろ過フィルタに関する。

本発明のフィルタは、現在市販されている精密ろ過フィルタ（例えば、ＣＵＮＯ（登録商標）フィルタ、ＡＨＬＳＴＲＯＭ（登録商標）フィルタ）と比較すると、ウイルス（例えば、バクテリオファージＭＳ２）、アニオン染料（例えば、メタニルイエロー）及び金属イオン（例えば、クロメートイオン、鉛イオン、水銀イオン）に対する長期にわたる捕捉性を有する。同時に、初期濃度１０⁶プラーク形成単位（ｐｆｕ）／ｍＬのＭＳ２に対する高い捕捉率（＞５．２ｌｏｇ減少値（ＬＲＶ））をこのような複合フィルタを使用して最高４０分間にわたって９ｍＬ／分（４７ｍｍディスク）で達成し得ることが判明している。市販のＣＵＮＯ（登録商標）膜は最初に４．８ＬＲＶを達成したが、すぐに機能しなくなった。精密ろ過膜に関して本明細書で使用の用語「ｌｏｇ減少値」又はＬＲＶは、供給物中の生物又は微粒子の濃度のろ液中の生物又は微粒子の濃度に対する比の１０を底とする対数であり、すなわちＬＲＶ＝ｌｏｇ（Ｃ_供給物）−ｌｏｇ（Ｃ_ろ液）である。

本発明のフィルタの高捕捉率及び長寿命は、メタニルイエロー（１０ｐｐｍ水溶液）の吸着でも観察された。アニオン染料の高捕捉率（＞９９％）は最高９０分まで１０ｍＬ／分（４７ｍｍディスク）で維持することができた。また、フィルタの高捕捉率及び長期使用性が、最も多く市販されている膜ならもっと早い段階で機能しなくなるｐＨ９であっても観察された。フィルタの圧力降下も、同じ流量（０．２ｐｓｉ又は水頭高さ１４ｃｍ）下では典型的な市販の精密ろ過フィルタのものより低い。ナノファイバ精密ろ過膜は、エレクトロスパン膜の実証済みの大量生産性及び架橋ＰＥＩ／ＧＴＭＡＣｌ、Ｌｕｐａｍｉｎ又はポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）を使用した単純な修飾工程により、手軽にスケールアップすることができる。更に、ナノファイバ精密ろ過膜の製造コストは比較的低い。これは水だけをこの工程での溶媒媒体として使用するからであり、これによって環境上の懸念の多くが最小限に抑えられる。

本発明の高流束で長期使用性の精密ろ過フィルタは、エレクトロスパンナノファイバスキャフォールドを、架橋ＰＥＩ／ＧＴＭＡＣｌ又はポリカチオン（ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ））で表面修飾することによって形成される。この複合フィルタは、汚染された飲料水中の細菌及びウイルスを効果的且つ同時に除去する。精密ろ過フィルタの効率は重要な要件を満たし、細菌に関しては６ＬＲＶ、ウイルスに関しては４ＬＲＶが最高１リットルの供給溶液（初期の細菌又はウイルス濃度：１０⁶ｐｆｕ／ｍＬ、ｐＨ＝９）の処理に関して達成され、圧力降下は、同じ流量での市販の精密ろ過フィルタのものより５倍低い。本発明の複合精密ろ過フィルタは、大量生産に向けて容易にスケールアップすることができる。

ナノファイバの使用により、（１）実質的に膜の細孔径を変更することなく大きい表面対体積比が得られる、（２）表面の修飾がより容易で、特定ターゲット用にナノファイバ表面をカスタム設計する需要に対応でき、（３）ナノファイバを架橋することによって材料が一体化されて洗い流されることがないという利点が得られる。多くの点において、ナノファイバの使用は広い表面積を得るための「ナノ粒子」の使用に似ている。しかしながら、ナノ粒子をスキャフォールドに付着させるのはより困難である。

本発明の高流束で低圧力降下の精密ろ過膜は以下の利点を有する。

（１）高空隙率のエレクトロスパンナノスキャフォールド及び不織性基体を支持体として備えるフィルタは高流束及び低圧力降下を示す。更に、多くの他の多孔質支持体（例えば、フィルタペーパ、グラスファイバ不織布、メルトブローＰＥＴ、ＰＰ不織布）を、ウイルスをろ過するための精密ろ過フィルタ製造用の不織性基体として使用することができる。

（２）架橋ＰＥＩ／ＧＴＭＡＣｌ又はポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）は耐久性が極めて高く、またウイルス吸着容量が高いことから、精製用のそのような精密ろ過フィルタを可能にする。

（３）膜を、ウイルスを除去するために、ｐＨ約３．０〜約９．０の広い範囲で使用することができる。

（４）精密ろ過膜の製造は容易にスケールアップすることができる。これはエレクトロスピニングの場合のスケールアップ方法が当該分野で周知であり、また既に実際に行われているからである。

（５）ナノファイバ精密ろ過膜の官能化／コーティング工程は環境に優しい。これは一次溶媒媒体として水しか使用していないからである。

好ましい実施形態において、本発明の階層的複合膜基体は、ファイバ直径が好ましくは約５０ｎｍ〜３００ミクロン、より好ましくは５０ｎｍ〜５０ミクロン、最も好ましくは１００〜４００ｎｍの不織性のナノ及びマイクロファイバ基体（エレクトロスパンナノスキャフォールド（ＰＡＮ及びＰＥＳ）及び無修飾のマイクロファイバポリエステル（ＰＥＴ）不織ウェブを含む）を修飾することによって形成される。基体の表面を、インシチュ重合で生成されるようなエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はグルタルアルデヒド（ＧＡ）で架橋したＰＥＩ／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はＥＤｄＧＥで架橋したポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）又はＧＡ若しくはポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）で架橋したポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）でディップコーティングすることで修飾した。メタニルイエロー及びＭＳ２の両方を、修飾した精密ろ過膜の負荷試験に使用した。本明細書で使用の用語「負荷試験（ｃｈａｌｌｅｎｇｅｔｅｓｔ）」とは、細菌又は「負荷微粒子（ｃｈａｌｌｅｎｇｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）」を膜に通し、ＬＲＶを測定することによって精密ろ過膜の効率を試験する方法のことである。ＭＳ２及びメタニルについて高いｌｏｇ減少値（ＬＲＶ）がｐＨ値３〜９の広い範囲にわたって得られた。

本発明は、エレクトロスパンナノファイバ上に荷電分子モノマー、例えばアクリル酸ナトリウム（ＳＡ）、１−ビニル−３−ブチルイミダゾリウムブロミド（ＶＢＩＭＩＢｒ）、１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）又はエトキシ化（９）トリメチロールプロパントリアクリレート（ＳＲ５０２）の薄層を表面コーティングし、続いて熱開始剤で引き起こす（共）重合を通じて不織性の基体を修飾する手軽な経路も開発した。精密ろ過膜の細孔径及び細孔径分布を対応して低下させることによって、細菌に対する高い捕捉性に必要なサイズ排除要件の達成を支援することができる。一方、ＳＡ、ＶＢＩＭＩＢｒ及び／又はＶＥＶＩＭＩＢｒの重合によって形成されるポリマーネットワークにおける正に帯電したセグメントは、ウイルス吸着部位としての役割を果たすことができる。

ナノ及びマイクロファイバ基体の表面上の架橋されたポリマーネットワークは、単位体積あたりの固有の容量が大きいことから広いｐＨ範囲にわたって耐久性があり、また長期にわたって利用することができる。架橋されたポリマーネットワークコーティングの厚さは約５〜５０ｎｍ、好ましくは約５〜３０ｎｍ、最も好ましくは約１０〜２０ｎｍである。Ｓ／Ｖ＝２／ｒであることから表面対体積比（Ｓ／Ｖ）はファイバ直径に関係し、「ｒ」はファイバの半径である。このため、同じ量のファイバの場合、ファイバ直径が１０μｍから１００ｎｍに低下する場合、Ｓ／Ｖは５０倍増加する。ファイバ直径の寸法における変化は表面コーティング工程に影響する。更に、単位体積あたりのファイバ材料の量が一定の場合、ファイバ直径が増大すると、空隙率及び有効細孔径が低下する。このため、これらのコーティングは、細孔径の制御において相加的効果を有し、これは既存の手法とは異なる。

以下に記載の実施例は本発明を更によく理解するためのものであって、本発明の範囲をいかなる形でも限定しない。

実施例１
材料
平均分子量２５ｋＤａの分岐ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、エチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）及びメタニルイエローをＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社（ミルウォーキー、ウィスコンシン州（Ａｌｄｒｉｃｈ社））から購入した。ＰＡＮエレクトロスパン膜を、ストーニーブルックで製造した。モノマーであるエトキシ化（９）トリメチロールプロパントリアクリレート（ＥＯＴＭＴＡ）をＰｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ社（ワレントン、ペンシルバニア州）から購入し、阻害剤を使用前に除去した。熱開始剤である過硫酸カリウム（Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₈）をＦｌｕｋａ社（スイス）から得た。エレクトロスパンポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）（Ｍ_w約１５０ｋＤａ、Ａｌｄｒｉｃｈ社から購入）ナノファイバスキャフォールドを、エレクトロスピニングによりアルミホイル上に堆積させた。ポリビードミクロスフィア粒子懸濁液（約２．６ｗｔ％、０．２０μｍ）を購入し、脱イオン（ＤＩ）水で１００ｐｐｍにまで水系細菌のモデル供給溶液として希釈した。ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）をＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社から購入した。大腸菌は、アメリカ培養細胞系統保存機関（ＡＴＣＣ）から購入し、ＭＳ２を発展させた手順に従ってインキュベートした。

実施例２
ＶＥＶＩＭＩＢｒの調製
１８．８ｇ（０．２０ｍｏｌ）の１−ビニルイミダゾール及び１８．８ｇ（０．２０ｍｏｌ）の１，２−ジブロモエタンを１５０ｍＬのアセトニトリルに溶解させた。混合物を６０℃で４８時間にわたって加熱し、続いて室温にまで冷却した。得られた固体試料を沈殿させ、エチルエーテルで３回洗浄した。真空オーブンで乾燥させると、ＶＥＶＩＭＩＢｒが白色の粉末として得られた。この反応での収率は約９５％であった。ＶＥＶＩＭＩＢｒの１ＨＮＭＲ（溶媒としてＤＭＳＯ−ｄ６、δ、ｐｐｍ）のスペクトルは９．６３８（Ｎ−ＣＨ−Ｎ、ｓ、２Ｈ）、８．２６６（Ｎ−ＣＨ−ＣＨ、ｓ、２Ｈ）、７．８９４（Ｎ−ＣＨ−ＣＨ、ｓ、２Ｈ）、７．３０６〜７．３８７（Ｎ−ＣＨ＝、ｔｅｔｒａ、２Ｈ）、５．９４９〜６．００９及び５．４１３〜５．４５０（Ｎ−ＣＨ＝ＣＨ２、ｄ、４Ｈ）、４．８２２（Ｎ−ＣＨ２、ｓ、４Ｈ）であった。

実施例３
モノマー水溶液の調製
モノマー水溶液を、室温で１時間にわたって撹拌することで既定量のモノマー及び開始剤（Ｋ₂Ｓ₂Ｏ₈）を脱イオン水に溶解させて調製した。表１に、使用した溶液の組成を挙げる。

実施例４
ＰＡＮエレクトロスパン膜（実施例１）を、ＶＥＶＩＭＩＢｒ組成を有するモノマー水溶液ＩＩ（実施例３）に浸した。過剰な溶液を高速ドローダウンツールで排出した。膜を１１０℃で３０分間にわたって加熱し、水で徹底的に洗浄して未反応モノマーを除去してから使用した。

実施例５
マルチビニルモノマーのフリーラジカル重合により形成する超薄コーティング層
モノマーＥＯＴＭＴＡ及びＶＥＶＩＭＩＢｒ（それぞれ（Ｉ）、（ＩＩ）とする）の構造を以下に示す。
コーティング工程において、ＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの表面を、水溶液のモノマー及び熱開始剤の薄層で被覆した。フリーラジカルを発生させる熱開始剤は、ナノファイバの表面上に存在するＥＯＴＭＴＡ（又はＶＥＶＩＭＩＢｒ）の重合を引き起こした。最終的に、超薄ポリマーネットワークが乾燥工程で形成された。３個のビニル基を有するＥＯＴＭＴＡモノマーは、表面、特にはエレクトロスパンナノファイバの交差点でポリマーネットワークを形成する「架橋剤」としての役割を果たした。エレクトロスパンナノスキャフォールドの機械的性質は重合後に大幅に改善され、これは引張実験によって確認された（実施例１０）。このようにして、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）修飾ＰＡＮエレクトロスパン膜は、精密ろ過用の自立型の膜としての使用に適していると判断された。

実施例６
使用するコーティングポリマーの厚さは、式（１）：
（式中、Ｌ₀はエレクトロスパンナノファイバの長さであり、ｍ₀（ｇ）はＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの質量であり、ｒ₀（ｃｍ）はエレクトロスパンナノファイバの半径であり、ｄ₀（ｇ／ｃｍ³）はＰＡＮの密度であり、ｒは修飾したナノファイバの半径であり、Ｓ（ｃｍ²）は表面積である）を使用して計算できる修飾したナノファイバの表面積に左右される。ナノファイバ表面に沿ったコーティング層が均一であると仮定すると、コーティングしたポリマーの体積（Ｖ、ｃｍ³）と修飾したナノファイバの半径（ｒ、ｃｍ）との関係は式（２）：
で表わすことができる。

このため、コーティング層の厚さ（ｒ−ｒ₀）は、
を用いてポリマーの配合体積（Ｖ）によって制御することができる。コーティング層の厚さはファイバ直径（ｒ₀）及びモノマー溶液の濃度に比例する。約０．８〜約１．０ｗｔ％のモノマー水溶液を使用して比較的均一なコーティング層が得られることが判明している。ファイバ直径が１５０±３０ｎｍの１ｇのＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの場合、コーティング層の厚さは約１５ｎｍである。

モノマーで繋ぎとめた正に帯電したイミダゾリウムカチオンであるＶＥＶＩＭＩＢｒを合成し、正に帯電したＭＦ膜の作製に使用した。このため、この膜は負に帯電した種（典型的には水系ウイルスのモデルと見なされるバクテリオファージＭＳ２等）に対する高い吸着容量を有すると期待された。

実施例７
図１は、ＰＡＮエレクトロスパンナノファイバ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）でコーティングしたナノファイバ（実施例４）のＳＥＭ画像である。ＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの直径は１５０±３０ｎｍであり、図１（ａ）から、ストーニーブルックで開発されたＬｅｉｋａソフトウェアで推測された。図１（ｂ）は、ナノファイバがポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）に、特にはナノファイバの交差点で包まれたことを示し、これは実施例１０で論じる改善された機械的性質の良い証拠である。

実施例８
試料の熱重量分析（ＴＧＡ）走査を１０℃／分で６０℃から８００℃まで空気流下、Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍｅｒ社のＴＧＡ７装置を使用して行った。ＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの分解温度は、図２に示すように、３１７．２℃で開始し、５℃の降下中にその質量の４１．８％を急速に失った。しかしながら、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）で架橋したＰＡＮは３２４．６℃で急速に分解を開始し、２．４℃以内に３９．１％を失い、一方、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）は急速に３３４．８℃から分解し、２．４℃以内に３６．４％を失った。この変化は、ナノファイバの微分質量％からはっきりと観察することができた。最大ナノファイバ質量低下率は、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）での官能化後、３１９．０℃から３２５．６及び３３６．０℃にそれぞれ上昇した。ＰＡＮエレクトロスパンナノファイバの分解温度は、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）の試料ではポリ（ＥＯＴＭＴＡ）の試料より高い温度で安定した。これは異なる配合量に起因し得た：前者は４１．８±４．０ｍｇ／ｃｍ³であり、後者は９．５±１．９ｍｇ／ｃｍ³であり、約４．４倍低い（実施例３）。

実施例９
実施例８の結論を更に、図３に示すＤＳＣの結果で確認した。ＰＡＮ系ＭＦ膜の酸化環化中の温度は、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）のコーティング後、２９２．７℃からそれぞれ２９９．７℃及び３１７．３℃に大きく上昇した。これは恐らく環化を遅延させる表面コーティング層のせいであり、これが温度上昇につながった。ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮはポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ膜より高い安定性を保持し、これはＴＧＡの結果とぴったり一致した。これらの発見は、表面修飾が成功であったろうことも示唆している。

実施例１０
実施例４の試料を室温で改良型ＩＮＳＴＲＯＮ（登録商標）４４４２引張装置（ＩｎｓｔｒｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＧｒｏｕｐ、グローブシティ、ペンシルバニア州）を使用して一軸延伸することによって対称変形を行った。ＩＮＳＴＲＯＮ（登録商標）の顎部間の初期の距離は１０ｍｍであり、選択した延伸率は５ｍｍ／分であった。ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）修飾ＰＡＮナノファイバ膜の機械的性質は、図４に示すように、ＰＡＮエレクトロスパン膜の機械的性質より大幅に向上していると判明した。修飾ＰＡＮナノファイバ膜での引張実験からは降伏点が観察されなかった。しかしながら、極限引張強度は約３〜４倍上昇した。これらの結果はＰＡＮナノファイバの表面上、特にはナノファイバ間の交差点でポリマーネットワーク層が形成されたことの証拠であり、すなわちＥＯＴＭＴＡ及びＶＥＶＩＭＩＢｒの重合は成功裡にエレクトロスパンナノファイバを「架橋」し、また交差点同士を「結合（ｓｏｌｄｅｒ）」した。更に、破断点伸び及びヤング率がほぼ変化しなかったという実験から得られた証拠は、修飾したナノファイバ膜を自立型フィルタとして使用できることを実証している。

実施例１１
実施例４における試料のバブルポイント、平均細孔径及び細孔径分布を、キャピラリフローポロメータ（ＦＰＡ−１５００Ａ）（ＰｏｒｏｕｓＭａｔｅｒｉａｌｓ社、イサカ、ニューヨーク州）を使用して測定した。表面張力１５．９ダイン／ｃｍの濡れ流体（ｗｅｔｔｉｎｇｆｌｕｉｄ）ＧＡＬＷＩＣＫ（登録商標）を膜を濡らすのに使用した。図５は、ＰＡＮエレクトロスパン膜、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）/ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）/ＰＡＮナノファイバ膜の細孔径及び細孔径分布を示す。ＰＡＮエレクトロスパンナノスキャフォールドの平均細孔径は０．４１μｍであり、広い細孔径分布が観察された。ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）での表面修飾後、膜の平均細孔径は約０．２１μｍ及び約０．２７μｍにまでそれぞれ低下し、細孔径分布ははるかに狭くなり、このことは０．２μｍ粒子捕捉率の結果によっても示唆されている。

実施例１２
流束及び粒子捕捉性についてカスタム設計した装置で負荷試験を行い、細孔径分布をキャピラリフローポロメータ（ＦＰＡ−１５００Ａ）でＧＡＬＷＩＣＫ（登録商標）を流体として使用して測定した。セルロースナノウィスカ精密ろ過膜の粒子ろ過を、流量１．０ｍＬ／分で全部で１０ｍＬの懸濁液について行い、透過物の粒子濃度及び供給溶液の粒子濃度を、全有機炭素分析計（ＴＯＣ−５０００、ＳｈｉｍａｄｚｕＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社、コロンビア、メリーランド州）で測定した。全てのデータを収集し、３重の試料を使用して測定を繰り返した。ナノファイバ膜及び入手可能な市販のＭＦ膜ＧＳ０．２２の最大細孔径、平均細孔径、透水性及び０．２μｍ粒子捕捉率を表２に示す。

ＰＡＮエレクトロスパン膜の最大細孔径及び平均細孔径の両方が、架橋されたポリマーネットワーク層での表面修飾後に低下した。平均細孔径は０．２１μｍにまで低下し、これはポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜が水系細菌の殆どを排除できたことを含意し、これは０．２μｍ粒子懸濁液の捕捉によって確認された。修飾後、粒子の捕捉率は１３．７％から９６．５％にまで上昇し、透水性は５５％低下したが、依然として市販のＧＳ０．２２膜の値より２．５倍高い。更に、ポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ及びポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜の水接触角は、元々のＰＡＮエレクトロスパン膜の５０．６°と比較すると、大幅にそれぞれ２２．４°及び１８．０°に低下した。ナノファイバ膜の超親水性表面はその防汚性を改善するはずである。

実施例１３
ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜に繋ぎとめられたイミダゾリウムカチオンにより、膜は、向上した機械的性質及び細孔径／細孔径分布に加えて、ウイルスに対する高い吸着容量を示すと予測された。ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）は等電点（ｐＩ）４．７のモデルタンパク質であり、ｐＨ７．２で負に帯電するはずである。１．０ｍｇ／ｍＬのリン酸緩衝液（ＰＢＳ、ｐＨ７．２）中のＢＳＡを、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜及びニトロセルロースから３７℃で作製されるＧＳ０．２２市販膜の両方の負荷試験に使用した（本明細書において、「等電点」又は「ｐＩ」とは、特定の分子又は表面が正味の電荷を帯びないｐＨである）。ナノファイバＭＦ膜におけるＢＳＡの吸着容量をバッチで測定した。０．０３ｇのナノファイバ膜を、振動ベッド上で、ＰＢＳ（ｐＨ＝７．２）中の１０ｍＬのＢＳＡ溶液（１．０ｍｇ／ｍＬ）に約０〜約９時間にわたって浸漬させた。膜上に吸着されたＢＳＡの量を、２７９．９ｎｍでの光吸収での測定による吸着前後でのＢＳＡ溶液の濃度変化から計算した。最大吸着容量を、１．０、０．５、０．２５及び０．１ｍｇ／ｍＬの様々な濃度のＢＳＡを用いた場合のラングミュア吸着等温式を用いることで求めた。２．５時間後、ＢＳＡの濃度は平衡に達したと考えられ、ナノファイバ膜へのＢＳＡの吸着は完了した。図６（ａ）は、時間の関数としての吸着容量を示す。

膜は、２．５時間にわたる１ｍｇ／ｍＬのＢＳＡ緩衝液における吸着後に飽和した。ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜の吸着容量は２２．９ｍｇ／ｇであり、市販のＧＳ０．２２精密ろ過膜の吸着容量より６５％高かった。ＢＳＡのｐＩは４．７であり、ｐＨ７．２でほぼ負に帯電する。したがって、正に帯電したポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜は、静電的相互作用により高い吸着容量を有する。最大吸着容量は、式（４）においてラングミュア吸着等温式にフィットさせることで得られる。
〔数４〕
１／ｑ_e＝１/ｑ_m＋ｋ_d/ｑ_m×（１／ｃ_e）（４）
式中、ｑ_mは単層被覆での最大吸着（ｍｇ／ｇ）であり、ｋ_dはラングミュア吸着平衡定数（ｍＬ／ｍｇ）であり、これは膜結合部位の親和性を反映する。図６（ｂ）及び式（４）から、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜によるＢＳＡの最大吸着は３５．１ｍｇ／ｇであり、これは１８．５ｍｇ／ｇのＧＳ０．２２膜のものより約２倍高く、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜を高効率ＭＦフィルタとして応用できる可能性を示唆している。

実施例１４
細菌負荷試験を、デッドエンドろ過撹拌セル（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ８０５０−５１２２、３００ｒｐｍで撹拌）において室温で、１０ｍＬの大腸菌懸濁液（約１０⁶ｃｆｕ／ｍＬ）を使用して行った。１０ｍＬの懸濁液を膜に一定流量（１９２Ｌ／ｍ²ｈ）で通してろ過し、その間、０．２ｐｓｉの低圧力降下が観察された。透過流束及び圧力降下を試験中にモニタした。バクテリアファージＭＳ２をモデルウイルス粒子として使用してセルロースナノウィスカＭＦ膜の吸着容量を２０℃で評価した。約１０⁶プラーク形成単位（ｐｆｕ）／ｍＬの初期濃度のＭＳ２ファージをリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．２）に懸濁させた。１０ｍＬの懸濁液を膜に一定流量（１９２Ｌ／ｍ²ｈ）で通してろ過し、その間、０．２ｐｓｉの低圧力降下が観察された。透過物をオートクレーブで処理したバイアルに回収し、ウイルス濃度をｐｆｕ法で求めた。ｐｆｕ測定に関して、大腸菌（アメリカ培養細胞系統保存機関（ＡＴＣＣ）１５５９７−Ｂ１）をウイルス宿主細菌として使用し、トリプチケースソイ寒天培地プレート（Ｔｅｋｎｏｖａ社）を使用して１０〜１００ｐｆｕ／プレートを様々な透過物希釈比で得た。全ての実験を最低３回繰り返した。

表３の全てのＭＦ膜が比較的低い圧力降下（＜２ｐｓｉ）及び大腸菌に対する高い捕捉率を有する。しかしながら、帯電した表面を有さないＰＡＮエレクトロスパン及びポリ（ＥＯＴＭＴＡ）／ＰＡＮ膜はＭＳ２捕捉率がゼロであった。対照的に、正に帯電した膜であるポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮは４ＬＲＶにもなる完全捕捉性を有した。市販のＧＳ０．２２は１ＬＲＶ捕捉率と、ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜のものと比較した場合に比較的高い圧力降下を有した。ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）／ＰＡＮナノファイバ膜の耐久性は、膜を純水で１４日間にわたって洗浄し、また膜を１０⁶ｐｆｕ／ｍＬのＭＳ２懸濁液での負荷試験に再度供することで判定されているが、ＭＳ２に対する３ＬＲＶより高い値は、膜ではいまだに達成されていない。

実施例１５
ＰＥＩ／ＥＧｄＧＥでのＰＡＮ／ＡＷＡ基体の修飾
連続エレクトロスピニング工程から得られたＰＡＮ／ＡＷＡフィルタを、ＰＥＩ（１．０ｗｔ％）及びエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）（架橋剤、０．２ｗｔ％）の混合物でコーティングした。詳細には、有効面積１００ｃｍ²のＰＡＮ／ＡＷＡ膜片をＰＥＩ（１．０ｗｔ％）及びＥＧｄＧＥ（０．２ｗｔ％）の溶液に３０秒間にわたって浸漬させた。膜をガラスプレート上に置き、両側をＳｅａｌａｓｔＶｉｂａｃテープでテープ止めした（このテープの厚さは０．０４ｍｍであり、両側を２層でテープ止めした）。余分な溶液をガラス棒を使用して排出させ、膜において１７．５ｍｇ／ｃｍ²のＰＥＩ及びＥＧｄＧＥ溶液で維持した。膜を、１１０℃で２０分間にわたって加熱することで乾燥させた。０．２ｍｇ／ｃｍ²のＰＥＩをＰＡＮ／ＡＷＡ膜上にこの方法でロードした。

実施例１６
ＰＥＩ／ＥＧｄＧＥでのＰＥＴ基体の修飾
ドイツ製のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）Ｎｏｖａｔｅｘｘ２４１３を、ＰＥＩ（１．０ｗｔ％）及びエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）（架橋剤、０．２ｗｔ％）の混合物でコーティングした。詳細には、有効面積１４０．５ｃｍ²のＰＥＴ片をＰＥＩ（１．０ｗｔ％）及びＥＧｄＧＥ（０．２ｗｔ％）の溶液に３０秒間にわたって浸漬させた。余分な溶液をガラス棒を使用して排出させ、膜において１８．５ｍｇ／ｃｍ²のＰＥＩ及びＥＧｄＧＥ溶液で維持した。膜を、１１０℃で２０分間にわたって加熱することで乾燥させた。０．２ｍｇ／ｃｍ²のＰＥＩをＰＥＴ膜上にこの方法でロードした。

実施例１７
ＰＥＩ／ＧＴＭＡＣｌ／ＥＧｄＧＥでのＰＡＮ／ＰＥＴ基体の修飾
ＰＡＮ／ＰＥＴを、ＰＥＩ、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）及びエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）の混合物でコーティングした。詳細には、有効面積１４０．５ｃｍ²のＰＥＴ片をＰＥＩ、ＧＴＭＡＣｌ及びＥＧｄＧＥの溶液に３０秒間にわたって浸漬させた。余分な溶液をガラス棒で排出させ、膜において１８．６ｍｇ／ｃｍ²のＰＥＩ及びＥＧｄＧＥ溶液を維持した。膜を、１１０℃で２５分間にわたって加熱することで乾燥させた。０．１５ｍｇ／ｃｍ²のＧＴＭＡＣｌをＰＥＴ膜上にこの方法でロードした。

実施例１８
メタニルイエローを吸着した試料（実施例１５〜１７）の試験手順
２５ｍｍの試料ディスクを蒸留水で１０分間にわたって３．０ｍＬ／分又は６０分間にわたって３．０ｍＬ／分でそれぞれ洗浄した。４７ｍｍの試料ディスクを純水で１０分間にわたって１０分／ｍＬで洗浄した。直径２５ｍｍの市販のＣＵＮＯ（登録商標）膜（Ｃｕｎｏ社、メリデン、コネチカット州）を対照試料として使用し、同じ手順で処理した。メタニルイエロー（１．５ｐｐｍ又は１０ｐｐｍ）を使用し、溶液流量を、２５ｍｍ試料ディスクについては３．０ｍＬ／分、４７ｍｍ試料ディスクについては１０ｍＬ／分で維持した。透過物を０分から最高１８０分の異なるタイミングで回収した。測定を新しい膜を使用して少なくとも２回繰り返し、再現性があることが判明した。紫外・可視分光法を用いて透過物のメタニルイエロー濃度を４３４．２ｎｍで測定した。

実施例１９
図７は、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ及びＣＵＮＯ（登録商標）試料の吸着容量を示す。３ｍＬの透過物を各時間間隔後に回収し、メタニルイエローの量を上述したようにＵＶを使用して測定した。試験前に、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ及びＣＵＮＯ（登録商標）膜を純水で１０分間にわたって３ｍＬ／分で洗浄した。２０分間の吸着で、ＣＵＮＯ（登録商標）試料の捕捉率は０であり、一方、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡは依然として９３．８％±０．２％の捕捉率を有した。既に最初の５分で値は変動し始め、これはＣＵＮＯ（登録商標）試料が染料をあまり迅速には吸着できず、またその容量を約１０分後にはすぐに失ったことを示す。ＣＵＮＯ（登録商標）試料は約２０分後に機能しなくなり、残りの染料は膜を通過した。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜（２回繰り返された値）は９０分後も吸着に効果的でありつづけ、これはＣＵＮＯ（登録商標）試料のものより４〜５倍高い。

実施例２０
図８は実施例１９の回収された透過物を示す。５分後、ＣＵＮＯ（登録商標）フィルタが機能しなくなりつつあることが観察された。しかしながら、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜は、捕捉性を大きく失うことなく９０分後も使用できた。

実施例２１
様々な洗浄時間でのＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜（実施例１５で作製）の吸着容量を図９に示す。それぞれ１０分及び６０分の予洗後、試料の吸着結果に明らかな差異は観察されなかった。図９は、透過物の濃度についてスケールを拡大したＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜及びＣＵＮＯ（登録商標）フィルタの吸着容量を示す。別の膜を使用しての１０分の結果は図７のものと同様であり、試料についての結果の再現性を示している。この結果は、架橋したＰＥＩがＰＡＮナノファイバを包み、また恒久的なポリマーネットワークを形成し得たことを示し、このポリマーネットワークは予洗後も長期にわたって膜に保持することができる。

実施例２２
２つの異なるろ過ディスク面積（実施例１５で作製）を用いることによるＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜（実施例１５から）の吸着容量を図１０に示す。直径４７ｍｍの試料ディスクを負荷試験に供した。膜を１０分間にわたって１０ｍＬ／分で予洗し、吸着実験を６０分間にわたって１．５ｐｐｍのメタニルイエロー１０ｍＬ／分で行った。結果を、直径２５ｍｍのＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ試料で得られたものと比較した。

実施例２３
１．７０ｘ１０⁵ｐｆｕ／ｍＬのＭＳ２（最大ＬＲＶは５．２であった）を使用してＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ試料ディスク（実施例１５の直径４７ｍｍのディスク）を９ｍＬ／分の流量、ｐＨ＝６．５及び室温で負荷試験に供した。結果を表４に示す。

ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡは両方の市販膜、特にはそれなりの高い圧力降下を示すＣＵＮＯ（登録商標）試料のものより高い使用性を有した。市販のフィルタと比較した場合の、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡの約２〜３倍長い使用性を表４に示す。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡの圧力降下は、フィルタの細孔にウイルスが詰まることで、試験中に上昇した。ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡフィルタはウイルス吸着だけに使用されたわけではなく、細菌（大腸菌、Ｂ．ジミヌタを含む）に対しても高い捕捉性（＞６ＬＲＶ）を有し得る。しかしながら、ＣＵＮＯ（登録商標）及びＡＨＬＳＴＲＯＭ（登録商標）フィルタは、これらの膜の細孔径がより大きいことからウイルスにのみ使用された。

実施例２４
実施例１５のＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜を更に、最高１８０分間にわたる１．５ｐｐｍのメタニルイエロー溶液でのそれぞれ９０分、１８０分の異なる試験時間の負荷試験に供した。結果を図１１に示す。供給溶液の流量は、直径２５ｍｍのフィルタを使用して３ｍＬ／分であった。膜の圧力降下を試験工程中にモニタした。

メタニルイエローの捕捉率は、１８０分間の吸着後、９０％を超えて維持されることが観察された。圧力降下は、９０分間の試験後、３．５ｐｓｉであった。しかしながら、１８０分間の試験後、圧力降下は１．２から１４ｐｓｉに増大し、これはＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜が長時間にわたる吸着後（１．５ｐｐｍの染料で最高３時間）に詰まったことを示した。この問題に対処するために、実施例２５に示すように、ＰＥＴを、架橋ＰＥＩ修飾精密ろ過膜を作製するための支持体として利用した。

実施例２５
直径２５ｍｍの実施例１６の架橋ＰＥＩ／ＰＥＴ膜ディスクを純水で１０分間にわたって３ｍＬ／分で洗浄し、図１２に示すように、異なる濃度及び異なる流量でのメタニルイエロー溶液の吸着について負荷試験に供した。ＰＥＩ／ＰＥＴ膜を、異なる濃度のメタニルイエロー水溶液での負荷試験に供した。ＰＥＩ／ＰＥＴ膜は１．５ｐｐｍ溶液でたちまち機能しなくなった。しかしながら、流量を１ｍＬ／分にまで低下させると又は染料溶液の濃度を０．５ｐｐｍにまで低下させると最高９０分までかなり高い捕捉率が観察された。より重要なことに、圧力降下はろ過工程中、約０ｐｓｉであった。この結果は、大きな細孔径を有する基体を、本発明の表面修飾剤での処理後に低圧フィルタとして使用できることを示す。

実施例２６
高ｐＨ溶液を、実施例１５の架橋ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜及び市販のＣＵＮＯ（登録商標）精密ろ過フィルタの負荷試験に使用した。直径２５ｍｍの膜ディスクを純水で１０分間にわたって３ｍＬ／分で洗浄した。ｐＨ９の１．５ｐｐｍのメタニルイエロー溶液を試験に使用し、流量は３ｍＬ／分であった。ＣＵＮＯ（登録商標）フィルタの厚さは約３００μｍであり、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜の厚さは約１５０μｍであった。架橋ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＡＷＡ膜のＰＡＮ基体の厚さは約５０μｍであった。全ての膜が約５分後に吸着試験に失敗した。ＣＵＮＯ（登録商標）フィルタの圧力降下は、ろ過後、約０．３ｐｓｉであった。ｐＨ９でのＰＥＩ／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜及びＣＵＮＯ（登録商標）フィルタの吸着容量を図１３に示す。これらの結果は、ＰＥＩ／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜のｐＨ耐性を上昇させるために第四級アミノ種を使用し得たことを示す。

実施例２７
直径２５ｍｍの、異なる量の３つの構成成分（それぞれＥＧｄＧＥ／ＧＴＭＡＣｌ／ＰＥＩ＝０．２％／０．８％／１．０％、０．１％／１．６％／０．５％及び０．０５％／２．０％／０．２５％）で作製したＥＧＧＥ／ＧＴＭＡＣｌ／ＰＥＩ膜ディスクを、Ｍｉｌｌｉ−Ｑ水（２５℃で１８．２ＭΩｃｍ^-1を有する）で１０分間にわたって３ｍＬ／分で洗浄した。ｐＨ＝９．１の１．５ｐｐｍのメタニルイエロー溶液を使用して、膜を流量３ｍＬ／分の負荷試験に供した。ＧＴＭＡＣｌの濃度を１．６ｗｔ％より高く上昇させた場合、高メタニルイエロー染料（ｐＨ９）捕捉率が、最高４０分間にわたって達成され、これは同じ条件下のＣＵＮＯ（登録商標）ＭＦフィルタのものより８倍高い。試験後の圧力降下はそれぞれ２．５、２．０及び２．３ｐｓｉであった。（ＥＧＧＥ／ＧＭＡＣｌ／ＰＥＩ）／ＰＡＮ／ＰＥＴ及びＣＵＮＯ（登録商標）ＭＦフィルタのｐＨ９での吸着容量を図１４に示す。ＥＧＧＥ／ＧＴＭＡＣｌ／ＰＥＩ膜を、ＰＡＮ／ＰＥＴにＰＥＩ、グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）及びエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）の混合物をＥＧＧＥ／ＧＴＭＡＣｌ／ＰＥＩ比＝０．１ｗｔ％／１．６ｗｔ％／０．５ｗｔ％でコーティングすることによって作製した。様々なｐＨ値（それぞれ３．１、７．０及び９．２）のメタニルイエロー溶液（１．５ｐｐｍ）を使用して膜を負荷試験に供した。異なるｐＨ値での（ＥＧＧＥ／ＧＭＡＣｌ／ＰＥＩ）／ＰＡＮ／ＰＥＴ膜の吸着容量を図１５に示す。少なくとも３０分間にわたって試験した場合、膜は３つのｐＨ値（３．１、７．０及び９．２）のそれぞれについて＞６０％の捕捉率を有した。これは、５０％の捕捉率を閾値と定義した場合に、膜が確固たる吸着容量を有することを示した。

したがって、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、当業者ならば、本発明の趣旨から逸脱することなく他の実施形態を作りだし得ることを理解する。また、全てのそのような更なる改変及び変更を本明細書に記載の請求項の真の範囲内に含むものとする。

Claims

高流速で低圧力降下の精密ろ過膜を形成する方法であって、
ナノファイバ構造体を準備すること、及び
前記ナノファイバ構造体の表面を表面修飾剤で修飾することを含み、
前記表面修飾剤が、グルタルアルデヒド（ＧＡ）又はエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ポリ（ＶＥＶＩＭＩＢｒ））で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）及びポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）を含む、前記方法。
前記ナノファイバ構造体が、エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド又はグラスマイクロファイバスキャフォールド又はこれらの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
前記エレクトロスパンナノファイバスキャフォールドが、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はこれらの混合物を含む、請求項２に記載の方法。
前記ナノファイバ構造体が、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はこれらの混合物を含むエレクトロスパンナノファイバスキャフォールドを含む、請求項１に記載の方法。
前記ナノファイバ構造体が、約５０ｎｍ〜約５ミクロンの直径を有するファイバを含む、請求項１に記載の方法。
前記ナノファイバ構造体が、約５０〜約５００ｎｍの直径を有するファイバを含む、請求項１に記載の方法。
前記表面修飾剤が、インシチュ重合で生成される、請求項１に記載の方法。
前記表面修飾剤が前記ナノファイバ構造体の表面上でコーティングを形成し、前記コーティングが約５〜３０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
前記表面修飾剤が前記ナノファイバ構造体の表面上でコーティングを形成し、前記コーティングが約１０〜２０ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
高流速で低圧力降下の精密ろ過膜を形成する方法であって、
エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド又はグラスファイバスキャフォールド又はこれらの混合物を含むナノファイバ構造体を準備すること、及び
前記ナノファイバ構造体の表面を表面修飾剤で修飾することを含み、
前記表面修飾剤が、グルタルアルデヒド（ＧＡ）又はエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）及びポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）を含み、前記表面修飾剤がインシチュ重合で生成される、前記方法。
前記エレクトロスパンナノファイバスキャフォールドが、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はこれらの混合物を含む、請求項１０に記載の方法。
前記ナノファイバ構造体が、約５０ｎｍ〜約５ミクロンの直径を有するナノファイバを含む、請求項１に記載の方法。
前記表面修飾剤が前記ナノファイバ構造体の表面上でコーティングを形成し、前記コーティングが約５０〜５００ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
浄水用の精密ろ過膜であって、
エレクトロスパンナノファイバスキャフォールド又はグラスファイバスキャフォールド又はこれらの混合物を含むナノファイバ構造体と、
表面修飾剤を含む、前記ナノファイバ構造体に適用されたコーティングとを備え、
前記表面修飾剤が、グルタルアルデヒド（ＧＡ）又はエチレングリコールジグリシジルエーテル（ＥＧｄＧＥ）／グリシジルトリメチルアンモニウムクロリド（ＧＴＭＡＣｌ）又はポリ（１−（１−ビニルイミダゾリウム）エチル−３−ビニルイミダゾリウムジブロミド（ＶＥＶＩＭＩＢｒ）で架橋したポリエチレンイミン（ＰＥＩ）及びポリビニルアミン（Ｌｕｐａｍｉｎ）を含み、前記表面修飾剤がインシチュ重合で生成される、前記精密ろ過膜。
前記エレクトロスパンナノファイバスキャフォールドが、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）／ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）又はこれらの混合物を含む、請求項１４に記載の精密ろ過膜。
前記ナノファイバ構造体が、約５０〜約５０００ｎｍの直径を有するナノファイバを含む、請求項１４に記載の精密ろ過膜。
前記表面修飾剤が前記ナノファイバ構造体の表面上でコーティングを形成し、前記コーティングが約５〜３０ｎｍの厚さを有する、請求項１４に記載の精密ろ過膜。