JP2016514049A - マルチブロックコポリマー及び使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2013年3月11日に出願された米国仮特許出願第61/851,615号、及び2013年9月6日に出願された米国仮特許出願第61/874,776号に対する優先権を主張し、その各々の内容はその全体が参照により本明細書に援用される。
[2]本発明は、国立衛生研究所により授与されたDHHS RR025761の下に政府支援により成された。政府は、本発明において特定の権利を有する。
[3]本発明は、ポリマー組成物及びそれらの製造に関する。具体的には、本発明は、マルチブロックポリマー及びコポリマー、それらの製作、修飾、及び/または官能化、ならびに膜またはフィルムとしての使用に関する。
[4]化学的分離は、エネルギーを多量に消費する。人間による1日のエネルギー使用の約10パーセントは、これらのプロセスを稼働させるために消費される。それらの大きなエネルギー需要に関わらず、化学的分離は、食品の生産、飲料水の浄化、及び治療薬の開発に不可欠である。したがって、地球上の人間の生活を持続するために重要な必須の資源を生成するための、エネルギー効率の良い環境配慮型の持続可能な材料及び分離プロセスを作り出す必要が存在する。
[9]本発明は、より持続可能な化学的分離への道筋として証明されている、膜分離の実装のための新規の材料、プロセス、及びデバイスの開発及び製造のための新規の方法を提供する。
I.序論
[34]本発明は、これまで達成することができなかった物理的及び化学的特性を有する新規の膜の製造を可能にする。ブロックコポリマーを用いた先行研究は、膜材料内部に組み込まれた垂直に配向された最密円筒形構造のナノスケールの多孔性パターンの整形を可能にすることによって、膜の設計に特に有用であり得るプロセスパラメータを制御することによって得ることができる、自己組織化パターンを示している。しかしながら、以前の研究は、これらの膜の使用、例えば、逆浸透膜に必要となる、小さい孔サイズを達成することができていなかった。
[40]従来、膜は、1)高度に多孔性の膜をもたらす、相分離技術、または2)単分散サイズを有する低密度の孔を含有するトラックエッチド膜を生成する、濃いフィルムの高エネルギー衝撃を使用して製作されてきた。しかしながら、これらの方法で作製された現在の濾過膜は、高流速と高サイズ選択性との間のトレードオフ及び汚染の悪影響のため、特定の用途から阻まれている。さらに、狭く分布した孔を有する現在の商業用膜は、異なる化学的官能性を有する類似のサイズの材料を分離する能力を有さない。
(i)5nm未満の実質的に均一な直径と、
(ii)1nm未満の実質的に均一な孔径の標準偏差と、
(iii)膜の表面と概ね垂直である実質的に均一な配向と、を有する、有機膜を提供する。
[54]一態様では、巨大分子は、測量可能なSNIPSプロセスを使用して大きい膜面積を製作した後、膜孔が、固体状態で無数の官能基に容易に変換され得る官能性部分によって覆われるように、設計することができる。このプロセスは、膜の「分子からモジュールへの(molecule−to−module)」制御を可能にする。これは後に、確立された新興の膜分離における構造−特性−性能関係の開発を可能にする。重要なことに、これらの関係は、合理的及び体系的様式で膜の設計を最適化するために利用することができる。
[58]ポリマーは、1つ以上のモノマーで構成される構造である。2つのモノマー種から作製されるポリマーは、コポリマーと称される。コポリマーは、モノマー単位の分布に基づいてさらに分類することができる。例えば、モノマー種「A」及び「B」を有するコポリマーは、モノマー単位がA−B−A−Bなどの交互の方法で分布する場合、交互コポリマーと称されることができる。AAA−BBBなどのパターンのモノマー分布を有するコポリマーは、種がポリマーに沿ってブロックで配列されるため、ブロックコポリマーと称される。ブロックコポリマー内のホモポリマー単位は、典型的には、共有結合によって結び付けられる。同一のブロックコポリマーの基礎アーキテクチャは、より複雑な構成に拡張することができる。例えば、トリブロック、テトラブロック、またはマルチブロックコポリマーも、作り出すことができる。マルチブロックは、2より大きいかそれと同等の不特定の数のブロックを指す。同様に、2つを超えるモノマー種から成る、より複雑なポリマー。これらは、3つのモノマー種の場合はターポリマー、4つの場合はテトラポリマー、または2より大きいかそれと同等の不特定の数のモノマー種の場合はマルチポリマーと称されることもある。
が挙げられる。
[68]ナノスケールの機械的、電気的、化学的、及び生物学的デバイス及びシステムの開発が増加するのに伴い、新規のプロセス及び材料がナノスケールのデバイス及び構成要素を製作するために必要である。自己組織化性ブロックコポリマーの使用は、ナノメートル寸法のパターン形成への別の道筋を提示する。ブロックコポリマーとして広範に定義される特定の種類のポリマーの自己組織化特性は、膜材料の作製への可能なアプローチとして調査されてきた。
a)制御ラジカル重合機構を使用して自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーを合成するステップと、
b)非溶媒誘起相分離[SNIPS]を使用して、自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーからナノ構造膜を製作するステップと、を含み、
マルチブロックコポリマーは、ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(N,N−ジメチルアクリルアミド)[PI−PS−PDMA]またはポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(tert−ブチルメタクリレート)[PI−PS−PtBMA]を含むターポリマーを含む、方法提供する。
[72]本発明によれば、本明細書に説明される膜、フィルム、及び/またはデバイスは、単独でかまたは組み合わせて、固体、液体、または気体媒質の分離、濃縮、精製、抽出、クロマトグラフィー、または濾過を達成するために使用することができる。場合によっては、目標は、油または価値のある鉱物もしくは材料の水源からの抽出などの、分離された材料を収集することであってもよい。他の実施形態では、これらの2つの目標は、水をきれいにし、また同時に除去された汚染物質の一部から価値を収集及び抽出する目的と共に、同時に追求することができる。
[73]種々の実施形態では、本発明は、マルチブロックコポリマーを調製する方法と、重要な濾過特性を有する膜を含む、膜を使用するための方法とを提供する。この文脈において、本発明は、水源を浄化、脱塩、または汚染除去して、よりきれいな水を得るためのプロセスにおける有用性を見出す。
[79]水の処理に加えて、限外濾過(約10〜100nmの孔サイズ)及びナノ濾過(約1〜10nmの孔サイズ)膜は、達成するサイズ選択的分離を達成するために製薬産業において広く使用される。例えば、金属、細菌、ウイルス、及び他の有機物は、限外濾過(UF)及びナノ濾過(NF)膜を使用して水溶液から選択的に分離されている。さらに、UF及びNF膜は、薬物送達における物質移動、微細パターン形成、生物学的感知、及び固定化用途を媒介するために使用されてきた。しがたって、これらの技術プラットフォームの材料組成及びナノ構造の制御は、最も重要である。本発明の膜は、これらの問題に対処する。
[82]本発明の一態様によれば、膜またはフィルムは、特定の有害性元素を水源から除去するために使用することができる。1つのかかる用途は、セレニウムの除去である。一実施形態では、本発明の膜またはフィルムは、流水を透明にするかもしくはきれいにする目的のために、または飲用以外の目的のための水の改善において、単独で、またはデバイス内で使用される。
[85]本発明の別の態様によれば、膜及び/もしくはフィルム、またはそれを備えるデバイスは、超純水の生成のために半導体産業において使用することができる。
[86]本発明のまた別の態様によれば、膜、フィルム、及びデバイスは、遠隔地、軍事施設、緊急または災害救助に関する状況、人道的任務などを含むがこれらに限定されない、遠隔または緊急の環境内に配備するのに有用である。
核磁気共鳴(NMR)
[88]1H NMRスペクトルを、重水素化クロロホルム(Sigma−Aldrich)中の約1重量%のポリマー溶液を使用して、Bruker DRX500分光計上で測定した。サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)データを、Hewlett−Packard G1362A屈折率(RI)検出器及び3つのPLgel5μmMIXED−Cカラムを備え付けたqHewlett−Packard 1260 Infinity series上で収集した。移動相は、35℃、1mL min−1の流速のテトラヒドロフラン(THF)で構成された。SECは、1kg mol−1〜200kg mol−1の範囲にわたる分子量を有するポリスチレン基準(Agilent Easi Cal)を使用して較正した。示唆走査熱量測定(DSC)データを、TA Instruments Q20 Series示唆走査熱量計を使用して収集した。試料を、初めに200℃に加熱し、10分間等温保持した後、窒素ガスパージ下で−75℃に冷却した。示されるデータは、10℃ min−1における、−75℃〜200℃の最終走査からのものである。
[89]全反射フーリエ変換赤外線(ATR−FTIR)分光測定を、ダイヤモンド基材を備え付けたThermo−Nicolet Nexus FTIRを使用して取得した。窒素で常にパージしながら、ATR−FTIRデータを、DTGS KBr検出器及びKBrビーム分割器を使用して4500〜800cm−1の範囲内にて32走査で収集した。約1%(重量基準)のブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)を含有する粉末の小角度X線散乱(SAXS)測定を、2mm厚のポリマーディスクをCarver pressを使用して洗浄器内に圧入することによって調製した。次に、粉末試料を、真空下で180℃にて24時間焼鈍し、次に室温に冷却した。SAXS実験は、Stanford Synchrotron Radiation Laboratory(SSRL)のビームライン1〜4で実施された。
[90]全ての化学物質は、別段に記載のない限りSigma−Aldrichから購入した。脱気した阻害剤を含まないテトラヒドロフラン(THF)(Sigma−Aldrich)を、アルミナカラム(Innovative Technology)を通した通過によって精製した。イソプレーン、スチレン、及びΝ,Ν−ジメチルアクリルアミドを、使用前に塩基性アルミナ(Fisher Scientific)カラムを通した通過によって精製した。Millipore水質浄化システム(Milli Q Advantage A10,Millipore Corporation,Bilerica,MA)は、脱イオン水を提供し、それを、膜製作中の非溶媒として、透過性及び溶質拒絶試験のための溶液調製において、及び実験の最後に試験セルを濯ぐために使用した。
[91]ポリイソプレンの合成。可逆的付加開裂連鎖移動(RAFT)重合機構を、ポリイソプレンの合成のために利用した(Jitchum and Perrier,Macromolecules 2007,40,1408−1412;Germack et al.,J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.2007,45,4100−4108を参照)。重合を、テフロン(登録商標)コーティングした磁気攪拌棒を含有する25mLの真空炎乾燥した反応フラスコ内で実施した。15mL(0.15mol)のイソプレーン、24.2mg(0.07mmol)の2−(ドデシルチオカルボノチオイルチオ)−2−メチルプロパン酸(連鎖移動剤)、及び2.5μL(0.01mmol)のtert−ブチルペルオキシドを、反応フラスコに添加した。固体が溶液中に完全に溶解した後、4つの凍結脱気サイクルを実施した。次に、反応フラスコをアルゴンで再充填し、反応を120℃に加熱した。反応フラスコ中の溶液を、120℃で40時間攪拌した。混合物を室温に冷却し、メタノール中で3回沈殿させ、生成物(PI)を真空下で24時間乾燥させた(1H NMRを介してMn=14.2kDa;D=1.3)。
[94]膜注形手順。膜を、自己組織化及び非溶媒誘起相分離(SNIPS)法を使用して注形した。注形液を、ジオキサン及びテトラヒドロフランの70/30(重量/重量)混合物中に15重量%の濃度でPI−PS−PDMAターポリマーを溶解させることによって調製した。ターポリマーが完全に溶解した後、溶液を、攪拌せずに一晩放置して、溶液中で気泡が捕捉されないことを確実にした。膜を調製するために、溶液を、254μmのゲート高でドクターブレードセットを使用して、ガラス基材上の薄フィルム内へ引き入れた。注形後、溶媒をフィルムから75秒間蒸発させ、その後、フィルムを、非溶媒(DI水)槽中に入れて、ポリマー沈殿を誘起した。製作後、膜を、乾燥及びフィルムの亀裂を防止するためにDI水中に保管した。
[98]PDMAドメインのPAAへの変換は、文献に説明されるプロトコルに基づく(Rzayev and Hillmyer,J.Am.Chem.Soc.2005 127,13373−13379)。膜片を、6MのHCl水溶液中に85℃で所定の時間浸した。酸性溶液から除去した後、膜材料を、DI水中で繰り返し洗浄した。変換された膜を、次にATR−FTIR分光法及び輸送試験を使用して分析した。
[99]撹拌セル実験デザイン。輸送試験を、10mLのAmicon 8010撹拌セル中で実施した。PI−PS−PDMA(またはPI−PS−PAA)膜の1インチ直径の円形片を、標準的なハンドパンチを使用して製作した。クレーンカレンダー加工したPP/PE不織微孔性基材の1インチ直径の片を、支持のために攪拌セルの底部に定置し、膜をこの支持の上部に定置した。撹拌セルを、10mLの溶液で充填し、次に蓋をし、窒素で与圧した。透過液を、秤の上に安置したバイアル内に収集した。バイアルの質量を、規則的な間隔で収集して、水流束を算出した。膜の水力学的透過性を、種々の印加圧力における水流束を測定することによって決定した。
及び
は、それぞれ、透過物及び供給物中のPEOの濃度を表す。
[105]環境負荷の少ない高度な分離プロセスのためのトリブロックターポリマー膜の良好な形成に重要なのは、十分に制御された、及び十分に設計された巨大分子の合成である。化学反応機構及び化学的官能性の合理的な設計によって、容易に制御可能で高度に調節可能な分子量、分子量分布、及び化学組成を有するトリブロックターポリマーを作成することができる。制御重合化学を使用したこれらの3つのパラメータの操作は、有益な構造−特性関係の開発に有用である、ドメイン幾何形状及び膜多孔性を体系的様式で調節することを可能にする。
[110]この重要な変換は、その後にPMAA官能性を多数の他の化学的性質に固体状態のままで容易に変換することが可能であるため、従来のブロックコポリマー系膜技術を上回るまた別の利点を提供する。カルボン酸官能性からアルコール、アルケン、またはアミンのものへの変換は、比較的容易に、また90%を超える化学的変換を伴って、固体状態のナノチャネルにおいて進行することが示されている。
[115]化学的に活性な膜のナノ構造が、輸送及び分離作業にどのように影響を与えるのかを完全に理解する能力は、提案される次世代型の膜の作業効率に重要である。我々は、PI−PS−PtBMA巨大分子は、1nm未満〜100nmの範囲にわたる特徴的な長さ規模を有するドメインに容易にミクロ相分離することができ、これは、高毒性材料の分離における有用性に重要であることを確立した。これらのドメインのサイズ及び形状は、構成部分の各々の分子量を制御することによって、容易な様式で制御することができる。
[122]X線散乱及び顕微鏡法技術を使用して、面積の大きい膜を製作し、それらのナノ構造を広く確立した後、膜構造とその輸送特性との間の関係を研究及び理解することは不可欠である。具体的には、構造と特性との間のこの関係の理解を通して、膜構造を合理的に修正して、最終用途における性能を最適化することが可能である。さらに、PMAAに容易に変換され得るPtBMAに覆われた孔壁の生成は、孔の化学的性質の多数の所望の官能性への容易な修正を可能にする。膜構造及び化学的性質を容易に調整する能力は、よりエネルギー効率の良い環境配慮型の分離が開発されることを可能にする。重要なことに、これは、新規のトリブロックターポリマー系膜の輸送特長の注意深い試験に依存する。
[128]別の実施形態は、組み換えタンパク質及び生体分子を含む、治療用タンパク質の高処理能力の濃縮及び精製のための選択的な防汚膜を提供する。
[129]十分に制御され、十分に設計された巨大分子の合成は、トリブロックターポリマー膜の良好な形成に重要である。化学反応機構及び化学官能性の合理的な設計によって、容易に制御可能で高度に調節可能な分子量、分子量分布、及び化学組成を有するトリブロックターポリマーを作成することが可能である。制御重合化学を使用したこれらの3つのパラメータの操作は、ドメイン幾何形状及び膜多孔性を体系的様式で調節することを可能にし、それは、有益な構造−特性関係の開発に重要である。本発明の一態様は、ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(N,N−ジメチルアクリルアミド)(PI−PS−PDMA)A−B−Cトリブロックターポリマー、ポリマー鎖の長さに沿った特有の化学的設計の3つのセグメントが存在する巨大分子を作成する。これは、2つの「リビング」重合機構を通じて達成することができる。重要なことに、このA−B−Cターポリマーは、膜孔壁の官能性が、最適化された固体状態のナノ構造が固定された後に、単純な化学処理を通じて変更されることを可能にする。
[130]PI−PS−PDMA巨大分子は、1m未満〜100mの範囲にわたる特徴的な長さ規模を有するドメイン(即ち、孔径)に容易にミクロ相分離することができ、これは、生物製剤の分離における有用性に重要である。これらのドメインのサイズ及び形状は、構成部分の各々の分子量を制御することによって、容易な様式で制御することができる。孔サイズ及びナノ構造の適切な特徴付けは、最終使用者にとって重要であろう。これらの薄フィルムを特徴付けるために、原子間力顕微鏡法(AFM)及び小角度X線散乱(SAXS)、ならびに透過電子顕微鏡法(それぞれ、SEM及びTEMを使用することができる。この方法では、得られる膜の完全なナノ構造は、輸送測定の前に理解されることができる。さらに、薄フィルムを堆積させた後、ナノ多孔性PI−PSマトリックスの孔をコーティングするPDMAブラシ(図1)は、膜を固体状態で弱塩酸溶液に曝露することによって、ポリ(アクリル酸)(PAA)に変換されることができる。ここでも、固体状態で、孔の内側のカルボン酸官能性(図1)は、任意の数の特定された防汚化学的性質(例えば、ポリ(エチレンオキシド)、ポリ(スルホベタイン)、及びポリグリセロール)に容易に変換することができる。
[131]膜製作プロセスは、その構造がブロックターポリマーによってテンプレート化された、微孔性支持層の上部にある選択層を生成するべきである。注形プロトコルの3つの要件が存在する。まず、この層は流れに対する主要な耐性を提供するため、それは、薄い選択層を生成しなければならない。次に、プロトコルは、流れが接近することができる高密度の単分散ナノ孔を作り出すために、トリブロックターポリマーの自己組織化を制御しなければならない。最後に、ナノ孔は、増加された生成ストリームのための高流束の溶液を促進するために、より大きい寸法(即ち、微細孔)を有する層に対して迅速に開放しなければならない。図3の断面SEM画像内に示される通り、この最適化された膜構造を作成するためのかかる方法は、別のブロックコポリマーシステムに関して開発されている。このシステムから得られた知識は、本明細書に説明されるようなより強固で化学的に多様なシステムに拡張することができる。
[138]本発明の別の実施形態は、トリブロックターポリマーテンプレートから化学的に調整された孔壁を有する調節可能なナノ多孔性膜を提供する。自己組織化ブロックポリマーに由来する膜は、高度に選択的で高度に透過性のフィルタとして有望であることが示されているが、既存のシステムの複雑な合成経路及び限定された孔官能性は、これらの材料が、次世代型ナノ構造膜のためのプラットフォームとして機能することになるのであれば、改善される必要がある。
[143]制御ラジカル(例えば、RAFT)重合は、現在のポリマー合成市場において優勢である任意の既存のフリーラジカル重合が、RAFT(または任意の他のリビングフリーラジカル制御)剤の単純な添加によって、ブロックポリマーの容易な合成のために改良されることを可能にする。この理由のため、この作業において使用されるPI−PS−PDMAトリブロックターポリマーは、RAFT媒介性重合機構(スキーム1)を使用して合成した。
[150]親膜の水力学的透過性を、5〜40psiの範囲に渡る印加圧力において水流束を測定することによって決定した。それらは、40psiの印加圧力における反復作業に容易に耐えた。さらに、実用的用途では、これらの膜は、それらの機械的安定性を改善するのに役立つように微孔性支持体上に注形されるであろう。水流束の印加圧力に対するデータを、その傾斜が水力学的透過性に等しい線型方程式と一致した(図10)。
[153]パーセント拒絶値を、膜を通過した溶液中のPEO濃度を最初の供給液中のPEO濃度と比較することによって算出した。溶質拒絶実験の結果は、図12に四角によって表され、MWCO曲線(即ち、分子量に対してプロットされた溶質拒絶)は、図13に提供される。これらの実験の間、供給液を、約1.0x10−5m s−1の物質移動係数kを生成するように400rpmにて攪拌し、一方MWCO試験中の水流束Jwは、7.9x10−7m s−1に等しかった。これは、濃度分極が激しくなる推奨限界より著しく低いおおよそ0.13のJw/k値をもたらすため、提示された結果は単に、サイズに基づいて溶質を分離するターポリマー膜の能力の機能である。
は、65.8nmとなる。したがって、鎖が孔の両側から完全に延長される場合(131.6nm)、孔は、より完全に閉止するであろう。しかしながら、溶媒反復単位混合のエンタルピーと鎖伸長に関連付けられるエントロピーとの間の釣り合いのため、中程度の密度の表面グラフトポリマーブラシ鎖の長さは、ポリマーブラシが良好な溶媒中にある場合、NO.6としてスケーリングすることが知られている。
[156]このスケーリング挙動は、ポリマーブラシがナノスケール円筒に限定されるときに変化する。具体的には、計算モデルは、中程度のブラシ密度レジームにおける比較的大きいポリマーに関して、ポリマーブラシのサイズは、良好な溶媒中でNO.8に対応するであろうと予測する。計算からのスケーリングを使用すると、孔内部の延長されたPDMAブラシは、約22nmの長さとなる。したがって、湿潤状態での膜に関する有効な孔径(即ち、MWCO試験から算出される孔サイズ)は、乾燥状態[即ち、SEM画像を使用して決定され、気体隔膜セル実験によって支持される孔サイズ(図14)]と比較して44nm小さいであろう。これは、約9nmの湿潤状態での有効な孔径を導き、これは、特にスケーリング分析の単純な性質を鑑みれば、輸送試験研究とよく合致する。
[157]この仮説を実験的に調査するために、PI−PS−PDMA膜の構造を、膜の孔を親水性イオン性液体、1,3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメチル)スルホニルイミド([mmim][Tf2N])で湿潤することによって、溶媒和状態で特徴付けた。[mmim][Tf2N]の蒸気圧はゼロに達するため、SEMの真空環境におけるその蒸発速度はごく僅かであり、溶媒和されたPDMAブラシの配位を、電子顕微鏡負を使用して観察することを可能にする。溶媒和状態では、PDMAブラシは、孔の中心に向かって延長し、有効な孔径を低減する(図15)。場合によっては、延長したPDMA鎖は、孔幅にわたり、キノコ様構造を形成するように見える。膜の孔内へのPDMAブラシのこの延長はまた、図9に観察される孔サイズの広がりに関わらず、図12に報告される極めて鋭利なMWCOの合理化を提供する。
[159]PDMA部分のPAAへの変換を、6MのHCl水溶液中への親膜の浸漬を介して実施した。PDMAのPAAへの感知され得る変換は、60℃未満の温度では観察されなかったが、これまでの報告と一致して、高度の変換が85℃の溶液温度で観察された。
[163]PAAへの変換後、膜の水力学的透過性を、1〜12の間のpH範囲にわたって決定した。これらのデータは、図11に菱形によって表される。膜の透過性は、供給液のpHがpH12.0から4.0に減少されたときに、低いままであった(約0.6Lm−2h−1bar−1)。pH3.5では、透過性における急な増加が存在した。pHがさらに減少されると、透過性は、増加し続け、pH3.0付近で親膜のものを超過した。透過性は、pHのさらなる減少に伴い横這いにはならず、最大の決定された透過性は、1.0のpHにおいて16Lm−2 h−1 bar−1を上回り、これは、高い流束の商業用ナノ濾過及び中程度の流束の商業用限外濾過膜に匹敵する。
[165]PDMAのPAAへの分画分子量実験を実施し、図12に菱形によって示される曲線を得た。この実験は、孔壁を覆うPAA鎖が孔内に延長して、流れを制限することが期待される、脱イオン水(pH=5.5)中で実施した。曲線は、1.25nmを上回る特徴的な半径を有する溶質に関して完全に近い拒絶を、及び半径0.8nmの溶質に関する中程度の拒絶(約76%)を示す。この曲線は、親曲線の左へ推移しており、ここでも、PAAで覆われた膜の孔サイズが親膜より小さいことを示唆している。
[168]膜フィルムの動的機械的分析(DMA)実験を、TA Instruments DMA Q800を使用して引張荷重モードで実施した。湿潤フィルム実験のために、ある長さのフィルム(約25mm、10mmずつ)を、2つの引張接点の間に締め付けて固定した。湿潤フィルム実験を、加湿器アタッチメントを使用して、35℃、相対湿度95%、応力速度0.5N min−1で実施した。
[170]我々は、標準的な撹拌セルシステムを使用して、溶質サイズの差に基づいて分子を分離する能力を実証した。膜をシステム内に定置した後、膜に、1.1〜10kDaの分子量の範囲にわたるポリエチレンオキシド(PEO)分子を含有する溶液を用いて挑戦した。必要に応じて、より大きい寸法を有する孔を特徴付けるために、より大きい分子量を使用することができる。PEO分子の流体力学的半径を、固有粘度及び拡散係数データを使用して算出した。流体力学的半径は、0.75〜3.0nmの範囲にわたった。パーセント拒絶値を、膜を透過した溶液中のPEO濃度を最初の供給液中のPEO濃度と比較することによって算出した。PEOの濃度を、全有機炭素分析を使用して決定した。
[176]我々は、PAA部分のカルボン酸官能性を、単純なカップリング反応を通して、アルコール、システアミン、及びアルキル鎖のもの、ならびにスルホン酸官能性に変換する能力を実証した。具体的には、構造NH2−R(Rは、上記に説明される特定の化学的官能性である)の小分子。固体状態かまたは液体反応かのいずれかとして使用することができるこの広範なプラットフォームは、耐久性、及びアミンとカルボン酸との間の凝縮反応に関連付けられる高い駆動力のため、任意の他のR官能性を受け入れる。
[177]以下の定義は、本明細書及び特許請求の範囲の明確で一貫した理解を提供するために含まれる。本明細書で使用されるとき、記載される用語は以下の意味を有する。本明細書にて使用され全ての他の用語及び語句は、当業者が理解するであろう通りそれらの通常の意味を有する。
[194]特定の成分及び割合は、例証の目的である。成分は、関心の剤形の所望の特性に従って、変動し得る好適な同等物及び割合と交換されてもよい。
Claims (47)
- 5nm未満の平均直径を有する孔を含有するナノ多孔性活性選択層を備える、マルチブロックコポリマー膜。
- 微孔性支持層をさらに備える、請求項1に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 前記ナノ多孔性活性選択層の前記平均孔径は、1nm未満である、請求項2に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 前記ナノ多孔性活性選択層の前記平均孔径は、1nm未満である、請求項1に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- ブロックターポリマーである、請求項2に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 前記ターポリマーは、PI−PS−PDMA及びPI−PS−PtBMAから成る群から選択される、請求項5に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 請求項1または2に記載のマルチブロックコポリマー膜を備える、デバイス。
- 逆浸透または順浸透システムを備える、請求項7に記載のデバイス。
- 気体分離システムを備える、請求項7に記載のデバイス。
- 前記膜は、逆浸透、順浸透、またはナノ濾過膜である、請求項1または2に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 前記膜は、アルコール、ヒドロキシル、カルボニル、アルデヒド、チオール、ケトン、ハロゲン化アシル、炭酸塩、カルボン酸塩、カルボン酸、エステル、メトキシ、ヒドロペルオキシド、ペルオキシド、エーテル、ヘミアセタール、ヘミケタール、アセタール、ケタール、アセタール、オルトエステル、ヘテロ環、オルト炭酸エステル、アミド、アミン、イミン、イミド、アジド、シアン酸塩、硝酸塩、ニトリル、亜硝酸塩、ニトロ化合物、ニトロソ化合物、ピリジン、ピリジン誘導体、チオール、スルフィド、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、硫酸、スルホン酸、チオシアン酸塩、チオン、チアール、ホスフィン、ホスファン、ホスホン酸、リン酸塩、リン酸ジエステル、ボロン酸、ボロン酸エステル、ボリン酸、ボリン酸エステル、カルボン酸、アルキル基、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される部分で化学的に官能化されている、請求項1または2に記載のマルチブロックコポリマー膜。
- 前記化学的官能化は、前記膜が注形された後に付与または変更されている、請求項11に記載の膜。
- 溶液を分離、精製、濾過、または濃縮するための方法であって、請求項7に記載の前記デバイスを前記溶液と接触させることを含む、方法。
- ナノ多孔性活性選択層を備える有機膜であって、前記ナノ多孔性活性選択層は、複数の孔を備え、前記孔は、
(i)5nm未満の実質的に均一な直径と、
(ii)1nm未満の前記実質的に均一な孔径の標準偏差と、
(iii)前記膜の表面と概ね垂直である実質的に均一な配向と、を有する、有機膜。 - 前記孔は、
(i)1nm未満の実質的に均一な直径と、
(ii)約0.5nm未満の前記実質的に均一な孔径の標準偏差と、を有する、請求項14に記載の有機膜。 - 請求項14に記載の前記有機膜を備える、デバイス。
- 溶液を分離、精製、濾過、または濃縮するための方法であって、請求項14に記載のデバイスを前記溶液と接触させることを含む、前記方法。
- 自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーのナノ構造膜を形成するための方法であって、
a)制御ラジカル重合機構を使用して、前記自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーを合成するステップと、
b)非溶媒誘起相分離[SNIPS]を使用して、前記自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーから前記ナノ構造膜を製作するステップと、を含み、
前記マルチブロックコポリマーは、ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(N,N−ジメチルアクリルアミド)[PI−PS−PDMA]またはポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(tert−ブチルメタクリレート)[PI−PS−PtBMA]を含むターポリマーを含む、方法。 - 前記自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーは、化学的に調節可能な膜表面を備える、請求項18に記載の方法。
- 前記自己組織化PI−PS−PDMAターポリマーのPDMAドメインをポリ(アクリル酸)[PAA]に変換するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 前記自己組織化PI−PS−PtBMAターポリマーのPtBMAドメインをポリ(メタクリル酸)[PMAA]に変換するステップをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 前記変換は、固体状態で実行される、請求項20または21に記載の方法。
- 前記変換は、加水分解を介して達成される、請求項22に記載の方法。
- 前記加水分解剤は、HClまたはTFAである、請求項23に記載の方法。
- 前記加水分解剤は、HClである、請求項24に記載の方法。
- 前記ポリ(カルボン酸)ドメインを所望の化学的官能性に変換することをさらに含む、請求項20または21に記載の方法。
- 前記所望の化学的官能性は、ポリ(エチレンオキシド)、ポリ(スルホベタイン)、ポリ(グリセロール)、ポリ(チオール)、ポリ(アルカン)、ポリ(スルホネート)、及びポリ(アルコール)ペンダント化学的性質から成る群から選択される、請求項26に記載の方法。
- 前記PI−PSドメインは、前記PDMAまたはPtBMAドメインで被覆された孔を含有する、請求項18に記載の方法。
- 前記制御ラジカル重合機構は、制御された可逆的付加開裂連鎖移動[RAFT]重合機構である、請求項18〜28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記膜は、上部選択層及び下部ガター層を備えるテーパー孔を含有する、請求項18に記載の方法。
- 前記上部選択層は、約50〜1,000nmの厚さである、請求項30に記載の方法。
- 前記下部ガター層は、約1,000〜20,000nmの厚さである、請求項30に記載の方法。
- 前記A−B−Cターポリマーは、約10nm〜約100nmのドメインまたは領域長さを有する、請求項18に記載の方法。
- 前記膜は、高密度の単分散孔を含有する、請求項18に記載の方法。
- 粉末状態で前記A−B−Cターポリマーは、高密度の六角形最密[HCP]幾何形状を有する孔を備える、請求項18に記載の方法。
- 前記膜は、1m2当り約1012〜1015個の、直径が約5nm〜約100nmであるPDMA被覆孔を含有する、請求項18に記載の方法。
- 前記PI−PS−PAA膜は、約0.5〜3nmの平均孔径を有する、請求項18に記載の方法。
- 前記膜は、前記PI−PS−PDMA状態において僅か約8nmの溶質に対してサイズ選択的分離を生み出すことができる、請求項18に記載の方法。
- 前記膜は、PI−PS−PDMAのPI−PS−PAAへの変換後に、直径僅か約0.5nmの溶質に対してサイズ選択的分離を生み出すことができる、請求項20に記載の方法。
- 機械的支持層の上に層状にされる請求項18に記載の前記膜を備える、デバイス。
- 材料の濾過、精製、濃縮、または分離における使用のための、請求項40に記載のデバイス。
- 水質浄化、またはタンパク質治療薬の生成もしくは精製における使用のための、請求項41に記載のデバイス。
- 少なくとも1つのマルチブロックコポリマーは、前記膜が製作された後にカルボン酸部分に変換されている、請求項40に記載のデバイス。
- 前記カルボン酸部分は、所望の化学的性質に官能化される、請求項43に記載のデバイス。
- 前記膜は、約5nm未満の平均孔径を有する、請求項44に記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つのマルチブロックコポリマーの変換後の前記膜は、変換前の前記膜の平均孔径より小さい前記平均孔径を有する、請求項44に記載のデバイス。
- 自己組織化A−B−Cマルチブロックコポリマーのナノ構造膜であって、前記コポリマーは、ポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(N,N−ジメチルアクリルアミド)[PI−PS−PDMA]またはポリイソプレン−b−ポリスチレン−b−ポリ(tert−ブチルメタクリレート)[PI−PS−PtBMA]を含むターポリマーを含む、ナノ構造膜。
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