JP2017523918A - 両性イオン官能性ブロック共重合体膜及び関連するブロック共重合体組成 - Google Patents

両性イオン官能性ブロック共重合体膜及び関連するブロック共重合体組成 Download PDF

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Abstract

ブロック共重合体を含む膜を提供する。ブロック共重合体は、式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含む。血液透析又は血液濾過のための中空糸膜、及びそれに関連するブロック共重合体も提供する。【選択図】図3

Description

本発明は一般にブロック共重合体膜に関する。より具体的には、本発明は両性イオン官能性ブロック共重合体膜に関する。
多孔質高分子膜は、中空糸構造であれ平板構造であれ、多くの用途、例えば、血液透析、限外濾過、ナノ濾過、逆浸透、気体分離、精密濾過、及びパーベーパレーション等に使用し得る。こうした用途の多くでは、最適な選択性並びに化学的、熱的、及び機械的安定性を有する膜が望ましい。また多くの用途(例えば、生物学的分離や水濾過)では、優れた親水性、優れた生体適合性、又は低ファウリングのうちの1つ以上を有する膜を用いることも望ましいかもしれない。
ポリアリーレンエーテル類、特にポリエーテルスルホン類とポリスルホン類は、その機械的、熱的、及び化学的安定性ゆえに膜材料として用いられることが多い。しかしながら、これらのポリマーは多くの用途に対して最適な生体適合性及び親水性を有しないことがある。膜の親水性のさらなる向上は、ポリマーブレンド法(例えば、少量のポリビニルピロリドン(PVP)等の親水性ポリマーの存在下で多孔質膜を製造する方法)によって実現されてきた。しかし、PVPは水溶性であるため、多孔質ポリマー基材からゆっくりと浸出し、製品むらの原因となる。或いは、親水性は、ポリマー主鎖の官能化、並びにカルボキシル、ニトリル、又はポリエチレングリコール官能基の導入によって実現されている。この処理は耐薬品性及び良好な機械的特性をさらにもたらし得る。しかし、これらの化学的改変は複雑で高コスト、かつ非効率でありうる。
したがって、最適な親水性及び生体適合性の一方もしくは両方を有する多孔質膜が望まれている。さらに、親水性の多孔質膜ポリマーに加工できるポリマーも望まれている。
米国特許出願公開第2012/048799号
上記その他のニーズを満たすために本発明の諸実施形態が記載されている。一実施形態は、ブロック共重合体を含む膜である。ブロック共重合体は、以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Zは両性イオン官能基である。
一実施形態は生物学的分離のための中空糸膜である。膜はブロック共重合体を含む。ブロック共重合体は、以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Zは両性イオン官能基である。
一実施形態は、以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含むブロック共重合体である。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Zは両性イオン官能基である。
本発明の上記その他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとさらによく理解されるであろう。
本発明のある実施形態に係る高分子開始剤の合成体系を示す図である。 本発明のある実施形態に係る高分子開始剤の合成体系を示す図である。 本発明のある実施形態に係るブロック共重合体の合成体系を示す図である。 比較試料と、本発明のある実施形態に係るブロック共重合体フィルムと、における正規化したタンパク質付着値を示す図である。 比較試料と、本発明のある実施形態に係るブロック共重合体中空糸膜と、における正規化したタンパク質付着値を示す図である。
以下に詳述するように、本発明のある実施形態は、両性イオン官能基を含むブロック共重合体膜を含む。より具体的には、本発明の諸実施形態は、生物学的分離、水濾過、又は血液透析の1つ以上に用いられる、ブロック共重合体の中空糸膜に関する。
本明細書及び特許請求の範囲では、数量を表すに際し、関連する基本的機能を変化させずに変更し得る数量に近似的用語を用いることがある。例えば、「約」又は「実質的」のような用語で修飾した値は、記載された厳密な数値に限定されるものではない。場合によっては、近似表現はその値を測定する機器の精度に対応する。本明細書及び特許請求の範囲において、数値限定の範囲は互いに結合及び/又は交換可能であり、かかる範囲はその上下限で規定され、前後関係等から明らかでない限り、その範囲に含まれるあらゆる部分範囲を包含する。
以下の明細書及び特許請求の範囲において、単数形で記載したものであっても、前後関係から明らかでない限り、複数の場合も含めて意味する。また、本明細書において「又は」という用語は排他的であることを意味せず、文脈から別途明らかでない限り、言及する構成要素の少なくとも1つが存在することをいい、言及する構成要素の組合せが存在しうる状況を含む。
本明細書で用いる「芳香族基」という用語は、1以上の芳香族基を含む原子価1以上の原子配列をいう。1以上の芳香族基を含む原子価1以上の原子配列は、窒素、硫黄、セレン、ケイ素及び酸素のようなヘテロ原子を含んでいてもよいし、炭素と水素のみからなるものでもよい。本明細書で用いる「芳香族基」という用語には、特に限定されないが、フェニル基、ピリジル基、フラニル基、チエニル基、ナフチル基、フェニレン基及びビフェニル基が包含される。上述の通り、芳香族基は1以上の芳香族基を含む。芳香族基は常に4n+2(式中、「n」は1以上の整数である。)の「非局在化」電子を有する環状構造であり、フェニル基(n=1)、チエニル基(n=1)、フラニル基(n=1)、ナフチル基(n=2)、アズレニル基(n=2)、アントラセニル基(n=3)などで例示される。芳香族基は非芳香族成分を含んでいてもよい。例えば、ベンジル基はフェニル環(芳香族基)とメチレン基(非芳香族成分)とを含む芳香族基である。同様に、テトラヒドロナフチル基は芳香族基(C63)が非芳香族成分−(CH24−と縮合してなる芳香族基である。便宜上、「芳香族基」という用語は、本明細書では、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロアルキル基、ハロ芳香族基、共役ジエニル基、アルコール基、エーテル基、アルデヒド基、ケトン基、カルボン酸基、アシル基(例えば、エステルやアミドのようなカルボン酸誘導体)、アミン基、ニトロ基などの広範な官能基を含むものと定義される。例えば、4−メチルフェニル基はメチル基を含むC7芳香族基であり、メチル基がアルキル基である官能基である。同様に、2−ニトロフェニル基はニトロ基を含むC6芳香族基であり、ニトロ基が官能基である。芳香族基は、4−トリフルオロメチルフェニル、ヘキサフルオロイソプロピリデンビス(4−フェン−1−イルオキシ)(即ち、−OPhC(CF32PhO−)、4−クロロメチルフェン−1−イル、3−トリフルオロビニル−2−チエニル、3−トリクロロメチルフェン−1−イル(即ち、3−CCl3Ph−)、4−(3−ブロモプロプ−1−イル)フェン−1−イル(即ち、4−BrCH2CH2CH2Ph−)などのハロゲン化芳香族基を包含する。芳香族基のその他の例には、4−アリルオキシフェン−1−オキシ、4−アミノフェン−1−イル(即ち、4−H2NPh−)、3−アミノカルボニルフェン−1−イル(即ち、NH2COPh−)、4−ベンゾイルフェン−1−イル、ジシアノメチリデンビス(4−フェン−1−イルオキシ)(即ち、−OPhC(CN)2PhO−)、3−メチルフェン−1−イル、メチレンビス(4−フェン−1−イルオキシ)(即ち、−OPhCH2PhO−)、2−エチルフェン−1−イル、フェニルエテニル、3−ホルミル−2−チエニル、2−ヘキシル−5−フラニル、ヘキサメチレン−1,6−ビス(4−フェン−1−イルオキシ)(即ち、−OPh(CH26PhO−)、4−ヒドロキシメチルフェン−1−イル(即ち、4−HOCH2Ph−)、4−メルカプトメチルフェン−1−イル(即ち、4−HSCH2Ph−)、4−メチルチオフェン−1−イル(即ち、4−CH3SPh−)、3−メトキシフェン−1−イル、2−メトキシカルボニルフェン−1−イルオキシ(例えば、メチルサリチル)、2−ニトロメチルフェン−1−イル(即ち、2−NO2CH2Ph)、3−トリメチルシリルフェン−1−イル、4−t−ブチルジメチルシリルフェン−1−イル、4−ビニルフェン−1−イル、ビニリデンビス(フェニル)などがある。「C3〜C10芳香族基」という用語は、炭素原子数が3以上で10以下の芳香族基を包含する。芳香族基1−イミダゾリル(C322−)はC3芳香族基の代表例である。ベンジル基(C78−)はC7芳香族基の代表例である。
本明細書で用いる「脂環式基」という用語は、環状であるが芳香族でない原子配列を含む原子価1以上の基をいう。本明細書で定義される「脂環式基」は、芳香族原子団を含まない。「脂環式基」は1以上の非環式成分を含んでいてもよい。例えば、シクロヘキシルメチル基(C611CH2−)は、シクロヘキシル環(環状であるが芳香族でない原子配列)とメチレン基(非環式成分)とを含む脂環式基である。脂環式基は、窒素、硫黄、セレン、ケイ素及び酸素のようなヘテロ原子を含んでいてもよいし、炭素と水素のみからなるものでもよい。便宜上、「脂環式基」という用語は、本明細書では、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロアルキル基、共役ジエニル基、アルコール基、エーテル基、アルデヒド基、ケトン基、カルボン酸基、アシル基(例えば、エステルやアミドのようなカルボン酸誘導体)、アミン基、ニトロ基などの広範な官能基を含むものと定義される。例えば、4−メチルシクロペンタ−1−イル基はメチル基を含むC6脂環式基であり、メチル基がアルキル基である官能基である。同様に、2−ニトロシクロブタ−1−イル基はニトロ基を含むC4脂環式基であり、ニトロ基が官能基である。脂環式基は、同一又は異なる1以上のハロゲン原子を含んでいてもよい。ハロゲン原子には、例えば、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素がある。1以上のハロゲン原子を含む脂環式基には、2−トリフルオロメチルシクロヘキサ−1−イル、4−ブロモジフルオロメチルシクロオクタ−1−イル、2−クロロジフルオロメチルシクロヘキサ−1−イル、ヘキサフルオロイソプロピリデン−2,2−ビス(シクロヘキサ−4−イル)(即ち、−C610C(CF32610−)、2−クロロメチルシクロヘキサ−1−イル、3−ジフルオロメチレンシクロヘキサ−1−イル、4−トリクロロメチルシクロヘキサ−1−イルオキシ、4−ブロモジクロロメチルシクロヘキサ−1−イルチオ、2−ブロモエチルシクロペンタ−1−イル、2−ブロモプロピルシクロヘキサ−1−イルオキシ(例えば、CH3CHBrCH2610O−)などがある。脂環式基のその他の例には、4−アリルオキシシクロヘキサ−1−イル、4−アミノシクロヘキサ−1−イル(即ち、H2NC610−)、4−アミノカルボニルシクロペンタ−1−イル(即ち、NH2COC58−)、4−アセチルオキシシクロヘキサ−1−イル、2,2−ジシアノイソプロピリデンビス(シクロヘキサ−4−イルオキシ)(即ち、−OC610C(CN)2610O−)、3−メチルシクロヘキサ−1−イル、メチレンビス(シクロヘキサ−4−イルオキシ)(即ち、−OC610CH2610O−)、1−エチルシクロブタ−1−イル、シクロプロピルエテニル、3−ホルミル−2−テトラヒドロフラニル、2−ヘキシル−5−テトラヒドロフラニル、ヘキサメチレン−1,6−ビス(シクロヘキサ−4−イルオキシ)(即ち、−OC610(CH26610O−)、4−ヒドロキシメチルシクロヘキサ−1−イル(即ち、4−HOCH2610−)、4−メルカプトメチルシクロヘキサ−1−イル(即ち、4−HSCH2610−)、4−メチルチオシクロヘキサ−1−イル(即ち、4−CH3SC610−)、4−メトキシシクロヘキサ−1−イル、2−メトキシカルボニルシクロヘキサ−1−イルオキシ(2−CH3OCOC610O−)、4−ニトロメチルシクロヘキサ−1−イル(即ち、NO2CH2610−)、3−トリメチルシリルシクロヘキサ−1−イル、2−t−ブチルジメチルシリルシクロペンタ−1−イル、4−トリメトキシシリルエチルシクロヘキサ−1−イル(例えば、(CH3O)3SiCH2CH2610−)、4−ビニルシクロヘキセン−1−イル、ビニリデンビス(シクロヘキシル)などがある。「C3〜C10脂環式基」という用語は、炭素原子数が3以上で10以下の脂環式基を包含する。脂環式基2−テトラヒドロフラニル(C47O−)はC4脂環式基の代表例である。シクロヘキシルメチル基(C611CH2−)はC7脂環式基の代表例である。
本明細書で用いる「脂肪族基」という用語は、環状でない線状又は枝分れ原子配列からなる原子価1以上の有機基をいう。脂肪族基は1以上の炭素原子を含むものと定義される。脂肪族基をなす原子配列は、窒素、硫黄、ケイ素、セレン及び酸素のようなヘテロ原子を含んでいてもよいし、炭素と水素のみからなるものでもよい。便宜上、本明細書での「脂肪族基」という用語は、「環状でない線状又は枝分れ原子配列」の一部として、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、ハロアルキル基、共役ジエニル基、アルコール基、エーテル基、アルデヒド基、ケトン基、カルボン酸基、アシル基(例えば、エステルやアミドのようなカルボン酸誘導体)、アミン基、ニトロ基などの広範な官能基を含むものと定義される。例えば、4−メチルペンタ−1−イル基はメチル基を含むC6脂肪族基であり、メチル基がアルキル基である官能基である。同様に、4−ニトロブタ−1−イル基はニトロ基を含むC4脂肪族基であり、ニトロ基が官能基である。脂肪族基は、同一又は異なる1以上のハロゲン原子を含むハロアルキル基であってもよい。ハロゲン原子には、例えば、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素がある。1以上のハロゲン原子を含む脂肪族基には、ハロゲン化アルキルであるトリフルオロメチル、ブロモジフルオロメチル、クロロジフルオロメチル、ヘキサフルオロイソプロピリデン、クロロメチル、ジフルオロビニリデン、トリクロロメチル、ブロモジクロロメチル、ブロモエチル、2−ブロモトリメチレン(例えば、−CH2CHBrCH2−)などがある。脂肪族基のその他の例には、アリル、アミノカルボニル(即ち、−CONH2)、カルボニル、2,2−ジシアノイソプロピリデン(即ち、−CH2C(CN)2CH2−)、メチル(即ち、−CH3)、メチレン(即ち、−CH2−)、エチル、エチレン、ホルミル(即ち、−CHO)、ヘキシル、ヘキサメチレン、ヒドロキシメチル(即ち、−CH2OH)、メルカプトメチル(即ち、−CH2SH)、メチルチオ(即ち、−SCH3)、メチルチオメチル(即ち、−CH2SCH3)、メトキシ、メトキシカルボニル(即ち、CH3OCO−)、ニトロメチル(即ち、−CH2NO2)、チオカルボニル、トリメチルシリル(即ち、(CH33Si−)、t−ブチルジメチルシリル、3−トリメトキシシリルプロピル(即ち、(CH3O)3SiCH2CH2CH2−)、ビニル、ビニリデンなどがある。その他の例としては、C1〜C10脂肪族基は炭素原子数が1以上10以下のものである。メチル基(即ち、CH3−)はC1脂肪族基の例である。デシル基(即ち、CH3(CH29−)はC10脂肪族基の例である。
以下に詳述するように、本発明のある実施形態は、ブロック共重合体で構成される膜を対象とする。本明細書で用いる「ブロック共重合体」という用語は、同じ種類の単量体が連続して配列されるブロックを表す。例えば、ABブロック共重合体は、同じ種類の単量体から形成されるブロックAと、同じ種類の単量体から形成されるブロックBとを含んでいる。ブロックAとBとはブロック長が同じでもいいし、異なっていてもよい。すなわち、両ブロックにおける繰り返し単位数は同じでもいいし、異なっていてもよい。同様に、ABAブロック共重合体は、同じ種類の単量体から形成されるブロックAと、同じ種類の単量体から形成されるブロックBと、同じ種類の単量体から形成される別のブロックAとを含んでいる。かかる例では、一般的に、2つのブロックAは繰り返し単位数が同じである。さらに、本明細書で用いる「ブロック共重合体」という用語は、文脈から別途明らかでない限り、両性イオン官能性のブロック共重合体を表す。
本発明の一実施形態に係るブロック共重合体は、以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Zは両性イオン官能基である。
ある実施形態では、ブロックBは、式(II)の構造単位を含む好適な熱可塑性ポリマーを含む。ブロックBの好適な構造単位の非限定的な例として、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、又はポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。ある実施形態では、ブロックBはポリスルホン又はポリエーテルスルホン構造単位を含む。
ある実施形態では、ブロックBは以下の式(III)の構造単位を含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
ある実施形態では、R1及びR2は各々独立に水素、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、4−メチルペント−1−イル、フェニル、ナフチル、又はビフェニルである。ある実施形態では、R1及びR2は各々独立に水素原子である。ある実施形態では、QはC1〜C12脂肪族基である。ある実施形態では、Qはメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、4−メチルペント−1−イル、又はフェニルである。
ある実施形態では、ブロックBは以下の式(X)の構造単位を含む。
式中、「a」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
1は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
ある実施形態では、ブロックBは以下の式(XI)の構造単位を含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
上述の通り、ブロック共重合体は、以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAをさらに含んでいる。
式中、R3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Zは両性イオン官能基である。
本明細書で用いる「両性イオン官能基」という用語は、同じ分子内に正荷電基と負荷電基とを共に含む部分を表す。いかなる理論にも拘束されないが、両性イオン官能基は、膜形成能力を維持しながらブロック共重合体に対して優れた親水性と生体適合性とを与えうると考えられる。
好適な両性イオン官能基の非限定的な例として、スルホベタイン、カルボキシベタイン、ホスホリルコリン、又はその組合せが挙げられる。ある実施形態では、ブロックAは以下の式(IV)の構造単位を含む。
式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
ある実施形態では、ブロックAは以下の式(XII)の構造単位を含む。
式中、「t」は約1〜約10の整数であり、
3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
ある実施形態では、ブロックAは、式(I)の構造単位のみで構成されうる。いくつかの他の実施形態では、ブロックAは以下の式(V)の構造単位をさらに含みうる。
式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
かかる実施形態では、ブロックAは、式(I)及び式(V)の構造単位の連続配列を含んでもいいし、不規則配列を含んでもよい。ある実施形態では、ブロックBは式(I)及び式(V)の構造単位の不規則配列を含む。式(I)の構造単位の数は、ブロックA内に所望される両性イオン官能基のモル分率にいくらか依存しうる。ある実施形態では、ブロックAにおける両性イオン官能基のモル分率は約5%〜約100%の範囲内にある。ある実施形態では、ブロックAにおける両性イオン官能基のモル分率は約35%〜約70%の範囲内にある。
ブロック共重合体は、ブロックA及びブロックBにおける繰り返し単位数によってさらに特徴づけられうる。ある実施形態では、ブロックBにおける繰り返し単位数は約20〜約200の範囲内にある。ある実施形態では、ブロックBにおける繰り返し単位数は約30〜約100の範囲内にある。ある実施形態では、ブロックBにおける繰り返し単位数は約50〜約75の範囲内にある。この文脈において、本明細書で用いる「繰り返し単位」という用語は、式(II)の構造単位を対象とする。
ある実施形態では、ブロックAにおける繰り返し単位数は約1〜約25の範囲内にある。ある実施形態では、ブロックAにおける繰り返し単位数は約2〜約20の範囲内にある。ある実施形態では、ブロックAにおける繰り返し単位数は約3〜約12の範囲内にある。なお、この文脈において、本明細書で用いる「繰り返し単位」という用語は、式(I)の構造単位と式(V)の構造単位との両方を対象とする。ただし、ブロックAにおける1以上の繰り返し単位は、式(I)の構造単位を含むものとする。
ブロック共重合体は、AB型のブロック共重合体又はABA型のブロック共重合体でありうる。なお、本明細書でいう「AB型のブロック共重合体」という用語は、ブロックAとブロックBとを有するブロック共重合体を表す。ただし、その場合、ブロックAとブロックBとは好適な連結基(例えば、開始剤残基)を用いてさらに相互に接続されうる。以下に詳述するように、ある実施形態では、ブロック共重合体は原子移動ラジカル重合(ATRP)によって形成されうる。その場合、ブロックAとブロックBとはATRP開始剤残基を含む連結基によって連結されうる。同様に、本明細書でいう「ABA型のブロック共重合体」という用語は、第1のブロックAと、ブロックBと、第2のブロックAとを有するブロック共重合体を表す。ブロックAとブロックBとは好適な連結基(例えば、開始剤残基)用いてさらに相互に接続されうる。
好適なAB型のブロック共重合体の非限定的な例は、以下の式(VI)の構造単位を含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
「x」は約20〜約200の整数であり、
「y」は約1〜約25の整数であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、

Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
好適なABA型のブロック共重合体の非限定的な例は、以下の式(IX)の構造単位を含む。
式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
「x」は約20〜約200の整数であり、
「y」は約1〜約25の整数であり、
Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
ブロック共重合体も提供される。上述のように、ブロック共重合体は、式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含む。ある実施形態では、ブロック共重合体は、式(VI)の構造単位を含むAB型のブロック共重合体である。ある実施形態では、ブロック共重合体は、式(IX)の構造単位を含むABA型のブロック共重合体である。
ブロック共重合体は任意の好適な手法を用いて合成されうる。ある実施形態では、ブロック共重合体は、(ブロックBを含有する)高分子開始剤と好適なアクリレート単量体との原子移動ラジカル重合(ATRP)を実施した後、得られた重合体を両性イオン基で官能化することによって合成しうる。高分子開始剤は、好適な単量体の重縮合によってブロックBを形成することにより、そして得られた重合体をATRP活性開始剤で末端封止することによって、さらに合成されうる。
ある実施形態では、ブロックBは、少なくとも1種類の芳香族ジヒドロキシ化合物を少なくとも1種類の芳香族二ハロゲン化化合物と反応させることによって合成しうる。この反応は、アルカリ金属化合物の存在下、及び任意選択において触媒の存在下で、非プロトン性極性溶媒中において実施しうる。
使用し得る例示的な芳香族二ハロゲン化化合物として、4,4’−ビス(クロロフェニル)スルホン、2,4’−ビス(クロロフェニル)スルホン、2,4−ビス(クロロフェニル)スルホン、4,4’−ビス(フルオロフェニル)スルホン、2,4’−ビス(フルオロフェニル)スルホン、2,4−ビス(フルオロフェニル)スルホン、4,4’−ビス(クロロフェニル)スルホキシド、2,4’−ビス(クロロフェニル)スルホキシド、2,4−ビス(クロロフェニル)スルホキシド、4,4’−ビス(フルオロフェニル)スルホキシド、2,4’−ビス(フルオロフェニル)スルホキシド、2,4−ビス(フルオロフェニル)スルホキシド、4,4’−ビス(フルオロフェニル)ケトン、2,4’−ビス(フルオロフェニル)ケトン、2,4−ビス(フルオロフェニル)ケトン、1,3−ビス(4−フルオロベンゾイル)ベンゼン、1,4−ビス(4−フルオロベンゾイル)ベンゼン、4,4’−ビス(4−クロロフェニル)フェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−フルオロフェニル)フェニルホスフィンオキシド、4,4’−ビス(4−フルオロフェニルスルホニル)−1,1’−ビフェニル、4,4’−ビス(4−クロロフェニルスルホニル)−1,1’−ビフェニル、4,4’−ビス(4−フルオロフェニルスルホキシド)−1,1’−ビフェニル、及び4,4’−ビス(4−クロロフェニルスルホキシド)−1,1’−ビフェニルが挙げられる。
使用し得る好適な芳香族ジヒドロキシ化合物の非限定的な例として、4,4’−ジヒドロキシフェニルスルホン、2,4’−ジヒドロキシフェニルスルホン、4,4’−ジヒドロキシフェニルスルホキシド、2,4’−ジヒドロキシフェニルスルホキシド、ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)スルホキシド、ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)スルホン、4,4−(フェニルホスフィニル)ジフェノール、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオジフェノール、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン、4,4’−ジヒドロキシフェニルメタン、ヒドロキノン、レゾルシノール、5−シアノ−1,3−ジヒドロキシベンゼン、4−シアノ−1,3−ジヒドロキシベンゼン、2−シアノ−1,4−ジヒドロキシベンゼン、2−メトキシヒドロキノン、2,2’−ビフェノール、4,4’−ビフェノール、2,2’−ジメチルビフェノール、2,2’,6,6’−テトラメチルビフェノール、2,2’,3,3’,6,6’−ヘキサメチルビフェノール、3,3’,5,5’−テトラブロモ−2,2’6,6’−テトラメチルビフェノール、4,4’−イソプロピリデンジフェノール(ビスフェノールA)、4,4’−イソプロピリデンビス(2,6−ジメチルフェノール)(テトラメチルビスフェノールA)、4,4’−イソプロピリデンビス(2−メチルフェノール)、4,4’−イソプロピリデンビス(2−アリルフェノール)、4,4’−イソプロピリデンビス(2−アリル−6−メチルフェノール)、4,4’−(1,3−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(ビスフェノールM)、4,4’−イソプロピリデンビス(3−フェニルフェノール)、4,4’−イソプロピリデンビス(2−フェニルフェノール)、4,4’−(1,4−フェニレンジイソプロピリデン)ビスフェノール(ビスフェノールP)、4,4’−エチリデンジフェノール(ビスフェノールE)、4,4’−オキシジフェノール、4,4’−チオジフェノール、4,4’−チオビス(2,6−ジメチルフェノール)、4,4’−スホニルジフェノール、4,4’−スホニルビス(2,6−ジメチルフェノール)、4,4’−スルフィニルジフェノール、4,4’−(ヘキサジフルオロイソプロピリデン)ビスフェノール(ビスフェノールAF)、4,4’−(ヘキサジフルオロイソプロピリデン)ビス(2,6−ジメチルフェノール)、4,4’−(1−フェニルエチリデン)ビスフェノール(ビスフェノールAP)、4,4’−(1−フェニルエチリデン)ビス(2,6−ジメチルフェノール)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)−2,2−ジクロロエチレン(ビスフェノールC)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン(ビスフェノールF)、ビス(2,6−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)メタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ペンタン、4,4’−(シクロペンチリデン)ジフェノール、4,4’−(シクロヘキシリデン)ジフェノール(ビスフェノールZ)、4,4’−(シクロヘキシリデン)ビス(2−メチルフェノール)、4,4’−(シクロドデシリデン)ジフェノール、4,4’−(ビシクロ[2.2.1]ヘプチリデン)ジフェノール、4,4’−(9H−フルオレン−9,9−ジイル)ジフェノール、3,3’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)イソベンゾフラン−1(3H)−オン、1−(4−ヒドロキシフェニル)−3,3’−ジメチル−2,3−ジヒドロ−1H−インデン−5−オール、1−(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)−1,3,3’,4,6−ペンタメチル−2,3−ジヒドロ−1H−インデン−5−オール、3,3,3’,3’−テトラメチル−2,2’,3,3’−テトラヒドロ−1,1’−スピロビ[インデン]−5,6’−ジオール(Spirobiindane)、ジヒドロキシベンゾフェノン(ビスフェノールK)、チオジフェノール(ビスフェノールS)、ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシフェノキシ)−4,4’−ビフェニル、4,4’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ジフェニルエーテル、9,9−ビス(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)フルオレン、及びN−フェニル−3,3−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フタルイミドが挙げられる。
ジハロ芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物との反応を起こすのに、アルカリ金属化合物の塩基性塩を使用し得る。例示的な化合物として、水酸化アルカリ金属(例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、及び水酸化セシウム等が挙げられるがこれらには限定されない)、炭酸アルカリ金属(例えば、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、及び炭酸セシウム等が挙げられるがこれらには限定されない)、並びに炭酸水素アルカリ金属(例えば、炭酸水素リチウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ルビジウム、及び炭酸水素セシウム等が挙げられるがこれらには限定されない)が挙げられる。上記反応を起こすにはこれらの化合物の組合せも使用し得る。
使用し得る非プロトン性極性溶媒のいくつかの例として、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジエチルアセトアミド、N,N−ジプロピルアセトアミド、N,N−ジメチルベンズアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N−エチル−2−ピロリドン、N−イソプロピル−2−ピロリドン、N−イソブチル−2−ピロリドン、N−n−プロピル−2−ピロリドン、N−n−ブチル−2−ピロリドン、N−シクロヘキシル−2−ピロリドン、N−メチル−3−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−3−メチル−ピロリドン、N−メチル−3,4,5−トリメチル−2−ピロリドン、N−メチル−2−ピペリドン、N−エチル−2−ピペリドン、N−イソプロピル−2−ピペリドン、N−メチル−6−メチル−2−ピペリドン、N−メチル−3−エチルピペリドン、ジメチルスルホキシド(DMSO)、ジエチルスルホキシド、スルホラン、1−メチル−1−オキソスルホラン、1−エチル−1−オキソスルホラン、1−フェニル−1−オキソスルホラン、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン(DMI)、ジフェニルスルホン、及びその組合せが挙げられる。溶媒の使用量は、一般にジハロ芳香族化合物と芳香族ジヒドロキシ化合物とを溶解するのに十分な量である。
反応は、ある実施形態では約100℃〜約300℃までの温度において、ある実施形態では約120℃〜約200℃までの温度において、またいくつかの特定の実施形態では約150℃〜約200℃までの温度において実施しうる。反応混合物は、水との共沸混合物を形成する溶媒を非プロトン性極性溶媒と合わせて初期反応混合物に添加することによってさらに乾燥しうる。かかる溶媒の例として、トルエン、ベンゼン、キシレン、エチルベンゼン、及びクロロベンゼンが挙げられる。共沸乾燥によって残留水を除去した後、反応を上記の高温で実施しうる。反応は一般にある実施形態では約1時間〜約72時間までの範囲内の時間にわたって、またいくつかの特定の実施形態では約1時間〜約10時間までの範囲内の時間にわたって実施する。
反応が完了したら、ブロックBを含有するポリマーを無機塩から分離し、非溶媒中に沈殿させ、濾過と乾燥によって回収しうる。非溶媒の例として、水、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、γ−ブチロラクトン、及びその組合せが挙げられる。
得られるポリマーをATRP活性末端基で末端封止することによって高分子開始剤をさらに合成しうる。好適な末端基の非限定的な例として2−ブロモイソブチリルブロミド(BiBB)が挙げられる。共重合体は、高分子開始剤と好適なアクリレート(例えば、N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート、N,N−ジメチルアミノエチルアクリレート、又はその組合せ)との銅触媒重合によって合成しうる。次に、得られた共重合体を好適な化合物(例えば、スルトン)と高温で反応させることによって両性イオン官能性ブロック共重合体を合成しうる。
このブロック共重合体のガラス転移温度Tgは、一実施形態では約120℃〜約280℃の範囲内でありえ、別の実施形態では約140℃〜約200℃の範囲内でありうる。このブロック共重合体はさらに数平均分子量(Mn)によって特徴づけられうる。一実施形態では、ブロック共重合体のMnは約10,000グラム毎モル(g/mol)〜約1,000,000g/molの範囲内でありうる。別の実施形態では、Mnは約15,000g/mol〜約200,000g/molの範囲内でありうる。
このブロック共重合体並びにブロック共重合体を含む膜は、その親水性によってさらに特徴づけられうる。ある実施形態では、ブロック共重合体は、ガラス基板上のフィルムの形態でキャスティングされるブロック共重合体の表面で測定した水との接触角が約80度未満である。ある実施形態では、ブロック共重合体は、ガラス基板上のフィルムの形態でキャスティングされるブロック共重合体の表面で測定した水との接触角が約50度未満である。いくつかの特定の実施形態では、ブロック共重合体は、ガラス基板上のフィルムの形態でキャスティングされるブロック共重合体の表面で測定した水との接触角が約30度未満である。
この膜は中空糸構造又は平板構造を有しうる。いくつかの特定の実施形態では、この膜は中空糸構造を有しうる。ある実施形態では、本発明の諸実施形態に係るブロック共重合体で構成される中空糸膜が提供される。ある実施形態では、複数の中空糸膜を備えた中空糸膜モジュールが提供される。
本発明の諸実施形態に係る膜は、当該技術分野において既知のプロセスによって作製しうる。好適な手法の例として、乾式相分離膜形成法、湿式相分離膜形成法、乾湿式相分離膜形成法、熱誘起相分離膜形成法が挙げられるが、これらに限定されない。さらに、膜形成の後、分離用途に使用する前に、膜の前処理プロセス又は処理プロセスを膜に施してもよい。代表的なプロセスとして、応力緩和のための熱アニールや、膜が接触する供給液と同様の溶液においてあらかじめ平衡状態を作ることなどが挙げられる。
一実施形態では、膜は転相によって作製しうる。転相過程には、1)蒸気誘起相分離(VIPS)(「乾式キャスティング」又は「空気キャスティング」ともいう)、2)液体誘起相分離(LIPS)(ほとんどの場合「浸漬キャスティング」又は「湿式キャスティング」という)、及び3)熱誘起相分離(TIPS)(「融液キャスティング」ということが多い)がある。転相過程により、スキン層を全体に施した非対称膜が製造できる。ある実施形態では、膜は架橋によって支持力を増強しうる。
膜は、孔径より大きい溶質が通過できないように特定の孔径を有するように設計及び製造されうる。一実施形態では、孔径は約0.5ナノメートル〜約100ナノメートルの範囲内でありうる。別の実施形態では、孔径は約1ナノメートル〜約25ナノメートルの範囲内でありうる。
ある実施形態では、中空糸膜は、上記のあるブロック共重合体と少なくとも1種類の追加的ポリマーとの混合物(ブレンド)を含む。この追加的ポリマーは、種々の特性(例えば、より良い耐熱性、生体適合性等)を付与するためにブロック共重合体と混合されうる。さらに、この追加的ポリマーは、転相時に生成される転相膜構造(例えば、非対称膜構造)の組織を改変するために膜形成時にブロック共重合体に添加されうる。また、ブロック共重合体と混合される少なくとも1種類のポリマーは、本来的に親水性でも疎水性でもよい。
ある実施形態では、ブロック共重合体は親水性ポリマーと混合される。好適な親水性ポリマーの非限定的な例としてポリビニルピロリドン(PVP)が挙げられる。その他の好適な親水性ポリマーの非限定的な例として、ポリオキサゾリン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリグリコールモノエステル、ポリエチレングリコールとポリプロピレングリコールとの共重合体、水溶性セルロース誘導体、ポリソルビン酸、ポリエチレン−ポリプロピレンオキシド共重合体、ポリエチレンイミン、及びその組合せが挙げられる。ある実施形態では、ブロック共重合体はポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルウレタン、ポリアミド、ポリエーテルアミド、ポリアクリロニトリル、及びその組合せ等のポリマーとさらに混合しうる。
本発明のある実施形態に係る膜はさまざまな用途において有用でありうる。かかる用途の例として、生物学的分離、浄水、血液濾過、血液透析、限外濾過、ナノ濾過、気体分離、精密濾過、逆浸透、及びパーベーパレーションが挙げられる。したがって、本発明は、上記用途の1つ以上において膜を使用することにも関する。いくつかの特定の実施形態では、膜は、優れた親水性と生体適合性とが望まれる生物医薬品・生物医学の分野において用途を有しうる。
ある実施形態では、生物学的分離のための中空糸膜が提供される。生物学的分離に好適な中空糸膜は、タンパク質結合能によって部分的に特徴づけられうる。ある実施形態では、中空糸膜は約30ng/cm2未満のタンパク質結合能を有しうる。膜は本発明の諸実施形態に係るブロック共重合体で構成される。別の態様において、本発明は、本発明の多孔質膜で構成される複数の多孔質中空糸を含む、生物学的分離装置に関する。
ある実施形態では、本発明のある実施形態に係る膜は、血液透析に用いられうる。透析は、1つ以上の膜によって実施され、主にその1つ以上の膜の厚さの両端における圧力差によって輸送が駆動される処置をいう。血液透析は、生物学的に望ましくない、及び/又は有毒な溶質(例えば、代謝産物)、並びに副産物を血液から除去する透析処置をいう。血液透析膜は多孔質膜であり、一般に5,000ダルトン未満の低分子量の溶質(例えば、尿素、クレアチニン、尿酸、電解質、及び水)を透過させる一方で、分子量がそれより大きいタンパク質及び血液細胞成分を通さない。血液濾過は腎臓の糸球体における濾過をより正確に代行するものであり、より透過性の高い膜を必要とする。具体的には、分子量が50,000ダルトン未満(場合によっては20,000ダルトン未満)の溶質を完全に透過できることが求められる。
いかなる理論にも拘束されることなく、本発明のある実施形態に係るブロック共重合体は、製造中並びに使用中に多孔質膜構造を支持するだけの望ましい機械的特性を有すると考えられる。また、ブロック共重合体は、高温蒸気滅菌過程中に劣化しないだけの十分な熱的特性を有する。さらに、ブロック共重合体及びそれに対応する膜は最適な生体適合性を有するため、タンパク質のファウリングが最小限に抑えられ、治療血液の血栓症が発生しない。
別途記載のない限り、薬剤類はアルドリッチ(Aldrich)及びスロス・インダストリーズ(Sloss Industries)から購入し、入手した状態のままで使用した。ブルカー(Bruker)のAvance400(1H,400MHz)分光器でNMRスペクトルを記録し、残留溶媒シフトを基準とした。分子量は数平均分子量(Mn)又は重量平均分子量(Mw)で記載している。その値は、UV検出器を備えたパーキンエルマーのシリーズ200測定器によるゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)分析によって決定した。TAC7/DX熱分析器を備えたパーキンエルマーのDSC7においてポリマー熱分析を行い、Pyris Softwareを用いてデータを処理した。
ガラス転移温度は第2の加熱走査において記録した。接触角の測定はVCA2000(Advanced Surface Technology,Inc.)測定器で実施し、VCA Optimaソフトウェアを用いて評価した。適切な溶液(例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、及びジメチルアセトアミド(DMAC))による薄膜を清浄なガラススライド上にキャスティングし、溶媒を蒸発させることによってポリマーフィルムを得た。水との前進接触角(73ダイン/cm)をフィルムの両側(空気側とガラススライド側)で測定した。ガラススライド側のほうが一貫して低い値が得られた。これはそちら側の表面のほうが滑らかであるためだと推測される。
実施例1:末端封止したポリスルホン高分子開始剤Br−PSUx−Brの合成
Br−PSUx−Brの合成の合成体系を図1に示す。ここで、「Br−PSUx−Br」はBrで末端封止されたPSUポリマーを表し、スキーム1に示す連結基をさらに含む。まず、室温(RT)において50リットル(L)のガラスライナ付き反応器に9.0LのNMPを入れた。次に、1kgのビスフェノールA(BPA)(4.38モル、MW=228.29g/mol)と1kgのK2CO3(7.23モル)とを反応器に添加した。混合物をゆっくり攪拌してビスフェノールAを完全に溶解させた。続いて、機械的攪拌機、ディーン・スターク・トラップ、及び窒素パージ能力を備えた上記反応器に2.5Lのトルエンを入れた。その後、200rpmで攪拌しながら、かつ約1scfh(標準立方フィート毎時)の窒素パージを行いながら、混合物を125℃(反応器内の熱電対温度)まで加熱した。125℃において、トルエンを複数回に分けて添加(1L×2)しながら、共沸を利用することで3時間をかけて水を除去した。
共沸によって水をすべて除去した後、反応系を一晩かけて室温まで冷却した。次に、1.24kgの4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(DCDPS)(4.3モル、MW=287.16g/mol)を反応混合物に添加した。新たな水を除去するためにトルエン(1L×2)をさらに添加した。混合物を170℃で約8時間にわたって攪拌した。この時点で高粘性の溶液が形成された。この粘性混合物を9LのNMPで希釈した後、室温まで冷却し、一晩中攪拌した。3Lの淡褐色ポリマー溶液を30Lの過剰水に添加し、ヘンシェル(Henschel)のホモジナイザにおいてポリマーを沈殿させた。このポリマーを遠心分離で回収した後、水に続いてメタノールで洗浄した。次に、ポリマーを真空中で乾燥させ、残留溶媒を除去した。
次に、この乾燥ポリマーを12Lの塩化メチレン中に溶解させた。45.0gのトリエチルアミン(0.445モル)と100gの2−ブロモイソブチリルブロミド(0.435モル)とをゆっくり連続的に添加した。反応混合物を室温で一晩中攪拌した後、6Lの淡褐色ポリマー溶液をヘンシェルのホモジナイザを用いて30Lのメタノール中に沈殿させた。ポリマーは2日にわたって水中に浸漬し、存在する残留塩をすべて除去した。続いて遠心分離で濾過した後、メタノールで洗浄した。1.75kg(収量91%)のBr−PSU75−Brが生成されたので、これをさらに50℃かつ真空中で一晩かけて乾燥させ、残留溶媒を除去した。CHCl3を用いたGPC(UV検出器)を実施したところ、46,000g/molのMwと27,500g/molのMnが最終的に確認された。
同様に、上記の合成体系及び合成手順を用いて他の2種類の高分子開始剤、Br−PSU52−Br及びBr−PSU50−Brも調製した。
実施例2:末端封止したポリスルホン高分子開始剤Br−PSUxの合成
Br−PSUxの合成に関する合成体系を図2に示す。遊離フルオロフェニルスルホン(もしくはクロロフェニルスルホン)末端基と反応させるために、フェノール性末端封止剤である4−tert−ブチルフェノールを使用し、それによって、活性部位が1カ所のみの、末端封止されたATRP活性ポリスルホンを生成した。ビスフェノールA及び4−tert−ブチルフェノールを塩基の存在下でジクロロジフェニルスルホン(DCDPS)を反応させ、水酸化物官能性ポリスルホンを得た。次に、これを2−ブロモイソブチリルブロミドと反応させた。反応は順調に完了して97%の収量が得られ、6.5kgの末端封止ポリスルホンBr−PSU50が生成された。
実施例3:P(DMAEMA) y −PSU x −P(DMAEMA) y ブロック共重合体の合成
ブロック共重合体の合成の合成体系を図3に示す。
(DMAEMA)11.4−PSU75−P(DMAEMA)11.4の合成:オーブン乾燥した、磁気攪拌棒付きのシュレンク管において4.0gのBr−PSU75−Br(0.35mmolのBr開始剤)を16.0mLのNMPに溶解させた。粘性の溶液を室温まで冷却し、1.106gのDMAEMA(N,N−ジメチルアミノエチルメタクリレート、7.03mmol)と、0.15mLのPMDETA(ペンタメチルジエチレントリアミン、0.72mmol)とを添加した。凍結・脱気・融解過程を3サイクル実施して溶存ガスを除去した。シュレンク管に窒素を充・し直し、20.0mgの塩化銅(I)(0.20mmol)と12.8mgの塩化銅(II)(0.095mmol)とを窒素パージ下で添加した。内容物を40℃に温め、緑褐色の溶液を16時間にわたって攪拌した。反応物を16mLのテトラヒドロフランで希釈し、約5gの塩基性アルミナを添加して銅イオンを結合させた。この混合物をセライトと塩基性アルミナとの濾床で濾過した。200mLの水を添加してポリマーを沈殿させた。灰白色の固体を濾過によって回収し、水に続いてメタノールで洗浄した。次に、50℃かつ真空中で一晩かけて乾燥させ、残留溶媒を除去した。
同様に、上記の合成体系及び合成手順を用いて他の4種類のブロック共重合体、(DMAEMA)6.5−PSU52−P(DMAEMA)6.5;(DMAEMA)3.5−PSU52−P(DMAEMA)3.5;(DMAEMA)3.0−PSU52−P(DMAEMA)3.0;及び(DMAEMA)20−PSU50も合成した。
実施例4:両性イオン官能性ブロック共重合体の合成
実施例3で合成したブロック共重合体と1,3−プロパンスルトンとを15mLのNMP中に溶解させた。溶液を80℃に加熱して固形物を生成した。この固形物を混合機中で粉砕した。得られた粉体を濾過し、真空中で乾燥させた。ブロック共重合体を対応量のスルトンと反応させることによって、ブロック共重合体における両性イオン官能基のモル分率を制御した。ブロック共重合体の組成の詳細を表1に挙げる。
実施例5:タンパク質付着の調査
両性イオン官能性ブロック共重合体(試料1と3)を用いてキャスティングしたフィルムについてタンパク質結合能の評価を行った。また、中空糸多孔質膜を試料8から調製し、タンパク質結合能の評価を行った。
上面(フィルムがキャスティングされたときに空気にさらされた面)のみが代表ファウラントであるHRP標識抗体にさらされるように高密度フィルムを封止した。全表面をHRP−Abの10μg/ml溶液で2時間にわたって覆った後、1時間にわたってPBSで完全に洗浄し、ゆるやかに付着した抗体を除去した。直径0.5cmの生検鉗子を用いてフィルムから円板を切り取り、各ポリマーフィルムから3枚ずつ得た円板を24穴プレートに別々に移した。o−フェニレンジアミンと過酸化水素とクエン酸リン酸緩衝液と(それぞれ0.5mg/ml、0.015%、及び50mM)の溶液0.5mLを各穴に添加した。この溶液を添加してから正確に3分後に、450ナノメートルにおける溶液の吸光度を測定した。抗体上のHRP酵素はo−フェニレンジアミンを有色生成物に変えるため、溶液の吸光度は、高密度フィルム表面のファウリングをもたらした抗体の量と校正曲線を用いて相関させることができる。この方法を用いて中空糸のファウリングを測定する場合、それぞれ長さ1インチの中空糸片を2時間にわたって抗体溶液中に沈めた後、1時間にわたってPBSで完全に洗浄し、各片を4分割して24穴プレートの穴にまとめて移す。酵素反応と分光測光を上述のように実施する。各中空糸の内径と外径を顕微鏡で測定し、その結果を用いて試料の公称表面積を計算した。表面被覆率を表面積で正規化した。
図4は、正規化したタンパク質結合性能(PSUに対して正規化したもの)を市販のポリスルホン(PSU)(比較例1)と試料1及び3を用いてキャスティングしたフィルムとで比較したものである。図5は、正規化したタンパク質結合性能(PSUに対して正規化したもの)を市販のポリスルホン(比較例1)と試料8を用いて形成した中空糸膜とで比較したものである。
図4と図5に示すように、両性イオン基を有する共重合体は市販のポリスルホン(PSU)に比べて優れた性能を発揮する。優れたタンパク質付着性能をもたらす要因は、共重合体中の両性イオン基の存在でありうる。さらに、商用中空糸用途にとって有用な特性及び機械的性能を備えた親水性中空糸膜を形成する、この共重合体の能力が、共重合体中の両性イオン基によって阻害されないことが示された。また、本発明のある実施形態に係るブロック共重合体の両性イオン含有量が、ピペラジン官能基を有するポリスルホンに比べて低いことを考えると、本発明のある実施形態に係るブロック共重合体は、ピペラジン官能基を有するポリスルホンに比べて図らずも良好な性能を示した。
添付の特許請求の範囲は、想定されたとおりに本発明を広く規定するものとする。また、ここに提示した例は、多様かつ可能なすべての実施形態から選択した実施形態を説明するためのものである。したがって、出願者の意図は、添付の特許請求の範囲が本発明の特徴の説明に用いた例に限定されるものではない点にある。特許請求の範囲における「含む」という用語、並びにその文法上の変形は、例えば「実質的に〜からなる」や「からなる」等(ただし、これらには限定されない)の、程度が異なるフレーズをも論理的に包含する。必要な場合には範囲も提示した。その範囲には、両端間のすべての部分範囲が含まれる。当業者がかかる範囲のバリエーションに想到することが予想されるが、そうしたバリエーションがいまだ未公開である場合は、可能であれば添付の特許請求の範囲の対象であると解釈するべきである。文言の不正確さによって現時点では想定されていない均等物及び代替物が科学技術の発展に伴って可能になることもまた予想される。かかる変形も可能であれば添付の特許請求の範囲の対象であると解釈するべきである。

Claims (24)

  1. 以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含むブロック共重合体、
    を含む膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Zは両性イオン官能基である。
  2. ブロックBは以下の式(III)の構造単位を含む、請求項1に記載の膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  3. 両性イオン官能基はスルホベタイン、カルボキシベタイン、ホスホリルコリン、又はその組合せを含む、請求項1又は請求項2に記載の膜。
  4. ブロックAは以下の式(IV)の構造単位を含む、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の膜。
    式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  5. ブロックAは以下の式(V)の構造単位をさらに含む、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の膜。
    式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  6. ブロックAにおける両性イオン官能基のモル分率は約5%〜約100%の範囲内にある、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の膜。
  7. ブロックAにおける両性イオン官能基のモル分率は約35%〜約70%の範囲内にある、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の膜。
  8. ブロックBにおける繰り返し単位数は約20〜約200の範囲内にある、請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の膜。
  9. ブロックAにおける繰り返し単位数は約1〜約25の範囲内にある、請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の膜。
  10. ブロック共重合体は以下の式(VI)の構造単位を含む、請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    「x」は約20〜約200の整数であり、
    「y」は約1〜約25の整数であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  11. ブロック共重合体は以下の式(IX)の構造単位を含む、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    「x」は約20〜約200の整数であり、
    「y」は約1〜約25の整数であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  12. 膜は約30ng/cm2未満のタンパク質結合能を有する、請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の膜。
  13. 膜は中空糸構造を有する、請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の膜。
  14. 請求項13に規定される膜を複数含む、中空糸モジュール。
  15. 以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBとを含むブロック共重合体、
    を含む、生物学的分離のための中空糸膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Zは両性イオン官能基である。
  16. ブロックBは以下の式(III)の構造単位を含む、請求項15に記載の中空糸膜。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  17. 両性イオン官能基はスルホベタイン、カルボキシベタイン、ホスホリルコリン、又はその組合せを含む、請求項15又は請求項16に記載の中空糸膜。
  18. ブロックAは以下の式(IV)の構造単位を含む、請求項15乃至請求項17のいずれか1項に記載の中空糸膜。
    式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  19. ブロックAは以下の式(V)の構造単位をさらに含む、請求項15乃至請求項18のいずれか1項に記載の中空糸膜。
    式中、R3及びR5は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  20. 請求項15乃至請求項19のいずれか1項に規定される中空糸膜を複数含む、中空糸モジュール。
  21. 生物学的分離、血液濾過、又は血液透析への、請求項1から13又は15から19のいずれか1項に記載の膜の使用。
  22. 以下の式(I)の構造単位を含む1以上のブロックAと、以下の式(II)の構造単位を含む1以上のブロックBと、
    を含むブロック共重合体。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C123〜C12芳香族基であり、
    3はC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4は水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Zは両性イオン官能基である。
  23. ブロック共重合体は以下の式(VI)の構造単位を含む、請求項22に記載のブロック共重合体。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    「x」は約20〜約200の整数であり、
    「y」は約1〜約25の整数であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
  24. ブロック共重合体は以下の式(IX)の構造単位を含む、請求項22又は請求項23に記載のブロック共重合体。
    式中、「a」及び「b」は各々独立に0、1、2、3又は4であり、
    「n」、「p」、「q」及び「r」は独立に0又は1であり、
    「x」は約20〜約200の整数であり、
    「y」は約1〜約25の整数であり、
    Yは各々独立に化学結合、酸素原子、硫黄原子、スルフィニル基、スルホニル基、フェニルホスフィン基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Qは化学結合、酸素原子、硫黄原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    Wは、ブロック共重合体におけるWの少なくとも1つが式(VIII)の基であることを条件として、各々独立に以下の式(VII)又は(VIII)の基であり、
    1及びR2は各々独立に水素原子、ハロゲン原子、ニトロ基、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    3、R5、及びR7は各々独立に水素原子、C1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基であり、
    4及びR6は独立にC1〜C12脂肪族基、C3〜C12脂環式基又はC3〜C12芳香族基である。
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