JP2018525224A - 大容量イオン交換バイオセパレーションのためのグラフト化された海島型不織布 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量イオン交換バイオセパレーションのためのグラフト化された海島型不織布を提供する。【解決手段】本発明は、バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜であって、該膜は、約１．５ミクロン未満の平均繊維直径を有するポリエステル繊維の不織ウェブを含み、複数のポリエステル繊維のそれぞれは、その上が、メタクリレートポリマーから構成された複数のポリマーセグメントでグラフト化されており、各ポリマーセグメントは、標的分子への結合に適合した官能基を有する、不織膜を提供する。本発明はまた、溶液中の標的分子の少なくとも一部が不織膜に結合するように、タンパク質などの標的分子を含む溶液を本発明の不織膜に通すことを含む、バイオセパレーションの方法を提供する。バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜の製造方法もまた提供される。【選択図】図１

Description

開示の分野
本発明は、バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜、並びに、それらを形成及び使用する方法に関する。

発明の背景
膜クロマトグラフィーは、バイオセパレーションのためのプラットフォームとして従来の充填床クロマトグラフィーよりもいくつかの潜在的利点を提供する。
膜の相互接続された細孔は、充填床と比較して、実質的な圧力降下なしに高率の容量処理量を可能にする。クロマトグラフィー樹脂は、充填する必要があるが、それらは通常は使い捨てではなく、結果として、それらは、それらの使用のために有効な洗浄及び再生プロセスを必要とする。他方で、拡張可能な生産技術を用いてポリマーから多くの膜を作製することができ、積み重ね可能で、すぐに使用できる使い捨てのバイオセパレーションフィルターとしてのそれらの使用を可能にする。不織膜は、高速製造技術を使用し、低コスト材料を用いて制御可能な多孔度、繊維直径及び孔径を示すように高度に設計されているため、これらの用途のために特に魅力的である。膜へのタンパク質の結合は、流動及び吸着の両方に利用可能な細孔によって形成される表面積に大きく制限される。これは、吸着に対する全ての拡散制限を排除するが、クロマトグラフィー樹脂と比較して膜の結合能力も低下させる。市販の不織布は、クロマトグラフィー樹脂の表面積の一部を有し、その結果、殆どの標的タンパク質捕捉用途のために低い結合能力しか生じない。不織膜における繊維の表面にポリマーブラシを結合することにより、全体的なタンパク質結合能力を実質的に増加させ得る３次元結合ドメインを作製することができる。ポリマーブラシのグラフト化（接合）は、従来のクロマトグラフィー樹脂、中空繊維膜、キャスト膜、及び不織膜における単層被覆の数倍にタンパク質吸着能力を増加させることが知られている。

ポリマーのグラフト化は、支持体の表面特性を劇的に変化させ得る。それは、生体分子の吸着を減少又は増加させるために表面の極性を調整するのに役立ち得、また、それは、支持界面に導入された３次元微小環境において、リガンド又はスペーサーアーム連結のための官能基を導入するために使用され得る。Ｌｉｕ等により実施された以前の研究において、グリシジルメタクリレート（ＧＭＡ）モノマーは、市販で入手可能なポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）不織布に成功裏にグラフト化された。Ｈ．Ｌｉｕ，Ｙ．Ｚｈｅｎｇ，Ｐ．Ｇｕｒｇｅｌ，Ｒ．Ｃａｒｂｏｎｅｌｌ，Ａｆｆｉｎｉｔｙ ｍｅｍｂｒａｎｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ＰＢＴ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｂｙ ｐｈｏｔｏ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｇｒａｆｔ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ， ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇａｎｄ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．４２８巻（２０１３年）５６２−５７５頁参照。ＵＶ誘起フリーラジカル重合を使用して、均一で且つ共形のポリＧＭＡグラフトが、個々のＰＢＴ繊維を囲んで達成された。開始剤としてベンゾフェノン（ＢＰ）を使用してＧＭＡ重合を開始させるために、ポリＧＭＡが、水素引き抜きを介してＰＢＴ表面に直接結合された。

ＰＢＴは、不織布の製造に一般的に使用される多くのポリオレフィンをグラフト化するのに必要な別個の表面ＵＶ前処理を必要としないので、ポリＧＭＡグラフト化のための出発物質として使用するのに有利である。ＰＢＴ不織布材料は、高度の非特異的なタンパク質の吸着を導く、本質的に疎水性の性質であり、基材自体をバイオセパレーションのための貧弱なプラットフォームとする。酸性条件を使用するＰＢＴ上のポリＧＭＡグラフトの
直接加水分解は、繊維表面を完全に親水性にし、非特異的な疎水性タンパク質の吸着を実質的に減少させる。ＧＭＡの各モノマー単位は、配位子を、求核置換を介して、利用可能なアミン、チオール、及びヒドロキシル基で共有結合するために使用し得るエポキシ末端基を含む。Ｌｉｕ等による研究において、ポリＧＭＡブラシに共有結合したジエチレングリコールもまた、非特異的な疎水性相互作用により、タンパク質吸着を実質的に排除することが見出された。

ポリＧＭＡグラフト不織布は、効果的なイオン交換膜の開発のための便利なプラットフォームを提供する。Ｓａｉｔｏ等は、ポリプロピレン生地とポリエチレン中空繊維にポリＧＭＡブラシを成功裏にグラフトした。Ｋ．Ｓａｉｔｏ，Ｔ．Ｋａｇａ，Ｈ．Ｙａｍａｇｉｓｈｉ，Ｓ．Ｆｕｒａｓａｋｉ，Ｔ．Ｓｕｇｏ，Ｊ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｔｅｄ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｂｙ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｇｒａｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．４３巻（１９８９年）１３１−１４１頁参照。これらのグラフト材料は、リン酸基で官能化されて、２価の金属カチオンを捕捉する強カチオン交換膜を形成した。

Ｚｈｅｎｇ等による研究において、ポリＧＭＡをポリプロピレン不織布にグラフトし、ジエチルアミン（ＤＥＡ）で官能化して弱アニオン交換体を開発した。Ｙ．Ｚｈｅｎｇ，Ｈ．Ｌｉｕ，Ｐ．Ｇｕｒｇｅｌ，Ｒ．Ｃａｒｂｏｎｅｌｌ，Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ
ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｆａｂｒｉｃｓ ｗｉｔｈ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｇｒａｆｔｉｎｇ ｏｆ ｐｏｌｙ（ｇｌｙｃｉｄｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ） ｆｏｒ ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．３６４巻（２０１０年）３６２−３７１頁参照。この物質は、１２０ｍｇ／ｇ膜のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）に対する平衡結合容量を達成した。

Ｌｉｕ等は、アニオン交換によるＢＳＡの捕捉のために、不織布ＰＢＴ上の様々な割合のポリＧＭＡグラフト化の効果を調査した。Ｈ．Ｌｉｕ，Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｏｒ ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ，ローリー ノースカロライナ州 米国，ノース カロライナ ステート ユニバーシティー，ＰｈＤ論文，２０１２年参照。その研究において、ポリＧＭＡグラフトはＤＥＡで弱アニオン交換体に変換し、ＢＳＡで接種した。全体のタンパク質結合能力は、グラフト化の割合（質量％の増加）と共に増加することが決定された。８００ｍｇ／ｇの最大平衡結合容量が、１２％のポリＧＭＡの質量増加において観察された。この調査はまた、最大結合に達するために数時間から１日の滞留時間が必要であり、これらの結合時間は、増加したグラフト化の質量％増加と共に増加することを示した。これらの長い滞留時間は、下流加工のための高生産性、高容量のタンパク質捕捉デバイスの開発のための、これらのポリＧＭＡグラフト化不織ＰＢＴ膜の使用を妨げる。

したがって、高生産性、高容量のタンパク質捕捉が可能なグラフト化された不織膜の必要性が依然として存在する。

Ｈ．Ｌｉｕ，Ｙ．Ｚｈｅｎｇ，Ｐ．Ｇｕｒｇｅｌ，Ｒ．Ｃａｒｂｏｎｅｌｌ，Ａｆｆｉｎｉｔｙ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ＰＢＴ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｂｙ ｐｈｏｔｏ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｇｒａｆｔ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ， ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇａｎｄ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．４２８巻（２０１３年）５６２−５７５頁 Ｋ．Ｓａｉｔｏ，Ｔ．Ｋａｇａ，Ｈ．Ｙａｍａｇｉｓｈｉ，Ｓ．Ｆｕｒａｓａｋｉ，Ｔ．Ｓｕｇｏ，Ｊ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｐｈｏｓｐｈｏｒｙｌａｔｅｄ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｂｙ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｇｒａｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．４３巻（１９８９年）１３１−１４１頁 Ｙ．Ｚｈｅｎｇ，Ｈ．Ｌｉｕ，Ｐ．Ｇｕｒｇｅｌ，Ｒ．Ｃａｒｂｏｎｅｌｌ，Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｆａｂｒｉｃｓ ｗｉｔｈ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｇｒａｆｔｉｎｇ ｏｆ ｐｏｌｙ（ｇｌｙｃｉｄｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ） ｆｏｒ ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．３６４巻（２０１０年）３６２−３７１頁 Ｈ．Ｌｉｕ，Ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｎｏｎｗｏｖｅｎ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｏｒ ｂｉｏｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ，ローリー ノースカロライナ州 米国，ノース カロライナ ステート ユニバーシティー，ＰｈＤ論文，２０１２年

本発明の一実施形態において、約１．５ミクロン未満の平均繊維直径を有するポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）不織布は、例えばＵＶ誘起ラジカル重合を介してグリシジルメタクリレート（ＧＭＡ）又は同様のメタクリレートポリマーで容易にグラフト化され得、アニオン交換体又はカチオン交換体として機能するように化学的に修飾され得る各繊維の周囲に、均一且つ共形のポリマーブラシネットワークを構築する。イオン交換によるタンパク質の吸着速度を、本発明に従う約１μｍの平均繊維直径を有する海島型（Ｉ／Ｓ）ＰＢＴ不織布及び約３μｍの平均繊維直径を有する市販で入手可能なＰＢＴ不織布において測定した。両方の不織布はポリＧＭＡで成功裏にグラフト化され、同様の質量％グラフト化において、同様のイオン交換平衡タンパク質結合能を示した。しかし、本発明のグラフト化されたＩ／Ｓ不織膜は、初期段階において実質的により多い量のタンパク質結合を示し、そして、より大きな繊維直径を有するグラフト化された市販の不織布が必要とするほんの僅かな時間だけで平衡に達することができた。操作理論に拘束されるわけではないが、同じ質量％のグラフト化を伴う市販のＰＢＴ中のものとの比較において、本発明のＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布で観察される、タンパク質吸着のより速い速度は、繊維の周囲のより薄いポリＧＭＡグラフト層の厚さの結果であると考えられる。

一観点に従って、本発明は、バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜であって、約１．５ミクロン未満（より典型的には、１ミクロン又は未満）の平均繊維直径を有する複数のポリエステル繊維（例えば、ポリブチレンテレフタレート繊維）を含む不織ウェブを含み、複数のポリエステル繊維の各々は、その上に、メタクリレートポリマー（例えば、ポリＧＭＡ）で構成された複数のポリマーセグメントがグラフト化されており、各ポリマーセグメントは、標的分子に結合するのに適した官能基を有する、不織膜を提供する。特定の実施形態において、メタクリレートポリマーは、グリシジルメタクリレート、メタクリル酸、２−（ジエチルアミノ）エチルメタクリレート、［２−（メタクリロイルオキシ）エチル］トリメチルアンモニウムクロリド、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される１種以上のモノマーから構成される。官能基は、標的分子に依存して変化し得るが、典型的には、標的分子とのカチオン又はアニオン交換のために適した基である。

特定の実施形態において、不織ウェブは、海島型の２成分繊維の海成分の除去後に残存する島繊維を含む。不織ウェブは、少なくとも約１．５ｍ²／ｇの例示的な特定のＢＥＴ表面積を有し得る。典型的には、グラフトポリマーセグメントの質量は、不織ウェブの質
量の約２ないし約５０％であり、最も好ましくは５ないし２５質量％の増加である。

別の観点において、溶液中の標的分子の少なくとも一部が不織膜に結合するように、タンパク質のような標的分子を含む溶液を、本発明の不織膜に通すことを含む、バイオセパレーションの方法が提供される。

更なる別の観点において、本発明は、複数の海島型繊維又は２成分の海島型繊維の海成分の除去後に残存する複数の島繊維を含む不織ウェブを受け入れる工程；必要に応じて、２成分の海島型繊維の海成分を除去して、その島繊維を露出させる工程；島繊維の表面上にメタクリレートポリマーをグラフトして、それに共有結合した複数のポリマーセグメントを形成し、それによりグラフト化された島繊維を形成する工程であって、該グラフト化工程は、不織ウェブを開始剤及び少なくとも１種のメタクリレートモノマーを含む溶液と接触させる工程と、不織ウェブを紫外線に曝露してメタクリレートモノマーの重合を開始させる工程と、を含む工程；及び、必要に応じて、グラフト化された島繊維を官能化して、グラフト化された島繊維の複数のポリマーセグメントのそれぞれに対して標的分子への結合のために適した少なくとも１種の官能基を結合させる工程を含む、バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜の製造方法を提供する。グラフト溶液中のモノマーの濃度は変動し得るが、典型的には約５ないし約５０％ｖ／ｖ（最も好ましくは１５ないし２５％ｖ／ｖ）であり、ベンゾフェノンのような開始剤が、典型的には、約１：１００ないし約１：５（例えば、１：２０）のモノマーに対する開始剤のモル比で存在する。紫外線光源は、重合を開始させるために２００ｎｍないし５００ｎｍ（最も好ましくは３６５ｎｍ）の範囲の波長を有し得る。重合を開始させる特定の波長は、使用される光開始剤、並びにＰＢＴの表面にグラフトされるモノマーに依存する。さらに、紫外線光源は、グラフト化に必要なエネルギー、及び、所望の重合度を達成するために行われるグラフト化の所望の速度に依存して、１ないし３０ｍＷ／ｃｍ²（最も好ましくは５ｍＷ／ｃｍ²）の強度を有し得る。

本発明は、以下の実施形態を含むが、これらに限定されない：
実施形態１：バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜であって、約１．５ミクロン未満の平均繊維直径を有する複数のポリエステル繊維を含む不織ウェブを含み、複数のポリエステル繊維のそれぞれは、その上が、メタクリレートポリマーから構成された複数のポリマーセグメントでグラフト化されており、各ポリマーセグメントは、標的分子への結合に適合した官能基を有する、不織膜。

実施形態２：前記メタクリレートポリマーは、グリシジルメタクリレート、メタクリル酸、２−（ジエチルアミノ）エチルメタクリレート、［２−（メタクリロイルオキシ）エチル］トリメチル−アンモニウムクロリド、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される１種以上のモノマーから構成される、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態３：前記ポリエステル繊維は、ポリブチレンテレフタレートで構成される、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態４：前記平均繊維直径は、約１ミクロン又は未満である、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態５：前記官能基は、標的分子とのカチオン又はアニオン交換のために適している、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態６：前記不織ウェブは、海島型の２成分繊維の海成分の除去後に残存する島繊維を含む、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態７：前記不織ウェブは、少なくとも約１．５ｍ²／ｇの特定のＢＥＴ表面積を有する、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態８：前記グラフト化されたポリマーセグメントの質量は、不織ウェブの質量の約２ないし約５０％である、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の膜。

実施形態９：溶液中の標的分子の少なくとも一部が不織膜に結合するように、標的分子を含む溶液を、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の不織膜に通すことを含む、バイオセパレーションの方法。

実施形態１０：標的分子がタンパク質である、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の方法。

実施形態１１：バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜の製造方法であって、ｉ）複数の海島型繊維又は２成分の海島型繊維の海成分の除去後に残存する複数の島繊維を含む不織ウェブを受け入れる工程；ｉｉ）必要に応じて、２成分の海島型繊維の海成分を除去して、その島繊維を露出させる工程；ｉｉｉ）島繊維の表面上にメタクリレートポリマーをグラフトして、それに共有結合した複数のポリマーセグメントを形成し、それによりグラフト化された島繊維を形成する工程であって、該グラフト化工程は、不織ウェブを開始剤及び少なくとも１種のメタクリレートモノマーを含む溶液と接触させる工程と、不織ウェブを紫外線又は熱に曝露してメタクリレートモノマーの重合を開始させる工程と、を含む工程；及びｉｖ）必要に応じて、グラフト化された島繊維を官能化して、グラフト化された島繊維の複数のポリマーセグメントのそれぞれに対して標的分子への結合のために適した少なくとも１種の官能基を結合させる工程を含む、製造方法。

実施形態１２：前記島繊維がポリブチレンテレフタレートから構成され、メタクリレートポリマーがポリＧＭＡである、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の方法。

実施形態１３：前記溶液中のモノマー濃度が約５ないし約５０％ｖ／ｖであり、開始剤が約１：１００ないし約１：５のモノマーに対する開始剤のモル比で存在する、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の方法。

実施形態１４：前記開始剤がベンゾフェノンである、先行する又は後続の実施形態の何れかに記載の方法。

本開示のこれら及び他の特徴、観点、及び利点は、以下で簡単に記載される添付の図面とともに以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。本発明は、そのような特徴又は要素が、ここにおける特定の実施形態の記述において明確に組み合わせられているかどうかに拘わらず、上記の実施形態の２つ，３つ，４つ又はそれ以上の何れの組み合わせ、並びに、本開示に記載された２つ，３つ，４つ又はそれ以上の何れの特徴又は要素の組み合わせをも含む。この開示は、その種々の観点及び実施形態の何れにおいても、開示された発明の何れの分離可能な特徴又は要素も、文脈上別途明確に指示されない限り、組み合わせ可能であることが意図されるよう、全体的に読み取られることが意図される
。本発明の他の観点及び利点は、以下から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明
本発明の実施形態の理解を提供するために、必ずしも一定の比率の縮尺ではない添付の図面が参照される。図面は単なる例示であり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。
図１Ａ及び１Ｂは、（Ａ）３６個の島を有するＩ／Ｓ繊維及び（Ｂ）１０８個の島を有するＩ／Ｓ繊維の断面図であり； 図２Ａ及び２Ｂは、（Ａ）ＰＬＡ除去前及び（Ｂ）ＰＬＡ除去後の、１０８個の島のＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布のＳＥＭ画像であり； 図３は、市販のＰＢＴ不織布及びＰＬＡ除去後の１０８ Ｉ／Ｓ不織布の種々のＵＶ曝露時間におけるポリＧＭＡグラフトの程度を示し； 図４Ａないし４Ｄは、（Ａ）グラフト化前の市販のＰＢＴ不織布、（Ｂ）グラフト化前の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布、（Ｃ）２０質量％の増加までグラフト化された市販のＰＢＴ不織布、及び（Ｄ）２０質量％の増加までグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布のＳＥＭ画像であり； 図５Ａないし５Ｃは、（Ａ）２０質量％の増加までグラフト化された市販のＰＢＴ、（Ｂ）５．９質量％の増加までグラフト化された市販のＰＢＴ不織布、及び（Ｃ）２０質量％の増加までグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布の繊維直径及び乾燥グラフト層の厚さの断面の概略図であり； 図６は、様々な程度でグラフトされ、ＩｇＧ及びＢＳＡにそれぞれ結合するカチオン又はアニオン交換体のいずれかに官能化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布及び市販のＰＢＴ不織布の平衡結合容量を示し； 図７は、アニオン交換官能化グラフト不織布：２０質量％及び５．９質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ、並びに、２０質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴのための種々の接触時間でのＢＳＡ捕捉を示し； 図８は、カチオン交換官能化グラフト不織布：１８質量％及び５．３質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ、並びに、１８質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴのための種々の接触時間におけるｈＩｇＧ吸着を示し； 図９は、ＢＳＡ及びｈＩｇＧ結合速度について試験された全てのイオン交換官能化グラフト不織布における、接触時間１５分又は未満のタンパク質結合を示し； 図１０は、時間（ｔ）が進行するにつれて、利用可能なポリＧＭＡ“コア”が飽和タンパク質／ポリＧＭＡシェルに変換される、タンパク質が充填されたグラフト化されたＰＢＴ繊維の経時的な断面の概略図である。ｒ１＝ＰＢＴ繊維半径、ｒｃ＝コア半径、ｒ２＝グラフト化された繊維半径； 及び 図１１Ａ及び図１１Ｂは、最良適合線を伴う、時間に対してプロットされたアニオン交換官能化ポリＧＭＡ不織布の変換のための実験データから計算された（Ａ）Ψ値、及び、最良適合線を伴う、時間に対してプロットされたカチオン交換官能化ポリＧＭＡ不織布の変換のための実験データから計算された（Ｂ）Ψ値を示し； 図１２は、時間の関数としてのＢＳＡのアニオン交換ポリＧＭＡへの吸着のための実験的且つ収縮的なコアモデルの結果であり（２０質量％の増加における市販のＰＢＴ：φ＝０．７５及びτ＝６７１６分、５．９質量％の増加における市販のＰＢＴ：φ＝０．８４及びτ＝３１０９分、及び２０質量％の増加における１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ：φ＝０．７５及びτ＝１８３９分）；及び 図１３は、時間の関数としてのｈＩｇＧのカチオン交換ポリＧＭＡ“コア”への吸着のための実験的且つ収縮的なコアモデルの結果である（１８質量％の増加における市販のＰＢＴ：φ＝０．７１及びτ＝３７８９分、５．３質量％の増加における市販のＰＢＴ：φ＝０．８８及びτ＝４９５５分、及び１８質量％の増加における１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ：φ＝０．７４及びτ＝３１８９分）。

発明の詳細な説明
本発明は、これから、添付の図面を参照して以下でより完全に記載される。本発明は、多くの異なる形態で実施され得、そして、ここに示される実施形態に限定されるものと解釈すべきではなく；むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提供される。同様の番号は、全体を通して同様の要素を指す。本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”は、文脈上明確に指示されない限り、複数の指示対象を含む。

本発明は、イオン交換又はアフィニティークロマトグラフィーを使用する、特定の溶液からのタンパク質の分離のような、バイオセパレーションのために使用することが可能な機能化膜を構築するための基材として不織ウェブを利用する。本発明で使用される不織ウェブは、ナノファイバーの範囲内の又はそれに近い平均繊維直径を有する。ナノファイバー不織布の潜在的な商業生産の解決策は、不織布マットの製造のためのスパンボンドプロセスにおける２成分繊維の利用である。例えば、Ｎ．Ｆｅｄｏｒｏｖａ，Ｂ．Ｐｏｕｒｄｅｙｈｉｍｉ，Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｎｙｌｏｎ ｍｉｃｒｏ− ａｎｄ ｎａｎｏｆｉｂｅｒ ｂａｓｅｄ ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ ｖｉａ ｓｐｕｎｂｏｎｄｉｎｇ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．１０４巻（２００７年）３４３４−３４４２頁参照。この製造スキームにおいて、２種のポリマーは、同じ紡糸口金から共押出しされ得るが、ここで、それらは結合して結束繊維となる。該繊維はまた、鞘形状のセグメント化されたパイ又はコアでも押出され得る。次いで、これらの繊維を破砕してはるかに小さな直径の多くの繊維を放出させるか、又はポリマーの１つを選択的に溶解して、不織布マトリックス中にはるかに小さい繊維のセットを残すことができる。例えば、Ａ．Ｄｕｒａｎｙ，Ｎ．Ａｎａｎｔｈａｒａｍａｉａｈ，Ｂ．Ｐｏｕｒｄｅｙｈｉｍｉ，Ｈｉｇｈ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ ｖｉａ ｆｉｂｒｉｌｌａｔｉｎｇ ｓｐｕｎｂｏｎｄｅｄ ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｉｓｌａｎｄｓ−ｉｎ−ｔｈｅ−Ｓｅａ ｂｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｆｉｌａｍｅｎｔｓ： ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｐｒｏｃｅｓｓ−ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．４４巻（２００９年）４９２６−５９３４頁参照。

本明細書で使用される場合、用語「繊維」は、例えば少なくとも約１００倍の高いアスペクト比を有する織物の基本要素として定義される。さらに、「フィラメント／連続フィラメント」は、非常に高いアスペクト比を示す極めて長い長さの連続繊維である。“多成分繊維”という用語は、２成分繊維を含む物理的又は化学的性質によって異なる２種以上のポリマーを含む繊維を言及する。繊維材料、ウェブ、マット、バット又はシートに関してここで使用される“不織布”という用語は、繊維が不定又は不規則な配向で整列した繊維構造を言及する。本発明による繊維は多様であり、円形、長方形、正方形、楕円形、三角形及び多葉形を含むが、これらに限定されない何れのタイプの断面を有する繊維をも含み得る。特定の実施形態において、繊維は１つ以上の空隙を有し得、ここで、空隙は、例えば、円形、長方形、正方形、楕円形、三角形、又は多葉形の断面を有し得る。

不織ウェブを製造する手段は様々であり得る。一般に、不織ウェブは、典型的には、ウェブ形成、結合及び仕上げ処理の３段階で製造される。ウェブの形成は、当該技術分野で公知の任意の手段によって達成することができる。例えば、ウェブは、乾式プロセス、スパンボンドプロセス、又は湿式プロセスによって形成され得る。本発明の種々の実施形態において、不織ウェブは、スパンボンドプロセスによって製造される。スパンボンドは、種々のタイプの繊維紡糸プロセス（例えば、湿式、乾式、溶融、又は乳化）を使用し得る。溶融紡糸が最も一般的に使用され、ここで、ポリマーが液体状態に溶融され、ポリマー
ストランドがオリフィスの形状に従って凝固するように、小さいオリフィスを通って冷たい空気に押し込まれる。このようにして製造された繊維束が引き伸ばされ、即ち、機械的に引き伸ばされて（例えば３ないし５倍）繊維が配向される。不織ウェブは、その後、延伸された繊維を移動ベルト上に堆積させることによって形成される。一般的なスパンボンドプロセスは、例えば、Ａｐｐｅｌ等の米国特許第４，３４０，５６３号、Ｄｏｒｓｃｈｎｅｒ等の米国特許第３，６９２，６１８号、Ｍａｔｓｕｋｉ等の米国特許第３，８０２，８１７号、Ｋｉｎｎｅｙの米国特許第３，３３８，９９２号及び第３，３４１，３９４号、Ｈａｒｔｍａｎｎの米国特許第３，５０２，７６３号及びＤｏｂｏ等の米国特許第３，５４２，６１５号に記載されているが、それらは全て参照としてここに組み込まれる。スパンボンドは、典型的には、例えば、メルトブローよりも大きな直径のフィラメントを生成する。例えば、幾つかの実施形態において、スパンボンドは、約２０ミクロン以上の平均直径を有する繊維を生成する。

より小さい直径（例えば、約１．５ミクロン未満、約１．０ミクロン未満、又は約０．５ミクロン未満）を有する繊維を得るために、多成分繊維を加工するための種々の方法が利用可能である。これらの方法は、典型的にはより大きな直径を有するスパンボンド材料に一般的に適用されるものの、それらはまた、メルトブローされた材料及び他の手段によって調製された繊維材料にも適用できることに留意されたい。例えば、幾つかの実施形態において、分割可能な多成分繊維が製造され（例えば、セグメント化されたパイ、リボン、海島、又は多葉を含むが、これに限定されない）、続いて分割又はフィブリル化されて、より小さな直径を有する２種以上の繊維を提供する。そのような繊維を分割し得る手段は多様であり、そして、水流交絡のような繊維に機械的エネルギーを与える種々のプロセスを含み得る。このプロセスの例示的な方法は、例えばＰｏｕｒｄｅｙｈｉｍｉ等の米国特許第７，９８１，２２６号に記載されているが、これは参照としてここに組み込まれる。

上記のように、特定の実施形態において、多成分繊維が生成され、続いて（例えば、繊維と溶媒とを接触させることによって）処理されて１つ以上の成分を除去する。 例えば、特定の実施形態において、海島型の繊維を製造し、処理して海成分を溶解させ、より小さな直径の繊維として島を残すことができる。 このタイプのプロセスの例示的な方法は、例えば、Ｋａｔｏ等の米国特許第４，６１２，２２８号に記載されているが、これは、参照としてここに組み込まれる。

海島型（Ｉ／Ｓ）不織技術は、鞘の２成分フィラメントプロセスにおけるコアの拡張である。このタイプの不織布は、“海”として知られる犠牲的なポリマー鞘中に埋め込まれた“島”として知られる繊維内に、多くの永久ポリマーコアを有する。島の数と海成分に対する島成分の比率は、本発明において特に限定されないが、約２０ないし約４００個の島（例えば、約５０ないし約２００個の島）を含む島の数の例示的な範囲を有する。図１Ａ及び１Ｂは、２つの例示的なＩ／Ｓ構造の断面図であり、１つは３６個の島を有し、１つは１０８個の島を有する。“海”に対する“島”の比率は、例えば、約２５：７５（ｗ：ｗ）ないし約７５：２５（ｗ：ｗ）の範囲であり得る。ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、多くのポリマー（例えば、ナイロン−６及びＰＢＴ）と比較して融点が低く、熱い苛性浴で容易に分解され得、それを溶ける“海”のための優れた候補にする。Ｉ／Ｓ不織布は、メルトブロー又はスパンボンド技術によって製造された市販の不織布と比較して、繊維生産の高い生産性及び寸法安定性を依然として維持しつつ、より小さな繊維直径を達成し得、従って、より高い比表面積を達成し得る。

このようにして製造された繊維ウェブは、様々な坪量を有し得る。幾つかの実施形態において、不織ウェブの坪量は、約２００ｇ／ｍ²以下、約１５０ｇ／ｍ²以下、約１００ｇ／ｍ²以下、又は約５０ｇ／ｍ²以下である。特定の実施形態において、不織布は、約７５
ｇ／ｍ²ないし約１２５ｇ／ｍ²の坪量を有する。織物の坪量は、例えば、“織物の単位面積当たりの質量（質量）のための標準試験方法”と題されたＡＳＴＭ Ｄ ３７７６／Ｄ
３７７６Ｍ−０９ａｅ２に概説された試験方法を用いて測定し得る。この試験は、単位面積当たりの質量の測定を報告し、平方メートル当たりのグラム（ｇ／ｍ²）として測定され、表される。

不織ウェブは、少なくとも約１．５ｍ²／ｇ、例えば少なくとも約２．０ｍ²／ｇ又は少なくとも約２．２ｍ²／ｇの例示的な比ＢＥＴ表面積を有し得る。例示的なＢＥＴ表面積の範囲は、約１．５ｍ²／ｇないし約３．０ｍ²／ｇである。

不織ウェブのポリマーは様々であるが、典型的には、グラフト化のために、適切な熱可塑性ポリマーを含む。例示的なポリマーは、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン又はポリプロピレン）、ポリエステル、及びポリアミドを含む。ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、コポリエステル、及びそれらの組み合わせを含むポリエステルが特に有用である。ＰＢＴのポリマー構造は、ベンゾフェノンのようなグラフト反応に使用される特定の開始剤に対して天賦の親和性を有するため、ＰＢＴは特に有用である。この理由のため、ＰＢＴを用いる場合には、ポリマーと開始剤との間の親和性を高めるために、官能基をポリマーに導入する前処理工程が不要である。

上記のように、不織ウェブのポリマー繊維は、ポリマーブラシ又はセグメントが繊維に共有結合されるグラフト化プロセスに供される。このプロセスは、典型的には、光開始剤（例えば、ベンゾフェノン）などのフリーラジカル重合開始剤と共に、好適な溶媒中に溶解したモノマーを含む溶液に不織ウェブを接触させることを必然的に伴う。このプロセスは、典型的には、不織ウェブを２００ないし５００ｎｍ（最も好ましくは３６５ｎｍ）の波長及び１ないし３０ｍＷ／ｃｍ²（最も好ましくは５ｍＷ／ｃｍ²）の強度を有する紫外光に付して重合反応を開始させることも必然的に伴う。グラフト溶液中のモノマーの濃度は変化し得るが、典型的には約５ないし約５０％ｖ／ｖ（最も好ましくは１５ないし２５％（ｖ／ｖ））であり、ベンゾフェノンのような開始剤は、典型的には、約１：１００ないし約１：５（例えば１：２０）のモノマーに対する開始剤のモル比で存在する。特定の実施形態において、グラフト化されたポリマーセグメントの質量が不織ウェブの質量の約２ないし約５０％（最も好ましくは５ないし２５質量％の増加）になるまで、重合反応が進められる。

グラフト化に使用されるポリマーは様々であるが、典型的にはアクリレート又はメタクリレートポリマーである。グラフトポリマーは、特定の標的分子に対する親和性を高めるために官能化され得る不織ウェブの繊維にブラシ様の延長部をもたらす。グラフトポリマーのためのモノマーの選択は、多様であり、部分的に、最終膜構造に必要とされる所望の結合特性に依存する。特定のモノマーは、本質的に、親和性又はイオン交換結合のために使用し得る官能基を有し、一方、他のモノマーは、必要な結合基を付加するためにさらなる官能化を必要とする。例示的なモノマー及びその潜在的使用は：グリシジルメタクリレート（更なる官能化のために好適）、メタクリル酸（弱カチオン交換膜）、２−（ジエチルアミノ）エチルメタクリレート（弱アニオン交換膜）、［２−（メタクリロイルオキシ）エチル］トリメチル−アンモニウムクロリド（強アニオン交換膜）、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ、タンパク質耐性膜）、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（強カチオン交換膜）、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート（弱アニオン交換膜）、ブチルメタクリレート（疎水性相互作用膜）、３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート（更なる官能化に好適）、２−エチルヘキシルメタクリレート（疎水性相互作用膜）及びそれらの組み合わせを含む。

必要であれば、各ポリマーセグメントが標的分子への結合に適した官能基を有するように、ポリマーセグメント又はブラシは官能化され得る。そのような官能基とタンパク質のような標的分子との間に起こり得る例示的な結合は、イオン結合、水素結合及びファンデルワールス力を含み得る。例示的な官能基は、アミン基（第１級、第２級、第３級又は第４級アミンを含む）、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基などを含む。そのような官能基を結合する誘導体化反応は、典型的には、ポリマーブラシ上のエポキシ基又は他の反応性基を所望の官能基を含む分子と反応させることを含む。

実験の部においてより詳細に説明するように、本発明者等は、１０８個の島のＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布ウェブに完全かつ共形のポリＧＭＡブラシを成功裏にグラフト化した。グラフト化された不織布は、ＢＳＡ及びｈＩｇＧの捕捉のための弱アニオン及び強カチオン交換体に、それぞれ成功裏に誘導体化された。１８ないし２０％のポリＧＭＡの質量増加において１０００ｍｇ／ｇに達する平衡静的タンパク質結合能力が達成されたが、これはポリＧＭＡブラシが単層被覆の数倍タンパク質捕捉を増加させることが可能であることを示している。より薄いポリＧＭＡグラフトを有するより高い表面積の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴは、ポリＧＭＡ／タンパク質層における拡散限界の重要性を減少させることができ、結果として、市販のＰＢＴ不織布と比較して、より短い時間で平衡に達することが観察された。更に、１０８ Ｉ／Ｓ不織布ＰＢＴは、市販のＰＢＴ不織布と比較してより高い初期タンパク質結合の量を示したが、これは、短い滞留時間を必要とする用途において有利である。

特定の実施形態において、本発明のポリマーグラフト化及び官能化された不織膜は、少なくとも約１８％のグラフトポリマーの質量増加（例えば、不織ウェブの質量に基づいて、グラフトポリマーを１８ないし２０質量％含む不織布）における、タンパク質の少なくとも約８００ｍｇ／ｇ、少なくとも約８５０ｍｇ／ｇ、又は少なくとも約９００ｍｇ／ｇの能力のような、非常に高いタンパク質結合能により、特徴付けされ得る。更に、本発明の不織ウェブは、少なくとも約１８％のグラフトポリマーの質量増加（例えば、不織ウェブの質量に基づいて、グラフトポリマーを１８ないし２０質量％含む不織布）で、約１分間以下の接触時間における、少なくとも約２００ｍｇ／ｇ、少なくとも約２５０ｍｇ／ｇ、又は少なくとも約３００ｍｇ／ｇのタンパク質結合のような、短い接触時間でかなりの量のタンパク質に結合することを特徴とし得る。

１０８島数の海島型不織布ＰＢＴ生地を、Ｎｏｎｗｏｖｅｎｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＮＷＩ、ノースカロライナ州立大学、ローリー、ノースカロライナ州）のパイロット施設で製造した。島数は、ＰＬＡ“海”が除去された後に遊離する個別のＰＢＴ繊維の数を言及する。Ｉ／Ｓ不織布は、“海”ポリマーとしての５０％のＰＬＡと、“島”ポリマーとしての５０％のＰＢＴからなる、坪量１００ｇ／ｍ²で製造され、“海”除去後の坪量は５０ｇ／ｍ²である。Ｍａｃｏｐｈａｒｍａ（トゥルコアン、フランス）は、５２ｇ／ｍ²の坪量を有する市販で入手可能なメルトブローされたＰＢＴ不織布を提供した。グリシジルメタクリレート（ＧＭＡ）はＰｆｌａｔｚ＆Ｂａｕｅｒ（ウォーターベリー、コネティカット州）から購入した。ＧＭＡ中の阻害剤を、予め充填した阻害剤除去カラムを通して除去して、ヒドロキノン及びモノメチルエーテルヒドロキノン（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、セントルイス、ミズーリ州）を除去した。ベンゾフェノン（ＢＰ）はＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ（セントルイス、ミズーリ州）から購入した。水酸化ナトリウム、１−ブタノール、トリス塩基、塩酸、塩化ナトリウム及び酢酸ナトリウム三水和物は、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（フェアローン、ニュージャージー州）から購入した。テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、メタノール、硫酸及び酢酸をＢＤＨ（ウェストチェスター、ペンシルベニア州）から購入した。ジエチルアミン（ＤＥＡ）はＡｌｆａ Ａｅｓａｒ（ワードヒル、マサチューセッツ州）から購入した。リン酸（８５％）はＡｃｒｏｓ Ｏｒ
ｇａｎｉｃｓ（フェアローン、ニュージャージー州）から購入した。固相抽出チューブはＳｕｐｅｌｃｏ（ベレフォンテ、ペンシルベニア州）から購入した。ウシ血清由来のアルブミン（ＢＳＡ）はＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ（セントルイス、ミズーリ州）から購入した。ヒト免疫グロブリンＧ（ｈＩｇＧ）は、Ｅｑｕｉｔｅｋ−Ｂｉｏ Ｉｎｃ．（カービル、テキサス州）から購入した。

Ｉ／Ｓ不織布からのＰＬＡ除去
１０８ Ｉ／Ｓ不織布の５０％ＰＬＡ“海”は、グラフト化前にＰＢＴ“島”を遊離させるために除去しなければならなかった。ＰＬＡを８０ないし９０℃のＤＩ水中の１０％ｗ／ｗ水酸化ナトリウムを用いて分解した。全てのＰＬＡが不織布から溶解するまで、Ｉ／Ｓ不織布を絶えず攪拌しながら５分間苛性浴に浸漬した。次いで、ＰＢＴ不織布を、中性ｐＨに達するまでＤＩ水で十分に洗浄した。次に試料を一晩空気乾燥させた。図２Ａ及び２Ｂは、それぞれＰＬＡ除去の前及び後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を示す。

図２Ａにおいて、ＰＬＡ除去の前に直径約１５μｍの初期のより大きい繊維を示す、ＰＢＴ“島”をカプセル化するＰＬＡが依然として存在する。図２Ｂは、直径約１μｍである１０８の個別のＰＢＴ繊維に遊離したＰＬＡ除去後の不織布を示す。ＰＬＡ除去後に放出されるＰＢＴ繊維は、元のＰＬＡ繊維の一般的な方向を維持する。

ＰＢＴ不織布上へのＵＶ誘起ポリＧＭＡグラフト化
ＧＭＡグラフト溶液は、溶媒としての１−ブタノール中の２０％ｖ／ｖ ＧＭＡモノマーからなる。光開始剤ベンゾフェノン（ＢＰ）をＢＰ：ＧＭＡ比１：２０（モル：モル）のグラフト溶液に添加した。市販で入手可能なＰＢＴ不織布及びＰＬＡ除去後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を、７５×５０ｍｍのサイズの試料に切断し、グラフト化前に秤量したが、試料は、市販のＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴについてそれぞれ約２００ｍｇ及び１８０ｍｇであった。１．５ないし２．０ｍｌのグラフト溶液をシリンジを介して噴霧することにより、不織布をグラフト溶液で飽和させ、２つのホウケイ酸ガラススライド（７５×５０ｍｍ）の間に配置した。３６５ｎｍの波長及び５ｍＷ／ｃｍ²の強度を有するＵＶランプ（モデルＥＮ−１８０Ｌ、Ｓｐｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ウェストベリー、ニューヨーク州）を使用して、ＰＢＴ表面上へのＧＭＡのフリーラジカル重合を誘導した。ランプと試料との間の距離は３ｍｍであった。試料を種々の曝露時間で照射して、異なる質量％の増加を伴う異なる割合のポリＧＭＡグラフト化を達成した。ポリＧＭＡグラフト化の後、試料を１００ｍｌのＴＨＦを含むフラスコに入れ、ＴＨＦと試料を含むフラスコを、超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎｉｃ ３５１０Ｒ−ＭＴ、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ダンベリー、コネチカット州）で３０分間超音波処理して何れの未反応のグラフト溶液又は未結合ポリＧＭＡも除去した。ＴＨＦ洗浄後、試料をフラスコから取り出し、１００ｍｌのメタノールを含有するフラスコに入れ、試料とメタノールを含むフラスコを超音波浴で１０分間超音波処理して不織布からＴＨＦを除去した。メタノール洗浄後、試料をフラスコから取り出し、空気中で一晩乾燥させた。不織布の最終質量を測定し、ポリＧＭＡグラフト化の割合を、グラフト化に起因する質量％の増加を単位とする数式（１）を使用して決定した。

数式（１）において、Ｗｉはグラフト化前の初期の不織布の質量であり、ＷｆはポリＧＭＡグラフト化後の最終の不織布の質量である。数式（１）で定義された質量％の増加を、％Ｗｔと略記する。図中の増加を、この紙面中に提示した。

ポリＧＭＡグラフト化ＰＢＴ不織布の官能化
ポリＧＭＡグラフト化ＰＢＴ不織布は、５０％ｖ／ｖ ジエチルアミン（ＤＥＡ）水溶液に浸漬することによって弱アニオン交換体を生成するように官能化され、それによりポリＧＭＡブラシ上に第３級アミンを生成した。１８０ないし２００ｍｇ（７５×５０ｍｍ）のグラフト化ＰＢＴ不織布試料を１００ｍｌのＤＥＡ溶液に浸漬した。インキュベーションフード（Ｃｅｒｔｏｍａｔ（登録商標）ＨＫ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ Ｂｉｏｔｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、メルズンゲン、ドイツ）中に含まれるインキュベーションシェーカー（Ｃｅｒｔｏｍａｔ（登録商標）ＲＭ、Ｂ．Ｂｒａｕｎ Ｂｉｏｔｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、メルズンゲン、ドイツ）を用いて、反応を１００ｒｐｍで攪拌しながら３０℃に保った。アミノ化の後、試料を１００ｍｌのＤＩ水を含むフラスコに入れ、過剰のＤＥＡを除去するためにフラスコを超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎｉｃ ３５１０Ｒ−ＭＴ、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ダンベリー、コネチカット州）に５分間置いた。超音波処理後、ＤＩ水洗浄液を新鮮なＤＩ水で置き換え、この工程を、ｐＨ試験紙で７．０の中性ｐＨが確認されるまで繰り返し、１０回の洗浄が、すべてのＤＥＡが不織布から除去されることを確実にした。何れの未反応のエポキシ基も、試料を１００ｍＭの硫酸１００ｍＬに一晩浸漬することによって加水分解された。エポキシ基の加水分解後、試料を１００ｍｌのＤＩ水を含むフラスコに入れ、フラスコを超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎｉｃ ３５１０Ｒ−ＭＴ、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ダンベリー、コネチカット州）に５分間入れて、過剰の硫酸を除去した。超音波処理後、ＤＩ水洗浄液を新鮮なＤＩ水で置き換え、この工程を、ｐＨ試験紙で７．０の中性ｐＨが確認されるまで繰り返し、１０回の洗浄が、すべての硫酸が不織布から除去されることを確実にした。次に試料を一晩空気乾燥した。

ポリＧＭＡグラフト化ＰＢＴ不織布は、リン酸基をポリＧＭＡブラシに結合させることによって、強カチオン交換体を生成するために官能化された。約２０ｍｇ（２５×１５ｍｍ）のグラフト化ＰＢＴ不織布試料を１０ｍｌの８５％ｗ／ｗ リン酸に浸漬し、８０℃で一晩インキュベートした（Ｉｓｏｔｅｍｐ １１５、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、フェアローン、ニュージャージー州）。官能化後、試料を１００ｍｌのＤＩ水を含むフラスコに入れ、該フラスコを超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎｉｃ ３５１０Ｒ−ＭＴ、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ダンベリー、コネチカット州）に５分間入れて過剰のリン酸を除去した。超音波処理後、ＤＩ水洗浄液を新鮮なＤＩ水で置き換え、この工程を、ｐＨ試験紙で７．０の中性ｐＨが確認されるまで繰り返し、５回の洗浄が、すべてのリン酸が不織布から除去されることを確実にした。何れの未反応のエポキシ基も、１００ｍＭの硫酸１０ｍｌ中に試料を一晩浸漬することによって加水分解された。エポキシ基の加水分解後、試料を１００ｍｌのＤＩ水を含むフラスコに入れ、フラスコを超音波浴（Ｂｒａｎｓｏｎｉｃ ３５１０Ｒ−ＭＴ、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、ダンベリー、コネチカット州）に５分間入れて、過剰の硫酸を除去した。超音波処理後、ＤＩ水洗浄液を新鮮なＤＩ水で置き換え、この工程を、ｐＨ試験紙で７．０の中性ｐＨが確認されるまで繰り返し、１０回の洗浄が、すべての硫酸が不織布から除去されることを確実にした。次に試料を一晩空気乾燥した。

材料特性
平均繊維直径を決定し、ＵＶグラフト化の有効性を評価するために、Ｈｉｔａｃｈｉ Ｓ−３２００Ｎ変圧走査型電子顕微鏡（ＶＰＳＥＭ）（Ｈｉｔａｃｈｉ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ａｍｅｒｉｃａ、Ｉｎｃ．、シャンバーグ、イリノイ州）を用いて走査型電子顕微鏡画像を得た。不織布試料を、アルゴンガス中のＰｄ／Ａｕでスパッタコーティングした。顕微鏡を使用して、加速電圧２０ｋＶ、作動距離３３ｍｍで画像を捕捉した。繊維直径にわたる距離を、４ｐｉ Ａｎａｌｙｓｉｓ、Ｉｎｃ．（ヒルズバラ、ノースカロライナ州）のＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎソフトウェアを使用してＳＥＭ顕微鏡写真上で測定した。１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ及び市販で入手可能なＰＢＴ不織布の平均繊維直
径を、ＳＥＭ顕微鏡写真の１５０本の無作為の繊維を横切る距離を測定することによって決定した。

ＰＬＡ海の除去後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布及び市販で入手可能なメルトブロー不織布の比表面積は、Ｂｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔ ａｎｄ Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）多点分析による窒素吸着を用いて決定した。１グラムの不織布材料を１２ｍｍ試料ホルダーに装填し、３９の窒素分圧点を測定するＡｕｔｏｓｏｒｂ（登録商標）−１Ｃ 化学吸着−物理吸着分析器（Ｑｕａｎｔａｃｈｒｏｍｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、ボイントンビーチ、フロリダ州）で分析した。

市販で入手可能なＰＢＴメルトブロー不織布及びＰＬＡ除去後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布の平均細孔径を、毛細管流動ポロメトリーを用いて決定した。不織布試料を、ＣＦＰ−１１００−ＡＸ毛細管流動ポロメーター（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．、イサカ、ニューヨーク州）で試験した。湿潤液体は、１５．９ダイン／ｃｍの表面張力を有するＧａｌｗｉｃｋ（登録商標）（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．、イサカ、ニューヨーク州）であった。

市販のＰＢＴ不織布は、３０００ｎｍ±９００ｎｍの平均繊維直径を有し、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は、９１６ｎｍ±１７４ｎｍの平均繊維直径を有していた。不織布の比表面積は、窒素吸着のためのＢＥＴ法を用いて決定した。市販のＰＢＴ不織布は、ＢＥＴ分析に従って、０．８６ｍ²／ｇの比表面積を有し、ＰＬＡ除去後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴは、２．４５ｍ²／ｇの比表面積を有することが判明した。毛細管流動ポロメトリーを使用して、平均流動細孔径を決定した。市販のＰＢＴは８．７３μｍ±３．１０μｍの平均流動細孔径を示し、ＰＬＡ除去後の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴは８．０９μｍ±１１．９μｍの平均流動細孔径を有していた。図２は、ＰＬＡ“海”の除去前（Ａ）及び除去後（Ｂ）の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴを示す。ＰＬＡを除去した後の繊維が、当初の方向的配向を大部分維持していることに気付き得る。このことは、当初の材料の細孔構造が維持され、そして、一旦ＰＬＡが除去されると製造されるより細かい細孔の付加を伴って、材料が広範な細孔径分布を有することを引き起こす。

種々のポリＧＭＡグラフト化の程度における静的平衡タンパク質吸着
市販で入手可能なＰＢＴ不織布及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を、弱アニオン交換形態並びに強カチオン交換形態における種々の程度のポリＧＭＡ被覆でのそれらの平衡静的タンパク質結合能力について試験した。２．５，５．９，７．２，１２及び２０質量％の増加でグラフト化された市販で入手可能なＰＢＴ不織布及び５．６，１２及び２０質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を、ＤＥＡで弱アニオン交換体として官能化した。これらの膜を、モデルタンパク質としての純粋なＢＳＡで接種して、これらのアニオン交換膜の静的平衡結合容量を確立した。ＢＳＡは、６６．５ｋＤａの分子量及び４．７の等電点を有する［Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ、セントルイス、ミズーリ州］。約２０ｍｇ（２５×１５ｍｍ）の不織布試料を３ｍｌの固相抽出（ＳＰＥ）チューブに入れ、低イオン強度結合緩衝液、２０ｍＭトリスＨＣｌ ｐＨ７．０の３ｍｌで５回洗浄した。ＢＳＡ結合の前に、回転器（組織培養回転器、Ｇｌａｓ−ｃｏｌ、テレ ホート、インディアナ州）で結合緩衝液中において少なくとも３０分間試料を平衡化させた。一旦平衡に達すると、２０ｍＭ トリスＨＣｌ ｐＨ７．０中の１０ｍｇ／ｍｌ ＢＳＡの３ｍｌを各試料に加え、１５時間終夜で結合させた。ｐＨ７．０の低イオン強度緩衝液は、ＤＥＡで官能化されたグラフト化ＰＢＴが正に荷電し、ＢＳＡが負に帯電してタンパク質結合を妨害するイオンの最小量で結合を促進することを確実にする。結合後、試料を３ｍｌの２０ｍＭトリスＨＣｌ ｐＨ７．０で洗浄した。全ての未結合タンパク質を除去するために２０ｍＭトリスＨＣｌ ｐＨ７．０での５回の洗浄が必要であったが、２８０ｎｍでＵＶ−Ｖｉｓ分光法を使用する５回目及び最終洗浄におけるごく僅かな量のタ
ンパク質により検証された。結合したＢＳＡを、高イオン強度溶出緩衝液、３ｍｌの２０ｍＭ トリスＨＣｌ ｐＨ７．０＋１Ｍ ＮａＣｌを溶出緩衝液として用いて溶出した。溶出緩衝液中の高濃度のイオンは、効果的にイオン相互作用を妨害し、不織布からタンパク質を除去する。溶出画分を集め、タンパク質濃度を、２８０ｎｍでのＵＶ−Ｖｉｓ分光法を用いて決定した。数式（２）を用いて、静的平衡結合容量（Ｍｅｑ、膜質量当たりのタンパク質質量）値を決定した。

同様の方法で、強カチオン交換膜を、リン酸基でグラフト化ＰＢＴ不織布を官能化することによって合成した。５．３，１０及び１８質量％の増加でグラフト化された市販で入手可能なＰＢＴメルトブロー不織布及び７，１２及び１８質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を官能化して強カチオン交換体を製造した。これらの膜を、モデルタンパク質としての純粋なポリクローナルｈＩｇＧで接種して、これらのカチオン交換膜の平衡結合容量を確立した。ポリクローナルｈＩｇＧは、１５０ｋＤａの分子量及び７−９の等電点を有する［Ｅｑｕｉｔｅｋ−Ｂｉｏ、カービル テキサス州］。約２０ｍｇ（２５×１５ｍｍ）の不織布試料を３ｍｌのＳＰＥチューブに入れ、３ｍｌの低イオン強度結合緩衝液、２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５で５回洗浄した。ｈＩｇＧ結合の前に、回転器（組織培養回転器、Ｇｌａｓ−ｃｏｌ、テレ ホート、インディアナ州）で結合緩衝液中において少なくとも３０分間試料を平衡化させた。一旦平衡に達すると、２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５中の１０ｍｇ／ｍｌ ｈＩｇＧの３ｍｌを各試料に加え、１５時間終夜で結合させた。ｐＨ５．５の低イオン強度緩衝液は、リン酸で官能化されたグラフト化ＰＢＴが負に荷電し、ｈＩｇＧが正に帯電してタンパク質結合を妨害するイオンの最小量で結合を促進することを確実にする。結合後、試料を３ｍｌの２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５で洗浄した。全ての未結合タンパク質を除去するために２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５での５回の洗浄が必要であったが、２８０ｎｍでＵＶ−Ｖｉｓ分光法を使用する５回目及び最終洗浄におけるごく僅かな量のタンパク質により検証された。結合したｈＩｇＧを、３ｍｌの高イオン強度溶出緩衝液、２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５＋１Ｍ ＮａＣｌを用いて溶出した。溶出緩衝液中の高濃度のイオンは、効果的にイオン相互作用を妨害し、不織布からタンパク質を除去する。溶出画分を集め、タンパク質濃度を、２８０ｎｍでのＵＶ−Ｖｉｓ分光法を用いて決定した。数式（２）を用いて、静的平衡結合容量を計算した。

タンパク質吸着の動力学
これらの実験は、グラフト化イオン交換官能化不織布ＰＢＴ膜上のタンパク質吸着の速度を決定することを目的とした。この実験において、市販で入手可能なＰＢＴ不織布及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を、同程度のポリＧＭＡ被覆（質量％の増加）並びに同一の乾燥ポリＧＭＡグラフトの厚みでグラフト化した。グラフト化が均一で共形であると仮定して、乾燥したポリＧＭＡグラフトの厚みは、試料のポリＧＭＡの質量％の増加及びポリＧＭＡ及びＰＢＴの密度から推定し得る。これらの仮定は、当初のＰＢＴ繊維及びポリＧＭＡグラフト層の体積を、円筒状のＰＢＴ内部コアを取り囲む円筒状の外側グラフト層を有する同心円筒として扱うことを可能にする。円筒状のポリＧＭＡグラフト層の外側体積及びＰＢＴ円筒状コアの内側体積のための式を有する数式（１）で定義されるような質量％の増加を使用して、数式（３）で示されるような近似の乾燥グラフト層の厚さ（δ）のための式を導き出すことが可能である。数式（３）の完全誘導は、補足情報中に見出され得る：乾燥ポリＧＭＡグラフトの厚みの誘導。

数式（３）において、δは乾燥ポリＧＭＡグラフトの厚さであり、ｒ₁はグラフト化された特定のＰＢＴ不織布の平均繊維直径であり、ρＰＢＴはＰＢＴポリマーの密度（１．３０ｇ／ｃｍ³）であり、ρｐｏｌｙＧＭＡは乾燥ポリＧＭＡポリマーの密度（０．８０ｇ／ｃｍ³）である。表１は、それらの個別の質量％の増加、乾燥ポリＧＭＡブラシの厚さ及び機能化のタイプによるタンパク質結合における接触時間の影響を分析する実験のために生成された試料のリストを含む。

約２０ｍｇ（２５×１５ｍｍ）の不織布試料を３ｍｌのＳＰＥチューブに入れ、ＢＳＡを用いるアニオン交換実験のための２０ｍＭ トリスＨＣｌ ｐＨ７．０又はｈＩｇＧを用いるカチオン交換実験のための２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５である結合緩衝液で広範に洗浄した。タンパク質結合の前に、回転器（組織培養回転器、Ｇｌａｓ−ｃｏｌ、テレ ホート、インディアナ州）で結合緩衝液中において少なくとも３０分間試料を平衡化させた。試料が一旦平衡に達すると、それらを、アニオン交換又はカチオン交換不織布のために、それぞれ３ｍｌの１０ｍｇ／ｍｌ ＢＳＡ又は３ｍｌの１０ｍｇ／ｍｌ ｈＩｇＧのいずれかで接種した。タンパク質を３０秒ないし１５時間の様々な曝露時間で結合させた。結合後、ＢＳＡに結合したアニオン交換試料を３ｍｌの２０ｍＭ トリスＨＣｌ ｐＨ７．０で５回洗浄し、ｈＩｇＧに結合したカチオン交換試料を３ｍｌの２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５で５回洗浄して何れの未結合タンパク質をも除去した。高イオン強度溶出緩衝液、２０ｍＭ トリスＨＣｌ ｐＨ７．０＋１Ｍ ＮａＣｌの３ｍｌを用いてＢＳＡを溶出させた。ｈＩｇＧは、高イオン強度溶出緩衝液、２０ｍＭアセテート ｐＨ５．５＋１Ｍ ＮａＣｌの３ｍｌを用いて溶出させた。溶出画分を２８０ｎｍでＵＶ−Ｖｉｓ分光法を用いて分析し、各材料に結合したタンパク質の量を数式（２）を用いて計算した。

ＰＢＴ不織布のグラフト化
市販のＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は、種々の程度のポリＧＭＡ被覆で成功裏にグラフト化された。ＵＶ曝露時間の増加におけるグラフト化の割合の結果を図３に示す。

図３から、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布が、市販のＰＢＴ不織布よりも速い速度でグラフトすることが明らかである。市販のＰＢＴ不織布と比較して、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢ
Ｔ不織布は、ＧＭＡ重合の開始に２．８５倍の利用可能な領域を有し、結果として約２．４倍高いグラフト化の比率を生じる。両方の不織布は、市販のＰＢＴメルトブロー不織布における３質量％の増加を超える、及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布における６質量％の増加を超える、異なる最小のグラフト化の割合で、完全に共形で且つ均一なポリＧＭＡグラフト被覆を示す。２０質量％の増加におけるグラフト化の前及び後の１０８ Ｉ／Ｓ
ＰＢＴ不織布及び市販のＰＢＴ不織布のＳＥＭ画像を図４に示す。

図４Ｃ及び図４Ｄは、グラフト化されていないＰＢＴ不織布のための図４Ａ及び４Ｂに存在しない、ポリＧＭＡのグラフト化に起因するＰＢＴ繊維の表面上における目視可能な増加した粗さを示す。ポリＧＭＡのグラフト化の比率を増加させることに加えて、１０８
Ｉ／Ｓ繊維のより小さい直径は、グラフト層の厚さに多大な影響を与える。図４Ｃ及びＤにおいて、市販のＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴの両方は、同一のポリＧＭＡグラフト化の２０質量％の増加を有する。しかし、１０８ Ｉ／Ｓ不織布の提供された試料内にはグラフトするのに利用可能な表面積がより多く存在し、結果として、市販のＰＢＴ不織布よりも薄いグラフト層の厚みを生じる。市販のＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ上における種々の程度のグラフト化における実際の乾燥グラフト厚みを、数式（３）を用いて計算し、表１に示した。２０質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ及び１０８
Ｉ／Ｓ ＰＢＴ並びに５．９質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴの乾燥ポリＧＭＡグラフト厚みを比較する視覚的模式図を、図５に示した。

図５の視覚的表現は、市販のＰＢＴ不織布（図５Ａ）において２０質量％の増加を達成するために、同一のグラフト化の質量％の増加における１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布（図５Ｃ）と比較して、何故より厚いポリＧＭＡグラフト層を必要とするのかを説明する。グラフト化された市販のＰＢＴ不織布がＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布と同じグラフト層の厚みを有するためには、市販のＰＢＴの質量％の増加を、グラフト化されたＩ／Ｓ不織布のそれより３倍以上小さくする必要があることもまた分かり得る（図５Ｂと図５Ｃとの比較）。引き続いて分かるように、グラフト層の厚みは、膜へのタンパク質の吸着速度を制御する。しかし、平衡結合容量は、質量％の増加の関数に過ぎない。

誘導体化ＰＢＴ不織布の平衡タンパク質結合イオン交換容量
市販のＰＢＴ不織布及び１０８ Ｉ／Ｓ 不織布を種々の質量％の増加でグラフトし、ＢＳＡのアニオン交換捕捉及びｈＩｇＧのカチオン交換捕捉の両方について、それらの平衡タンパク質結合容量を決定した。これらの実験の結果を図６に示す。

図６の結果は、アニオン及びカチオン交換膜の両方において、及び２つの非常に異なる分子量及びサイズのタンパク質において、平衡タンパク質結合容量がポリＧＭＡグラフト化の増加した割合（質量％の増加）と共に直線的に増加することを示す。１０８ Ｉ／Ｓ
ＰＢＴ不織布は、市販のＰＢＴ不織布よりも２．８５倍大きな比表面積を有するが、依然として両者とも非常に類似した平衡結合容量を達成した。これらの結果は、十分な時間が与えられれば、ＢＳＡ（６６．５ｋＤａ）のような中間サイズのタンパク質及びｈＩｇＧ（１５０ｋＤａ）のような大きなタンパク質の両方は、グラフト層全体がタンパク質で飽和されるまで、試料のグラフト層内に浸透することができることを示す。これらのタンパク質は大きく異なる分子量を有するにも拘わらず、ＢＳＡ及びｈＩｇＧは、類似の比容積を有する（それぞれ０．７３３ｃｍ³／ｇ及び０．７３９ｃｍ³／ｇ）。市販のＰＢＴ不織布及びＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布の試料の両方が、同一の当初の質量及び同一の質量％の増加を有する場合、これらは同じ質量のグラフト層を有し、従って、どのようにして質量ベースにおける平衡タンパク質結合容量が同じとなるかということを理解することは困難ではない。これらの結果はまた、この実験で使用される結合溶液条件下のグラフト層が、１００ｎｍの旋回半径を有するｈＩｇＧのような大きな分子さえも浸透させるのに十分な柔軟性又は多孔性の何れかでなければならないことも示している。これらのグラフト層は高
度に荷電しているため、低イオン強度での結合条件の間に、グラフト層はおそらく拡張された形態にあり、タンパク質の浸透を可能にする。

高い質量％の増加がある試料において、平衡タンパク質結合容量は極端に大きく、２０質量％の増加で不織布１グラムあたり８００ｍｇを超える結合タンパク質の値に達することに留意することも重要である。ＢＳＡ及びｈＩｇＧが繊維の外表面にのみ吸着し、グラフト層に浸透しない場合、結合容量は遥かに低くなるであろう。ＢＳＡ及びｈＩｇＧの単層吸着は、それぞれ２．５ないし６ｍｇ／ｍ²及び２ないし５．５ｍｇ／ｍ²の範囲内のどこかであると報告されている。これらの単層被覆量及び市販のＰＢＴ不織布の測定された比表面積を考慮すると、ＢＳＡ及びｈＩｇＧの単層結合容量は、それぞれ５．２及び４．７ｍｇ ／ ｇであろう。同様に、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布上のＢＳＡ及びｈＩｇＧの最大単層被覆は、それぞれ１４．７及び１３．５ｍｇ／ｇであろう。図６において報告された全ての平衡結合容量は、単層タンパク質吸着よりも５０ないし２００倍大きい。これは、ポリＧＭＡブラシが、平衡タンパク質吸着が、膜の質量当たりの結合に利用可能なポリマーブラシの量と釣り合う、３次元結合環境を作り出すことの非常に強い証拠である。図６は、同じ程度のポリＧＭＡグラフト化を伴う両方の不織布が、同じ平衡タンパク質結合容量を示すことを表す。例えば、２０質量％の増加において、市販のＰＢＴ不織布は平衡状態で８２３±６６ｍｇ／ｇのＢＳＡを捕捉し、２０質量％の増加を伴う１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布はアニオン交換によってＢＳＡを８１７±１６４ｍｇ／ｇ捕獲した。図５は、２０質量％の増加のポリＧＭＡ乾燥グラフトの厚みは、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布（δ＝６９ｎｍ）よりも市販のＰＢＴ不織布（δ＝２２７ｎｍ）の方がより大きくなることを示す。質量％の増加は平衡結合容量を決定するが、平衡時のタンパク質の分布は市販のＰＢＴ不織布と１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布とでは非常に異なる。平衡状態では、材料の比表面積がより低いことに起因して、同じ量のタンパク質に結合するために、より厚いポリＧＭＡグラフト層を必要とする市販のＰＢＴ不織布と比較して、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布において、タンパク質は、より大きな表面積に亘って、より薄い層内に分布している。

ポリＧＭＡグラフト化アニオン及びカチオン交換不織布への吸着速度
３．３節において、イオン交換官能化されたポリＧＭＡグラフト不織布が非常に高い平衡結合容量を表すことが示された。しかし、幾つかの用途では、ポリＧＭＡブラシ層へのタンパク質吸着の速度論において質量％の増加及びグラフト層の厚みの影響を理解する必要がある。図７は、２０質量％及び５．９質量％の増加での市販のグラフト化されたＰＢＴ並びに２０質量％の増加での１０８ Ｉ／Ｓ グラフト化ＰＢＴに関連する種々のタンパク質曝露時間におけるアニオン交換によるＢＳＡ捕捉の結果を示す。２０質量％の増加において、市販のＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴの両方が、図６に示される同量のポリＧＭＡグラフト及び平衡結合容量を有し、図５において見られ得るように、５．９％グラフトでグラフト化された市販のＰＢＴは、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴと同じポリＧＭＡグラフト厚みを有し、そして、類似したタンパク質吸着速度を有するべきであるため、これらのグラフト化の割合が選択された。５．９質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓは、完全に共形のグラフト化を与えるのに必要なグラフトの下限であり、そして、結果として、タンパク質結合のために試験された材料において高い変動を生じるため、調査されなかった。

これらの実験は静的又は非流動条件下、バッチで行われた。図７において、２０質量％の増加の同程度のポリＧＭＡグラフトにグラフト化された市販で入手可能なＰＢＴ及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布へのＢＳＡの吸着速度を、種々の接触時間でのタンパク質捕捉において比較した。２０質量％の増加で、市販のＰＢＴ不織布と１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布の両方が、十分な接触時間が与えられた場合に、同じ結合容量（〜８００ｍｇ／ｇ）に収束し、前述の結果と一致する。しかしながら、ＢＳＡは、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢ
Ｔ不織布よりもはるかに遅い速度で、２０質量％増加したグラフト化された市販のＰＢＴ不織布に吸着することが分り得る。４時間後、平衡結合容量の６０％にしか達しなかった２０質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ不織布と比較して、２０質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は既にその平衡結合容量に達していた。図７はまた、５．９質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ不織布が、４時間のタンパク質接触時間後にその平衡結合容量を達成したことも示している。２０質量％の増加までグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布及び５．９質量％の増加までグラフト化された市販のＰＢＴ不織布は、図５に示されるように、数式（３）に従って７０ｎｍの同一の乾燥ポリＧＭＡグラフト厚みを有する。これは、これらのグラフト化された不織布へのイオン交換によるタンパク質の吸着速度が、グラフト層を通る拡散限界によって主に決定され、よって、グラフト層の厚さによって支配されるが、それは、次に、不織布の当初の繊維直径及びグラフト化された材料の質量％の増加により決定されることの十分な証拠である。

グラフト化された市販のＰＢＴ不織布及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布へのカチオン交換によるｈＩｇＧ吸着の速度論もまた調査した。
図８は、１８質量％及び５．３質量％の増加での市販のグラフト化されたＰＢＴ並びに１８質量％増加のカチオン交換体での１０８ Ｉ／ＳグラフトＰＢＴにおける種々の接触時間におけるｈＩｇＧ捕捉の結果を示す。

図８は、カチオン交換体として官能化された場合に、どのようにして市販のＰＢＴ不織布及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布が、１８質量％の増加の、同程度のポリＧＭＡグラフトにグラフト化され、類似の平衡ｈＩｇＧ結合容量に収束するのかを示す。これは、アニオン交換膜において図７に示されたものと同じ挙動である。１８質量％の増加にグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布試料は、丸１日のタンパク質接触を必要とする１８質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ不織布との比較において、４時間後に平衡結合に達した。１８質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布と同じグラフト厚さ（δ＝６３ｎｍ）にグラフト化された５．３質量％の増加を伴う市販のＰＢＴ不織布もまた、約４時間で平衡に達した。再び、これらの結果は、図７におけるアニオン交換不織布で見出された結果と全体的に類似しており、観察される速度論的現象が、グラフト層の電荷のタイプや吸着されるタンパク質のサイズに依存しないことの更なる裏付けを提供する。

実用的な用途のために、どのようにして、タンパク質が短い滞留時間で結合するかを評価することは重要である。例えば、これらの膜が生物製剤の下流精製におけるタンパク質捕獲のために使用される場合、吸着装置における滞留時間は５分以下であることが望ましい。図９は、１５分の接触時間下のＢＳＡ及びｈＩｇＧのために上記で議論したアニオン及びカチオン交換グラフト化不織布のための図７及び８におけるタンパク質結合データを示す。

図９において、から分かるように、グラフト化１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は、何れの官能化グラフト化市販ＰＢＴ不織布よりも、カチオン及びアニオン交換様式の両方において非常に短い接触時間でより多くのタンパク質に結合し得る。初期により多くのタンパク質に結合する１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布の能力は、布帛のより高い比表面積に起因する。ＰＬＡ除去後のＩ／Ｓ ＰＢＴ不織布の比表面積が、市販のメルトブローＰＢＴ不織布の比表面積の２．８５倍大きいことを想起されたい。図９中に示されたデータは、時間ｔ＝０に外挿して、ポリＧＭＡ層内への何れの拡散も起こる前に、不織布表面上のタンパク質の吸着に起因して瞬間的に生じたタンパク質結合の初期量（Ｍｉ）を推定した。タンパク質吸着の初期量を表２に示す。

表２中に示された結果が、官能化された市販のＰＢＴ不織布（１２０ｍｇ／ｇ 平均初期タンパク質結合）及び１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布（３２５ｍｇ／ｇ 平均初期タンパク質結合）のために平均化される場合、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は、初期において、市販のＰＢＴ不織布よりも２．７倍多いタンパク質に結合する。これは、市販のＰＢＴ不織布よりも２．８５倍高い１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布における実験表面積とほぼ一致している。この理由から、非常に短い滞留時間が要求される場合には、グラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布を使用することが有利であるが、その理由は、それらがより高い比表面積に厳密に起因してかなり高い結合容量を達成し得るからである。

カチオン及びアニオン交換グラフト化不織布の両方における吸着速度測定の結果は、これらの官能化されたポリＧＭＡブラシマトリックス内において、吸着プロセスが拡散制限されており、平衡に達するまでに数時間を要することを示している。これらの拡散の課題を最小限に抑えるために、より高い表面積（より小さい繊維直径）の不織布は、結果として、図５に示されるように、より低い表面積（より大きい繊維直径）の材料と比較して、同じ質量％の増加のためにより薄いグラフト層の厚さを生じる。より薄いポリＧＭＡ層は、図７及び８で見られるように、高い平衡結合容量を維持しながら、拡散距離を減少させ、平衡に達する時間を短くする。ポリＧＭＡグラフト化の特定の程度における平衡に到達する時間を短縮することに加えて、より高い比表面積の１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布はまた、図９において観察されるように、タンパク質吸着のより高い初期量にも寄与する。総合的な平衡タンパク質結合容量は、ポリＧＭＡグラフト化の程度によって決定されるが、タンパク質捕捉の有効な速度は、不織布の初期比表面積及びポリＧＭＡブラシ層の厚さによって決定される。

グラフト化されたポリＧＭＡ不織布試料へのタンパク質吸着の速度論モデル
上記のアニオン性及びカチオン性にグラフト化された層の不織布へのタンパク質吸着の平衡及び速度測定の両方の結果によって提供される見識は、吸着プロセスを記述するための数学的モデルを開発することが可能であり、この数学的モデルは定性的及び定量的に実験結果と一致する。荷電した結合部位への荷電したタンパク質の吸着速度は、イオン交換媒体における物質移行限界の速度との比較において、ほぼ一瞬である。官能化されたポリマー層内への拡散の場合において、タンパク質吸着の律速段階が、ポリマー層内への浸透であることは既に提案されている。ＰＢＴ繊維の周りにグラフトされた官能化ポリＧＭＡブラシ層にタンパク質が時間とともにどのように吸着するかの断面図を図１０に示す。
グラフト化された層への吸着の速度は、層を通るタンパク質の拡散速度よりもはるかに速いため、一度タンパク質分子がグラフト化された層の外面上の荷電した基に結合すると、グラフト層に入る追加の分子は、結合したタンパク質を含む層を通って拡散しなければならなくなることを理論化することは不合理ではない。一度未結合タンパク質が結合タンパク質層を通って拡散し、ポリマー上の遊離の荷電基に遭遇すると、それは直ちに結合し、
結合タンパク質層はＰＢＴ繊維の表面に達するまで時間と共に成長する。今述べた現象は、クロマトグラフィー樹脂中のタンパク質の拡散に適用されてきた従来の縮小コアモデルと一致する。ポリＧＭＡグラフト層上の結合タンパク質は、未結合ポリＧＭＡの残りの層内へのタンパク質物質移行のための明確な拡散抵抗性をもたらす“シェル”を形成すると見なされ得る。図１０は、ポリＧＭＡブラシ層全体がタンパク質に結合するまで、時間と共にどのようにシェルの厚さが増加するかを示す。結合されていないポリＧＭＡブラシは、タンパク質が“シェル”を貫通してブラシに結合するにつれて収縮する、このモデルの“コア”である。最初、吸着されたタンパク質を有する“シェル”の厚さはゼロになり、外表面へのタンパク質の吸着速度は非常に速くなる。時間が経過するにつれて、吸着されたタンパク質のシェルがＰＢＴの表面に到達して“コア”がゼロに収縮するまで、“シェル”の厚さ及び物質移行に対する拡散抵抗が増加する。拡散プロセスは、吸着速度に対して相対的に遅いため、拡散プロセスは準定常状態にあり、そのため、ポリＧＭＡブラシ層内への拡散によるタンパク質輸送の速度は、ある位置において一定であり、従って、シェル内の何れの点においても、荷電したポリマーへのタンパク質の吸着速度は、シェルを通る拡散速度に等しい。これらの仮定を用いて、グラフト層内の何れの半径方向位置においても、タンパク質の吸着速度は、ポリＧＭＡブラシ層内へのタンパク質の半径方向の拡散速度に等しく、数式（４）に示される。

数式（４）において、Ｒ_aは所定の半径方向位置でのシェルへのタンパク質の総吸着速度であり、Ｄ_eは吸着されたタンパク質を伴うポリＧＭＡブラシマトリックスにおけるタンパク質の有効拡散係数であり、Ｃ_proteinはポリＧＭＡ層を通って拡散するタンパク質濃度であり、Ｌは所定の繊維の長さであり、ｒは半径方向の位置である。ポリＧＭＡブラシによるタンパク質結合の速度はほぼ一瞬であるので、“コア”と“シェル”（ｒ＝ｒ_c）との間の界面におけるタンパク質の濃度はゼロであるとみなし得る。更に、シェルを通る拡散は律速段階であるので、シェル（ｒ＝ｒ₂）の外側のタンパク質の濃度は、Ｃ_bulkとして示される、溶液中のバルクタンパク質の濃度と同等である。
グラフト層の内側半径から外側半径までの数式（４）の積分は、タンパク質の吸着速度における半径方向の変動の式を導き、
コア内へのタンパク質拡散の速度及びポリＧＭＡに結合するタンパク質の速度は、結合に利用可能なポリＧＭＡ“コア”物質の消費の全体速度と同等であり、
占有されていないポリＧＭＡ“コア”の質量の消失速度は、密度及びポリＧＭＡによって占有される体積の時間変化率の観点から表され得（数式（７））、
数式（６）及び（７）の数式（５）への置換は、ポリＧＭＡの“コア”と、結合タンパク質を伴う“シェル”との間の界面の時間変化率の式をもたらし、
時間ｔ＝０において、コア半径はｒ₂である。時間に関する数式（８）の積分は、時間の関数としてのグラフト層内に吸着された質量のための式を導き、
数式（９）において、Ｍは任意の所与の時間に結合したタンパク質の質量であり、Ｍ_eqは平衡時に結合したタンパク質の質量であり、Ｍ_iは不織布の外表面上における吸着に起因する時間ｔ＝０で結合したタンパク質の初期質量である。収縮コアモデルは、この初期タンパク質吸着（Ｍ_i）を予測しないものの、我々の実験結果から推定し得る（図９参照）。このモデルを使用する場合、溶液中のこの最初の浸漬工程後の、時間の関数としてのポリＧＭＡブラシ層に吸着されたタンパク質の平衡量の割合は、Ψ＝［（Ｍ−Ｍ_i）／（Ｍ_eq−Ｍ_i）］で与えられる。時間の関数としてのポリＧＭＡブラシ層に結合したタンパク質の総量は、２つのパラメータ：異なる繊維直径及びグラフト層の厚さを有する異なる不織布ごとに異なる、τ及びφに依存し、
数式（１０）及び（１１）において、ｒ₁及びｒ₂は、図１０で分かり得るように、それぞれＰＢＴ繊維の半径及びポリＧＭＡブラシ層で覆われた繊維の半径である。更に、数式（１０）において、Ｄ_eはシェル層を通るタンパク質の有効拡散係数であり、Ｃ_bulkは液相中のタンパク質溶液の濃度であり、実施された各実験について１０ｍｇ／ｍｌであった。

荷電した基で官能化された場合、電荷の間の静電反発の結果として、ポリＧＭＡブラシが水性溶媒中で膨潤することが知られている。従って、数式（３）によって計算された乾燥ポリＧＭＡブラシの厚さは、ｒ₂を決定するために使用することはできず、そして、膨潤したポリＧＭＡブラシの厚さが計算されなければならない。ブラシ層がタンパク質で完全に満たされたときに、ポリＧＭＡブラシが完全に伸びると仮定すると、ポリＧＭＡブラシの厚さｒ₂を推定し得る。これは、十分な時間が与えられたときにタンパク質が高分子電解質ブラシマトリックスにおいて高い充填効率を達成することが知られているため、これは、合理的な仮定である。平衡状態における、膜の質量当たりの吸着されたタンパク質の質量は、Ｍ_eq（質量タンパク質／質量膜）であり、材料の結合容量と同等である。結合したタンパク質の質量は、タンパク質の部分比容を用いる結合したタンパク質の体積に変換することができる。タンパク質により占有される体積は、ＰＢＴ繊維の周りの環状円筒の体積である。この幾何学的形状を使用して、ｒ₂は計算されて、数式（１２）を使用して膨潤したポリＧＭＡブラシの厚さを与え得る。数式（１２）の誘導は補足情報中に見出され得る：膨潤したポリＧＭＡブラシ半径の誘導。
数式（１２）において、Ｍ_eqは平衡結合容量であり、
は、タンパク質の部分比容
であり、ρ_PBTはＰＢＴ繊維の密度（ρ_PBT＝１．３３ｇ／ｃｍ³）であり、ｒ₁は、ＰＢＴ繊維の半径である。

観察されたブラシの厚さを増加させることに加えて、ポリＧＭＡブラシの膨潤は効果的にブラシが占める体積を増加させ、結果として“コア”の減少された観察密度を生じる。結合していない膨潤したポリＧＭＡブラシは“コア”を構成し、これらのブラシの密度はコアの密度である。ＰＢＧ不織布における質量増加からポリＧＭＡブラシの質量を知り、ｒ₂の計算値を用いて膨潤したポリＧＭＡブラシの体積を計算し得る。ポリＧＭＡブラシの質量及び体積は、数式（１３）で表される“コア”の有効密度を計算するために使用し得るが、誘導は補足情報中に見出され得る：ポリＧＭＡコア密度の誘導。

数式（１３）において、ρ_coreは、タンパク質が吸着する“コア”の有効密度であり、質量％の増加は、グラフト化から不織布に加えられるポリＧＭＡの質量であり、ρ_PBTはＰＢＴ繊維の密度であり、ｒ₁はＰＢＴ繊維の半径であり、ｒ₂は膨潤したポリＧＭＡ半径である。ｒ₂の計算値並びにその後の膨潤したポリＧＭＡブラシの厚さ、有効コア密度、及びφの値を表３中に示す。

表３に示すφ値を用い、時間の関数としての膜内に吸着された全質量に関する実験データは、数式（９）における唯一の残りのパラメーターτを適合させるために使用し得る。τのこれらの値から、ポリＧＭＡグラフト層に吸着されたタンパク質の“シェル”を通って拡散するタンパク質の有効拡散係数の値を推定することが可能である。図１１Ａ及びＢは、速度論的結合実験において試験された全ての不織布における、Ψ対タンパク質接触時間（ｔ）の結果の最良適合線を示す。図１３中に見られる水平の点鎖線は、表３で得られた種々のφ値における、官能化ポリＧＭＡ“コア”とタンパク質との平衡吸着のΨ（Ψ_max）の最大値である。図１３で見られる最良適合線がΨ_maxに到達する時間は、平衡タンパク質結合（ｔ_eq）に到達するのに必要な時間である。更に、図１３で見られる最良適合線の傾きは、数式（５）、（１）で定義されるτの逆数と等価である。一旦τが分かれば、“シェル”を通るタンパク質輸送の有効拡散係数（Ｄ_e）の値は、数式（５）、（２）を用いて計算し得る。ｔ_eq、τ、及びＤ_eの値を表４に示す。

アニオン交換システム及びカチオン交換システムのためのτの最良適合値から得られた実験的有効拡散率を表４に示す。タンパク質が充填されたアニオン交換官能化ポリＧＭＡ層を介するＢＳＡ拡散において、有効拡散率は、４．７７×１０^-13ｃｍ²／ｓの平均有効拡散率を伴う、２．４７×１０^-13と７．２５×１０^-13ｃｍ²／ｓとの間であった。タンパク質で充填されたカチオン交換官能化ポリＧＭＡ層を介するｈＩｇＧ拡散において、有効拡散率は、５．１６×１０^-13ｃｍ²／ｓの平均有効拡散率を伴う、１．２８×１０^-13と１１．６×１０^-13ｃｍ²／ｓとの間であった。ストークス・アインシュタインの式に従って、ＢＳＡ及びＩｇＧは、室温における水中において、それぞれ６．２３×１０^-7ｃｍ²／ｓ及び３．４１×１０^-7ｃｍ²／ｓの拡散係数を有する。クロマトグラフィー樹脂中のタンパク質の典型的な細孔拡散係数は、１０^-9ないし１０^-12ｃｍ²／ｓのオーダーである。イオン交換官能化ポリＧＭＡグラフト不織布上のタンパク質捕捉の有効拡散率は、クロマトグラフィー樹脂の最大の細孔拡散係数よりも顕著に低い。イオン交換官能化ポリＧＭＡブラシによるタンパク質捕捉が、図１０で示されるポリＧＭＡ／タンパク質“シェル”において深刻な拡散限界を被ることは明らかであるが、表４中に示されるように平衡に達するまで数時間かかるものでない場合、数分を要する。

収縮コアモデルは、タンパク質がどのようにポリＧＭＡ“コア”中に時間とともに吸収されるかを予測するために、φ及びτに依存する。表３及び表４で観られたφ及びτのそれぞれの値のを用いて、収縮コアモデルの結果を、時間の関数としての機能化ポリＧＭＡ“コア”へのタンパク質吸着の実験データと比較すし得る。φの値を用いるｔ／τに対するアニオン交換ポリＧＭＡ“コア”へのＢＳＡの質量吸着の結果を図１２に示す。図１２に示すように、収縮コアモデルは、実験データの良好な近似を提供する。収縮コアモデルにおいて、ポリＧＭＡグラフトの厚さが与えられたＰＢＴ繊維直径の周りで増加するにつれて、φの値が減少し、Ψ_maxの値が図１１で見られ得るように増加し、そして、吸着の
特徴的な時間スケール（τ）が増加する。これらの理由に起因して、表４で見られ得るように、より厚いグラフト層を有する試料において平衡に達するためには、より長い時間が必要となる。この現象は、特に、それぞれ５０４ｎｍ及び２８１ｎｍの膨潤したポリＧＭＡブラシの厚さを有する、２０質量％の増加及び５．９％でグラフト化された市販のＰＢＴを比較した場合に見られる。両方の試料は、結果として実質的に異なるφ、Ψ_max及びτの値を生じる、異なる程度のポリＧＭＡ被覆を有する同一の出発材料を利用した。従って、収縮コアモデルに従い、より薄いグラフト層を有する市販のＰＢＴは、より速い転化率を示し、より早く平衡を達成する。このことは、８７６分で平衡に到達する２０質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴとの比較における、２４１分で平衡を達成する５．９質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴで観察される。

１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布は、市販のＰＢＴ不織布よりも小さいＰＢＴ繊維直径を有し、結果として、図５に示されるように、より薄いグラフト化されたポリＧＭＡブラシ層を生じる。しかし、２０質量％の増加にグラフト化された市販のＰＢＴと１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布におけるｒ₁とｒ₂の値との間には、結果として、φにおける類似の値及び収縮コアモデルにおける類似の傾向を生じる、比例関係が存在する。φの値は、２０質量％の増加にグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布と市販のＰＢＴの両方において同じであるものの、それらの吸着の特徴的な時間スケールは実質的に異なり、τは、２０質量％の増加にグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布において１８３９分であり、２０質量％の増加にグラフト化された市販のＰＢＴ不織布において６７１６分である。２０質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布で観察されたより小さい特徴的な時間スケールは、結果として、平衡に到達するのに８７６分を要する２０質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ不織布と比較して、２２３分後に到達する平衡を生じる。ほぼ９００分を必要とする２０質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ不織布との比較における収縮コアモデルに従って、５．９質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴ及び２０質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴは、より短いポリＧＭＡブラシの厚さ及び、２２０と２５０分の間の、平衡結合に到達するのに必要な実質的により短い時間を有する。これは、ポリＧＭＡグラフト層の厚さを薄くすることが、結果として、ポリＧＭＡコアの変換のより速い速度及びこの拡散制限吸着プロセスにおいて平衡に達すためにより短い時間を生じるという強い証拠である。

φの種々の値に適合する収縮コアモデルを用い、ｔ／τに対するプロットされたｈＩｇＧ結合によるカチオン交換ポリＧＭＡ“コア”の変換の結果を図１３に提示した。
図１３が示すように、該収縮コアモデルは、異なるφ値における実験データの公正な近似値である。アニオン交換不織布と同様に、平衡に達するためのより短い時間が、与えられたＰＢＴ繊維直径におけるより薄いポリＧＭＡ層において観察される。５．３質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴは、平衡に到達するのに５５６分を要する１８質量％の増加でグラフト化されたポリＧＭＡと比較して、２８３分で平衡を達成することができた。１８質量％の増加でグラフト化された１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴ不織布もまた、１８質量％の増加でグラフト化された市販のＰＢＴと比較して、より短い時間で平衡結合を達成した。しかし、平衡結合時間の差異は、表４が示すように、アニオン交換試料ほど大きくはなかった。

図１２及び図１３において示される収縮コアモデルは、タンパク質結合の非常に短い時間スケールで見ることができるタンパク質結合の非常に速い初期速度を示す。図１０に示されるように、相当量のタンパク質が結合するにつれて、タンパク質吸着において拡散制限を課す“シェル”が形成される。タンパク質に結合したポリＧＭＡ“シェル”は時間が経過するにつれてより厚くなり、この高密度の層における拡散の距離はより大きくなり、タンパク質の拡散が、結合のために利用可能なコアに到達するのに長い時間を要する。これは、材料が平衡に近づくにつれて、実験的及び収縮コアモデルの両方において、タンパ
ク質吸着の速度の減少として、図１２及び図１３において観察される。

イオン交換官能化ポリＧＭＡブラシによるタンパク質捕捉は、厳しい拡散限界に見舞われ、平衡に達するのに数時間でない場合、数分を要することは明らかである。従って、拡散距離を短縮し、完全な変換のために必要な時間を短縮する、より薄いポリＧＭＡブラシ層を使用することは有利である。更に、図５で高いタンパク質結合容量を依然として維持しながら捕捉時間を短縮することが示されるように、１０８ Ｉ／Ｓ ＰＢＴのような高表面積の不織布を使用することにより、ポリＧＭＡの結合容積を、より薄い層に分布させることができる。

本発明の多くの変更および他の実施形態は、本発明が関連する当業者に、前述の記載中に提示された教示の利益を念頭に置くであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、変更及び他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されることを理解されたい。 ここでは特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ説明的な意味でのみ使用され、限定の目的では使用されない。

Claims (14)

1. バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜であって、約１．５ミクロン未満の平均繊維直径を有する複数のポリエステル繊維を含む不織ウェブを含み、複数のポリエステル繊維のそれぞれは、その上が、メタクリレートポリマーから構成された複数のポリマーセグメントでグラフト化されており、各ポリマーセグメントは、標的分子への結合に適合した官能基を有する、不織膜。
2. 前記メタクリレートポリマーは、グリシジルメタクリレート、メタクリル酸、２−（ジエチルアミノ）エチルメタクリレート、［２−（メタクリロイルオキシ）エチル］トリメチル−アンモニウムクロリド、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルメタクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される１種以上のモノマーから構成される、請求項１記載の不織膜。
3. 前記ポリエステル繊維は、ポリブチレンテレフタレートで構成されている、請求項１記載の不織膜。
4. 前記平均繊維直径は、約１ミクロン又は未満である、請求項１記載の不織膜。
5. 前記官能基は、標的分子とのカチオン又はアニオン交換のために適している、請求項１記載の不織膜。
6. 前記不織ウェブは、海島型の２成分繊維の海成分の除去後に残存する島繊維を含む、請求項１記載の不織膜。
7. 前記不織ウェブは、少なくとも約１．５ｍ²／ｇの比ＢＥＴ表面積を有する、請求項１記載の不織膜。
8. 前記グラフト化されたポリマーセグメントの質量は、不織ウェブの質量の約２ないし約５０％である、請求項１記載の不織膜。
9. 溶液中の標的分子の少なくとも一部が不織膜に結合するように、標的分子を含む溶液を、請求項１ないし８の何れか１項に記載の不織膜に通すことを含む、バイオセパレーションの方法。
10. 標的分子がタンパク質である、請求項９記載の方法。
11. バイオセパレーションプロセスにおける使用のために適したポリマーグラフト化及び官能化された不織膜の製造方法であって、
    ｉ）複数の海島型繊維又は２成分の海島型繊維の海成分の除去後に残存する複数の島繊維を含む不織ウェブを受け入れる工程；
    ｉｉ）必要に応じて、２成分の海島型繊維の海成分を除去して、その島繊維を露出させる工程；
    ｉｉｉ）島繊維の表面上にメタクリレートポリマーをグラフトして、それに共有結合した複数のポリマーセグメントを形成し、それによりグラフト化された島繊維を形成する工程であって、該グラフト化工程は、不織ウェブを開始剤及び少なくとも１種のメタクリレートモノマーを含む溶液と接触させる工程と、不織ウェブを紫外線又は熱に曝露してメタクリレートモノマーの重合を開始させる工程と、を含む工程；及び
    ｉｖ）必要に応じて、グラフト化された島繊維を官能化して、グラフト化された島繊維の複数のポリマーセグメントのそれぞれに対して標的分子への結合のために適した少なくとも１種の官能基を結合させる工程を含む、製造方法。
12. 前記島繊維がポリブチレンテレフタレートから構成され、メタクリレートポリマーがポリＧＭＡである、請求項１１記載の方法。
13. 前記溶液中のモノマー濃度が約５ないし約５０％ｖ／ｖであり、開始剤が約１：１００ないし約１：５のモノマーに対する開始剤のモル比で存在する、請求項１１記載の方法。
14. 前記開始剤がベンゾフェノンである、請求項１１記載の方法。