JP3099342B2 - 多孔膜 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は精密濾過膜、限外濾過膜、逆浸透膜などに用
いられ、蛋白質の非特異的吸着による性能変化の少ない
アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜に関するもの
である。

［従来の技術］ 従来より限外濾過にはポリアクリロニトリルを素材と
する多孔膜が用いられてきた。アクリロニトリル系重合
体からなる多孔膜は製膜性、耐薬品性が優れている上
に、透水速度、濾過速度の大きな多孔膜が得やすい特徴
をもっている。しかしながら、血液、培養液など蛋白質
を含んだ流体の限外濾過に際しては、蛋白質の非特異的
吸着が原因と推定される細孔の目詰まりを起こしやす
く、それに起因する阻止率や濾過速度の変化を生じやす
いなどの欠点をもっている。したがって、近年注目され
るようになってきているアフィニティメンブレン等の多
孔膜の新規な用途のような場合には特に問題となるとこ
ろである。

かかる欠点を克服するためアクリロニトリル系重合体
からなる多孔膜の化学的処理を行い、多孔膜表面の親水
性を向上させ蛋白質の非特異的吸着による性能変化を防
ぐ試みが成されている。国際公開番号WO88/05688号に
は、アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜をアルデ
ヒドとプロトン酸類からなる混合液中に浸漬することに
より、ニトリル基の一部をメチロールアミド基に変換せ
しめ、蛋白質の非特異的吸着を低減する方法が示されて
いる。

また、目的は異なるが多孔膜の濾過速度を向上するた
めに多孔膜表面の親水性を高めたものとして、特開昭54
−90081号公報にはアクリロニトリル系重合体からなる
多孔膜を無水硫酸と気相中で接触せしめ、スルホン化を
行う方法が開示されている。

同様な目的で、特開昭57−136903号公報にはアクリロ
ニトリル系重合体からなる多孔膜をアルカリ溶液中に浸
漬することによって、カルボキシル基またはアミド基を
導入する方法が開示されている。さらに特開昭58−1397
03号公報には、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒に溶
解したアクリロニトリル系重合体に、アミン類、あるい
はアルカリを添加することにより製膜溶液を作成し、親
水性を高めた多孔膜を湿式製膜より得る方法が開示され
ている。

表面の親水性を向上せしめる一つの手段として、プラ
ズマ処理が挙げられる。特開昭54−130482号公報にはプ
ラズマ処理を行ったアクリロニトリル系重合体からなる
多孔膜を硫酸等のプロトン酸溶液中に浸漬する方法が開
示されている。また、特開昭58−137405号公報にはアク
リロニトリル系重合体からなる多孔膜をアミン類あるい
はアルカリ溶液に浸漬した後、プラズマ処理を行う方法
が開示されている。さらに、特開昭58−210804号公報に
はアクリロニトリル系重合体からなる多孔膜を水蒸気の
存在下でプラズマ処理を行う方法が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のアクリロニトリル系重合体から
なる多孔膜の親水化処理方法の多くは、多孔膜の濾過速
度を向上せしめる目的で行うものであった。そのため、
蛋白質の非特異的吸着を低減するには親水化が不十分で
あったり、アクリロニトリル系重合体本来の耐薬品性、
製膜性、機械的強度が損なわれる恐れがあった。また、
種々の方法で親水化した場合に蛋白質の非特異的吸着を
低減する効率が同程度になるか否か不明でもある。

国際公開番号WO88/05688号に示される方法に従えば、
アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜へメチロール
アミド基の導入により蛋白質の非特異的吸着を低減せし
めるためには、接触角が30゜以下であることが必要とな
る。また、該方法では化学的処理により導入されたメチ
ロールアミド基の架橋反応が生じるが、架橋反応により
多孔膜細孔径の変化が生じるため、濾過速度、阻止率等
の性能変化を伴うことが問題となる。

また、特開昭54−90081号公報に示される方法では、
スルホン化により多孔膜が脆化され強度面で問題が生じ
ると共に、過酷な処理条件でスルホン化を行うため、ク
ラックの発生等、多孔膜の構造を損なう恐れがある。さ
らにスルホン酸基等の強電解質を多孔膜に付与すると、
分離対象物のpH等の影響を受けて、蛋白質等の荷電性物
質の分離特性が変化する。

特開昭57−136903号公報に示される方法では、アルカ
リによる加水分解が過度に進行すると、多孔膜の耐薬品
性や機械的強度が著しく損なわれるという問題がある。
また、多孔膜の機械的強度を十分保った状態での親水化
条件では蛋白質の非特異的吸着を低減せしめるに十分な
効果が得られ難い。

特開昭58−139703号公報に示される方法は、多孔膜を
処理するものではなく、製膜溶液を処理するものである
ため、アクリロニトリル系重合体本来の製膜性を阻害す
る恐れがあり、とくにゲル化の発生などによって多孔膜
の形成に支障を来す恐れがある。さらに、多孔膜の状態
で変性処理する上述の例と処理と比べると、多孔膜の耐
薬品性や機械的強度が低くなり易い等の問題がある。

特開昭54−130482号、特開昭58−137405号、特開昭58
−210804号各公報に示される方法は、プラズマ処理装置
を必要とする特殊な方法であり、生産性・経済性の面か
ら有利な方法ではない。また、プラズマ処理は真空下で
行うため、多孔膜を乾燥する必要があり、乾燥による多
孔膜の構造変化に基づく、制御し難い膜性能の変化が起
こる。さらに、プラズマ処理は多孔膜の外部表面層のみ
に有効な手段であり、細孔内部表面の親水化処理に対し
てはその効果が及び難い。

本発明はかかる従来技術の欠点を解決しようとするも
のであり、アクリロニトリル系重合体本来の耐薬品性を
損なわずに蛋白質の非特異的吸着を低減せしめ、しかも
濾過速度、阻止率などの性能変化が少ない、高度精密分
離用途に好適な多孔膜を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため本発明は下記の構成からな
る。

［アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜において、
多孔膜の表面層の重合体主鎖に一級アミノ基が化学的に
導入されていることを特徴とする多孔膜。」 本発明においては、多孔膜として、一級アミノ基を有
するアクリロニトリル系重合体を主成分とする事を特徴
とする。一級アミノ基は親水性であるため、多孔膜表面
層の蛋白質の非特異的吸着を低減せしめるに適してい
る。本発明においては、かかる一級アミノ基が、アクリ
ロニトリル系重合体の主鎖に化学的に導入されている。

本発明において、アクリロニトリル系重合体とはポリ
アクリロニトリル重合体またはアクリロニトリルを60モ
ル％以上含む共重合体であり、コモノマーとしてはポリ
アクリロニトリルと共重合可能な公知なものを使用する
ことができる。例えば、アクリル酸、メタクリル酸、ア
クリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリルア
ミド、メタクリルアミド、酢酸ビニル、ヒドロキシスチ
レン、ｐ−ビニルベンゼンスルホン酸、ｐ−ビニルベン
ゼンカルボン酸、ｐ−ビニルベンゼンホウ酸、ｐ−ビニ
ルベンゼンリン酸、マレイン酸、フマル酸、マレイン酸
エステル、フマル酸エステル、マレイン酸無水物、塩化
ビニル、Ｎ−ビニルピロリドン、メチルビニルケトン、
ビニルスルホン酸系モノマー、ビニルシラン系モノマー
などが挙げられる。本発明においてアクリロニトリル系
重合体とは、これらのコモノマーの一種あるいは二種類
以上の共重合体、またはポリアクリロニトリルもしくは
これらの共重合体から選ばれた二種類以上の重合体の混
合物を用いることが可能である。これら共重合体、また
は混合物の組成は、アクリロニトリルの量が60モル％未
満になると、アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜
の物理的、化学的特徴が失われることになる。よって、
アクリロニトリルの量は60モル％以上100モル％以下の
範囲で含有するものが好ましい。

本発明において多孔膜の製造方法は、通常の溶媒蒸発
工程、凝固工程からなる公知の製膜法によって得られる
多孔膜が好ましく用いられる。該多孔膜の形状について
は、平膜状の他にも種々あり、中空糸状、管状、円筒状
さらに他の多孔性支持膜との複合体であっても良い。例
えば、５〜30重量％のアクリロニトリル系重合体を含ん
だジメチルスルホキシド溶液を支持体上に平膜状に流延
し、凝固剤溶液に浸漬する。十分に凝固させた後、溶媒
を水に置換し、本発明の化学的変性処理を施す。凝固剤
としては、水、あるいは水とジメチルスルホキシドの混
合物を用いることが好ましい。また該重合体溶液を支持
体上に流延後、しばらく溶液表面の溶媒を蒸発させてか
ら凝固剤溶液に浸漬してもよい。一般には溶媒を蒸発さ
せる時間は０〜60分、温度は０℃〜溶媒の沸点の範囲で
行われることが好ましい。また、該重合体溶液を中空糸
成形ノズルを経て紡糸することにより中空糸膜の製造が
可能である。

これらの多孔膜を製作するときの種々の条件、すなわ
ち重合体分子量、溶媒の種類、重合体濃度、製膜温度、
溶媒蒸発時間、凝固温度等は本発明の化学的変性多孔膜
の性能に影響を与えるので、目的と目標性能を考慮して
適当な条件を選択することができる。

また、該多孔膜は機械的強度を考慮すると、0.001〜1
00μｍの孔径を有し、0.02〜1mmの膜厚を有するものが
好ましい。機械的強度とは、通常の使用条件、すなわち
30kg/cm²未満の加圧下の耐久性を指す。

アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜への一級ア
ミノ基の導入方法として、アクリロニトリルを化学的に
変性して導入する方法が挙げられる。化学的な変性と
は、アクリロニトリル系重合体のニトリル部位を化学的
に変化せしめることを意味する。このような化学的に変
性した多孔膜は、該多孔膜をアルカリ類で加水分解した
後、次亜ハロゲン酸塩で処理することによって製造する
ことができる。

アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜のニトリル
基部位の加水分解は公知の方法で行うことが可能であ
り、アルカリ溶液に浸漬することによりカルボン酸アミ
ド基を含んだ多孔膜が得られる。アルカリ類としては、
水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの金属水酸化物
が好ましく用いられる。ただし、本発明に使用するアル
カリ処理多孔膜としては以下の条件で行うことが好まし
い。すなわち、アルカリ類の処理濃度としては、0.5〜
３モル／の濃度範囲であることが好ましい。0.5モル
／未満では効果が乏しく、３モル／を越えると多孔
膜を損傷する恐れがある。

カルボン酸アミド基をアミノ基に変性する方法は、通
常次亜ハロゲン酸塩を用いるが、本発明ではアクリロニ
トリル系重合体から誘導したカルボン酸アミド基を含有
する重合体から、亜臭素酸ナトリウムにより一級アミノ
基を温和な条件で効率的に誘導することができることを
見出だした。亜臭素酸ナトリウムは次亜臭素酸ナトリウ
ムと比較して安定性に優れており、取扱いが容易である
という特徴を有する。

亜臭素酸ナトリウムの処理濃度としては、１〜20重量
％の濃度範囲であることが好ましい。１重量％未満では
効果が乏しく、20重量％を越えると多孔膜を損傷する恐
れがある。

反応にはアルカリ類を添加するが、好ましい態様を例
示すれば、水酸化ナトリウムを0.5〜３モル／の濃度
範囲で添加し、10〜60℃の温度範囲で反応させる。水酸
化ナトリウム濃度が0.5モル／未満では、効果が乏し
く、３モル／を越えると多孔膜を損傷する恐れがあ
り、反応温度が10℃未満では効果が乏しく、60℃をこえ
ると多孔膜を損傷することがある。処理時間については
上記処理条件においては３時間未満が好ましい。処理時
間が３時間以上となると亜臭素酸ナトリウムの濃度、お
よび温度条件によっては一級アミノ基の導入が過度に進
行し、該多孔膜の強度低下を引き起こし、著しい場合に
は該多孔膜を損傷する恐れがある。

かかる化学的変性は、製膜した状態の多孔膜でのアク
リロニトリル系重合体に対して行うことによって、該多
孔膜の内部表面、すなわち、多孔膜の細孔表面を含む表
面層のみを親水化することができる。製膜前のアクリロ
ニトリル系重合体原料に対して化学的変性を行う場合、
一級アミノ基の導入の割合、または親水性の程度に対し
て、該重合体本来の耐熱性、耐薬品性、製膜性が劣る結
果を与える。本発明において、表面層とは外観上の表面
のみならず、使用中に流体に接触する多孔膜の内部表面
をも含むものである。

本発明において、多孔膜表面に分布する一級アミノ基
を厳密に定量することは困難であるため、接触角を用い
て化学的変性効果を評価することが簡便である。

本発明に従って変性した多孔膜においては、蛋白質の
非特異的吸着を防止するのに十分な接触角は４〜50゜の
範囲である。本発明の場合には、接触角30゜以上におい
ても蛋白質の非特異的吸着防止に十分な効力が認めら
れ、公知例（国際公開番号WO88/0566号）より効果の優
れていることが認められる。接触角が50゜を越えると効
果が乏しく、４゜未満になるまで変性するとアクリロニ
トリル系重合体多孔膜の耐薬品性、耐圧性、およひ機械
的強度などの特徴が損なわれる恐れがある。上述したよ
うな本発明で好適と考えられる化学的変性条件で処理す
ると、ほぼ４〜50゜の接触角を有する変性多孔膜が得ら
れる。

また、吸着による蛋白質の損失率は、10％以下である
ことが好ましい。10％を越えると蛋白質の回収で問題と
なる。ウシ血清アルブミン（BSA）を使用した浸漬蛋白
質結合法による評価法では、蛋白質の吸着量は30μg/cm
²以下である事が好ましい。30μg/cm²を越えると蛋白質
の回収を目的とする場合には問題である。蛋白質の吸着
量が100μg/cm²以上であると濾過速度、阻止率等の多孔
膜の濾過性能に支障を来す。本発明によれば、かかる特
性を満足する親水化、蛋白質低吸着性多孔膜を提供する
ことができる。

［実施例］ 次に実施例により本発明を具体的に説明する。

接触角の測定は乾燥多孔膜の外表面に水を滴下し、形
成された水滴の多孔膜表面との接触角度を市販の接触角
計を用いて、水滴滴下後30秒後に測定した。その際、温
度は25℃で測定した。

また、吸着による蛋白質の損失率は、10部の牛胎児血
清溶液（FCS）と90部のリン酸生理食塩緩衝液（PBS）か
らなる試験溶液を用いて多孔膜の濾過試験を行い、その
物質収支から蛋白質の多孔膜への非特異的吸着分の比較
を下式により算出した。

濾過試験は、有効膜面積38cm²の多孔膜を容量200mlの
限外濾過セル（アドバンテック製;UHP−76K）を装着
し、蛋白質溶液200mlの限外濾過を攪拌下、操作圧力1mg
/cm²のもとで行った。100mlの濾液を採取後、濃縮液を
限外濾過セルより取り除き、200mlのPBSにて洗浄を２回
実施した。

また浸漬蛋白質結合法による蛋白質の吸着量は、10μ
g/ml〜1mg/mlの濃度範囲のBSAを含んだ5mlのPBS溶液に
室温で３日間多孔膜を浸漬し、浸漬液の濃度変化から該
多孔膜へのBSA吸着量を求めた。その際、試験管へのBSA
吸着量を補正するためブランクのBSA溶液を用い、ガラ
スへのBSA吸着量を求めた。

本発明において、蛋白質溶液の濃度はバイオラッド社
のプロテインアッセイ液を用い、波長595nmにおける紫
外吸収スペクトルを測定し、定量した。

実施例１〜12 アクリロニトリル重合体12部とジメチルスルホキシド
88部からなる製膜溶液を作成し、水を凝固液とする湿式
製膜によって多孔膜を得た。該多孔膜を１モル／の水
酸化ナトリウム水溶液中に室温で24時間浸漬処理を行
い、0.1モル／塩酸中に１時間浸漬して中和を行っ
た。水洗後、該多孔膜を3.5および７重量％の亜臭素酸
ナトリウムを含んだ0.5および１モル／の水酸化ナト
リウム水溶液中に25℃、および60℃で１〜３時間浸漬を
行い、該多孔膜の接触角を測定した。

第１表に各実施例の接触各と吸着による蛋白質の損失
率を示す。接触角が４゜以上50゜以下の範囲において
は、蛋白質の損失率はすべて10％以下である多孔膜を得
た。

また、実施例３に用いた多孔膜を真空乾燥後、該多孔
膜表面のATR法による赤外吸収スペクトルを測定した。
結果を第１図に示す。アクリロニトリル重合体からなる
多孔膜をアルカリ浸漬処理を行った試料の赤外吸収スペ
クトルは、1668cm^-1付近にアミド結合由来の特性吸収帯
（アミドＩ）が観測される。多孔膜の亜臭素酸ナトリウ
ム処理を行うとアミド結合由来の特性吸収帯は消失し、
亜臭素酸ナトリウム処理前後の差スペクトルから1668cm
^-1の吸収帯の消失と1590cm^-1付近のアミノ基の変角振動
に基く吸収帯の出現が観測された。

さらに、実施例５により得た多孔膜を300μg/mlのBSA
溶液（pH＝7.4）を用いて、圧力1kg/cm²、25℃の条件で
濾過試験を行ったところ、阻止率85％、濾過速度1.4m³/
m²日の性能であった。この多孔膜を300μg/mlのBSA溶液
（pH＝7.4）5mlに25℃で24時間浸漬を行い、再度上記条
件で分離性能を評価したところ、阻止率85％、濾過速度
は1.3m³/m²日の性能を示した。

実施例13 アクリロニトリル94モル％、メタクリル酸エチル６モ
ル％からなる共重合体の18重量％ジメチルスルホキシド
溶液から製膜した外径1200μｍ、内径900μｍの中空糸
膜を実施例３と同様な方法で亜臭素酸ナトリウム浸漬処
理をした。この中空糸膜を5cmに切断したもの20本をそ
れぞれ5mlのBSA溶液（BSA濃度:10μg/ml〜1mg/ml）に25
℃で３日間浸漬し、浸漬液中のBSA濃度変化を実施例１
の定量法により測定した。結果を第２表に示す。

BSA濃度が1mg/ml以下の範囲においては、BSA吸着量は
30μg/cm²以下であった。

実施例14 実施例３と同様な方法により亜臭素酸ナトリウム浸漬
処理を行った多孔膜を300μg/mlのBSA溶液（pH＝7.4）
を用いて、圧力1kg/cm²、25℃の条件で濾過試験を行っ
たところ、阻止率83％、濾過速度1.8m³/m²日の性能であ
った。該多孔膜を25℃で24時間ジオキサンに浸漬処理を
行った後、PBS溶液（pH＝7.4）で十分に洗浄を行いジオ
キサンを排液した。該多孔膜を300μg/mlのBSA溶液（pH
＝7.4）を用いて、圧力1kg/cm²、25℃の条件で再度、濾
過試験を行ったところ、阻止率83％、濾過速度1.6m³/m²
日の性能であった。

比較例１ アクリロニトリル94モル％、メタクリル酸エチル６モ
ル％からなる共重合体の18重量％ジメチルスルホキシド
溶液から製膜した外径1200μｍ、内径900μｍの中空糸
膜を5cmに切断した。該中空糸膜20本をそれぞれ5mlのBS
A溶液（BSA濃度:10μg/ml〜1mg/ml）に25℃で３日間浸
漬し、浸漬液中のBSA濃度変化を実施例１の定量法によ
り測定した。結果を第２表に示す。

実施例13と比較してBSAが吸着されやすい中空糸膜で
あり、1000μg/mlのBSA濃度においては、101μg/cm²のB
SAが該中空糸膜に吸着された。

［発明の効果］ 直接的効果として、 （１）本発明により、アクリロニトリル系多孔膜におい
て、多孔膜の表面層の重合体主鎖に一級アミノ基が化学
的に導入されていることを特徴とする多孔膜を提供する
ことができる。

（２）本発明に従えば、接触角４〜50゜のアクリロニト
リル系多孔膜が得られる。

（３）蛋白質の非特異的吸着が少ないアクリロニトリル
系多孔膜が得られる。

間接的効果としては、 （４）蛋白質を含む溶液に対して、濾過速度の低下が少
ないアクリロニトリル系多孔膜が得られる。

（５）蛋白質を含む溶液に対して、阻止率の変化が少な
いアクリロニトリル系多孔膜が得られる。

（６）本来の耐薬品性を損なわず、改善された性能を有
するアクリロニトリル系多孔膜が得られる。

（７）改善された性能を有するアクリロニトリル系多孔
膜を、生産性、経済性に有利な条件で提供することがで
きる。

（８）アフィニティメンブレン等の高度精密分離用途に
対しては、本発明のアクリロニトリル系多孔膜が特に有
効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の実施例３で得られた多孔膜の表面
のATR法による赤外線吸収スペクトラムの測定結果を示
す。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アクリロニトリル系重合体からなる多孔膜
   において、多孔膜の表面層の重合体主鎖に一級アミノ基
   が化学的に導入されていることを特徴とする多孔膜。
2. 【請求項２】水に対する接触角が４゜以上50゜以下であ
   る、請求項（１）に記載の多孔膜。