JP4355655B2 - 官能性多孔質繊維 - Google Patents

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Description

本発明は、官能性化又は活性粒子を含み、特に製造後に依然として利用可能（accessible）で活性な粒子を含む多孔質重合体繊維を製造する方法、及びそれにより得られた多孔質重合体繊維に関する。本発明は、そのような繊維を、例えば、発酵ブロス(broth)のような（複合）混合物から一成分を精製及び（又は）分離する手段として、或は反応混合物中の触媒として使用することにも関する。そのような用途のためには、多孔質重合体繊維を、下に記載するようなモジュールの中に含ませるのが好ましい。
粒子を含む多孔質重合体マトリックスは従来報告されてきている。例えば、米国特許第６，０４８，４５７号明細書には、活性炭、（煙霧状又は誘導体化）シリカ、又は（官能性化）ポリスチレンジビニルベンゼンビーズのような吸収性粒子を含む注型多孔質ポリスルフォン膜構造体が記載されている。それは、小規模な試料製造のためにピペット先端中に閉じ込められた、その場での注型構造体（cast-in-place structure）に関する。
別の例は米国特許第５，２５８，１４９号明細書であり、そこにはポリスルフォン重合体及びシリカを含む中空繊維膜が記載されている。膜形成中、シリカは気孔形成剤及び粘稠化剤として働き、シリカを含む繊維が、シリカの大部分が塩基による処理で除去されることにより初めて微多孔質になることが述べられている。その中空繊維膜は、ポリアクリル酸の存在下で加圧熱処理することにより固定化（immobilise）される。ポリアクリル酸は繊維の壁に結合し、低密度リポ蛋白質コレステロール錯体（ＬＤＬ−Ｃ）に対する親和性薬剤として働く。
米国特許第５，２３８，７３５号明細書には、合成樹脂粒子を含む微多孔質ポリオレフィン中空繊維を次のようにして製造することが記載されている。（共）ポリオレフィン（一種又は複数種）、合成樹脂粒子、及び可塑剤の混合物を、２３０℃の温度の溶融物から押出してストランド(strand)にし、それを切断してペレットにする。得られたペレットを２１５℃の温度の溶融物にして中空繊維形成ノズルに通して押出す。希望の多孔性を生じさせるため、未延伸中空繊維をロール延伸法で一軸的に延伸し、分子配向した微多孔質中空繊維を与える。
ＷＯ ００／０２６３８にも、実質的に固定化された材料を含む多孔質重合体マトリックスが記載されている。そのような可撓性シート状膜（平坦、ひだ付き、又は縮れた膜）は外側表面に選択的に透過性の表皮を有する。特に、ポリウレタンと活性化木炭とのスラリー状混合物をポリエステル支持体上に流動注型することにより膜を製造することが記載されている。その混合物は支持体上に押出すこともできることが言及されている。更に、その膜は、一体的支持体を用いずに、例えば、混合物をドラムに適用し、然る後、そのドラムの表面から膜を剥がすことにより製造することができることも認められている。偶々、繊維、棒、及びチューブのような平らなシート状膜以外の形態のものも形成することができることが認められている。しかし、支持体上に膜を流動注型する具体例以外に、他の可能な示唆は何も記載されていない。
ＷＯ ９８／３４９７７には、少なくとも一種類の水不溶性重合体、少なくとも一種類の水溶性重合体、及び少なくとも２０％の少なくとも一種類の充填材料、特に活性炭から形成された多孔質複合体生成物が記載されている。この生成物は、押出し機を用いて、溶融押出し法により得られている。生成物の多孔性は、押出した生成物から可溶性重合体を除去することにより与えられている。重合体材料は非繊維状で、むしろ多孔質複合体生成物のフイルムに関係していることが述べられている。
従って、当分野では、出発成分の適当な混合物から一工程で粒状材料含有多孔質重合体材料を製造する方法は知られている。そのような材料は注型法により製造され、それを注型する筐体（housing；囲い）によって三次元的大きさが限定されるか、或はシートの形態になっている。そのような注型法は、繊維を製造するのには適さない。
粒状材料を含有する多孔質重合体繊維を製造するためには、希望の多孔度を与えるための付加的処理工程が必要である。粒状材料含有繊維を製造する工程の後、粒状材料を非多孔性繊維から除去するか、又は非多孔性繊維を延伸して多孔質繊維を与える結果になる。後者の場合にだけ、或る（吸収性）機能を有する粒子含有微多孔質繊維が得られる。
既知の多孔質重合体繊維の製造方法の欠点は、それらが繊維形成後に最終生成物にするための付加的処理工程を含むことである。一層効率的な製造方法を有することが望ましい。最終生成物にするためにとる必要がある実際の処理工程により、付加的処理工程の条件を維持することができる性質を有する適当な出発材料を選択しなければならない。明らかにそのような必要条件は、用いることができる重合体材料に限定を加えることになる。更に、それは、重合体マトリックスに含ませることができる粒状材料の種類を限定することにもなる。高度の粒子導入量は繊維の機械的強度を減少し、従って、延伸法が限定される。導入の程度は、マトリックス材料の充分な延伸に到達するのに必要な力により限定されるであろう。粒子含有材料の延伸により、粒状材料は形成される多孔質構造体から脱落させることができる。溶融押出しを含む方法では、マトリックス重合体を溶融するのに必要な温度に耐えることができる粒状材料だけしか適用できない。これらの温度が約２００℃より充分高いことは異常なことではない。
ＤＤＡ２３３，３８５には、一工程転相法（one-step phase inversion）、所謂湿式紡糸法を含む多孔質繊維の製造方法が記載されている。押出し直後に繊維は凝集浴中に入る。粒子は、上昇させた温度で乾燥する間、多孔性を維持させるため適用される。それら粒子の利用可能性及び機能性はそこでは大して重要ではない。最終生成物の性質および挙動は、用いる重合体の化学的構造により本質的に決定されることが述べられている。
ＤＤＡ２３３，３８５による方法の欠点は、６０重量％より少ない溶媒を用いた凝固浴中での直接の紡糸が、むしろ緻密な外側表面を与える結果になり、粒子の利用可能性が限定されることである。しかし、溶媒の量を増大すると、初期繊維固化の偏析遅延が余りにも長くなるため、紡糸過程の制御が困難になる結果を与える。
本発明の一つの目的は、室温又は汎用温度で操作することができ、繊維形成後に付加的処理工程を必要としない方法により、或る官能性（functionality）を有する粒状物質を含む多孔質繊維を与えることである。
更に別の目的は、重合体マトリックス又は支持構造体中に取り込むことができる種々の官能性粒子を使用することができるようにする方法を与えることである。異なった官能性を有する粒子、又は二つ以上の官能性を有する粒子の複数の種類のものを用いることができる。
前記官能性粒子は、多孔質繊維のマトリックス（支持構造体）内部に組込まれたならば、それらの官能性を維持し、利用することが可能であるべきである。
本発明の目的は、一種類以上の重合体の溶液を粒状材料と混合する方法により達成されることが思いがけなく見出された。得られる混合物を押出すことにより、粒状材料が中に取り込まれた多孔質繊維を得ることができる。場合により、重合体溶液へ添加剤及び（又は）非溶媒を添加してもよい。繊維の押出は、転相条件（phase inversion conditions）で行われる。
従って、本発明によれば、重合体マトリックスが多孔質で、粒子が充分利用することができ、調製後それらの官能性を維持している、前記マトリックス中に粒状材料が取り込まれた重合体マトリックスの製造方法であって、溶解した重合体材料と粒状材料との混合物を与えること、及び前記混合物を押出して繊維にし、前記繊維を二工程転相法（two-step phase inversion process）により固化することを含む製造方法が与えられる。
本発明の詳細な記述
多孔質重合体繊維で、その繊維中に粒状材料が取り込まれた多孔質重合体繊維の製造方法が見出された。繊維が形成される工程で、同時にその繊維中に多孔性が与えられ、従って、付加的気孔形成処理の必要性は、もはや存在しないので有利である。
本発明の方法の別の利点は、それが、押出し工程中の粒状材料の一体性に影響を与えないことである。本方法は、重合体マトリックス中に種々の官能性を有する粒子を取り込ませる可能性を与える。マトリックス重合体を溶融するのに必要な上昇させた温度のために溶融押出しすることができない熱感応性粒子を、その粒子を損傷する危険を与えることなく、転相法により多孔質マトリックス中に配合することができる。それら繊維は穏やかな条件で処理することができる。
繊維の押出しは、転相条件で行われる。転相又は相分離は、均質な溶液の温度変化（熱的相分離）、不揮発性非溶媒を含む重合体溶液からの溶媒の蒸発（相分離を引き起こす蒸発）、非溶媒蒸気の浸透（蒸気誘発相分離）、又は非溶媒浴中に均質重合体溶液の浸漬（浸漬誘発相分離）により引き起こすことができる。
一般的転相では、押出し処理は、重合体の濃度が１２重量％より大きい重合体溶液を必要とする。粒状材料を存在させると、使用される重合体溶液の濃度を一層低くすることができることは、全く予想もしないことであった。特に、それは、１２重量％より低く、一層特別には１０重量％より低い重合体濃度の使用を可能にする。
本発明の方法により、無限の長さの粒子含有マトリックスを確立することができる。無限の長さの粒子含有マトリックスの代わりに、非常に短い長さのマトリックスも同じ方法で製造することができることは明らかに理解されるであろう。無限のマトリックス構造体を、その構造体が固化された後、小さな片に切断又は粉砕するか、又は連続的繊維の代わりに液滴が押出し機を出るようにさせる別の手段により、粒子含有重合体溶液を、短い時間間隔で紡糸口金（spinneret）のような押出し機に通して押出す。
ここで用いられる用語「繊維」には、中空（hollow）及び非中空（solid）繊維が含まれる。適用の種類により、中空か又は非中空の適当な繊維形状が選択される。
やはり得られる繊維の希望の目的及び性質により、当業者は多くの異なった粒子を用いることができることを認めるであろう。例えば、毒性又は望ましくない（小さな）有機化合物を除去することにより毒物除去又は精製するための手段として適用される場合、例えば、活性炭のような吸収性粒状材料を用いることができる。
しかし、本発明の好ましい態様として、多孔質重合体は望ましい分子を分離するために適用される。特にそのような用途は、ペプチド、蛋白質、核酸、又は他の有機化合物のような巨大分子の分離に関係する。そのような場合、吸着性粒子を使用することが好ましい。最も適した粒子は、多孔質マトリックス形態と組合されて、速い吸着速度、その用途に見合った能力及び選択性を有し、適当な薬剤で分子を脱着することができる。特定の分子に対する適当な吸着性粒子の親和力は、疎水性、親水性、又は帯電官能性、特にイオン交換官能性、分子（刻印）認識、エピトープ認識、異性体選択又は他の特別な相互作用に関連して定義することができる。一つの態様として、適当な吸着性粒状材料は、性質が疎水性である。
更に別の態様として、粒状物質は、粒径による排除（size exclusion）又は光学活性化合物の分離、又は異性体の分離のために官能性化され、或は逆相クロマトグラフィー（reversed phase chromatography）で用いることができる。光学活性化合物の分離、又は異性体の分離は、選択的親和力に基づいていてもよい。
別の態様として、特に触媒として反応性を向上させるため、反応混合物中の成分として働かせるように官能性化（functionalise）する。吸着性と触媒とを一緒にすることも望ましいであろう。特に触媒は生体触媒にすることができる。
適当な吸着性粒子は、当業者に明らかであり、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂、シリカ型粒子、例えば、Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８、又はＣ１８、又はイオン交換官能基で誘導体化されているか又は未変性の粒子、ゼオライト、セラミック粒子、例えば、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等、磁性コロイド粒子、多孔質又は非多孔質重合体粒子、例えば、多孔質ポリスチレン、又は、例えば、スルホン酸、第四級アミン等で誘導体化されているか又は未変性スチレン・ジビニルベンゼン型粒子、分子状刻印粒子、及び（均質）触媒粒子が含まれる。
更に別の態様として、多孔質マトリックス内部の官能性粒子は、後の官能性化によりその機能を変更してもよい。例えば、イオン交換粒子は蛋白質を吸収し、それを次の架橋反応によりその粒子上に残留させる。その蛋白質変性イオン交換（ＩＥＸ）粒子は、今度はその元の吸着機能とは異なった機能を有する。例えば、蛋白質変性ＩＥＸ粒子は、今度は異なった吸着官能性又は異なった鏡像異性体分離性を有するであろう。別の例は、例えば、多孔質マトリックス内部の官能性粒子に（均質）触媒を固定化することである。
ここで用いられている用語「粒状材料」とは、規則的、特に球形、又は不規則な形を有する粒子のみならず、破片、繊維、金属粉末を含めた粉末、プラスチック粉末、例えば粉末ポリスチレン、通常の相のシリカ、ヒュームドシリカ、及び活性炭を包含するものとする。
１００μｍまでの平均粒径（直径）を有する粒子を用いることができる。平均粒径は５０μｍより小さいのが好ましく、好ましくは０．１〜３０μｍの範囲、好ましくは２０μｍより小さい。
重合体材料は、エラストマー、共重合体、重合体混合物、共重合体混合物、又は重合体と共重合体との混合物を含めた重合体にすることができる。本発明の方法による多孔質繊維製造で用いるのに適した重合体材料の例には、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン−ｃｏ−ビニルアルコール（ＥＶＡＬ）、ポリエチレン−ｃｏ−酢酸ビニル（ＥＶＡＣ）、酢酸セルロース（ＣＡ）、三酢酸セルロース（ＣＴＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）が含まれる。しかし、本発明は、それらの重合体材料に限定されるものではなく、他の適当な材料は当業者に明らかであろう。例えば、スルホン化重合体のように、化学的及び（又は）物理的に変性された重合体も用いることができる。二種類以上の重合体の混合物も用いることができる。一般に、食品製品中に見出される成分と両立することができる重合体を用いるのが有利である。そのような重合体が示す食品成分との相互作用は低く、それにより供給物流からの成分との非選択的相互作用が防止されるのが好ましい。
好ましい重合体材料は、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエチレン−ｃｏ−ビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、及び酢酸セルロースである。
本発明の方法では、重合体材料を適当な溶媒に溶解するのがよい。溶媒の種類は、選択した重合体に依存する。転相法を考慮して、水とよく混和することができる溶媒を用いるのが好ましい。非溶媒と組合せた場合でも一種類以上の溶媒を一緒に用いることができる。適当な溶媒には、Ｎ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ホルムアミド（ＦＡ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ε−カプロラクタム、ブチロラクトン、特に４−ブチロラクトン、スルホラン、シクロヘキサノン、及び燐酸トリエチルが含まれるが、それらに限定されるものではない。好ましい溶媒は、ＮＭＰ、ＤＭＡｃ、ＤＭＦ、ＤＭＳＯ、ＴＨＦ、ε−カプロラクタム、及び４−ブチロラクトンである。
水は好ましい凝集媒体である。可能な凝集媒体及び非溶媒の別の例は、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、アセトン、メチルエチルケトンである。
溶媒、重合体マトリックス材料、及び粒状材料をよく混合し、押出しにかける基礎混合物を与える。
繊維に希望の多孔性を得るために、温度、生成速度、湿度、空気間隙長さ、延伸及び取り出し速度のような物理的処理パラメーターの変動と組合せて非溶媒及び溶媒の混合物を用いる。種々の理由から、例えば、重合体溶液の粘度に影響を与える添加剤、気孔形成剤、気孔連続性増加剤、巨大空洞形成を減少又は防止するための添加剤、及び（又は）疎水性を導入するための添加剤のような添加剤を適用してもよい。可能な添加剤には、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、デキストラン、グリセロール、ジエチレングリコール、（高級）アルコール、例えば、オクタノール、カルボン酸又は有機酸、例えば、蓚酸、マレイン酸、酒石酸、フマール酸、塩、例えば、ＬｉＣｌ及びＣａＣｌ２が含まれるが、それらに限定されるものではない。希望の性質を有する繊維を生成させるため、（非）溶媒、添加剤、及び処理条件を調べ、適当な（混合物）を適用することは当業者の能力範囲に入る。
中空、非中空、又は固体に支持された繊維を製造するため、一般に知られている押出し機を用いることができる。例えば、二重壁円筒〔チューブ・イン・オリフィス(tube-in-orifice)〕口金を用い、管状液体(bore liquid)を適用することにより、中空繊維が得られる。環状液体を適用しなければ、非中空繊維が形成される結果になる。重合体で糸を紡糸するか又は網を紡ぐことにより、複合体繊維を得ることができる。水浴中へ押出すことにより、粒状材料が取り込まれた多孔質繊維の固化を与える結果になる。
重合体溶液中のマトリックス重合体濃度は、０．５〜５０重量％である。押出される混合物中の粒子の適当な量は、用いられる重合体の種類及び重合体の濃度に依存する。一般に押出される混合物中の粒子の量は、１〜９５重量％の範囲にあるであろう。これにより、押出される混合物は、０．５重量％〜５０重量％の重合体材料及び１重量％〜９５重量％の粒子材料を含み、残余は溶媒である。添加剤及び（又は）非溶媒は、溶媒と部分的に置換することができ、０．０１〜５０重量％の範囲にすることができる。
一つの態様として、重合体溶液中のマトリックス重合体濃度は、３〜５０重量％であり、主流としては５〜３５重量％である。マトリックス重合体濃度は好ましくは１２重量％より少なく、一層好ましくは１０重量％より少ない。好ましい濃度は、得られる繊維中の特定の粒状物質及び希望の粒子の量と共に、使用される特定の重合体（一種又は複数種）に依存する。
一つの態様として、押出される混合物中の粒子の量は、１〜６０重量％の範囲にある。押出される混合物中の粒子の量は好ましくは５重量％より多く、一層好ましくは１０〜６０重量％である。このように、押出される混合物は、３重量％〜５０重量％の重合体材料及び１重量％〜６０重量％の粒状材料を含み、残余は溶媒である。添加剤及び（又は）非溶媒は、溶媒と部分的に置換することができ、０．０１〜５０重量％の範囲にすることができる。
更に、粒子の大きさ、官能性、及び重合体溶液中の粒子の量は、マトリックスの最終的気孔構造に明確な影響を与えることが思いがけなく見出されている。粒子が小さい程、マトリックスの構造は一層スポンジ状になる。例えば、粒子が９０μｍから２０μｍになると、構造は巨大空洞を含む構造から完全に巨大空洞のない構造へ変化することが観察されている。更に、粒子の利用性は、粒子含有量が増大すると著しく改良される。図７及び８は、粒状材料が１０重量％の繊維から、粒状材料が７５重量％の繊維になった時の気孔率の変化を示している。
一般に、充分利用できる粒子ができるだけ多い重合体マトリックスを用いるのが望ましいと推測することができる。しかし、重合体マトリックスの特定の適用に依存して、粒子導入量と利用性とのバランスが存在することも推定することができる。重合体マトリックス中の対流伝導及び拡散抵抗を考慮して有利になることがある巨大空洞を有する重合体マトリックスを使用することさえも有利になることがある。
従って、本発明の態様として、粒状材料の大きさを変化させることにより重合体マトリックス中に取り込まれた粒状材料を含む重合体マトリックスの気孔率を調節するための方法が与えられる。更に別の態様として、粒状材料の含有量を変化させることにより、重合体マトリックス中に粒状材料が取り込まれた、その重合体マトリックスの気孔率を調節するための方法を与える。更に別の態様として、粒状材料の官能性を変化させることにより、重合体マトリックス中に粒状材料が取り込まれた、その重合体マトリックスの気孔率を調節するための方法を与える。官能性（functionality）を変化させるとは、粒子の内部又は表面にある化学的基（chemical groups）を変化させることを意味する。
本発明の方法に従って製造される繊維は、５〜９５重量％の重合体材料、５〜９５重量％の粒状材料、好ましくは６０〜９５重量％の粒状材料を含む。７５重量％以上の粒子でさえも、充分な機械的強度を有する繊維が得られている。一つの態様として、本発明の方法に従って製造される繊維は、２０〜７０重量％の重合体材料、及び３０〜８０重量％の粒状材料、好ましくは６０〜７０重量％の粒状材料を含む。
希望の多孔性を有する繊維を製造するため、二工程転相法を用いる。凝集浴に入れる前に、生成期繊維の外側を選択された媒体と接触させ、外側層の組成を変化させるようにする。これは、相分離方法の第一工程と考えられる。繊維が凝集浴中に入ると、生成期繊維は更に相分離を起こし、構造が固定されるであろう。これは、相分離の第二工程と考えられる。第一工程では、繊維の外側壁の気孔孔径及び気孔率を調節することができる。
押出し機の型を出る重合体溶液の外部の環境に影響を与えるため、二工程転相法では、特に、紡糸口金による押出しを用いる。設定は、繊維の外部媒体として液体、蒸気、又はガスの流れを制御できるようにする紡糸口金を用いるようなものが好ましい。二工程転相法は、ＷＯ ９３／１２８６８に記載されているような所謂三層紡糸口金（triple layer spinneret）を使用することを含むのが有利である。三層紡糸口金の使用は、２工程転相繊維形成法と同義語である。三層紡糸口金により、繊維に沿った外部媒体として液体、蒸気、又はガスの流れを制御することができる。中空繊維のためには、三層紡糸口金の針を通って管状液体を適用し、それは内側表面構造に影響を与える。非中空繊維を製造するためには、その針は何の働きもせず、除外することさえできるであろう。
三層紡糸口金の外側媒体の組成の選択及び凝集力に入る前の接触時間は、外側繊維表面が緻密になるか又は多孔質になるかを決定する。外側が中程度の湿度の空気と接触しているならば、繊維の外側表面は緻密になる。取り込まれた粒子の最適利用性の利点を得るためには、紡糸中繊維の外側に沿って適切な媒体を流すのがよい。外側媒体は重合体のための溶媒と非溶媒との液体混合物であるのが好ましい。非溶媒は水であるのが好ましい。別法として、重合体のための非溶媒を含むガス流を適用することができる。この場合には、非溶媒は水蒸気である。当業者は、第一転相効果を生じさせるため、ガス流中の水蒸気の希望の量を容易に決定することができる。
生成期繊維が二つの異なった媒体に順次接触して行き、溶媒と非溶媒との交換により両方共生成期繊維組成に影響を与える二段階転相法は、ＤＤＡ２３３，３８５に記載されているような一工程転相法に関連した種類の問題を回避する。この場合第一媒体との接触時間は短く、第二媒体は生成期繊維組成にとっては強い凝集剤である。本発明の方法により適用される二工程転相法は、確実に、多孔質マトリックス中の粒子を充分利用することができ、製造後それらの官能性を維持する。
簡単なチューブ・イン・オリフィス紡糸口金を用いることもできるが、殻表面を変化させる融通性が低くなる。勿論、非中空繊維を製造する場合、内部針は最早不必要であり、三層紡糸口金は、チューブ・イン・オリフィス紡糸口金に単純化され、重合体溶液は針を通って紡糸され、第一凝集剤がオリフィスを通る。この場合、チューブ及びオリフィスの大きさはそれに従って調節されなければならない。
繊維を更に補強するため、どのような材料の一本以上の糸、ワイヤー、ヤーン等を繊維と共に同時に押出すことができ、非中空繊維の芯の中に取り込まれるか、又は本質的にＷＯ ０１／０２０８５に記載されているように、中空繊維の壁中に取り込まれる。
繊維中の気孔の大きさは、２０μｍ以下であるのが典型的である。気孔孔径は用途に依存するが、処理中の粒子の損失を回避するように、その粒径以下であるべきである。
繊維の最適直径は、目標粒子の拡散係数、吸着剤の長さ、及び流動条件に依存する。典型的な繊維の直径は、１０μｍ又は２０μｍ〜１５ｍｍの間にあるが、殆どの場合、０．３又は０．５〜３ｍｍの直径を有する繊維を用いるのが有利である。
このようにして製造された多孔質繊維は、例えば、粒子を活性化するか、又は繊維の多孔質構造を固定するか、又は多孔質繊維の気孔の大きさを減少させるために、熱処理或は更に別の官能性化工程のような後処理を受けてもよい。用いる重合体及び粒子により、当業者は熱処理で適用される適当な温度又は温度範囲を決定することができるであろう。
本発明は、本発明による方法により得ることができる繊維にも関する。
本発明の方法により製造された繊維は、そのようなものとして使用することができるが、本発明の別の態様では、繊維はモジュール中に含まれている。そのようなモジュールは、筐体の中に詰め込まれた螺旋状に巻いた繊維マット、筐体の内部に長手方向に詰め込まれた繊維束、筐体の内部に横断する方向に並べた繊維形状、筐体の内部に平行又は交差方式で糸巻き状に巻いた繊維、或は筐体の内部に他の配列又は無秩序に繊維を詰めた形態を含む。本発明の方法により場合により微粉砕した形態で繊維を含む他の物体も本発明の範囲に入る。そのような物体には、例えば、クロマトグラフィーのためのカラムが含まれる。
本発明の多孔質繊維及び多孔質繊維のモジュールは、選択された粒子により極めて多様な用途を有する。それらは、反応混合物から、或は実際にどのような化合物混合物からでも、成分を吸着及び（又は）精製するために用いることができる。例えば、それら用途には、ペプチド及び蛋白質の分離、親和力に基づく分離のためのリガンドの固定、クロマトグラフィー、反応のための触媒及び酵素の固定、遊離及び生成物保護等が含まれる。当業者は、希望の用途により、適当な重合体材料及び場合により添加剤と組合せて、適当な粒子及び粒子官能性化を選択することができるであろう。粒子の混合物も用いることができる。
重要な特定の用途は、一般に発酵ブロス、組織ブロス、植物ブロス、細胞ブロスからの希望の蛋白質の分離、触媒又は酵素反応、毒物除去、生成物保護、及び放出システムである。
例１
非中空繊維ポリエチレン・ビニルアルコール／陽イオン交換樹脂構造体
ポリエチレン・ビニルアルコール（４４％のエチレン含有量を有するＥＶＡＬ）非中空繊維を次のようにして製造した。７重量％のＥＶＡＬ及び１２重量％の陽イオン交換樹脂（ＣＥＲ）〔レワティット(Lewatit)ＣＮＰ８０ＷＳ（バイエル）、全イオン交換容量：４．３当量／リットル〕及び７重量％のオクタノールをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中に溶解した。樹脂粒子は２０μｍより小さかった。得られた懸濁物をチューブ・イン・オリフィス紡糸口金（ＯＤ＝２．４及びＩＤ＝１．６５ｍｍ）を通して水浴（２０℃）中へ押出し、そこで相分離が行われた。非中空繊維の製造のため管状液体は用いなかった。このようにして、６０重量％ＣＥＲの粒子含有量を有し、８０％の固定化粒子が蛋白質（ＢＳＡ）吸着に対し活性である多孔質非中空繊維が得られた。繊維１ｇ当たり８０ｍｇのＢＳＡ吸着性が得られた。
例２
中空繊維ポリスルホン／陽イオン交換樹脂構造体
ポリスルホン中空繊維を次のようにして製造した。３０重量％のポリスルホン（ＵＤＥＬ３５００）をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中に溶解し、それを３０重量％のスチレン・ジビニルベンゼン型陽イオン交換樹脂（ＣＥＲ）〔アンバーライト(Amberlite)ＩＲ−１２０、全イオン交換容量：４．４ミリ当量／乾燥樹脂１ｇ〕と混合した。樹脂粒子は３０μｍより小さかった。この分散物をチューブ・イン・オリフィス紡糸口金（ＯＤ＝２．１ｍｍ、ＩＤ＝１．０ｍｍ）に通して水浴（１６〜１８℃）中へ押出し、そこで相分離が行われた。管状液体は、６０％のＮＭＰ及び４０％の水からなっていた。紡糸速度は０．３５ｍｍ／分であった。このようにして５０重量％ＣＥＲの粒子含有量を有し、８８％の固定化粒子が塩イオンのために利用できる多孔質中空繊維が得られた。
後処理をせずに製造された中空繊維は、７．９モル．時．ｍ２のＮａＯＨフラックス及び２．４モル．時．ｍ２のＮａ２ＳＯ４フラックスを示していた。これは、３．３のむしろ低い選択性を与える結果になる。マトリックス重合体のガラス転移温度の直ぐ上で生成繊維を熱処理すると、繊維の性質にかなり影響を与えることが明らかである。２００℃で１０分の熱処理は、ＮａＯＨ及びＮａ２ＳＯ４のフラックスを、夫々１及び０．０１モル．時．ｍ２の値へ低下した。ＮａＯＨ／Ｎａ２ＳＯ４選択性は、３．３から１０２へ増大した。
例３
非中空繊維ポリエチレン・ビニルアルコール／ＢＳＡ変性陽イオン交換樹脂構造体
ポリエチレン・ビニルアルコール（４４％のエチレン含有量を有するＥＶＡＬ）非中空繊維を次のようにして製造した。７重量％のＥＶＡＬ及び１２重量％の陽イオン交換樹脂（ＣＥＲ）〔レワティットＣＮＰ８０ＷＳ（バイエル）、全イオン交換容量：４．３当量／リットル〕及び７重量％のオクタノールをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中に溶解した。樹脂粒子は２０μｍより小さかった。得られた懸濁物をチューブ・イン・オリフィス紡糸口金（ＯＤ＝２．４ｍｍ及びＩＤ＝１．６５ｍｍ）を通して水浴（２０℃）中へ押出し、そこで相分離が行われた。非中空繊維の製造のため管状液体は用いなかった。このようにして、６０重量％ＣＥＲの粒子含有量を有する多孔質非中空繊維が得られた。バッチ式実験で、うし血清アルブミン（ＢＳＡ）を吸着させるためその官能性多孔質繊維を用いた。官能性多孔質繊維は、繊維１ｇ当たり１６５ｍｇのＢＳＡ吸着能力を持っていた。ＢＳＡ変性官能性多孔質繊維は、続いてグルタルアルデヒド（ＧＡ）溶液で処理し、多孔質マトリックス中へ蛋白質を化学的に結合した。得られた非中空繊維のポリエチレン・ビニルアルコール／ＢＳＡ変性陽イオン交換樹脂構造体は、ビリルビンを吸着する。従って、トリプトファン、バルビツレート、又は抗鬱剤のような他の物質を吸着する能力も有する。
例４
エンドトキシンに対し選択性の非中空繊維ポリエチレン・ビニルアルコール／ポリエチレンイミン変性ジルコニア粒子
ポリエチレン・ビニルアルコール（４４％のエチレン含有量を有するＥＶＡＬ）非中空繊維を次のようにして製造した。７重量％のＥＶＡＬ及び１２重量％の多孔質ジルコニア微小球及び７重量％のオクタノールをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中に溶解した。ジルコニア粒子は２０μｍより小さく、商業的に得られるか、又は合成し、重合誘導コロイド凝集により希望の性質を持つように調整することができる。得られた分散剤をチューブ・イン・オリフィス紡糸口金（ＯＤ＝２．４ｍｍ及びＩＤ＝１．６５ｍｍ）を通して水浴（２０℃）中へ押出し、そこで相分離が行われた。非中空繊維の製造のため管状液体は用いなかった。このようにして、６３重量％ジルコニアの粒子含有量を有する多孔質非中空繊維が得られた。このようにして得られた繊維を、メタノール中に入れた２重量％のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）溶液でそれを被覆することにより更に処理し、ジルコニア粒子上にＰＥＩを固定した。１，２−ビス（２−ヨードエトキシ）エタン、又は１，１０−ジヨードデカンのような薬剤によりＰＥＩを架橋することにより四級化ＰＥＩの疎水性に影響を与えることができる。ポリエチレン・ビニルアルコール／ポリエチレンイミン変性ジルコニア粒子のそのような官能性多孔質繊維は、蛋白質よりもエンドトキシンを選択的に吸収する。
例５
非中空繊維ポリエーテルスルホン陽イオン交換樹脂構造体
ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）非中空繊維を次のようにして製造した。１３．８重量％のＰＥＳ及び１３．８重量％の陽イオン交換樹脂（ＣＥＲ）〔レワティットＣＮＰ８０ＷＳ（バイエル）、全イオン交換容量：４．３当量／リットル〕、３３．６重量％のポリエチレングリコール（ＰＥＧ４００）及び５．２重量％の水をＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中に溶解した。樹脂粒子は２０μｍより小さかった。得られた分散物を三層紡糸口金（ＯＤ＝２．４ｍｍ及びＩＤ＝１．６５ｍｍ）を通して水浴（２０℃）中へ押出し、そこで相分離が行われた。非中空繊維の製造のため管状液体は用いなかった。生成期繊維の外側に、ＮＭＰと水（第一凝集剤）との混合物を流した。第一凝集剤との接触時間は１秒より短かった。このようにして、５０重量％ＣＥＲの粒子含有量を有する多孔質非中空繊維が得られた。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、９０重量％のＮＭＰと１０重量％の水との混合物と比較して、７０重量％のＮＭＰと３０重量％の水との第一凝集剤を用いた場合に、外側表面が遥かに緻密になることを明確に示している。図５及び６参照。
例６
粒子含有量の影響
粒子含有量が重合体マトリックスの気孔率に与える影響を決定するため、例５による繊維を粒子含有量を変化させて製造した。図７は、１０重量％の粒子含有量を有する繊維を示し、それは明らかに巨大空洞を見ることができる。図８は、７５重量％の粒子含有量を有する繊維を示し、それは巨大空洞を含まない。
図１は、例１に従って製造された多孔質非中空繊維の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 図２は、図１の拡大図である。 図３は、図１の拡大図である。 図４は、例２に従って製造された多孔質中空繊維の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 図５は、例５に従い、第一凝集剤としてＮＭＰ／水（７０／３０重量％）混合物を用いて製造した非中空（solid）ＰＥＳ／ＣＥＲ繊維の外側表面のＳＥＭ写真である。 図６は、例５に従い、第一凝集剤としてＮＭＰ／水（９０／１０重量％）混合物を用いて製造した非中空ＰＥＳ／ＣＥＲ繊維の外側表面のＳＥＭ写真である。 図７は、１０重量％の粒子含有量を有するＰＥＳ／ＣＥＲ繊維のＳＥＭ写真である。巨大空洞がはっきり見える。 図８は、７５重量％の粒子含有量を有するＰＥＳ／ＣＥＲ繊維のＳＥＭ写真である。繊維は巨大空洞を含まない。

Claims (33)

  1. 重合体マトリックスの中に官能性化粒状材料が取り込まれた重合体マトリックスで、前記重合体マトリックスが多孔質であり、前記官能性化粒子を充分利用することができ、製造後それらの官能性を維持している重合体マトリックスを製造する方法であって、
    （１）重合体材料と粒状材料との混合物を前記重合体材料のための溶媒中に与えること、及び
    （２）前記混合物を繊維に押出し、前記繊維を
    （ｉ）生成期繊維の外側媒体として水、前記重合体のための溶媒と非溶媒との液体混合物、蒸気、又はガスを制御して流すことができる紡糸口金を使用して、外側層の第一相分離を起こさせる第一工程、及び、
    （ｉｉ）第一工程で得られた繊維を凝集浴に導入して、当該繊維の更なる相分離を起こし、構造を固定する第二工程、
    を含む、二工程転相法により固化すること
    を含む、上記製造方法。
  2. 押出される混合物が、０．５重量％〜５０重量％の重合体材料、及び１重量％〜９５重量％の粒状材料を含み、残余が溶媒である、請求項１に記載の方法。
  3. 用いられる溶媒が、Ｎ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ε−カプロラクタム、又は４−ブチロラクトンから選択される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 重合体材料と粒状材料との混合物中の溶媒が、０．０１〜５０重量％の一種類以上の添加剤及び（又は）非溶媒により置き換えられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 添加剤が、オクタノール、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、及びグリセロールから選択される、請求項４に記載の方法。
  6. 繊維が、５〜９５重量％の重合体材料及び５〜９５重量％の粒状材料を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 繊維が、約６０〜９５重量％の粒状材料を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 外側媒体が、重合体のための溶媒と非溶媒との液体混合物である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 外側媒体が、重合体のための非溶媒を含むガス流である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  10. 非溶媒が水又は水蒸気である、請求項８又は９に記載の方法。
  11. 三層紡糸口金を用いる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 重合体材料が、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエチレン−ｃｏ−ビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、及び酢酸セルロースから選択される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 多孔質マトリックス中の粒状材料が、後の官能性化によりその機能が変化されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 粒状材料が、吸着性粒状材料である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. 吸着性粒状材料が、イオン交換樹脂である、請求項１４に記載の方法。
  16. 吸着性粒状材料が、性質が疎水性である、請求項１５に記載の方法。
  17. 粒状材料が、粒径による排除のために用いられる、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
  18. 粒状材料が、異性体化合物を分離するために用いられる、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 粒状材料が、光学活性化合物を分離するために用いられる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 粒状材料が、逆相クロマトグラフィーで用いられる、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
  21. 粒状材料が、触媒又は生体触媒で官能性化されているか、又は後で官能性化されている、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法。
  22. 粒状材料が活性炭である、請求項１〜２１のいずれか１項に記載の方法。
  23. 機械的補強のため、どのような材料の糸、ワイヤー、ヤーン等でも繊維と一緒に押出される、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
  24. 更に、熱処理を含む、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
  25. 重合体マトリックスで、そのマトリックス中に粒状材料が取り込まれている重合体マトリックスの気孔率を、請求項１に記載の方法で、粒状材料の大きさを変えることにより調節する方法。
  26. 重合体マトリックスで、そのマトリックス中に粒状材料が取り込まれている重合体マトリックスの気孔率を、請求項１に記載の方法で、粒状材料の含有量を変えることにより調節する方法。
  27. 重合体マトリックスで、そのマトリックス中に粒状材料が取り込まれている重合体マトリックスの気孔率を、請求項１に記載の方法で、粒状材料の官能性を変えることにより調節する方法。
  28. 請求項１〜２７のいずれか１項に記載の方法により得られる繊維。
  29. 請求項２８に記載の繊維を含むモジュールで、筐体の内部に詰め込まれた渦巻き状に巻いた繊維マット、筐体の内部に長手方向に詰め込まれた繊維束、筐体の中に横切る方向に入れられた繊維形状物、筐体の内部に平行又は交差する仕方でスプールとして巻かれた繊維、又は筐体の内部に他の秩序良く又は無秩序に詰め込まれた繊維形状物を含む、上記モジュール。
  30. 請求項２８に記載の方法により、場合により微粉砕形状になっている、繊維を含む物体。
  31. 化合物の混合物、反応混合物、特に、発酵ブロス、組織ブロス、植物ブロス、又は一般に細胞ブロスから化合物を吸着及び（又は）精製するための、請求項２８に記載の繊維、又は請求項２９に記載のモジュール、又は請求項３０に記載の物体の使用。
  32. 反応混合物中の触媒を固定化するための、請求項２８に記載の繊維、又は請求項２９に記載のモジュール、又は請求項３０に記載の物体の使用。
  33. 化学的又は生物学的化合物を固定化するための、請求項２８に記載の繊維、又は請求項２９に記載のモジュール、又は請求項３０に記載の物体の使用。
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