JP6748053B2 - Electrospun nanofiber hybrid felt - Google Patents
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Description
本発明は、概して、生物学的及び化学的分離並びに他の用途で使用するための組成物に関する。さらに詳細には、本発明は、高透過度及び高容量を有する電界紡糸ナノファイバーから製作されたハイブリッドフェルトに関する。 The present invention relates generally to compositions for use in biological and chemical separations and other applications. More specifically, the present invention relates to hybrid felts made from electrospun nanofibers having high permeability and high capacity.
マイクロファイバー及びナノファイバーの膜又は「フェルト」は、生物学的用途と工業用途の両方で様々に使用される。例えば、フェルトは、テキスタイルによる強化、防護衣、触媒媒体、農業用途、環境、医療及び軍事監視用のセンサー、バイオ医療用途(例えば、バイオ分離、組織工学及び創傷被覆材)、電子用途(例えば、コンデンサ、トランジスタ及びダイオード)、並びに宇宙用途(例えば、ソーラーセイル及びスペースミラー用支持構造)を提供するのに有用である。マイクロファイバー及びナノファイバーフェルトは、タンパク質、核酸、炭水化物、細菌、ウイルス、細胞等の生物由来物質を精製するのに特に好都合である。これらは、液状流体もガス状流体も流体の用途すべてにおいて有用である。 Microfiber and nanofiber membranes or "felts" have a variety of uses in both biological and industrial applications. For example, felts are textile reinforcements, protective clothing, catalytic media, agricultural applications, environmental, sensors for medical and military surveillance, biomedical applications (e.g. bioseparation, tissue engineering and wound dressings), electronic applications (e.g. Capacitors, transistors and diodes), and space applications (eg, support structures for solar sails and space mirrors). Microfibers and nanofiber felts are particularly convenient for purifying biological materials such as proteins, nucleic acids, carbohydrates, bacteria, viruses, cells and the like. They are useful in all liquid and gaseous fluid applications.
バイオ医薬品治療薬産業は、販売を認可されるバイオ医薬品がますます増加するにつれて拡大している。さらに、生物学に基づいた診断ツールを広範囲に使用して、様々な病態のハイスループットな高感度診断検査が行われる。治療薬についても診断薬についても、生物由来物質(例えば、組換えタンパク質、モノクローナル抗体、ウイルスワクチン及び核酸)を効率的に生成及び精製し、使用しなければならない。 The biopharmaceutical therapeutics industry is expanding as more and more biopharmaceuticals are approved for sale. Furthermore, a wide range of biologically-based diagnostic tools are used to perform high-throughput, highly sensitive diagnostic tests of various pathologies. Biological substances (eg, recombinant proteins, monoclonal antibodies, viral vaccines and nucleic acids) must be efficiently produced, purified and used for both therapeutic and diagnostic agents.
従来精製方法としては、例えば、吸着/クロマトグラフィー、限外濾過、及び沈殿/結晶化のために充填されたミクロビーズを使用して、所望の生物由来物質を副生成物及び他の夾雑物から分離する方法が挙げられる。これらの従来分離方法では、生物学的用途に適した結果が得られるが、収率、処理時間及び純度の点から限界がある。これらの限界は、主に比較的大きい生体分子の拡散速度が遅く、それによって、精製される物質(すなわち、「標的物質」)が分離マトリクスの奥深くに存在する利用可能な結合部位に到達する能力が制限されるためである。さらに、これらの系は限定されたサイクル数でしか使用することができず、なかには一度しか使用することができないものもある。 Conventional purification methods include, for example, packed microbeads for adsorption/chromatography, ultrafiltration, and precipitation/crystallization to extract the desired biological material from by-products and other contaminants. The method of separating is mentioned. Although these conventional separation methods provide results suitable for biological applications, they are limited in terms of yield, processing time and purity. These limits are primarily due to the slow diffusion rate of relatively large biomolecules, which allows the substance to be purified (ie, the “target substance”) to reach available binding sites deep within the separation matrix. Is limited. Furthermore, these systems can only be used for a limited number of cycles, some of which can only be used once.
イオン交換(IE)及び疎水相互作用(HI)吸着/クロマトグラフィーは、生物由来物質の分離に広く使用されている、より確固とした従来分離技術の2例である。これらは、一般的に特異的親和性に基づいた分離技術、例えば抗体に基づいた分離より全体的にみて効率が低いが、分離条件が慎重に選択された場合、多くの標的物質を望ましくない副生成物及び不純物から精製するのにやはり有用である。 Ion exchange (IE) and hydrophobic interaction (HI) adsorption/chromatography are two examples of more robust conventional separation techniques that are widely used for separating biological materials. These are generally less efficient than specific affinity-based separation techniques, such as antibody-based separations, but when the separation conditions are carefully selected, many target substances can be undesired. It is also useful for purifying products and impurities.
親和性に基づいた吸着/クロマトグラフィーはIE及びHIより効率的なことがあるが、生物学的リガンド、例えばモノクローナル抗体及び核酸の生成及び精製が複雑であるため、一般的に製造するのが困難でかつ高価である。そのようなリガンドは環境条件(例えば、温度、pH、イオン強度等)に非常に高い感受性を示すことも多く、容易に劣化する恐れがあり、したがって吸着に必要とされる親和性相互作用が破壊される。さらに、結合相互作用を崩壊するには、生物活性、したがって標的物質の有用性及び/又は精製媒体の再使用可能性を低減させる恐れがある苛酷な条件を用いなければ困難な場合もある。 Affinity-based adsorption/chromatography can be more efficient than IE and HI, but is generally difficult to manufacture due to the complex production and purification of biological ligands such as monoclonal antibodies and nucleic acids It is expensive. Such ligands are often very sensitive to environmental conditions (e.g. temperature, pH, ionic strength, etc.) and can easily degrade, thus destroying the affinity interactions required for adsorption. To be done. Furthermore, disrupting binding interactions can be difficult without harsh conditions that can reduce biological activity and thus the utility of the target substance and/or reusability of the purification medium.
生物由来物質を精製するのに有用である膜が記載されている(例えば、Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources, Shang-Tian Yang, Ed., Chapter 7を参照のこと)。最近では、制御厚さを有するマット(すなわち、「ナノファイバーフェルト」)に構築されたナノメートル径のファイバーを使用する膜吸着/クロマトグラフィーは、バイオ分離における使用がかなり有望である(Todd J. Menkhaus, et al., "Chapter 3: Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations", in Handbook of Membrane Research, Stephan V. Gorley, Ed.)。そのようなナノファイバーフェルトはマイクロファイバーフェルトよりも、孔径、親和性特性並びに他の性能基準を厳密に制御することができるので優れている。 Membranes that are useful for purifying biological materials have been described (see, eg, Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources, Shang-Tian Yang, Ed., Chapter 7). Recently, membrane adsorption/chromatography using nanometer-sized fibers built into mats with controlled thickness (i.e., ``nanofiber felts'') holds considerable promise for use in bioseparations (Todd J. Menkhaus, et al., "Chapter 3: Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations " , in Handbook of Membrane Research, Stephan V. Gorley, Ed.). Such nanofiber felts are superior to microfiber felts because they allow tighter control of pore size, affinity properties, and other performance criteria.
先に記載された単一成分ナノファイバーフェルトは有望な結果を提供してきたが、フェルトの安定性並びに材料及び時間要件の点から望ましいはずのものより効率的でないことが多い。これは、標的物質が精製する出発材料中に低濃度でしか存在しておらず、夾雑物及び/又は合成の副生成物が豊富である場合に特に当てはまる。したがって、フェルトの安定性及び生物学的生成物の精製効率を改善する必要がある。以下に開示する実施形態によって、その必要性が満たされる。 While the single-component nanofiber felts described above have provided promising results, they are often less efficient than would be desirable in terms of felt stability and material and time requirements. This is especially true when the target substance is only present in low concentrations in the starting material to be purified and is rich in contaminants and/or synthetic by-products. Therefore, there is a need to improve felt stability and purification efficiency of biological products. The needs disclosed are met by the embodiments disclosed below.
以下の簡略化した概要によって、請求項に記載された主題のいくつかの態様が基本的に理解される。この概要は包括的な概説ではなく、主要な/重要な要素の特定を意図するものでも又はクレームに記載された主題の範囲の叙述を意図するものでもない。その目的は、いくつかの概念を簡略化した形態で以下に示されるさらに詳細な説明の序文として呈示することである。 The following brief summary provides a basic understanding of some aspects of the claimed subject matter. This summary is not an extensive overview and is not intended to identify key/critical elements or delineate the scope of the claimed subject matter. Its purpose is to present some concepts in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented below.
一実施形態において、本発明は、複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーから形成された電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトである。複合ナノファイバーは誘導体化セルロースと第1の非セルロース系ポリマーの混合物から電界紡糸することができ、単一成分ナノファイバーは第1の非セルロース系ポリマーと同じでも異なってもよい第2の非セルロース系ポリマーから電界紡糸することができる。通常、第1及び第2の非セルロース系ポリマーはナノファイバーフェルトから差次的に除去可能(differentially removable)である。これは、非セルロース系ポリマーの一方がもう一方より大幅に（例えば、除去可能性における差が10%以上、例えば20%又は50%）除去される（溶媒若しくは熱あるいは溶媒と熱との組合せを使用する）条件が存在することを意味する。 In one embodiment, the present invention is an electrospun hybrid nanofiber felt formed from composite nanofibers and single component nanofibers. The composite nanofibers can be electrospun from a mixture of derivatized cellulose and a first non-cellulosic polymer, and the single component nanofibers can be the same as or different from the first non-cellulosic polymer. It can be electrospun from a polymer. Generally, the first and second non-cellulosic polymers are differentially removable from the nanofiber felt. This means that one of the non-cellulosic polymers is significantly (e.g. a difference in removability of 10% or more, e.g. 20% or 50%) removed from the other (solvent or heat or a combination of solvent and heat). (To be used) means that the condition exists.
複合ナノファイバー中の誘導体化セルロースはセルロースの有機エステル、セルロースの無機エステル又はアルキルセルロースとすることができる。セルロースの有機エステルは酢酸セルロース、三酢酸セルロース又はプロピオン酸セルロース(cellulose proprionate)とすることができる。 The derivatized cellulose in the composite nanofibers can be an organic ester of cellulose, an inorganic ester of cellulose or an alkyl cellulose. The organic ester of cellulose can be cellulose acetate, cellulose triacetate or cellulose proprionate.
誘導体化セルロースは、無機エステルである場合、硝酸セルロース及び硫酸セルロースとすることができ、アルキルセルロースである場合、ヒドロキシエチルセルロース又はカルボキシメチルセルロースとすることができる。 The derivatized cellulose can be cellulose nitrate and cellulose sulfate when it is an inorganic ester, and can be hydroxyethyl cellulose or carboxymethyl cellulose when it is an alkyl cellulose.
第1の非セルロース系ポリマーは、ビニルポリマー、ポリエーテル、アクリルポリマー、ポリエステル、ポリカーボナート、ポリウレタン、多糖(例えば、デンプン又はキチン)、ポリアミド(例えば、タンパク質又はゼラチン)、ポリラクチド、ポリグリコリド又はそれらのコポリマー等の合成又は天然ポリマーとすることができる。 The first non-cellulosic polymer is a vinyl polymer, polyether, acrylic polymer, polyester, polycarbonate, polyurethane, polysaccharide (e.g. starch or chitin), polyamide (e.g. protein or gelatin), polylactide, polyglycolide or their. It can be a synthetic or natural polymer such as a copolymer.
一実施形態において、単一成分ナノファイバーを形成する第2の非セルロース系ポリマーは、ビニルポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル又はそれらのコポリマー等の合成ポリマーである。 In one embodiment, the second non-cellulosic polymer forming the single component nanofiber is a synthetic polymer such as vinyl polymer, polyamide, polyimide, polyester or copolymers thereof.
別の実施形態において、本発明は、上記のナノファイバーフェルトを作製する電界紡糸方法であって、以下のステップで記載することができる方法である。a)複合ポリマースピンドープ及び単一成分ポリマースピンドープを別々に調製するステップ、b)スピンドープを異なる2つの紡糸口金に入れるステップ、c)各スピンドープに電極を用いて電圧をかけるステップ、d)紡糸口金からの複合及び単一成分ナノファイバーを別々に電界紡糸するステップ、及びe)固化したナノファイバーをランダムに重ね合わせた又は部分的に整列させたナノファイバーフェルトとして収集するステップ。 In another embodiment, the invention is an electrospinning method of making the above nanofiber felt, which method can be described in the following steps. a) preparing the composite polymer spin dope and the single-component polymer spin dope separately, b) putting the spin dope into two different spinnerets, c) applying a voltage to each spin dope with an electrode, d) spinning Separately electrospinning composite and single component nanofibers from a spinneret, and e) collecting the solidified nanofibers as randomly superposed or partially aligned nanofiber felts.
形成したままのナノファイバーフェルトは、複合ナノファイバー中の誘導体化セルロースを再生する(すなわち、変換してセルロースに戻す)ことによってさらに処理することができる。ナノファイバーフェルトを作製する方法は、複合ナノファイバーから非セルロース系第1のポリマーの一部又は全部を除去する追加のステップを含むこともある。別法として又はこれらのステップに加えて、ナノファイバーフェルトを作製する方法は、ナノファイバーフェルト中のポリマーナノファイバーの1つ以上を表面官能基化するステップを含むこともある。そのような表面官能基化は、流体から精製される特定の標的分子への特異的親和性を有する親和性リガンドの結合を伴うことがある。 The as-formed nanofiber felt can be further processed by regenerating (ie, converting and converting back to cellulose) the derivatized cellulose in the composite nanofibers. The method of making the nanofiber felt may include the additional step of removing some or all of the non-cellulosic first polymer from the composite nanofibers. Alternatively or in addition to these steps, the method of making the nanofiber felt may include surface functionalizing one or more of the polymeric nanofibers in the nanofiber felt. Such surface functionalization may involve the binding of an affinity ligand with a specific affinity for a particular target molecule that is purified from the fluid.
もう1つの実施形態において、本発明は、生体分子を流体から精製する方法であって、以下のステップで記載することができる方法である。上に記載した方法に従ってナノファイバーフェルトを調製するステップ、b)その流体をナノファイバーフェルトに流すステップ、及び生体分子をナノファイバーフェルトから回収するステップ。 In another embodiment, the invention is a method of purifying a biomolecule from a fluid, which method can be described in the following steps. Preparing nanofiber felt according to the method described above, b) flowing the fluid through the nanofiber felt, and recovering biomolecules from the nanofiber felt.
本発明の他の態様は、本明細書の他の箇所で見られる。 Other aspects of the invention can be found elsewhere in the specification.
本発明は全体として、例えば化学的及び生物学的分離に使用される、電界紡糸ナノファイバーから構成されたハイブリッドフェルトに関する。ハイブリッドナノファイバーフェルトは高い分離能を有し、複数のサイクルにわたって高流量及び高圧下で再現性を与える。そのようなナノファイバーフェルトは、複雑で相互に連結した三次元多孔質構造及び比較的大きな表面積を示す。 The present invention relates generally to hybrid felts composed of electrospun nanofibers used, for example, in chemical and biological separations. The hybrid nanofiber felt has high resolution and provides reproducibility under high flow and pressure over multiple cycles. Such nanofiber felts exhibit a complex, interconnected three-dimensional porous structure and a relatively large surface area.
特に、ハイブリッドナノファイバーフェルトは1つを超えるポリマー型から構成される(すなわち、「ハイブリッド」フェルトである)。 In particular, hybrid nanofiber felts are composed of more than one polymer type (ie, “hybrid” felts).
本発明のフェルトは1つを超えるポリマー型から構成される(すなわち、「ハイブリッド」フェルトである)。これには、単一成分ナノファイバーと「複合」ナノファイバーとの組合せ(例えば、ナノファイバーは2つ以上の材料の混合物から作製される)から「ハイブリッド」フェルトに作製されたハイブリッドフェルトが含まれる。「複合」ナノファイバーについて、「主鎖ポリマー」は誘導体化セルロースであり、第1の非セルロース系ポリマーは、高温若しくは化学溶媒又は高温と化学溶媒の両方に曝露することによってファイバー/フェルトから除去することができる。いくつかの実施形態において、第1の非セルロース系ポリマーの除去は、同時に、誘導体化セルロースを変換してセルロースに戻す、すなわちセルロースが「再生される」。 The felt of the present invention is composed of more than one polymer type (ie, a "hybrid" felt). This includes hybrid felts made into a "hybrid" felt from a combination of single component nanofibers and "composite" nanofibers (eg, nanofibers made from a mixture of two or more materials). .. For "composite" nanofibers, the "backbone polymer" is the derivatized cellulose and the first non-cellulosic polymer is removed from the fiber/felt by exposure to high temperature or chemical solvent or both high temperature and chemical solvent. be able to. In some embodiments, removal of the first non-cellulosic polymer simultaneously converts the derivatized cellulose back to cellulose, ie, the cellulose is “regenerated”.
本発明のフェルト中のナノファイバーは電界紡糸技法を用いて製造される。これは、押出ポリマー「スピンドープ」を静電場に曝露することによって、押出ポリマー「ジェット」が伸ばされてナノファイバーになることに基づいたファイバーの製造を指している。 The nanofibers in the felt of the present invention are manufactured using electrospinning techniques. This refers to the production of fibers based on the extruded polymer "jet" being stretched into nanofibers by exposing the extruded polymer "spin dope" to an electrostatic field.
本発明の上記その他の例示的な態様を以下にさらに詳細に説明する。 These and other exemplary aspects of the invention are described in further detail below.
定義
以下の説明において、いくつかの用語が包括的に利用される。以下の非限定的な定義により、そのような用語が付与される例示的な範囲を含めて本明細書及び特許請求の範囲が明瞭にかつ矛盾なく理解される。
Definitions In the following description, several terms are used generically. The following non-limiting definitions provide a clear and consistent understanding of the specification and claims, including exemplary ranges where such terms are given.
「1つの(one)」、「1つの(a)」又は「1つの(an)」という用語は、本開示で使用される場合、別段の示唆のない限り「少なくとも1つの」又は「1つ以上の」を意味する。 The terms "one," "a," or "an" as used in this disclosure, unless otherwise indicated, are "at least one" or "one." Means more than.
本明細書では「発明」又は「本発明」という用語は限定を意図するものではなく、特定の発明のいずれか単一の実施形態を指すことを意図するものではないが、本明細書及び特許請求の範囲に記載される考え得る実施形態すべてを包含する。 As used herein, the term "invention" or "invention" is not intended to be limiting, and is not intended to refer to any single embodiment of a particular invention, although the specification and patents It includes all possible embodiments as claimed.
本明細書では「透過度(permeance)」という用語は、フェルトの単位厚さ当たり、単位圧力損失当たりのナノファイバーフェルトを通過する流体の流束を指している。透過度は500L/(分・m2・105Pa)を超えると「高い」と考えられる。 As used herein, the term "permeance" refers to the flux of fluid through a nanofiber felt per unit thickness of felt and per unit pressure drop. It is considered to be “high” when the transmittance exceeds 500 L/(min·m 2 ·10 5 Pa).
「流束」という用語は、単位時間当たり、流れに曝露される面の単位面積当たりのナノファイバーフェルトを通過する流体の流速を指している。 The term "flux" refers to the flow rate of fluid through a nanofiber felt per unit time per unit area of surface exposed to the flow.
本明細書では「能(capacity)」という用語は、単位吸着剤当たりの結合している生成物の量を指している。タンパク質吸着能はタンパク質100mg/吸着剤1gを超えると「高い」と考えられる。 As used herein, the term "capacity" refers to the amount of bound product per unit adsorbent. The protein adsorption capacity is considered to be “high” when the protein content exceeds 100 mg/adsorbent 1 g.
本明細書では「膜」、「フェルト」及び「マット」という用語は同義的に使用可能であり、ファイバーの不織の又はランダムに重ね合わせた集合体を指している。 The terms "membrane", "felt" and "matt" are used interchangeably herein and refer to a non-woven or randomly superposed assembly of fibers.
本明細書では「ナノファイバーフェルト」という用語は、実質的に平面状に配置されたナノファイバーの集合体を指しているが、強度、流束の向上等のために添加されたマイクロファイバーを含むこともある。 As used herein, the term "nanofiber felt" refers to an aggregate of nanofibers arranged in a substantially planar manner, but includes microfibers added to improve strength, flux, etc. Sometimes.
本明細書では「マイクロファイバー」という用語は、1.0マイクロメートル超の直径、一般的には1.0マイクロメートル以上1.0ミリメートル以下の直径を有するファイバーを指している。 As used herein, the term "microfiber" refers to a fiber having a diameter of greater than 1.0 micrometer, typically 1.0 micrometer and less than 1.0 millimeter.
本明細書では「ナノファイバー」という用語は、1.0マイクロメートル未満の直径、一般的には10ナノメートル以上1.0マイクロメートル以下、例えば200nm以上600nm以下の直径を有するファイバーを指している。 As used herein, the term "nanofiber" refers to a fiber having a diameter of less than 1.0 micrometer, generally greater than or equal to 10 nanometers and less than or equal to 1.0 micrometer, such as 200 nm to 600 nm.
本明細書では「ハイブリッドナノファイバーフェルト」という用語は、単一成分ファイバー又は複合ファイバーと少なくとも1つの他の単一成分ファイバー又は少なくとも1つの他の複合ファイバーとを組み合わせた少なくとも2つのタイプのポリマーからなるファイバーの不織の又はランダムに重ね合わせた集合体を指している。 As used herein, the term "hybrid nanofiber felt" comprises at least two types of polymers that combine a single component fiber or composite fiber with at least one other single component fiber or at least one other composite fiber. Refers to a non-woven or randomly superposed assembly of fibers.
本明細書では「単一成分ナノファイバー」という用語は、単一ポリマーから生成されたナノファイバーを指している。 As used herein, the term “single-component nanofiber” refers to nanofibers made from a single polymer.
本明細書では「単一成分ナノファイバーフェルト」という用語は、多くの単一成分ナノファイバーを集積してファイバーの不織の又はランダムに重ね合わせた集合体にしたものを指している。 As used herein, the term "single-component nanofiber felt" refers to an assembly of many single-component nanofibers into a non-woven or randomly superposed assembly of fibers.
本明細書では「複合ナノファイバー」という用語は、少なくとも2つの異なるポリマーから生成されたナノファイバーである。 As used herein, the term "composite nanofiber" is a nanofiber made from at least two different polymers.
本明細書では「穏やかに上昇させた温度」という用語は、24℃以上110℃以下の温度を指している。 As used herein, the term "moderately elevated temperature" refers to temperatures above 24°C and below 110°C.
本明細書では「差次的に除去可能な(differentially removable)」という用語は、ハイブリッドナノファイバーフェルトが少なくとも2つの非セルロース系ポリマーからなる場合、非セルロース系ポリマーの一方がもう一方の非セルロース系ポリマーより大幅に(少なくとも10%の差、最大で100%対0%)除去されるように条件(高温及び/又は溶媒への曝露)を選択できることを意味する。 As used herein, the term “differentially removable” refers to when the hybrid nanofiber felt is composed of at least two non-cellulosic polymers, one non-cellulosic polymer is the other non-cellulosic polymer. This means that the conditions (high temperature and/or exposure to solvent) can be chosen to be removed significantly (at least 10% difference, up to 100% vs. 0%) over the polymer.
本明細書では「溶媒」という用語は、ナノファイバーフェルトの1つ以上の成分を溶解することができる、任意の単一成分の液体又は液体の混合物を指している。 As used herein, the term “solvent” refers to any single component liquid or mixture of liquids that is capable of dissolving one or more components of the nanofiber felt.
本明細書では「スピンドープ」という用語は、電界紡糸プロセスで使用されるポリマー溶液を指している。 As used herein, the term "spin dope" refers to polymer solutions used in electrospinning processes.
本明細書では「電界紡糸」という用語は、電気力(electric forces)をスピンドープに印加して、ナノファイバーを形成することを指している。 As used herein, the term "electrospinning" refers to the application of electric forces to spin dopes to form nanofibers.
本明細書では「熱的に安定な」という用語は、ポリマーが50〜110℃の温度範囲で崩壊しないことを意味する。 As used herein, the term "thermally stable" means that the polymer does not collapse in the temperature range of 50-110°C.
本明細書では「化学的に安定な」という用語は、ポリマーが水又はよく用いられる有機溶媒(例えば、アルコール及び炭化水素)及びそれらの混合物等の溶媒に可溶でないことを意味する。 As used herein, the term "chemically stable" means that the polymer is not soluble in solvents such as water or commonly used organic solvents (eg alcohols and hydrocarbons) and mixtures thereof.
誘導体化セルロース
セルロースは植物及び藻類の細胞壁に見られる構造成分である。また、いくつかの細菌によって分泌されるものでもある。したがって、セルロースは地球上で最も豊富な有機化合物である。セルロースは、β(1-4)グリコシド結合を介して直鎖ポリマーに結合しているD-グルコース単位に由来する。生物学的用途及び工業用途では、セルロースは植物、木材パルプ又は綿から精製され、紙、セロファン、レーヨン、バイオ燃料等多くの有用な物質に変換される。セルロースの有用性はその物理的性質に大いに起因し得る。セルロースは無臭、親水性、比較的不溶性であり、非特異的結合性が非常に低く、生分解性である。
Derivatized Cellulose Cellulose is a structural component found in the cell walls of plants and algae. It is also secreted by some bacteria. Therefore, cellulose is the most abundant organic compound on earth. Cellulose is derived from D-glucose units linked to a linear polymer via β(1-4) glycosidic bonds. In biological and industrial applications, cellulose is refined from plants, wood pulp or cotton and converted into many useful substances such as paper, cellophane, rayon, biofuels and the like. The usefulness of cellulose can be largely attributed to its physical properties. Cellulose is odorless, hydrophilic, relatively insoluble, has very low non-specific binding and is biodegradable.
セルロース系分離媒体には多くの利点があるが、残念なことに強酸及び塩基中において化学的に不安定である(すなわち、分解する)。さらに、セルロースの溶解には、N-メチルモルホリン-N-オキシド(NMMO)と水又は塩化リチウムとN,N-ジメチルアセトアミド等の特殊な溶媒混合物の使用が必要である。これによって、セルロース系媒体の使用が、FDAによって求められる厳しい清浄規制を満たすためにバイオ医薬品産業において必要とされることが多い苛酷な再生条件を必要としない操作に限定される。 Although cellulosic separation media have many advantages, unfortunately they are chemically unstable (ie, decompose) in strong acids and bases. Furthermore, the dissolution of cellulose requires the use of a special solvent mixture such as N-methylmorpholine-N-oxide (NMMO) and water or lithium chloride and N,N-dimethylacetamide. This limits the use of cellulosic media to operations that do not require the harsh regeneration conditions often required in the biopharmaceutical industry to meet the stringent cleaning regulations required by the FDA.
セルロースファイバーを湿式紡糸によって従来通りに生成し、予めセルロースの誘導体を含む。というのは、セルロースを溶液又は溶融物から直接電界紡糸することは非常に困難であるからである。セルロースナノファイバーを調製するために、酢酸セルロース等のセルロース誘導体を電界紡糸するために様々な研究努力がささげられてきた。セルロースとは異なり、酢酸セルロースはアセトン等の多くのよく用いられる溶媒に可溶である。酢酸セルロースを電界紡糸してナノファイバーにすることができ、ナノファイバーを加水分解/脱アセチル化の紡糸後処理にかけることによって再生セルロースナノファイバーを生成することができる。 Cellulose fibers are conventionally produced by wet spinning and pre-comprising a derivative of cellulose. This is because it is very difficult to electrospin cellulose directly from a solution or melt. Various research efforts have been devoted to electrospin cellulose derivatives such as cellulose acetate to prepare cellulose nanofibers. Unlike cellulose, cellulose acetate is soluble in many commonly used solvents such as acetone. Cellulose acetate can be electrospun into nanofibers and regenerated cellulose nanofibers can be produced by subjecting the nanofibers to a post-spinning treatment of hydrolysis/deacetylation.
したがって、本発明の実施において、ハイブリッドナノファイバーフェルト中のポリマーの1つは誘導体化セルロースである。セルロースは、個々のグルコース単位の-OH基をより高い又は低い反応性、様々な電荷等を有する他の部分に変換する周知の方法を用いて容易に誘導体化することができる。そのような誘導体化セルロース種は溶媒に曝露された場合に向上した安定性を示し、また他の望ましい物理的性質を示す。多くのセルロース誘導体は市販品として容易に入手することができる。例示的な誘導体化セルロース種としては、例えば有機エステル(酢酸セルロース、三酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、酢酸酪酸セルロース)、無機エステル(硝酸セルロース、硫酸セルロース)、及びアルキルセルロース(ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース)が挙げられる。 Therefore, in the practice of the present invention, one of the polymers in the hybrid nanofiber felt is derivatized cellulose. Cellulose can be readily derivatized using well known methods that convert the -OH groups of individual glucose units into other moieties with higher or lower reactivity, different charges, and the like. Such derivatized cellulosic species exhibit improved stability when exposed to solvents and also exhibit other desirable physical properties. Many cellulose derivatives are easily available as commercial products. Exemplary derivatized cellulose species include, for example, organic esters (cellulose acetate, cellulose triacetate, cellulose propionate, cellulose acetate propionate, cellulose acetate butyrate), inorganic esters (cellulose nitrate, cellulose sulfate), and alkyl cellulose (hydroxyl. Ethyl cellulose, carboxymethyl cellulose).
本発明のハイブリッドナノファイバーフェルトは、通常、誘導体化セルロースが質量で過半数(すなわち、51%以上)、例えば60%超又は70%超を占める。 The hybrid nanofiber felts of the present invention will typically have a majority (ie, 51% or more) by weight of derivatized cellulose, eg, greater than 60% or greater than 70%.
非セルロース系ポリマー
ハイブリッドナノファイバーフェルト中の質量で過半数が誘導体化セルロースであるが、追加の型のファイバーをフェルト内に組み込むと、フェルトの用途に必要とされる官能性(functionality)が付与される。したがって、フェルト内に追加のファイバーを有することは、機械的強度の増加をフェルトに付与し、複数の官能性をフェルトに組み込むことが可能になり、安定性及び本明細書の他の箇所で説明する他の態様を製造方法に提供することができるので望ましい。実際に、予想外なことに、ハイブリッドナノファイバーフェルト中に非セルロース系ポリマーがごく一部でさえ含まれていると、電界紡糸プロセスが改善され、また特にハイブリッドナノファイバーフェルトが複合ナノファイバーと単一成分ナノファイバーの両方からなる場合には、仕上げ製品を種々の生物学的用途及び工業用途に適合させることが可能になることも本発明者らによって発見された。
Non-cellulosic polymers Hybrid nanofibers Although the majority of the mass in derivatized cellulose is derivatized cellulose, the incorporation of additional types of fibers into the felt imparts the functionality required for the felt application. .. Thus, having an additional fiber in the felt imparts increased mechanical strength to the felt, allowing multiple functionalities to be incorporated into the felt, stability and described elsewhere in this specification. It is desirable that another aspect of the present invention can be provided to the manufacturing method. In fact, unexpectedly, the inclusion of even a small fraction of non-cellulosic polymers in hybrid nanofiber felts improved the electrospinning process, and in particular hybrid nanofiber felts were found to be composite nanofibers and single nanofibers. It has also been discovered by the inventors that the finished product can be adapted to various biological and industrial applications if it consists of both one-component nanofibers.
合成ポリマーナノファイバー(例えば、ビニルポリマー及びアクリルポリマーから生成されたもの)は、バイオ分離及び他の用途向けの広範囲の化学官能性(chemical functionality)を提示する。異なるポリマー単位を組み合わせることによって、得られるファイバーの界面化学を電界紡糸プロセスの一部分として制御することができ、生成されたナノファイバーに官能性が直接付与される。代替として、また従来のマイクロメートルスケールのファイバーと同様に、ポリマーナノファイバーの表面官能性を、(以下に述べる)様々なバイオ分離用途のための特定の官能性要件に合うようにするように電界紡糸後に化学修飾することができる。官能基化(functionalization)の化学的性質はポリマー技術において周知である。それらはまた、一般的にバイオプロセスに伴う苛酷な清浄管理に耐える。例示的な官能基化の化学的性質(functionalization chemistries)も本明細書の他の箇所でさらに詳細に述べる。 Synthetic polymeric nanofibers (such as those produced from vinyl and acrylic polymers) offer a wide range of chemical functionality for bioseparation and other applications. By combining different polymer units, the interfacial chemistry of the resulting fiber can be controlled as part of the electrospinning process, directly imparting functionality to the nanofibers produced. Alternatively, and similar to conventional micrometer-scale fibers, the electric field to tailor the surface functionality of polymer nanofibers to specific functionality requirements for various bioseparation applications (discussed below). It can be chemically modified after spinning. Functionalization chemistries are well known in the polymer arts. They also withstand the rigorous cleaning controls typically associated with bioprocesses. Exemplary functionalization chemistries are also described in further detail elsewhere in this specification.
合成の炭素系吸着媒体及び濾過膜はセルロース系媒体よりはるかに化学的堅牢性であることが多く、したがって分離媒体を使用後から次に使用するまでの間に清浄するのに強酸及び塩基が必要とされる場合に使用することができる。さらに、セルロース系ポリマーと非セルロース系ポリマー(例えば、ポリアクリロニトリルとポリビニルアルコール)の両方を含むハイブリッドナノファイバーは、単一成分セルロース又は単一成分合成ポリマーナノファイバーと比較するとはるかに大きい比表面積及び高い機械的強度を示す。したがって、複合ナノファイバーがセルロースと非セルロース系ポリマーを両方含む場合、観察可能な相乗作用がある。 Synthetic carbon-based adsorption media and filtration membranes are often much more chemically robust than cellulosic media, thus requiring strong acids and bases to clean the separation media between uses. It can be used when Moreover, hybrid nanofibers containing both cellulosic and non-cellulosic polymers (e.g., polyacrylonitrile and polyvinyl alcohol) have much higher specific surface area and higher surface area compared to single component cellulose or single component synthetic polymer nanofibers. Indicates mechanical strength. Therefore, there is an observable synergism when the composite nanofibers contain both cellulose and non-cellulosic polymers.
(1)ビニルポリマー、アクリルポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル及びポリカーボナート等の熱可塑性ホモポリマー、(2)ビニル-co-ビニルポリマー、アクリル-co-アクリルコポリマー及びビニル-coアクリルポリマー等の熱可塑性コポリマー、(3)トリブロックコポリマーエラストマー、ポリウレタンエラストマー及びエチレン-プロピレン-ジエン-エラストマー等の弾性ポリマー、(4)ポリイミドや芳香族ポリアミド等の高性能ポリマー、(5)ポリ(p-フェニレンテレフタルアミド)やポリアラミド等の液晶ポリマー、(6)ポリエチレンテレフタラートやポリアクリロニトリル等のテキスタイルポリマー、(7)ポリアニリン等の導電性ポリマー、並びに(8)ポリカプロラクトン、ポリラクチド、キトサン及びポリグリコリドのような生体適合性ポリマー(すなわち「バイオポリマー」)を含めて、多くのポリマーを電界紡糸してナノファイバーにすることに成功した。以上に記載のように、ポリマーは上記に列挙されたポリマー種の2つ以上によるコポリマーとすることもできる。 (1) Thermoplastic homopolymers such as vinyl polymers, acrylic polymers, polyamides, polyesters, polyethers and polycarbonates, (2) heats such as vinyl-co-vinyl polymers, acrylic-co-acrylic copolymers and vinyl-coacrylic polymers. Plastic copolymers, (3) triblock copolymer elastomers, polyurethane elastomers and elastic polymers such as ethylene-propylene-diene-elastomer, (4) high performance polymers such as polyimide and aromatic polyamide, (5) poly(p-phenylene terephthalamide) ) And polyaramids and other liquid crystal polymers, (6) polyethylene terephthalate and polyacrylonitrile and other textile polymers, (7) polyaniline and other conductive polymers, and (8) polycaprolactone, polylactide, chitosan and polyglycolide biocompatible materials. Many polymers have been successfully electrospun into nanofibers, including functional polymers (or "biopolymers"). As described above, the polymer can also be a copolymer of two or more of the polymer species listed above.
ハイブリッドナノファイバーフェルト中に添加することができる追加のポリマーの例は、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド、ポリアミド(ナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン6,10等)、ポリエステル(ポリエチレンテレフタラート等)、並びにそれらのコポリマーからの単一成分ナノファイバーとして電界紡糸される。 Examples of additional polymers that can be added to the hybrid nanofiber felt are polyacrylonitrile (PAN), polyimide, polyamide (nylon 6, nylon 6,6, nylon 6,10, etc.), polyester (polyethylene terephthalate, etc.). , As well as electrospun as single component nanofibers from their copolymers.
複合ナノファイバー
本発明の一実施形態において、ハイブリッドナノファイバーフェルトは複合ナノファイバーを含む。これは、ナノファイバーを単一成分の誘導体化セルロース溶液から作製するために使用される電界紡糸プロセスが不安定であり、低収率、低効率(長時間及び多くの中断)になり、ただ1つの化学官能性しかもたない低品質ナノファイバー(広いサイズ分布、脆弱等)を生じる可能性があることにも一部起因する。したがって、複数の官能性を有する大量の高品質ナノファイバーフェルトを効率的に作製するためには、セルロース誘導体と電界紡糸プロセスを安定化する非セルロース系ポリマーを組み合わせる必要もあり得る。
Composite Nanofibers In one embodiment of the invention, the hybrid nanofiber felt comprises composite nanofibers. This is because the electrospinning process used to make nanofibers from single component derivatized cellulose solutions is unstable, resulting in low yield, low efficiency (long time and many interruptions), and only 1 Partly due to the possibility of producing low quality nanofibers with only one chemical functionality (wide size distribution, brittleness etc.). Therefore, it may be necessary to combine a cellulose derivative with a non-cellulosic polymer that stabilizes the electrospinning process in order to efficiently make large quantities of high quality nanofiber felts with multiple functionalities.
本発明の複合ナノファイバーの非セルロース系ポリマーは、高温及び/又は溶媒に曝露することによってナノファイバーフェルトから除去可能な合成炭素系ポリマーからなることがある。ナノファイバーフェルトの溶媒の混合物又は高温と溶媒の組合せへの曝露は同時に又は順次行うことができる。電界紡糸プロセスにおいて非セルロース系ポリマーが存在すると、ナノファイバー安定性及び本明細書の他の箇所に説明される本方法の他の態様も向上する。 The non-cellulosic polymer of the composite nanofibers of the present invention may consist of a synthetic carbon-based polymer that is removable from the nanofiber felt by exposure to elevated temperatures and/or solvents. The exposure of the nanofiber felt to the mixture of solvents or the combination of elevated temperature and solvent can occur simultaneously or sequentially. The presence of non-cellulosic polymers in the electrospinning process also improves nanofiber stability and other aspects of the method described elsewhere herein.
合成ポリマーナノファイバー(例えば、ビニルポリマー及びアクリルポリマーから生成されたもの)は、バイオ分離用途向けの広範囲の化学官能性を提示する。異なるポリマー単位を組み合わせることによって、得られるファイバーの界面化学を電界紡糸プロセスの一部分として制御することができ、生成されたナノファイバーに官能性が直接付与される。代替として、また従来のマイクロメートルスケールのファイバーと同様に、ポリマーナノファイバーの表面官能性を、(以下に述べる)様々なバイオ分離用途のための特定の官能性要件に合うようにするように電界紡糸後に化学修飾することができる。合成ポリマーナノファイバーは驚異的な範囲の潜在的な官能基化の化学的性質を提示して、多種多様な使用に役立つ。そのような官能基化の化学的性質はポリマー技術において周知である。それらはまた、一般的にバイオプロセスに伴う苛酷な清浄管理に耐える。 Synthetic polymeric nanofibers, such as those made from vinyl and acrylic polymers, exhibit a wide range of chemical functionalities for bioseparation applications. By combining different polymer units, the interfacial chemistry of the resulting fiber can be controlled as part of the electrospinning process, directly imparting functionality to the nanofibers produced. Alternatively, and similar to conventional micrometer-scale fibers, the electric field to tailor the surface functionality of polymer nanofibers to specific functionality requirements for various bioseparation applications (discussed below). It can be chemically modified after spinning. Synthetic polymer nanofibers offer a surprising range of potential functionalization chemistries to serve a wide variety of uses. The chemistries of such functionalization are well known in the polymer arts. They also withstand the rigorous cleaning controls typically associated with bioprocesses.
(1)ビニルポリマー、アクリルポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル及びポリカーボナート等の熱可塑性ホモポリマー、(2)ビニル-co-ビニルポリマー、アクリル-co-アクリルコポリマー及びビニル-coアクリルポリマー等の熱可塑性コポリマー、(3)トリブロックコポリマーエラストマー、ポリウレタンエラストマー及びエチレン-プロピレン-ジエン-エラストマー等の弾性ポリマー、(4)ポリイミドや芳香族ポリアミド等の高性能ポリマー、(5)ポリ-p-フェニレンテレフタルアミドやポリアラミド等の液晶ポリマー、(6)ポリエチレンテレフタラートやポリアクリロニトリル等のテキスタイルポリマー、(7)ポリアニリン等の導電性ポリマー、並びに(8)ポリカプロラクトン、ポリラクチド及びポリグリコリドのような生体適合性ポリマーを含めて、多くのポリマーを電界紡糸してナノファイバーにすることに成功した。 (1) Thermoplastic homopolymers such as vinyl polymers, acrylic polymers, polyamides, polyesters, polyethers and polycarbonates, (2) heats such as vinyl-co-vinyl polymers, acrylic-co-acrylic copolymers and vinyl-coacrylic polymers. Plastic copolymers, (3) triblock copolymer elastomers, polyurethane elastomers and elastic polymers such as ethylene-propylene-diene-elastomer, (4) high performance polymers such as polyimides and aromatic polyamides, (5) poly-p-phenylene terephthalamide Liquid crystal polymers such as and polyaramid, (6) textile polymers such as polyethylene terephthalate and polyacrylonitrile, (7) conductive polymers such as polyaniline, and (8) biocompatible polymers such as polycaprolactone, polylactide and polyglycolide. Including, we succeeded in electrospinning many polymers into nanofibers.
複合ナノファイバーを作製するための例示的な非セルロース系ポリマーとしては、例えばポリエチレンオキシド、ポリ(ビニルピロリドン)、ポリ(酢酸ビニル)、ポリ(ビニルアルコール)、多糖(キチン、デンプン等)、ポリスチレン、及びポリ(メタクリル酸メチル)が挙げられる。 Exemplary non-cellulosic polymers for making composite nanofibers include, for example, polyethylene oxide, poly(vinylpyrrolidone), poly(vinyl acetate), poly(vinyl alcohol), polysaccharides (chitin, starch, etc.), polystyrene, And poly(methyl methacrylate).
非セルロース系ポリマーは、通常、複合ナノファイバー中に49質量%以下の量、例えば30質量%、25質量%等で存在している。 The non-cellulosic polymer is usually present in the composite nanofibers in an amount of 49% by mass or less, such as 30% by mass or 25% by mass.
電界紡糸
電界紡糸は、電気力(electric force)だけを利用して、紡糸プロセスを推進し、ポリマーファイバーを溶液又は溶融物から生成する技法である。直径がマイクロメートルの範囲(約5〜25μm)のファイバーを生成することができる従来の紡糸技法(例えば、溶液紡糸及び溶融紡糸)とは異なり、電界紡糸は直径がナノメートルの範囲のファイバーを生成することができる。電界紡糸ポリマーナノファイバーは、小さいファイバー径及び付随する大きい比表面積、高い高分子配向度及び得られる優れた機械的性質を含めて多くの驚くべき性質を有する。さらに、電界紡糸ポリマーナノファイバーで作製されたフェルトは、他の製作技法を使用して作製されたナノファイバーと比較すると制御された孔径を示す。合成方法で大部分が生成されたナノロッド、ナノチューブ及びナノワイヤとは異なり、電界紡糸ナノファイバーは「ナノ製造方法」によって生成され、それによって、応用品へ組み立てる及び処理するのが比較的容易な低コストナノファイバーになる。
Electrospinning Electrospinning is a technique that utilizes only electric forces to drive the spinning process and produce polymer fibers from a solution or melt. Unlike conventional spinning techniques (e.g., solution spinning and melt spinning) that can produce fibers in the micrometer diameter range (approximately 5-25 μm), electrospinning produces fibers in the nanometer diameter range. can do. Electrospun polymer nanofibers have many surprising properties, including small fiber diameter and associated large specific surface area, high degree of polymeric orientation and resulting excellent mechanical properties. Furthermore, felts made with electrospun polymer nanofibers show controlled pore size when compared to nanofibers made using other fabrication techniques. Unlike nanorods, nanotubes and nanowires, which are mostly produced by synthetic methods, electrospun nanofibers are produced by the “nano-manufacturing method”, which makes them relatively inexpensive to assemble and process into applications. Become a nanofiber.
一般に、ナノファイバーの形成は、電気力、表面張力及び粘弾性力を含む、電界紡糸プロセスに関与する主な3つの力の微妙で複雑なバランスである。これらの3つの力のうち、電気力は最大の表面積を有する生成物の形成を常に促進する。表面張力は最小の表面積を有する生成物の形成を常に促進する。粘弾性力は溶媒の蒸発によって大幅に変わる力であり、電界紡糸ジェット/フィラメントが小滴に破断するのを防止する主な理由である。電気力が優勢な場合、粘弾性力は電気力に反対に作用する。表面張力が優勢な場合、粘弾性力は表面張力に反対に作用する。 In general, the formation of nanofibers is a delicate and intricate balance of the three main forces involved in the electrospinning process, including electrical, surface tension and viscoelastic forces. Of these three forces, electric forces always promote the formation of products with the largest surface area. Surface tension always promotes the formation of products with minimal surface area. Viscoelastic force is a force that varies significantly with solvent evaporation and is the main reason to prevent electrospinning jets/filaments from breaking into droplets. When the electric force is predominant, the viscoelastic force opposes the electric force. When surface tension is dominant, viscoelastic forces counteract surface tension.
理論的には、最小のナノファイバーは2つの条件下で形成することができる。(1)電界紡糸ジェットによって運ばれる過剰の電荷密度が高い場合、及び(2)時間はジェット/フィラメントのキャピラリー破断を防止するのに十分に長く、粘弾性力はジェット/フィラメントのキャピラリー破断を防止するのに十分に高いが、電気力がジェットを効果的に延伸できるようにするのに十分に低い場合。条件(1)では、可溶な電解質をスピンドープに添加すること(例えば、NaCl等の強電解質をポリエチレンオキシド水溶液に添加すること)によって、ジェットによって運ばれる過剰の電荷密度が大幅に増加し、より小さい直径のナノファイバーが形成され得ることが見出された。しかし、この方法は、(a)流速の低下及びその結果として生じるナノファイバーの生産性の低下や(b)調製されたナノファイバーの電解質による汚染等のマイナス効果も生み出す。ナノファイバーの性質を犠牲にせずに、電解質を除去することは困難であり得る。 Theoretically, the smallest nanofibers can be formed under two conditions. (1) when the excess charge density carried by the electrospinning jet is high, and (2) the time is long enough to prevent jet/filament capillary rupture, and the viscoelastic force prevents jet/filament capillary rupture. High enough to do so, but the electrical force is low enough to effectively stretch the jet. In condition (1), adding a soluble electrolyte to the spin dope (for example, adding a strong electrolyte such as NaCl to an aqueous solution of polyethylene oxide) significantly increases the excess charge density carried by the jet, and It has been found that small diameter nanofibers can be formed. However, this method also produces negative effects such as (a) reduced flow rate and consequent reduction in nanofiber productivity, and (b) contamination of the prepared nanofibers with electrolytes. Removal of the electrolyte can be difficult without sacrificing the properties of the nanofibers.
条件(2)では、ジェット固化をさらに理解する必要がある。一般に、ジェット固化は溶媒の揮発性と密接に関連している。溶媒の揮発性が高すぎる場合、電界紡糸ジェット/フィラメントを効果的に延伸する時間は短い。したがって、比較的大きな直径のファイバーが得られる。溶媒の揮発性が低すぎる場合、電界紡糸ジェット/フィラメントは延伸によって小滴に破断する可能性がある。したがって、ビーズ及び/又はビーズ状ファイバーが得られる。 Condition (2) requires a further understanding of jet solidification. Generally, jet solidification is closely related to solvent volatility. If the solvent volatility is too high, the time to effectively draw the electrospun jet/filament is short. Thus, a relatively large diameter fiber is obtained. If the solvent volatility is too low, the electrospun jet/filament may break into droplets upon stretching. Therefore, beads and/or beaded fibers are obtained.
電界紡糸プロセスは一般的に3つのステップを含む。(1)電界紡糸ジェット/フィラメントの開始及びジェットの直線軌道に沿った伸張;(2)ジェットの曲げ不安定性の成長及びさらなる伸び(それによってジェットがループ状及びスパイラル状の経路をたどりながら非常に細長くなることができる);並びに(3)溶媒蒸発又は冷却によるジェットの固化(それによってナノファイバーが形成される)。図1は電界紡糸のプロセスを概略的に示す(Hao Fong, In Polymeric Nanostructures and Their Applications, Volume 2: Applications: Chapter 11, Electrospun Polymer, Ceramic, Carbon/Graphite Nanofibers and Their Applications, Hari S. Nalwa Editor, American Scientific Publishers, Los Angeles, CA (ISBN: 1-58883-070-5), 2007, pp. 451 -474. The electrospinning process generally involves three steps. (1) electrospun jet/filament initiation and extension along the jet's linear trajectory; (2) growth and further extension of the jet's bending instability, which causes the jet to follow loop-like and spiral-like paths. (Can be elongated); and (3) solidification of the jet by solvent evaporation or cooling, which forms nanofibers. Figure 1 schematically shows the electrospinning process (Hao Fong, In Polymeric Nanostructures and Their Applications, Volume 2: Applications: Chapter 11, Electrospun Polymer, Ceramic, Carbon/Graphite Nanofibers and Their Applications, Hari S. Nalwa Editor, American Scientific Publishers, Los Angeles, CA (ISBN: 1-58883-070-5), 2007, pp. 451 -474.
例示的な電界紡糸プロセスは、一般的に以下の通り記載することができる。 An exemplary electrospinning process can be described generally as follows.
ステップ1:図1に示すように、スピンドープ(例えば、ポリマー溶液)を、紡糸口金(1)を備えた容器に入れ、通常5〜40キロボルトの範囲の高圧DC(2)を、電極(例えば、銅線)(3)を通して溶液に印加する。電気接地したコレクター(4)を紡糸口金から一定の距離(ギャップ距離として知られている)(5)に置く。ギャップ距離は数センチメートルから1メートルにまで及ぶことがある。静電場が臨界値に達し、電気力が表面張力及び粘弾性力を圧倒した場合、ジェット/フィラメントは射出され、一定の距離(ジェット長さとして知られている)をまっすぐに移動する。 Step 1: As shown in FIG. 1, spin dope (e.g., polymer solution) is placed in a container equipped with a spinneret (1) and a high voltage DC (2), typically in the range of 5-40 kilovolts, is applied to an electrode (e.g., Apply to solution through copper wire (3). An electrically grounded collector (4) is placed at a certain distance (known as the gap distance) (5) from the spinneret. Gap distances can range from a few centimeters to a meter. When the electrostatic field reaches a critical value and the electrical forces overwhelm the surface tension and viscoelastic forces, the jet/filament is ejected and travels a straight distance (known as the jet length).
ステップ2:次いで、ジェットは曲がり始め、螺旋状ループを形成する。この現象は「曲げ(又はホイッピング)不安定性」と呼ばれる。典型的には、曲げ不安定性によって、ジェットの長さが非常に短時間(50ms以下)で10,000倍超伸びる。したがって、曲げ不安定性時における伸び速度は極めて高い(最高で1,000,000s-1)。この極めて速い伸び速度によって、高分子の鎖を効果的に延伸し、ナノファイバー軸に沿って密接に整列させることができる。 Step 2: The jet then begins to bend, forming a spiral loop. This phenomenon is called "bending (or whipping) instability". Bending instability typically extends the jet length by more than 10,000 times in a very short time (less than 50 ms). Therefore, the elongation rate during bending instability is extremely high (up to 1,000,000 s -1 ). This extremely high elongation rate allows the polymer chains to be effectively stretched and closely aligned along the nanofiber axis.
ステップ3:ジェットは、溶媒の蒸発によって又は溶融物が固液転移温度を下回るまで冷えた場合に固化する。固化時間が長くなるほど、ジェットを長くすることができる。固化時間は、多くの要因、例えば溶媒蒸気圧、溶媒拡散率、ジェットによって運ばれた体積電荷密度、及び印加された静電場の強度と関係している。 Step 3: The jet solidifies by evaporation of the solvent or when the melt cools below the solid-liquid transition temperature. The longer the solidification time, the longer the jet can be. Set time is related to many factors such as solvent vapor pressure, solvent diffusivity, volumetric charge density carried by the jet, and the strength of the applied electrostatic field.
任意の電界紡糸後処理
収集されたナノファイバーを固化した後、ナノファイバーを特定の使用向けに「カスタマイズ」するために行うことができるいくつかのステップがある。例示的な追加のステップを以下に述べる。
Optional Electrospinning Post-Treatment After solidifying the collected nanofibers, there are several steps that can be taken to "customize" the nanofibers for a particular use. Exemplary additional steps are described below.
a.第1の非セルロース系ポリマーの除去
場合によっては、複合ナノファイバー中に存在しているポリマーの1つ以上、特に非セルロース系ポリマーを、高熱及び/又は溶媒(複数可)を使用して除去することができる。第1の非セルロース系ポリマーを除去すると、表面積が追加され、残存しているセルロース系ポリマーの多孔性が改善される。これは、非セルロース系ポリマーを除去した後、セルロース系ポリマーには、以前は非セルロース系ポリマーが空間を占拠していた場所にサイズが制御された「細孔」が残されているからである。この追加の「空隙空間」はより大きな表面積を得られたナノファイバーフェルトに提供し、例えば分離のために吸着性結合能を高め、サイズに基づいた分離の選択性を改善し、追加の多孔性から処理量を改善することができる。非セルロース系ポリマーを除去すると、残存しているセルロース系ポリマーナノファイバー上に(複合ナノファイバー内に存在していた)複数の官能性が直接存在する機会が無くなる。
Removal of the first non-cellulosic polymer optionally using one or more of the polymers present in the composite nanofibers, particularly the non-cellulosic polymer, using high heat and/or solvent(s). Can be removed. Removal of the first non-cellulosic polymer adds surface area and improves the porosity of the remaining cellulosic polymer. This is because after removal of the non-cellulosic polymer, the cellulosic polymer retains size-controlled "pores" where the non-cellulosic polymer previously occupied the space. .. This additional "void space" provides a larger surface area to the resulting nanofiber felt, for example to increase adsorptive binding capacity for separations, improve selectivity of size-based separations, and additional porosity. Therefore, the throughput can be improved. Removal of the non-cellulosic polymer eliminates the opportunity for multiple functionalities (which were present in the composite nanofibers) to be present directly on the remaining cellulosic polymeric nanofibers.
b.セルロース再生
「電界紡糸したままの(as electrospun)」ナノファイバーを調製した後、誘導体化セルロースを再生プロセスによってセルロースに変換することができる。再生セルロースは、以前に記載された純粋な天然のセルロースと同じ性質を有する。再生プロセスは、誘導体化セルロースを含有するナノファイバーを例えば強塩基(例えば、水酸化ナトリウム)又は他の溶媒に接触させることによって完了する。セルロースに変換するための再生反応後に、ナノファイバーを洗浄して、プロセス中に使用された過剰の溶媒を除去することができる。
b. Cellulose Regeneration After the preparation of "as electrospun" nanofibers, the derivatized cellulose can be converted to cellulose by a regeneration process. Regenerated cellulose has the same properties as the previously described pure natural cellulose. The regeneration process is completed by contacting the nanofibers containing the derivatized cellulose with, for example, a strong base (eg sodium hydroxide) or other solvent. After the regeneration reaction to convert to cellulose, the nanofibers can be washed to remove excess solvent used during the process.
c.表面官能基化(surface functionalization)
ハイブリッドナノファイバーフェルトを調製した後、ファイバー表面を官能基化することができる。官能基化の非限定的な例としては、弱酸又は強酸、及び塩基(例えば、カルボン酸及びアミン)等のイオン交換基、フェノール化合物等の疎水基、並びに抗体又は酵素基質等の親和性リガンドの添加が挙げられる。
c. Surface functionalization
After preparing the hybrid nanofiber felt, the fiber surface can be functionalized. Non-limiting examples of functionalization include weak or strong acids, and ion exchange groups such as bases (e.g., carboxylic acids and amines), hydrophobic groups such as phenolic compounds, and affinity ligands such as antibodies or enzyme substrates. Addition.
バイオ分離で使用するには、本発明のハイブリッドナノファイバーフェルトが生物学的に不活性であると理想的であり、細胞や細胞残屑等の不溶性固体の非特異的結合、並びにタンパク質、糖、核酸、ウイルス、及び生物学的に生成された多くの系中に存在している他の可溶な成分との望ましくない相互作用を阻止するべきであるということを意味する。 For use in bioseparations, the hybrid nanofiber felts of the present invention are ideally biologically inert, including non-specific binding of insoluble solids such as cells and cell debris, as well as proteins, sugars, It means that undesired interactions with nucleic acids, viruses and other soluble components present in many biologically produced systems should be blocked.
さらに、バイオ分離で使用するためのナノファイバーフェルトはいくつかの品質を示すべきである。(1)比表面積の最大量を可能にする、小径ファイバー(この基準は吸着プロセスにとって最も重要であり、以下に述べる厳密にサイズに基づいた分離にとってあまり重要でない)、(2)吸着用途における流速分布さえも可能にし、サイズに基づいた分離のための厳しいサイズカットオフを可能にする、ファイバー間において十分に制御された狭い細孔径分布、(3)ファイバーは、潜在的に高い操作圧力及び苛酷な清浄条件に耐える優れた機械的及び化学安定性を有するべきであること、かつ(4)ファイバーは、明確に規定され、空間的に一貫したサイズ及び化学組成を有するべきであること。 Furthermore, nanofiber felts for use in bioseparation should exhibit several qualities. (1) Small diameter fibers that allow the maximum amount of specific surface area (this criterion is most important for the adsorption process and less important for the strictly size-based separations described below), (2) flow rate in adsorption applications. Well-controlled narrow pore size distribution between fibers, allowing even distribution and tight size cutoffs for size-based separations, (3) fibers have potentially high operating pressures and harshness. It should have excellent mechanical and chemical stability to withstand various cleaning conditions, and (4) the fiber should have a well-defined, spatially consistent size and chemical composition.
タンパク質、核酸及びウイルス等の高分子生成物が主要な標的である吸着プロセスでは、ナノファイバーフェルトに伴う極めて大きい比表面積がバイオ吸着分離のための膨大な数の潜在的結合部位を提供する。ナノファイバーには驚異的な数の結合部位が含有されるように修飾を施すことができ、吸着はほとんどファイバーの表面のみで行われ、したがって結合部位は直ちに利用可能になり、比較的大きな標的分子を内部に拡散させる必要がない。伝統的な多孔質樹脂ビーズを使用する場合に、内部拡散はバイオ生成物の多くの吸着プロセスの容量をしばしば限定し得る。さらに、ナノファイバー膜を様々な多くの化学で作製することができるので、吸着リガンドは特定の分離の必要性(例えば、イオン性、疎水性及び親和性)を満たすように適合させることができる。場合によっては、リガンドを電界紡糸時において材料物質からナノファイバーに組み込むことができ、あるいはナノファイバーを生成した後に所望の吸着作用物を提供するように表面を化学修飾することができる。 In adsorption processes where macromolecular products such as proteins, nucleic acids and viruses are the main targets, the extremely large specific surface area associated with nanofiber felts provides a vast number of potential binding sites for bioadsorption separations. Nanofibers can be modified to contain a surprising number of binding sites and adsorption occurs almost exclusively on the surface of the fiber, thus making the binding sites readily available and relatively large target molecules. Need not be diffused inside. When using traditional porous resin beads, internal diffusion can often limit the capacity of many adsorption processes for bioproducts. Moreover, since nanofiber membranes can be made with a variety of different chemistries, adsorbed ligands can be tailored to meet specific separation needs (eg, ionic, hydrophobic, and affinity). In some cases, the ligand can be incorporated into the nanofibers from the material during electrospinning, or the surface can be chemically modified after the nanofibers have been produced to provide the desired adsorbate.
分離操作の最も重要な特性のうちの2つは、(1)(密に充填された樹脂ビーズとは対照的に)流れがフェルトのミクロ孔及びマクロ孔を通過すること、及び(2)その吸着はファイバーの表面で行われ、内部拡散が必要でないことである。これらの要因によって、高流速での高い圧力損失の懸念が低減され、樹脂ビーズ内での吸着に必要とされる遅い粒子内拡散がなくなる。生体分子の現在流通している吸着フェルトへの結合能は大きさの点で樹脂ビーズと類似しているが、充填層より10倍を超える速い処理流速で操作できることが明らかになった。これらの要因によって、有益な生物学的生成物を精製するのに処理時間がはるかに速くなり、結合レベルが潜在的に高くなる。これは、特に大きい生体分子(250kDaより大きい分子量及び/又は20〜300nmの流体力学的径)には極めて望ましい。というのは、大きい生体分子は樹脂ビーズの細孔内における厳しい物質移動限界のため充填層を使用して精製するのが極めて困難であるからである。 Two of the most important properties of the separation operation are: (1) the flow (as opposed to densely packed resin beads) passing through the felt micropores and macropores, and (2) that The adsorption is done on the surface of the fiber and no internal diffusion is required. These factors reduce the concern of high pressure drop at high flow rates and eliminate the slow intra-particle diffusion required for adsorption within resin beads. Although the binding capacity of biomolecules to the currently available adsorption felt is similar to that of resin beads in terms of size, it has been revealed that it can be operated at a treatment flow rate that is more than 10 times faster than that of a packed bed. These factors result in much faster processing times and potentially higher binding levels for purifying valuable biological products. This is highly desirable, especially for large biomolecules (molecular weight greater than 250 kDa and/or hydrodynamic diameter of 20-300 nm). This is because large biomolecules are extremely difficult to purify using packed beds due to the strict mass transfer limits within the pores of resin beads.
本発明のナノファイバーフェルトの表面は、イオン交換及び疎水相互作用化学的性質(hydrophobic interaction chemistry)が提供されるように修飾することができる。ポリスチレンファイバーの硫酸によるスルホン化等の単純な化学修飾を用いて、陽イオン交換媒体が生成された。グラフト反応、原子移動ラジカル重合(ATRP)、及びプラズマ処理を用いて、ポリプロピレン、二フッ化ポリビニリデン、ポリスルホン等を含む種々のポリマー基材からイオン交換表面官能基及び三次元のつなぎ鎖(tethers)が作り出された。フェニル基及びブチル基も疎水性相互作用リガンドとして導入することができる。しばしば、ポリマー膜の表面は、非特異的結合を防ぐように親水性の上昇に向けてさらに修飾しなければならない。これはポリ(エチレングリコール)及び他のポリオールを表面に導入することによって達成された。 The surface of the nanofiber felts of the present invention can be modified to provide ion exchange and hydrophobic interaction chemistry. Cation exchange media have been produced using simple chemical modifications such as sulfonation of polystyrene fibers with sulfuric acid. Ion-exchange surface functional groups and three-dimensional tethers from various polymer substrates including polypropylene, polyvinylidene difluoride, polysulfone, etc. using grafting, atom transfer radical polymerization (ATRP), and plasma treatment. Was created. Phenyl and butyl groups can also be introduced as hydrophobic interacting ligands. Often, the surface of the polymer membrane must be further modified towards increased hydrophilicity to prevent non-specific binding. This was accomplished by introducing poly(ethylene glycol) and other polyols onto the surface.
ハイブリッドナノファイバーフェルトのイオン交換容量も、例えば弱陰イオン交換リガンドとしてジエチルアミノエチル(DEAE)基を又は弱陽イオン交換リガンドとしてカルボン酸を導入することによって向上させることができる。 The ion exchange capacity of the hybrid nanofiber felt can also be improved, for example by introducing a diethylaminoethyl (DEAE) group as a weak anion exchange ligand or a carboxylic acid as a weak cation exchange ligand.
d.抗菌物質による表面官能基化
本発明の一実施形態において、非セルロース系ポリマーはポリアクリロニトリル(PAN)である。PANの繊維膜は熱安定性、高い機械的性質、及び化学抵抗性のため濾過において広く採用された。電界紡糸PANナノファイバーフェルトは小さいファイバー径及び付随する大きい比表面積、並びにナノファイバー間で孔径を制御し、抗菌剤をナノスケールで組み込む容量等の性質のため特に重要であった。抗菌性の官能性を有するナノファイバーからなるフェルトは、精製水及び/又は濾過空気の品質並びに処理コストに対する関心のためますます注意を引いた。水及びエアフィルター(特に、暗く湿気のある状態で操作するもの)は環境微生物からの攻撃を常に受けやすい。フィルターで容易に捕捉することができる微生物(細菌等)は急速に増殖して、バイオフィルムが形成する。微生物がフィルター表面で増強すると、精製水及び/又は濾過空気の品質が損なわれる。さらに、それらの増強は水及び/又は空気の流れにも好ましくない影響を及ぼす。
d. Surface Functionalization with Antimicrobial In one embodiment of the invention, the non-cellulosic polymer is polyacrylonitrile (PAN). PAN fiber membranes have been widely adopted in filtration due to their thermal stability, high mechanical properties, and chemical resistance. Electrospun PAN nanofiber felts have been of particular importance due to their properties such as small fiber size and associated large specific surface area, as well as controlled pore size between nanofibers and the capacity to incorporate antimicrobial agents at the nanoscale. Felts consisting of nanofibers with antibacterial functionality have attracted increasing attention due to concerns over the quality of purified water and/or filtered air and processing costs. Water and air filters, especially those operating in dark and humid conditions, are always susceptible to attack by environmental microbes. Microorganisms (such as bacteria) that can be easily captured by the filter rapidly grow to form biofilms. When microorganisms intensify on the filter surface, the quality of purified water and/or filtered air is impaired. Moreover, their enhancement also adversely affects the flow of water and/or air.
さらに、バイオフィルムで汚染されたフィルターは清浄が困難である。通常、操作時において高圧が必要である。これによって、コストが上がる。報告された方法では、抗菌剤(N-ハラミンや銀イオン/ナノ粒子等)がスピンドープに直接組み込まれ、したがって抗菌剤の分子/粒子がナノファイバー全体に分布している(Xinbo Sun, Lifeng Zhang, Zhengbing Cao, Ying Deng, Li Liu, Hao Fong, and Yuyu Sun. "Electrospun Composite Nanofiber Fabrics Containing Uniformly Dispersed Antimicrobial Agents as an Innovative Type of Polymeric Materials with Superior Anti-Infective Efficacy". ACS Applied Materials and Interfaces, 2(4), 952-956, 2010)。 Furthermore, filters contaminated with biofilm are difficult to clean. High pressures are usually required during operation. This increases costs. In the reported method, antibacterial agents (such as N-halamine and silver ions/nanoparticles) were directly incorporated into the spin dope, and thus the antimicrobial agent molecules/particles were distributed throughout the nanofiber (Xinbo Sun, Lifeng Zhang, Zhengbing Cao, Ying Deng, Li Liu, Hao Fong, and Yuyu Sun. "Electrospun Composite Nanofiber Fabrics Containing Uniformly Dispersed Antimicrobial Agents as an Innovative Type of Polymeric Materials with Superior Anti-Infective Efficacy". ACS Applied Materials and Interfaces, 2(4 ), 952-956, 2010).
しかし、これは、主に抗菌剤の含有量が高いと電界紡糸プロセスに深刻な影響を与え、かつ/又は得られるナノファイバーの性質を損なう恐れがあるので、プロセスの問題につながることが多い。これらの問題に対する潜在的な解決策は、ナノファイバーが生成した後に抗菌性の官能性をナノファイバー表面に導入することである(Lifeng Zhang, Jie Luo, Todd J. Menkhaus, Hemanthram Varadaraju, Yuyu Sun, and Hao Fong. "Antimicrobial Nano-fibrous Membranes Developed from Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers". Journal of Membrane Science, 369, 499-505, 2011)。 However, this often leads to process problems, as a high content of antimicrobial agents can seriously affect the electrospinning process and/or impair the properties of the resulting nanofibers. A potential solution to these problems is to introduce antibacterial functionality onto the nanofiber surface after the nanofibers have been formed (Lifeng Zhang, Jie Luo, Todd J. Menkhaus, Hemanthram Varadaraju, Yuyu Sun, and Hao Fong. "Antimicrobial Nano-fibrous Membranes Developed from Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers". Journal of Membrane Science, 369, 499-505, 2011).
PAN中のニトリル(-C≡N)基をアミドキシム(-C(NH2)=NOH)基に化学変換できることは公知である。アミドキシム基は銀イオンを含めて広範囲の金属イオンと配位結合することができ、配位銀イオンを銀ナノ粒子に還元することができる。銀イオンも銀ナノ粒子も高い抗菌効果を有する抗菌剤である。 It is known that the nitrile (-C≡N) group in PAN can be chemically converted to an amidoxime (-C(NH 2 )=NOH) group. The amidoxime group can coordinate with a wide range of metal ions including silver ions, and can reduce coordinated silver ions to silver nanoparticles. Both silver ions and silver nanoparticles are antibacterial agents having a high antibacterial effect.
e.他の例
充填層クロマトグラフィー及び他の分離技術に代わる有望な選択肢は、本発明のハイブリッドナノファイバーフェルトの選択的吸着膜としての使用である。このスタイルの吸着は、選択的吸着プロセスにおいて使用されるリガンドの支持体としてナノファイバーフェルトを利用する。
e. Other Examples A promising alternative to packed bed chromatography and other separation techniques is the use of the hybrid nanofiber felts of the invention as selective adsorption membranes. This style of adsorption utilizes nanofiber felts as supports for the ligands used in the selective adsorption process.
選択的吸着はハイブリッドナノファイバーフェルトの「活性」表面官能基化を伴い、標的物質の直接捕捉(吸着)が可能になる。そのような修飾は、ハイブリッドナノファイバーフェルトがそれらの表面に吸着部位を提供するように化学修飾することが比較的簡単な化学的部分を含む場合に単純化される。 Selective adsorption involves the "active" surface functionalization of hybrid nanofiber felts, allowing direct capture (adsorption) of target substances. Such modifications are simplified when the hybrid nanofiber felts include chemical moieties that are relatively easy to chemically modify to provide adsorption sites on their surface.
ナノファイバー表面をイオン交換及び疎水相互作用官能性のために修飾するのとは違って、親和性リガンドのナノファイバー上への組み込みはより難しいことがある。本方法では、まず表面を、リガンドの固定化用のカップリング部位を作り出すように修飾すること、続いてリガンドを活性部位に結合させることが必要であることが多い。重要なことには、最初の表面改質もリガンドのカップリングも、処理中に浸出しないように頑強であるべきである。 Unlike modifying the nanofiber surface for ion exchange and hydrophobic interaction functionalities, the incorporation of affinity ligands onto the nanofibers can be more difficult. The method often requires first modifying the surface to create a coupling site for immobilization of the ligand, followed by attachment of the ligand to the active site. Importantly, both the initial surface modification and the coupling of the ligand should be robust so that they do not leach during processing.
ある場合には、表面へのグラフト化メタクリル酸の単純なカルボキシル基は、共有アミド結合を官能化カルボキシル基とタンパク質リガンド上の曝露されたアミン基との間に作り出すことによって活性カップリング部位として働くことができる。同様に、セルロースの酸化(適切に制御された場合)は、タンパク質(タンパク質A及びタンパク質Gを含む)の第一級アミンへの共有結合を特にアミノ酸のリシンを介して形成することができるアルデヒド基をファイバー表面に提供することができる。別の場合には、一般的な親和性染料(例えば、いくつかのタンパク質を結合することができるCibacron Blue)を用いた表面官能基化をセルロースナノファイバーに直接カップリングさせることができる。 In some cases, the simple carboxyl group of methacrylic acid grafted to the surface acts as an active coupling site by creating a covalent amide bond between the functionalized carboxyl group and the exposed amine group on the protein ligand. be able to. Similarly, the oxidation of cellulose (when properly controlled) allows the formation of covalent bonds to primary amines of proteins (including protein A and protein G), especially through the amino acid lysine. Can be provided on the fiber surface. In other cases, surface functionalization with common affinity dyes (eg, Cibacron Blue, which can bind some proteins) can be coupled directly to cellulose nanofibers.
さらに精巧には、タンパク質リガンド固定化用の生物活性部位をナノフェルト構築時においてナノファイバーバックボーンに組み込むことができる。この一例はポリエチレングリコール(PEG)をポリD,Lラクチド(PDLLA)と共にブロック共重合体として使用することである。電界紡糸後に、グリコールをビオシチンとカップリングさせて(ストレプトアビジン融合タンパク質と親和性相互作用が可能である)、親和性ナノファイバーを作り出すことができる。同様に、ホモ二官能性カップリング剤を使用してタンパク質とカップリングさせるための表面アミノ化ナノファイバーを含有する、ポリカプロラクトン(PCL)及びポリ(D,L-乳酸-co-グリコール酸)-b-PEG-NH2(PLGA-b-PEF-NH2)ジブロックコポリマーを作り出すことができる。最後に、場合によっては、いくつかのナノファイバーマトリックスに伴う固有活性部位を使用することが可能である。例えば、コンカナバリン(Concanavalin)A(グリコール-タンパク質及び/又は他のグリコールコンジュゲートに伴うレクチンのための親和性タグ)のキトサン系ナノファイバーへのカップリングが成功した。 More elaborately, bioactive sites for protein ligand immobilization can be incorporated into the nanofiber backbone during nanofelt construction. An example of this is the use of polyethylene glycol (PEG) as a block copolymer with poly D,L lactide (PDLLA). After electrospinning, glycol can be coupled with biocytin (which can have an affinity interaction with streptavidin fusion protein) to create affinity nanofibers. Similarly, polycaprolactone (PCL) and poly(D,L-lactic-co-glycolic acid)-containing surface aminated nanofibers for coupling to proteins using homobifunctional coupling agents. A b-PEG-NH2 (PLGA-b-PEF-NH2) diblock copolymer can be created. Finally, it is possible in some cases to use the intrinsic active site associated with some nanofiber matrices. For example, successful coupling of Concanavalin A (an affinity tag for lectins associated with glycol-proteins and/or other glycol conjugates) to chitosan-based nanofibers.
特異的リガンドをセルロース系化合物及び/又は合成ポリマーに結合させる他の技法は化学技術において公知である。 Other techniques for attaching specific ligands to cellulosic compounds and/or synthetic polymers are known in the chemical arts.
サイズに基づいた分離
吸着に対する直交精製機構として、サイズに基づいた分離も下流バイオプロセシングで日常的に使用される。深層濾過及び精密濾過は発酵ブロスの清澄化に使用される一般的な操作であり、細胞(約1〜20μm)及び細胞残屑(0.1〜1μm)がバイオリアクタースラリーから除去される。膜を用いたナノ濾過はウイルス排除及び/又は20〜200nmのウイルス粒子の精製に利用され、限外濾過が通常タンパク質の濃縮及び精製に利用される。どの場合でも、分離媒体のいくつかの特性が望ましい。第1に、明確に定義されたサイズカットオフは綿密に制御された分離を得るのに望ましい。第2に、操作時間及び/又は膜面積要件を最小限に抑えるために過剰の圧力要件なしで高処理プロセシングを行うには、高多孔性材料が必要である。また第3に、中等度の圧力下における苛酷な清浄条件及び操作には化学的及び物理的堅牢性が望ましい。ナノファイバーフェルトは、機械的及び化学的に強靱なファイバーから大量に安価で生成することができ、ファイバーのうち(又は中空糸として)十分に制御された孔径を有するので、進行したサイズに基づいた分離媒体として驚くほど優れた機会を提示する。ポリマーナノファイバーは一般に最少量の非特異的結合を示すが、化学的堅牢性が炭素及びセラミックファイバーより低いことに悩まされることがある。セラミックファイバーは脆いことに悩まされ、付随する汚損と共にバイオマス/生体粒子の大量の非特異的吸着の可能性があるが、苛酷な再生条件を耐えることができる。
Size-Based Separation Size-based separations are also routinely used in downstream bioprocessing as an orthogonal purification mechanism for adsorption. Deep filtration and microfiltration are common procedures used for clarification of fermentation broth, where cells (about 1-20 μm) and cell debris (0.1-1 μm) are removed from the bioreactor slurry. Nanofiltration with membranes is used for virus exclusion and/or purification of 20-200 nm virus particles, and ultrafiltration is usually used for protein concentration and purification. In all cases, some properties of the separation medium are desirable. First, a well-defined size cutoff is desirable to obtain a tightly controlled separation. Secondly, high porosity materials are required for high process processing without excessive pressure requirements to minimize operating time and/or membrane area requirements. Third, chemical and physical robustness are desirable for harsh cleaning conditions and operations under moderate pressure. Nanofiber felts can be produced in large quantities at low cost from mechanically and chemically tough fibers and have well-controlled pore size of the fibers (or as hollow fibers), so they are based on advanced size. It presents a surprisingly good opportunity as a separation medium. Polymer nanofibers generally exhibit the least amount of non-specific binding, but may suffer from lower chemical robustness than carbon and ceramic fibers. Ceramic fibers suffer from brittleness and the potential for large amounts of non-specific adsorption of biomass/bioparticles with attendant fouling, but can withstand harsh regeneration conditions.
現在まで、サイズに基づいた分離用のナノファイバーメッシュは主として、深層濾過機構によるナノメートル及びマイクロメートルスケールの生体粒子(又は代用物)の単離に応用された。濾過マット内のナノファイバーの比表面積の増大によって、より曲がりくねった経路が提供され、高多孔性を維持しながら溶液から所望の粒子を捕獲するチャンスが増加する。ポリマー、炭素、及びセラミックナノファイバーはすべて評価され、すべて高流束を維持しながら所望の粒径を混合物から分離することができた。具体的には、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)及びナイロン6から作製された電界紡糸ナノファイバーは0.5から10μmの間のポリスチレン粒子を除去することができた。セラミックナノファイバーメッシュはおそらく最も広範に使用された。一例は、大きいチタナアートナノファイバーとより小さいベーマイトナノファイバーの組合せは、比較的低圧の駆動力(20kPa)で非常に高い流束(1000L/m2.h)が可能であり、60nmより大きい粒子を実質的にすべて溶液から除去できたことを示す。マイクロ及びナノ深層濾過の多くの用途も、表面への粒子の化学吸着に依拠し、そのナノファイバーは容易に製造することができて、所望の不純物を特異的に吸着することに留意されたい。 To date, nanofiber meshes for size-based separations have mainly been applied to the isolation of nanometer and micrometer scale bioparticles (or surrogates) by a depth filtration mechanism. The increased specific surface area of the nanofibers in the filtration mat provides a more tortuous path, increasing the chance of capturing the desired particles from solution while maintaining high porosity. The polymer, carbon, and ceramic nanofibers were all evaluated and all were able to separate the desired particle size from the mixture while maintaining high flux. Specifically, electrospun nanofibers made from polyvinylidene fluoride (PVDF) and nylon 6 were able to remove polystyrene particles between 0.5 and 10 μm. Ceramic nanofiber mesh was probably the most widely used. An example is the combination of large titanaate nanofibers and smaller boehmite nanofibers, which enables very high flux (1000L/m2.h) with relatively low driving force (20kPa) and particles larger than 60nm. Indicates that substantially all of the can be removed from the solution. It should be noted that many applications of micro and nano depth filtration also rely on chemisorption of particles on the surface, the nanofibers of which can be easily manufactured and specifically adsorb desired impurities.
ナノフェルト構築/構成
直径がサブミクロンからナノメートルの範囲のファイバー(1〜1000nm、「ナノファイバー」フェルトと呼ばれる)を利用することによって、潜在的な結合のための所与のベッドボリューム内の利用可能な表面積が2桁ほど大いに増加するであろう。ナノファイバーフェルトの孔径を制御することによって、圧力損失及び流体力学的流動特性も制御し、マイクロファイバーフェルトと同様に効率的にさせることができる。
Nanofelt construction/construction Utilization within a given bed volume for potential binding by utilizing fibers with diameters in the submicron to nanometer range (1-1000 nm, called “nanofiber” felts) The possible surface area will increase by as much as two orders of magnitude. By controlling the pore size of the nanofiber felt, the pressure drop and hydrodynamic flow properties can also be controlled, making it as efficient as the microfiber felt.
さらに、フェルト中のファイバーの孔径が通常は密接な孔径分布(ナノファイバーの90%超が100nm〜500nmの範囲に入る)を有し、チャネリングを防ぎ、濾過操作のため所望のサイズカットオフを超える種のみ保持する。最後に、ナノファイバーフェルトは通常、潜在的に大きい圧力損失(100psiまで)及び高い流速(30L/(分・m2)を超える流束値)の条件下で操作するのに十分なほど機械的に強靱であり、(しばしば強酸、塩基、及び有機溶媒を含む)潜在的に苛酷な清浄管理に壊れることなく耐えるのに十分なほど化学的に堅牢である。 In addition, the pore size of the fibers in the felt usually has a close pore size distribution (more than 90% of the nanofibers fall in the range of 100 nm to 500 nm) to prevent channeling and exceed the desired size cutoff for filtration operations. Keep only seeds. Finally, nanofiber felts are usually sufficiently mechanical to operate under conditions of potentially large pressure drops (up to 100 psi) and high flow rates (flux values above 30 L/(min·m 2 )). Tough and chemically robust enough to withstand potentially harsh cleaning regimes (often containing strong acids, bases, and organic solvents) without breaking.
一実施形態において、ナノファイバーフェルトは、複合ナノファイバー(1つの誘導体化セルロースポリマーに加えて1つの非セルロースポリマー)及び単一成分ナノファイバー(非セルロース系ポリマー)からなる。しかし、上述のように、本発明のハイブリッドナノフェルトはポリマーとナノファイバーの種々の組合せから形成することができる。これらの例としては、例えば下記が挙げられる。
・ フェルト中のナノファイバーはすべて、主鎖ポリマー及び第1の非セルロース系ポリマーの同時押出混合物から作製された単一種の複合ナノファイバーからなる、複合ナノファイバーフェルト。
・ 異なる少なくとも2つの単一成分ナノファイバーからなるナノファイバーフェルト。・ 少なくとも1つの単一成分ナノファイバー及び少なくとも1つの複合ナノファイバーからなるナノファイバーフェルト。
In one embodiment, the nanofiber felt consists of composite nanofibers (one derivatized cellulosic polymer plus one non-cellulosic polymer) and single component nanofibers (non-cellulosic polymer). However, as mentioned above, the hybrid nanofelts of the present invention can be formed from various combinations of polymers and nanofibers. Examples of these include the following.
• A composite nanofiber felt, where all the nanofibers in the felt consist of a single type of composite nanofiber made from a coextruded mixture of a backbone polymer and a first non-cellulosic polymer.
A nanofiber felt consisting of at least two different single-component nanofibers. A nanofiber felt consisting of at least one single-component nanofiber and at least one composite nanofiber.
上記のナノフェルト構成以外に、本発明のナノフェルトは、安定性、強度を加え、フェルトの他の物理的特性を特定の用途における使用に適合させるためにマイクロファイバーも含むことができる。単一成分ナノファイバーフェルトと比較すると、本発明のハイブリッドナノファイバーフェルトは以下の例示的な改善された性質を示す。 In addition to the nanofelt constructions described above, the nanofelts of the present invention may also include microfibers to add stability, strength and other physical properties of the felt to suit its use in a particular application. When compared to single component nanofiber felts, the hybrid nanofiber felts of the present invention exhibit the following exemplary improved properties.
[実施例]
[実施例1]
先行技術酢酸セルロース単一成分ナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース単一成分ナノファイバーフェルトをHandbook of Membrane Research, Chapter 3, Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations, Todd J. Menkhaus, et al, Nova Science Publishers, Inc., edited by Stephan V. Gorleyに記載されるように作製した。酢酸セルロース(平均分子量約30,000g/mol)、NaOH、NaCl、アセトン、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)及びN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)をSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。純度98%の2-(ジエチルアミノ)エチルクロリド塩酸塩(DAECH)をAlfa Aesar Co. (Ward Hill, MA)から購入した。
[Example]
[Example 1]
Preparation of Cellulose Acetate Single-Component Nanofiber Felt Handbook of Membrane Research, Chapter 3, Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations, Todd J. Menkhaus, et al, Nova Science Publishers, Inc ., edited by Stephan V. Gorley. Cellulose acetate (average molecular weight about 30,000 g/mol), NaOH, NaCl, acetone, N,N-dimethylacetamide (DMAc) and N,N-dimethylformamide (DMF) were purchased from Sigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI). did. 2-(Diethylamino)ethyl chloride hydrochloride (DAECH) with 98% purity was purchased from Alfa Aesar Co. (Ward Hill, MA).
アセトン/DMAc(質量比2/1)中の15%(質量分率)酢酸セルロースの溶液を室温で調製した。溶液を注射器に添加した。電界紡糸セットアップは高圧電源及び実験室で生産されたローラーを含むものであった。電界紡糸時に、正の高圧15kVを針に印加し、シリンジポンプを使用して流速1.0mL/時を維持した。酢酸セルロースナノファイバーを、ローラーを覆っている電気接地したアルミニウム箔上にランダムに重ね合わせたフェルトとして収集した。加熱灯を使用して、電界紡糸時にナノファイバーフェルトを乾燥し、電界紡糸後にフェルトを真空オーブン中でさらに乾燥した。総合的に見て、電界紡糸プロセスは比較的不安定であり、約2時間間隔で頻繁に中断した。収集された酢酸セルロースナノファイバーフェルトは厚さ約225μm及び単位面積当たりの質量約60g/m2であった。 A solution of 15% (mass fraction) cellulose acetate in acetone/DMAc (mass ratio 2/1) was prepared at room temperature. The solution was added to the syringe. The electrospinning setup included a high voltage power supply and a laboratory produced roller. During electrospinning, a positive high voltage of 15 kV was applied to the needle and a syringe pump was used to maintain a flow rate of 1.0 mL/hr. Cellulose acetate nanofibers were collected as felts that were randomly superposed on an electrically grounded aluminum foil covering the rollers. The nanofiber felt was dried during electrospinning using a heating lamp, and the felt was further dried in a vacuum oven after electrospinning. Overall, the electrospinning process was relatively unstable, with frequent interruptions at approximately 2 hour intervals. The collected cellulose acetate nanofiber felt had a thickness of about 225 μm and a mass per unit area of about 60 g/m 2 .
電界紡糸したままの酢酸セルロースナノファイバーフェルトをまず0.05M NaOH水溶液に24時間浸漬することによって加水分解/脱アセチル化した。次いで、再生セルロースナノファイバーフェルトと呼ばれる生成物を蒸留水中で3回すすぎ、真空オーブン中、60℃で乾燥した。試料を15%(質量分率)DAECH水溶液に10分間浸漬し、続いて60℃で乾燥した。次いで、試料を0.5M NaOH水溶液に90℃で10分間浸漬した。試料を蒸留水中で3回すすぎ、60℃で乾燥して、DEAE陰イオン交換セルロースナノファイバーフェルトを得た。 The as-electrospun cellulose acetate nanofiber felt was first hydrolyzed/deacetylated by immersion in 0.05M aqueous NaOH solution for 24 hours. The product called regenerated cellulose nanofiber felt was then rinsed 3 times in distilled water and dried in a vacuum oven at 60°C. The sample was immersed in a 15% (mass fraction) DAECH aqueous solution for 10 minutes and subsequently dried at 60°C. Then, the sample was immersed in a 0.5 M NaOH aqueous solution at 90° C. for 10 minutes. The sample was rinsed 3 times in distilled water and dried at 60° C. to obtain DEAE anion exchange cellulose nanofiber felt.
[実施例2]
CA/PEO複合ナノファイバー及びPAN単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、クロロホルム(CHCl3)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
[Example 2]
Preparation of hybrid nanofiber felt of CA/PEO composite nanofiber and PAN single component nanofiber Cellulose acetate (CA), polyethylene oxide (PEO), chloroform (CHCl 3 ), dimethylformamide (DMF), polyacrylonitrile (PAN), And diethylaminoethyl chloride were purchased from Sigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI).
PAN及びCA+PEOのスピンドープを別々に調製した。簡潔に言えば、PANスピンドープの調製については、PANをDMFに溶解して、溶液を作製した。CA+PEOスピンドープについては、ジエチルアミノエチルクロリドを有するCHCl3/DMF中のCAプラスPEOを調製した。 Spin dope of PAN and CA+PEO were prepared separately. Briefly, for the preparation of PAN spin dope, PAN was dissolved in DMF to make a solution. For CA+PEO spin dope, CA plus PEO in CHCl 3 /DMF with diethylaminoethyl chloride was prepared.
電界紡糸プロセス時に、PAN又はCA+PEOのスピンドープを充填した2本の注射器を実験室で生産されたローラーの反対側に置いた。総合的に見て、電界紡糸プロセスは非常に安定であり、長時間(>48時間)持続可能であり、CA+PEO複合ナノファイバー及びPANナノファイバーからなる(自己支持している(self-supporting)又は医療用綿ガーゼに支持させた)電界紡糸ハイブリッドナノ繊維状マットを、ローラーを覆っている電気接地したアルミニウム箔上に収集した。 During the electrospinning process, two syringes filled with a spin dope of PAN or CA+PEO were placed on opposite sides of the lab-produced roller. Overall, the electrospinning process is very stable, can be sustained for a long time (>48 hours), and consists of CA+PEO composite nanofibers and PAN nanofibers (self-supporting Electrospun hybrid nanofibrous mats) or supported on medical cotton gauze) were collected on an electrically grounded aluminum foil covering the rollers.
次いで、電界紡糸したままのCA+PEO+PANハイブリッドナノ繊維状マットを24時間アニールして、CA及びPEOの相分散を完了した。その後、マットをNaOH水溶液に24時間浸漬することによって加水分解/脱アセチル化した。再生セルロースナノファイバー及びPANナノファイバーからなる得られたハイブリッドナノ繊維状マットを蒸留水ですすぎ、乾燥した。 The as-electrospun CA+PEO+PAN hybrid nanofibrous mat was then annealed for 24 hours to complete the phase dispersion of CA and PEO. Then, the mat was hydrolyzed/deacetylated by immersing the mat in an aqueous NaOH solution for 24 hours. The resulting hybrid nanofibrous mat consisting of regenerated cellulose nanofibers and PAN nanofibers was rinsed with distilled water and dried.
[実施例3]
CA/PVP複合ナノファイバー及びPAN単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、クロロホルム(CHCl3)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
[Example 3]
Preparation of hybrid nanofiber felt of CA/PVP composite nanofiber and PAN single component nanofiber Cellulose acetate (CA), polyvinylpyrrolidone (PVP), chloroform (CHCl 3 ), dimethylformamide (DMF), polyacrylonitrile (PAN), And diethylaminoethyl chloride were purchased from Sigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI).
PAN及びCA+PVPのスピンドープを別々に調製した。簡潔に言えば、PANスピンドープの調製については、PANをDMFに溶解して、溶液を作製した。CA+PEOスピンドープについては、ジエチルアミノエチルクロリドを有するCHCl3/DMF中のCAプラスPVPを調製した。 Spin dope of PAN and CA+PVP were prepared separately. Briefly, for the preparation of PAN spin dope, PAN was dissolved in DMF to make a solution. For CA+PEO spin dope, CA plus PVP in CHCl 3 /DMF with diethylaminoethyl chloride was prepared.
電界紡糸プロセス時に、PAN又はCA+PVPのスピンドープを投入した2本の注射器を実験室で生産されたローラーの反対側に置いた。総合的に見て、電界紡糸プロセスは非常に安定であり、長時間(>48時間)持続可能であり、CA+PVP複合ナノファイバー及びPANナノファイバーからなる(自己支持している又は医療用綿ガーゼに支持させた)電界紡糸ハイブリッドナノ繊維状マットを、ローラーを覆っている電気接地したアルミニウム箔上に収集した。 During the electrospinning process, two syringes loaded with PAN or CA+PVP spin dope were placed on opposite sides of the lab-produced roller. Overall, the electrospinning process is very stable, long-lasting (>48 hours) and composed of CA+PVP composite nanofibers and PAN nanofibers (self-supporting or medical cotton). The electrospun hybrid nanofibrous mat (supported by gauze) was collected on an electrically grounded aluminum foil covering the roller.
次いで、電界紡糸したままのCA+PVP+PANハイブリッドナノ繊維状マットを24時間アニールして、CA及びPVPの相分散を完了した。その後、マットをNaOH水溶液に24時間浸漬することによって加水分解/脱アセチル化した。このプロセスはまた、PVPをマットから溶解/除去する。再生セルロースナノファイバー及びPANナノファイバーからなる得られたハイブリッドナノ繊維状マットを蒸留水ですすぎ、乾燥した。 The as-electrospun CA+PVP+PAN hybrid nanofibrous mat was then annealed for 24 hours to complete the phase dispersion of CA and PVP. Then, the mat was hydrolyzed/deacetylated by immersing the mat in an aqueous NaOH solution for 24 hours. This process also dissolves/removes PVP from the mat. The resulting hybrid nanofibrous mat consisting of regenerated cellulose nanofibers and PAN nanofibers was rinsed with distilled water and dried.
[実施例4]
CA/PEO複合ナノファイバー及びナイロン6単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、クロロホルム(CHCl3)、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)、ナイロン6、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
[Example 4]
Preparation of hybrid nanofiber felt of CA/PEO composite nanofiber and nylon 6 single component nanofiber Cellulose acetate (CA), polyethylene oxide (PEO), chloroform (CHCl 3 ), hexafluoroisopropanol (HFIP), nylon 6, and Diethylaminoethyl chloride was purchased from Sigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI).
ナイロン6及びCA+PEOのスピンドープを別々に調製した。簡潔に言えば、ナイロン6スピンドープの調製については、ポリマーをHFIPに溶解した。CA+PEOスピンドープについては、ジエチルアミノエチルクロリドを有するCHCl3/DMF中のCAプラスPEOを調製した。 Nylon 6 and CA+PEO spin dopes were prepared separately. Briefly, for the preparation of nylon 6 spin dope, the polymer was dissolved in HFIP. For CA+PEO spin dope, CA plus PEO in CHCl 3 /DMF with diethylaminoethyl chloride was prepared.
電界紡糸プロセス時に、ナイロン6又はCA+PEOのスピンドープを投入した2本の注射器を実験室で生産されたローラーの反対側に置いた。総合的に見て、電界紡糸プロセスは非常に安定であり、長時間(>48時間)持続可能であり、CA+PEO複合ナノファイバー及びナイロン6ナノファイバーからなる(自立している又は医療用綿ガーゼに支持させた)電界紡糸ハイブリッドナノ繊維状マットを、ローラーを覆っている電気接地したアルミニウム箔上に収集した。 During the electrospinning process, two syringes loaded with nylon 6 or CA+PEO spin dope were placed on opposite sides of the lab-produced roller. Overall, the electrospinning process is very stable, can last for a long time (>48 hours) and consists of CA+PEO composite nanofibers and nylon 6 nanofibers (freestanding or medical cotton). The electrospun hybrid nanofibrous mat (supported by gauze) was collected on an electrically grounded aluminum foil covering the roller.
次いで、電界紡糸したままのCA+PEO+ナイロン6ハイブリッドナノ繊維状マットを24時間アニールして、CA及びPEOの相分散を完了した。その後、マットをNaOH水溶液に24時間浸漬することによって加水分解/脱アセチル化した。このプロセスはまた、PEOをマットから溶解/除去する。再生セルロースナノファイバー及びナイロン6ナノファイバーからなる得られたハイブリッドナノ繊維状マットを蒸留水ですすぎ、乾燥した。 The as-electrospun CA+PEO+nylon 6 hybrid nanofibrous mat was then annealed for 24 hours to complete the phase dispersion of CA and PEO. Then, the mat was hydrolyzed/deacetylated by immersing the mat in an aqueous NaOH solution for 24 hours. This process also dissolves/removes PEO from the mat. The resulting hybrid nanofibrous mat consisting of regenerated cellulose nanofibers and nylon 6 nanofibers was rinsed with distilled water and dried.
[実施例5]
CA/PVP複合ナノファイバー及びナイロン6単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、クロロホルム(CHCl3)、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)、ナイロン6、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
[Example 5]
Preparation of hybrid nanofiber felt of CA/PVP composite nanofiber and nylon 6 single component nanofiber Cellulose acetate (CA), polyvinylpyrrolidone (PVP), chloroform (CHCl 3 ), hexafluoroisopropanol (HFIP), nylon 6, and Diethylaminoethyl chloride was purchased from Sigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI).
ナイロン6及びCA+PVPのスピンドープを別々に調製した。簡潔に言えば、ナイロン6スピンドープの調製については、ナイロン6をHFIPに溶解して、溶液を作製した。CA+PEOスピンドープについては、ジエチルアミノエチルクロリドを有するCHCl3/DMF中のCAプラスPVPを調製した。 Nylon 6 and CA+PVP spin dopes were prepared separately. Briefly, for the preparation of nylon 6 spin dope, nylon 6 was dissolved in HFIP to make a solution. For CA+PEO spin dope, CA plus PVP in CHCl 3 /DMF with diethylaminoethyl chloride was prepared.
電界紡糸プロセス時に、ナイロン6又はCA+PVPのスピンドープを投入した2本の注射器を実験室で生産されたローラーの反対側に置いた。総合的に見て、電界紡糸プロセスは非常に安定であり、長時間(>48時間)持続可能であり、CA+PVP複合ナノファイバー及びナイロン6ナノファイバーからなる(自己支持している又は医療用綿ガーゼに支持させた)電界紡糸ハイブリッドナノ繊維状マットを、ローラーを覆っている電気接地したアルミニウム箔上に収集した。 During the electrospinning process, two syringes loaded with Nylon 6 or CA+PVP spin dope were placed on opposite sides of the laboratory produced roller. Overall, the electrospinning process is very stable, long-lasting (>48 hours) and consists of CA+PVP composite nanofibers and nylon 6 nanofibers (self-supporting or medical Electrospun hybrid nanofibrous mats (supported by cotton gauze) were collected on an electrically grounded aluminum foil covering the rollers.
次いで、電界紡糸したままのCA+PVP+ナイロン6ハイブリッドナノ繊維状マットを24時間アニールして、CA及びPVPの相分散を完了した。その後、マットをNaOH水溶液に24時間浸漬することによって加水分解/脱アセチル化した。このプロセスはまた、PVPをマットから溶解/除去する。再生セルロースナノファイバー及びナイロン6ナノファイバーからなる得られたハイブリッドナノ繊維状マットを蒸留水ですすぎ、乾燥した。 The as-electrospun CA+PVP+nylon 6 hybrid nanofibrous mat was then annealed for 24 hours to complete the phase dispersion of CA and PVP. Then, the mat was hydrolyzed/deacetylated by immersing the mat in an aqueous NaOH solution for 24 hours. This process also dissolves/removes PVP from the mat. The resulting hybrid nanofibrous mat consisting of regenerated cellulose nanofibers and nylon 6 nanofibers was rinsed with distilled water and dried.
[実施例6]
単一成分及びハイブリッドナノファイバーフェルトの性能評価
バッチ吸着、動的吸着、フロー分散及び透過性について、単一成分ナノファイバーマット(実施例1)及びハイブリッドナノファイバーマット(実施例2〜6)を用いた研究を市販の再生セルロース吸着膜及び綿ボールと比較した。市販のセルロース膜及び綿ボールは、単一成分ナノファイバーフェルト及びハイブリッドナノファイバーフェルトと同じ電界紡糸後処理を、試験する前に受けた。
[Example 6]
Performance Evaluation of Single Component and Hybrid Nanofiber Felts Single component nanofiber mats (Example 1) and hybrid nanofiber mats (Examples 2-6) were used for batch adsorption, dynamic adsorption, flow dispersion and permeability. The studies were compared with commercial regenerated cellulose adsorbent membranes and cotton balls. Commercially available cellulose membranes and cotton balls underwent the same electrospinning post-treatments as single component nanofiber felts and hybrid nanofiber felts before testing.
バッチ吸着実験を完了して、ラングミュア平衡吸着等温線を決定した。バッチ解析では、単一成分フェルト、ハイブリッドフェルト、市販のセルロース及び綿ボールをバッファーですすぎ、約1cm2の個々の小片に裁断し、秤量した。各媒体について、次いで、個々の小片(約100mg)の10個を15ミリリットル(mL)遠心管に入れた。標的タンパク質のストック溶液を既知質量の凍結乾燥タンパク質とバッファーを混合することによって2.0mg/mLで調製した。ストック溶液とバッファーの適切な組合せを、裁断されたフェルト小片、市販のセルロース膜、又は綿ボールを含有している各試験管に添加して、各試験管の最終液量を14mL及び初期のタンパク質濃度をタンパク質0.0mg/mLから2.0mg/mLの間とした。異なる初期のタンパク質濃度のそれぞれから1.0mLの液体試料を直ちに採取し、280nmでUV吸光度測定した。次いで、試料を1分当たり約40回転(rpm)で回転する転倒型ミキサーに入れた。最低24時間混合した後、各試料の液体を取り出し、Thermo Electron Corporation (Madison, WI)から購入したGenesys 10 UV分光光度計を用いて、タンパク質濃度をUV-280nm吸光度で決定した。差により、フェルトに吸着されたタンパク質を算出することができた。2.0mgのタンパク質/mL及びフェルトなしの試験管も調製して、試験管表面に吸着するタンパク質の可能性を評価した。試験管表面への吸着は見られなかった。同様に、対照を監視して、UV-280nm吸光度に寄与する可能性がある浸出した化学物質の可能性、及び非誘導体化膜へのタンパク質の非特異的結合(NaOHを用いた再生後)を評価した。試料のいずれについても、浸出も非特異的結合も観察されなかった。次いで、ラングミュア吸着等温線を作成し、モデリング定数(Qmax及びKd)を次式への最小二乗回帰適合によって決定した。 The batch adsorption experiment was completed and the Langmuir equilibrium adsorption isotherm was determined. For batch analysis, single component felts, hybrid felts, commercial cellulose and cotton balls were rinsed with buffer, cut into individual pieces of approximately 1 cm 2 and weighed. For each medium, 10 individual pieces (about 100 mg) were then placed in a 15 milliliter (mL) centrifuge tube. A stock solution of target protein was prepared at 2.0 mg/mL by mixing a known mass of lyophilized protein with buffer. Appropriate combination of stock solution and buffer was added to each test tube containing chopped felt pieces, commercial cellulose membranes or cotton balls to give a final volume of 14 mL of each tube and initial protein. The concentration was between 0.0 mg/mL and 2.0 mg/mL of protein. A 1.0 mL liquid sample was taken immediately from each of the different initial protein concentrations and UV absorbance was measured at 280 nm. The sample was then placed in an inversion mixer rotating at about 40 revolutions per minute (rpm). After mixing for a minimum of 24 hours, the liquid of each sample was removed and the protein concentration was determined by UV-280 nm absorbance using a Genesys 10 UV spectrophotometer purchased from Thermo Electron Corporation (Madison, WI). From the difference, the protein adsorbed on the felt could be calculated. 2.0 mg protein/mL and felt-free tubes were also prepared to assess the potential for protein adsorption on the tube surface. No adsorption was observed on the surface of the test tube. Similarly, controls were monitored for possible leached chemicals that may contribute to UV-280 nm absorbance, and non-specific binding of protein to underivatized membranes (after regeneration with NaOH). evaluated. No leaching or non-specific binding was observed for any of the samples. Langmuir adsorption isotherms were then generated and the modeling constants (Q max and K d ) were determined by least squares regression fit to
以下の表2に示す結果から、電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトが最も高い容量を有し、その後に単一成分セルロースナノファイバーフェルトが続いたことが示された。両ナノファイバー系吸着材料はすべての平衡液相濃度において市販のセルロース系吸着媒体のいずれよりも大幅に高い飽和容量を有した。再生セルロースマイクロファイバーフェルト及び綿ボールは最も低い結合能を示した。独特なナノファイバーフェルト形態と組み合わせられた高い比表面積は、結合能の増大に起因する。どの場合でも、タンパク質の定量的な溶離を行うことができる。 The results shown in Table 2 below showed that electrospun hybrid nanofiber felts had the highest capacity, followed by single-component cellulose nanofiber felts. Both nanofiber-based adsorbent materials had significantly higher saturation capacities than any of the commercially available cellulosic adsorbent media at all equilibrium liquid phase concentrations. Regenerated cellulose microfiber felt and cotton balls showed the lowest binding capacity. The high specific surface area combined with the unique nanofiber felt morphology is due to the increased binding capacity. In all cases, quantitative elution of proteins can be performed.
単一成分及びハイブリッドナノファイバーフェルト並びに市販の再生セルロース吸着膜を通過するバッファーの透過性を測定した。透過性値が高くなるほど、より高い処理量(より早い処理時間)及び/又はより低い圧力で操作する能力を示す。これらは両方とも、著しい利益を製造プロセスにもたらす。小スケールの「コイン」膜吸着ホルダーをすべての実験で利用した。そのユニットは約1.5cm2の有効濾過面積を可能にし、O型リングで密封して、漏れを防ぐ。最初に、膜ホルダーを定位置に置いているが、膜を存在させていないシステムだけの圧力損失を2.0mL/分〜30.0mL/分に及ぶ流速で評価した。次いで、様々な流速で圧力損失を測定しながら、ナノファイバーフェルト又は市販の膜それぞれの層を連続的にユニットに加えた。各フェルト/膜について、1、3、5、7、及び9層を評価した。フェルト/膜を定位置で用いて測定された圧力損失から、システムの圧力損失を差し引いて、各流速におけるフェルト/膜の透過性を算出した。最小の5流速及び対応する圧力の読み取りを異なる層数のそれぞれについて行った。 The permeability of the buffer through single component and hybrid nanofiber felts and commercially available regenerated cellulose adsorption membranes was measured. Higher permeability values indicate higher throughput (faster treatment time) and/or the ability to operate at lower pressure. Both of these bring significant benefits to the manufacturing process. A small scale "coin" membrane adsorption holder was used in all experiments. The unit allows an effective filtration area of about 1.5 cm 2 and is sealed with an O-ring to prevent leaks. Initially, the pressure drop of only the system with the membrane holder in place but no membrane was evaluated at flow rates ranging from 2.0 mL/min to 30.0 mL/min. The layers of nanofiber felt or commercial membrane, respectively, were then sequentially added to the unit while measuring the pressure drop at various flow rates. For each felt/membrane, 1, 3, 5, 7, and 9 layers were evaluated. The pressure drop of the system was subtracted from the pressure drop measured using the felt/membrane in place to calculate the permeability of the felt/membrane at each flow rate. A minimum of 5 flow rates and corresponding pressure readings were taken for each different number of layers.
以下の表3に示すように、ハイブリッドナノファイバーフェルトの積み重ねを通過するバッファーの透過性は単一成分フェルトより大幅に高く、単一成分ナノファイバーフェルトの透過性は対応する市販の再生セルロース試料の透過性より少なくとも5倍高い。また、比較のために、Sepharose Fast Flowの15cmの充填層は製造業者によって約7L/(分・m2・105Pa)の透過性を有することが報告され、官能基化された市販の膜と同様であったが、ナノフェルトよりはるかに低かった。 As shown in Table 3 below, the permeability of the buffer through the stack of hybrid nanofiber felts is significantly higher than that of the single component felt, and the permeability of the single component nanofiber felts is comparable to that of the corresponding commercially available regenerated cellulose sample. At least 5 times higher than permeability. Also, for comparison, a 15 cm packed bed of Sepharose Fast Flow was reported by the manufacturer to have a permeability of about 7 L/(min·m 2 ·10 5 Pa), a functionalized commercial membrane. But much lower than the nanofelt.
システム分散分析をハイブリッド及び単一成分ナノファイバーフェルト及び市販の再生セルロース吸着膜について行って、定位置に存在する異なる層数を用いて軸混合の程度を決定した。より低い軸混合(よりよいフロー分散)が、吸着プロセス時におけるチャネリング及び早期漏出を最小限に抑えるには望ましい。プロセス全体を通して流速を1.0mL/分で維持した点以外は、透過性分析に使用されたのと同じ配置をシステム分散試験に使用した。フェルト/膜の積み重ねをバッファーで平衡化した後、バッファー中1%(体積含有率)のアセトンの溶液をシステムに添加した。UV-280nmにおけるオンライン吸光度をモニターし、得られた曲線を分析して、次式の最小二乗適合によりペクレ(Pe)数を算出した。 System ANOVA was performed on hybrid and single component nanofiber felts and commercially available regenerated cellulose adsorbent membranes to determine the extent of axial mixing using the number of different layers in place. Lower axial mixing (better flow distribution) is desirable to minimize channeling and premature leakage during the adsorption process. The same arrangement used for permeability analysis was used for the system dispersion test except that the flow rate was maintained at 1.0 mL/min throughout the process. After equilibrating the felt/membrane stack with buffer, a solution of 1% (volume content) acetone in buffer was added to the system. The on-line absorbance at UV-280nm was monitored and the resulting curves were analyzed to calculate the Peclet (Pe) number by least squares fit of
以下の表4に、様々な層数のハイブリッド及び単一成分ナノファイバーマット及び市販の再生セルロースフェルト/膜層について決定されたPe数の結果をまとめる。結果は、本研究で生成されたナノファイバーフェルトが類似の流体力学を有することを示している。 Table 4 below summarizes the Pe number results determined for various numbers of layers of hybrid and single component nanofiber mats and commercial regenerated cellulose felt/membrane layers. The results show that the nanofiber felts produced in this study have similar hydrodynamics.
動的漏出分析(Dynamic breakthrough analyses)を完了して、フロー条件下で操作される場合の吸着効率を評価した。低漏出%において容量が高くなるほど、より効率的な吸着剤材料になることを示す。動的漏出実験は、製造業者の勧めに従ってPall Mustangコインホルダーを使用して完了した。ナノファイバーフェルト又は市販の膜いずれかの9層を分析で使用した。実験はすべて、AKTA Purifier(GE Healthcare, Piscataway, NJ)で操作され、UV-280nm吸光度、pH、及び伝導率をオンライン測定し、Unicornソフトウェアバージョン5.01で制御した。画分は、システムによって自動的に0.60mLずつ(約2ベッドボリューム)収集した。最低10ベッドボリュームを平衡化に使用した。100%バッファーBへのステップ溶離(1.0M NaClを添加した平衡化バッファー)を各実験について使用した。すべての動的漏出試験では、流速を1.0mL/分の値で維持した。バッファー中1.5mg/mLで調製されたタンパク質貯蔵液を、漏出100%が実現されるまで投入した。次いで、フェルトを脱着前に最低10ベッドベッドボリュームのバッファーで洗浄した。すべての溶離液(投入、洗浄、及び溶離時におけるフロースルー)を収集し、秤量して、体積を決定し、タンパク質濃度をUV-280nm吸光度で分析した。次いで、タンパク質質量収支を、投入された体積及びプロセス時に収集したすべての画分に基づいて算出した。 Dynamic breakthrough analyzes were completed to evaluate adsorption efficiency when operated under flow conditions. It is shown that higher capacity at low leakage% results in more efficient adsorbent material. The dynamic leak experiment was completed using a Pall Mustang coin holder according to the manufacturer's recommendations. Nine layers of either nanofiber felt or commercial membrane were used in the analysis. All experiments were run on an AKTA Purifier (GE Healthcare, Piscataway, NJ), UV-280nm absorbance, pH, and conductivity were measured online and controlled with Unicorn software version 5.01. Fractions were automatically collected by the system in 0.60 mL aliquots (approximately 2 bed volumes). A minimum of 10 bed volumes was used for equilibration. Step elution to 100% buffer B (equilibration buffer supplemented with 1.0 M NaCl) was used for each experiment. The flow rate was maintained at a value of 1.0 mL/min for all dynamic leak tests. Protein stock solution prepared at 1.5 mg/mL in buffer was dosed until 100% leakage was achieved. The felt was then washed with a minimum of 10 bed volumes of buffer before desorption. All eluents (flow-through on loading, washing, and elution) were collected, weighed, volume determined, and protein concentration analyzed by UV-280 nm absorbance. The protein mass balance was then calculated based on the volume input and all fractions collected during the process.
任意の吸着システムの最終的な実施評価は動的漏出分析であり、平衡結合能、吸着速度論、及びシステム分散の組合せである。また、結合している分子が他の不純物から選択的に溶離される必要がないフロースルーモードの操作に、容量を直接適用することでもある。 The final performance evaluation of any adsorption system is a dynamic breakthrough analysis, which is a combination of equilibrium binding capacity, adsorption kinetics, and system dispersion. It is also a direct application of volume for flow-through mode operation in which bound molecules do not need to be selectively eluted from other impurities.
以下の表5は、ナノファイバーフェルト及び市販の再生セルロース吸着膜で漏出10%におけるタンパク質の動的結合容量を示す。ハイブリッドナノファイバーマットは、動的容量が評価した他のいかなる吸着媒体と比較しても実質的に高かった。さらに、溶離の結果から、実験の不確実性の範囲内で、タンパク質の溶離は各吸着システムについて完全であり、全体の質量収支で損失は認められなかったことが示された。 Table 5 below shows the dynamic binding capacity of proteins at 10% leak with nanofiber felt and commercial regenerated cellulose adsorption membranes. The hybrid nanofiber mats were substantially higher in dynamic capacity compared to any other adsorbent media evaluated. Furthermore, the elution results showed that within the uncertainty of the experiment, the protein elution was complete for each adsorption system and no loss was observed in the overall mass balance.
（付記）
（付記１）
複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーを含む電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトであって、複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第1の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第2の非セルロース系ポリマーを含み、第1及び第2の非セルロース系ポリマーはナノファイバーフェルトから差次的に除去可能であるナノファイバーフェルト。
（付記２）
誘導体化セルロースが、セルロースの有機エステル、セルロースの無機エステル及びアルキルセルロースからなる群から選択される、付記1に記載のナノファイバーフェルト。（付記３）
誘導体化セルロースが、酢酸セルロース、三酢酸セルロース及びプロピオン酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの有機エステルを含む、付記2に記載のナノファイバーフェルト。
（付記４）
誘導体化セルロースが、硝酸セルロース及び硫酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの無機エステルを含む、付記2に記載のナノファイバーフェルト。
（付記５）
誘導体化セルロースが、ヒドロキシエチルセルロース及びカルボキシメチルセルロースからなる群から選択されるアルキルセルロースを含む、付記2に記載のナノファイバーフェルト。
（付記６）
第1の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、付記1に記載のナノファイバーフェルト。
（付記７）
合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリエーテル、アクリルポリマー、ポリエステル、ポリカーボナート及びポリウレタンからなる群から選択される、付記6に記載のナノファイバーフェルト。
（付記８）
第1の非セルロース系ポリマーが天然ポリマーを含む、付記1に記載のナノファイバーフェルト。
（付記９）
天然ポリマーが、多糖、ポリアミド及びポリラクチドからなる群から選択される、付記8に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１０）
天然ポリマーが、デンプン及びキチンからなる群から選択される多糖である、付記9に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１１）
天然ポリマーが、タンパク質及びゼラチンからなる群から選択されるポリアミドである、付記9に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１２）
第2の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、付記1に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１３）
合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリアミド、ポリイミド及びポリエステルからなる群から選択される、付記12に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１４）
第1の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、付記6に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１５）
第2の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、付記12に記載のナノファイバーフェルト。
（付記１６）
付記1に記載のナノファイバーフェルトを作製する電界紡糸方法であって、
a)複合ポリマースピンドープ及び単一成分ポリマースピンドープを別々に調製するステップと、
b)スピンドープを異なる2つの紡糸口金に入れるステップ、
c)各スピンドープに電極を用いて電圧をかけるステップ、
d)紡糸口金からの複合及び単一成分ナノファイバーを別々に電界紡糸するステップ、及び
e)固化したナノファイバーを、ランダムに重ね合わせた又は部分的に整列させたナノファイバーフェルトとして収集するステップ
を含む方法。
（付記１７）
誘導体化セルロースをセルロースに変換するステップをさらに含む、付記14に記載の方法。
（付記１８）
ナノファイバーフェルト中の複合ナノファイバーから非セルロース系の第1のポリマーの少なくとも一部分を除去するステップをさらに含む、付記14に記載の方法。
（付記１９）
ナノファイバーフェルト中のナノファイバーの1つ以上を表面官能基化するステップをさらに含む、付記14に記載の方法。
（付記２０）
表面官能基化が親和性リガンドの結合を含む、付記17に記載の方法。
（付記２１）
生体分子を流体から精製する方法であって、
a)付記14に記載のナノファイバーフェルトを調製するステップ、
b)流体をナノファイバーフェルトに流すステップ、及び
c)生体分子をナノファイバーフェルトから回収するステップ
を含む方法。
(Appendix)
(Appendix 1)
An electrospun hybrid nanofiber felt comprising a composite nanofiber and a single-component nanofiber, the composite nanofiber comprising a mixture of derivatized cellulose and a first non-cellulosic polymer, the single-component nanofiber comprising a second A nanofiber felt comprising a non-cellulosic polymer, wherein the first and second non-cellulosic polymers are differentially removable from the nanofiber felt.
(Appendix 2)
The nanofiber felt according to Appendix 1, wherein the derivatized cellulose is selected from the group consisting of organic esters of cellulose, inorganic esters of cellulose and alkyl cellulose. (Appendix 3)
The nanofiber felt according to Appendix 2, wherein the derivatized cellulose comprises an organic ester of cellulose selected from the group consisting of cellulose acetate, cellulose triacetate and cellulose propionate.
(Appendix 4)
The nanofiber felt according to Appendix 2, wherein the derivatized cellulose comprises an inorganic ester of cellulose selected from the group consisting of cellulose nitrate and cellulose sulfate.
(Appendix 5)
3. The nanofiber felt according to appendix 2, wherein the derivatized cellulose comprises an alkyl cellulose selected from the group consisting of hydroxyethyl cellulose and carboxymethyl cellulose.
(Appendix 6)
The nanofiber felt of Appendix 1, wherein the first non-cellulosic polymer comprises a synthetic polymer.
(Appendix 7)
7. The nanofiber felt according to appendix 6, wherein the synthetic polymer is selected from the group consisting of vinyl polymers, polyethers, acrylic polymers, polyesters, polycarbonates and polyurethanes.
(Appendix 8)
7. The nanofiber felt according to Appendix 1, wherein the first non-cellulosic polymer comprises a natural polymer.
(Appendix 9)
Nanofiber felt according to claim 8 wherein the natural polymer is selected from the group consisting of polysaccharides, polyamides and polylactides.
(Appendix 10)
10. The nanofiber felt according to Appendix 9, wherein the natural polymer is a polysaccharide selected from the group consisting of starch and chitin.
(Appendix 11)
10. The nanofiber felt according to Appendix 9, wherein the natural polymer is a polyamide selected from the group consisting of proteins and gelatin.
(Appendix 12)
The nanofiber felt of Appendix 1, wherein the second non-cellulosic polymer comprises a synthetic polymer.
(Appendix 13)
13. The nanofiber felt according to appendix 12, wherein the synthetic polymer is selected from the group consisting of vinyl polymers, polyamides, polyimides and polyesters.
(Appendix 14)
7. The nanofiber felt according to appendix 6, wherein the first non-cellulosic polymer is a copolymer.
(Appendix 15)
13. The nanofiber felt according to appendix 12, wherein the second non-cellulosic polymer is a copolymer.
(Appendix 16)
An electrospinning method for producing the nanofiber felt according to Appendix 1,
a) separately preparing a composite polymer spin dope and a single component polymer spin dope,
b) putting the spin dope into two different spinnerets,
c) applying a voltage to each spin dope using an electrode,
d) separately electrospinning the composite and single component nanofibers from the spinneret, and
e) collecting the solidified nanofibers as randomly superposed or partially aligned nanofiber felts
Including the method.
(Appendix 17)
15. The method of claim 14 further comprising converting the derivatized cellulose to cellulose.
(Appendix 18)
15. The method of clause 14, further comprising removing at least a portion of the non-cellulosic first polymer from the composite nanofibers in the nanofiber felt.
(Appendix 19)
15. The method of claim 14 further comprising the step of surface functionalizing one or more of the nanofibers in the nanofiber felt.
(Appendix 20)
The method of claim 17, wherein the surface functionalization comprises binding an affinity ligand.
(Appendix 21)
A method for purifying a biomolecule from a fluid, comprising:
a) a step of preparing the nanofiber felt according to appendix 14,
b) flowing a fluid through the nanofiber felt, and
c) Step of recovering biomolecule from nanofiber felt
Including the method.
Claims (7)
複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第１の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第２の非セルロース系ポリマーを含み、第１及び第２の非セルロース系ポリマーはナノファイバーフェルトから差次的に除去可能であり、誘導体化セルロースがハイブリッドナノファイバーフェルトの質量で５１％以上であり、
前記方法は、
ａ）複合ポリマースピンドープ及び単一成分ポリマースピンドープを別々に調製するステップと、
ｂ）スピンドープを異なる２つの紡糸口金に入れるステップ、
ｃ）各スピンドープに電極を用いて電圧をかけるステップ、
ｄ）紡糸口金からの複合及び単一成分ナノファイバーを別々に電界紡糸するステップ、及び
ｅ）固化したナノファイバーを、ランダムに重ね合わせた又は部分的に整列させたナノファイバーフェルトとして収集するステップ
を含み、誘導体化セルロースをセルロースに変換するステップをさらに含む、
方法。 An electrospinning method for making an electrospun hybrid nanofiber felt comprising composite nanofibers and single component nanofibers, comprising :
The composite nanofibers include a mixture of derivatized cellulose and a first non-cellulosic polymer, the single component nanofibers include a second non-cellulosic polymer, and the first and second non-cellulosic polymers are nanofiber felts. Can be differentially removed from, and the derivatized cellulose is 51% or more by mass of the hybrid nanofiber felt,
The method is
a) preparing the composite polymer spin dope and the single-component polymer spin dope separately,
b) putting the spin dope into two different spinnerets,
c) applying a voltage to each spin dope using an electrode,
d) separate electrospinning of the composite and single component nanofibers from the spinneret, and e) collecting the solidified nanofibers as randomly superposed or partially aligned nanofiber felts. seen including, further comprising converting the derivatized cellulose to the cellulose,
Method.
ａ）複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーを含む電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトを調製するステップであって、
複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第１の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第２の非セルロース系ポリマーを含み、第１及び第２の非セルロース系ポリマーはナノファイバーフェルトから差次的に除去可能であり、誘導体化セルロースがハイブリッドナノファイバーフェルトの質量で５１％以上であり、
第１の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含み、
第１の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、
ステップ、
ｂ）流体をナノファイバーフェルトに流すステップ、及び
ｃ）生体分子をナノファイバーフェルトから回収するステップ
を含む方法。 A method for purifying a biomolecule from a fluid, comprising:
a) preparing an electrospun hybrid nanofiber felt comprising composite nanofibers and single component nanofibers ,
The composite nanofibers include a mixture of derivatized cellulose and a first non-cellulosic polymer, the single component nanofibers include a second non-cellulosic polymer, and the first and second non-cellulosic polymers are nanofiber felts. Can be differentially removed from, and the derivatized cellulose is 51% or more by mass of the hybrid nanofiber felt,
The first non-cellulosic polymer comprises a synthetic polymer,
The first non-cellulosic polymer is a copolymer,
Step,
b) flowing a fluid through the nanofiber felt, and c) collecting biomolecules from the nanofiber felt.
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