KR20100022499A - 실리카 입자 및 이의 제조방법 및 사용방법 - Google Patents

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올테크 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

실리카 입자 및 실리카 입자를 함유하는 조성물이 개시되어 있다. 실리카 입자의 제조 방법 및 실리카 입자의 사용방법도 개시되어 있다.

Description

실리카 입자 및 이의 제조방법 및 사용방법{SILICA PARTICLES AND METHODS OF MAKING AND USING THE SAME}
본 발명은 실리카 입자, 실리카 입자를 함유하는 조성물, 실리카 입자의 제조방법, 및 실리카 입자의 사용방법에 관한 것이다.
고압력 액체 크로마토그래피(HPLC) 컬럼에서, 충전 매체(packing media)는, 조밀한 분리 매체를 제공하기 위해서 비교적 높은 충전 압력에 적용된다. 예를 들어, 1500psi까지 또는 그 이상의 충전 압력이 전형적인 충전 압력이다. 이러한 높은 충전 압력에 노출되는 동안, 예를 들어 실리카 입자와 같은 충전 매체의 일부는 분쇄되어 입자형 물질인 미립자를 형성한다. 충전 과정 동안 발생하는 미립자의 양이 증가하면, 이로서 한정하는 것은 아니지만, 컬럼을 통한 유체 유동에 대한 과도한 저항, 컬럼을 통과하는 불균일 유체, 및 감소된 컬럼 효율을 비롯한 여러 가지의 공정상의 문제점이 유발될 수 있다.
당업계에서는 최적의 영 모듈러스(Young's modulus)를 가져서 컬럼 충전 동안만 적당하게 입자가 탄성적으로 항복하는, 실리카 입자와 같은 입자를 개발하는 노력이 계속되고 있다. 입자 모듈러스가 너무 낮으면, 과도한 탄성 입자 변형이 전술한 바와 같은 공정상의 문제점(예를 들어, 유체 유동에 대한 높은 저항)을 유발한다. 그러나, 입자 모듈러스가 너무 높으면, 입자들의 컬럼은 적절한 안정성이 부족해질 수 있다. 모듈러스가 매우 높은 입자는, 사용 중에 또는 시스템에 대한 기계적 충격에 의해 위치를 이동하여 유체 유동의 균일성이 열화되고 컬럼 효율이 감소된다.
당업계에는, 충전된 컬럼에서 사용하는 경우, 컬럼내에서 "내부 스프링 효과(internal spring effect)"를 유발하는, 즉 충전 압력에 적용되는 경우 실리카 입자가 어느 정도 압축하지만, 파손에 대한 내성을 갖는, 최적의 탄성 모듈러스를 갖는 실리카 입자에 대한 요구가 계속되고 있다.
발명의 요약
본 발명은 신규한 실리카 입자를 발견함으로써, 전술한 어려움 및 문제점 중 일부를 해소한다. 실리카 입자는, 실리카 입자로 충전된 컬럼 내부에서 "내부 스프링 효과"를 제공하는, 최적의 영 모듈러스를 갖는다. 실리카 입자는, 소성 변형(plastic deformation)에 대해 높은 내성을 갖는 안쪽(interior)과 탄성 변형(elastic deformation)에 대해 낮은 내성(즉, 낮은 탄성 모듈러스)을 갖는 표면을 갖는 것으로 여겨진다. 새로운 실리카 입자는 크로마토그래피 매체로서 고압 액체 크로마토그래피(HPLC) 컬럼에서 사용하기에 특히 적당하다. 신규한 실리카 입자는 전형적으로 고도로 구형이고, 다공성이고, 본질적으로 거대-구멍이 없 고(macro-void free), 무정형인 실리카 입자이고, 표면 개질-부재(즉, 미결합형 또는 일반적인 상) 또는 표면 개질-존재(즉, 결합형 또는 역상, HIC 등) 둘다에서 크로마토그래피 매체로서 사용될 수 있다.
하나의 예시적인 실시양태에서, 본 발명의 실리카 입자는 (i) 제 1 탄성 모듈러스를 갖는 안쪽 부분 및 (ii) 제 2 탄성 모듈러스를 갖는 입자의 외면(outer surface) 부분을 포함하고, 이때 상기 제 1 탄성 모듈러스가 제 2 탄성 모듈러스보다 큰, 다공성 실리카 입자를 포함한다. 상기 차이는, 주어진 실리카 입자내 탄성 모듈러스가 실리카 입자내 영역의 변하는 공극 밀도의 결과일 수 있다는 점이다. 예를 들어, 실리카 입자의 안쪽 영역은 동일한 실리카 입자의 외면 영역 보다 낮은 공극 밀도를 가질 수 있다.
또다른 예시적인 실시양태에서, 본 발명의 실리카 입자는 약 100MPa 이상의 소성 변형 및 약 4GPa 미만의 탄성 변형을 갖는 다공성 실리카 입자를 포함한다. 높은 소성 변형 및 낮은 탄성 변형은, 이러한 실리카 입자가, 크로마토그래피 매체로서 사용되는 경우, 입자에 대한 손상 없이 크로마토그래피 컬럼내에 효과적으로 충전되도록 한다.
본 발명은 또한 실리카 입자의 제조방법에 관한 것이다. 하나의 예시적인 방법에서, 실리카 입자의 제조방법은, 유기실리케이트를 부분적으로 가수분해하여 부분적-가수분해 물질을 형성하는 단계; 상기 부분적-가수분해 물질을 증류하여 임의의 에틸 알콜을 제거하고 증류된 부분적-가수분해 물질을 형성하는 단계; 상기 증류된 부분적-가수분해 물질을 극성 연속상에 유화시켜 극성 연속상 중에 부분적- 가수분해 실리케이트의 액적을 형성하는 단계; 상기 액적을, 암모늄 하이드록사이드와의 축합 반응을 통해 겔화하여, 구형 다공성 입자를 형성하는 단계; 상기 구형 다공성 입자를 세척하는 단계; 상기 구형 다공성 입자를 열수작용에 의해 숙성하는 단계; 및 상기 구형 다공성 입자를 건조시켜 건조된 다공성 입자를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명은 추가로 실리카 입자의 사용방법에 관한 것이다. 실리카 입자를 사용하는 하나의 예시적인 방법에서, 상기 방법은 크로마토그래피 컬럼에 하나 이상의 다공성 실리카 입자를 도입하는 단계를 포함하는 크로마토그래피 컬럼의 제조방법을 포함하며, 상기 다공성 실리카 입자는 (i) 제 1 탄성 모듈러스를 갖는 안쪽 부분 및 (ii) 제 2 탄성 모듈러스를 갖는 입자의 외면 부분을 포함하고, 이때 상기 제 1 탄성 모듈러스가 제 2 탄성 모듈러스보다 크다. 추가로, 실리카 입자를 사용하는 예시적인 방법은, 전술한 크로마토그래피 컬럼을 사용하여, 크로마토그래피 컬럼을 통과시키면서 하나 이상의 물질을 다른 물질로부터 분리하는 전술한 크로마토그래피 컬럼의 사용을 포함할 수 있다.
본 발명은 추가로 크로마토그래피 컬럼, 크로마토그래피 컬럼의 제조방법, 및 크로마토그래피 컬럼의 사용방법에 관한 것으로, 상기 크로마토그래피 컬럼은 (i) 제 1 탄성 모듈러스를 갖는 안쪽 부분 및 (ii) 제 2 탄성 모듈러스를 갖는 입자의 외면 부분을 포함하고, 이때 상기 제 1 탄성 모듈러스가 제 2 탄성 모듈러스보다 큰, 하나 이상의 다공성 실리카 입자를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징과 장점 및 다른 특징과 장점은, 후술되는 개시된 실 시양태의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 검토함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실리카 입자의 확대도를 도시한다.
도 2A는 계단형 특성 구배를 갖는 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 단면도를 도시한다.
도 2B는 실질적으로 연속적인 특성 구배를 갖는 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 단면도를 도시한다.
도 3은 HPLC 컬럼에 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자를 충전하기 전 및 후의 입자 크기 분석을 도시한다.
도 4는 HPLC 컬럼에 충전한 후, 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 도시한다.
도 5는 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 컬럼 충전 효율을 도시한다.
도 6은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 7은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 순수한 합성 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 8은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 조질의 합성 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 9는 종래의 실리카 입자 및 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자를 사용하는 조질의 20-AA 합성 펩타이드의 크로마토그래프를 도시한다.
도 10은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명의 예시적인 실리카 입자의 혈관작동성 장 펩타이드 (VIP) 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 11은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 인슐린 적재능을 도시한다.
본 발명의 원리에 대한 이해를 증진시키기 위해서, 발명의 구체적인 실시양태에 대한 설명이 뒤따르고, 구체적인 언어를 사용하여 구체적인 실시양태를 설명한다. 그럼에도 불구하고, 구체적인 언어의 사용이 본 발명의 범주를 임의로 제한하고자 하는 것은 아님이 이해되어야 할 것이다. 논의되는 본 발명의 원리의 변경, 추가의 개조 및 추가의 적용도 당분야의 숙련자에게라면 일반적으로 본 발명에 속하는 것으로 고려될 것이다.
본 발명은 다공성 실리카 입자에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 다공성 실리카 입자의 제조방법, 및 다공성 실리카 입자의 사용방법에 관한 것이다. 예시적인 다공성 실리카 입자, 다공성 실리카 입자의 제조방법, 및 다공성 실리카 입자의 사용방법에 대한 설명이 이후에 제공된다.
I. 실리카 입자
본 발명의 실리카 입자는, 공지된 실리카 입자에 비해 하나 이상의 장점을 제공할 수 있는 물리적 구조 및 특성을 갖는다.
A. 실리카 입자의 물리적 구조
본 발명의 실리카 입자는 평균 최대 입자 치수(즉, 최대 직경 크기)를 갖는 구형 입자 형태를 갖는다. 전형적으로, 본 발명의 실리카 입자는 약 700㎛ 미만, 보다 전형적으로 약 100㎛ 미만의 평균 최대 입자 치수를 갖는다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시양태에서, 실리카 입자는 약 1.0 내지 약 100㎛, 보다 바람직하게는 약 3.0 내지 약 20㎛의 평균 최대 입자 치수를 갖는다.
본 발명의 다공성 실리카 입자는, 예를 들어 투과 전자 현미경(TEM) 기법을 사용하여 측정시, 약 1.4미만의 종횡비를 전형적으로 갖는다. 본원에서 사용되는 경우, "종횡비"는 (i) 실리카 입자의 평균 최대 입자 치수와 (ii) 실리카 입자의 평균 최대 단면 입자 크기 사이의 비율을 기술하기 위해서 사용되며, 상기 단면 입자 크기는 실리카 입자의 최대 입자 크기에 대해 실질적으로 수직이다. 본 발명의 일부 실시양태에서, 실리카 입자는, 약 1.3 미만의 종횡비(또는 약 1.2 미만, 또는 약 1.1 미만, 또는 약 1.05 미만)의 종횡비를 갖는다. 전형적으로, 실리카 입자는 약 1.0 내지 약 1.2의 종횡비를 갖는다.
본 발명의 다공성 실리카 입자는 또한, 상기 실리카 입자가 바람직한 크로마토그래피 매체가 되도록 하는 공극 체적을 갖는다. 전형적으로, 실리카 입자는, 질소 다공도측정법에 의해 측정시, 약 0.40cc/g 이상의 공극 체적을 갖는다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시양태에서, 다공성 실리카 입자는 질소 다공도측정법에 의해 측정시, 약 0.40cc/g 내지 약 1.4cc/g의 공극 체적을 갖는다. 본 발명의 추가의 예시적인 실시양태에서, 다공성 실리카 입자는, 질소 다공도측정법에 의해 측정시, 약 0.75cc/g 내지 약 1.1cc/g의 공극 체적을 갖는다.
본 발명의 다공성 실리카 입자는 약 40Å 이상의 평균 공극 직경을 갖는다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시양태에서, 실리카 입자의 평균 공극 직경은 약 40Å 내지 약 700Å이다. 본 발명의 추가의 예시적인 실시양태에서, 실리카 입자는 약 90Å 내지 약 150Å의 평균 공극 직경을 갖는다.
본 발명의 다공성 실리카 입자는 또한 BET 질소 흡착법(즉, 부르나우어 에머트 델러법(Brunauer Emmet Teller method))에 의해 측정시 약 150m2/g 이상의 표면적을 갖는다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시양태에서, 실리카 입자는 약 200m2/g 내지 약 450m2/g의 BET 표면적을 갖는다. 본 발명의 추가의 예시적인 실시양태에서, 실리카 입자는 약 260m2/g 내지 약 370m2/g의 BET 표면적을 갖는다.
본 발명의 예시적인 실리카 입자의 확대도는, 1,000 배율의 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 제공된 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 예시적인 실리카 입자(10)는 구형이고, 비교적 좁은 입자 크기 분포를 갖는다. 추가로, 도 2A 및 도 2B에서 나타낸 바와 같이, 예시적인 실리카 입자(10)는 입자의 단면에 따라 입자 특성 구배를 갖는 것으로 여겨진다.
도 2A에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시양태에서, 예시적인 실리카 입자(10)는 예시적인 실리카 입자(10)의 안쪽(12)과 외면(11) 사이에 계단형 특성 구배를 갖는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 예시적인 실리카 입자(10)는 안쪽 영역(13)에서는 높은 영 모듈러스를 갖고, 표면 영역(14)에서는 낮은 영 모듈러스를 가질 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실리카 입자(10)는 안쪽 영역(13)에서 높은 영 모듈러스(또는 낮은 공극 밀도)를 가질 수 있고, 표면 영역(14)에서는 낮은 영 모듈러스(또는 높은 공극 밀도)를 가질 수 있다. 이러한 실시양태에서, 예시적인 실리카 입자(10)의 안쪽(12)과 외면(11) 사이에는 상이한 입자 특성을 갖는 2개 초과의 영역들이 존재할 수 있다.
도 2B에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 다른 실시양태에서, 예시적인 실리카 입자(10)는 안쪽(12)에서의 안쪽값으로부터 외면(11)에서의 표면값까지 변하는 실질적으로 연속적인 특성 구배를 갖는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 예시적인 실리카 입자(10)는 안쪽(12)에서 최대 영 모듈러스(또는 최소 공극 밀도, Pmin)를 갖고, 외면(11)을 따라 최소 영 모듈러스(또는 최대 공극 밀도, Pmax)를 가질 수 있다. 이러한 실시양태에서, 최대 또는 최소 특성값(예를 들어, 최소 공극 밀도, Pmin)은, 도 2B에서 도시하는 바와 같이, 안쪽(12) 대신에, 예시적인 실리카 입자(10)의 안쪽(12)과 외면(11) 사이의 일부 지점에서 존재할 수도 있음을 주목해야만 한다.
B. 실리카 입자의 특성
본 발명의 실리카 입자의 전술한 물리적 특성의 결과로서, 실리카 입자는 HPLC 용도에서 크로마토그래피 매체로서 사용하기에 적당하다. 실질적으로 구형인 형태는 균일한 충전과 함께 이로써 HPLC 컬럼을 통한 유체의 균일한 유동을 허용하여 우수한 컬럼 효율이 유발된다. 추가로, 실리카 입자의 소성 변형 특성으로 인해, 본 발명의 실리카 입자는, 충전 압력에 노출되는 경우에도 파손에 대한 내성을 가져서, 유체 유동에 대한 과도한 저항을 방지하고 HPLC 컬럼을 통한 균일한 유체 유동을 유지한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실리카 입자는, 상기 입자가 컬럼 충전 동안만 적당하게 탄성적으로 항복하지만 입자의 파손을 야기하기에는 충분하지 않는 최적의 영 모듈러스를 갖는 것으로 보인다. 본 발명의 실리카 입자는, HPLC 컬럼에서 사용되는 경우, "내부 스프링 효과"를 제공하는데, 상기 내부 스프링 효과는 동적축 압축에 의해 달성되는 것과 유사한 방식으로 컬럼을 안정화시킨다.
추가로, 전술한 바와 같이, 본 발명의 실리카 입자는, 탄성 모듈러스 측면에서 방사상-확장 특성 구배를 갖는 것으로 여겨진다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실리카 입자는 실리카 입자의 안쪽 영역에 비해 적당하게 낮은 모듈러스를 갖는 표면 영역을 갖는 것으로 여겨진다. 이러한 입자 형태는, 본 발명의 실리카 입자가 이러한 안정화 충전 컬럼(즉, 컬럼에서의 낮은 입자 움직임 및 구명 형성)을 형성하는 이유를 설명한다. 본 발명의 실리카 입자는 입자의 표면에서 보다 큰 탄성 변형을 갖지만, 입자 안쪽로 향할수록 높은 모듈러스를 가져서, 안쪽 모듈러스로 인해 입자가 입자의 파손 및 유체 유동에 대한 높은 저항을 유발할 수 있는 큰 입자(즉, 소성) 변형을 억제하는 것으로 여겨진다.
추가로, 본 발명의 실리카 입자는 다공성 구배를 갖는 것으로 여겨지는데, 이로 인해, 상기 실리카 입자는 충전 컬럼에서 사용되는 경우 우수한 물질 이동 특성을 제공한다. 크로마토그래피 분리에서, 대부분의 분자가 입자의 맨 중심부까지는 확산되지 못하기 때문에, 전술한 방사상 확장 다공성 구배는 입자의 안쪽 및 외부에 증가된 물질 이동을 허용하여 개선된 컬럼 효율이 수득되도록 한다.
하나의 실시양태에서, 본 발명의 입자는 원자간력 현미경기법(AFM)에 의해 측정시 약 100MPa 이상, 전형적으로 약 200MPa 이상, 보다 전형적으로 약 300MPa 이상, 더욱 보다 전형적으로 약 400MPa 이상의 경도 또는 소성 변형을 갖는다. AFM은 30ㅅN의 힘에서 다이아몬드가 달린 프로브를 갖는 나노만(Nanoman) II SPM 시스템(베코 인스트루먼트(Veeco Instrument)에서 입수가능함)을 사용하여 수행한다. 경도는 수학식 경도=힘/면적(여기서, 면적은 프로브에 의해 형성된 만입부의 크기이다)에 의해 결정된다. AFM은 문헌["Theoretical Modelling And Implementation Of Elastic Modulus Measurement At The Nanoscale Using Atomic Force Microscope," Journal of Physics; Conference Series 61, pp 1303-07, 2007]에 기술된 바와 같이 수행된다.
다른 실시양태에서, 본 발명의 입자는 AFM에 의해 측정시 약 4GPa 미만, 전형적으로 약 3Gpa 미만, 보다 전형적으로 약 2Gpa 미만, 보다 더욱 전형적으로 약 1Gpa 미만인 영 모듈러스 또는 탄성 변형을 갖는다. AFM은 3.297ㅅN의 힘에서 다이아몬드가 달린 프로브를 갖는 나노만 II SPM 시스템(베코 인스트루먼트에서 입수가능함)을 사용하여 수행한다. 영 모듈러스는 문헌["An Improved Technique for Determing Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments," J. Mater. Res., Vol. 7, pp 1564-83, 1992]에 기술된 바와 같이 올리버 및 파르 분석법(Oliver and Pharr analysis)에 의해 결정된다.
다른 예시적인 실시양태에서, 본 발명의 실리카 입자는 다공성 입자를 포함하는데, 상기 입자는 약 100MPa 이상의 소성 변형 및 약 4GPa 미만의 탄성 변형, 바람직하게는 약 100MPa 이상의 소성 변형 및 약 3GPa 미만의 탄성 변형, 더욱 보다 바람직하게는 약 100MPa 이상의 소성 변형 및 약 2GPa 미만의 탄성 변형을 갖는다. 게다가, 본 발명의 실리카 입자는 본원에서 예시한 소성 변형과 탄성 변형, 예를 들어 약 100MPa 이상(200MPa, 300MPa 또는 400MPa 등)의 소성 변형과 약 4Gpa 미만(또는 3GPa, 또는 2GPa, 또는 1GPa 등)의 탄성 변형의 임의의 조합을 가질 수 있다. 높은 소성 변형 및 낮은 탄성 변형은, 이러한 실리카 입자가, 크로마토그래피 매체로서 사용되는 경우, 입자의 손상 없이 효율적으로 크로마토그래피 컬럼에 충전되도록 한다.
개시한 입자의 전술한 특성은 도 3 내지 5를 참고하여 추가로 설명한다. 도 3은 HPLC 컬럼에 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자를 충전하기 전 및 후의 입자 크기의 분석을 도시한다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실리카 입자는, (1) 시판중인 실리카 입자인 크로마실(Kromasil; 등록상표) 10 마이크로 C18(에카 노벨 AB(Eka Nobel AB)에서 시판중임)에 대한 "충전 전" 및 "충전 후"의 개수(%) 라인에 비해 본 발명에 따른 실리카 입자의 "충전 전" 및 "충전 후"의 개수(%) 라인이 밀접하다는 점, 및 (2) 시판중인 실리카 입자의 미립자의 양이 증가한 것에 비해, 본 발명에 따른 실리카 입자의 경우 생성된 미립자의 수가 극소량이라는 점에서, 본 발명에 따른 실리카 입자는 동적축 압축 중에 입자 파손이 덜 일어난다. 본 발명의 입자를 컬럼에 충전한 후에는 입자 크기 분포가 실질적으로 변하지 않는 반면, 시판중인 매체의 입자 크기 분포는 상당히 상이하다. 예를 들어, 본 발명의 입자의 경우에는 극소량의 미립자에 생성된 반면(예를 들어, 5㎛ 미만의 미립자의 총 수에 대해 개수 기준으로 약 50% 미만임), 시판중인 입자의 경우에는 보다 많은 미립자가 생성된다(예를 들어, 5㎛ 미만의 미립자의 총 수에 대해 개수 기준으로 약 50% 초과임). 바람직하게, 개수 기준으로 약 40% 미만, 보다 바람직하게는 약 30% 미만, 더욱 보다 바람직하게는 약 20% 미만(즉, 15% 미만, 10% 미만, 5% 미만, 4% 미만, 3% 미만, 2% 미만 등)의 미립자가 본 발명에 따른 입자의 충전 동안 생성된다.
도 4는 HPLC 컬럼내 동적축 압축 충전 후 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 주사 전자 현미경(SEM) 상(배율: 500)(오른편 이미지) 대 HPLC 컬럼내 동적축 압축 충전 후 전술한 시판중인 실리카 입자의 SEM 이미지(왼편 이미지)를 나타낸다. 왼편 이미지에는 전술한 시판중인 실리카 입자를 동적축 압축 충전하는 동안 발생된 미립자가 보이는 반면, 오른편 이미지에는 본 발명의 실리카 입자를 동적축 압축 충전하는 동안 발생하는 미립자가 본질적으로 없다.
도 5는 종래의 실리카 입자와 비교하여 본 발명의 예시적인 실리카 입자의 컬럼 충전 효율을 나타낸다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 시판중인 실리카 입자인 크로마실 10 마이크론 C18(에카 노벨 AB에서 시판중임) 및 다이소(Daiso) 10 마이크론 C18(다이소 캄파니 리미티드(Daiso Co. Ltd.)에서 시판중임)에 비해, 본 발명의 실리카 입자는 플레이트/미터 값이 가장 높다.
II. 실리카 입자의 제조방법
본 발명은 또한 실리카 입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실리카 입자를 형성하기 위해 사용된 원료 및 본 발명의 실리카 입자의 형성을 위한 방법 단계는 후술한다.
A. 원료 물질
본 발명의 실리카 입자의 제조방법은 다수의 규소-함유 원료 물질로부터 형성될 수 있다. 적당한 규소-함유 원료 물질은, 이로서 한정하는 것은 아니지만, 시그마 알드리치 캄파니(Sigma-Aldrich Co.)(미국 미조리주 새인트루이스 소재)를 비롯한 다수의 공급원으로부터 시판중인 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS); 부분적으로 올리고머화된 실리케이트, 예를 들어 실본드 코포레이션(미국 미시간주 웨스턴 소재)에서 시판중인 실본드(SILBOND; 등록상표) 40 또는 실본드(등록상표) 50; 부분적으로 올리고머화된 실리케이트, 예를 들어 다이나실 코포레이션(Dynasil Corporation)에서 시판중인 다이나실(DYNASIL, 등록상표) 40; 및 부분적으로 올리고머화된 실리케이트, 예를 들어 웨이커 케미 아게(Wacker Chemie AG; 독일 문니츠 소재)에서 시판중인 TES 40 WN를 들 수 있다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 실본드(등록상표) 40은 "작은 분자" 생성물을 형성하기 위해서 사용된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "작은 분자" 생성물이란 용어는 작은 분자 크로마토그래피 용도에 특히 유용한 본 발명의 실리카 입자를 기술하기 위해서 사용된다. 본 발명의 "작은 분자" 실리카 입자는 전형적으로 약 0.75 내지 약 1.1cc/g의 N2 공극 체적; 약 260 내지 약 370m2/g의 N2 표면적; 및 약 90 내지 약 150Å의 평균 공극 직경을 갖는다.
B. 공정 단계
본 발명의 실리카 입자는 전형적으로 다단계 공정을 사용하여 제조되는데, 여기서 전술한 바와 같은 유기실리케이트는 부분적으로 가수분해되고, 증류되고, 그다음 보다 극성인 연속상으로 분산되어, 결과적으로 상기 극성 연속상에 대한 부분적-가수분해 실리케이트의 불혼화성으로 인해 작은 액적이 형성된다. 그다음, 이러한 액적은 암모늄 하이드록사이드에 의해 촉매작용되는 축합 반응의 결과로서 겔화된다. 생성된 구형 다공성 입자는 그다음 세척되고, 열수작용에 의해 숙성되고, 건조된다. 열수작용 숙성 및 건조 단계 동안의 가공 조건은 생성된 입자의 공극 구조를 제어하는데 있어서 특히 중요하다. 그다음, 생성된 다공성 실리카 입자는 통상적인 수단(예를 들어, 현탁분리 또는 공기분류)에 의해 적절하게 좁은 입자 크기 분포로 사이징화(sizing)된다. 다양한 공정 단계의 부가적인 설명은 이하에서 제공한다.
1. 부분적 가수분해 단계
가수분해도는 목적하는 물리적 특성(예를 들어, 최적의 영 모듈러스, 입자 크기 등)을 갖는 실리카 입자를 수득하는데 중요한 공정 파라미터이다. 예를 들어, 오버-가수분해(over-hydrolysis)는 입자 형성 단계의 연속상에 완전히 혼화성인 용액을 유발할 수 있는 반면, 언더-가수분해(under-hydrolysis)는 후속적인 축합(즉, 겔화) 단계 동안 너무 비반응성인 물질을 유발할 수 있다.
부분적 가수분해는 전형적으로 0.1M HCl(수성)을 사용하여 수행되지만, 다른 산이 사용될 수도 있다. 에틸 알콜(EtOH)은 (교반하면서) 이 혼합물에 첨가되어 유기실리케이트와 수성상 사이의 불혼화성을 극복한다. 반응은 주위 온도에서 자발적으로 진행된다. 반응물의 하나의 전형적인 조합은 100.0g의 실본드(등록상표) 40, 21.5g의 EtOH, 및 4.6g의 0.1M HCl(수성)을 포함한다.
2. 증류 단계
부분적으로 가수분해된 물질(PHS)을 증류하여 EtOH(즉, 첨가된 것 및 가수분해 단게 동안 부산물로서 형성된 것 둘다)를 제거한다. 증류 단계는 거대-구멍이 없는 입자의 형성을 최소화 및/또는 배제한다. 본원에서 사용되는 "거대 구멍이 없는 입자"란 실질적으로 연속적인 미세다공성 입자 구조를 갖는 실리카 입자를 지칭한다. 증류는 전형적으로 진공(즉, 100토르 미만)에서 약 90℃의 온도에서 EtOH를 제거하는데 필요한 시간(전형적으로, 약 1시간 미만) 동안 수행된다.
3. 입자 형성 (유화) 단계
입자 형성은 암모니아화 수성상에 PHS를 유화함으로써 달성된다. 생성된 소적은, PHS를 포함하는 암모니아 촉매작용 축합 반응으로 인해 빠르게 겔화된다(즉, 고화된다).
1 내지 100㎛의 입자 크기 영역의 실리카 입자를 제조하기 위해 2가지 방법이 사용된다. 제 1 방법은 2단계로 카울스(Cowles) 혼합기를 사용하는 배치식 기법이다. 제 1 단계, 즉 액적 형성 단계에서, 증류된 PHS를 아이소프로필 알콜(IPA)/물 용액(예를 들어, 30중량%의 IPA 수용액)에 유화시킨다. 그다음, 제2단계에서 연속적으로 혼합하면서, NH4OH를 첨가하여 축합반응시켜, 다공성 구형 입자를 고형화한다. 평균 입자 크기는 혼합 블레이드의 말단 속도(예를 들어, 속도가 빠를 수록 작은 입자가 형성된다) 및 연속상의 조성(예를 들어, 알콜이 보다 많을 수록 작은 입자가 형성된다)에 의해 제어된다.
실리카 입자를 제조하는 제 2 방법은 30중량% IPA/1중량% NH4OH 수용액에 PHS를 유화하기 위해서 인-라인 고정식 혼합기를 사용하는 것이다. 이러한 경우, 인-라인 혼합기의 속도가 높을 수록 작은 입자 크기가 형성된다.
4. 여과/기울여 따르기(decanting) 단계
입자 형성 단계 다음에, 여과 및 기울여 따르기를 전형적으로 사용하여 실리카 생성물로부터 과잉의 알콜 및 임의의 아모니아를 제거한다. 전형적인 여과/기울여 따르기 단계에서, 전술한 입자 형성 단계로부터의 필터 덩어리를 탈이온 H2O(예를 들어, 12리터의 탈이온 H2O)에 재현탁하고, 그다음 침전되도록 밤새 놔둔다(예를 들어, 약 12시간). 침전 과정 이후에, 입자-함유 용액을 기울여 따라 대부분의 액체를 제거한다.
5. 열수작용 숙성 단계
열수작용 숙성 단계는, 다공성 실리카 입자의 내부 표면적을 줄이기 위해서 사용될 수 있다. 실리카 겔 제조와 유사한 방식으로, 숙성 단계가 보다 가혹할 수록(즉, 길고/길거나 뜨겁고/뜨겁거나 보다 알칼리성일수록), 건조 동안 표면적이 보다 많이 감소하고 입자 다공도(공극 체적)가 보다 크게 유지된다. 숙성 단계의 마지막에서, 충분한 탈이온수를 첨가하여 냉각하여 숙성 단계를 캔칭시킨다.
하나의 예시적인 실시양태에서, 열수작용 숙성 단계는 충분량의 탈이온수에 전술한 기울여 따르기/여과 단계에서 형성된 침전된 실리카 덩어리를 재현탁하여 교반가능한 슬러리(예를 들어, 약 1리터의 첨가된 물 중 약 1kg(건조 중량 기준)의 실리카 덩어리)를 형성하도록 한다. 그다음, 교반된 슬러리를 약 90분 동안 약 75℃로 가열한다. (가열된 물 1리터 당) 주위 온도의 탈이온수 약 12리터를 첨가하여 숙성을 중단시킨다. 그다음, 현탁액을 여과하거나 그대로 두어 침전시키고 기울여 따른다.
6. 건조 단계
건조 속도는 또한 최종 실리카 생성물의 공극 체적 및 표면적에 영향을 미친다. 하나의 예시적인 실시양태에서, 건조 단계는 실리카 생성물의 필터 덩어리 또는 기울여 따르고 남은 체적분을 트레이에 펼쳐서 약 1.25cm의 실리카 덩어리 두께를 형성하는 단계; 상기 실리카 덩어리-함유 트레이를 약 140℃의 오븐 온도로 약 20시간 동안 중력식 대류 오븐에 넣는 단계; 상기 오븐으로부터 트레이 및 실리카를 제거하는 단계; 및 상기 실리카를 수집하는 단계를 포함한다. 그다음, 건조된 실리카 물질은 바로 후속적인 선택적 사이징 단계 및 결합 단계에 적용가능하다.
III. 실리카 입자의 사용방법
본 발명은 추가로 실리카 입자의 사용방법에 관한 것이다. 앞서 논의한 바와 같이, 실리카 입자는 크로마토그래피 매체로서 사용될 수 있다. 크로마토그래피 매체로서 실리카 입자를 사용하는 여러 가지 방법을 도 6 내지 11에 나타냈다.
도 6은 종래의 실리카 입자인 루나(Luna; 등록상표) 마이크론 C18(페노메넥스 인코포레이티드(Phenomenex Inc.)에서 시판중임)에 비교하여, 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 7은 종래의 실리카 입자인 크로마실(Kromasil) 5 마이크론 C18(아크조 노벨 AB에서 시판중임)에 비교하여, 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 순수한 합성 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 8은 종래의 실리카 입자인 크로마실 5 마이크론 C18(아크조 노벨 AB에서 시판중임)에 비교하여, 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 조질의 합성 펩타이드 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 9는 종래의 실리카 입자인 쥬피터(Jupiter, 등록상표) 프로테오(Proteo) 5 마이크론 C18(페녹메넥스 인코포레이티드에서 시판중임) 및 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자를 사용하는 조질의 20-AA 합성 펩타이드의 크로마토그래프를 도시한다.
도 10은 종래의 실리카 입자에 비해 본 발명의 예시적인 실리카 입자의 혈관작동성 장 펩타이드(VIP) 선택성을 나타내는 크로마토그래프를 도시한다.
도 11은, 종래의 실리카 입자인 크로마실 5 마이크론 C8(아크조 노벨 AB에서 시판중임) 및 하이드로스피어(Hydrosphere) 5 마이크론 C8(YMC 캄파니 리미티드)에서 시판중임)에 비교하여, 본 발명에 따른 예시적인 실리카 입자의 인슐린 적재능을 도시한다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 설명되지만, 이들 실시예가 본 발명의 범주를 제한하기 위한 임의의 방식으로 간주되어서는 안된다. 반대로, 본 명세서를 읽은 후, 본 발명의 진의 및/또는 첨부된 청구범위의 범주로부터 벗어나지 않으면서 당업계의 숙련자들에게 그 자체로서 제안될 수 있는, 이들의 다양한 다른 실시양태, 개조물 및 동등물도 포함되는 것으로 이해되어야만 한다.
실시예 1
부분적-가수분해 물질(PHS)의 제조
교반하면서, 230g의 0.1M HCl(수성)용액을 5,000g의 실본드(등록상표) 40에 첨가하였다. 그다음, 실본드(등록상표) 40 및 수성상 사이의 불혼화성을 극복하기 위해서 교반하면서, 1075g의 EtOH를 이 혼합물에 첨가하였다. 반응은 주위 온도에서 자발적으로 진행되었다.
생성된 부분적-가수분해 물질(PHS)을 증류하여, 혼합물에 첨가되거나 가수분해 단계 중에 부산물로서 형성된 임의의 EtOH를 제거하였다. 증류는 90℃에서 진공(100토르 미만)에서 수행되었다.
실시예 2
배치식 혼합을 사용하는 "작은 분자" 실리카 입자의 제조
3,800g의 실시예 1에서 형성된 증류된 PHS를 14,900g의 30중량%의 IPA/물(미 리 제조하여 16시간 이상 방치하여 탈기되도록 하였다)에 부었다. 카울스 혼합기를 개시하고, 유화를 완료하기 위해서 5분 동안 1160rpm으로 설정하였다. 그다음, 혼합을 계속하면서 378g의 30중량% NH4OH를 (모두 한번에) 첨가하였다. 용액은 추가로 20분 동안 1160rpm으로 혼합하되, 이 동안 입자 겔화가 완료되었다. 실리카 현탁액은 침전되도록 밤새 그대로 두었다.
다음 날, 실리카 현탁액을 여과하고, 생성된 실리카 덩어리는 12리터의 탈이온 H2O로 재현탁하여 임의의 과잉의 알콜 및/또는 암모니아를 제거하였다. 실리카 용액은 침전되도록 밤새 그대로 두고 다음날 기울여 따랐다. 이 방법을 한번 더 반복하였다.
기울여서 따른 용액으로부터의 실리카 덩어리는 약 1리터의 탈이온수에 재현탁하여 교반가능한 슬러리를 제조하였다. 그다음, 교반된 슬러리를 90분 동안 75℃로 가열하였다. 약 12리터의 주위 온도의 탈이온수를 첨가하여 숙성을 중단하였다. 그다음, 현탁액을 여과하여 과잉 유체를 제거하였다.
실리카 덩어리 생성물을 트레이에 펴고 약 1.25cm의 두께가 되도록 평탄화하였다. 실리카 덩어리-함유 트레이를, 20시간 동안 140℃의 중력식 대류 오븐에 두었다. 그다음, 상기 트레이 및 실리카를 오븐으로부터 제거하고 상기 실리카를 병에 담았다.
실시예 3
인-라인 고정식 혼합기를 사용하는 "작은 분자" 실리카 입자의 제조
실시예 1에서 형성된 증류된 PHS(950ml/분) 및 30% IPA/1% NH4OH 수용액(4,090ml/분)을 15.2cm(6인치) 직경의 고정식 혼합기에 의해 혼합하였다. 그다음, 생성된 실리카 입자의 슬러리를 진탕된 용기에 흘러들게 하였다. 실리카 현탁액은 침전되도록 밤새 그대로 두었다.
다음 날, 실리카 현탁액을 여과하고, 생성된 실리카 덩어리는 12리터의 탈이온 H2O로 재현탁하여 임의의 과잉의 알콜 및/또는 암모니아를 제거하였다. 실리카 용액은 침전되도록 밤새 그대로 두고 다음날 기울여서 따랐다. 이 방법을 한번 더 반복하였다.
기울여서 따른 용액으로부터의 실리카 덩어리는 약 1리터의 탈이온수에서 재현탁해서 교반가능한 슬러리를 제조하였다. 그다음, 교반된 슬러리를 90분 동안 75℃로 가열하였다. 약 12리터의 주위 온도의 탈이온수를 첨가하여 숙성을 중단하였다. 그다음, 현탁액을 여과하여 과잉 유체를 제거하였다.
실리카 덩어리 생성물을 트레이에 펴서 약 1.25cm의 두께가 되도록 평탄화하였다. 실리카 덩어리-함유 트레이를, 20시간 동안 140℃의 중력식 대류 오븐에 두었다. 그다음, 상기 트레이 및 실리카를 오븐으로부터 제거하고 상기 실리카를 병에 담았다.
실시예 4
AFM에 의한 실리카 입자의 시험
본 실시예에서, 10㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자 를, 탄성 및 소성 변형 특성을 측정하기 위해 AFM으로 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 탄성 및 소성 변형 특성은, 시판중인 실리카 입자인 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 10㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 다이소 SP-120-ODS(다이소 캄파니 리미티드에서 시판중임)와 비교하였다. 각각의 실리카 입자의 탄성 및 소성 변형 특성은 문헌["Theoretical Modelling And Implementation Of Elastic Modulus Measurement At The Nanoscale Using Atomic Force Microscope," Journal of Physics; Conference Series 61, pp 1303-07, 2007]에 기술된 바와 같이 측정하였다. 소성 변형의 경우, AFM은 30ㅅN의 힘에서 다이아몬드가 달린 프로브를 갖는 나노만 II SPM 시스템(베코 인스트루먼트에서 입수가능함)을 사용하여 수행하였다. 경도는, 수학식 경도=힘/면적(여기서, 면적은 프로브에 의해 형성된 만입부의 크기이다)에 의해 결정되었다. 탄성 변형의 경우, AFM는 3.297ㅅN의 힘에서 다이아몬드가 달린 프로브를 갖는 나노만 II SPM 시스템(베코 인스트루먼트에서 입수가능함)을 사용하여 수행하였다. 영 모듈러스는 문헌["An Improved Technique for Determing Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments," J. Mater. Res., Vol. 7, pp 1564-83, 1992]에 기술된 바와 같이 올리버 및 파르 분석법에 의해 결정되었다. 하기 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실리카 입자의 소성 변형은 종래의 실리카 또는 시판중인 실리카 보다 크고, 본 발명의 실리카 입자의 탄성 변형은 종래의 실리카에 비해 매우 낮았다.
Figure 112009081129419-PCT00001
실시예 5
크로마토그래피 컬럼내 실리카 입자의 충전
본 실시예에서, 10㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 매체 충전 효율을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 10㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 크로마실(등록상표; 아크조 보넬에서 시판중임) 및 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 10㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 다이소 SP-120-ODS(다이소 캄파니 리미티드에서 시판중임)를 비롯한 다른 매체와 비교하였다. 매체를 25mm×400mm 스프링(Spring; 등록상표) 컬럼(알텍크 어소시에이트 인코포레이티드(Alltech Associates, Inc.)에서 시판중임)에 충전하였다. 상기 매체는, 매체 60g 당 150ml의 아이소프로판올을 사용하여 1500psi로 컬럼에 충전하였다. 최종 컬럼 층 길이는 250mm였다. 도 3에서와 같이, 충전 이후에 발생하는 작은 입자 또는 미립자의 개수는 종래의 실리카보다 매우 적었다. 예를 들어, 충전한 후에, 본 발명의 매체는 크로마실에서의 미립자(5㎛ 미만의 입자 크기) 양의 1/2 보다도 적었다.
각각의 컬럼의 효율을 평가하기 위한 분리 기법으로서 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 70체적%의 아세토니트릴 및 30체적%의 물로 구성된 이동상을 사용하는 등용매 조건하에서 각각의 컬럼에 벤젠, 나프탈렌 및 바이페닐의 혼합물을 주입하였다. 유속은 10ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은 슈퍼 프렙 유동 셀(Super Prep flow cell) 및 254nm에서의 라인인(Rainin) 검출기(베리안 인코포레이티드(Varian, Inc.)에서 시판중임)를 사용하여 수행되었다. 베리안 SD-1 제조용 펌프(베리안 인코포레이티드에서 시판중임), 발코 프렙 수동식 주입기(Valco prep manual Injector)(발코 인스트루먼트 캄파니 인코포레이티드(Valco Instruments Company Inc.)에서 시판중임) 및 EZ 크롬(EZ Chrom; 등록상표)(사이언티픽 소프트웨어 인코포레이티드(Scientific Software, Inc.)에서 시판중임)도 분석에서 사용되었다.
결과는 도 5에 나타냈으며, 상기 도 5는 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하여 컬럼 효율이 증가됨을 입증하였다.
실시예 6
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 다양한 생물학적 물질, 예를 들어 펩타이드에 대한 분리능을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 루나(Luna, 등록상표)(페노메넥스 인코포레이티드(Phenomenex, Inc.))와 같은 또다른 매체와 비교하였다.
각각 컬럼에 대한 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A; 및 아세토니트릴내 0.085% v/v TFA를 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서, 펩타이드(GY (238 DA), VYV(379 DA), 메트 엔케팔린(Met Enkephalin)(YGGFM, 573 DA), 안글로텐신(Anglotensin) II(DRVYIHPF, 1045 DA) 및 류 엔케팔린(Leu Enkephalin)(YGGFL, 555 DA)의 혼합물을 각각의 컬럼(4.6mm×250mm)에 주입하였다. 구배 방법을 사용하는데, 여기서 컬럼은 10% 용매 B 및 90% 용매 A에서 30분 동안 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 10%로부터 40%(60%의 용매 A)로 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 40%인 유동을 유지한 다음; 용매 B를 40%로부터 90%(10%의 용매 A)까지 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 90%인 유동으로 유지시켰다. 유속은 1.0ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 225nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션(Dionex Corp.)에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(Rheodyne Manual Injector)(이덱스 코포레이션(IDEX Corp.)에서 시판중임), 및 크로멜레온(Chromeleon, 등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 결과는 도 6 및 하기 표 2에 나타냈으며, 이러한 결과는 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하면 각각의 펩타이드 피크의 분해능이 증가되었음을 입증하였다.
Figure 112009081129419-PCT00002
* 분해능은 그다음 인접 피크에 기초한다.
실시예 7
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 다양한 생물학적 물질, 예를 들어 펩타이드에 대한 분리능을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 크로마실(등록상표; 아크조 노벨 AB에서 시판중임)과 같은 또다른 매체와 비교하였다.
각각 컬럼에 대한 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A 및 아세토니트릴내 0.085% v/v TFA를 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서, 펩타이드(AcRGGGGLGLGK-아마이드(911 DA), RGAGGLGLGK-아마이드(883 DA), Ac-RGAGGLGLGK-아마이드(926 DA), Ac-RGVGGLGLGK-아마이드(954 Da) 및 Ac-RGVVGLGLGK-아마이드(996 Da))의 혼합물을 각각의 컬럼(4.6mm×250mm)에 주입하였다. 구배 방법을 사용하는데, 여기서 컬럼은 10% 용매 B 및 90% 용매 A에서 30분 동안 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 10%로부터 40%(60%의 용매 A)로 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 40%인 유동으로 유지시킨 다음; 용매 B를 40%로부터 90%(10%의 용매 A)까지 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 90%인 유동으로 유지시켰다. 유속은 1.0ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 225nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(이덱스 코포레이션에서 시판중임), 및 크로멜레온(등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 결과는 도 7에 나타냈으며, 상기 도 7은 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하면 각각의 펩타이드 피크의 분해능이 증가되었음을 입증하였다.
실시예 8
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 불순물로부터의 표적 생물학적 물질, 예를 들어 펩타이드에 대한 분리능을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 크로마실(등록상표; 아크조 노벨 AB에서 시판중임)과 같은 또다른 매체와 비교하였다.
각각 컬럼에 대한 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A 및 아세토니트릴내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서, 조질의 합성 펩타이드(바켐 인코포레이티드(Bachem Inc.)에서 시판중임) 및 2종의 불순물의 혼합물을 각각의 컬럼(4.6mm×150mm)에 주입하였다. 구배 방법을 사용하는데, 여기서 컬럼은 15% 용매 B 및 85% 용매 A에서 30분 동안 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 15%로부터 50%(50%의 용매 A)로 증가시키고; 1분 동안 용매 B가 80%인 유동으로 유지시킨 다음; 용매 B를 50%로부터 80%(20%의 용매 A)까지 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 80%인 유동으로 유지시켰다. 유속은 0.8ml/분이었다. 컬럼은 22℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 225nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(이덱스 코포레이션에서 시판중임), 및 크로멜레온(등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 결과는 도 8 및 표 3에 나타냈으며, 이러한 결과는 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하면 인접하여 용리되는 불순물로부터의 펩타이드 피크의 분해능이 증가되었음을 입증하였다.
Figure 112009081129419-PCT00003
실시예 9
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 불순물로부터의 표적 생물학적 물질, 예를 들어 펩타이드에 대한 분리능을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 쥬피터(등록상표; 페노메넥스 인코포레이티드)와 같은 또다른 매체와 비교하였다.
각각 컬럼에 대한 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A 및 아세토니트릴내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서, 조질의 합성 펩타이드(바이오펩타이드 캄파니 인코포레이티드(Biopeptide Co., Inc.)에서 시판중임)의 혼합물을 각각의 컬럼(4.6mm×250mm)에 주입하였다. 구배 방법을 사용하는데, 여기서 컬럼은 20% 용매 B 및 80% 용매 A에서 20분 동안 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 20%로부터 40%(60%의 용매 A)로 증가시켰다. 유속은 1.0ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 225nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(이덱스 코포레이션에서 시판중임), 및 크로멜레온(등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 결과는 도 9에 나타냈으며, 이러한 결과는 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하면 인접하여 용리되는 불순물로부터의 펩타이드 피크의 분해능이 증가되었음을 입증하였다.
실시예 10
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 불순물로부터의 표적 생물학적 물질, 예를 들어 펩타이드에 대한 분리능을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C18 실레인 층을 수득하였는데, 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 펩타이드 분해능을, 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 크로마실(등록상표; 아크조 노벨 AB에서 시판중임) 및 실리카 표면에 공유결합된 C18 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 루나(등록상표, 페노메넥스 인코포레이티드에서 시판중임)와 같은 또다른 매체와 비교하였다.
각각 컬럼에 대한 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A 및 아세토니트릴내 0.085% v/v TFA를 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서, 혈관작동성 장 펩타이드(28-아미노산 펩타이드, HSDAVFTDNYTRLRKQMAVKKYLNSILN-아마이드, MW: 3325.8; 스웨덴 스톡홀름 소재의 카로린스카 인스티튜테트(Karolinska Institutet)에서 시판중임) 및 2종의 불순물의 혼합물을 각각의 컬럼(4.6mm×250mm)에 주입하였다. 구배 방법을 사용하였는데, 여기서 컬럼은 20% 용매 B 및 80% 용매 A에서 30분 동안 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 20%로부터 40%(60%의 용매 A)로 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 40%인 유동으로 유지시킨 다음; 용매 B를 40%로부터 90%(10%의 용매 A)까지 증가시키고; 5분 동안 용매 B가 90%인 유동으로 유지시켰다. 유속은 1.0ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 225nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(이덱스 코포레이션에서 시판중임), 및 크로멜레온(등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 결과는 도 10 및 표 4에 나타냈으며, 이러한 결과는 종래의 매체에 비해 본 발명의 실리카 입자를 사용하면 인접하여 용리되는 불순물로부터의 펩타이드 피크의 분해능이 증가되었음을 입증하였다.
Figure 112009081129419-PCT00004
실시예 11
크로마토그래피 매체로서의 실리카 입자의 용도
본 실시예에서, 5㎛의 구형 다공성 입자로 구성된 본 발명의 실리카 입자를, 컬럼의 인슐린 전방 적재능(column's insulin frontal loading capacity)을 측정하기 위해 크로마토그래피 컬럼내에서 시험하였다. 실리카는 표면처리하여 실리카 표면에 공유 결합된 C8 실레인 층을 수득하였는데 이는 입자를 소수성으로 만든다. 이러한 매체의 인슐린 적재능을, 실리카 표면에 공유결합된 C8 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 크로마실(등록상표; 아크조 노벨 AB에서 시판중임), 및 실리카 표면에 공유결합된 C8 실레인 층을 갖는 5㎛의 구형 다공성 실리카 입자-함유 하이드로스피어(YMC 캄파니 리미티드(YMC Co, Ltd.)에서 시판중임)와 같은 또다른 매체와 비교하였다.
물내 0.1% v/v TFA를 포함하는 용매 A; 및 5ml의 아세토니트릴, 2ml의 50% 빙초산 및 43ml의 탈이온수내 250mg 인슐린을 포함하는 용매 B를 포함하는 이동상을 비롯한 조건하에서 각각의 컬럼(2.1×50mm)을 사용하는 분리 기법으로서, 역상 크로마토그래피를 사용하였다. 이것은, 탈이온수내 0.1% TFA를 사용하여 1:5로 희석하여 1mg/ml 인슐린 용액을 제조하였다. 구배 방법을 사용하는데, 여기서 컬럼은 100% 용매 A에서 평형화시킨 후; 그다음 용매 B를 0%로부터 100%로 증가시키고; 200분 동안 용매 B가 100%인 유동으로 유지시킨 다음; 1분 동안 용매 A를 0%로부터 100%(0%의 용매 B)까지 증가시켰다. 유속은 0.2ml/분이었다. 컬럼은 25℃의 상온에서 진행되었다. 검출은, 276nm에서 UVD 170S 검출기(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임; 미국 캘리포니아주 써니베일 소재)를 사용하여 수행하였다. 다이오넥스 HPLC 시스템(P580 HPG 고압 구배, 2개의 펌프, 다이오넥스 코포레이션에서 시판중임), 레오다인 매뉴얼 인젝터(이덱스 코포레이션에서 시판중임), 및 크로멜레온(등록상표) 데이터 시스템(다이오넥스 코포레이션에서 시판중임)도 분석법에서 사용되었다. 각각 물질의 용량은 하기 수학식 1로부터 계산되었다:
Figure 112009081129419-PCT00005
상기 식에서,
T50%에서는 50% 피크 높이에서 측정된 전방 돌파 시간(frontal breakthrough time)-1분이고,
C인슐린은 1mg/ml이고,
V체적은 0.173ml이고,
F(유속)은 0.2ml/분이고,
t0(우라실)은 0.2ml/분의 속도로 이동상 A와 함께 우라실의 주입으로부터 유래한다.
결과는 도 11에 나타냈으며, 상기 도 11은 종래의 매체에 비해 본 발명에 따른 실리카 입자를 사용하면 인슐린 적재능이 증가됨을 입증한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 실리카를 갖는 컬럼의 인슐린 적재능은 154mg/ml이지만, 하이드로스피어 및 크로마실 매체는 각각 133mg/ml 및 14mg/ml의 적재능을 제공하며, 이는 각각 약 10 내지 약 1000%의 높은 회수율에 해당한다.
본 발명은 제한된 개수의 실시양태에 의해 설명되어 있지만, 이러한 구체적인 실시양태는, 다르게는 본 명세서에서 기술하고 청구하는 바와 같이, 본 발명의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 당업계의 숙련자들에게, 본원의 예시적인 실시양태를 검토하면, 부가적인 개조 및 변경이 가능할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부 및 백분율은, 다르게 언급하지 않는 한, 중량 기준이다. 추가로, 예를 들어 특성의 구체적인 세트, 측정치의 단위들, 조건, 물리적 상태 또는 백분율을 나타내는 바와 같이 본 명세서 또는 청구의 범위에서 언급한 임의의 범위의 숫자들은, 기준으로서 본원에서 확실하게 기재된 것 또는 다르게는 인용된 임의의 범위에 포함되는 수치들의 서브세트를 포함하는 이러한 범위내에 속하는 임의의 숫자를 문헌적으로 포함하고자 한다. 예를 들어, 하한치인 RL 및 상한치인 RU의 수치 범위가 개시되는 경우에는 언제나, 이 범위에 속하는 임의의 수치 R이 구체적으로 개시된 것이다. 특히, 상기 범위 중에서 이어지는 수치 R도 구체적으로 개시된 것이다: R=RL+k(RU-RL)(상기 식에서, k는 1% 씩 증가하는 1% 내지 100%의 범위의 수치이다. 예를 들어, k는 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, ... 50%, 51%, 52%, ... 95%, 96%, 97%, 99% 또는 100%이다) 게다가, 전술한 식에서와 같이 R인 임의의 2개의 값으로 표현되는 임의의 수치 범위도 구체적으로 개시된 것이다. 본원에서 나타내거나 설명한 것 이외에 발명의 임의의 개량은 전술한 설명 및 첨부한 도면으로부터 당업계의 숙련자들에게 명백할 수 있다. 이러한 개량은 첨부된 청구범위의 범주에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (29)

  1. (i) 제 1 탄성 모듈러스를 갖는 안쪽(interior) 부분 및 (ii) 제 2 탄성 모듈러스를 갖는 입자 외면(outer surface) 부분을 포함하고, 이때 상기 제 1 탄성 모듈러스가 제 2 탄성 모듈러스보다 큰, 다공성 실리카 입자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    입자가 탄성 모듈러스 구배를 가져서, 입자의 안쪽에서 최대 탄성 모듈러스를 갖고 입자 외면에 인접하거나 상기 외면에서 최소 탄성 모듈러스를 갖는, 다공성 실리카 입자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    입자가 입자의 안쪽에서의 제 1 공극 밀도 및 입자의 외면에 인접하거나 상기 외면에서의 제 2 공극 밀도를 갖되, 상기 제 2 공극 밀도가 제 1 공극 밀도보다 큰, 다공성 실리카 입자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    입자가 실질적으로 구형인, 다공성 실리카 입자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    입자가 약 100㎛ 미만의 평균 최대 입자 치수, 약 0.40cc/g 내지 약 1.4cc/g의 공극 체적, 약 40Å 내지 약 700Å의 평균 공극 직경, 및 약 200m2/g 내지 약 450m2/g의 표면적을 갖는, 다공성 실리카 입자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    입자가 약 3㎛ 내지 약 20㎛의 평균 최대 입자 치수, 약 0.75cc/g 내지 약 1.1cc/g의 공극 체적, 약 90Å 내지 약 150Å의 평균 공극 직경, 및 약 260m2/g 내지 약 370m2/g의 표면적을 갖는, 다공성 실리카 입자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    입자가 약 0.95cc/g의 공극 체적 및 약 320m2/g의 표면적을 갖는, 다공성 실리카 입자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    입자가 약 3㎛ 내지 약 20㎛의 평균 최대 입자 치수를 갖는, 다공성 실리카 입자.
  9. 제 1 항에 따른 다공성 실리카 입자 하나 이상을 포함하는, 복수개의 실리카 입자.
  10. 제 1 항에 따른 다공성 실리카 입자 하나 이상을 포함하는, 크로마토그래피 컬럼에서 사용하기 위한 매체.
  11. 제 1 항에 따른 다공성 실리카 입자 하나 이상과 조합된 크로마토그래피 컬럼.
  12. 제 11 항에 있어서,
    하나 이상의 다공성 실리카 입자가 컬럼 내부에 위치하는, 크로마토그래피 컬럼.
  13. 제 12 항에 따른 크로마토그래피 컬럼을 통해 유체를 진행시키는 단계를 포함하는, 크로마토그래피 컬럼의 사용방법.
  14. 유기실리케이트를 부분적으로 가수분해하여 부분적-가수분해 물질을 형성하는 단계;
    상기 부분적-가수분해 물질을 증류하여 임의의 에틸 알콜을 제거하고 증류된 부분적-가수분해 물질을 형성하는 단계;
    상기 증류된 부분적-가수분해 물질을 극성 연속상에 유화시켜 극성 연속상 중에 부분적-가수분해 실리케이트의 액적을 형성하는 단계;
    상기 액적을, 암모늄 하이드록사이드와의 축합 반응을 통해 겔화하여, 구형 다공성 입자를 형성하는 단계;
    상기 구형 다공성 입자를 세척하는 단계;
    상기 구형 다공성 입자를 열수작용에 의해 숙성하는 단계; 및
    상기 구형 다공성 입자를 건조시켜 건조된 다공성 입자를 형성하는 단계
    를 포함하는, 실리카 입자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 입자 크기를 갖지 않는 실리카 입자로부터 제 1 입자 크기를 갖는 실리카 입자를 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 실리카 입자의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    제 1 입자 크기가 약 3㎛ 내지 약 20㎛인, 실리카 입자의 제조방법.
  17. 제 14 항에 따른 방법에 의해 형성된 하나 이상의 실리카 입자를 크로마토그래피 컬럼에 도입하는 단계를 포함하는, 크로마토그래피 컬럼의 제조방법.
  18. 제 14 항에 따른 방법에 의해 형성된 하나 이상의 실리카 입자를 함유하는 크로마토그래피 컬럼을 통해 유체를 진행시키는 단계를 포함하는, 크로마토그래피 컬럼의 사용방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    유체가 펩타이드를 포함하는, 크로마토그래피 컬럼의 사용방법.
  20. 제 14 항에 따른 방법에 의해 형성된 실리카 입자.
  21. 약 100MPa 이상의 소성 변형(plastic deformation)을 갖는, 다공성 실리카 입자.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 소성 변형이 약 200MPa 이상인, 다공성 실리카 입자.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 소성 변형이 약 300MPa 이상인, 다공성 실리카 입자.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 소성 변형이 약 400MPa 이상인, 다공성 실리카 입자.
  25. 4GPa 미만의 표면 탄성 변형(surface elastic deformation)을 갖는, 다공성 실리카 입자.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 탄성 변형이 약 3GPa 미만인, 다공성 실리카 입자.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 탄성 변형이 약 2GPa 미만인, 다공성 실리카 입자.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 탄성 변형이 약 1GPa 미만인, 다공성 실리카 입자.
  29. 약 100MPa 이상의 소성 변형 및 약 4GPa 미만의 탄성 변형을 갖는, 다공성 실리카 입자.
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