專利名稱：親水膜及其制造方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及膜的制造方法和膜產品，更具體來說，本發明涉及利用聚合物交聯賦予聚合物膜所需特性的方法和由該方法得到的膜產品。
2.相關背景技術目前微量過濾聚合物膜正廣泛用于各個行業以進行處理或使用，例如溶液和懸浮液的過濾、分離和濃縮。上述聚合物膜是通過轉相法制造的。
術語“轉相法”是指將聚合物溶液暴露于受控環境以引發液-液分層從而形成孔結構的方法。轉相是形成微孔膜的必需步驟。該方法是由許多本領域技術人員公知的機理引發的。轉相的實例非限制性地包括使聚合物溶液涂層與溶劑和非溶劑溶液接觸，所述溶劑和非溶劑溶液比聚合物溶液含有更高比例的非溶劑；熱引發相轉換；以及使膜暴露于蒸汽界面并從聚合物溶液涂層中蒸發掉溶劑。
上述膜的有效性因膜表面和孔受污染而受到很大限制，所述污染隨時間增加了壓力下降，減少了滲透通量，并改變了溶質選擇性，等等。在某些應用中，例如涉及到含油或含蛋白質溶液的應用，與污染相關的膜清洗和膜替換成本會使該方法的使用成本增加至使其成為使用膜技術的重要經濟負擔。
在上述使用中污染的主要原因在于通常制造上述膜的疏水材料(即，“蛋白結合”)對溶液中有機質的吸引。特別是在較低濃度發生結合時，蛋白結合常常會造成更嚴重的困境，即由于消費者重要蛋白的損失而造成比膜受污染的問題更大的經濟危害。
在膜制造中所用的疏水材料通常具有低的表面張力值，而且在其表面化學組成中缺乏與水形成“氫鍵”的活性基團。因此由上述材料制成的膜具有低的可濕性，即在體系中無足夠壓力的情況下高表面張力的液體如水并不是被吸附到膜內，而是傾向于在膜表面形成不連續的液滴。
相反，由親水材料構成的膜通常具有高的表面張力值，而且具有與水形成“氫鍵”的能力，這導致了膜表面水膜的形成。此外，由親水材料制成的膜受污染較輕而且通常是可逆的，但上述膜具有相對較差的機械和熱穩定性，而且易于與處理液發生化學反應。
由尼龍構成的膜是上述中的一個例外，這是因為尼龍膜雖然親水，但其非常易于結合蛋白質，這可能是由于尼龍化學結構中酰胺基和胺基的存在。
疏水膜通常用作親水膜不能勝任的無菌空氣過濾器，但在水溶液中使用時親水膜具有壓倒性優勢。仍然需要對天然疏水膜賦予親水表面以開發其它所需的性能如優良的化學耐受性、以及所需的熱和機械性能，從而使得它們比無論具有何種上述優點的親水材料構成的膜成本效率更高。
由于親水材料的性能比疏水材料的性能更受歡迎(至少在水溶液中使用時)，因此在現有技術中通行的操作是對通常由疏水材料如聚偏二氟乙烯(“PVDF”)和聚醚砜(“PES”)構成的聚合物膜進行改性，以使其除具有上述材料的優點外還具有親水性和低蛋白結合性。概括來說，對聚合物膜改性的最常用方法如下所述(i)用交聯聚合物進行涂覆，(ii)表面活化后進行接枝和(iii)與共聚物混合。
用包含以交聯聚合物進行涂覆的方法對膜進行改性的一個重要優勢在于構思和操作都很簡單。但是，目前所用技術的缺點在于涂層是熱或機械不穩定的。通過該方法賦予疏水膜的表面改性，例如親水性，會隨著時間延長而變差。當將上述膜暴露于高溫環境時這一點尤其明顯。
美國專利No.4,618,533(’533專利)描述了典型的涂層方法，其中在紫外輻射(UV)或熱處理之前用含單體、交聯劑和引發劑的溶液對PVDF膜進行后處理。該’533專利教導了單體丙烯酸羥烷酯或甲基丙烯酸酯的使用，其中實施例是丙烯酸羥丙酯(HPA)。根據在’533專利中公開的方法所制造的PVDF膜的主要問題在于其在超過130℃受熱后易于喪失部分或全部的親水性。
表面活化后進行接枝的方法需要暴露于UV或電子束(EB)輻射、高能化學品或其它高能源如臭氧或等離子體，用以在基底表面上產生接枝所需的游離基或其它高活化種類。例如，在美國專利No.5,019,260和5,736,051中在使膜接觸單體溶液前用高能電子束或γ射線活化膜表面，而沒有該高能輻射，反應就不會發生。
盡管接枝法常常保留了大部分的基底性質，而且在上列膜改性的三個方法通常提供最佳的整體結果，但該方法并沒有被廣泛使用，這是由于與使用高能源或高能化學品相關的費用和安全性問題。由于上述原因，該技術通常只保留用于基材易于活化的極少數情況。
與共聚物混合是用于膜改性的較不嚴格而且更節省的方法。然而，該技術較上述方法的有效性更低，這是由于所加入的膜改性共聚物不是沿表面聚集以得到最佳改性優點，而是分散在所得的整個膜中。如此，與共聚物混合的眾多優點就喪失了。該方法的另一缺點包括共聚物本身在混合前必須合成、分離并純化。混合的另一問題在于它會損害原聚合物膜的結構，限制使用濃度范圍，并因此使其難以與工藝的改變相適應而對配方進行改性。
例如，在WO 98/08595和稍后發布的Macromolecules 321643-1650(1999)中公開了梳形共聚物和PVDF的混合用以制造澆鑄涂液。如上所述，由該方法制造的膜與用上述其它方法制造的膜相比通常具有較低的可濕度和孔隙度。而且，在聚合物與PVDF混合之前必須進行聚合反應和提純。
美國專利Nos.5,066,401和4,302,334公開了共聚物混合的其它實例，該專利一般公開了通過水解PVDF和第二聚合物如聚乙酸乙烯酯的混合物來形成親水膜的方法。由該方法制造的膜在酸性溶液中顯示出更好的可濕性，這主要是由于在酸性條件下催化了進一步的水解。然而在中性條件下可濕性較差。美國專利Nos.5,122,273和5,503,746描述了類似的混合方法，其中使用聚(亞烷基)二醇或聚乙烯基三氟乙酸酯。盡管由該方法制造的膜減少了蛋白質結合，但還不足以使其適用于蛋白質溶液過濾。
總之，目前已有的對膜改性以賦予其所需性能的方法具有許多缺點。盡管存在與上述方法相關的問題，但對用于各種現有應用的改進膜仍存在強烈需求。此外，由于與上述方法所制造的膜的相關問題，在目前或可能的將來存在可有利地采用膜但不能使用的情況。本發明的目的就是提供對膜進行改性的有用方法和改性膜，所述方法和改性膜其中克服了現有技術的缺點。
發明概述本發明通過其中提供簡單經濟的制造具有親水性和低蛋白結合性膜的方法，從而克服了現有技術的缺點，所述膜熱和機械穩定，而且還不易受化學腐蝕。本發明膜的制造可以批次或連續進行。本發明的另一目的是公開具有機械和熱穩定性涂層(即，耐變質和破裂)的膜，而且該膜也顯示出親水性和低的非特異性蛋白結合性。本發明的另一目的是提供對由疏水聚合物構成的膜賦予上述特性的方法。
本發明涉及制造親水膜的方法，該方法包括如下步驟提供聚合物膜；提供含親水單元的第一單體；提供帶有親水單元的第二單體；提供用以促進第一和第二單體的聚合和交聯反應的引發劑；在引發劑的存在下使聚合物膜暴露于第一和第二單體以啟動第一和第二單體的聚合和交聯反應。
在下文所述的實施方案中，第一單體是丙烯酸酯單體，第二單體是二丙烯酸酯單體，但本發明也可有利地使用其它單體。此外，根據本發明的方法，上述步驟可以獨立或組合進行。
本發明的上述方法還可以包括以下附加步驟使聚合物膜暴露于熱源，使聚合物膜暴露于堿，使聚合物膜暴露于醇或使聚合物膜暴露于帶有含羥基溶質的溶液。上述暴露可在該方法的任一步驟之前、期間或之后于各種濃度下進行預定長的時間。而且，上述附加步驟可以獨立進行或與本發明方法的上述一個或多個處理步驟組合進行。
所提供的聚合物膜主要是由疏水材料如PVDF或PES制成的。該聚合物膜也可主要是由親水材料如尼龍制成。此外，該膜也可主要由適用于微孔過濾的其它任何聚合物材料制成。
與二丙烯酸酯單體相關的親水單元優選包括重復的親水片斷鏈和/或親水官能團。丙烯酸酯單體也優選包括重復的親水片斷鏈和親水官能團。優選丙烯酸酯單體包括親水片斷的相對長鏈。通常優選更長鏈的單體，這是由于它們其中能提供更高的穩定性。
在優選實施方案中，丙烯酸酯單體包含乙撐氧片斷和羥基官能團。優選乙撐氧片斷的數量大于1，可以是2、5、10或其它值。二丙烯酸酯單體也可包含乙撐氧片斷和/或羥基官能團。引發劑可以是過硫酸鈉，過硫酸銨或適用于聚合和交聯反應的其它類型的引發劑。
本發明還涉及賦予聚合物膜親水性的溶液。在根據本發明方法的聚合物制造中可使用該溶液。
本發明的溶液包括各自具有親水單元的第一和第二單體，和用以促進第一和第二單體的聚合和交聯反應的引發劑。優選第一單體是主要含有親水片斷和親水官能團的單官能丙烯酸酯單體，而第二單體則是含有親水官能團的二官能二丙烯酸酯單體。引發劑可以是過硫酸鈉，過硫酸銨或其它用于聚合和交聯反應的類似引發劑。該溶液還可含有水，堿，醇，或含羥基溶質。
單官能丙烯酸酯單體可包含親水片斷和親水官能團。親水片斷優選包括乙撐氧，而親水官能團優選為羥基。二官能二丙烯酸酯單體同樣優選包含乙撐氧片斷以及羥基官能團。
本發明還涉及親水聚合物膜，該膜可用根據本發明的方法和/或使用根據本發明配制的溶液制造。本發明的聚合物膜包括微孔基底和交聯涂層，該交聯涂層包含具有乙撐氧片斷和親水官能團的單官能丙烯酸酯單體和具有親水官能團的二官能二丙烯酸酯單體。
微孔基底主要是由PVDF、PES或尼龍制成。任一單體所含的親水官能團均可以是羥基。二丙烯酸酯單體也可包含親水片斷如乙撐氧。
通過以下示例性和目前優選實施方案的詳細描述，由根據本發明制造的膜的上述和其它獨特特征將會變得更加顯而易見。
優選實施方案詳述以下詳述描述并示例了本發明的一個或多個具體實施方案。通過詳細說明并描述上述具體實施方案，使得本領域技術人員能夠實施本發明，但所提供的具體實施方案并非限制本發明，而僅為例述并教導本發明而已。在恰當地避免使本發明不清楚的前提下，以下描述可省略本領域技術人員已知的某些信息。
本發明通常就是為了提供對聚合物膜賦予所需特性的方法，所述聚合物膜本身基本不具有上述特性，提供用于有利地賦予聚合物膜所需特性的溶液，以及提供根據本發明方法制造的用于微孔過濾的聚合物膜。
首先，應理解微孔膜是本領域眾所周知的。微孔膜是含有從一表面延伸至另一表面的微孔互連通道的多孔固體。上述通道提供了過濾液體必須通過的彎曲隧道。液體中含有的粒子在通過微孔膜時被捕獲在膜結構上或膜結構中從而實現過濾。通常采用約5至約50psig(每平方英尺上的磅數)的壓力以迫使流體通過微孔膜。液體中比孔大的粒子或者不能進入膜中或者捕獲于膜孔內。液體和比膜孔小的粒子則可通過。如此，微孔膜阻止了一定粒徑或更大的粒子通過，而同時則允許液體和比該粒徑小的粒子通過。典型的微孔膜能夠保留約0.01至約10.0微米粒徑范圍的粒子。
根據本發明的方法，賦予膜的所選特性包括親水性，其通常會導致自動潤濕并改進膜上的流動性，等。在實踐中，所提供的微孔膜具有所需的機械和化學性能。本發明方法賦予膜的特性其中包括減少氣泡粘附、減少蛋白質吸附和變性、減少微生物依附、改善表面適印性(printability)和改善液體或血液操作特性。
本發明可特別有利地用于由疏水的、基本上化學惰性的、具有高機械強度的聚合物材料制成的膜，但本發明方法也可用于由具有不同性質的材料制成的膜。優選膜是由聚合物材料制成的，更優選膜主要是由PVDF制成。也可使用由滲透網絡形成的其它多孔性疏水或非疏水膜，只要可以進行本發明的交聯反應以賦予親水性即可。
根據本發明，使用單體來對膜的表面進行改性以提供親水性、低蛋白結合性及熱和機械穩定性。通常，在膜的表面存在足量羥基(OH-)、烷基醚(-R-O-)、羧基(-COOH)、氨基(-NH2)和/或類似官能團時會使親水性提高。上述基團已知有助于使水吸附和/或吸收至膜上。然而，羧基和氨基因其結合蛋白的能力而較不優選。
優選使用同時帶羥基官能團和乙撐氧片斷柔性長鏈的表面改性單體，以同時滿足低蛋白結合性及熱和機械穩定性。目前在涂層材料中優選使用羥基，盡管上述基團和乙撐氧基團(-O-C-C-)也是親水的，這主要是由于發現羥基更抗蛋白結合。而且，根據本發明方法使用羥基和乙撐氧片斷柔性長鏈可有利地賦予本發明膜其它有用的性能。
例如，含羥基和乙撐氧單元的交聯因寬的擺動角而導致鏈的更大柔性。而且降低了玻璃轉化溫度(Tg)，這提高了膜保持橡膠態的溫度范圍，從而提供了在一定溫度范圍具有所需柔韌性的膜。由于上述原因，找到了具有如下結構的單體，所述單體稱為nEGMA(n-乙二醇甲基丙烯酸乙酯)，其中n與式中的下標n相應 與羥基官能團加成后，上式變為CH2＝CCH3-C(O)-(O-CH2-CH2)n+1-OH需要說明的是，在現有技術中已公開了具有如下通式、帶親水單元的相關但不同化合物丙烯酸羥丙酯(HPA)H2C＝CH-C(O)-O-C3H6-OH用以在聚合物膜應用中同時提供親水性和低蛋白結合性。令人吃驚的是，已經發現nEGMA型單體除提供來自親水單元的親水性外，還提供比常規使用的HPA好得多的熱穩定性，因此經nEGMA處理過的膜在使用中能在更高的溫度下處理而不會喪失親水性和低蛋白結合性。
nEGMA單體可在二丙烯酸型交聯劑如TEGDA(四乙二醇二丙烯酸酯)的存在或不存在下，通過本領域已知的熱、UV或其它合適的引發/活化聚合法進行聚合。本領域技術人員顯然理解，本發明也可使用其它類型的交聯劑。優選交聯劑為帶親水單元的雙官能單體。例如，另一有用的二丙烯酸酯單體為聚乙二醇二丙烯酸酯，它可提供同樣柔性的-CH2-CH2-O-鏈接，例如PEG(200)二甲基丙烯酸酯、PEG(400)二甲基丙烯酸酯和PEG(600)二甲基丙烯酸酯(也分別稱為PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA)。而且PEG200DMA、PEG400DMA和PEG600DMA還被認為是非致癌物質。
測試根據本發明構造的膜涂層的熱穩定性并與用HPA進行類似處理的膜進行對比。使用約15％和約20％的氯化鈉溶液以提高水的表面張力，從而使可濕性測試更好區別。
通過回收得到流穿蛋白質溶液的液體樣品并測試膜上蛋白質的固體樣品來測量蛋白結合性。使用分光光度計LS50B(Perkin-Elmer)來測量經熒光素標記的牛血清白蛋白(BSA)的熒光強度。此外還將I125-BSA用作待結合至膜表面上的模型蛋白。
以下實施例提供和/或詳細說明了本發明的其它方面和實施方案。
實施例1帶有使用HPA的親水涂層的PVDF膜首先將疏水形式的膜用醇潤濕，然后用水充分洗滌。單體溶液于水中含有2％HPA，0.63％TEGDA和2％過硫酸鈉。將用水潤濕的膜在單體溶液中浸泡5分鐘，然后將其置于空氣被軟輥壓出的兩個聚酯膜之間。然后在95℃加熱約3分鐘。
實施例2帶有使用10EGMA的親水涂層的PVDF膜基本上重復實施例1的方法，除了HPA用本發明的10EGMA(即，nEGMA，其中在上式中n＝10)代替之外。
熱處理后的可濕性測試將實施例1和2的膜在IPA中煮沸48小時，在135℃干加熱1.5小時，在131℃熱壓處理4小時，并在150℃干加熱15分鐘。在水中和15％及20％氯化鈉溶液中的潤濕時間記錄如下根據本發明構造的膜(10EGMA/PVDF)對常規潤濕聚合物(HPA/PVDF)
蛋白結合測試流穿液體樣品蛋白結合性是通過回收得到流穿后的蛋白質溶液的液體樣品并測試膜上蛋白質的固體樣品來測量的。使用分光光度計LS50B(Perkin-Elmer)來測量經熒光素標記的牛血清白蛋白(BSA)的熒光強度。還使用I125-BSA作為待結合至膜表面的模型蛋白。結果如下
圖1所示。
圖1.結合至膜表面的I125-BSA百分比 蛋白結合測試流穿固體樣品本發明的低蛋白結合性也可通過測量固體膜樣品上的BSA來直接證明。此外還測試了作為對照的高蛋白結合性的尼龍膜045S1以進行對比。結果如下圖2所示圖2.過濾結合于膜上的熒光素標記的BSA的相對量
盡管通過優選實施方案對本發明進行了描述，但本領域技術人員顯然明白可以對本發明進行各種改變和/或修正而不脫離本發明的精神或范圍。
權利要求
1.制造親水膜的方法，包括如下步驟(a)提供聚合物膜；(b)提供含親水單元的丙烯酸酯單體；(c)提供含親水單元的二丙烯酸酯單體；(d)提供用以促進丙烯酸酯和二丙烯酸酯單體的聚合和交聯反應的引發劑；及(e)在引發劑的存在下使聚合物膜暴露于丙烯酸酯和二丙烯酸酯單體以啟動丙烯酸酯和二丙烯酸酯單體的聚合和交聯反應。
2.根據權利要求1的方法，其進一步包括使聚合物膜暴露于熱源的步驟。
3.根據權利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步驟進一步包括提供主要由疏水材料制成的膜。
4.根據權利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步驟進一步包括提供主要由PVDF制成的膜。
5.根據權利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步驟進一步包括提供主要由尼龍制成的膜。
6.根據權利要求1的方法，其中提供聚合物膜的步驟進一步包括提供主要由PES制成的膜。
7.根據權利要求1的方法，其進一步包括使聚合物膜暴露于堿的步驟。
8.根據權利要求1的方法，其進一步包括使聚合物膜暴露于含羥基溶質的步驟。
9.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的二丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供TEGDA。
10.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的二丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
11.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的二丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
12.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的二丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
13.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供含重復親水片斷鏈的丙烯酸酯單體。
14.根據權利要求13的方法，其中提供含重復親水片斷鏈的丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供含乙撐氧片斷鏈的丙烯酸酯單體。
15.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供含乙撐氧片斷鏈和親水官能團的丙烯酸酯單體。
16.根據權利要求15的方法，其中提供含乙撐氧片斷鏈和親水官能團的丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供含乙撐氧片斷鏈和羥基官能團的丙烯酸酯單體。
17.根據權利要求1的方法，其中提供含親水單元的丙烯酸酯單體的步驟進一步包括提供nEGMA，其中n為大于1的可變值。
18.根據權利要求17的方法，其中提供nEGMA的步驟進一步包括提供n等于2的nEGMA。
19.根據權利要求17的方法，其中提供nEGMA的步驟進一步包括提供n等于5的nEGMA。
20.根據權利要求17的方法，其中提供nEGMA的步驟進一步包括提供n等于10的nEGMA。
21.根據權利要求1的方法，其中提供用以促進丙烯酸酯和二丙烯酸酯單體聚合和交聯反應的引發劑的步驟進一步包括提供過硫酸鈉。
22.根據權利要求1的方法，其中提供用以促進丙烯酸酯和二丙烯酸酯單體聚合和交聯反應的引發劑的步驟進一步包括提供過硫酸銨。
23.賦予聚合物膜親水性的溶液，包括(a)主要含親水片斷和親水官能團的單官能丙烯酸酯單體；(b)含親水官能團的二官能二丙烯酸酯單體；和(c)促進單官能丙烯酸酯單體和二官能二丙烯酸酯單體聚合和交聯的引發劑。
24.權利要求23所述的溶液，其中親水片斷是乙撐氧。
25.權利要求23所述的溶液，其中單官能丙烯酸酯單體的官能團是羥基。
26.權利要求23所述的溶液，其進一步包括堿。
27.權利要求23所述的溶液，其進一步包括醇。
28.權利要求23所述的溶液，其中單官能丙烯酸酯單體是nEGMA，n為大于1的可變值。
29.權利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯單體是TEGDA。
30.權利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
31.權利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
32.權利要求23所述的溶液，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
33.權利要求23所述的溶液，其中引發劑是過硫酸鈉。
34.權利要求23所述的溶液，其中引發劑是過硫酸銨。
35.親水聚合物膜，包括微孔基底和交聯涂層，所述交聯涂層包含具有乙撐氧片斷和親水官能團的單官能丙烯酸酯單體和具有親水官能團的二官能二丙烯酸酯單體。
36.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中單官能丙烯酸酯單體所含的親水官能團是羥基。
37.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中微孔基底主要由PVDF制成。
38.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中微孔基底主要由PES制成。
39.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中微孔基底主要由尼龍制成。
40.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中單官能丙烯酸酯單體是nEGMA，n為大于1的可變值。
41.權利要求40所述的親水聚合物膜，其中n等于10。
42.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯單體是TEGDA。
43.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(200)二甲基丙烯酸酯。
44.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(400)二甲基丙烯酸酯。
45.權利要求35所述的親水聚合物膜，其中二官能二丙烯酸酯單體是PEG(600)二甲基丙烯酸酯。
全文摘要
本發明提供了對聚合物膜賦予親水性的方法，所述方法將膜暴露于丙烯酸酯單體、二丙烯酸酯單體和促進交聯與聚合反應的引發劑，所述丙烯酸酯單體含有諸如乙撐氧的親水片段并含親水官能團，所述二丙烯酸酯單體含有親水官能團。
文檔編號B01D69/00GK1816385SQ200480008869
公開日2006年8月9日 申請日期2004年2月27日 優先權日2003年4月1日
發明者邁克爾·S·梅日羅夫, 埃尚·B·耶赫 申請人:庫諾公司