ГИБРИДНЫЕ ВОЙЛОКИ ИЗ НАНОВОЛОКОН, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПРЯДЕНИЕМ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к композициям для использования в биологических и химических процессах разделения, а также для других применений. Более конкретно, настоящее изобретение относится к гибридным войлокам, которые изготовлены из образованных электропрядением нановолокон, с высокой проницаемостью и высокой емкостью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Мембраны из микроволокон и нановолокон, или «войлоки», в самых многообразных ситуациях используются как в биологических, так и в промышленных вариантах применения. Например, войлоки применимы для армирования текстильных материалов, создания защитной одежды, каталитических сред, вариантов применения в сельском хозяйстве, сенсоров для окружающей среды, дозиметрического контроля в медицинской и военной области, использования в биомедицине (например, разделения биологических продуктов, тканевой инженерии, и в перевязочных материалах для ухода за ранами), применения в электронике (например, в конденсаторах, транзисторах и диодах) и применения в космической области (например, в солнечных парусах и опорной структуре для космических зеркал). Войлоки из микроволокон и нановолокон в особенности хорошо пригодны для очистки биологических препаратов, таких как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, бактерии, вирусы, клетки и тому подобные. Они применимы во всех текучих средах, как жидкостных, так и газообразных.

[0003] Биофармацевтическая отрасль клинической медицины расширяется по мере того, как все большее число биофармацевтических препаратов санкционируется для продажи. В дополнение, диагностические средства на биологической основе широко применяются для выполнения высокопроизводительного, высокочувствительного диагностического тестирования разнообразных болезненных состояний. Биологические препараты, как для клинической медицины, так и для диагностики (например, рекомбинантные белки, моноклональные антитела, вирусные вакцины и нуклеиновые кислоты), должны быть эффективно получены и очищены для применения.

[0004] Общеупотребительные методологии очистки включают отделение желательных биологических субстанций от побочных продуктов и других загрязняющих примесей с использованием, например, уплотненных микробусинок для адсорбции/хроматографии, ультрафильтрации и осаждения/кристаллизации. Эти традиционные способы разделения обеспечивают надлежащие результаты для многих вариантов биологического применения, но ограничены в плане выхода, продолжительности обработки и степени чистоты. Данные ограничения главным образом обусловлены низкими скоростями диффузии относительно крупных биомолекул, что ограничивает способность очищаемой субстанции (то есть «целевой субстанции») достигать доступных центров связывания глубоко внутри сепарационной матрицы. В дополнение, эти системы могут быть использованы в пределах только ограниченного числа циклов, и некоторые могут быть применены лишь однократно.

[0005] Ионообменная (IE) и гидрофобная (HI) адсорбция/хроматография представляют собой два примера более надежных традиционных технологий разделения, которые широко применяются для разделения биологических субстанций. В целом же они, как правило, менее эффективны, чем технологии разделения, основанные на специфическом сродстве, такие как сепарации на основе антител, но если условия разделения тщательно подобраны, они все же применимы для очистки многих целевых субстанций от нежелательных побочных продуктов и примесей.

[0006] В то время как адсорбция/хроматография на основе различий в сродстве может быть более эффективной, чем IE и HI, как правило, она является более затруднительной и дорогостоящей в исполнении, вследствие сложности получения и очистки биологических лигандов, таких как моноклональные антитела и нуклеиновые кислоты. Такие лиганды также зачастую очень чувствительны к условиям окружающей среды (например, температуре, величине рН, ионной силе и т.д.) и могут легко становиться поврежденными настолько, что исчезает аффинное взаимодействие, необходимое для адсорбции. В дополнение, иногда затруднительно устранить связывание при взаимодействии без жестких условий, которые могут снижать биологическую активность и тем самым применимость целевой субстанции и/или пригодность для повторного использования среды для очистки.

[0007] Были описаны мембраны, которые применимы для очистки биологических субстанций. (Например, см. издание «Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources» («Биообработка высокоценных продуктов из возобновляемых источников»), под редакцией Shang-Tian Yang, Глава 7.) Недавно мембранная адсорбция/хроматография с использованием волокон нанометрового диаметра, собранных в маты с регулируемой толщиной (то есть «нановолоконные войлоки»), проявила себя весьма перспективной для использования в разделении биологических объектов (авторы Todd J. Menkhaus и др., «Chapter 3: Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations» («Глава 3: Варианты применения полученных электропрядением нановолоконных мембран для биосепараций»), в книге «Handbook of Membrane Research», редактор Stephan V. Gorley). Такие нановолоконные войлоки превосходят войлоки из микроволокна, поскольку размеры пор, характеристики сродства, а также другие критерии работоспособности могут регулироваться более точно.

[0008] В то время как ранее описанные однокомпонентные нановолоконные войлоки показали многообещающие результаты, они часто менее эффективны, чем было бы желательно в плане стабильности войлоков, а также требований к материалу и в отношении времени. Это в особенности справедливо, когда целевая субстанция присутствует в исходном очищаемом материале только в низкой концентрации, и загрязняющие примеси и/или побочные продукты синтеза находятся в большом количестве. Таким образом, существует потребность в повышении стабильности войлоков и эффективности очистки биологических продуктов. Представленные ниже варианты исполнения удовлетворяют эту потребность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Нижеследующее упрощенное краткое изложение представляет базовое понимание некоторых аспектов заявленного предмета изобретения. Это обобщение не является исчерпывающим обзором и не предназначено для идентификации ключевых/важнейших элементов или для того, чтобы обрисовать область заявленного предмета изобретения. Его назначением является представление некоторых концепций в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое приведено ниже.

[0010] В одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет полученный электропрядением гибридный нановолоконный войлок, который сформирован из композитного нановолокна и однокомпонентного нановолокна. Композитное нановолокно может быть получено электропрядением из смеси дериватизированной целлюлозы и первого полимера на нецеллюлозной основе, тогда как однокомпонентное нановолокно может быть получено электропрядением из второго полимера на нецеллюлозной основе, который может быть таким же, как первый полимер на нецеллюлозной основе, или отличным от него. Обычно первый и второй полимеры на нецеллюлозной основе могут быть дифференцированно удалены из нановолоконного войлока, чем подразумевается, что существуют условия (либо с использованием растворителей, либо тепла, или комбинации растворителя и тепла), которые приводят к удалению одного из полимеров на нецеллюлозной основе в большей степени, чем другого (например, с 10%-ной разницей в степени удаления или больше, такой как 20%-ной или 50%-ной).

[0011] Дериватизированная целлюлоза в композитном нановолокне может представлять собой органический сложный эфир целлюлозы, неорганический сложный эфир целлюлозы или алкилцеллюлозу. Органический сложный эфир целлюлозы может представлять собой ацетат целлюлозы, триацетат целлюлозы или пропионат целлюлозы.

[0012] Когда дериватизированная целлюлоза представляет собой неорганический сложный эфир, это может быть нитрат целлюлозы и сульфат целлюлозы, и когда она представляет собой алкилцеллюлозу, это может быть гидроксиэтилцеллюлоза или карбоксиметилцеллюлоза.

[0013] Первый полимер на нецеллюлозной основе может быть синтетическим или природным полимером, таким как виниловый полимер, простой полиэфир, акриловый полимер, сложный полиэфир, поликарбонат, полиуретан, полисахарид (например, крахмал или хитин), полиамид (например, белок или желатин), полилактид, полигликолид или их сополимер.

[0014] В одном варианте исполнения второй полимер на нецеллюлозной основе, который образует однокомпонентное нановолокно, представляет собой синтетический полимер, такой как виниловый полимер, полиамид, полиимид, сложный полиэфир или их сополимер.

[0015] В еще одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет способ электропрядения для изготовления вышеописанного нановолоконного войлока, который может быть описан следующими стадиями, в которых: а) отдельно получают прядильный раствор композитного полимера и прядильный раствор однокомпонентного полимера; b) помещают прядильные растворы в два различных прядильных устройства; с) подводят напряжение к каждому прядильному раствору с помощью электрода; d) по отдельности проводят электропрядение композитного и однокомпонентного нановолокон из прядильных устройств; и е) собирают затвердевшие нановолокна в виде беспорядочно перекрывающегося или частично ориентированного нановолоконного войлока.

[0016] Нановолоконный войлок, как сформированный, может быть подвергнут дополнительной обработке путем регенерации дериватизированной целлюлозы в композитном нановолокне (то есть преобразованием ее обратно в целлюлозу). Способ изготовления нановолоконного войлока также может включать дополнительные стадии, в которых из композитного нановолокна частично или целиком удаляют первый полимер на нецеллюлозной основе. Альтернативно или в дополнение к этим стадиям, способ изготовления нановолоконного войлока также может включать стадию функционализации поверхности одного или более из полимерных нановолокон в нановолоконном войлоке. Такая функционализация поверхности может предусматривать присоединение аффинного лиганда, который имеет специфическое сродство к конкретной целевой молекуле, выделяемой из очищаемой текучей среды.

[0017] В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение представляет способ очистки биомолекул из текучей среды, который может быть описан следующими стадиями, в которых: получают нановолоконный войлок согласно только что описанному способу; b) пропускают поток текучей среды через нановолоконный войлок; и выделяют биомолекулы из нановолоконного войлока.

[0018] Прочие аспекты изобретения изложены в других местах в описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Фиг. 1 представляет схематическое изображение процесса электропрядения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Настоящее изобретение в основном относится к гибридным войлокам, составленным полученными электропрядением нановолокнами, используемым, например, для химических и биологических сепараций. Гибридные нановолоконные войлоки имеют высокую разделительную способность и обеспечивают воспроизводимую производительность на протяжении многочисленных циклов, как при высоком расходе потока, так и при высоком давлении. Такие нановолоконные войлоки имеют сложные взаимосвязанные, трехмерные пористые структуры и относительно большие площади поверхности.

[0021] В частности, гибридные нановолоконные войлоки состоят из полимеров более чем одного типа (то есть представляют собой «гибридные» войлоки).

[0022] Войлоки согласно настоящему изобретению состоят из полимеров более чем одного типа (то есть представляют собой «гибридные» войлоки). Сюда входят гибридные войлоки, выполненные из комбинации однокомпонентных нановолокон и «композитных» нановолокон (например, нановолокна сформированы из смеси двух или более материалов) с образованием «гибридного» войлока. Для «композитного» нановолокна «каркасный полимер» представляет собой дериватизированную целлюлозу, и первый полимер на нецеллюлозной основе может быть удален из волокна/войлока при воздействии на него повышенной температуры или химических растворителей, или как повышенной температуры, так и химических растворителей. В некоторых вариантах исполнения удаление первого полимера на нецеллюлозной основе одновременно преобразует дериватизированную целлюлозу обратно в целлюлозу, то есть целлюлоза «регенерируется».

[0023] Нановолокна в войлоках согласно настоящему изобретению изготавливают с использованием технологии электропрядения. Это имеет отношение к изготовлению волокон, основанному на воздействии электростатического поля на экструдируемый «прядильный раствор» полимера, которое приводит к вытягиванию «струи» экструдированного полимера в нановолокно.

[0024] Эти и другие примерные аспекты изобретения более подробно разъясняются ниже.

Определения

[0025] В нижеследующем описании широко используется ряд терминов. Нижеследующие неограничивающие определения обеспечивают ясное и последовательное понимание описания и пунктов патентной формулы, предусматривающее примерные пределы значения таких терминов.

[0026] Когда в настоящем изобретении используется термин «один» или единственное число, они означают «по меньшей мере один» или «один или более», если не оговорено иное.

[0027] Термины «изобретение» или «настоящее изобретение», как используемые здесь, предполагаются быть неограничивающими и не предусматривают ссылку на любой отдельный вариант осуществления конкретного изобретения, но охватывают все возможные варианты осуществления, как изложенные в описании и в пунктах формулы изобретения.

[0028] Термин «проницаемость», как применяемый здесь, имеет отношение к величине расхода потока текучей среды, проходящей через нановолоконный войлок в расчете на единицу толщины войлока и на единицу перепада давления. Проницаемость считается «высокой», если она составляет свыше 500 л/(мин⋅м²⋅10⁵ Па).

[0029] Термин «расход потока» имеет отношение к скорости течения текучей среды, проходящей сквозь нановолоконный войлок в единицу времени, в расчете на единицу площади лицевой поверхности, через которую происходит течение.

[0030] Термин «емкость», как используемый здесь, имеет отношение к количеству продукта, связываемому в расчете на единицу абсорбента. Емкость для адсорбции белка рассматривается как «высокая», если она составляет более 100 мг белка/г адсорбента.

[0031] Термины «мембрана», «войлок» и «мат», как применяемые здесь, являются взаимозаменяемыми и имеют отношение к нетканому материалу или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон.

[0032] Термин «нановолоконный войлок», как используемый здесь, имеет отношение к совокупности нановолокон по существу в виде планарной матрицы, которая также может включать микроволокна, добавленные для прочности, усиления потока и т.д.

[0033] Термин «микроволокна», как применяемый здесь, имеет отношение к волокнам с диаметрами свыше 1,0 микрометра и, как правило, между 1,0 микрометром и 1,0 миллиметром.

[0034] Термин «нановолокна», как используемый здесь, имеет отношение к волокнам с диаметрами менее 1,0 микрометра и, как правило, между 10 нанометрами и 1,0 микрометром, такими как между 200 нм и 600 нм.

[0035] Термин «гибридный нановолоконный войлок», как применяемый здесь, имеет отношение к нетканому материалу или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон, состоящей из полимеров по меньшей мере двух типов в сочетании с однокомпонентными волокнами, или композитных волокон либо по меньшей мере с одним другим однокомпонентным волокном, либо по меньшей мере с одним другим композитным волокном.

[0036] Термин «однокомпонентные нановолокна», как используемый здесь, имеет отношение к нановолокнам, выполненным из единственного полимера.

[0037] Термин «однокомпонентный нановолоконный войлок», как применяемый здесь, имеет отношение к скоплению многочисленных однокомпонентных нановолокон с образованием нетканого материала или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон.

[0038] Термин «композитные нановолокна», как используемый здесь, означает нановолокна, сформированные по меньшей мере из двух различных полимеров.

[0039] Термин «умеренно повышенные температуры», как применяемый здесь, имеет отношение к температурам между 24 и 110°С.

[0040] Термин «дифференцированно удаляемый», как используемый здесь, предполагает, что, когда гибридный нановолоконный войлок состоит по меньшей мере из двух полимеров на нецеллюлозной основе, могут быть выбраны условия (воздействие повышенной температуры и/или растворителя) для удаления одного из полимеров на нецеллюлозной основе до большей степени (по меньшей мере в разницей в 10% и вплоть до 100% против 0%), чем другого полимера на нецеллюлозной основе.

[0041] Термин «растворитель», как применяемый здесь, имеет отношение к любой однокомпонентной жидкости или смеси жидкостей, способных растворять один или более компонентов нановолоконного войлока.

[0042] Термин «прядильный раствор», как используемый здесь, имеет отношение к раствору полимера, который используют в процессе электропрядения.

[0043] Термин «электропрядение», как применяемый здесь, имеет отношение к приложению электрического поля определенной напряженности к прядильному раствору для формирования нановолокон.

[0044] Термин «термически стабильный», как используемый здесь, означает, что полимер не разлагается в диапазоне температур от 50-110°С.

[0045] Термин «химически стабильный», как применяемый здесь, означает, что полимер не растворяется в растворителях, таких как вода или обычные органические растворители (например, спирты и углеводороды) и их смеси.

Дериватизированная целлюлоза

[0046] Целлюлоза представляет собой структурный компонент, находящийся в клеточных стенках растений и водорослей. Ее также секретируют некоторые бактерии. Как таковая, целлюлоза представляет собой наиболее широко распространенное органическое соединение на Земле. Она составлена структурными единицами D-глюкозы, соединенными между собой β(1-4)-гликозидными связями с образованием прямолинейного полимера. Для биологических и промышленных вариантов применения ее выделяют из растений, древесной массы или хлопка и преобразуют в многочисленные полезные изделия, такие как бумага, целлофан, волокно «rayon», биотоплива и т.д. Применимость целлюлозы может быть в большой степени обусловлена ее физическими свойствами. Она не имеет запаха, является гидрофильной, относительно нерастворимой, проявляет очень слабое неспецифическое связывание, и она является биоразложимой.

[0047] В то время как сепарационные среды на основе целлюлозы имеют многие преимущества, к сожалению, их недостатком является химическая нестабильность (то есть они разлагаются) в сильных кислотах и основаниях. В дополнение, для растворения целлюлозы требуется применение специальных смесей растворителей, таких как N-метилморфолин-N-оксид (NMMO) и воды, или хлорида лития и N,N-диметилацетамида. Это ограничивает применение сред на основе целлюлозы для операций, в которых не требуются жесткие условия регенерации, которые часто необходимы в биофармацевтической промышленности, чтобы соответствовать строгим предписаниям в отношении очистки, регламентированным FDA (Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (США)).

[0048] Целлюлозные волокна традиционно получают мокрым прядением, и предусматривают предварительную дериватизацию целлюлозы, поскольку является весьма затруднительным проводить электропрядение целлюлозы непосредственно из раствора или расплава. Для получения целлюлозных нановолокон усилия исследователей были направлены на электропрядение производных целлюлозы, таких как ацетат целлюлозы. В отличие от целлюлозы, ацетат целлюлозы растворим во многих обычных растворителях, таких как ацетон. Ацетат целлюлозы может быть использован для электропрядения с образованием нановолокон, и регенерированные целлюлозные нановолокна могут быть получены подверганием нановолокон обработке после прядения в условиях гидролиза/дезацетилирования.

[0049] Соответственно этому, в практике настоящего изобретения один из полимеров в гибридном нановолоконном войлоке представляет собой дериватизированную целлюлозу. Целлюлоза может быть легко дериватизирована с использованием общеизвестных способов преобразованием НО-групп в индивидуальных целлюлозных структурных единицах в другие фрагменты с большей или меньшей реакционной способностью, с переменными зарядами и т.д. Такие материалы на основе дериватизированной целлюлозы проявляют повышенную стабильность, будучи подвергнутыми воздействию растворителей, и прочие желательные физические свойства. Многие производные целлюлозы имеются в продаже на рынке в большом количестве. Примерные материалы на основе дериватизированной целлюлозы включают, например: органические сложные эфиры (ацетат, триацетат, пропионат, ацетат-пропионат, ацетат-бутират целлюлозы); неорганические сложные эфиры (нитрат целлюлозы, сульфат целлюлозы); и алкилцеллюлозу (гидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу).

[0050] Бóльшую часть массы (то есть 51% или более), такую как 60% или 70%, гибридных нановолоконных войлоков согласно настоящему изобретению обычно будет составлять дериватизированная целлюлоза.

Полимеры на нецеллюлозной основе

[0051] В то время как бóльшую часть массы гибридного нановолоконного войлока составляет дериватизированная целлюлоза, введение волокон дополнительных типов внутрь войлоков создает функциональность, необходимую для вариантов применения войлоков. Соответственно этому, желательно иметь дополнительные волокна внутри войлоков, поскольку они могут придавать войлоку повышенную механическую прочность, обеспечивать создание многочисленных функциональных возможностей войлока, стабилизировать процесс изготовления и обеспечивать прочие аспекты, разъясняемые здесь в других местах. Действительно, авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что введение даже небольших количеств полимеров на нецеллюлозной основе в гибридный нановолоконный войлок улучшает процесс электропрядения, и также позволяет точно приспосабливать конечный продукт к многообразным биологическим и промышленным вариантам применения, в особенности, когда гибридный нановолоконный войлок состоял как из композитного нановолокна, так и однокомпонентного нановолокна.

[0052] Нановолокна из синтетических полимеров (например, как полученные из виниловых полимеров и акриловых полимеров) создают широкий круг химических функциональностей для биосепараций и других вариантов применения. Комбинированием различных полимерных блоков можно регулировать химические свойства поверхности полученного волокна как часть процесса электропрядения, создавая непосредственную функционализацию образованного нановолокна. В качестве альтернативы, и подобно традиционным волокнам микрометрового масштаба, функционализация поверхности полимерных нановолокон может быть химически модифицирована после электропрядения для приспособления к конкретным требованиям в отношении функциональности для разнообразных вариантов применения в биосепарациях (обсуждаемых ниже). Подходы к химической функционализации хорошо известны в полимерных технологиях. Как правило, они также противостоят жестким условиям очистки, связанным с биопроцессами. Примерные подходы к химической функционализации также более подробно обсуждаются здесь в других местах.

[0053] Синтетические адсорбционные среды на углеродной основе и фильтрационные мембраны часто являются гораздо более химически стойкими, нежели среды на основе целлюлозы, и тем самым могут быть использованы, когда для очистки сепарационных сред между циклами применения требуются сильные кислоты и основания. Кроме того, гибридные нановолокна, которые включают полимеры как на основе целлюлозы, так и на нецеллюлозной основе (например, полиакрилонитрил и поливиниловый спирт), проявляют даже более высокую площадь поверхности и повышенную механическую прочность, по сравнению с однокомпонентной целлюлозой или однокомпонентными синтетическими полимерными нановолокнами. Соответственно этому, существует явно различимая синергия, когда композитные нановолокна включают как целлюлозу, так и полимеры на нецеллюлозной основе.

[0054] Многие полимеры были успешно подвергнуты электропрядению с образованием нановолокон, в том числе (1) термопластичные гомополимеры, такие как виниловые полимеры, акриловые полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, простые полиэфиры и поликарбонаты, (2) термопластичные сополимеры, такие как винил-виниловые сополимеры, акрил-акриловые сополимеры и винил-акриловые сополимеры, (3) эластомерные полимеры, такие как триблок-сополимерные эластомеры, полиуретановые эластомеры и этилен-пропилен-диеновые эластомеры, (4) полимеры с высокими механическими характеристиками, такие как полиимиды и ароматические полиамиды, (5) жидкокристаллические полимеры, такие как поли(пара-фенилентерефталамид) и полиарамид, (6) текстильные полимеры, такие как полиэтилентерефталат и полиакрилонитрил, (7) электрически проводящие полимеры, такие как полианилин, а также (9) биосовместимые полимеры (то есть «биополимеры»), такие как поликапролактон, полилактид, хитозан и полигликолид. Как описываемый, полимер также может представлять собой сополимер двух или более из вышеуказанных полимерных соединений.

[0055] Примерами дополнительных полимеров, которые могут быть добавлены в гибридные нановолоконные войлоки, являются полученные электропрядением в виде однокомпонентных нановолокна из полиакрилонитрила (PAN), полиимидов, полиамидов (найлон-6, найлон-6,6, найлон-6,10 и т.д.), сложных полиэфиров (полиэтилентерефталата и т.д.), а также их сополимеров.

Композитные нановолокна

[0056] В одном варианте осуществления настоящего изобретения гибридный нановолоконный войлок включает композитное нановолокно. Отчасти это обусловливается тем обстоятельством, что процесс электропрядения, применяемый для получения нановолокон из растворов однокомпонентной дериватизированной целлюлозы, может быть нестабильным и приводить к плохим выходам, низкой производительности (длительные продолжительности и многочисленные перебои в работе), нановолокнам плохого качества (с широким распределением по размерам, ломким и т.д.) только с одной химической функциональностью. Поэтому, чтобы эффективно получать большие количества высококачественных нановолоконных войлоков с многочисленными функциональностями, также может быть необходимым объединение производного целлюлозы с полимером на нецеллюлозной основе, который стабилизирует процесс электропрядения.

[0057] Полимер на нецеллюлозной основе в композитных нановолокнах согласно настоящему изобретению может состоять из синтетических полимеров на углеродной основе, которые могут быть удалены из нановолоконного войлока при воздействии на них повышенной температуры и/или растворителей. Воздействие на нановолоконный войлок либо смеси растворителей, либо комбинации повышенной температуры и растворителей может происходить одновременно или последовательно. Присутствие полимера на нецеллюлозной основе во время процесса электропрядения также улучшает стабильность нановолокна и другие аспекты процесса, как разъясняется здесь в другом месте.

[0058] Синтетические полимерные нановолокна (например, такие, которые получены из виниловых полимеров и акриловых полимеров), создают многообразные химические функциональности для вариантов применения в биосепарациях. Сочетанием различных полимерных блоков можно регулировать химические свойства поверхности полученного волокна как часть процесса электропрядения, производя непосредственную функционализацию образованного нановолокна. В качестве альтернативы, и подобно традиционным волокнам микрометрового масштаба, функционализация поверхности полимерных нановолокон может быть химически модифицирована после электропрядения для приспособления к конкретным требованиям в отношении функциональности для разнообразных вариантов применения в биосепарациях (обсуждаемых ниже). Синтетические полимерные нановолокна обеспечивают обширнейший диапазон потенциальных вариантов химической функционализации, чтобы служить целям широкого круга вариантов применения. Такие подходы к химической функционализации хорошо известны в полимерных технологиях. Как правило, они также противостоят жестким условиям очистки, связанным с биопроцессами.

[0059] Многие полимеры были успешно подвергнуты электропрядению с образованием нановолокон, в том числе (1) термопластичные гомополимеры, такие как виниловые полимеры, акриловые полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, простые полиэфиры и поликарбонаты, (2) термопластичные сополимеры, такие как винил-виниловые сополимеры, акрил-акриловые сополимеры и винил-акриловые сополимеры, (3) эластомерные полимеры, такие как триблок-сополимерные эластомеры, полиуретановые эластомеры и этилен-пропилен-диеновые эластомеры, (4) полимеры с высокими механическими характеристиками, такие как полиимиды и ароматические полиамиды, (5) жидкокристаллические полимеры, такие как поли(пара-фенилентерефталамид) и полиарамид, (6) текстильные полимеры, такие как полиэтилентерефталат и полиакрилонитрил, (7) электрически проводящие полимеры, такие как полианилин, а также (9) биосовместимые полимеры, такие как поликапролактон, полилактид, хитозан и полигликолид.

[0060] Примерные полимеры на нецеллюлозной основе для получения композитных нановолокон включают, например, полиэтиленоксид, поливинилпирролидон, поливинилацетат, поливиниловый спирт, полисахариды (хитин, крахмал и т.д.), полистирол и полиметилметакрилат.

[0061] Как правило, полимер на нецеллюлозной основе присутствует в композитных нановолокнах в количестве 49% или менее по массе, таком как 30%, 25% и т.д.

Электропрядение

[0062] Электропрядение представляет собой технологию, в которой используют исключительно электрические поля для проведения процесса прядения и для образования полимерных волокон из растворов или расплавов. В отличие от общеупотребительных способов прядения (например, прядения из раствора и расплава), которые способны производить волокна с диаметрами в микрометровом диапазоне (приблизительно 5-25 мкм), электропрядение может создавать волокна с диаметрами в нанометровом диапазоне. Полученные электропрядением полимерные нановолокна обладают многими экстраординарными свойствами, включающими малый диаметр волокон и сопутствующую большую удельную площадью поверхности, высокую степень макромолекулярной ориентации и обусловленные этим превосходные механические характеристики. В дополнение, войлоки, выполненные из полученных электропрядением полимерных нановолокон, имеют регулируемые размеры пор, если сравнивать с нановолокнами, которые сформированы с использованием других способов изготовления. В отличие от наностержней, нанотрубок и нанопроволок, которые изготавливают главным образом синтетическими способами, полученные электропрядением нановолокна формируют с помощью «нанотехнологического процесса», который имеет результатом недорогие нановолокна, которые также относительно просто подвергаются сборке и обработке для укладки.

[0063] Как правило, формирование нановолокон представляет собой тонко настроенный и сложный баланс трех основных сил, участвующих в процессе электропрядения, включающих напряженность электрического поля, поверхностное натяжение и вязкоупругую силу. Среди этих трех сил напряженность электрического поля всегда благоприятствует формированию продукта с наибольшими площадями поверхности. Поверхностное натяжение всегда благоприятствует образованию продукта с наименьшими площадями поверхности. Вязкоупругая сила представляет собой силу, которая в значительной степени варьирует по мере испарения растворителя, и является основным фактором, препятствующим разрыву струи/нити на капли при электропрядении. Когда доминирует электрическое поле, вязкоупругая сила конкурирует с электрическим полем. Когда доминирует поверхностное натяжение, вязкоупругая сила действует в балансе с поверхностным натяжением.

[0064] Теоретически, самые мелкие нановолокна могут быть сформированы при двух условиях: (1) когда высока плотность избыточного заряда, который несет электропрядильная струя, и (2) когда период времени является достаточно длительным, и вязкоупругая сила достаточно высока, чтобы предотвращать капиллярный распад струи/нити, но достаточно низка, чтобы позволять электрическому полю эффективно растягивать струю. В отношении условия (1) было найдено, что добавление растворимых электролитов к прядильному раствору (например, добавление сильных электролитов, таких как NaCl, к водному раствору полиэтиленоксида) может значительно повысить плотность избыточного заряда, который несет струя, и обусловливать формирование нановолокон с наименьшим диаметром. Однако этот метод также создает негативные эффекты, такие как (а) меньшую скорость потока и, в результате, снижение производительности получения нановолокон, и (b) загрязнение полученных нановолокон электролитами. Удаление электролитов без ущерба свойствам нановолокон может быть затруднительным.

[0065] Для условия (2) требуется дополнительное понимание в отношении затвердевания струи. Как правило, отверждение струи тесно связано с летучестью растворителя. Если летучесть растворителя слишком высока, период времени для эффективного растяжения электропрядильной струи/нити является коротким. Следовательно, будут получаться волокна с относительно большими диаметрами. Если летучесть растворителя слишком низка, электропрядильная струя/нить с высокой вероятностью может распадаться на капли при растяжении. Таким образом, будут получаться бусинки и/или волокна с утолщениями.

[0066] Как правило, процесс электропрядения включает три стадии: (1) инициирование электропрядильной струи/нити и растяжение струи вдоль прямолинейной траектории; (2) рост нестабильности связывания и дополнительное удлинение струи, которое позволяет струе становиться очень длинной и тонкой, в то же время следуя петлеобразному и спиралевидному пути; и (3) отверждение струи в результате испарения растворителя или охлаждения, которое ведет к формированию нановолокон. Фигура 1 схематически показывает процесс электропрядения (Hao Fong, в «Polymeric Nanostructures and Their Applications» («Полимерные наноструктуры и варианты их применения»), том 2: «Applications: Chapter 11, Electrospun Polymer, Ceramic, Carbon/Graphite Nanofibers and Their Applications» («Варианты применения: Глава 11, Полученные электропрядением полимерные, керамические, углеродные/графитовые нановолокна и варианты их применения»), под редакцией Hari S. Nalwa, издательство American Scientific Publishers, Лос-Анджелес, Калифорния (ISBN: 1-58883-070-5), 2007, стр. 451 -474).

[0067] Один примерный процесс электропрядения может быть описан в общих чертах следующим образом.

[0068] Стадия 1: Как показано на фигуре 1, прядильный раствор (например, раствор полимера) помещают в контейнер с прядильной фильерой (1), и к раствору через электрод (3) (например, медную проволоку) прилагают высокое напряжение (2) постоянного тока (DC), обычно в диапазоне 5-40 киловольт. Электрически заземленный коллектор (4) помещают на определенном расстоянии (5) (известном как воздушный зазор) от прядильной фильеры. Воздушный зазор может варьировать от нескольких сантиметров вплоть до одного метра. Когда электростатическое поле достигает критического значения, и напряженность электрического поля преодолевает силы поверхностного натяжения и вязкоупругого взаимодействия, струя/нить выбрасывается и проходит прямолинейно на протяжении определенного расстояния (известного как длина струи).

[0069] Стадия 2: Затем струя начинает изгибаться, образуя спиральные петли. Это явление называется «изгибовой (или прогибовой) нестабильностью». Как правило, изгибовая нестабильность обусловливает растяжение струи по длине более чем в 10000 раз за очень короткий промежуток времени (50 мсек или менее). Таким образом, скорость растяжения во время изгибовой нестабильности является исключительно высокой (вплоть до 1000000 сек^-1). Эта предельно высокая скорость удлинения может эффективно растягивать цепь макромолекул и плотно выстраивать их вдоль оси нановолокна.

[0070] Стадия 3: Струя затвердевает, либо вследствие испарения растворителя, либо когда расплав охлаждается ниже температуры перехода из жидкостного в твердое состояние. Чем длительнее продолжительность отверждения, тем сильнее может быть удлинена струя. Продолжительность отверждения связана со многими факторами, такими как давление паров растворителя, коэффициент диффузии растворителя, объемная плотность заряда, который несет струя, и напряженность приложенного электростатического поля.

Необязательная обработка после электропрядения

[0071] После затвердевания собранных нановолокон предусматриваются определенные дополнительные стадии, которые могут быть выполнены, чтобы «по заказу модифицировать» нановолокна для конкретных вариантов применения. Ниже обсуждаются примерные дополнительные стадии:

а. Удаление первого полимера на нецеллюлозной основе

[0072] В некоторых случаях один или более из полимеров и, в частности, полимер на нецеллюлозной основе, присутствующий в композитном нановолокне, могут быть удалены с использованием усиленного нагревания и/или растворителя(ей). Удаление первого полимера на нецеллюлозной основе создает дополнительную площадь поверхности и повышает пористость остального полимера на основе целлюлозы. Это обусловливается тем, что после удаления полимера на нецеллюлозной основе полимер на основе целлюлозы имеет «поры» с контролируемым размером, появившиеся там, где занимал место использованный полимер на нецеллюлозной основе. Этот дополнительный «свободный поровый объем» создает увеличенную площадь поверхности полученного нановолоконного войлока, которая может, например, повышать адсорбционную емкость связывания для сепараций, улучшать селективность сепараций на основе размеров частиц и повышать производительность благодаря дополнительной пористости. Удаление полимера на нецеллюлозной основе сокращает благоприятные возможности, обеспечиваемые многочисленными функциональными группами (которые присутствовали внутри композитного нановолокна), до находящихся непосредственно на оставшемся нановолокне из полимера на основе целлюлозы.

b. Регенерация целлюлозы

[0073] После получения нановолокон в состоянии «после электропрядения», дериватизированная целлюлоза может быть преобразована в целлюлозу в процессе регенерации. Регенерированная целлюлоза будет иметь такие же свойства, как описанная ранее чистая природная целлюлоза. Процесс регенерации выполняют приведением содержащих дериватизированную целлюлозу нановолокон в контакт, например, с сильным основанием (например, гидроксидом натрия) или другим растворителем. После реакции регенерации для преобразования в целлюлозу нановолокна могут быть промыты для удаления любого избытка растворителя, использованного во время процесса.

с. Функционализация поверхности

[0074] После получения гибридных нановолоконных войлоков, поверхности волокон могут быть подвергнуты функционализации. Неограничивающие примеры функционализации включают введение ионообменных групп, таких как слабые или сильные кислоты, и основания (например, карбоновые кислоты и амины), гидрофобных групп, таких как фенольные соединения, и аффинных лигандов, таких как антитела или ферментные субстраты.

[0075] Для применения в биосепарации гибридные нановолоконные войлоки согласно настоящему изобретению являются идеально биологически инертными, чем подразумевается, что они должны противодействовать неспецифическому связыванию нерастворимых твердых частиц, таких как клетки и продукты распада клеток, а также нежелательным взаимодействиям с белками, сахарами, нуклеиновыми кислотами, вирусами и прочими растворимыми компонентами, присутствующими во многих системах биологического происхождения.

[0076] В дополнение, нановолоконные войлоки для применения в биосепарации должны иметь некоторые качества: (1) волокна с малым диаметром для обеспечения наибольшего значения удельной площади (этот критерий является наиболее важным для адсорбционных процессов, и менее важен для обсуждаемых ниже сепараций строго по размеру частиц); (2) хорошо контролируемое и узкое распределение пор по величине между волокнами для обеспечения равномерного распределения течения при использовании для адсорбционных процессов и точной по размеру отсечки при сепарациях на основе величины частиц; (3) волокна должны иметь превосходную механическую и химическую стабильность для противостояния потенциально высоким рабочим давлениям и жестким условиям очистки; и (4) волокна должны иметь точно определенный и пространственно однородный размер и химический состав.

[0077] Для адсорбционных процессов, где доминирующими целевыми продуктами являются макромолекулярные продукты, такие как белки, нуклеиновые кислоты и вирусы, предельно большая удельная площадь поверхности, связанная с нановолоконными войлоками, создает огромное число потенциальных центров связывания для адсорбционных биосепараций. Нановолокна могут быть модифицированы так, чтобы содержать огромное число центров связывания, и адсорбция происходит почти исключительно на поверхности волокон, что делает центры связывания непосредственно доступными без необходимости в том, чтобы относительно крупная целевая молекула диффундировала внутрь. Внутренняя диффузия часто может ограничивать емкость для многих процессов адсорбции биопродуктов, когда используют традиционные пористые полимерные зерна. В дополнение, поскольку нановолоконные мембраны могут быть выполнены со многими различными химическими свойствами, адсорбируемый лиганд может быть точно подстроен для соответствия потребностям конкретной сепарации (например, ионной, гидрофобной или аффинной). В некоторых случаях лиганд может быть введен в нановолокно из исходных материалов во время электропрядения, или, альтернативно, поверхность может быть химически модифицирована для создания желательного адсорбирующего агента после получения нановолокна.

[0078] Две из наиболее важных характеристик операции разделения являются такими, что (1) течение происходит через микро- и макропоры войлока (в противоположность плотно упакованным полимерным зернам), и (2) что адсорбция происходит на поверхности волокон, где не требуется внутренняя диффузия. Эти факторы сокращают проблемы с высокими перепадами давления при повышенных скоростях течения и исключают медленную диффузию внутрь частиц, необходимую для адсорбции внутри полимерных зерен. Было показано, что доступные в настоящее время адсорбционные войлоки по порядку величины способности связывания биомолекул подобны полимерным зернам, но могут действовать при эксплуатационных скоростях течения более чем в 10 раз быстрее, чем плотно упакованные зерна. Эти факторы обеспечивают возможность гораздо менее продолжительной обработки и потенциально более высоких уровней очистки ценных биологических продуктов. Это является весьма желательным, в особенности для крупных биомолекул (с молекулярными массами свыше 250 кДа (тысяч дальтонов) и/или с гидродинамическими диаметрами 20-300 нм), поскольку их исключительно трудно очищать с использованием плотно упакованных зерен ввиду серьезных ограничений в отношении массопереноса внутри мелких пор полимерных зерен.

[0079] Поверхность нановолоконных войлоков согласно настоящему изобретению может быть модифицирована для сообщения химических свойств, обеспечивающих ионообменное и гидрофобное взаимодействие. Простое химическое модифицирование, такое как сульфирование полистирольных волокон серной кислотой, было использовано для формирования катионообменной среды. Прививка, радикальная полимеризация с переносом атома (ATRP) и обработки плазмой были использованы для создания ионообменных поверхностных функциональных групп, а также в качестве трехмерных связок из разнообразных полимерных субстратов, включающих полипропилен, поливинилидендифторид, полисульфон, и прочих. Фенильные и бутильные группы также могут быть введены как лиганды для гидрофобного взаимодействия. Зачастую поверхность полимерных мембран должна быть дополнительно модифицирована для повышения гидрофильности, чтобы препятствовать неспецифическому связыванию. Это было выполнено введением полиэтиленгликоля и других полиолов на поверхность.

[0080] Ионообменная емкость гибридного нановолоконного войлока также может быть повышена введением, например, диэтиламиноэтильных (DEAE) групп в качестве слабого анионообменного лиганда, или фрагмента карбоновой кислоты как слабого катионообменного лиганда.

d. Функционализация поверхности антимикробными препаратами

[0081] В одном варианте осуществления настоящего изобретения полимер на нецеллюлозной основе представляет собой полиакрилонитрил (PAN). Волоконные мембраны из PAN широко применялись для фильтрации благодаря их термической стабильности, высоким механическим характеристикам и химической стойкости. Полученные электропрядением нановолоконные войлоки из PAN представляли особенный интерес ввиду таких свойств, как малые диаметры волокон и соответственно большие удельные площади поверхности, а также возможности регулирования размеров пор среди нановолокон и введения антимикробных агентов в наномасштабе. Войлоки, состоящие из нановолокон с антимикробной функциональностью, привлекали растущее внимание ввиду проблем с качеством очищенной воды и/или профильтрованного воздуха, а также производственных затрат. Водяные и воздушные фильтры (в частности, фильтры, действующие в условиях темноты и влажности) постоянно подвергаются атакам микроорганизмов из окружающей среды. Микроорганизмы (такие как бактерии), которые могут легко задерживаться фильтрами, быстро растут, приводя к образованию биопленок. Таким образом, накопления микроорганизмов на поверхностях фильтров ухудшают качество очищенной воды и/или профильтрованного воздуха; в дополнение, они также оказывают неблагоприятное влияние на течение воды и/или воздуха.

[0082] Более того, загрязненные фильтры с биопленками трудно очищать. Обычно во время работы требуется высокое давление. Это, в свою очередь, повышает расходы. Описанные способы предусматривают введение антимикробных агентов (таких как препарат «N-halamine» и наночастицы ионов серебра) непосредственно в прядильные растворы, и тем самым молекулы/частицы антимикробных агентов распределяются по всем нановолокнам (Xinbo Sun, Lifeng Zhang, Zhengbing Cao, Ying Deng, Li Liu, Hao Fong, и Yuyu Sun. «Electrospun Composite Nanofiber Fabrics Containing Uniformly Dispersed Antimicrobial Agents as an Innovative Type of Polymeric Materials with Superior Anti-Infective Efficacy» («Полученные электропрядением композитные нановолоконные ткани, содержащие равномерно диспергированные антимикробные агенты, как новаторский тип полимерных материалов с превосходной противоинфекционной эффективностью»). ACS Applied Materials and Interfaces, том 2 (№ 4), стр. 952-956, 2010).

[0083] Однако это часто ведет к технологическим проблемам, главным образом, поскольку высокое содержание антимикробных агентов может серьезно осложнять процесс электропрядения и/или ухудшать свойства полученных нановолокон. Потенциальное решение этих проблем состоит во введении антимикробной функциональности на поверхности нановолокон после того, как нановолокна изготовлены (Lifeng Zhang, Jie Luo, Todd J. Menkhaus, Hemanthram Varadaraju, Yuyu Sun, и Hao Fong. «Antimicrobial Nano-fibrous Membranes Developed from Electrospun Polyacrylonitrile Nanofibers» («Антимикробные нановолоконные мембраны, сформированные из полученных электропрядением полиакрилонитрильных нановолокон»). Journal of Membrane Science, том 369, стр. 499-505, 2011).

[0084] Известно, что нитрильные (-C≡N) группы в PAN могут быть химически преобразованы в амидоксимные (-C(NH₂)=NOH) группы. Амидоксимные группы могут создавать координационные связи с многообразными металлическими ионами, в том числе ионами серебра, и координированные ионы серебра могут быть восстановлены до наночастиц серебра. Как ионы серебра, так и серебряные наночастицы представляют собой антимикробные агенты с высокой противомикробной активностью.

е. Другие примеры

[0085] Перспективную альтернативу хроматографии на уплотненном слое и другим технологиям сепарации представляет применение гибридных нановолоконных войлоков согласно настоящему изобретению в качестве селективных адсорбционных мембран. В этом типе адсорбции применяют нановолоконные войлоки как носитель для лигандов, которые используются во время процесса селективной адсорбции.

[0086] Селективная адсорбция предусматривает «активную» функционализацию поверхности гибридного нановолоконного войлока, которая позволяет непосредственно улавливать (адсорбировать) целевые субстанции. Такое модифицирование упрощается, если гибридные нановолоконные войлоки на своих поверхностях содержат химические фрагменты, которые относительно просто химически модифицировать для создания адсорбционных центров.

[0087] В отличие от модифицирования поверхностей нановолокон с созданием функциональных групп для ионообменного и гидрофобного взаимодействия, нанесение аффинных лигандов на нановолокна может быть более проблематичным. Зачастую процесс требует первоначального модифицирования поверхности для создания центров связывания для иммобилизации лигандов, с последующим присоединением лиганда к активному центру. Важно, что как первоначальное поверхностное модифицирование, так и присоединение лигандов должны быть прочными, чтобы не происходило вымывание во время обработки.

[0088] В некоторых случаях простые карбоксильные группы из привитой на поверхность метакриловой кислоты могут действовать как активный центр связывания для создания ковалентной амидной связи между функционализированной карбоксильной группой и открытой аминогруппой на белковом лиганде. Подобным образом, глубоким окислением целлюлозы (если оно надлежащим образом контролируется) на поверхности волокна могут быть сформированы альдегидные группы, которые могут образовывать ковалентное связывание с первичными аминами белка (включая Белок А и Белок G); в частности, по аминокислоте лизину. В других ситуациях функционализация поверхности общим аффинным красителем (например, Cibacron Blue, способным связывать некоторые белки) может быть проведена непосредственно на целлюлозном нановолокне.

[0089] Более замысловато биоактивные центры для иммобилизации белковых лигандов могут быть введены в каркас нановолокна во время формирования нановойлока. Одним примером этого является применение полиэтиленгликоля (PEG) с поли-D,L-лактидом (PDLLA) в качестве блок-сополимера. Гликоль может связываться с биоцитином (способным к аффинному взаимодействию с белками слияния стрептавидина) после электропрядения для создания аффинного нановолокна. Подобным образом, может быть создан диблок-сополимер поликапролактона (PCL) и поли(D,L-молочной кислоты-гликолевой кислоты)-b-PEG-NH2 (PLGA-b-PEF-NH2), содержащий снабженные поверхностными аминогруппами нановолокна для связывания с белками с использованием гомобифункционального сшивающего агента. Наконец, в некоторых случаях возможно применение собственных активных центров, связанных с определенными нановолоконными матрицами. Например, оказалось успешным связывание белка конканавалина А (аффинный хвост для лектина, связанного с гликопротеиновыми и/или прочими гликоконъюгатами) с нановолокном на основе хитозана.

[0090] В химических технологиях известны и другие способы присоединения специфичных лигандов к соединениям на целлюлозной основе и/или синтетическим полимерам.

Сепарации на основе размеров

[0091] В качестве независимого механизма адсорбции в последующих стадиях (downstream) биотехнологии также повседневно используют сепарации по размерам. Глубинная фильтрация и микрофильтрация представляют собой общеупотребительные операции, применяемые для осветления ферментативного бульона, где из суспензии биореактора удаляют клетки (приблизительно 1~20 мкм) и продукты распада клеток (0,1~1 мкм). Нанофильтрацию с помощью мембран применяют для выделения вирусов и/или очистки вирусных частиц величиной 20~200 нм, и ультрафильтрацию обычно используют для концентрирования и очистки белков. Во всех случаях желательны определенные характеристики сепарационной среды. Во-первых, желательна точно определенная отсечка по размеру для получения устойчиво контролируемых разделений. Во-вторых, необходим высокопористый материал для обработки с высокой производительностью без чрезмерных требований в отношении давления, чтобы свести к минимуму продолжительность работы и/или требования к площади мембраны. И в-третьих, желательна химическая и физическая устойчивость для жестких условий очистки и работы при умеренных давлениях. Нановолоконные войлоки, поскольку они могут быть изготовлены с низкими затратами в большом количестве из механически и химически прочных волокон, и с хорошо контролируемым размером пор между волокнами (или в виде полых волокон), обеспечивают превосходную благоприятную возможность в качестве новаторской среды для разделения по размерам. Полимерные нановолокна, как правило, проявляют меньшую степень неспецифического связывания, но могут иметь недостаток в меньшей химической стойкости, чем углеродные и керамические волокна. Недостатком керамических волокон является хрупкость, и они потенциально имеют высокие степени неспецифической адсорбции биомассы/биочастиц с сопутствующим засорением, но могут выдерживать жесткие условия регенерации.

[0092] До сих пор нановолоконные сита для сепараций по размерам главным образом представлялись пригодными для применения при выделении биочастиц нанометрового и микрометрового масштаба (или заменителей) согласно механизму глубинной фильтрации. Увеличенная удельная площадь поверхности нановолокон внутри фильтрационного мата создает более извилистую траекторию и повышенную вероятность задерживать желательную частицу из раствора, в то же время с сохранением высокой пористости. Были оценены в совокупности полимерные, углеродные и керамические нановолокна, и все были способны отделять частицы желательного размера от смеси, в то же время поддерживая высокие величины расхода потока. Более конкретно, полученные электропрядением нановолокна, выполненные из поливинилидендифторида (PVDF) и найлона-6, были способны удалять полистирольные частицы с величиной между 0,5~10 мкм. Возможно, сита из керамических нановолокон использовались более широко. Один пример показывает, что комбинация крупных титанатных нановолокон с более мелкими нановолокнами из бемита была способна обеспечивать очень высокие величины расхода потока (1000 л/м²⋅час) при относительно низком напорном давлении (20 кПа) и могла бы удалять из раствора все частицы крупнее 60 нм. Следует отметить, что многие варианты применения глубинной микро- и нанофильтрации также основываются на химической адсорбции частиц на поверхности, каковые нановолокна вполне способны специфически адсорбировать желательную примесь и могут быть изготовлены для этого.

Строение/конфигурация нановойлока

[0093] При использовании волокон с диаметрами в масштабе от субмикронного до нанометрового (1~1000 нм, называемых «нановолоконными» войлоками), площадь поверхности внутри данного объема слоя, доступная для потенциального связывания, будет в значительной мере увеличена, не меньше чем на два порядка величины. Регулированием размера пор нановолоконных войлоков также можно контролировать перепад давления и гидродинамические характеристики течения, и делать их столь же эффективными, как в микроволоконных войлоках.

[0094] Кроме того, величины пор между волокнами в войлоке обычно имеют узкое распределение пор по размерам (свыше 90% нановолокон находятся в пределах диапазона от 100 нм до 500 нм), чтобы препятствовать каналированию (сквозному проскоку) и задерживать только те частицы, величина которых превышает желательную размерную отсечку для операций фильтрации. Наконец, нановолоконные войлоки обычно имеют достаточную механическую прочность для работы в условиях с потенциально высокими перепадами давления (вплоть до 100 psi (689,4 кПа)) и высокими скоростями течения (значениями расхода потока свыше 30 л/(мин⋅м²)) и имеют достаточную химическую стойкость, чтобы противостоять потенциально жестким режимам очистки (часто включающим сильные кислоты, основания и органические растворители) без разрушения.

[0095] В одном варианте исполнения нановолоконные войлоки состоят из композитного нановолокна (одного полимера на основе дериватизированной целлюлозы плюс одного полимера на нецеллюлозной основе) и однокомпонентного нановолокна (полимера на нецеллюлозной основе). Однако, как было описано выше, гибридные нановойлоки согласно настоящему изобретению могут быть сформированы из многообразных комбинаций полимеров и нановолокон. Примеры этого включают, например:

• композитный нановолоконный войлок, в котором все нановолокна в войлоке состоят из единообразных частиц композитного нановолокна, выполненного из соэкструдированной смеси каркасного полимера и первого полимера на нецеллюлозной основе.

• Нановолоконный войлок, состоящий по меньшей мере из двух различных однокомпонентных нановолокон.

• Нановолоконный войлок, состоящий по меньшей мере из одного однокомпонентного нановолокна и по меньшей мере одного композитного нановолокна.

[0096] В дополнение к вышеописанным конфигурациям нановойлока, нановойлоки согласно настоящему изобретению также могут включать микроволокна для повышения стабильности, прочности и для точной настройки других физических характеристик войлоков для использования в конкретных вариантах применения. При сравнении с однокомпонентными нановолоконными войлоками, гибридные нановолоконные войлоки согласно настоящему изобретению проявляют следующие примерные улучшенные свойства:

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Получение однокомпонентного нановолоконного войлока из ацетата целлюлозы согласно прототипу

[0097] Однокомпонентный нановолоконный войлок из ацетата целлюлозы изготовили, как описано в работе: «Handbook of Membrane Research», Глава 3, «Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations» («Варианты применения полученных электропрядением нановолоконных мембран для биосепараций»), Todd J. Menkhaus, и др., издательство Nova Science Publishers. Inc., под редакцией Stephan V. Gorley. Ацетат целлюлозы (со средней молекулярной массой ~30000 г/моль), NaOH, NaCl, ацетон, N,N-диметилацетамид (DMAc) и N,N-диметилформамид (DMF) были приобретены в фирме Sigma-Aldrich Co. (Милуоки, Висконсин) Гидрохлорид 2-(диэтиламино)этилхлорида (DAECH) с чистотой 98% был приобретен в фирме Alfa Aesar Co. (Уорд Хилл, Массачусетс).

[0098] Приготовили раствор 15% (массовая доля) ацетата целлюлозы в смеси «ацетон/DMAc» (в массовом соотношении 2/1) при комнатной температуре. Раствор поместили в шприц. Конфигурация устройства для электропрядения включала источник высоковольтного электроснабжения и изготовленный в лаборатории барабан. В ходе электропрядения к игле подводили положительное высокое напряжение в 15 кВ и расход потока поддерживали на уровне 1,0 мл/час с использованием шприцевого насоса. Нановолокна из ацетата целлюлозы собирали в виде беспорядочно уложенного войлока на электрически заземленной алюминиевой фольге, которая покрывала барабан. Для высушивания нановолоконного войлока во время электропрядения использовали нагревательную лампу и войлок после электропрядения дополнительно высушивали в вакуумном сушильном шкафу. В целом процесс электропрядения был относительно нестабильным, с частыми перебоями, приблизительно с 2-часовыми интервалами. Собранный нановолоконный войлок из ацетата целлюлозы имел толщину приблизительно 225 мкм и массу в расчете на единицу площади приблизительно 60 г/м².

[0099] Нановолоконные войлоки из ацетата целлюлозы в состоянии после электропрядения сначала подвергли гидролизу/дезацетилированию погружением в водный 0,05М раствор NaOH в течение 24 часов. Продукты, называемые нановолоконными войлоками из регенерированной целлюлозы, затем трижды промыли дистиллированной водой и высушили в вакуумном сушильном шкафу при температуре 60°С. Затем образцы погрузили в 15%-ный (массовая доля) водный раствор DAECH на 10 минут с последующим высушиванием при температуре 60°С. Затем образцы погрузили в водный 0,5М раствор NaOH при температуре 90°С в течение 10 минут. Образцы трижды промыли дистиллированной водой и высушили при температуре 60°С с получением нановолоконных войлоков из целлюлозы с диэтиламиноэтильными (DEAE) анионообменными группами.

Пример 2

Получение гибридного нановолоконного войлока из CA/PEO-композитных нановолокон и однокомпонентных нановолокон из PAN

[00100] Ацетат целлюлозы (CA), полиэтиленоксид (PEO), хлороформ (CHCl₃), диметилформамид (DMF), полиакрилонитрил (PAN), и диэтиламиноэтилхлорид были приобретены в фирме Sigma-Aldrich Co. (Милуоки, Висконсин).

[00101] По отдельности приготовили прядильные растворы из PAN и CA+PEO. Вкратце, для приготовления прядильного раствора PAN, полиакрилонитрил (PAN) растворили в DMF для получения раствора. Что касается прядильного раствора CA+PEO, то приготовили CA плюс PEO в смеси CHCl₃/DMF с диэтиламиноэтилхлоридом.

[00102] В ходе процесса электропрядения два шприца, заполненных прядильным раствором PAN или CA+PEO, поместили на противолежащей стороне изготовленного в лаборатории барабана. В общем и целом, процесс электропрядения был очень стабильным и протекал устойчиво в течение длительных периодов времени (>48 часов), и полученные электропрядением гибридные нановолоконные маты, состоящие из CA+PEO-композитных нановолокон и PAN-нановолокон (либо самостоятельные, либо уложенные на носитель из хлопковой марли медицинского назначения), собрали на электрически заземленной алюминиевой фольге, которая покрывала барабан.

[00103] Затем гибридные нановолоконные маты из CA+PEO+PAN в состоянии после электропрядения подвергли отжигу в течение 24 часов для завершения дисперсии фаз CA и PEO. После этого маты подвергли гидролизу/дезацетилированию погружением в водный раствор NaOH в течение 24 часов. Полученные гибридные нановолоконные маты, составленные нановолокнами из регенерированной целлюлозы и нановолокнами из PAN, промыли дистиллированной водой и высушили.

Пример 3

Получение гибридного нановолоконного войлока из CA/PVP-композитных нановолокон и однокомпонентных нановолокон из PAN

[00104] Ацетат целлюлозы (CA), поливинилпирролидон (PVP), хлороформ (CHCl₃), диметилформамид (DMF), полиакрилонитрил (PAN), и диэтиламиноэтилхлорид были приобретены в фирме Sigma-Aldrich Co. (Милуоки, Висконсин).

[00105] По отдельности приготовили прядильные растворы из PAN и CA+PVP. Вкратце, для приготовления прядильного раствора PAN, полиакрилонитрил (PAN) растворили в DMF для получения раствора. Что касается прядильного раствора CA+PEO, то приготовили CA плюс PVP в смеси CHCl₃/DMF с диэтиламиноэтилхлоридом.

[00106] В ходе процесса электропрядения два шприца, заполненных прядильным раствором PAN или CA+PVP, поместили на противолежащей стороне изготовленного в лаборатории барабана. В общем и целом, процесс электропрядения был очень стабильным и протекал устойчиво в течение длительных периодов времени (>48 часов), и полученные электропрядением гибридные нановолоконные маты, состоящие из CA+PVP-композитных нановолокон и PAN-нановолокон (либо самостоятельные, либо уложенные на носитель из хлопковой марли медицинского назначения), собрали на электрически заземленной алюминиевой фольге, которая покрывала барабан.

[00107] Затем гибридные нановолоконные маты из CA+PVP+PAN в состоянии после электропрядения подвергли отжигу в течение 24 часов для завершения дисперсии фаз CA и PVP. После этого маты подвергли гидролизу/дезацетилированию погружением в водный раствор NaOH в течение 24 часов; в этом процессе также был бы растворен/удален PVP из матов. Полученные гибридные нановолоконные маты, составленные нановолокнами из регенерированной целлюлозы и нановолокнами из PAN, промыли дистиллированной водой и высушили.

Пример 4

Получение гибридного нановолоконного войлока из CA/PEO-композитных нановолокон и однокомпонентных нановолокон из найлона-6

[00108] Ацетат целлюлозы (CA), полиэтиленоксид (PEO), хлороформ (CHCl₃), гексафторизопропанол (HFIP), найлон-6, и диэтиламиноэтилхлорид были приобретены в фирме Sigma-Aldrich Co. (Милуоки, Висконсин).

[00109] По отдельности приготовили прядильные растворы из найлона-6 и CA+PEO. Вкратце, для приготовления прядильного раствора найлона-6 полимер растворили в HFIP. Что касается прядильного раствора CA+PEO, то приготовили CA плюс PEO в смеси CHCl₃/DMF с диэтиламиноэтилхлоридом.

[00110] В ходе процесса электропрядения два шприца, заполненных прядильным раствором найлона-6 или CA+PVP, поместили на противолежащей стороне изготовленного в лаборатории барабана. В общем и целом, процесс электропрядения был очень стабильным и протекал устойчиво в течение длительных периодов времени (>48 часов), и полученные электропрядением гибридные нановолоконные маты, состоящие из CA+PEO-композитных нановолокон и нановолокон из найлона-6 (либо самостоятельные, либо уложенные на носитель из хлопковой марли медицинского назначения), собрали на электрически заземленной алюминиевой фольге, которая покрывала барабан.

[00111] Затем гибридные нановолоконные маты из CA+PEO+найлон-6 в состоянии после электропрядения подвергли отжигу в течение 24 часов для завершения дисперсии фаз CA и PEO. После этого маты подвергли гидролизу/дезацетилированию погружением в водный раствор NaOH в течение 24 часов; в этом процессе также был бы растворен/удален PEO из матов. Полученные гибридные нановолоконные маты, составленные нановолокнами из регенерированной целлюлозы и нановолокнами из найлона-6, промыли дистиллированной водой и высушили.

Пример 5

Получение гибридного нановолоконного войлока из CA/PVP-композитных нановолокон и однокомпонентных нановолокон из найлона-6

[00112] Ацетат целлюлозы (CA), поливинилпирролидон (PVP), хлороформ (CHCl₃), гексафторизопропанол (HFIP), найлон-6 и диэтиламиноэтилхлорид были приобретены в фирме Sigma-Aldrich Co. (Милуоки, Висконсин).

[00113] По отдельности приготовили прядильные растворы из найлона-6 и CA+PVP. Вкратце, для приготовления прядильного раствора найлона-6, найлон-6 растворили в HFIP для получения раствора. Что касается прядильного раствора CA+PEO, то приготовили CA плюс PVP в смеси CHCl₃/DMF с диэтиламиноэтилхлоридом.

[00114] В ходе процесса электропрядения два шприца, заполненных прядильным раствором найлона-6 или CA+PVP, поместили на противолежащей стороне изготовленного в лаборатории барабана. В общем и целом, процесс электропрядения был очень стабильным и протекал устойчиво в течение длительных периодов времени (>48 часов), и полученные электропрядением гибридные нановолоконные маты, состоящие из CA+PVP-композитных нановолокон и нановолокон из найлона-6 (либо самостоятельные, либо уложенные на носитель из хлопковой марли медицинского назначения), собрали на электрически заземленной алюминиевой фольге, которая покрывала барабан.

[00115] Затем гибридные нановолоконные маты из CA+PVP+найлона-6 в состоянии после электропрядения подвергли отжигу в течение 24 часов для завершения дисперсии фаз CA и PVP. После этого маты подвергли гидролизу/дезацетилированию погружением в водный раствор NaOH в течение 24 часов; в этом процессе также был бы растворен/удален PVP из матов. Полученные гибридные нановолоконные маты, составленные нановолокнами из регенерированной целлюлозы и нановолокнами из найлона-6, промыли дистиллированной водой и высушили.

Пример 6

Оценка технических характеристик однокомпонентных и гибридных нановолоконных войлоков

[00116] По результатам исследований адсорбции в периодическом режиме, динамической адсорбции, дисперсии потока и проницаемости, однокомпонентные нановолоконные маты (Пример 1) и гибридные нановолоконные маты (Примеры 2-6) сравнили с имеющимися в продаже на рынке адсорбционными мембранами из регенерированной целлюлозы и ватным тампоном. Целлюлозную мембрану промышленного производства и ватный тампон перед испытанием подвергли таким же обработкам после электропрядения, как для однокомпонентного нановолоконного войлока и гибридного нановолоконного войлока.

[00117] Эксперименты по адсорбции в периодическом режиме проводили для определения изотерм равновесной адсорбции Ленгмюра. Для анализов в периодическом режиме однокомпонентный войлок, гибридный войлок, промышленную целлюлозу и ватный тампон промыли буфером, разрезали на отдельные фрагменты величиной приблизительно 1 см² и взвесили. Затем для каждой среды десять отдельных фрагментов (~100 мг) поместили в центрифужные пробирки емкостью 15 миллилитров (мл). Маточный раствор целевого белка приготовили с концентрацией 2,0 мг/мл смешением лиофилизированного белка известной массы с буфером. Надлежащие количества маточного раствора и буфера добавили в каждую испытательную пробирку, содержащую отрезанные фрагменты войлока, промышленной целлюлозной мембраны или ватных тампонов, для доведения до конечного объема 14 мл в каждой пробирке, и начальной концентрации белка между 0,0 мг/мл и 2,0 мг/мл белка. Немедленно отобрали 1,0 мл жидкостного образца для каждой из различных начальных концентраций белка и измерили УФ-оптическую плотность при длине волны 280 нм. Затем образцы поместили в барабанный смеситель вертикального типа, вращающийся со скоростью приблизительно 40 оборотов в минуту (об/мин). После перемешивания в течение как минимум 24 часов жидкость из каждого образца удалили, и определили концентрацию белка по УФ-оптической плотности при длине волны 280 нм с использованием спектрофотометра Genesys 10 UV, приобретенного в фирме Thermo Electron Corporation (Мэдисон, Висконсин). По разности может быть рассчитано количество белка, адсорбированного войлоком. Также приготовили пробирку с 2,0 мг белка/мл, и без применения войлока оценили потенциальную адсорбцию белка поверхностью пробирки. Адсорбция поверхностью пробирки обнаружена не была. Подобным образом проводили мониторинг контрольных образцов для оценки потенциала выщелоченных химических веществ, которые могли бы вносить свой вклад в УФ-оптическую плотность при длине волны 280 нм, и неспецифического связывания белка недериватизированной мембраной (после регенерации действием NaOH). В любом из образцов выщелачивание или неспецифическое связывание обнаружено не было. Затем вывели изотермы адсорбции Ленгмюра и определили константы моделирования (Q_max и K_d) регрессией наименьших квадратов согласно уравнению:

,

где Q представляет равновесную концентрацию адсорбированного белка на мембране (мг/г), Q_max представляет емкость максимального насыщения в асимптотическом приближении, С представляет равновесную концентрацию белка в жидкостной фазе (мг/мл) и K_d представляет константу десорбции (мг/мл). Высокие значения Q и низкие значения K_d являются показателями высокой эффективности процессов адсорбции. После анализа адсорбции жидкость удалили декантированием, и войлоки промыли 14 мл буфера при перемешивании в течение 1 часа. После удаления промывного раствора в пробирки добавили буфер с 1М NaCl, перемешивали в течение 1 часа, и отобрали жидкостный образец для определения концентрации белка по УФ-оптической плотности при длине волны 280 нм. Степень элюирования в процентах рассчитали на основе величин связывания, найденных во время исследовании в фазе адсорбции.

[00118] Результаты, приведенные ниже в Таблице 2, показывают, что полученные электропрядением гибридные нановолоконные войлоки имели наивысшую емкость, причем после них следовал однокомпонентный нановолоконный войлок. Оба адсорбционных материала на основе нановолокон имели значительно более высокую емкость насыщения при всех равновесных концентрациях жидкостной фазы, нежели любые промышленные адсорбционные среды на основе целлюлозы. Микроволоконные войлоки из регенерированной целлюлозы и ватные тампоны имели наименьшую емкость связывания. Повышенная емкость связывания обусловливается высокой удельной площади поверхности в сочетании с уникальной морфологией нановолоконного войлока. Во всех случаях могло быть выполнено количественное элюирование белка.

[00119] Измерили величины проницаемости для буфера однокомпонентного и гибридных нановолоконных войлоков и имеющихся в продаже на рынке адсорбционных мембран из регенерированной целлюлозы. Повышенные значения проницаемости показывают способность действовать с более высокой производительностью (менее продолжительным временем обработки) и/или более низком давлении; оба этих показателя создают существенные преимущества в процессах изготовления. Для всех экспериментов использовали держатель с малоразмерной «таблеточной» адсорбционной мембраной. Устройство обеспечивает приблизительно 1,5 см² эффективной площади фильтрации и герметизировано кольцеобразной прокладкой для предотвращения утечки. Сначала оценили перепад давления только в самой системе, с установленным держателем мембраны, но без присутствия мембраны, при величинах расхода потока, варьирующих от 2,0 мл/мин до 30,0 мл/мин. Затем в устройство последовательно вставляли слои каждого нановолоконного войлока или промышленной мембраны, в то же время измеряя перепад давления при различных величинах расхода потока. Для каждого войлока/мембраны оценивали один, три, пять, семь и девять слоев. Перепад давления в системе вычитали из измеренной величины перепада давления при установленных войлоке/мембране для расчета проницаемости войлока/мембраны при каждом значении расхода потока. Зарегистрировали минимальные показания из пяти величин расхода потока и соответствующего давления для каждого различного числа слоев.

[00120] Как показано ниже в Таблице 3, проницаемость для буфера через пакеты гибридных нановолоконных войлоков была значительно более высокой, чем для однокомпонентных войлоков, и проницаемость однокомпонентного нановолоконного войлока была по меньшей мере в пять раз выше, чем проницаемость соответствующих образцов промышленной регенерированной целлюлозы. Кроме того, для сравнения, изготовитель сообщал, что плотный слой Sepharose Fast Flow толщиной 15 см имеет проницаемость приблизительно 7 л/(мин⋅м²⋅10⁵ Па), которая была подобной функционализированной мембране промышленного производства, но гораздо меньшей, чем для нановойлоков.

[00121] Анализ дисперсии системы выполнили для гибридных и однокомпонентного нановолоконных войлоков и для промышленных адсорбционных мембран из регенерированной целлюлозы, чтобы определить степень осевого перемешивания при различных числах размещенных слоев. Меньшее осевое перемешивание (лучшая дисперсия потока) желательно для минимизации каналирования и преждевременного прорыва во время процессов адсорбции. Для испытаний дисперсии системы использовали такую же конфигурацию, как для анализа проницаемости, за исключением того, что величину расхода потока поддерживали при 1,0 мл/мин во время всего процесса. После установления равновесия пакета войлоков/мембран с буфером к системе добавляли 1%-ный (объемная доля) раствор ацетона в буфере. По ходу испытания непрерывно отслеживали УФ-оптическую плотность при длине волны 280 нм, и анализировали полученную кривую для расчета числа (Ре) Пекле методом наименьших квадратов согласно уравнению:

,

где C_out представляет оптическую плотность фильтрата при 280 нм, C_in представляет оптическую плотность при 280 нм на входе, V представляет объем добавленного раствора ацетона, и V₅₀ представляет объем, когда C_out/C_in = 0,50. Более высокие значения Ре были использованы для обозначения того, что желательная характеристика находится в близком приближении к течению в пробковом режиме (меньшее осевое перемешивание и лучшая дисперсия потока).

[00122] Таблица 4, ниже, обобщает результаты для числа Ре, как определенного для различных количеств гибридных и однокомпонентного нановолоконных матов и слоев промышленных войлоков/мембран из регенерированной целлюлозы. Результаты показывают, что нановолоконные войлоки, полученные в этом исследовании, имели сравнимые гидродинамические характеристики.

[00123] Анализы динамического прорыва выполнили для оценки эффективности адсорбции при работе в условиях течения. Более высокая емкость при низкой степени (в %) прорыва означала бы более эффективный адсорбционный материал. Эксперименты по динамическому прорыву проводили с использованием держателя мембраны Pall Mustang согласно рекомендациям производителя. В анализе использовали девять слоев либо нановолоконных войлоков, либо промышленных мембран. Все эксперименты проводили с использованием системы AKTA Purifier (фирмы GE Healthcare, Пискатауэй, Нью-Джерси) при поточном измерении УФ-оптической плотности при длине волны 280 нм, величины рН и проводимости и под контролем пакета программ Unicorn, версия 5.01. Фракции автоматически собирались системой в аликвотах объемом 0,60 мл (приблизительно 2 объема слоя). Для установления равновесия использовали минимально 10 объемов слоя. Для каждого эксперимента применяли стадию элюирования 100%-ным буфером В (равновесный буфер с добавлением 1,0М NaCl). Для всех испытаний динамического прорыва величину расхода потока поддерживали при значении 1,0 мл/мин. Маточный раствор белка, приготовленный при 1,5 мл/мл в буфере, подавали, пока не достигался 100%-ный прорыв. Затем войлок промывали буфером в количестве минимально 10 объемов слоя перед десорбцией. Весь элюент (проток при загрузке, промывании и элюировании) собирали, взвешивали для определения объема, и анализировали на концентрацию белка с использованием УФ-оптической плотности при длине волны 280 нм. Затем рассчитывали массовый баланс белка на основе загруженного объема и всех фракций, собранных во время процесса.

[00124] Окончательная практическая оценка любой адсорбционной системы представляет собой анализ динамического прорыва, комбинацию равновесной емкости связывания, кинетических характеристик адсорбции и дисперсии системы. Также она представляет собой непосредственное применение емкости для режима протока при работе, где не требуется связывать молекулу, селективно отмываемую от прочих примесей.

[00125] Таблица 5 ниже показывает динамическую емкость связывания белка при 10%-ном прорыве на нановолоконных войлоках и промышленных адсорбционных мембранах из регенерированной целлюлозы. Динамическая емкость была значительно более высокой для гибридных нановолоконных матов по сравнению с любой другой оцениваемой адсорбционной средой. В дополнение, результаты элюирования показывают, что в пределах экспериментальной погрешности вымывание белка было полным для каждой адсорбционной системы и в целом массовый баланс не выявил потерь.

Описанные выше примеры приведены для того, чтобы дать специалисту с обычной квалификацией в этой области технологии полное раскрытие и описание, как сделать и использовать варианты исполнения композиций, и не предполагают ограничения области того, что авторы настоящего изобретения считают своим изобретением. Модификации вышеописанных режимов (для исполнения изобретения, которые очевидны квалифицированным специалистам в этой области технологии) предполагаются входящими в пределы области пунктов нижеследующей патентной формулы. Все публикации, патенты и патентные заявки, цитированные в этом описании, включены здесь ссылкой, как если бы каждые из таких публикаций, патента или патентной заявки были конкретно и индивидуально указаны как включенные здесь ссылкой.