納米纖維混合毛氈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及一種用于生物和化學(xué)分離以及其它應(yīng)用方面的組合物。更具體 地，本發(fā)明涉及一種由納米纖維制成的具有高滲透性和高容量的混合毛氈。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 超細(xì)纖維與納米纖維膜，或"毛氈"，有在生物和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域有各種不同的用途。 例如，毛氈在紡織加固，防護(hù)服，催化媒介，農(nóng)業(yè)應(yīng)用，環(huán)保、醫(yī)療、軍事監(jiān)測(cè)傳感器，生物醫(yī) 學(xué)應(yīng)用（例如生物分離、組織工程和傷口敷料），電子應(yīng)用（如電容器、晶體管和二極管）， 和空間應(yīng)用（例如太陽(yáng)帆和空間反射鏡后盾結(jié)構(gòu)）等方面是很有用的。超細(xì)纖維與納米纖 維毛氈特別適合用于純化生物物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、核酸、碳水化合物、細(xì)菌、病毒、細(xì)胞及類似 物。在包括液體和氣體的所有流體應(yīng)用中，它們是有用的。
[0004] 隨著越來越多的生物制藥被批準(zhǔn)銷售，生物制藥醫(yī)療領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。另外，基 于生物學(xué)的診斷工具被廣泛用于執(zhí)行多種疾病狀態(tài)的高通量、敏感診斷測(cè)試中。對(duì)于這兩 種治療和診斷，生物物質(zhì)（例如重組蛋白、單克隆抗體、病毒疫苗和核酸）必須高效率地生 產(chǎn)和純化以供使用。
[0005] 常規(guī)的純化方法包括從使用的副產(chǎn)品和其它污染物中分離期望的生物物質(zhì)，例 如，包裝微珠的吸附/層析、超濾和沉淀/結(jié)晶。這些常規(guī)的分離方法為很多生物學(xué)應(yīng)用提 供了足夠的結(jié)果，但在產(chǎn)量、處理時(shí)間和純度程度方面是有限的。這些限制主要是由于相對(duì) 大的生物分子的緩慢的擴(kuò)散速率，其限制了該物質(zhì)（例如"目標(biāo)物質(zhì)"）被純化時(shí)訪問分離 基質(zhì)內(nèi)的可用結(jié)合位點(diǎn)的能力。此外，這些系統(tǒng)被用于循環(huán)使用的次數(shù)是有限的，有的只能 使用一次。
[0006] 離子交換（IE)和疏水性相互作用（HI)的吸附/層析是被廣泛地用于生物物質(zhì)分 離中的更強(qiáng)大常規(guī)的兩個(gè)分離技術(shù)的例子。它們總體一般是不太有效的相比于基于特定親 和的分離技術(shù)而言，例如基于抗體的分離，但如果分離條件是經(jīng)過精心挑選的，對(duì)于從不需 要的副產(chǎn)物和雜質(zhì)中純化許多靶物質(zhì)，他們?nèi)匀皇怯杏玫摹?br>[0007] 盡管基于親和的吸附/層析比IE和HI可能更為有效，但制造它們通常是更加困 難和昂貴的，由于生產(chǎn)和純化生物配體的復(fù)雜度，例如單克隆抗體和核酸。這樣的配體也往 往對(duì)環(huán)境條件（如溫度，pH，離子強(qiáng)度等）很敏感，并且可以很容易地變得惡化，使得吸附所 需的親和相互作用被破壞。此外，該結(jié)合相互作用有時(shí)難以破壞，在不存在可能減弱生物活 性的苛刻條件和后來的使用目標(biāo)物質(zhì)和/或可重用的純化介質(zhì)的情況下。
[0008] 對(duì)生物物質(zhì)的純化是有用的膜已被描述（參見，例如，從可再生資源中獲得產(chǎn)品 附加值的生物處理，尚田洋、埃德，第7章）。近日，使用納米直徑纖維構(gòu)造成的控制厚度的 墊（即"納米纖維毛氈"）的膜吸附/層析已經(jīng)顯示出其在生物分離使用中的巨大潛力（Todd J. Menkhausj et ah，''Chapter 3:Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations"，in Handbook of Membrane Research. Stephan V. Gorleyj Ed.)〇 0? 種納米纖維毛氈優(yōu)于超細(xì)纖維毛氈，因?yàn)槠淇壮叽?、親和特性以及其它性能標(biāo)準(zhǔn)可以更精 確地控制。
[0009] 雖然先前描述的單組分納米纖維毛氈提供了有希望的結(jié)果，但是它們往往比期望 的效率較低，在毛氈的穩(wěn)定性以及材料和時(shí)間要求方面。當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)以低濃度存在于起始 材料中進(jìn)行純化，并且污染物和/或合成的副產(chǎn)物很豐富時(shí)，這種情況是尤其真實(shí)存在的。 因此，這就存在一種改進(jìn)毛氈穩(wěn)定性和生物制品純化效率的需求。下面公開的實(shí)施例滿足 這一需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 下面的簡(jiǎn)要概述提供了所要求保護(hù)的主題的一些方面的基本理解。此概述并非為 廣泛綜述，且并不旨在標(biāo)識(shí)關(guān)鍵/重要元素或劃定所要求保護(hù)的主題的范圍。其目的是為 了以簡(jiǎn)化的形式呈現(xiàn)一些概念，作為序言在下面給出更詳細(xì)的描述。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種靜電混合納米纖維毛氈，其是由復(fù)合納米纖維 和單組分納米纖維制成的。所述復(fù)合納米纖維可以由衍生纖維素和第一非纖維素基聚合物 的混合物靜電紡絲，而所述單組分納米纖維可以由第二非纖維素基聚合物靜電紡絲，其中， 所述第二非纖維素基聚合物與所述第一非纖維素基聚合物可以是相同或不同的。一般地， 第一和第二非纖維素基聚合物是可以從納米纖維毛氈中可區(qū)別地拆卸的，這意味著導(dǎo)致非 纖維素基聚合物中的一種被除去以得到比其它（例如，可除去的10%的差異，或更多，如 20%或50% )更大的程度的條件存在（或者使用溶劑或加熱，或溶劑和加熱的組合）。
[0012] 在復(fù)合納米纖維中的衍生纖維素可以是纖維素有機(jī)酯、纖維素?zé)o機(jī)酯或烷基纖維 素。纖維素有機(jī)酯可以是纖維素乙酸酯、纖維素三乙酸酯或纖維素丙酸酯。
[0013] 當(dāng)衍生纖維素是纖維素?zé)o機(jī)酯時(shí)，它可以是硝酸纖維素和硫酸纖維素，和當(dāng)它是 烷基纖維素時(shí)，它可以是羥乙基纖維素或羧甲基纖維素。
[0014] 第一非纖維素基聚合物可以是合成的或天然的聚合物，如乙烯基聚合物、聚醚、丙 烯酸類聚合物、聚酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸乙酯、多糖（例如淀粉或幾丁質(zhì)）、聚酰胺（例如 蛋白或明膠）、聚丙交酯、聚乙交酯或其共聚物。
[0015] 在一個(gè)實(shí)施方案中，所述第二非纖維素基聚合物，其形成的單組分納米纖維是一 種合成聚合物，如乙烯基聚合物、聚酰胺、聚酰亞胺，聚酯或其共聚物。
[0016] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是一種制備上述納米纖維毛氈的靜電紡絲的方法， 具體步驟如下：a)分別準(zhǔn)備復(fù)合聚合物紡絲原液和單組分聚合物紡絲原液；b)將所述紡絲 原液置于兩個(gè)不同的噴絲頭；c)用電極施加電壓到每個(gè)紡絲原液；d)從噴絲頭分別靜電紡 絲復(fù)合納米纖維和單組分納米纖維；以及e)收集固化納米纖維作為隨機(jī)覆蓋或部分對(duì)齊 的納米纖維毛氈。
[0017] 形成的納米纖維毛氈可以通過重新生成復(fù)合納米纖維中的衍生纖維素（即將其 轉(zhuǎn)換回纖維素）被進(jìn)一步處理。制備納米纖維毛氈的方法還可以包括另外的步驟，即從所 述復(fù)合納米纖維中除去部分或全部的第一非纖維素基聚合物的?？商娲鼗蛘叱诉@些步 驟，制備納米纖維毛氈的方法還可以包括在納米纖維毛氈中的一個(gè)或多個(gè)復(fù)合納米纖維表 面官能化的步驟。這種表面官能化可能需要附接親和配體，其具有對(duì)特定靶分子的特異性 親和力以從流體中純化。
[0018] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明是從流體中純化生物分子的方法，說明步驟如下：a) 根據(jù)所述方法制備一種納米纖維毛氈；b)將流體通過所述納米纖維毛氈，并從所述納米纖 維毛氈中獲得生物分子。
[0019] 本發(fā)明的其它方面在本說明書其它地方找到。
[0020] 附圖的簡(jiǎn)要說明
[0021] 圖1是靜電紡絲過程的示意性表示。
[0022] 發(fā)明詳述
[0023] 本發(fā)明一般涉及混合毛氈，由靜電紡絲納米纖維組成，用于化學(xué)和生物分離。所述 混合納米纖維毛氈具有很高的分離能力，并提供在兼具高流動(dòng)性和高壓條件下的多個(gè)周期 的可重復(fù)性能。這樣的納米纖維毛氈呈現(xiàn)復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)的三維多孔結(jié)構(gòu)和相對(duì)大的表面 積。
[0024] 具體地，混合納米纖維毛氈是由多于一種的聚合物類型組成的（即它們是"混合 型"毛氈）。
[0025] 本發(fā)明的毛氈是由多于一種的聚合物類型組成的（即它們是"混合型"毛氈）。這 包括由單組分納米纖維和"復(fù)合"納米纖維（例如，納米纖維由兩種或更多種材料的混合物 制成）的組合制成的混合毛氈。對(duì)于"復(fù)合"納米纖維，"主鏈聚合物"是一種衍生纖維素， 并且所述第一非纖維素基聚合物能夠從纖維/毛氈中通過將其暴露到，或高溫和化學(xué)溶劑 兩者中被除去。在一些實(shí)施方案中，去除第一非纖維素基聚合物的同時(shí)將衍生纖維素轉(zhuǎn)換 回纖維素，即該纖維素是"再生"的。
[0026] 本發(fā)明的毛氈中的納米纖維是通過電紡絲技術(shù)生產(chǎn)的。這指的是纖維的制備是基 于將擠出的聚合物"紡絲原液"暴露于靜電場(chǎng)中，從而導(dǎo)致擠出的聚合物"噴射"的伸長(zhǎng)成 為納米纖維。
[0027] 這些和本發(fā)明的其它示例性方面在下面更詳細(xì)說明。
[0028] 定義
[0029] 在下面的描述中，許多術(shù)語(yǔ)被廣泛使用。以下非限制性定義提供說明書和權(quán)利要 求書的清楚和一致的理解，包括應(yīng)給予這樣的術(shù)語(yǔ)的示例性范圍。
[0030] 當(dāng)術(shù)語(yǔ)"一個(gè)"，"一"或"一種"在本公開中使用時(shí)，它們的意思是"至少一個(gè)"或 "一個(gè)或多個(gè)"，除非另有說明。
[0031] 如本文所用的術(shù)語(yǔ)"發(fā)明"或"本發(fā)明"意在非限制性的，并且不旨在指任何單個(gè) 的特定發(fā)明的實(shí)施例，但如在本說明書和權(quán)利要求中所描述的那樣包括所有可能的實(shí)施方 案。
[0032] 如本文所用的術(shù)語(yǔ)"滲透性"是指流體通過納米纖維毛氈，每單位厚度毛氈，每單 位壓降的流出。滲透性被認(rèn)為是"高"，如果它高于500lV(min Hi2IO5Pa)。
[0033] 術(shù)語(yǔ)"通量"指的是流體通過納米纖維氈，每單位時(shí)間，每單位暴露于流動(dòng)的面部 區(qū)域的流量。
[0034] 本文所使用的術(shù)語(yǔ)"容量"指的是產(chǎn)品的每單位吸附劑束縛的量。蛋白質(zhì)的吸附 容量被認(rèn)為是"尚"的，如果它尚于100暈克蛋白質(zhì)/克吸附劑。
[0035] 本文使用的術(shù)語(yǔ)"膜"、"毛氈"和"墊"是可互換的，并且指纖維的無(wú)紡物或隨機(jī)疊 加的集合。
[0036] 本文所用術(shù)語(yǔ)"納米纖維毛氈"是指納米纖維在一個(gè)基本上是平面的陣列的集合， 其還可以包括用于強(qiáng)度和增強(qiáng)磁通而添加的超細(xì)纖維。
[0037] 本文所用術(shù)語(yǔ)"超細(xì)纖維"，是指纖維直徑大于I. 0微米的纖維，并且一般在I. 0微 米和1.0毫米之間。
[0038] 本文所用術(shù)語(yǔ)"納米纖維"，是指直徑小于I. 0微米的纖維，而且通常在10納米至 I. 0微米之間，如200納米和600納米之間。
[0039] 本文使用的術(shù)語(yǔ)"混合納米纖維毛氈"是指纖維的無(wú)紡物或隨機(jī)疊加的集合，由至 少2種類型的聚合物通過單組分纖維或復(fù)合纖維與至少一種其它單組分纖維或至少一種 其它復(fù)合纖維結(jié)合。
[0040] 本文所用術(shù)語(yǔ)"單組份納米纖維"是指由單一聚合物制造的納米纖維。
[0041] 術(shù)語(yǔ)"單組分納米纖維毛氈"一詞是指許多單組分納米纖維堆積成的纖維的無(wú)紡 物或隨機(jī)疊加的集合。
[0042] 本文所使用的術(shù)語(yǔ)"復(fù)合納米纖維"是由至少兩種不同的聚合物生產(chǎn)的納米纖維。
[0043] 本文所用術(shù)語(yǔ)"適度升高的溫度"指的是溫度在24°C到IKTC之間。
[0044] 本文所使用的"差異可移動(dòng)"，是指當(dāng)混合納米纖維毛氈包括至少兩種非纖維素基 聚合物時(shí)，條件可以選擇（升高溫度和/或溶劑接觸）以除去其中的一種非纖維素基聚合 物，達(dá)到更大程度（至少10%的不同，并且高達(dá)100%對(duì)0%)比另一種非纖維素基聚合物。 [0045] 本文所用術(shù)語(yǔ)"溶劑"，是指能夠溶解納米纖維毛氈中一種或多種組分的任何單一 組分液體或混合液。
[0046] 本文所使用的術(shù)語(yǔ)"紡絲原液"指的是用在靜電紡絲過程中的聚合物溶液。
[0047] 本文所使用的術(shù)語(yǔ)"靜電紡絲"是指電力的應(yīng)用，以使紡絲原液形成納米纖維。
[0048] 本文所用術(shù)語(yǔ)"熱穩(wěn)定性"，是指聚合物在50-1KTC的溫度范圍內(nèi)不會(huì)分解。
[0049] 本文所用術(shù)語(yǔ)"化學(xué)穩(wěn)定"，是指聚合物不溶于溶劑，例如水或常用有機(jī)溶劑（例 如醇類和烴類）及其混合物。
[0050] 衍牛纖維素
[0051] 纖維素是存在于植物和藻類的細(xì)胞壁中的結(jié)構(gòu)組分。其也可以由一些細(xì)菌分泌。 因此，纖