CN108883223B - 纤维材料及纯化柱 - Google Patents
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Abstract
纤维材料,其包含混纤纤维,所述混纤纤维具有横截面形状共通的多种实心纤维,上述多种纤维中的至少两种在上述混纤纤维整体中的构成比例为5.0%以上,在上述构成比例为5.0%以上的多种纤维中,将下式(1)表示的表面积增加度最高的纤维作为纤维(max)、将下式(1)表示的表面积增加度最低的纤维作为纤维(min)时,纤维(min)比纤维(max)的表面积增加度低3.0%以上,纤维(max)在上述混纤纤维整体中的构成比例为30.0%以上,纤维(min)在上述混纤纤维整体中的构成比例为8.0%以上,并且,对于纤维(max)而言,(a)表面积增加度为1.20以上,(b)为多孔质且细孔比表面积为5m2/g以上。表面积增加度=(纤维横截面的周长)/(具有与纤维横截面相同的截面积的圆的圆周长)(1)本发明可提供使用能够有效吸附被处理液中的除去对象物质的纤维而成的纤维材料、及内置有该纤维的纯化柱。
Description
技术领域
本发明涉及能够有效地吸附被处理液中的除去对象物质的纤维材料、及内置有该纤维材料的纯化柱。
背景技术
一直以来,作为利用吸附将被处理液中的除去对象物质除去的纯化柱中使用的吸附材料的形态,大多使用多孔质的珠粒。作为其理由,可举出由于珠粒状的吸附载体能够在吸附柱内均匀地填充,因此具有血液流动的偏移少、容易进行柱设计这样的优点。另一方面,作为用于提高吸附性能的手段,可举出增加吸附载体的单位体积的表面积。但是,在吸附载体为珠粒状的情况下,若为了增大吸附载体的单位体积的表面积而减小珠粒直径,则各珠粒间的间隙将变窄。这样的话,流路阻力将升高,压力损失将增大,由此难以使被处理液流过。另外,由于用作吸附载体的珠粒通常为球形,因此不能说原本单位体积的表面积就大于其他形状。即,即使珠粒内部有余力进行吸附,有时仍然无法有效地利用这些吸附位点。
作为珠粒以外的吸附材料的形态,可举出纤维,考虑使用通常的圆形截面的纤维。作为其形态,可举出将大量纤维以与连接柱壳体的两侧开口部的轴向平行的方式呈直线形***、或者制成编织物等。
现有技术文献
专利文献
目前公开了与内置有中空纤维、实心纤维的纯化柱相关的发明(专利文献1、2)。
目前为止,如专利文献3~5所记载的,在衣物领域中,为了提高膨起感即膨松性,可举出将不同种异形截面形状进行混纤的方法。在透析器等领域中,作出了如专利文献6及7那样的发明,即,对丝施以卷曲从而防止相邻的丝彼此叠合、密合。
另外,专利文献8中叙述了下述发明:通过将圆形的中空丝膜与异形截面的间隔长丝组合,从而抑制偏流。
专利文献1:日本特开2011-156022号公报
专利文献2:日本特开2010-148851号公报
专利文献3:日本特开2002-220758号公报
专利文献4:日本特开2004-263341号公报
专利文献5:日本特开2002-194621号公报
专利文献6:日本特开2012-115743号公报
专利文献7:日本特开2008-155009号公报
专利文献8:日本特开2000-225304号公报
非专利文献
非专利文献1:Kazuhiko Ishikiriyamaet al.;JOURNAL OF COLLOID ANDINTERFACE SCIENCE,VOL.171,103-111(1995)
发明内容
发明要解决的课题
然而,专利文献1、2中使用的纤维的截面形状为圆形,吸附体的表面积相对于体积而言小,因此吸附性能低。此处,考虑了制成下述纤维的方法,所述纤维的截面为除圆形以外的形状,即异形截面。但是,出于提高纯化柱的吸附性能等目的而提高丝的填充率时,与圆形丝相比,异形截面丝的外接圆占有率(异形的纤维横截面的外接圆中的纤维截面的占有率,后述)降低,因此导致相邻的丝彼此叠合、密合,存在容易损失表面积这样的课题。
专利文献6及7中记载的发明中,存在增加施以卷曲的工序及此时发生断丝的问题,此外,由卷曲产生的波的高度因长年保存、长年劣化而有变小的倾向,从制品的长期稳定性的观点考虑,并不优选。另外,也没有关于以吸附被处理液中的除去对象物质为目的记载。另外,由于专利文献3~5中未使用多孔质的纤维,因此为了利用丝的收缩率差异来改善膨起感、轻质感等而对丝进行加热,但在使用有细孔的多孔质丝的情况下,多孔结构有可能因热处理、高次加工而被破坏。
另外,关于专利文献8中记载的发明,若欲使被处理液仅流过中空丝膜的内侧,则被处理液所接触的部位只是中空丝内侧,另一方面,在欲使被处理液仅流过中空丝膜的外侧的情况下,被处理液所接触的部分仅是间隔长丝和中空丝外侧,因此导致吸附性能均降低。另外,还考虑了将被处理液连续地导入至中空丝内侧和外侧这两侧的方法,但被处理液的流路变得复杂,或者导致压力损失增大,因此并不优选。
还有下述方法,即,不在端部设置间隔壁而是以网状物等进行密封,由此使处理液同时流过中空纤维的内侧/外侧这两侧,但是却难以均等地分配内侧和外侧的流量,容易产生流动不均。
另外,例如在作为被处理液的血液流过后,使用生理盐水来进行使残留在柱中的血液返回至体内的操作(有时也称为“返血”),但是尤其在中空纤维内径小的情况下、或由于中空丝的压溃等,而导致在返血时可能发生血液在中空纤维内侧大量残留、被称为残血的现象,因此不优选。
鉴于上述以往技术,本发明要解决的课题在于提供被吸附物质除去性能优异的纤维材料及内置有该纤维材料的纯化柱。
用于解决课题的手段
为解决上述课题,本发明的纤维材料具有以下的构成。即,
纤维材料,其包含混纤纤维,所述混纤纤维具有横截面形状共通的多种实心纤维,上述多种纤维中的至少两种在上述混纤纤维整体中的构成比例为5.0%以上,上述构成比例为5.0%以上的多种纤维中,将下式(1)表示的表面积增加度最高的纤维作为纤维(max)、将下式(1)表示的表面积增加度最低的纤维作为纤维(min)时,纤维(min)比纤维(max)的表面积增加度低3.0%以上,纤维(max)在上述混纤纤维整体中的构成比例为30.0%以上,纤维(min)在上述混纤纤维整体中的构成比例为8.0%以上,并且,对于纤维(max)而言,(a)表面积增加度为1.20以上及(b)为多孔质、且细孔比表面积为5m2/g以上。
表面积增加度=(纤维横截面的周长)/(具有与纤维横截面相同的截面积的圆的圆周长)(1)
本发明的纯化柱具有以下的构成。即,
纯化柱,其包含塑料壳体和上述纤维材料,在上述塑料壳体内,上述纤维材料沿连接壳体的两侧开口部的轴向呈直线形排列,在上述塑料壳体的两端安装有被处理液的入口端口及出口端口。
本发明的纤维材料中,上述纤维(max)的细孔比表面积优选为10m2/g以上。
本发明的纤维材料中,优选的是,上述纤维(min)为多孔质且细孔比表面积为5m2/g以上。
本发明的纤维材料中,上述纤维(min)的细孔比表面积优选为10m2/g以上。
本发明的纤维材料中,上述纤维(min)中的下式(2)表示的外接圆占有率Sfo优选为0.90以下。
外接圆占有率Sfo=Sf/So(2)
此处,Sf:纤维横截面的截面积,So:由纤维横截面的外接圆围成的面积。
本发明的纤维材料中,上述纤维(min)中的异形度Do/Di优选为1.10以上。
此处,Do:纤维横截面的外接圆的直径,Di:纤维横截面的内切圆的直径。
本发明的纤维材料中,上述纤维(min)的表面积增加度优选为1.10以上。
本发明的纤维材料中,上述纤维(min)的纤维横截面的形状优选为圆形或椭圆形。
本发明的纤维材料中,上述纤维(max)的等效圆直径优选为10μm以上且1,000μm以下。
本发明的纤维材料中,将上述纤维(min)的外接圆占有率Sfo除以上述纤维(max)的外接圆占有率Sfo而得到的Sfo比记为Z,所述Z优选为0.20以上。
本发明的纤维材料中,将由上述纤维(max)的等效圆直径除以上述纤维(min)的等效圆直径所表示的纤维直径比记为Y,所述Y优选为10.0以下。
本发明的纤维材料优选由直线形的纤维形成。
本发明的纤维材料中,上述混纤纤维优选由两种具有共通横截面形状的纤维形成。
本发明的纤维材料中,上述纤维(max)与纤维(min)的比例优选为10:1~1:2。
本发明的纤维材料中,上述纤维(max)和纤维(min)优选由同一原材料形成。
本发明的纤维材料中,上述原材料优选为含有酯基的聚合物。
本发明的纤维材料优选用于医疗用途。
本发明的纤维材料优选用于纯化柱用途。
本发明的纤维材料中,β2-微球蛋白的吸附量优选为0.005mg/cm3以上。
本发明的纯化柱中,流路截面的等效直径优选为10μm以上且250μm以下。
本发明的纯化柱中,以200mL/min的流量流过牛血液时的压力损失优选为0.5~50kPa。
发明的效果
根据本发明,能够提供使用可有效吸附被处理液中的除去对象物质的纤维而成的纤维材料、及内置有该纤维的纯化柱。
附图说明
[图1]为用于说明内切圆、外接圆的纤维截面图。
[图2]为用于制造突起数为3的纤维的喷嘴的图,并对喷嘴的各部位进行说明。
[图3]为使用图2的喷嘴而制作的突起数为3的纤维的横截面图。
[图4]为用于制造截面整体接近棒形、局部具有圆形的纤维的喷嘴的图。
[图5]为用于制造截面为十字形的纤维的喷嘴的图。
[图6]为用于制造截面为星形的纤维的喷嘴的图。
[图7]为对柱的吸附性能进行测定时的回路(circuit)图。
具体实施方式
本发明中使用的纤维是由被称为实心纤维的、采用不具有中空部的纤维形状·形态的纤维形成的。为中空纤维的情况下,可能发生上述问题,因此并不适合。
作为构成本发明中的纤维材料的纤维的形态,优选为单纤维,也可以将实心纤维的单纤维直接制成束。还可以是将多根单纤维缠结而制成1根丝的复丝,但是缠结的部分难以与被处理液相接触,因此不优选。需要说明的是,此处所称的复丝中包含由同一纤维构成的丝和由不同种纤维构成的丝这两者。
本发明中,使用具有横截面形状共通的多种实心纤维的纤维材料。通过将多种实心纤维进行混纤,从而进行各种组合以有效利用各自的特征,并且,能够通过其它种类的纤维来弥补1种纤维所具有的缺陷。其优选效果之一为,通过选定单位体积的表面积较大的纤维作为至少一种纤维,从而能够期待高的吸附性能,同时,通过使用横截面形状并不共通的其他纤维,从而能够防止上述单位体积的表面积大的纤维发生相邻的纤维彼此叠合而密合的现象。从上述观点考虑,控制实心纤维的表面积增加度成为一个因素。此处,所谓表面积增加度,是指下式(1)表示的值。
表面积增加度=(纤维横截面的周长)/(具有与纤维横截面相同的截面积的圆的圆周长) (1)
将表面积增加度的测定方法记载于以下。将作为测定对象的纤维的两端在赋予了0.1g/mm2左右的张力的状态下进行固定,并在随机的位置切断。然后,利用光学显微镜(Scala公司制DIGITAL MICROSCOPE DG-2)将切断面放大并拍摄照片。拍摄时,也以同一倍率拍摄标尺。使用Scala(株)的图像分析软件“Micro Measure ver.1.04”,对丝截面的外周部进行描绘,由此测定纤维横截面的周长及截面积。针对50处进行该测定,取平均值,将小数点后第2位进行四舍五入,将所得的值作为表面积增加度。
关于本发明中使用的横截面形状共通的纤维,将2根纤维的横截面进行比较时,在截面的外周部具有突起的纤维与不具有突起的纤维不属于具有共通的形状。突起的数目不同的情况下也不属于具有共通的形状。即使突起的数目相同,上述表面积增加度相差30%以上时,也不属于具有共通的形状。在不具有突起的纤维中,圆形截面的纤维、椭圆形截面的纤维与同样圆形截面的纤维、椭圆形截面的纤维相比,上述表面积增加度相差30%以上时,或后述的异形度相差50%以上时,不属于具有共通的形状。另外,圆形或椭圆形截面的纤维与角形(angular cross section)的纤维相比,不属于具有共通的形状,即使是具有角形截面的纤维,其中角数不同的情况也不属于具有共通的形状。另外,即使是具有角数相同的角形截面的纤维,表面积增加度相差30%以上时,也不属于具有共通的形状。需要说明的是,关于上述突起,例如,若纤维截面为圆形、椭圆形,则突起数为0;若为L字形,则突起数为2;若为Y字形、T字形,则突起数为3;若为十字形,则突起数为4;若为星形,则突起数为5;若为水字形,则突起数为6。
本发明中,以在混纤纤维整体中的构成比例为5.0%以上的量存在且横截面形状共通的两种以上的纤维中,将表面积增加度最高的丝称为纤维(max)。该纤维(max)在混纤纤维整体中的构成比例为30.0%以上,优选为45.0%以上,更优选为55.0%以上。纤维(max)的构成比例小于30.0%时,无法期待吸附性能的提高。需要说明的是,上述的表面积增加度最高的丝存在多种时,将后述的外接圆占有率较高的截面形状的纤维作为本发明中使用的纤维(max)。
纤维(max)的表面积增加度越高,则单位体积的表面积越大,吸附性能越提高,因此,作为纤维(max)的表面积增加度的下限,为1.20以上,更优选为1.35以上、尤其优选为1.45以上。纤维(max)的表面积增加度的下限小于1.20时,吸附性能不充分。作为纤维(max)的表面积增加度的上限,优选为6.6以下,进一步优选为4.5以下,尤其优选为3.6以下。纤维(max)的表面积增加度的上限在该优选范围内时,纤维的强度和伸长率不会降低,可保持纺丝稳定性,容易保持纤维形状。另外,在使用风、液体将成型为纤维之前的纺丝原液快速冷却的情况下,纤维截面中的突起不会过度妨碍风、液体的流动,纤维形状、或细孔径这样的微结构中也不易产生不均。
此处,所谓混纤纤维整体中的构成比例是指,如下式(2)表示这样,在任意部位切断纤维材料而得到的横截面中,总纤维中所含的具有共通横截面的纤维的根数的比例。
混纤材料整体中的构成比例(%)=具有共通横截面的纤维的根数(根)/总纤维根数(根)×100 (2)
另外,在混纤纤维整体中的构成比例为5.0%以上的多种横截面形状的纤维中,将表面积增加度最低、与纤维(max)相比表面积增加度低3.0%以上的纤维称为纤维(min)。通过以在混纤纤维整体中的构成比例为8.0%以上的量包含纤维(min),从而可获得抑制纤维(max)彼此的密合的效果。纤维(min)在混纤纤维整体中的构成比例优选为12.0%以上,更优选为16.0%以上,进一步优选为23.0%以上。作为纤维(min)在混纤纤维整体中的构成比例的上限,优选为70%以下,更优选为60%以下,进一步优选为52%以下,尤其优选为36%以下。纤维(min)在混纤纤维整体中的构成比例的上限在该优选范围内时,纤维材料的表面积量充分,并且不易引起纤维(min)彼此的密合,可保持吸附性能。需要说明的是,在上述的表面积增加度最低的丝存在多种的情况下,将后述的外接圆占有率较低的截面形状的纤维作为本发明中使用的纤维(min)。
本发明中,实心纤维的异形度的控制有时也是重要的。此处所谓的异形度是指,观察纤维横截面时的内切圆与外接圆的直径之比,即,根据内切圆的直径Di和外接圆的直径Do以下式(3)表示的值。
异形度=Do/Di (3)
本发明中,考虑到纤维(min)在混纤纤维整体中的构成比例为8.0%以上这一情况时,纤维(min)的异形度的优选下限为1.10,更优选为1.20以上,进一步优选为1.60以上,尤其优选为2.10以上。纤维(min)的异形度的下限在该优选范围内时,可保持纤维材料整体的膨松效果。另一方面,作为纤维(min)的异形度的上限,优选为6.00以下,更优选为5.00以下,尤其优选为3.80以下。纤维(min)的异形度的上限在该优选范围内时,与纤维(max)一起得到的膨松性适度,容易以纤维材料的形式进行操作,容易***壳体等中。另外,纤维的强度和伸长率不会降低,可保持纺丝稳定性,容易保持纤维形状。此外,在使用风、液体将成型为纤维之前的纺丝原液快速冷却的情况下,纤维截面中的突起不会过度妨碍风、液体的流动,纤维形状、或细孔径这样的微结构中也不易产生不均。
此处,关于异形截面,可以为保持线对称性、点对称性等对称性的形状,也可以为非对称性的,但从具有均匀的纤维物性的观点考虑,优选为大致具有对称性的形状。在异形截面被判断为大致保持线对称性、点对称性的情况下,所谓内切圆,是指纤维横截面中与形成纤维的轮廓的曲线内切的圆,所谓外接圆,是指纤维横截面中与形成纤维的轮廓的曲线外接的圆。图1中示例了形成突起数为3的异形截面纤维的情况的外接圆、内切圆及直径Do、Di。
另一方面,在异形截面被判断为完全未保持线对称性、点对称性的形状的情况下,将下述圆作为内切圆,所述圆与形成纤维的轮廓的曲线在至少2点内切、仅存在于纤维的内部、且具有在内切圆的圆周与形成纤维的轮廓的曲线不交叉的范围内可取的最大半径。另一方面,将下述圆作为外接圆,所述圆与表示纤维的轮廓的曲线在至少2点外接、仅存在于纤维横截面的外部、且具有在外接圆的圆周与纤维的轮廓不交叉的范围内可取的最小半径。
作为异形度的测定方法,利用与表面积增加度的测定同样的步骤,进行切断、放大并拍摄照片,使用图像分析软件对纤维横截面的外接圆的直径Do及内切圆的直径Di进行测量。然后,利用上式(3)而算出。针对30个部位进行该测定,取平均值,将小数点后第2位进行四舍五入,将所得的值作为异形度。
另外,优选对纤维(min)及纤维(max)的外接圆占有率Sfo进行控制。外接圆占有率以下式(4)表示。
外接圆占有率Sfo=(纤维横截面的截面积Sf)/(由纤维横截面的外接圆围成的面积So) (4)
通过增大纤维(max)的Sfo,能够有效地增加表面积量。另一方面,纤维(min)的Sfo越小,每单位截面积中的纤维的占有面积越小,因此能够变得膨松。因此,纤维(min)的Sfo的上限优选为0.90以下,进一步优选为0.70以下,尤其优选为0.50以下。作为纤维(min)的Sfo的下限,优选为0.05以上,更优选为0.15以上。纤维(min)的Sfo的下限在该优选范围内时,不会损害纤维的强度和伸长率。另外,将纤维(max)的外接圆占有率Sfo除以纤维(min)的外接圆占有率Sfo而得到的Sfo比记为Z,所述Z优选为0.20以上,更优选为0.40以上,进一步优选为0.80以上,尤其优选为1.10以上。通过使Sfo比即Z在该优选范围内,不仅能够有效增加表面积,而且能够得到膨松性,因此作为纤维材料,能够发挥出优异的吸附性能。
作为外接圆占有率的测定方法,利用与异形度的测定同样的步骤,将纤维切断、放大并拍摄照片,使用图像分析软件测量纤维横截面的外接圆的直径Do和纤维横截面的截面积Sf,根据Do求出So,利用上式(4)而算出。针对30个部位进行该测定,取平均值,将小数点后第2位进行四舍五入,将所得的值作为纤维的外接圆占有率。
作为纤维横截面的等效圆直径,优选纤维(max)与纤维(min)大致同等。因此,在纤维材料中,将纤维(min)的等效圆直径除以纤维(max)的等效圆直径而得到的纤维直径比Y的上限优选为10.0以下,进一步优选为3.0以下,尤其优选为1.4以下。另外,作为Y的下限,优选为0.2以上,更优选为0.5以上,尤其优选为0.7以上。纤维直径比Y在该优选范围内时,不存在因冲击等而容易破损的丝,另外,纤维材料整体的表面积也不会降低。
另外,关于等效圆直径的绝对值,作为纤维(max)的等效圆直径,优选为10μm以上且1,000μm以下,更优选为20μm以上且500μm以下。纤维(max)的等效圆直径在该优选范围内时,可保持丝的机械强度,可得到充分的吸附性能。
作为上述等效圆直径的测定方法,将作为测定对象的丝的两端在施加了0.01~0.1g/mm2的张力的状态下进行固定并切断。然后,利用光学显微镜、例如上述的Scala公司制品等,将切断面放大并拍摄照片。此时也以同一倍率拍摄标尺。将该图像数字化后,使用上述的Scala(株)公司制图像分析软件来描绘出丝的截面的外周部,算出截面积S,利用下式(5)算出各网孔的等效直径。算出30个点的测定值的平均值,将小数点后第1位进行四舍五入。
纤维横截面的等效圆直径=2×(S/π)1/2 (5)
作为本发明中的纤维的原材料,没有特别限定,从成型加工的容易度、成本等观点考虑,优选使用有机物,可使用聚甲基丙烯酸甲酯(以下称为PMMA)、聚酯等含有酯基的聚合物、聚丙烯腈(以下称为PAN)、聚砜、聚醚砜、聚芳基醚砜、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、纤维素、纤维素三乙酸酯、乙烯-乙烯醇共聚物等。其中,优选包含呈一定程度的疏水性且具有能够吸附蛋白质等的特性的材料,可举出例如PMMA、PAN等。另外,PMMA、PAN也是在厚度方向上具有均匀结构的纤维的代表例,容易得到均质且孔径分布尖锐的结构,因此优选。对于上述PMMA这样的含有酯基的聚合物而言,生物相容性优异,并且容易通过控制末端基团来呈现功能,是优选的。特别地,PMMA为非晶性的高分子,成型加工性、成本优异,并且由于透明性也高,因此也较容易观察纤维的内部状态,容易对结垢状态进行评价,因此优选。
另外,纤维可具有负电荷。也报道了通过在原材料的至少一部分中包含带负电荷的官能团,从而具有亲水性增加、微分散(即,形成大量细微的孔)的倾向。可举出具有下述取代基作为具有负电荷的官能团的原材料,所述取代基为磺基、羧基、磷酸基、亚磷酸基、酯基、亚硫酸基、硫代硫酸基、硫醚基、酚基、羟基甲硅烷基等。其中,选自磺基、羧基、酯基中的至少一种是优选的。作为具有磺基的材料,可举出乙烯基磺酸、丙烯酰基磺酸、甲基丙烯酰基磺酸、对苯乙烯磺酸、3-甲基丙烯酰氧基丙磺酸、3-丙烯酰氧基丙磺酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸及它们的钠盐、钾盐、铵盐、吡啶盐、喹啉盐、四甲基铵盐等。作为负电荷量,每1g干燥的纤维为5μeq以上且30μeq以下是优选的。负电荷量例如可使用滴定法进行测定。
另外,本发明的纤维(max)为多孔质,通过控制细孔比表面积,从而能够提高对被吸附物质的吸附性能。因此,细孔比表面积的下限为5m2/g以上。细孔比表面积小于5m2/g时,无法提高对被吸附物质的吸附性能。细孔比表面积的下限优选为10m2/g以上,更优选为30m2/g以上,进一步优选为120m2/g以上,尤其优选为170m2/g以上。另一方面,细孔比表面积的上限优选为1,000m2/g以下,更优选为800m2/g以下,进一步优选为650m2/g以下,尤其优选为500m2/g以下。细孔比表面积的上限在该优选范围内时,可保持机械强度。另外,关于纤维(min),可以为不具有细孔的结构,但如前文所述,通过具有与纤维(max)同等的细孔比表面积,从而可期待吸附性能的提高。
对于细孔比表面积而言,如非专利文献1所记载,可通过使用了差示扫描量热仪(DSC)的差示扫描量热(DSC)测定,对由细孔内的水的毛细管凝集带来的冰点下降度进行测量,由此求出。关于上述测定·计算方法,参见上述非专利文献1的记载。
实心丝的多孔质结构是影响被吸附物质的吸附速度的重要因素。若平均细孔半径小,则被吸附物质难以通过扩散进入孔的内部,吸附效率降低。另一方面,在细孔半径过大的情况下,被吸附物质无法被吸附至孔的空隙部分中,因此吸附效率反而降低。即,根据作为除去对象的被吸附物质的大小,存在最佳的孔径,若选择错误孔径,则无法充分吸附被吸附物质。从上述方面考虑,实心丝的平均细孔半径优选在1~100nm的范围内,在该范围内时,能够吸附低分子物质、蛋白质、低密度脂蛋白等蛋白质·脂质集合体等物质。吸附除去蛋白质时的平均细孔半径优选为1nm以上且100nm以下,进一步优选为5nm以上且50nm以下。对于多孔质纤维的平均细孔半径而言,与细孔比表面积同样地,可通过非专利文献1中记载的使用了差示扫描量热仪(DSC)的差示扫描量热测定,对由细孔内的水的毛细管凝集带来的冰点下降度进行测量,由此求出。关于上述测定·计算方法,参见非专利文献1的记载。
对于本发明涉及的纤维而言,丝的截面结构没有特别限定,为具有均质结构的纤维时,在纤维的厚度方向上具有均质的多孔质结构,由此能够进一步确保吸附面积,故优选。此处,在利用非溶剂诱导型相分离法制作的丝等中,可经常观察到具有大孔隙的非均质结构。此处所谓大孔隙,是指直径为25μm以上的孔。本发明中,优选不存在这样的直径为25μm以上的孔,更优选不存在15μm以上的孔,进一步优选不存在8μm以上的孔。像这样,不存在直径为特定大小以上的孔隙时,将不会使单位体积的表面积降低,能够将纤维的物理性质维持在必要范围内。但是,在孔的形状为除球形以外的形状、例如蛋形等情况下,此处所谓的直径是指该孔的短径。
作为制造本发明的纤维材料的方法,以往已知的后混纤方式及纺丝混纤方式均可适用。作为后混纤方式,可举出:将纤维供给至纺丝的水洗工序、卷绕工序而进行混纤的方法;利用空气交络进行混纤的方法;利用合捻、合丝、并丝进行混纤的方法;利用交织进行混纤的方法;利用交编进行混纤的方法;分散于液体中并进行回收的方法;等等,但并不限定于这些。另外,作为纺丝混纤方式,可举出复合纺丝。复合纺丝中有下述方法:从穿孔有多个排出孔的同一喷嘴中将多根丝条同时排出并进行卷绕的方法;利用单孔喷嘴,并在喷嘴排出块中使具有不同的排出口形状的喷嘴混合存在,由此将不同的截面形状的丝条同时排出并进行卷绕的方法;等等。需要说明的是,与纺丝混纤方式相比,后混纤容易发生局部的偏置,在对纤维的截面状态进行观察的情况下,有时发生局部的偏置,在纤维材料的品质稳定性方面存在问题。纺丝混纤方式的情况下,不易发生偏置,还能够使品质稳定,因此优选。另外,通过适当变更喷嘴的构成、配置,能够容易地变更纤维形状的组合、混纤比率,从这一观点考虑也是有利的。需要说明的是,还可以在不妨碍本发明中的作用·效果的范围内添加添加剂等。
另外,优选纤维(max)与纤维(min)为同一原材料。通过这样的方式,能够制成具有共通的物理性质(如细孔结构)、以及化学性质的纤维材料,能够更有效地除去目标吸附对象物质。另外,在利用多纺锤纺丝机进行纺丝的情况下,通过供给相同的纺丝原液、适当选择排出喷嘴的结构,从而能够从喷嘴排出阶段开始进行混纤,因此生产率也高。
此外,从生产率及纤维材料的控制这样的观点考虑,构成纤维材料的具有不同的横截面形状的纤维的种类数越少越好,优选为4种以下,更优选为3种以下,进一步优选仅由纤维(max)和纤维(min)这两种构成。
另外,纤维(max)与纤维(min)的比率优选为10:1~1:2,进一步优选为8:1~1:1,更优选为5:1~1:1,尤其优选为3:1~2:1。上述比率的上限至下限的任意组合均可。认为通过这样的方式,能够同时实现由纤维(max)带来的表面积增加、和由纤维(min)带来的膨松效果即丝的分散性提高。
作为本发明中使用的纤维材料的形态·形状,可举出机织物、针织物、无纺布、直线形等。作为机织物的种类,为平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、方平织物、急斜纹织物(steep-twill weave fabric)、纬二重织物、经二重织物等。作为针织物的种类,为作为纬针织布的平针织物、桂花针织物(seed stitch fabric)、罗纹织物(rib stitch fabric)、双罗纹织物(interlock knitted fabric)等。作为无纺布的种类,为短纤维无纺布、长纤维无纺布、利用闪蒸纺丝法得到的无纺布、利用熔喷法得到的无纺布等。其中,尤其优选针织物。其原因在于,不易产生纤维屑,以及空隙的尺寸不易产生偏差,容易控制在恒定值。另一方面,直线形的纤维容易以相对于连接柱壳体的两侧开口部的轴向平行的方式***,并且能够以与吸附材料分开的方式确保被处理液的流路,因此,在流路阻力的抑制、被处理液中的溶质的附着等方面是有利的,故优选。
作为将纺丝得到的纤维进行集束的方法,有下述方法:暂时卷绕至卷线轴(spool),然后加工成目标形状的方法;将纤维直接导入加工装置中的方法。卷线轴中,有平行卷线轴、多角卷线轴、圆形卷线轴等,在想要得到直线形的纤维束的情况下,优选平行卷线轴、多角卷线轴。
通过使用基于本发明的混纤技术,能够使丝的分散性提高,为了提高以卷线轴进行卷绕后的纤维材料的操作性、即防止纤维材料的纤维彼此因静电等而排斥、丧失整理性,可以将纤维材料以膜、网(net)、网状物、无纺布等进行卷绕,或者在纤维上缠绕被称为包芯丝这样的丝。
本发明的纤维材料的β2-微球蛋白(以下称为β2-MG)吸附量优选为0.005mg/cm3以上,更优选为0.014mg/cm3以上,进一步优选为0.020mg/cm3以上,尤其优选为0.026mg/cm3以上。若β2-MG的吸附量在该优选范围内,则在填充至柱等情况下,即使未增加填充的纤维数,也会显示出良好的吸附性能,且不会使柱体积增大,削减了成本,并且操作性优异。特别是在将血液作为被处理液的情况下,被带出至体外的血液量不会增加,因此也不会引起血压降低等严重的副作用。
丝的吸附性能可以以β2-MG(其是作为长期透析并发症的透析淀粉样变性的原因蛋白质)作为吸附对象,如下所述地以间歇方式容易地进行测定。即,首先,对添加了叠氮化钠的牛血液进行调节,以使总蛋白量成为6.5±0.5g/dL。需要说明的是,使用的是采血后5日以内的牛血浆。接着,以β2-MG浓度成为1mg/L的方式进行添加并搅拌。进而,针对纤维材料,使其成为包含大约100根纤维的材料,并以纤维的体积成为0.0905cm3的方式调节长度,然后放入例如GREINER公司制的15mL离心管中。向其中加入12mL上述牛血浆,使用翘板摇床(tilt shaker)(例如TAITEC公司制Wave-SI)等,将刻度设定为38,将角度设定为最大(以1.7秒往复1次),于室温(20~25℃)搅拌1h。为了测定搅拌前的β2-MG浓度C1(mg/mL)和搅拌后的β2-MG浓度C2(mg/mL),各取样1mL,保存在-20℃以下的冷冻库中。利用乳胶凝集法测定β2-MG浓度,并根据下式(6)算出单位纤维体积的吸附量、单位纤维表面积的吸附量。
单位纤维体积的吸附量(mg/cm3)=(C1-C2)×12/0.0905 (6)
作为用于制作本发明涉及的纤维的纺丝喷嘴的排出形状,可使用图2及图4~7所示那样的形状。
通过将本发明中的纤维材料内置于具有处理液的流入口和流出口的壳体中,从而能够作为纯化柱使用。
作为壳体的形状,可举出两端为开放端的壳体主干部棱柱体(例如四壳体主干部棱柱体、六壳体主干部棱柱体等)、圆筒体,其中优选为圆筒体,尤其优选截面为正圆状的筒体。其原因在于,通过使壳体不具有角,从而能够抑制血液在角部的滞留。另外,通过使两侧为开放端,处理液的流动不易变为紊流,能够将压力损失抑制在最低限度。另外,壳体优选为由塑料、金属等构成的器具。其中,从成本、成型性、重量、血液适合性等观点考虑,优选使用塑料。为塑料的情况下,可使用例如机械强度、热稳定性优异的热塑性树脂。作为这样的热塑性树脂的具体例,可举出聚碳酸酯系树脂、聚乙烯醇系树脂、纤维素系树脂、聚酯系树脂、聚芳酯系树脂、聚酰亚胺系树脂、环状聚烯烃系树脂、聚砜系树脂、聚醚砜系树脂、聚烯烃系树脂、聚苯乙烯树脂、及它们的混合物。其中,从壳体所要求的成型性、耐放射线性的观点考虑,优选为聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯及它们的衍生物。特别是对于聚苯乙烯、聚碳酸酯等透明性优异的树脂而言,在例如将血液等灌流时,能够确认内部的状况,因此适合确保安全性,而对于耐放射线性优异的树脂而言,则是由于对于灭菌时进行放射性照射的情况来说为优选。树脂可利用基于模具的注射成型、对原材料进行切削加工来制作。
作为纯化柱的端部密封方法,有配置网状物的方法、利用树脂进行固定并设置贯通孔(所述贯通孔将间隔壁贯通并将壳体内外连通)的方法。此处,所谓贯通孔是指,间隔壁部的在纤维长度方向上贯通的开口部。即为下述孔:存在于间隔壁部,并将间隔壁部贯通,且将壳体的内部与外部连通。它们中,与形成间隔壁的方法相比,配置网状物的方法的工序较容易,并且液体向柱内的分散性也高,因此更优选。另外,为了进一步提高柱内的被处理液的分散性,可以在一部分网状物中赋予压力损失更大的网状物、或者被称为挡板或整流板这样的控制流动的板。
作为内置于柱时的纤维材料的形状,优选为如上所述的直线形,优选将直线形的纤维束相对于连接柱壳体的两侧开口部的轴向大致平行地***。对于直线形的纤维束而言,被处理液沿着纤维流动,因此不易产生紊流,容易将被处理液均等地分配于柱内。另外,还能够抑制流路阻力,对于由被处理液中的溶质的附着等导致的压力损失的增大而言也是有利的。因此,即使在将粘性高的血液作为被处理液的情况下,也能够将在壳体内发生凝固等的风险抑制在低水平,还不易发生残血等。作为***至柱内的直线形纤维的根数,优选为1,000根~500,000根。
本发明中,对纤维在壳体中的填充率进行控制是重要的。作为填充率的上限,优选为70%以下,更优选为65%以下,进一步优选为62%以下。作为填充率的下限,优选为20%以上,更优选为30%以上,进一步优选为39%以上,尤其优选为47%以上。所谓填充率,是指根据壳体的截面积和长度计算得到的壳体体积(Vc)与根据各纤维截面积及壳体长度、纤维根数计算得到的纤维体积(Vf)的比率,可根据以下(7)~(9)式求出。
Vc=壳体主干部的截面积×有效长度 (7)
Vf=纤维截面积×纤维根数×有效长度 (8)
填充率=Vf/Vc×100(%) (9)
填充率在上述优选范围时,容易抑制丝彼此的密合,并且向壳体的***性也良好。另一方面,壳体内的纤维不易偏置,柱内不易产生流动不均,并且还能够维持柱的吸附效率。另外,被处理液为血液的情况下,返血性良好,不易产生残血。关于返血试验的详细情况,如后文所述,作为试验时的柱内的残血量,优选为5mL以下,进一步优选为1mL以下。
需要说明的是,关于壳体主干部的截面积,在壳体具有锥度的情况下,设为壳体中央的截面积。另外,此处所称的Vc是指下述构件的体积不被包括在内的体积,所述构件为:不包含纤维的构件,例如被称为集管(header)、集管帽(header cap)这样的通常未直接填充纤维的构件,其用作被处理液的出入口端口。关于Vf,在为了防止纤维彼此在壳体内密合而使用间隔纤维等情况下,所述间隔纤维的体积也被包括在内。所谓纤维的有效长度是指,从壳体长度中减去间隔壁的长度而得到的长度,作为该纤维的有效长度的上限,有时根据用途而变化,从纤维发生弯曲、或柱化时压力损失增大等的观点考虑,优选为5,000mm以下,更优选为500mm以下,尤其优选为210mm以下。另外,若过短,则在为了使纤维的长度一致而对从柱中凸出的多余纤维进行切割时等情况下,废弃的纤维的量增多,生产率降低,因此并不优选。另外,存在难以操作纤维材料等缺陷。因此,作为纤维的有效长度的下限,优选为5mm以上,更优选为20mm以上,尤其优选为30mm以上。作为纤维的有效长度的测定方法,为施加了卷曲等卷缩的纤维的情况下,在将纤维两端进行伸展而得到的直线形的状态下测定纤维长度。具体而言,用胶带等将从柱中取出的纤维的一端固定,并竖直地垂下,对另一端赋予相对于纤维的单位截面积(mm2)为5g左右的砝码,对纤维成为直线状时的总长度快速地进行测定。针对从柱内的纤维中任意选出的100根纤维进行该测定,以mm为单位算出100根的平均值,将小数点后第1位进行四舍五入。
另外,本发明中发现,为了在被处理液从柱内通过期间增大被吸附物质与实心丝接触的机会,流路截面的等效直径是重要的。此处,所谓流路是指,与柱长度方向大致平行地配置的实心丝之间的被处理液可流动的空间,所谓流路截面是指,与连接壳体的两侧开口部的轴向垂直的截面。另外,所谓等效直径,表示将流路截面视为圆形时的直径,具体而言表示利用下述(10)式求得的流路的宽度。流路截面的等效直径的优选上限为250μm以下,更优选为200μm以下,进一步优选为150μm以下。流路截面的等效直径的优选下限为10μm以上,更优选为30μm以上。流路截面的等效直径在上述优选范围内时,能够充分确保被吸附物质与实心丝表面接触的机会,另一方面,柱的压力损失不会变得过大,且不易使血液活化。
为仅由1种横截面形状共通的实心纤维形成的纤维材料的情况下,上述流路截面的等效直径(Dp)可利用下式(10)得到。
Dp=4×((Dcase/2)2-(Dfiber/2)2×N)/(Dcase+Dfiber×N) (10)
此处,上述式(10)中,Dcase表示柱壳体的内径,Dfiber表示纤维的等效圆直径,N表示丝根数。
如本发明这样,为具备横截面形状共通的多种实心纤维的纤维材料的情况下,流路截面的等效直径(Dp)可利用下式(11)得到。
Dp=4×((Dcase/2)2-(Dfiber-max/2)2×Nmax-(Dfiber-min/2)2×Nmin)/(Dcase+Dfiber-max×SAmax×Nmax+Dfiber-min×SAmin×Nmin) (11)
此处,上述式(11)中,Dcase表示柱壳体的内径,Dfiber-max表示纤维(max)的等效圆直径,Dfiber-min表示纤维(min)的等效圆直径,Nmax表示纤维(max)的丝根数,Nmin表示纤维(min)的丝根数,SAmax表示纤维(max)的表面积增加度,SAmin表示纤维(min)的表面积增加度。
本发明中,纤维(max)为多孔质,因此蛋白质进入纤维内部而被吸附。因此,需要为蛋白质容易移动至纤维内部这样的纤维形状及多孔质结构。此外,本发明中发现,通过使柱的压力损失增大,能够使蛋白质容易地移动至实心丝内部。另一方面,压力损失过大时,将使血液活化。即,牛血液以200mL/分钟的流量在柱中流动时的压力损失为0.5kPa以上,优选为1.5kPa以上,更优选为3.0kPa以上,另一方面,作为上限,为50kPa以下,优选为40kPa以下,更优选为30kPa以下,尤其优选为20kPa以下。对于压力损失而言,可以通过对实心丝在柱内的填充率、壳体内径、实心丝径、实心丝根数等进行调节来控制。关于压力损失的测定方法,如后文所述。这样的纤维材料、及内置有该纤维材料的纯化柱的使用用途为多种多样,可作为水处理、纯化、医疗等用途使用。其中,为医疗用途中的血液纯化用途的情况下,处理方法中,有将全血直接进行灌流的方法、和将血浆或血清从血液中分离后使血浆或血清从柱中通过的方法,本发明的纯化柱可用于任意方法中。
使用β2-MG作为一例对柱的吸附性能进行评价的情况下,在纤维与血液接触面积为3m2的柱中,血液流速为200mL/min时循环1小时后的清除率优选为40mL/min以上,更优选为50mL/min以上,进一步优选为60mL/min以上。另外,对于此时的柱的血液容积(壳体部)而言,在纤维与血液接触面积为3m2以上的柱中,优选为170mL以下,进一步优选为130mL以下。需要说明的是,难以制作血液接触面积为3m2的柱时,只要为1m2~7m2之间,则可以根据后述的总物质移动系数Ko而换算为3m2值。清除率的测定方法在后文的柱的吸附性能测定项中叙述。
另外,作为医疗设备用于体外循环的情况下,从1次的处理量、操作的简便性等观点考虑,优选组入至体外循环回路、以在线方式进行吸附除去的方法。在该情况下,可以单独使用本发明的纯化柱,也可以在透析时等与人工肾脏串联连接而使用。通过使用这样的方法,能够在透析的同时将仅利用人工肾脏无法充分除去的物质除去。使用本发明涉及的纯化柱尤其能够将利用人工肾脏难以除去的大分子量物质吸附除去,由此能够完善人工肾脏的功能。
与人工肾脏同时使用的情况下,在回路内,可以连接于人工肾脏之前,也可以连接于人工肾脏之后。作为连接于人工肾脏之前的优点,不易受到利用人工肾脏进行的透析的影响,因此有时容易发挥出纯化柱原本的性能。另一方面,作为连接于人工肾脏之后的优点,由于在利用人工肾脏进行除水后对血液进行处理,因此溶质浓度高,可期待吸附除去效率的增加。
另外,通过预先将药物等保持在纤维材料的细孔中,从而还能够在进行吸附的同时赋予使药物等缓慢释放等功能。作为例子,在作为医疗设备使用的情况下,通过预先保持抗凝剂,从而能够提高抗血栓性。
此外,通过使本纤维材料中的纤维(max)及/或纤维(min)制成具有突起的形状,从而在医疗用途中能够将存在于血中的过量的活化白血球等积极地除去。该机理尚不确定,认为活化白血球将突起部分识别为异物,从而发挥出活化白血球原本具有的吞噬能力。
以下对本发明涉及的纤维材料及内置有该纤维材料的纯化柱的制作例进行说明。
[纤维材料的制作]
制备将聚合物溶解于溶剂而得到的纺丝原液。此时,原液浓度(原液中的除溶剂外的物质的浓度)越低,越能够增大纤维的细孔径,因此通过适当设定原液浓度,能够控制细孔径。此外,通过使用具有负电荷基团的聚合物,也能够控制细孔径。从该观点考虑,本发明中,优选的原液浓度为30质量%以下,更优选为27质量%以下,进一步优选为24质量%以下。使这样的原液从喷嘴中排出,并从一定距离的干式空中部分通过,然后排出至包含水等不良溶剂或非溶剂的凝固浴中使其凝固,由此可得到纤维。作为喷嘴,使用具有例如图5(狭缝部宽度W=0.10mm,狭缝部长度L=1.0mm)和图4(狭缝部宽度W=0.10mm,狭缝部长度L=1.0mm)所示那样的异形截面形状的排出口的喷嘴,通过将这两种喷嘴的数目以例如1:1的比率进行使用,从而能够在纺丝时进行混纤。此处,圆弧R优选设为狭缝部宽度的二分之一。需要说明的是,作为喷嘴的配置,通过将不同排出口形状的喷嘴交错配置,在制成纤维材料时,可减少横截面形状共通的异形截面丝彼此聚集的情况。排出的原液从一定距离的干式空中部分通过后,排出至包含水等不良溶剂或非溶剂的凝固浴中,由此得到。从上述观点考虑,丝在干式部的通过(滞留)时间的下限如上所述。另外,排出的丝的温度在干式部中降低而发生凝胶化、凝固等迅速进行结构固定化时,可在干式部分吹喷冷风来促进凝胶化。另外,详细的机理尚不确定,通过提高冷风速度来提高冷却效率,能够使丝表面的开孔率、丝外周部附近的孔径扩大。
如上所述,从喷嘴中排出的纺丝原液在凝固浴中凝固,凝固浴通常包含水、醇等凝固剂、或者这些凝固剂与构成纺丝原液的溶剂的混合物。通常大多使用水。另外,通过控制凝固浴的温度,能够使细孔径变化。由于细孔径受到纺丝原液的种类等影响,因此凝固浴的温度也要适当选择,通常而言,通过提高凝固浴温度能够使细孔径提高。该机理尚不明确,认为可能是由于溶剂从原液的脱除与凝固收缩的竞争反应,在高温浴中,溶剂的脱除较快,在纤维内部收缩之前就已凝固固定。然而,凝固浴温度过高时,细孔径会变得过大,因此要考虑带来的细孔比表面积降低、强度和伸长率降低、非特异性吸附等增大等影响。因此,例如,纤维包含PMMA的情况下,凝固浴温度优选为90℃以下,更优选为75℃以下,尤其优选为65℃以下。另一方面,过低时,孔径缩小,蛋白质不易扩散至细孔内部。因此,作为下限,优选为12℃以上,更优选为20℃以上。
接着,使纤维从将附着于已凝固的纤维上的溶剂进行洗涤的工序中通过。对纤维进行洗涤的手段没有特别限定,可优选使用使纤维从装满水的多级浴(称为水洗浴)中通过的方法。水洗浴中的水的温度根据构成纤维的聚合物的性质来确定即可。例如为包含PMMA的纤维的情况下,可采用30~50℃。
另外,为了在水洗浴后保持细孔的孔径,也可以增加对纤维赋予保湿成分的工序。此处所谓的保湿成分,是指能够保持纤维的湿度的成分、或者能够防止纤维的湿度在空气中降低的成分。作为保湿成分的代表例,有甘油、其水溶液等。
在水洗、赋予保湿成分结束后,为了提高收缩性高的纤维的尺寸稳定性,也可以使其从充满了经加热的保湿成分的水溶液的浴(称为热处理浴)的工序中通过。通过在热处理浴中充满经加热的保湿成分的水溶液、并使纤维从该热处理浴中通过,从而受到热作用而发生收缩,在以后的工序中不易收缩,能够使纤维结构稳定。此时的热处理温度根据纤维原材料的不同而不同,为包含PMMA的丝时,优选为50℃以上,更优选为80℃以上。另外,设定95℃以下为优选的温度,设定87℃以下为更优选的温度。
进行纺丝而得到的丝可以如上述那样利用卷线轴进行卷绕而制成纤维材料。通过使卷线轴为六角形等多角形,从而形成没有丝紊乱的直线形纤维材料。
[纯化柱的制作]
将使用得到的纤维材料而制成纯化柱的手段的一例示于如下。
首先,将纤维材料切断成需要的长度,纤维材料沿着壳体轴向呈直线形放入用作纯化柱的筒部分的塑料壳体中。然后,利用切割器等将纤维材料的两端以纤维材料可收纳至壳体内的方式进行切断,在柱两侧端面的被处理液的流出流入口安装被切成与内径相同直径的筛网过滤器。最后,在壳体的两端安装被称为集管帽的被处理液的入口端口、出口端口,从而可得到纯化柱。
另外,作为医疗用品等、即医疗用吸附柱使用时,优选进行了杀菌或灭菌后使用。作为杀菌、灭菌方法,可示例各种杀菌·灭菌方法,例如高压蒸汽灭菌、伽马射线灭菌、电子束灭菌、环氧乙烷气体灭菌、化学试剂杀菌、紫外线杀菌等。这些方法中,伽马射线灭菌、电子束灭菌、高压蒸汽灭菌、环氧乙烷气体灭菌对灭菌效率和材料造成的影响小,是优选的。
需要说明的是,本说明书中,对于由上述数值范围规定的全部各项,可以为使各项中的上限、优选上限、更优选上限等任一数值、与下限、优选下限、更优选下限等任一数值组合而得到的任意数值范围。
实施例
比较例4
[纤维材料的制作]
将质均分子量为40万的间规PMMA(以下称为syn-PMMA)31.7质量份、质均分子量为140万的syn-PMMA31.7质量份、质均分子量为50万的等规PMMA(以下称为iso-PMMA)16.7质量份、包含1.5mol%对苯乙烯磺酸钠的分子量为30万的PMMA共聚物20质量份与二甲基亚砜376质量份混合,于110℃搅拌8小时,制备纺丝原液。得到的纺丝原液的110℃时的粘度为1,240泊(poise)。将保温于92℃的为图5所示形状且具有表1所示尺寸的排出口的喷嘴、与具有的圆形排出口的喷嘴以2:1进行配置,将得到的纺丝原液以在1.1g/min的速度从各喷嘴中通过而排出至空气中,在空中部分行进500mm后,导入至凝固浴中,并使其从浴内通过,从而得到实心丝。凝固浴中使用水,水温(凝固浴温度)为42℃。将各纤维进行水洗后,导入至包含水溶液(所述水溶液含有70质量%的甘油作为保湿剂)的浴槽中,然后使其从温度设为84℃的热处理浴内通过而将多余的甘油除去,然后以16m/min利用六角形的卷线轴卷绕120,000根,从而得到作为纤维(max)与纤维(min)的混纤纤维束的纤维材料。
针对得到的丝,利用上述方法对表面积增加度、异形度、外接圆占有率、细孔比表面积、等效圆直径等进行测定。将结果示于表1~4。
[柱的制作]
将得到的纤维材料以纤维的填充率成为57%的方式呈直线形内置于内径为10mm、轴向长度为18mm的聚碳酸酯制圆筒状壳体内。接着,在该壳体两侧端面的被处理液的流出流入口,安装被切成与壳体内径同等直径且网孔等效直径为84μm、开口率为36%的聚丙烯制筛网过滤器。最后,在壳体端部安装具有被处理液的流入口、流出口的被称为集管的帽。
[表面积增加度、异形度、外接圆占有率及纤维横截面的等效圆直径的测定]
如上所述,将作为测定对象的纤维在随机的位置切断,利用Scala公司制DIGITALMICROSCOPE DG-2将切断面放大,并拍摄照片。拍摄时,也以同一倍率拍摄标尺,使用Scala(株)的图像分析软件“Micro Measure ver.1.04”,如上所述进行测定·计算,求出表面积增加度及异形度。
[纤维材料的吸附性能测定]
在采血后5日以内,对添加了叠氮化钠的牛血液进行调节,以使血球比率成为30±3%、总蛋白量成为6.5±0.5g/dL。接着,以β2-MG的浓度成为1mg/L的方式添加β2-MG,并进行搅拌。进而,针对纤维材料,使其成为包含大约100根纤维的材料,并以纤维的体积成为0.0905cm3的方式调节长度,然后放入例如GREINER公司制的15mL离心管中。向其中加入12mL上述牛血浆,使用翘板摇床等(例如TAITEC公司制Wave-SI),将刻度设定为38,将角度设定为最大(以1.7秒往复1次),于室温(20~25℃)搅拌1小时。为了测定搅拌前的β2-MG浓度C1(mg/mL)和搅拌后的β2-MG浓度C2(mg/mL),各取样1mL,保存在-20℃以下的冷冻库中。利用乳胶凝集法测定β2-MG浓度,并根据下式(12)算出单位纤维体积的吸附量。
单位纤维体积的吸附量(mg/cm3)=(C1-C2)×12/0.0905 (12)
[柱的吸附性能测定]
作为柱的吸附性能评价,测定β2-MG的清除率。利用离心分离从添加了叠氮化钠的牛血液中得到血浆。对该血浆进行调节,以使总蛋白量成为6.5±0.5g/dL。需要说明的是,使用的是采血后5日以内的牛血浆。接着,以牛血浆中的β2-MG浓度成为1mg/L的方式添加β2-MG,并进行搅拌。针对该牛血浆,将其中的35mL作为循环用,将其中的40mL作为清除率测定用。
如图7那样设置回路。回路中,将输入被处理液的入口部设为Bi、将纯化柱通液后的液体出口部设为Bo。
将Bi加入至装有以上述方式制备的牛血浆35mL(37℃)的循环用烧杯内,将流量设为3.5mL/min,启动泵,将最初从Bo中排出的前90秒的液体丢弃后,立即将Bo加入至循环用烧杯内,形成循环状态。进行1小时循环后将泵停止。
接着,将Bi加入至以上述方式制备的清除率测定用的牛血浆内,将Bo加入至废弃用烧杯内。
流量设为3.5mL/min,启动泵,经过2分钟后,从清除率测定用的牛血浆(37℃)中采集1mL样品,作为Bi液。自启动起经过4分30秒后,采集1mL从Bo中流出的样品,作为Bo液。这些样品保存在-20℃以下的冷冻库中。
利用下式(13),根据各液体的β2-MG的浓度算出清除率。由于根据牛血液的批次不同测定值有时会不同,因此实施例、比较例中全部使用同一批次的牛血浆。
Co(mL/min)=(CBi-CBo)×QB/CBi (13)
上式(13)中,CO=β2-MG清除率(mL/min),CBi=Bi液中的β2-MG浓度,CBo=Bo液中的β2-MG浓度,QB=Bi泵流量(mL/min)。另外,为了求得单位表面积的吸附性能,利用下式(14)算出Ko。
Ko(cm/min)=QB/A×ln[QB/(QB-Co)] (14)
上式(14)中,Ko=β2-MG的总物质移动系数(cm/min),A为纤维材料的总纤维表面积(cm2)。
将结果示于表4。
实施例2~5
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例6
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以1:2进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例7
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以1:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例8
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2.5:1(=5:2)进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例9
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以3:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例10
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以5:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例11
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以8:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例12
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以10:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例13
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,将排出量设为1.1g/min:0.41g/min,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例14
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,将排出量设为1.1g/min:0.72g/min,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例15
将具有表1所示尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,将排出量设为1.1g/min:1.30g/min,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例16
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,将排出量设为1.1g/min:1.90g/min,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例17
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以2:1进行配置,将排出量设为1.1g/min:5.00g/min,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例18~21
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示尺寸·形状的排出口的喷嘴以2:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
比较例1
仅配置具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
比较例2
仅配置具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
比较例3
仅配置具有圆形排出口的喷嘴,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
实施例1
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以1:5进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
比较例5
将具有表1所示形状·尺寸的排出口的喷嘴、和具有表2所示形状·尺寸的排出口的喷嘴以24:1进行配置,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
比较例6
使用市售的尼龙制钓鱼线(fishing line)(Fujino公司制0.5号)作为吸附材料,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料·柱。将结果示于表3、表4。
[表1]
[表3]
[表4]
由实施例2~5及比较例1~3的结果可知,与包含十字丝、椭圆丝、圆形丝等单一纤维的柱相比,作为纤维(max)的十字丝与作为纤维(min)的椭圆丝的混纤纤维材料的柱的吸附性能Co更高。另外,对于纤维(min)而言,有下述倾向:异形度越增大、外接圆占有率越降低,则表示单位表面积的吸附性能的Ko越高。由此认为,对于纤维(min)而言,在截面为椭圆形的情况下,通过提高表面积增加度,纤维材料的表面积量增加,此外,异形度越高、外接圆占有率越低,则由混纤带来的纤维密合抑制效果越大。
由实施例1、3及6~12、比较例5的结果可知,在混纤比率(纤维(max):纤维(min))为1:2~10:1的条件下,与单独使用十字丝的比较例1、单独使用椭圆丝的比较例2相比,Co、Ko有变高的倾向。比较例5中为纤维(min)的比例低至4%的条件,丝密合抑制效果并不充分,因此,Ko与仅有椭圆丝的比较例1为同等地低,无法获得混纤的效果。
由实施例3及13~17的结果可知,与纤维(max)相比,纤维(min)的等效圆直径过大时,表面积的损失变大,有吸附性能降低的倾向。
由实施例3、18及19可知,通过使纤维(max)的外接圆占有率变高,可提升吸附性能。认为这是由于,通过提高纤维(max)的外接圆占有率,相邻的纤维会进入纤维(max)的突起的谷部等,纤维间的叠合变少,丝间的密合抑制效果提高。
由实施例3、20及21的、改变纤维(min)的丝截面形状的结果可知,与纤维(min)为星形状相比,Y字形的性能更高,此外,与Y字形相比,椭圆形的Co、Ko更高。由此认为,作为纤维(min),异形度高、外接圆占有率低的形状是有利的。认为这是由于,通过降低外接圆占有率,由纤维(min)带来的丝密合抑制效果提高。需要说明的是,由实施例2~5、比较例4的结果可知,使纤维(min)为圆形丝时,Co、Ko低,不能得到充分的密合抑制效果。
另外,由实施例3、比较例6的结果可知,与比较例6这样的比表面积低的丝相比,实施例中使用的多孔质纤维材料的单位纤维体积的吸附性能高,具有充分的蛋白质吸附能力。
实施例22
[柱的制作]
使用与实施例3相同的丝,将丝根数为50,000根的纤维(max)、25,000根的纤维(min),以纤维的填充率成为57%的方式呈直线形内置于内径为46mm、轴向长度为140mm的聚碳酸酯制圆筒状壳体内。接着,在该壳体两侧端面的被处理液的流出流入口,安装被切成与壳体内径同等的直径且网孔等效直径为84μm、开口率为36%的聚丙烯制筛网过滤器。最后,在壳体端部安装具有被处理液的流入口、流出口的被称为集管的帽。利用上述方法对丝的等效圆直径、表面积增加度、平均细孔半径进行测定。另外,针对制作的柱,利用后述的方法测定吸附性能、压力损失、残血量。将结果示于表5。
[柱的吸附性能测定]
作为吸附性能评价,测定β2-MG的清除率。以血球比率成为30±3%、总蛋白量成为6.5±0.5g/dL的方式对添加了乙二胺四乙酸二钠的牛血液进行调节。需要说明的是,使用的是采血后5日以内的牛血液。
接着,以β2-MG浓度成为1mg/L的方式添加β2-MG,并进行搅拌。针对该牛血液,将其中的2L作为循环用,将其中的1.5L作为清除率测定用。
如图7那样设置回路。回路中,将输入被处理液的入口部设为Bi、将纯化柱通液后的液体出口部设为Bo。
将Bi加入至装有以上述方式制备的牛血液2L(37℃)的循环用烧杯内,将流量设为200mL/min,启动泵,将从Bo最初排出的前90秒的液体丢弃后,立即将Bo加入至循环用烧杯内,形成循环状态。进行1小时循环后将泵停止。
接着,将Bi加入至以上述方式制备的清除率测定用的牛血液内,将Bo加入至废弃用烧杯内。
流量设为200mL/min,启动泵,经过2分钟后,从清除率测定用的牛血液(37℃)中采集10mL样品,作为Bi液。自启动起经过4分30秒后,采集10mL从Bo中流出的样品,作为Bo液。这些样品保存在-20℃以下的冷冻库中。
根据各液体的β2-MG的浓度算出清除率Co。由于根据牛血液的批次不同,测定值有时会不同,因此实施例、比较例中全部使用同一批次的牛血液。
将结果示于表5。
[牛血液中的压力损失测定]
在上述柱的吸附性能测定中,对清除率测定开始5分钟后的Bi和Bo的压力进行测量,将Bi与Bo的压力差作为压力损失。将结果示于表5。
[返血性试验]
使用生理盐水,以200mL/min的流速从下往上从吸附柱中流过700mL,对其进行洗涤。此时,并未对吸附柱实施振动等脱泡操作。
然后,将牛血液以200mL/min的流速从下方导入。在牛血液中添加肝素,使用调节为血球比率30%、总蛋白量6.5g/dL的牛血液。在确认了牛血液出现在吸附柱的上侧集管内后,将吸附柱上下翻转,使血液由上往下流动。在该状态下循环1小时。
对于返血而言,使用为柱的血液容积的2~3倍量的生理盐水,从上往下以单程(one-path)方式以100mL/min的流速流过。对从柱下方流出的返血液经时取样,将最后的100mL返血液(若柱的血液容积为100mL,则为流过200~300mL生理食盐液期间的液体)以纯水稀释2倍,使其发生溶血,利用紫外可见分光光度计(岛津公司制UV-160)对波长为414nm处的吸光度进行测量,由此算出液体中包含的血红蛋白量,作为柱内的残血量而求出。关于标准曲线,使用调节为血球比率30%、总蛋白量6.5g/dL的牛血液进行制作。将结果示于表5。
实施例23
使用与实施例22相同的丝、壳体,使纤维(max)的丝根数为27,000根,纤维(min)的丝根数为13,500根,除此以外,利用与实施例22同样的方法进行柱制作·评价。将结果示于表5。
比较例7
使用与比较例1相同的丝,使丝根数为75,000根,除此以外,利用与实施例22同样的方法进行柱制作·评价。将结果示于表5。
比较例8
使用与比较例2相同的丝,使丝根数为75,000根,除此以外,利用与实施例22同样的方法进行柱制作·评价。将结果示于表5。
参考例1
使用与实施例22相同的丝、壳体,使纤维(max)的丝根数为13,500根,纤维(min)的丝根数为6,750根,除此以外,利用与实施例22同样的方法进行柱制作·评价。将结果示于表5。
参考例2
仅配置具有圆形排出口的喷嘴,使排出量为0.5cc/min,凝固浴温度为48℃,除此以外,在与比较例4同样的条件下制作纤维材料,得到等效直径为113μm的圆形丝。将60,000根有效长度为140mm的该实心丝***内径为46mm的壳体中而制作柱。评价以与实施例22同样的方式进行。结果如表5所示,得到了高的β2-MG清除率和良好的残血性(少的残血量)。另外,利用后述的方法进行脉冲试验,结果峰顶为0.77,为良好的流动。
[脉冲试验]
为了将柱内的被处理液的流动均匀性进行定量化,进行脉冲试验。将回路与柱连接,以200mL/min使1L超纯水流过回路及吸附柱,进行洗涤。利用注射器,将以超纯水稀释110倍的墨汁1mL在2秒以内从回路的端口部分注入。
将开始注入墨汁的时间点作为0秒,从3秒后以每1秒3mL进行取样(共计100秒,98个样品)。在墨汁的浓度测定中使用分光光度计(日立公司制U-2000),在600nm的波长下制作标准曲线,然后测定样品。
上述式(15)中,TI表示柱理论通过时间,t表示取样时间(将开始注入墨汁时作为0sec),VI表示理论柱体积,v表示流量(200ml/sec)。
E=C/C0 (16)
上述式(16)中,C表示各取样溶液中的墨汁的浓度,C0表示墨汁的初始浓度。
参考例3
使用与参考例2相同的丝、壳体,***82,000根丝,除此以外,以同样的方式制作柱,评价也与参考例2同样地进行。结果如表5所示,得到了高的β2-MG清除率和良好的残血性(少的残血量)。与参考例2相比,压力损失高,因此认为β2-MG清除率也得到了比比较例4更高的值。另外,对于脉冲试验的结果,峰顶为0.80,为良好的流动。
参考例4
使用与参考例2相同的丝、壳体,***40,000根实心丝,除此以外,以同样的方式制作柱,评价也与参考例2同样地进行。评价与实施例22同样地进行。结果如表5所示,与参考例2相比,β2-MG清除率、残血性的结果均较差。认为由于压力损失低,因此β2-MG清除率低,残血量也多。另外,作为脉冲试验的结果,峰顶为0.28,流动不太均匀。
参考例5
针对与参考例2相同的丝,切成约20mm,由此准备丝根数为约4200,000根的丝,无规地***至内径为46mm的壳体中,制作吸附柱。评价以与实施例22同样的方式进行。结果如表5所示,β2-MG清除率低,残血量也多。
如上所述,由实施例22及比较例7、8的结果可知,与包含单一的十字丝或椭圆丝的纤维的柱相比,在柱中包含作为纤维(max)的十字丝和作为纤维(min)的椭圆丝时的β2-MG清除率高。
由实施例22、23、参考例1的结果可知,通过使流路截面的等效直径为250μm以下,可得到充分的吸附性能。另外可知残血量也良好。
另外,由参考例2~4的结果可知,压力损失优选为0.5kPa以上,由此可得到充分的吸附性能。另外可知脉冲试验、残血量也良好。
此外,由参考例2、5的结果可知,与无规地***纤维相比,通过以直线形的束的形式***,能够提高吸附性能,并能够降低残血量。
需要说明的是,本专利的实施例、比较例、参考例中使用的纤维中,均未确认到大孔隙的存在。
产业上的可利用性
本发明的纤维材料能够将被处理液中的被吸附物质有效地吸附除去,因此能够用于纯化柱。纯化柱的具体使用用途有多种多样,可用于水处理、纯化、医疗等各种用途。
附图标记说明
1 外接圆
2 内切圆
3 外接圆直径Do
4 内切圆直径Di
10 狭缝部长度
11 狭缝部宽度
R 圆弧
W 狭缝部宽度
L 狭缝部长度
13 纯化柱
14 泵
15 37℃热水浴
16 废弃用烧杯
17 循环用血浆
18 清除率测定用血浆
Claims (22)
1.纤维材料,其包含混纤纤维,所述混纤纤维具有横截面形状共通的多种实心纤维,所述多种纤维中的至少两种在所述混纤纤维整体中的构成比例为5.0%以上,所述构成比例为5.0%以上的多种纤维中,将下式(1)表示的表面积增加度最高的纤维作为纤维max、将下式(1)表示的表面积增加度最低的纤维作为纤维min时,纤维min比纤维max的表面积增加度低3.0%以上,纤维max在所述混纤纤维整体中的构成比例为30.0%以上,纤维min在所述混纤纤维整体中的构成比例为8.0%以上,所述纤维min中的下式(3)表示的外接圆占有率Sfo为0.90以下,并且,
对于纤维max而言,(a)表面积增加度为1.20以上,(b)为多孔质且细孔比表面积为5m2/g以上,
表面积增加度=(纤维横截面的周长)/(具有与纤维横截面相同的截面积的圆的圆周长)(1),
混纤材料整体中的构成比例(%)=具有共通横截面的纤维的根数(根)/总纤维根数(根)×100(2),
外接圆占有率Sfo=Sf/So(3),
此处,Sf:纤维横截面的截面积,So:由纤维横截面的外接圆围成的面积。
2.如权利要求1所述的纤维材料,其中,纤维max的细孔比表面积为10m2/g以上。
3.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维min为多孔质,且细孔比表面积为5m2/g以上。
4.如权利要求3所述的纤维材料,细孔比表面积为10m2/g以上。
5.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维min的异形度Do/Di为1.10以上,
此处,Do:纤维横截面的外接圆的直径,Di:纤维横截面的内接圆的直径。
6.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维min的表面积增加度为1.10以上。
7.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维min的纤维横截面的形状为椭圆形。
8.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维max的等效圆直径为10μm以上且1,000μm以下。
9.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,将所述纤维max的外接圆占有率Sfo除以所述纤维min的外接圆占有率Sfo而得到的Sfo比记为Z,所述Z为0.20以上。
10.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,将由所述纤维min的等效圆直径除以所述纤维max的等效圆直径所表示的纤维直径比记为Y,所述Y为10.0以下。
11.如权利要求1或2所述的纤维材料,所述纤维材料由直线形的纤维形成。
12.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述混纤纤维由两种横截面形状共通的纤维形成。
13.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维max与纤维min的比例为10:1~1:2。
14.如权利要求1或2所述的纤维材料,其中,所述纤维max与纤维min由同一原材料形成。
15.如权利要求14所述的纤维材料,其中,所述原材料为含有酯基的聚合物。
16.如权利要求1或2所述的纤维材料,所述纤维材料用于医疗用途。
17.如权利要求1或2所述的纤维材料,所述纤维材料用于纯化柱用途。
18.如权利要求1或2所述的纤维材料,β2-微球蛋白的吸附量为0.005mg/cm3以上。
19.纯化柱,其包含塑料壳体和上述权利要求1~18中任一项所述的纤维材料,在所述塑料壳体内,所述纤维材料沿连接壳体的两侧开口部的轴向呈直线形排列,在所述塑料壳体的两端安装有被处理液的入口端口及出口端口。
20.如权利要求19所述的纯化柱,流路截面的等效直径为10μm以上且250μm以下。
21.如权利要求19所述的纯化柱,以200mL/min的流量流过牛血液时的压力损失为0.5~30kPa。
22.如权利要求20所述的纯化柱,以200mL/min的流量流过牛血液时的压力损失为0.5~30kPa。
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