JP4699556B2 - タンパク吸着材料およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンパク吸着材料およびその製造方法に関する。

従来、医薬品製造工程等のバイオプロセスにおいて、タンパク質等の有価物の吸着回収あるいは不純物の吸着除去等の吸着精製操作は、粒子径１００μｍを超える多孔性のゲルビーズを吸着体として充填したカラムに被処理液を通液することで行われてきた。ゲルビーズとしては、セルロース、デキストラン、アガロースなどの多糖類系ビーズが多用されている。それらのビーズは多孔性であって粒子内部に多数の細孔を有し、細孔を設けて比表面積を大きくすることで目的物質の吸着容量を確保している。培養等で得られた目的物と不純物とを含む粗原料液は、上記多孔性のゲルビーズが充填されたカラムに通液され、目的物又は不純物は液が細孔を通過する際に細孔表面に固定されたタンパク質吸着能を有する官能基にて吸着分離される。しかしながら、従来のゲルビーズはゲルビーズ粒子内への物質移動、すなわち細孔内への拡散に対する抵抗が大きいために、カラムへの粗原料液の通液速度が大きくなると、細孔内の官能基が吸着に利用されなくなり、ゲルビーズ粒子の外表面の官能基のみが吸着に利用されるため、大幅に吸着容量が低下し、高速での吸着精製が困難になるという課題を抱えている。

一方、粒子の外表面に固定された官能基だけを利用する非多孔性の粒子よりなるゲルビーズは、通液速度が速くなっても吸着容量の低下は少ないという利点を有する。しかしながら、このようなゲルビーズは比表面積の絶対値が小さいために、工業生産に利用できるだけの吸着容量を確保することが難しく、主に分析用途での実用化に留まっている。

また、精密濾過膜等の多孔膜の細孔表面に官能基を固定し、濾過により強制的に細孔内に被処理液を通液する手法も研究されている（例えば非特許文献１及び２参照）。この手法によると、高速で通液しても細孔内の官能基が有効に利用できるので、吸着容量の低下が起こり難い。

斎藤恭一ら、「ケミカルエンジニヤリング」、１９９６年８月号、２５〜２８頁 久保田昇、「放射線と産業」、１９９８年１２月、Ｎｏ．８０、４５〜４７頁

しかしながら、非特許文献１及び２に記載の手法のように多孔膜を用いる場合、濾過により通液するため、濾過圧力が高くなり過ぎないように多孔膜の膜厚をある程度薄くせざるを得ない。これでは、膜厚方向での吸着容量の絶対値を大きくすることが困難である。
本発明は、分析用途はもちろんのこと、工業生産用としても適用可能な程度の吸着容量と高速処理性とを両立するタンパク吸着材料及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述の課題を解決するために鋭意努力した結果、多孔質でなくてもよい高分子基材の表面に、タンパク質吸着能を有する官能基が固定された高分子側鎖を所定の割合で固定することにより、高速吸着処理と高吸着容量とを両立できること、及び、放射線グラフト重合法を用いることにより、そのような高速吸着処理と高吸着容量とを両立するタンパク吸着材料を製造することが可能であることを見出した。そして、本発明者らは、さらに鋭意研究を進めた結果、基材表面に形成される高分子側鎖の量が従来では考えつかない、極めて小さいグラフト率の下に最大化できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は下記の通りである。

（１）高分子基材と、その高分子基材を構成する高分子と結合することにより前記高分子基材の表面に固定された高分子側鎖であってビニルモノマーの重合により得られた前記高分子側鎖と、その高分子側鎖に固定されたタンパク質吸着能を有する官能基と、を含有し、前記高分子基材に固定された前記高分子側鎖のグラフト率が５〜３０％であるタンパク吸着材料。
（２）前記高分子基材に固定された高分子側鎖の密度が０．１ｇ／ｍ ² 以上３ｇ／ｍ ² 未満である、上記（１）に記載のタンパク吸着材料。

（３）高分子基材に放射線を１〜２０ｋＧｙの照射線量で照射して前記高分子基材を活性化する第１の工程と、前記活性化した後の前記高分子基材に、タンパク質吸着能を有する官能基を有するビニルモノマー又はタンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基を有するビニルモノマーを３０℃以下の前記ビニルモノマーの溶液中で接触させ、前記ビニルモノマーが重合した高分子側鎖を前記高分子基材の表面に固定させる第２の工程と、前記ビニルモノマーが前記タンパク質吸着能を有する官能基を有しない場合に、前記ビニルモノマーが有する前記タンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基にタンパク質吸着能を有する官能基を導入する第３の工程と、を含有し、前記高分子側鎖の質量が、前記高分子基材の質量に対して５〜３０％である、タンパク吸着材料の製造方法。
（４）前記第２の工程において、前記ビニルモノマーの濃度を１０体積％以下に調製した溶液中で、前記活性化した後の前記高分子基材に前記ビニルモノマーを接触させる、上記（３）に記載のタンパク吸着材料の製造方法。
（５）前記第２の工程において、３０℃以下の前記ビニルモノマーの溶液中で前記高分子側鎖を固定させる、上記（３）又は（４）に記載のタンパク吸着材料の製造方法。
（６）前記高分子基材を構成する高分子化合物がポリエチレンを含有する、上記（３）〜（５）のいずれか一項に記載のタンパク吸着材料の製造方法。

本発明により、分析用途はもちろんのこと、工業生産用としても適用可能な程度の吸着容量と高速処理性とを両立するタンパク吸着材料及びその製造方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明する。なお、本発明は、下記本実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形して実施することができる。

本実施形態のタンパク吸着材料は高分子化合物を基材として含有する。本明細書において、この基材を「高分子基材」とも表記する。

高分子化合物としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン等のハロゲン化ポリオレフィン、オレフィンとハロゲン化オレフィンとの共重合体、及びそれらの混合物が挙げられる。これらの中でも高分子化合物がポリエチレンを含有すると好ましい。ポリエチレンは安価で入手が容易であり、耐薬品性や加工性に優れ、また、素材の吸湿性、吸水性が低い。それに加えて、ポリエチレンは、放射線による崩壊が起こり難く、かつ放射線グラフト重合を行う場合に放射線照射により発生するグラフト重合の反応起点となるラジカルを保持する結晶部分を比較的豊富に有しやすいため、放射線グラフト重合に適している。上記高分子化合物におけるポリエチレンの含有割合は、５０〜１００質量％であると好ましい。

ポリエチレンは大別して低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンに分類できるが、本実施形態においては、そのどちらをも用いることができる。実際に用いられる種々の環境における高分子基材の安定性の観点では、結晶化度の高い高密度ポリエチレンが比較的好ましい。

ポリエチレンは、エチレンのホモポリマーであってもよく、リニアリティや密度の制御のために、プロピレンやブテンを添加重合したものであってもよい。

ポリエチレンの分子量は、実際に用いられる種々の環境における高分子基材の安定性の観点から、大きいものほど好ましく、特に重量平均分子量で１００万以上の超高分子量タイプのポリエチレンが機械的な物性にも優れているので好ましい。ここで、重量平均分子量は、ポリスチレンを標準試料として、ゲルパーミションクロマトグラフィにより測定されるものである。

高分子基材の形状は、特に制限はなく、粒子状、不織布状、織布状、糸状等のいずれの形状であってもよい。

粒子状の高分子基材は、従来のカラムに対する充填材として利用することができるため好適な基材である。その粒子の形状は真球状であっても不定形であってもよい。また、基材は一次粒子からなるものであっても、一次粒子が複数個凝集し一体化した二次粒子であってもよく、二次粒子を粉砕したものであってもよい。

粒子状の高分子基材の粒子径は、平均粒子径で１０〜８０μｍであると好ましい。その平均粒子径は、５０個以上の粒子について、粒子径の相加平均値により示されるものである。上記粒子径は、粒子の拡大写真から短径と長径とを測定し、その相加平均値により示される。平均粒子径が８０μｍよりも大きいと、比表面積が小さくなるため、基材に導入できる官能基量が少なくなり、タンパク吸着容量が低下する傾向にある。平均粒子径が１０μｍよりも小さいと、粒子同士により形成された間隙が小さくなり、タンパク吸着材料を充填したカラムに粗原料液を通液した際の圧損が大きくなるため、実用に供する際に過大な粗原料液の供給圧力を要する傾向にある。上記粒子径は、好ましくは平均粒子径で１０〜４０μｍである。

高分子基材は多孔質であると好ましいが、多孔質でないものも用いることができる。多孔質ではない高分子基材をもタンパク吸着材料に用いるためには、タンパク吸着材料が高速吸着処理と高吸着容量との両立を実現させ、最大効率でタンパク質を吸着する必要がある。そこで、タンパク質吸着能を有する官能基の、基材への固定状態の設計が最も重要である。

高分子基材に上記官能基を固定するのに第一に必要なことは、その基材に固定した高分子側鎖を介して上記官能基を固定することである。高分子側鎖は、例えばグラフト重合により基材に固定されたものである。このようにして官能基を固定することで、基材表面そのものだけでなく、基材表面に固定された高分子側鎖を介して基材表面から離れた上空部分にも官能基を配することができる。基材に官能基を固定する通常の方法では、基材表面そのものの２次元面にしか官能基を固定しない。それに対し、本実施形態に係る方法では、基材に固定した高分子側鎖を介して官能基を固定することで、高分子側鎖が延びている範囲で基材上空部分の３次元空間を官能基の固定スペースとして用いることができる。そのため、上述のような従来の方法と比較して、吸着容量を確保する上で、圧倒的に有利である。いわば、基材表面に高分子側鎖を介さずに官能基を固定する従来の方法では「平屋型の吸着空間（平面型）」であるのに対し、基材に固定した高分子側鎖を介して官能基を固定する本実施形態に係る方法は「高層建築型の吸着空間」であるといえる。

なお、本明細書において高分子側鎖の高分子基材への固定、及び、官能基の高分子側鎖への固定は、それぞれ、高分子側鎖の高分子基材を構成する化合物への結合、及び、官能基の高分子側鎖への結合を意味し、結合の態様としては共有結合が挙げられる。

本明細書において、「高分子側鎖」とは、高分子基材を構成する高分子化合物を主鎖として、その高分子化合物に側鎖として結合し得る高分子基を意味する。高分子側鎖としては、架橋構造の少ないものが好ましい。タンパク質は一般に分子が大きく、例えばスチレン−ジビニルベンゼンのような架橋構造を有する高分子側鎖において、タンパク分子が架橋構造の中に入り込む又は架橋構造の中で移動することが困難となる。その結果、高分子側鎖のごく一部のみが吸着に関与し、実質的にタンパク質の吸着が困難となる。高分子側鎖としては、屈曲性の高いメチレン鎖を主鎖として有するものが好ましい。メチレン鎖を主鎖として有する高分子側鎖は、例えば、基材へのビニルモノマーのグラフト重合にて得ることができる。特に好適な高分子側鎖はポリグリシジルメタクリレート鎖であり、この高分子側鎖は、ビニルモノマーであるグリシジルメタクリレートの重合によって形成され得る。グリシジルメタクリレートは重合後も反応性に富むグリシジル基を有しており、グリシジル基中のエポキシ環に開環付加させることで種々の官能基を導入することができる点も好都合である。

タンパク質吸着能を有する官能基を、高分子側鎖を介して高分子基材に固定した上で、高速度吸着処理と高吸着容量との両立をより高いレベルで実現させることにより、最大効率でタンパク質を吸着するために重要なことは、高分子側鎖のグラフト率の設計、及び高分子側鎖の密度の設計である。ここで、高分子側鎖のグラフト率（単位：％）は、
（高分子側鎖の質量（単位：ｇ））／（グラフト重合前の高分子基材の質量（単位：ｇ））×１００
の数式により算出されるものである。高分子側鎖の密度は、
（高分子側鎖の質量（単位：ｇ））／（グラフト重合前の高分子基材の表面積（単位：ｍ^２））
の数式により算出されるものである。高分子側鎖の質量（単位：ｇ）は、
（グラフト重合後の高分子基材と高分子側鎖との合計質量（単位：ｇ））−（グラフト重合前の高分子基材の質量（単位：ｇ））
の数式により算出される。

一般的に考えると、グラフト率を大きくし、官能基を多く導入するのが本発明の目的を達成するのに好都合と考えられる。しかしながら、意外にも、グラフト率が大きくなりすぎるとタンパク吸着材料における吸着容量及び溶出率が共に低下し、高分子側鎖の密度には、より好ましい適正範囲が存在することが見出された。これらの理由は詳細には不明であるが、本発明者らは、その一つとして下記の原因を考えている。つまり、高分子基材に固定された高分子側鎖は、基材表面に「ひげ状に」固定された状態として模式的に理解することが可能である。グラフト率があるレベルを超えると、タンパク質が高分子側鎖の層中に入り込むことが困難になって、高分子側鎖層からなる３次元の高層建築的な吸着空間が有効に利用され難くなる。その結果、有効な吸着容量は低下すると考えられる。また、密度の高い高分子側鎖の層中に「入り込んでしまった」何割かのタンパク質が、溶出時に高分子側鎖の層から「抜け出る」ことが困難になり、溶出率あるいは回収率が低下する可能性も考えられる。
なお、「溶出率」とはタンパク吸着材料に吸着したタンパク質のうち、溶出液によりタンパク吸着材料から溶出したタンパク質の割合を百分率で示したものを意味し、タンパク吸着材料に吸着したタンパク質の回収率に相当する。

本実施形態に係る好適な範囲の高分子側鎖のグラフト率及び密度は、これまで考えられていた好適な範囲と比較して著しく少ないものであるにもかかわらず、結果として吸着容量を大きくすることができたものである。このことは極めて意外であり、従来の考え方の延長線上では得られなかったものであるといえる。

高分子基材に固定された高分子側鎖のグラフト率は、５〜３０％の範囲である。そのグラフト率は、より好ましくは１０〜２０％の範囲である。グラフト率が５％よりも小さいと十分なタンパク質の吸着容量が得られず、３０％よりも大きくなると溶出率が低下するため、好ましくない。

また、高分子基材に固定された高分子側鎖の密度は、０．１ｇ／ｍ^２以上３ｇ／ｍ^２未満であると好ましい。その密度は、より好ましくは０．２〜１．５ｇ／ｍ^２であり、更に好ましくは０．３ｇ／ｍ^２以上１．０ｇ／ｍ^２未満である。密度が０．１ｇ／ｍ^２よりも小さい範囲ではタンパク質の吸着容量が十分に得られ難くなる傾向にあり、３ｇ／ｍ^２以上であると溶出率が低下する傾向にあるため、好ましくない。

いずれにしても、本実施形態によると、従来のグラフトによる機能付与の技術に対して、グラフト率が小さく、したがって、タンパク吸着材料に導入する官能基の量が少なくなっているにも関わらずタンパク吸着性能が改良されることは、驚くべき結果であるといえる。

本実施形態のタンパク吸着材料は、タンパク質吸着能を有する官能基を含有する。ここで、「タンパク質吸着能」とは、タンパク質の分子を変性させることなく吸着できることを意味する。タンパク質吸着能を有する官能基は、（１）イオン交換吸着型、（２）疎水性相互作用吸着型、（３）群特異アフィニティ吸着型、（４）個別特異アフィニティ吸着型の４つに大別される。具体例としては、下記のものが挙げられる。

イオン交換吸着型の官能基のうち、カチオン基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基が挙げられ、アニオン基としては、例えば、４級アンモニウム塩基、ピリジウム塩基、３〜２級アミノ基が挙げられ、キレート基としては、例えば、イミノジ酢酸基、メルカプト基、エチレンジアミン基が挙げられる。

疎水性相互作用吸着型の官能基としては、例えばフェニル基、アルキル基が挙げられる。

群特異性アフィニティ吸着型の官能基としては、例えば、Cibacron Blue F3G-A、Protein A、コンカナバリンＡ、ヘパリン、タンニン、金属キレート基が挙げられる。

個別特異型アフィニティ吸着型の官能基としては、例えば、抗原や抗体類が挙げられる。

高分子基材に固定した高分子側鎖には、これらタンパク質吸着能を有する官能基の１種を単独で固定してもよく、２種以上を組み合わせて固定してもよい。また、高分子側鎖には、タンパク質吸着能を有する官能基だけでなく、タンパク質の非特異的吸着や非可逆的吸着を抑止する目的で、水酸基をも固定することが望ましい。

本実施形態のタンパク吸着材料は、タンパク吸着能を有する官能基を、タンパク吸着材料の質量（乾燥質量）当たり０．１ｍｍｏｌ／ｇ以上含有すると好ましい。上述の通り、グラフト率の低下に伴って官能基の量も少なくなるが、高分子基材に固定された高分子側鎖の量がグラフト率で上記範囲にあれば、高分子側鎖に固定するタンパク吸着能を有する官能基の量が多い方が吸着能力が高くなるので好ましい。その官能基の量は、実質的に上限が０．５ｍｍｏｌ／ｇである。

本実施形態のタンパク吸着材料は、例えば、高分子化合物を基材に用い、放射線グラフト重合法を用いることにより製造される。すなわち、本実施形態のタンパク吸着材料の製造方法は、高分子基材を活性化する第１の工程と、活性化した後の上記高分子基材に、タンパク質吸着能を有する官能基を有するビニルモノマー又はタンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基を有するビニルモノマーを接触させ、ビニルモノマーが重合した高分子側鎖を高分子基材の表面に固定させる第２の工程とを含有するものである。本実施形態のタンパク吸着材料の製造方法は、ビニルモノマーがタンパク質吸着能を有する官能基を有しない場合に、ビニルモノマーが有するタンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基にタンパク質吸着能を有する官能基を導入する第３の工程を含有してもよい。

第２の工程において用いられる、タンパク質吸着能を有する官能基を有するビニルモノマーとしては、例えば、官能基としてスルホン酸基を有するスチレンスルホン酸ナトリウム、官能基としてカルボキシル基を有するアクリル酸が挙げられる。また、タンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基としては、反応性に富む官能基が好ましく、例えば、エポキシ環、水酸基、アミノ基が挙げられる。これらの中でもエポキシ環は多種多用な分子との反応性に富むため、タンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基として特に有効である。タンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基を有するビニルモノマーとしては、官能基としてエポキシ環を有するグリシジルメタクリレート、官能基として、加水分解により水酸基を形成可能な酢酸エステル残基を有する酢酸ビニルが挙げられる。これらは１種を単独で又は２種以上を混合して用いられる。上記ビニルモノマーはグリシジルメタクリレートを含有すると好ましく、ビニルモノマーの全体量に対するグリシジルメタクリレートの含有割合は、５０〜１００質量％であると好ましい。

また、第３の工程において、エポキシ環にタンパク質吸着能を有する種々の官能基を導入する方法としては、上述の非特許文献２などに記載されている方法を採用すればよい。

ビニルモノマーが重合した高分子側鎖は、ビニルモノマーがグラフト重合により重合した高分子側鎖（以下、「グラフト高分子鎖」という。）である。その高分子基材への固定は、第１の工程において基材表面をビニルモノマーが重合可能なように活性化することにより開始される。基材表面の活性化としては、基材表面にラジカルを生成させる方法が挙げられる。これにより、その生成したラジカルを開始点としてビニルモノマーをグラフト重合させることが可能となる。ラジカルを基材表面に生成させる方法としては、基材表面全体に均一に生成させる観点から、放射線照射によりラジカルを生成させる方法が特に好適であり、このラジカルを開始点としてグラフト重合鎖を生成させるとよい。本実施形態に好適に用いられる放射線は電離性放射線であり、α、β、γ線、電子線が例示され、それらのいずれも使用可能であるが、特に電子線又はγ線が適している。

なお、グラフト高分子側鎖を適切な密度にて高分子基材に固定するためには、グラフト重合の起点となるラジカルの発生量を適切な範囲に設定することが肝要である。具体的には、第１の工程において高分子基材に放射線を照射して活性化する場合、基材への放射線の照射線量が重要であり、本実施形態においては、従来に比べて小さな線量であることが鍵となる。特に必要量のラジカルを効率的に生成するために、高分子基材を構成する高分子化合物がポリエチレンを含む場合、照射線量は好ましくは１〜２０ｋＧｙであり、さらに好ましくは１〜１０ｋＧｙである。先に述べた通り、本実施形態においては高分子基材表面に固定する高分子側鎖の密度が重要である。高分子側鎖をグラフトする起点となるラジカルの量を決めるのが照射線量であり、照射線量を上記範囲に制御することで高分子側鎖の構造が最適化されるものと考えられる。

高分子基材に放射線を用いてグラフト重合を行う方法（以下、「放射線グラフト重合法」ともいう。）としては、例えば、予め高分子基材に放射線を照射した後、生成したラジカルを起点としてビニルモノマーと接触させる前照射法、及びビニルモノマー溶液中で放射線を照射する同時照射法が挙げられる。これらの中で安定したグラフト重合が可能になるのは、前照射法である。

高分子基材に発生したラジカルにビニルモノマーを接触させ、ラジカル重合によるグラフト重合を行う方法としては、気相中で蒸散したビニルモノマーを接触させる気相法、及び液状のビニルモノマーをそのまま又は溶媒で希釈した液中で接触させる液相法が挙げられる。グラフト量、すなわち基材へのグラフト高分子側鎖の密度を制御しやすい観点から、ビニルモノマーを溶媒で希釈した液中で接触させる液相法が好ましい。溶媒としては、基材の内奥部、例えば粒子状の基材を用いる場合は粒子内奥部、でのグラフト重合反応を抑制して、反応を基材の表面近傍に制限するため、基材を構成する樹脂（高分子化合物）に対して膨潤性の小さいものを用いることが好ましい。具体的には、基材を構成する樹脂の膨潤度が１０％以下となる溶媒が好ましい。、基材を構成する樹脂がポリエチレンの場合、溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコールが好ましい。ここでいう「膨潤度」とは、室温にて「溶媒中に１時間浸漬した樹脂粒子の粒径」と「浸漬前の樹脂粒子の粒径」との差を、「浸漬前の樹脂粒子の粒径」で除した値を百分率で示すものである。

上記溶媒としてアルコールを用い、ビニルモノマーとしてグリシジルメタクリレートを採用する場合、アルコール溶媒中で高分子基材を構成する高分子化合物とグリシジルメタクリレートとをグラフト反応させるために、３０℃以下のビニルモノマーの溶液中で高分子側鎖を固定することが好ましい。この際のビニルモノマーの溶液の温度が３０℃を越えると反応速度が大きくなり、所定のグラフト率になるよう反応を制御することが難しくなる。ビニルモノマーの溶液の温度は、より好ましくは０〜２０℃である。

ビニルモノマーの溶液中でのビニルモノマーの濃度は１０体積％以下であると好ましく、例えば、アルコール溶媒中のグリシジルメタクリレートの濃度は１０体積％以下であると好ましい。１０体積％を越える濃度ではタンパク吸着容量の大きなタンパク吸着材料を得ることが困難となる傾向にある。

反応混合液の温度及びグリシジルメタクリレートの濃度は、高分子基材表面に形成される高分子側鎖の密度に大きく影響を与えると考えられる。すなわち、これらは、タンパク分子が高分子側鎖の間に一層入り込みやすい構造を形成するのに重要な因子になると考えられる。

本実施形態の特に好ましい具体的なタンパク吸着材料の製造方法の例として、高分子基材としてポリエチレン粒子を用い、ビニルモノマーとしてグリシジルメタクリレートを用いる放射線グラフト重合法が挙げられる。ポリエチレン粒子の平均粒子径は、１０〜８０μｍであると好ましく、より好ましくは１０〜６０μｍ、更に好ましくは１０〜４０μｍである。放射線グラフト重合法としては、前照射法が好ましい。ラジカルを発生させた基材へのグリシジルメタクリレートのグラフト重合は、グリシジルメタクリレートのアルコール溶液中で行うことが好ましい。アルコールとしては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノールを好適に用いることができる。上述のように、基材の粒子内奥部でのグラフト重合反応を抑制して、反応を基材の表面近傍に制限するため、基材を構成する樹脂に対して膨潤性の小さい反応溶媒であるアルコールを用いることが好ましい。アルコールは、ポリエチレンに対して膨潤度が小さい。

上記反応液中の反応温度とグリシジルメタクリレートの濃度及び反応時間を制御することによりグラフト率を制御することが可能となる。

グリシジルメタクリレートのグラフト率は、５〜３０％であると好ましく、１０〜２０％であるとより好ましい。そのグラフト率を制御することにより、高分子基材に固定する高分子側鎖の密度をも好ましい範囲に制御することができる。

グラフト重合によりグリシジルメタクリレートを高分子基材に固定した後、高分子側鎖であるポリグリシジルメタクリレート側鎖にタンパク吸着能を有する官能基を導入するには、その高分子側鎖中のグリシジル基におけるエポキシ環への開環付加により官能基を導入すればよい。例えば、カチオン交換基を、タンパク質吸着能を有する官能基として導入する場合、グラフト重合により固定した高分子側鎖中のグリシジル基に亜硫酸塩を付加することができる。より具体的には、グラフト重合によりグリシジルメタクリレートが固定された基材と亜硫酸ソーダとを水／イソプロピルアルコール混合溶液中で反応させてスルホン基を導入する方法を用いることができる。また、例えば、アニオン交換基をタンパク質吸着能を有する官能基として導入する場合、グラフト重合により固定した高分子側鎖中のグリシジル基にトリメチルアミン塩酸塩を反応させ４級アンモニウム基を導入することができる。

なお、高分子基材の表面積は、水銀圧入法で求めることができる。また、タンパク吸着材料は、ビーズ状の形状をなすタンパク吸着ビーズであってもよい。

以下、本実施形態を実施例により更に具体的に説明するが、本実施形態はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

［実施例１］
高分子基材として質量を測定した平均粒子径３５μｍの超高分子量ポリエチレン粒子（Ｔｉｃｏｎａ社製；ＧＵＲ−２１２６、比表面積：０．１８ｍ^２／ｇ）を準備した。このポリエチレン粒子に、１０ｋＧｙの電子線を照射しラジカルを発生させた。

ラジカルを発生させた後のポリエチレン粒子を２体積％のグリシジルメタクリレート／１−ブタノール溶液に浸漬し、５℃で１５０時間振とうすることにより、グラフト重合反応を行った。得られた粒子をアルコール洗浄後に乾燥して質量を測定し、そこからグラフト率を算出したところ、１７％であり、高分子側鎖の密度は０．９ｇ／ｍ^２であった。

得られた粒子を亜硫酸ナトリウム：イソプロパノール：純水＝１０：１５：７５（質量％）の溶液に浸漬し、８０℃で１２時間振とうしてグリシジル基にタンパク質吸着能を有する官能基としてスルホン酸基を導入した。スルホン酸基を導入した粒子を乾燥して質量を測定し、増加した質量から固定したスルホン酸基量を求めた。固定したスルホン酸基量は、０．３ｍｍｏｌ／ｇであった。更に、スルホン酸基を導入した粒子を０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液に浸漬し、８０℃で２時間振とうして未反応のグリシジル基をジオール化した。こうして、タンパク吸着材料としてのカチオン型のタンパク吸着ビーズを得た。

得られたタンパク吸着ビーズを断面積０．３９ｃｍ^２のカラムに充填し（充填高さ：３ｃｍ）、以下の吸着性能試験を行った。まず、粗原料液であるタンパク質溶液として２ｇ／Ｌのリゾチーム溶液（１０ｍｍｏｌ炭酸ナトリウム／水酸化ナトリウム水溶液緩衝液、ｐＨ＝９）を、空間速度２００ｈ^−１にてカラムの上から下へと通液し、リゾチームの吸着操作を行った。カラム下の液出口にて出口液をサンプリングし、出口液中のリゾチーム濃度を吸光光度法（吸光波長：２８０ｎｍ）にてモニタリングした。出口液中のリゾチーム濃度は初めはゼロであったが、通液量が増加すると共に、徐々にリゾチームが漏れ出し、リゾチーム濃度が上昇した。出口液中のリゾチーム濃度が原液中と同じ濃度（２ｇ／Ｌ）になるまで吸着操作を行った。出口液中のリゾチーム濃度が原液中の１／１０になるまでの吸着量を動的吸着容量、出口液中のリゾチーム濃度が原液中と同じになるまでの吸着量を平衡吸着容量とした。吸着操作終了後、緩衝液をカラムに通液して洗浄した後、溶出液として０．５ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウム水溶液をカラムに通液し、タンパク吸着材料に吸着したリゾチームを溶出した。溶出率は、１００×（溶出量）／（平衡吸着量（溶出量と同じ単位））の数式により算出された。その結果、動的吸着容量は３９ｍｇ／ｍＬ（カラム充填容積当たり、以下同様。）、平衡吸着容量は６０ｍｇ／ｍＬ、溶出率は１００％であった。

［比較例１］
照射線量が大きくグラフト率が大きい場合の比較例を下記のとおりに実施した。電子線の照射線量を１０ｋＧｙから１００ｋＧｙに代え、グラフト重合反応を行った時間を１５０時間から２４時間に代えた以外は実施例１と同様にして、カチオン型のタンパク吸着ビーズを得た。そのグラフト率は４５％であり、高分子側鎖の密度は２．５ｇ／ｍ^２であった。固定したスルホン酸基量は、１．２ｍｍｏｌ／ｇであった。

得られたタンパク吸着ビーズに対し、実施例１と同様にして吸着性能試験を行ったところ、動的吸着容量が１４ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量が２２ｍｇ／ｍＬ、溶出率が９０％であって、吸着容量が実施例１で得られたものに対して半分にも届かない結果であった。

［比較例２］
反応温度が高くグラフト率が大きい場合の比較例を下記のとおりに実施した。グラフト重合反応の反応温度を５℃から４０℃に代え、反応時間を１５０時間から２時間に代えた以外は実施例１と同様にして、カチオン型のタンパク吸着ビーズを得た。そのグラフト率４１％であり、高分子側鎖の密度は２．３ｇ／ｍ^２であった。固定したスルホン酸基量は、１．１ｍｍｏｌ／ｇであった。

得られたタンパク吸着ビーズに対し、実施例１と同様にして吸着性能試験を行ったところ、動的吸着容量が２０ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量が３１ｍｇ／ｍＬと、実施例１で得られたものに対して半分程度であった。また、溶出率が８５％であり、吸着したタンパク質を十分に回収するのが困難であった。

［実施例２］
高分子基材として質量を測定した平均粒子径３５μｍの超高分子量ポリエチレン粒子（Ｔｉｃｏｎａ社製；ＧＵＲ−２１２６、比表面積：０．１８ｍ^２／ｇ）を準備した。このポリエチレン粒子に、１０ｋＧｙの電子線を照射しラジカルを発生させた。

ラジカルを発生させた後のポリエチレン粒子を２体積％のグリシジルメタクリレート／１−ブタノール溶液に浸漬し、５℃で１２０時間振とうすることにより、グラフト重合反応を行った。得られた粒子をアルコール洗浄後に乾燥して質量を測定し、そこからグラフト率を算出したところ、１３％であり、高分子側鎖の密度は０．７ｇ／ｍ^２であった。

得られた粒子を５０体積％のジエチルアミン水溶液に浸漬し、３０℃で２４時間振とうしてグリシジル基にタンパク質吸着能を有する官能基としてジエチルアミノ基を導入した。ジエチルアミノ基を導入した粒子を乾燥して質量を測定し、増加した質量から固定したジエチルアミノ基量を求めた。固定したジエチルアミノ基量は０．６ｍｍｏｌ／ｇであった。次に、ジエチルアミノ基を導入した粒子を５０体積％エタノールアミン／メタノール溶液に浸漬し、３０℃で２４時間浸漬して未反応のグリシジル基をエタノールアミノ化した。こうして、タンパク吸着材料としてのアニオン型のタンパク吸着ビーズを得た。

得られたタンパク吸着ビーズを、実施例１で用いたのと同様のカラムに充填し（充填高さ：３ｃｍ）、以下の吸着性能試験を行った。まず、粗原料液であるタンパク質溶液として１ｇ／Ｌの牛血清アルブミン溶液（２０ｍｍｏｌＴｒｉｓ−ＨＣｌ緩衝液、ｐＨ＝８）を、空間速度２００ｈ^−１にてカラムの上から下へと通液し、アルブミンの吸着操作を行った。カラム下の液出口にて出口液をサンプリングし、出口液中のアルブミン濃度を吸光光度法（吸光波長：２８０ｎｍ）にてモニタリングした。出口液中のアルブミン濃度は初めはゼロであったが、通液量が増加すると共に、徐々にアルブミンが漏れ出し、アルブミン濃度が上昇した。出口液中のアルブミン濃度が原液中と同じ濃度（１ｇ／Ｌ）になるまで吸着操作を行った。出口液中のアルブミン濃度が原液中の１／１０になるまでの吸着量を動的吸着容量、出口液中のアルブミン濃度が原液中と同じになるまでの吸着量を平衡吸着容量とした。吸着操作終了後、緩衝液をカラムに通液して洗浄した後、溶出液として１ｍｏｌ／Ｌの塩化ナトリウム水溶液をカラムに通液し、タンパク吸着材料に吸着したアルブミンを溶出した。溶出率は、１００×（溶出量）／（平衡吸着量（溶出量と同じ単位））の数式により算出された。その結果、動的吸着容量は３７ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量は４３ｍｇ／ｍＬ、溶出率は１００％であった。

［実施例３］
反応溶液中のグリシジルメタクリレートの濃度を２体積％から１５体積％に代えた以外は実施例２と同様にして、アニオン型のタンパク吸着ビーズを得た。グラフト率は２０％であり、高分子側鎖の密度は１．２ｇ／ｍ^２であり、固定したジエチルアミノ基量は１．１ｍｍｏｌ／ｇであった。

得られたタンパク吸着ビーズに対し、実施例２と同様にして吸着性能試験を行ったところ、動的吸着容量が１８ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量が６６ｍｇ／ｍＬとなり、平衡吸着容量に比べて動的吸着容量が低いものとなった。また、溶出率が９５％であった。

［実施例４］
高分子基材として質量を測定した平均粒子径３５μｍの超高分子量ポリエチレン粒子（Ｔｉｃｏｎａ社製；ＧＵＲ−２１２６、比表面積：０．１８ｍ^２／ｇ）を準備した。このポリエチレン粒子に、１ｋＧｙの電子線を照射しラジカルを発生させた。

ラジカルを発生させた後のポリエチレン粒子を１０体積％のグリシジルメタクリレート／１−ブタノール溶液に浸漬し、３０℃で２時間振とうすることにより、グラフト重合反応を行った。得られた粒子をアルコール洗浄後に乾燥して質量を測定し、そこからグラフト率を算出したところ、２１％であり、高分子側鎖密度は１．２ｇ／ｍ^２であった。

得られた粒子に、実施例１と同様にしてタンパク質吸着能を有する官能基としてスルホン酸基を導入した。固定したスルホン酸基量は、０．５ｍｍｏｌ／ｇであった。

更に、実施例１と同様にして未反応のグリシジル基をジオール化した。こうして、タンパク吸着材料としてのカチオン型のタンパク吸着ビーズを得た。
得られたタンパク吸着ビーズに対し、実施例１と同様にして吸着性能試験を行ったところ、動的吸着容量が３８ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量が５５ｍｇ／ｍＬであった。また、溶出率は９８％であり、ほぼ完全にタンパクを回収することができた。

［実施例５］
高分子基材として質量を測定した平均粒子径３５μｍの超高分子量ポリエチレン粒子（Ｔｉｃｏｎａ社製；ＧＵＲ−２１２６、比表面積：０．１８ｍ^２／ｇ）を準備した。このポリエチレン粒子に、１０ｋＧｙのγ線を照射しラジカルを発生させた。

ラジカルを発生させた後のポリエチレン粒子を４体積％のグリシジルメタクリレート／１−ブタノール溶液に浸漬し、５℃で１００時間振とうすることにより、グラフト重合反応を行った。得られた粒子をアルコール洗浄後に乾燥して質量を測定し、そこからグラフト率を算出したところ、１０％であり、高分子側鎖の密度は０．５ｇ／ｍ^２であった。

得られた粒子を亜硫酸ナトリウム：イソプロパノール：純水＝１０：１５：７５（質量％）の溶液に浸漬し、８０℃で１２時間振とうしてグリシジル基にタンパク質吸着能を有する官能基としてスルホン酸基を導入した。スルホン酸基を導入した粒子を乾燥して質量を測定し、増加した質量から固定したスルホン酸基量を求めた。固定したスルホン酸基量は、０．２ｍｍｏｌ／ｇであった。更に、スルホン酸基を導入した粒子を０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液に浸漬し、８０℃で２時間振とうして未反応のグリシジル基をジオール化した。こうして、タンパク吸着材料としてのカチオン型のタンパク吸着ビーズを得た。

得られたタンパク吸着ビーズに対し、実施例１と同様にして吸着性能試験を行ったところ、動的吸着容量が２８ｍｇ／ｍＬ、平衡吸着容量が４１ｍｇ／ｍＬ、溶出率が１００％であった。

本出願は、２００７年１１月２６日出願の日本特許出願（特願２００７−３０４８２６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明によると、医薬品製造工程等のバイオプロセスにおいて、タンパク質等の有価物の吸着回収又は不純物の吸着除去等の吸着精製操作に好適な、高速かつ高容量で吸着精製できるタンパク吸着材料を提供することができる。より詳細には、本発明のタンパク吸着材料は、吸着材料内部での物質移動、細孔内への拡散抵抗による制限を低減し、タンパク質のような大きな分子を吸着精製することができる。したがって、工業生産用又は分析用として適用可能な吸着容量（ここでの吸着容量とは、平衡吸着容量ではなく、吸着処理時に吸着漏れが無視できなくなるまでに吸着できた容量、すなわち動的吸着容量）と高速処理性とを両立できるタンパク吸着材料及びその製造方法を提供することができる。

Claims (6)

1. 高分子基材と、その高分子基材を構成する高分子と結合することにより前記高分子基材の表面に固定された高分子側鎖であってビニルモノマーの重合により得られた前記高分子側鎖と、その高分子側鎖に固定されたタンパク質吸着能を有する官能基と、を含有し、前記高分子基材に固定された前記高分子側鎖のグラフト率が５〜３０％であるタンパク吸着材料。
2. 前記高分子基材に固定された高分子側鎖の密度が０．１ｇ／ｍ ² 以上３ｇ／ｍ ² 未満である、請求項１に記載のタンパク吸着材料。
3. 高分子基材に放射線を１〜２０ｋＧｙの照射線量で照射して前記高分子基材を活性化する第１の工程と、
   前記活性化した後の前記高分子基材に、タンパク質吸着能を有する官能基を有するビニルモノマー又はタンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基を有するビニルモノマーを３０℃以下の前記ビニルモノマーの溶液中で接触させ、前記ビニルモノマーが重合した高分子側鎖を前記高分子基材の表面に固定させる第２の工程と、
   前記ビニルモノマーが前記タンパク質吸着能を有する官能基を有しない場合に、前記ビニルモノマーが有する前記タンパク質吸着能を有する官能基を導入可能な官能基にタンパク質吸着能を有する官能基を導入する第３の工程と、を含有し、
   前記高分子側鎖の質量が、前記高分子基材の質量に対して５〜３０％である、タンパク吸着材料の製造方法。
4. 前記第２の工程において、前記ビニルモノマーの濃度を１０体積％以下に調製した溶液中で、前記活性化した後の前記高分子基材に前記ビニルモノマーを接触させる、請求項３に記載のタンパク吸着材料の製造方法。
5. 前記第２の工程において、３０℃以下の前記ビニルモノマーの溶液中で前記高分子側鎖を固定させる、請求項３又は４に記載のタンパク吸着材料の製造方法。
6. 前記高分子基材を構成する高分子化合物がポリエチレンを含有する、請求項３〜５のいずれか一項に記載のタンパク吸着材料の製造方法。