JP7265586B2 - 電界紡糸ナノファイバーのハイブリッドフェルト - Google Patents
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Description
以下の説明において、いくつかの用語が包括的に利用される。以下の非限定的な定義により、そのような用語が付与される例示的な範囲を含めて本明細書及び特許請求の範囲が明瞭にかつ矛盾なく理解される。
セルロースは植物及び藻類の細胞壁に見られる構造成分である。また、いくつかの細菌によって分泌されるものでもある。したがって、セルロースは地球上で最も豊富な有機化合物である。セルロースは、β(1-4)グリコシド結合を介して直鎖ポリマーに結合しているD-グルコース単位に由来する。生物学的用途及び工業用途では、セルロースは植物、木材パルプ又は綿から精製され、紙、セロファン、レーヨン、バイオ燃料等多くの有用な物質に変換される。セルロースの有用性はその物理的性質に大いに起因し得る。セルロースは無臭、親水性、比較的不溶性であり、非特異的結合性が非常に低く、生分解性である。
ハイブリッドナノファイバーフェルト中の質量で過半数が誘導体化セルロースであるが、追加の型のファイバーをフェルト内に組み込むと、フェルトの用途に必要とされる官能性(functionality)が付与される。したがって、フェルト内に追加のファイバーを有することは、機械的強度の増加をフェルトに付与し、複数の官能性をフェルトに組み込むことが可能になり、安定性及び本明細書の他の箇所で説明する他の態様を製造方法に提供することができるので望ましい。実際に、予想外なことに、ハイブリッドナノファイバーフェルト中に非セルロース系ポリマーがごく一部でさえ含まれていると、電界紡糸プロセスが改善され、また特にハイブリッドナノファイバーフェルトが複合ナノファイバーと単一成分ナノファイバーの両方からなる場合には、仕上げ製品を種々の生物学的用途及び工業用途に適合させることが可能になることも本発明者らによって発見された。
本発明の一実施形態において、ハイブリッドナノファイバーフェルトは複合ナノファイバーを含む。これは、ナノファイバーを単一成分の誘導体化セルロース溶液から作製するために使用される電界紡糸プロセスが不安定であり、低収率、低効率(長時間及び多くの中断)になり、ただ1つの化学官能性しかもたない低品質ナノファイバー(広いサイズ分布、脆弱等)を生じる可能性があることにも一部起因する。したがって、複数の官能性を有する大量の高品質ナノファイバーフェルトを効率的に作製するためには、セルロース誘導体と電界紡糸プロセスを安定化する非セルロース系ポリマーを組み合わせる必要もあり得る。
電界紡糸は、電気力(electric force)だけを利用して、紡糸プロセスを推進し、ポリマーファイバーを溶液又は溶融物から生成する技法である。直径がマイクロメートルの範囲(約5~25μm)のファイバーを生成することができる従来の紡糸技法(例えば、溶液紡糸及び溶融紡糸)とは異なり、電界紡糸は直径がナノメートルの範囲のファイバーを生成することができる。電界紡糸ポリマーナノファイバーは、小さいファイバー径及び付随する大きい比表面積、高い高分子配向度及び得られる優れた機械的性質を含めて多くの驚くべき性質を有する。さらに、電界紡糸ポリマーナノファイバーで作製されたフェルトは、他の製作技法を使用して作製されたナノファイバーと比較すると制御された孔径を示す。合成方法で大部分が生成されたナノロッド、ナノチューブ及びナノワイヤとは異なり、電界紡糸ナノファイバーは「ナノ製造方法」によって生成され、それによって、応用品へ組み立てる及び処理するのが比較的容易な低コストナノファイバーになる。
収集されたナノファイバーを固化した後、ナノファイバーを特定の使用向けに「カスタマイズ」するために行うことができるいくつかのステップがある。例示的な追加のステップを以下に述べる。
場合によっては、複合ナノファイバー中に存在しているポリマーの1つ以上、特に非セルロース系ポリマーを、高熱及び/又は溶媒(複数可)を使用して除去することができる。第1の非セルロース系ポリマーを除去すると、表面積が追加され、残存しているセルロース系ポリマーの多孔性が改善される。これは、非セルロース系ポリマーを除去した後、セルロース系ポリマーには、以前は非セルロース系ポリマーが空間を占拠していた場所にサイズが制御された「細孔」が残されているからである。この追加の「空隙空間」はより大きな表面積を得られたナノファイバーフェルトに提供し、例えば分離のために吸着性結合能を高め、サイズに基づいた分離の選択性を改善し、追加の多孔性から処理量を改善することができる。非セルロース系ポリマーを除去すると、残存しているセルロース系ポリマーナノファイバー上に(複合ナノファイバー内に存在していた)複数の官能性が直接存在する機会が無くなる。
「電界紡糸したままの(as electrospun)」ナノファイバーを調製した後、誘導体化セルロースを再生プロセスによってセルロースに変換することができる。再生セルロースは、以前に記載された純粋な天然のセルロースと同じ性質を有する。再生プロセスは、誘導体化セルロースを含有するナノファイバーを例えば強塩基(例えば、水酸化ナトリウム)又は他の溶媒に接触させることによって完了する。セルロースに変換するための再生反応後に、ナノファイバーを洗浄して、プロセス中に使用された過剰の溶媒を除去することができる。
ハイブリッドナノファイバーフェルトを調製した後、ファイバー表面を官能基化することができる。官能基化の非限定的な例としては、弱酸又は強酸、及び塩基(例えば、カルボン酸及びアミン)等のイオン交換基、フェノール化合物等の疎水基、並びに抗体又は酵素基質等の親和性リガンドの添加が挙げられる。
本発明の一実施形態において、非セルロース系ポリマーはポリアクリロニトリル(PAN)である。PANの繊維膜は熱安定性、高い機械的性質、及び化学抵抗性のため濾過において広く採用された。電界紡糸PANナノファイバーフェルトは小さいファイバー径及び付随する大きい比表面積、並びにナノファイバー間で孔径を制御し、抗菌剤をナノスケールで組み込む容量等の性質のため特に重要であった。抗菌性の官能性を有するナノファイバーからなるフェルトは、精製水及び/又は濾過空気の品質並びに処理コストに対する関心のためますます注意を引いた。水及びエアフィルター(特に、暗く湿気のある状態で操作するもの)は環境微生物からの攻撃を常に受けやすい。フィルターで容易に捕捉することができる微生物(細菌等)は急速に増殖して、バイオフィルムが形成する。微生物がフィルター表面で増強すると、精製水及び/又は濾過空気の品質が損なわれる。さらに、それらの増強は水及び/又は空気の流れにも好ましくない影響を及ぼす。
充填層クロマトグラフィー及び他の分離技術に代わる有望な選択肢は、本発明のハイブリッドナノファイバーフェルトの選択的吸着膜としての使用である。このスタイルの吸着は、選択的吸着プロセスにおいて使用されるリガンドの支持体としてナノファイバーフェルトを利用する。
吸着に対する直交精製機構として、サイズに基づいた分離も下流バイオプロセシングで日常的に使用される。深層濾過及び精密濾過は発酵ブロスの清澄化に使用される一般的な操作であり、細胞(約1~20μm)及び細胞残屑(0.1~1μm)がバイオリアクタースラリーから除去される。膜を用いたナノ濾過はウイルス排除及び/又は20~200nmのウイルス粒子の精製に利用され、限外濾過が通常タンパク質の濃縮及び精製に利用される。どの場合でも、分離媒体のいくつかの特性が望ましい。第1に、明確に定義されたサイズカットオフは綿密に制御された分離を得るのに望ましい。第2に、操作時間及び/又は膜面積要件を最小限に抑えるために過剰の圧力要件なしで高処理プロセシングを行うには、高多孔性材料が必要である。また第3に、中等度の圧力下における苛酷な清浄条件及び操作には化学的及び物理的堅牢性が望ましい。ナノファイバーフェルトは、機械的及び化学的に強靱なファイバーから大量に安価で生成することができ、ファイバーのうち(又は中空糸として)十分に制御された孔径を有するので、進行したサイズに基づいた分離媒体として驚くほど優れた機会を提示する。ポリマーナノファイバーは一般に最少量の非特異的結合を示すが、化学的堅牢性が炭素及びセラミックファイバーより低いことに悩まされることがある。セラミックファイバーは脆いことに悩まされ、付随する汚損と共にバイオマス/生体粒子の大量の非特異的吸着の可能性があるが、苛酷な再生条件を耐えることができる。
直径がサブミクロンからナノメートルの範囲のファイバー(1~1000nm、「ナノファイバー」フェルトと呼ばれる)を利用することによって、潜在的な結合のための所与のベッドボリューム内の利用可能な表面積が2桁ほど大いに増加するであろう。ナノファイバーフェルトの孔径を制御することによって、圧力損失及び流体力学的流動特性も制御し、マイクロファイバーフェルトと同様に効率的にさせることができる。
・ フェルト中のナノファイバーはすべて、主鎖ポリマー及び第1の非セルロース系ポリマーの同時押出混合物から作製された単一種の複合ナノファイバーからなる、複合ナノファイバーフェルト。
・ 異なる少なくとも2つの単一成分ナノファイバーからなるナノファイバーフェルト。・ 少なくとも1つの単一成分ナノファイバー及び少なくとも1つの複合ナノファイバーからなるナノファイバーフェルト。
[実施例1]
先行技術酢酸セルロース単一成分ナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース単一成分ナノファイバーフェルトをHandbook of Membrane Research, Chapter 3, Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations, Todd J. Menkhaus, et al, Nova Science Publishers, Inc., edited by Stephan V. Gorleyに記載されるように作製した。酢酸セルロース(平均分子量約30,000g/mol)、NaOH、NaCl、アセトン、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)及びN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)をSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。純度98%の2-(ジエチルアミノ)エチルクロリド塩酸塩(DAECH)をAlfa Aesar Co. (Ward Hill, MA)から購入した。
CA/PEO複合ナノファイバー及びPAN単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、クロロホルム(CHCl3)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
CA/PVP複合ナノファイバー及びPAN単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、クロロホルム(CHCl3)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
CA/PEO複合ナノファイバー及びナイロン6単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリエチレンオキシド(PEO)、クロロホルム(CHCl3)、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)、ナイロン6、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
CA/PVP複合ナノファイバー及びナイロン6単一成分ナノファイバーのハイブリッドナノファイバーフェルトの調製
酢酸セルロース(CA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、クロロホルム(CHCl3)、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)、ナイロン6、及びジエチルアミノエチルクロリドをSigma-Aldrich Co. (Milwaukee, WI)から購入した。
単一成分及びハイブリッドナノファイバーフェルトの性能評価
バッチ吸着、動的吸着、フロー分散及び透過性について、単一成分ナノファイバーマット(実施例1)及びハイブリッドナノファイバーマット(実施例2~6)を用いた研究を市販の再生セルロース吸着膜及び綿ボールと比較した。市販のセルロース膜及び綿ボールは、単一成分ナノファイバーフェルト及びハイブリッドナノファイバーフェルトと同じ電界紡糸後処理を、試験する前に受けた。
[実施形態1]
複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーを含む電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトであって、複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第1の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第2の非セルロース系ポリマーを含み、第1及び第2の非セルロース系ポリマーはナノファイバーフェルトから差次的に除去可能であるナノファイバーフェルト。
[実施形態2]
誘導体化セルロースが、セルロースの有機エステル、セルロースの無機エステル及びアルキルセルロースからなる群から選択される、実施形態1に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態3]
誘導体化セルロースが、酢酸セルロース、三酢酸セルロース及びプロピオン酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの有機エステルを含む、実施形態2に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態4]
誘導体化セルロースが、硝酸セルロース及び硫酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの無機エステルを含む、実施形態2に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態5]
誘導体化セルロースが、ヒドロキシエチルセルロース及びカルボキシメチルセルロースからなる群から選択されるアルキルセルロースを含む、実施形態2に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態6]
第1の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、実施形態1に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態7]
合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリエーテル、アクリルポリマー、ポリエステル、ポリカーボナート及びポリウレタンからなる群から選択される、実施形態6に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態8]
第1の非セルロース系ポリマーが天然ポリマーを含む、実施形態1に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態9]
天然ポリマーが、多糖、ポリアミド及びポリラクチドからなる群から選択される、実施形態8に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態10]
天然ポリマーが、デンプン及びキチンからなる群から選択される多糖である、実施形態9に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態11]
天然ポリマーが、タンパク質及びゼラチンからなる群から選択されるポリアミドである、実施形態9に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態12]
第2の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、実施形態1に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態13]
合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリアミド、ポリイミド及びポリエステルからなる群から選択される、実施形態12に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態14]
第1の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、実施形態6に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態15]
第2の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、実施形態12に記載のナノファイバーフェルト。
[実施形態16]
実施形態1に記載のナノファイバーフェルトを作製する電界紡糸方法であって、
a)複合ポリマースピンドープ及び単一成分ポリマースピンドープを別々に調製するステップと、
b)スピンドープを異なる2つの紡糸口金に入れるステップ、
c)各スピンドープに電極を用いて電圧をかけるステップ、
d)紡糸口金からの複合及び単一成分ナノファイバーを別々に電界紡糸するステップ、及び
e)固化したナノファイバーを、ランダムに重ね合わせた又は部分的に整列させたナノファイバーフェルトとして収集するステップ
を含む方法。
[実施形態17]
誘導体化セルロースをセルロースに変換するステップをさらに含む、実施形態14に記載の方法。
[実施形態18]
ナノファイバーフェルト中の複合ナノファイバーから非セルロース系の第1のポリマーの少なくとも一部分を除去するステップをさらに含む、実施形態14に記載の方法。
[実施形態19]
ナノファイバーフェルト中のナノファイバーの1つ以上を表面官能基化するステップをさらに含む、実施形態14に記載の方法。
[実施形態20]
表面官能基化が親和性リガンドの結合を含む、実施形態17に記載の方法。
[実施形態21]
生体分子を流体から精製する方法であって、
a)実施形態14に記載のナノファイバーフェルトを調製するステップ、
b)流体をナノファイバーフェルトに流すステップ、及び
c)生体分子をナノファイバーフェルトから回収するステップ
を含む方法。
Claims (36)
- 化学的又は生物学的分離に使用するための、複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーを含む電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトであって、複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第1の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第2の非セルロース系ポリマーを含み、第1又は第2の非セルロース系ポリマーの少なくとも一部はナノファイバーフェルトから除去されている、ナノファイバーフェルト。
- 誘導体化セルロースが、セルロースの有機エステル、セルロースの無機エステル及びアルキルセルロースからなる群から選択される、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 誘導体化セルロースが、酢酸セルロース、三酢酸セルロース及びプロピオン酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの有機エステルを含む、請求項2に記載のナノファイバーフェルト。
- 誘導体化セルロースが、硝酸セルロース及び硫酸セルロースからなる群から選択されるセルロースの無機エステルを含む、請求項2に記載のナノファイバーフェルト。
- 誘導体化セルロースが、ヒドロキシエチルセルロース及びカルボキシメチルセルロースからなる群から選択されるアルキルセルロースを含む、請求項2に記載のナノファイバーフェルト。
- 第1の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリエーテル、アクリルポリマー、ポリエステル、ポリカーボナート及びポリウレタンからなる群から選択される、請求項6に記載のナノファイバーフェルト。
- 第1の非セルロース系ポリマーが天然ポリマーを含む、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 天然ポリマーが、多糖、ポリアミド及びポリラクチドからなる群から選択される、請求項8に記載のナノファイバーフェルト。
- 天然ポリマーが、デンプン及びキチンからなる群から選択される多糖である、請求項9に記載のナノファイバーフェルト。
- 天然ポリマーが、タンパク質及びゼラチンからなる群から選択されるポリアミドである、請求項9に記載のナノファイバーフェルト。
- 第2の非セルロース系ポリマーが合成ポリマーを含む、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 合成ポリマーが、ビニルポリマー、ポリアミド、ポリイミド及びポリエステルからなる群から選択される、請求項12に記載のナノファイバーフェルト。
- 第1又は第2の非セルロース系ポリマーがコポリマーである、請求項6に記載のナノファイバーフェルト。
- 複合ナノファイバーの誘導体化セルロースがセルロースに再生されている、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 単一成分ナノファイバーが表面官能基を含む、請求項1に記載のナノファイバーフェルト。
- 表面官能基が親和性リガンドを含む、請求項16に記載のナノファイバーフェルト。
- 親和性リガンドがプロテインA又はプロテインGを含む、請求項17に記載のナノファイバーフェルト。
- 表面官能基がイオン交換基を含む、請求項16に記載のナノファイバーフェルト。
- イオン交換基が強酸、弱酸、又は塩基を含む、請求項19に記載のナノファイバーフェルト。
- イオン交換基がジエチルアミノエチル又はカルボン酸を含む、請求項19に記載のナノファイバーフェルト。
- 表面官能基が疎水基を含む、請求項16に記載のナノファイバーフェルト。
- 疎水基がフェニル基、ブチル基、又はフェニル基とブチル基の両方を含む、請求項22に記載のナノファイバーフェルト。
- 化学的又は生物学的分離に使用するためのナノファイバーフェルトを作製する電界紡糸方法であって、
a)複合ポリマースピンドープ及び単一成分ポリマースピンドープを別々に調製するステップであって、複合ポリマースピンドープは誘導体化セルロース及び第1の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ポリマースピンドープは第2の非セルロース系ポリマーを含む、ステップ、
b)スピンドープを異なる2つの紡糸口金に入れるステップ、
c)各スピンドープに電極を用いて電圧をかけるステップ、
d)紡糸口金からの複合及び単一成分ナノファイバーを別々に電界紡糸するステップ、
e)固化したナノファイバーを、ランダムに重ね合わせた又は部分的に整列させたナノファイバーフェルトとして収集するステップ、及び
f)第1又は第2の非セルロース系ポリマーの少なくとも1つの少なくとも一部を、ナノファイバーフェルトから差次的に除去するステップ、
を含む方法。 - 誘導体化セルロースをセルロースに変換するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。
- ナノファイバーフェルト中のナノファイバーの1つ以上を表面官能基化するステップをさらに含む、請求項24に記載の方法。
- 表面官能基化が親和性リガンドの結合を含む、請求項26に記載の方法。
- 親和性リガンドがプロテインA又はプロテインGを含む、請求項27に記載の方法。
- 表面官能基化がイオン交換基の結合を含む、請求項26に記載の方法。
- イオン交換基が強酸、弱酸、又は塩基を含む、請求項29に記載の方法。
- イオン交換基がジエチルアミノエチル又はカルボン酸を含む、請求項29に記載の方法。
- 表面官能基化が疎水基の結合を含む、請求項26に記載の方法。
- 疎水基がフェニル基、ブチル基、又はフェニル基とブチル基の両方を含む、請求項32に記載の方法。
- 生体分子を流体から精製する方法であって、
a)複合ナノファイバー及び単一成分ナノファイバーを含む電界紡糸ハイブリッドナノファイバーフェルトを提供するステップであって、複合ナノファイバーは誘導体化セルロース及び第1の非セルロース系ポリマーの混合物を含み、単一成分ナノファイバーは第2の非セルロース系ポリマーを含み、第1又は第2の非セルロース系ポリマーの少なくとも1つはナノファイバーフェルトから差次的に除去される、ステップ、
b)流体をナノファイバーフェルトに流すステップ、及び
c)生体分子をナノファイバーフェルトから回収するステップ
を含む方法。 - 生体分子が、タンパク質、核酸又はウイルスの1つ以上を含む、請求項34に記載の方法。
- ナノファイバーの1つ以上が親和性リガンド、イオン交換基、又は疎水基によって表面が官能化されている、請求項34に記載の方法。
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