KR101621119B1 - 기능화된 부직 용품 - Google Patents

Abstract

0.7 미크론 내지 15 미크론의 평균 섬유 크기, 50% 내지 95%의 공극 체적, 및 부직 기판의 표면에 그래프팅된 양이온성 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체 단위를 포함한 중합체를 갖는, 그래프팅된 부직 기판이 공개된다. 용품은 유체 혼합물로부터 올리고뉴클레오티드 또는 단클론 항체(mAb)와 같은 목표 물질을 정화시키거나 또는 분리시키기 위한 필터 요소로서 사용될 수 있다.

Description

기능화된 부직 용품{FUNCTIONALIZED NONWOVEN ARTICLE}

본 발명의 개시내용은 기능화된 부직 기판, 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 개시내용은 게다가 기능화된 부직 기판을 사용하는 필터 및 유체를 여과하는 방법에 관한 것이다. 기능화된 기판은 생물학적 샘플로부터의 생체오염물과 같이 생물학적 물질을 선택적으로 여과하고 제거하는데 유용하다.

바이러스 및 생체 거대 분자(예를 들어, 단백질, 탄수화물, 지질 및 핵산과 같은 살아있는 세포의 구성 요소 또는 산물을 포함)와 같은 목표 생체 물질의 검출, 정량화, 단리 및 정제는 오랫동안 연구자(investigator)들의 목적이 되어 왔다. 검출 및 정량화는, 예를 들어, 질환과 같은 다양한 생리학적 상태의 척도로서, 진단적으로 중요하다. 세포 배양 또는 발효 공정으로부터 만들어진 단클론 항체와 같은 생체 거대 분자의 단리와 정제는 치료의 목적 및 생명의학 연구에 있어서 중요하다. 효소와 같은 생체 거대 분자가 단리, 정제된 후 감미료, 항생제, 및 다양한 유기 화합물, 예를 들어, 에탄올, 아세트산, 라이신, 아스파르트산, 및 생물학적으로 유용한 산물, 예를 들어, 항체 및 스테로이드의 제조에 이용되어 왔다.

크로마토그래피 분리 및 정제 공정은 기체 또는 액체일 수 있는 이동상과 고정상 사이에서 용질의 상호교환에 기초로 생물학적 산물 혼합물에 대해 수행될 수 있다. 용액 혼합물의 다양한 용질의 분리는 고정상과의 각각의 용질의 다양한 결합 상호작용 때문에 이루어지며, 더 강한 결합 상호작용은, 덜 강하게 상호 작용하는 용질과 비교하여 이동상의 해리(dissociation) 또는 전치(displacement) 영향을 받을 때 일반적으로 더 긴 체류 시간으로 이어지며, 이러한 방식으로, 분리 및 정제가 행해질 수 있다.

대부분의 현재 포획 또는 정제 크로마토그래피는 종래의 컬럼 기술에 의해 행해진다. 이들 기술은, 이 크로마토그래피를 사용한 처리량이 적기 때문에, 다운스트림의 정제에서 심각한 병목 문제를 갖는다. 이들 문제를 완화시키기 위한 시도는 크로마토그래피 컬럼의 직경을 증가시키는 것을 포함하지만, 이는 컬럼을 효과적으로 그리고 재현가능하게 패킹하는 것의 어려움으로 인하여 다시 문제를 일으킨다. 더 큰 컬럼 직경은 또한 문제가 있는 채널링(channeling)의 발생을 증가시킨다. 또한, 종래의 크로마토그래피 컬럼에서는, 특정 수준 초과의 원하는 생성물의 돌파(breakthrough)가 탐지될 때 흡수 작업이 중지된다. 이는 흡착 매체의 동적 또는 효과적 용량이 전체 또는 정적 용량보다 유의하게 더 작아지게 한다. 게다가, 선택적 단백질 A 칼럼은, 재사용을 위해 세척을 어렵게 만들거나 또는 칼럼을 파괴시킬 수 있도록, 칼럼을 막을 수 있는 바람직하지 못한 오염으로부터 보호되어야 한다. 몇몇 크로마토그래피 수지의 가격이 높다면, 이러한 유효성 감소는 심각한 경제적 결과를 초래한다.

중합체성 수지는 다양한 목표 화합물의 분리 및 정제를 위해 광범위하게 사용된다. 예를 들어, 중합체성 수지는 이온기의 존재에 기초하여, 목표 화합물의 크기에 기초하여, 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)에 기초하여, 친화성 상호작용(affinity interaction)에 기초하여, 또는 공유결합의 형성에 기초하여 목표 화합물을 정제하거나 분리하는 데 사용될 수 있다. 높은 처리량과 더 낮은 압력 강하로 작동될 수 있으며, 분산 및 결합 시의 제한을 극복하는 기능화된 막은 당업계에서 필요하다. 단클론 항체의 제조 시 생물학적 공급-스트림으로부터의 숙주 세포 단백질, 세포 부스러기, DNA 조각, 바이러스 및 세포 부스러기와 같은 생체 오염물의 선택적 제거를 위한 향상된 친화성을 갖는 중합체성 기판이 당업계에서 필요하다.

본 발명의 개시내용은 0.7 미크론 내지 15 미크론의 평균 섬유 크기와 50% 내지 95%의 공극 체적을 가지며, 부직 기판의 표면에 그래프팅된 양이온성 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체 단위를 포함한 중합체를 갖는 부직 기판을 포함하는 용품을 제공한다. 용품은 통상적 세포 산물 채취 기술에 의해 제조된 유체들과 같이 유체 혼합물로부터의 숙주 세포 단백질, DNA 파편, 바이러스 및 세포 부스러기와 같은 목표 물질, 올리고뉴클레오티드 또는 단클론 항체(MAb)와 같은 치료 단백질을 정화하거나 또는 분리하기 위한 필터 요소로서 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 개시내용의 용품의 하나 이상의 층은 심층-유형의 여과 응용예에서 사용될 수 있으며, 이 층들 각각은 동일하거나 상이한 평균 섬유 크기, 공극 체적, 중합체 그래프팅 정도, 그래프팅된 중합체의 단량체 조성, 다공성, 로프트, 인장 강도 및 표면적을 가질 수 있다. 기능화된 기판은 다공성 또는 마이크로다공성 막과 같이 종래의 여과 요소와 함께 추가로 사용될 수 있다.

이 개시내용은 부직 기판을 제공하는 단계와, 불활성 분위기에서 부직 기판을 이온화 방사선에 노출시키는 단계와, 그 뒤 그래프팅 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체를 포함한 용액으로 노출된 기판을 침윤시켜 부직 기판의 표면에 대해 단량체를 그래프트 중합하는 단계를 포함하는 용품을 제조하는 방법을 추가로 제공한다.

도 1은 실시예 1과 비교 실시예 1의 용품들의 여과 성능의 도표.
도 2는 실시예 4의 여과 성능의 도표.
도 3은 비교 실시예 6의 여과 성능의 도표.
도 4는 실시예 9의 여과 성능의 도표.
도 5는 실시예 11a 내지 11d의 여과 성능의 도표.
도 6은 다수의 주름 내에 형성된 본 발명의 개시내용에 따르는 필터 매체의 예시적 실시 형태의 사시도.
도 7은 본 발명의 개시내용에 따르는 필터 매체를 포함하고, 렌즈형 형태로 제공된 예시적 필터 장치의 단면도.
도 8은 본 발명의 개시내용에 따르는 필터 매체를 포함하고, 캡슐화된 형태로 제공된 예시적 필터 장치의 사시 및 부분적인 단면도.
도 9는 본 발명의 개시내용에 따르는 제 1 주름진 매체 실린더와 제 2 주름진 매체 실린더를 포함하고, 캡슐화된 형태로 제공된 예시적 필터 장치의 도 8의 9-9를 절단한 단면도.
도 10은 본 발명의 개시내용에 따르는 필터 매체가 코어 주위에 나선형으로 권취되고, 코어를 포함하며 캡슐화된 형태로 제공된 예시적 필터 장치의 도 8의 9-9를 절단한 단면도.

본 발명의 개시내용은 0.7 미크론 내지 15 미크론의 평균 섬유 크기와 50% 내지 95%의 공극 체적을 가지며, 부직 기판의 표면에 그래프팅된 양이온성 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체 단위를 포함한 중합체를 갖는 부직 기판을 포함하는 용품을 제공한다. 중합체 기능화된 용품은 이온화 방사선 그리고 수성 또는 수성/유기 용매 용액 내에서 단량체의 후속 그래프트-중합에 의해 부직 기판상에 형성된 자유 라디칼로부터 개시되는, 불연속적이고 비가교결합된 하이드로겔 중합체로서 기재될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "하이드로겔"은 물-함유 겔; 친수성인 중합체이며, 물을 흡수할 것이지만 수중에서 불용성이다. 용어 하이드로겔은 수화 상태에 관계없이 사용된다.

부직 기판은 부직 웨브를 제조하기 위한 임의의 통상적으로 공지된 공정에 의해 제작된 부직 웨브를 포함할 수 있는 부직 웨브이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "부직 웨브"는 매트-유사 방식으로 랜덤하게 및/또는 단방향으로 인터레이드된(interlaid) 개개의 섬유 또는 필라멘트의 구조를 갖는 천(fabric)을 지칭한다.

예를 들어, 섬유상 부직 웨브는 카디드, 에어 레이드, 웨트 레이드, 스펀레이스드, 스펀본딩, 일렉트로스피닝 또는 멜트-스펀 또는 멜트 블로운과 같은 멜트-블로잉 기술 또는 이들의 조합에 의해 제조될 수 있다. 스펀본디드 섬유는 방사구(spinneret)의 복수의 미세한, 통상 원형인 모세관으로부터 용융 열가소성 중합체를 필라멘트로서 압출시켜 형성되는 전형적으로 작은 직경의 섬유 - 압출된 섬유의 직경은 급속히 감소됨 - 이다. 멜트블로운 섬유는 전형적으로 용융 열가소성 물질을 복수의 미세한, 통상 원형인 다이 모세관을 통해, 용융 열가소성 물질의 필라멘트를 가늘게 하여 필라멘트의 직경을 감소시키는 고속의 통상 가열된 가스(예를 들어, 공기) 흐름 내로, 용융 실 또는 필라멘트로서 압출시켜 형성된다. 따라서, 멜트블로운 섬유는 고속 가스 흐름에 의해 운반되고 수집 표면 위에 집적되어 랜덤하게 분배된 멜트블로운 섬유의 웨브를 형성하게 된다. 임의의 부직 웨브가 단일 유형의 섬유 또는 열가소성 중합체의 유형 및/또는 두께가 다른 2종 이상의 섬유로부터 제조될 수 있다.

스테이플 섬유가 또한 웨브에 존재할 수 있다. 스테이플 섬유의 존재는 통상적으로 멜트 블로운 마이크로섬유 만으로 된 웨브보다 더 로프티하고 덜 치밀한 웨브를 제공한다. 바람직하게는, 약 20 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 약 10 중량% 이하의 스테이플 섬유가 존재한다. 스테이플 섬유를 함유하는 이러한 웨브는 미국 특허 제4,118,531호(하우저(Hauser))에 개시되어 있다.

부직 용품은 하나 이상의 스크림 층을 선택적으로 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 또는 양자의 주 면은 스크림 층을 각각 선택적으로 추가로 포함할 수 있다. 전형적으로 섬유로부터 제조된 직조되거나 부직된 보강부인 스크림은 강도를 부직 용품에 제공하기 위해 포함된다. 적합한 스크림 물질은 나일론, 폴리에스테르, 파이버글라스, 및 이와 유사한 것을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 스크림의 평균 두께는 변할 수 있다. 전형적으로, 스크림의 평균 두께는 약 25 내지 약 100 마이크로미터, 바람직하게는 약 25 내지 약 50 마이크로미터의 범위이다. 스크림 층은 선택적으로 부직 용품에 결합될 수 있다. 다양한 접착 물질들이 스크림을 중합체성 물질에 결합하기 위해 사용될 수 있다. 대안으로, 스크림은 부직포에 열-결합될 수 있다.

부직 기판의 마이크로섬유는 전형적으로 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles," Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 기초한 방법에 따라 측정 시 약 0.5 내지 15 마이크로미터, 바람직하게는 약 1 내지 6 마이크로미터의 유효 섬유 직경을 갖는다. 부직 기판은 바람직하게는 약 10 내지 400 g/m², 더욱 바람직하게는 약 10 내지 100 g/m²의 범위의 평량(basis weight)을 갖는다. 부직 기판의 평균 두께는 비-기능화된, 비-캘린더링된 기판의 경우 바람직하게는 약 0.1 내지 10 mm, 더욱 바람직하게는 약 0.25 내지 5 mm이다. 부직 웨브의 최소 인장 강도는 약 4.0 뉴턴이다. 통상적으로, 부직포의 인장 강도는 횡단-웨브 방향으로의 보다 우수한 섬유 결합 및 얽힘으로 인해 횡단-웨브 방향보다 기계 방향으로 더 낮은 것으로 인식된다.

부직 웨브 로프트는 고형도, 웨브 체적 내의 고체 분율을 정의하는 파라미터에 의해 측정된다. 낮은 고형도 값은 큰 웨브 로프트를 나타낸다. 유용한 부직 기판은 20% 미만, 바람직하게는 15% 미만의 고형도를 갖는다. 고형도는 전형적으로 α로 표시되는 단위 없는 분율이다:

α = m_f ÷ ρ_f × L_부직포

여기서, m_f는 샘플 표면적 당 섬유 질량이고, ρ_f는 섬유 밀도이고; L_부직포는 부직포 두께이다. 고형도는 본 명세서에서 기능화된 부직포에 대한 것이 아니라 부직 기판 자체에 대해 언급되는 것으로 사용된다. 부직 기판이 2 종류 이상의 섬유의 혼합물을 함유하는 경우, 개개의 고형도는 동일한 L_부직포를 사용하여 각 종류의 섬유에 대해 측정되며, 이러한 개개의 고형도는 웨브의 고형도(α)를 얻기 위해서 함께 가산된다.

예로서, 캘린더링(calendering) 또는 그래프팅(grafting) 이전에 부직 기판은 바람직하게는 0.34 mm의 두께, 4.2 um의 유효 섬유 직경 및 13%의 고형도로부터 계산된 14 ㎛의 평균 기공 크기를 갖는다. 캘린더링 이후 부직 웨브는 8 ㎛의 평균 기공 크기와 18%의 고형도 및 0.24 mm의 두께를 가질 것이다. 용어 "평균 기공 크기(또한 평균 기공 직경으로서도 공지됨)"은 산술 중앙의 섬유 직경 및 웨브 고형도에 관한 것이며 하기 식에 의해서 측정될 수 있다: 상기식에서, D는 평균 기공 크기이고, d_f는 산술 중앙의 섬유직경이고, α는 웨브 고형도이다.

부직 기판은 바람직하게는 1 내지 40 미크론, 바람직하게는 2 내지 20 미크론의 평균 기공 크기를 갖는다. 평균 기공 크기는 시험 유체로서 Freon TF™을 사용하여 ASTM F 316-03(Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test Method B)에 따라 측정될 수 있다.

부직 기판은 임의의 적합한 열가소성 중합체성 물질로부터 형성될 수 있다. 적합한 중합체성 물질은 폴리올레핀, 폴리(아이소프렌), 폴리(부타디엔), 불소화 중합체, 염소화 중합체, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에테르, 폴리(에테르 설폰), 폴리(설폰), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(에틸렌) -코-폴리(비닐 알코올)과 같은 비닐 아세테이트의 공중합체, 폴리(포스파젠), 폴리(비닐 에스테르), 폴리(비닐 에테르), 폴리(비닐 알코올), 및 폴리(카르보네이트)를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

적합한 폴리올레핀에는 폴리(에틸렌), 폴리(프로필렌), 폴리(1-부텐), 에틸렌과 프로필렌의 공중합체, 알파 올레핀 공중합체(예컨대 에틸렌 또는 프로필렌과 1-부텐, 1-헥센, 1-옥텐, 및 1-데센의 공중합체), 폴리(에틸렌-코-1-부텐) 및 폴리(에틸렌-코-1-부텐-코-1-헥센)이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.

적합한 불소화 중합체는 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체 (예를 들어, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)), 및 클로로트라이플루오로에틸렌의 공중합체 (예를 들어, 폴리(에틸렌-코-클로로트라이플루오로에틸렌))를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

적합한 폴리아미드에는 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,12 폴리(이미노아디포일이미노헥사메틸렌), 폴리(이미노아디포일이미노데카메틸렌), 및 폴리카프로락탐이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 적합한 폴리이미드는 폴리(파이로멜리트이미드)를 포함한다.

적합한 폴리(에테르 설폰)은 폴리(다이페닐에테르 설폰) 및 폴리(다이페닐설폰-코-다이페닐렌 옥사이드 설폰)을 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

적합한 비닐 아세테이트의 공중합체는 폴리(에틸렌-코-비닐 아세테이트), 및 아세테이트기의 적어도 일부가 가수분해되어 폴리(에틸렌-코-비닐 알코올)을 포함하는 다양한 폴리(비닐 알코올)을 제공하는 그러한 공중합체를 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

선호되는 중합체들은 본질적으로 친수성이며, 전자 빔(e-beam) 또는 감마 방사선에 대한 노출과 같은 이온화 방사선에 의해 쉽사리 그래프팅된다. 선호되는 중합체들은 폴리이미드 및 에틸렌 비닐 알코올 중합체 및 공중합체를 포함한다. 1 미크론 이하의 유효 섬유 직경을 갖는 나일론 부직 기판은 제U.S. 7,170,739호(아로라(Arora) 등), 제7,112,389호(아로라(Arora) 등), 제US 7,235,122호(브라이너(Bryner) 등), 및 제U.S. 20040116026호(=WO 04/02714)에 기재된 것들로부터 선택될 수 있다. 1 미크론 이하의 유효 섬유 직경을 갖는 유용한 나일론 부직 기판은 또한 듀폰(델라웨어, 윌밍톤 소재)으로부터 HMT™ 16434 및 HMT™ 16435 하이브리드 멤브레인 테크놀로지 멤브레인(hybrid membrane technology membrane)으로서 상용으로 입수가능하다.

본 발명의 부직 웨브의 제조 방법에 대한 상세 사항은 문헌[Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. Eng. CHEM. 1342(1956)], 또는 문헌[Wente et al., Manufacture Of Superfine Organic Fibers, (Naval Research Laboratories Report No. 4364, 1954)]에서 찾을 수 있다. 부직 기판을 제조하는 유용한 방법은 제U.S. RE39,399호(알렌(Allen)), 제U.S. 3,849,241호(부틴(Butin) 등), 제U.S. 7,374,416호(쿡(Cook) 등), 제U.S. 4,936,934호(베닝(Buehning)), 및 제U.S. 6,230,776호(초이(Choi))에 기재된다.

일부 실시 형태에서, 부직 기판은 또 다른 평활한 롤(smooth roll)에 대해 니핑된(nipped) 평활한 롤을 사용하여 캘린더링된다. 캘린더링되거나 또는 압축된 부직 웨브는 미반응 단량체(unreacted monomer)를 제거하기 위한 추후의 세척 단계에서 더욱 균일한 기판 및 치수 안정성을 위해 제공된다. 따라서, 선호되는 실시 형태에서, 본 발명에 따르는 부직 기판은 전술된 패턴 엠보싱에 추가하여 고상 보강 롤(solid back-up roll)(예를 들어, 금속, 고무, 또는 면직물이 덮인 금속)과 평활한 롤로 열적으로 캘린더링된다. 캘린더링 동안, 평활한 롤들의 압력과 온도를 근접하게 제어하는 것이 중요하다. 통상적으로, 섬유들은 이의 면에 필름 또는 스킨이 형성되는 것과 같이 부직 기판에 바람직하지 못한 특성들을 부여하지 않고 접촉 지점에서 최소한으로 열적 융합된다. 예를 들어, 나일론 부직 기판을 사용할 때, 평활한 롤의 온도를 약 40℃ 내지 100℃, 더욱 바람직하게는 약 50℃ 내지 75℃로 유지시키는 것이 선호된다. 추가로, 평활한 롤은 약 98 N/cm (10 킬로그램-force/cm) 내지 약 490 N/cm (50 킬로그램-force/cm), 더욱 바람직하게는 약 147 N/cm (15 킬로그램-force/cm) 내지 약 294 N/cm (30 킬로그램-force/cm)의 압력으로 섬유질 웨브를 접촉시켜야 한다. 캘린더링된 부직 기판의 평균 두께는 바람직하게는 개시 부직포의 두께의 약 2/3이다.

기능화된 용품은 흡수 용액 내의 단량체의 후속 그래프트-중합 및 이온화 방사선에 의해 부직 기판 상에 형성된 자유 라디칼로부터 개시된, 불연속적이고 비가교결합된 하이드로겔 중합체로서 기재될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 하이드로겔은 물-함유 겔이며; 친수성의 중합체이며, 물을 흡수할 것이지만 수중에서 불용성이다. 용어 하이드로겔은 수화 상태에 관계없이 사용된다.

그래프팅된 중합체는 부직 기판으로부터 개시되고 이에 의해 지지되는 중합체 텐드릴(polymer tendril)을 포함하고, 중합체 쇄(텐드릴)는 부직 기판의 간극 공간 내로 연장된다. 그래프팅된 중합체 쇄는 펜던트 4차 암모늄 기, 및 선택적 펜던트 폴리(알킬렌 옥사이드 기 및 그 외의 다른 작용기를 갖는다. 순수한 물이 존재할 때, 하이드로겔은 최대 수화 및 체적의 상태에 도달된다. 중합체 텐드릴들은 가교되지 않고 독립적으로 자유롭게 이동할 수 있으며, 그래프팅된 부직 용품은 매우 소량의 자극제(stimulus)에 대해 큰 유동 반응을 가질 수 있다.

본 발명의 비가교결합되고 그래프팅된 하이드로겔 중합체와 대조적으로, 종래의 하이드로겔은 다수의 가교결합 지점을 통해 가교결합된 개개의 중합체 스트랜드 또는 텐드릴을 포함한다. 가교결합으로 인해 중합체의 분자량은 무한대이며, "겔"은 팽윤된 중합체 네트워크를 말하며, 이의 특성은 중합체 농도, 중합체 분자량 및 가교결합 밀도를 통해 제어된다.

부직 기판의 치환도 및 이의 면에 그래프팅된 중합체의 중량에 의존하여, 하이드로겔 중합체는 부직 기판의 간극 공간을 완벽히 채울 수 있으며, 이에 따라 기능화된 부직 용품을 통해 순수한 물의 흐름을 효과적으로 차단하는 배리어가 제공되어 주어진 압력(일정한 압력)에서 상당히 낮은 플럭스 또는 주어진 플럭스 속도(일정한 속도)에서 더 높은 배압(backpressure)이 야기된다. 수순한 물 내에서 양으로 하전된 4차 암모늄 기들은 서로 정전기적으로 반발하여 그래프팅된 중합체 쇄들이 최대로 신장되고 이에 따라 하이드로겔이 최대로 수화되는 것으로 여겨진다.

여과에 사용 시, 하이드로겔은 염, 완충제, 유기 용매, 온도, PH 오염, 또는 생체 분자와 같은 매우 소량의 "트리거"에 반응하여 가역 팽창할 수 있으며, 이에 따라 더 낮은 압력에서 하이드로겔 네트워크를 통해 더 높은 플럭스를 허용하도록 수축된다. 놀랍게도, 그래프팅된 하이드로겔 네트워크는 "트리거된" 상태에서 이의 여과성이 상실되지 않는다. 이러한 "트리거"가 없을 경우, 완전히 팽창된 하이드로겔 네트워크는 물 플럭스(water flux)에 대한 저항성을 제공할 수 있다.

최대 수화 상태에서, 하이드로겔은 대체로 상당하게 x 및 y 축(부직 기판과 공면임)으로 단지 부직 기판에 의해서 구속되며, 부직 기판의 면에 대해 수직한 z축으로는 덜 구속된다. 겔은 z 축으로 덜 구속된다. 겔은 z 축으로 최대 800%을 초과하여 팽창될 수 있지만 x 및 y 축으로는 바람직하게는 100% 미만, 더욱 바람직하게는 50% 미만으로 팽창되어 부직 기판에 의해 구속된다.

멜트-블로운 부직 웨브의 기술에서, 조건들은 (a) 적절한 섬유 펼침(lay-down)을 위해 다이 및 수집기를 조절하고, (b) 섬유들이 섬유대 섬유의 결합을 형성하고 초과 융해되는 것을 방지하기 위하여 용융 온도와 공기 온도를 조절하며, (c) 수집기가 다이에 대해 너무 근접해짐으로써의 비대칭을 최소화하여, 부직포의 면에 대해 수직한 z 방향으로 탄성이 최대화되도록 조절될 수 있다. 부직 섬유는 수집기와 접촉 전 중합체 용융 온도 미만이어서 섬유대 섬유 결합의 정도를 감소시키는 것이 선호된다. 선호적으로는, 부직포는 하이드로겔의 팽창이 허용될 수 있도록 "z" 방향(부직포의 면에 대해 수직한)으로 최대로 팽창될 수 있다.

하이드로겔은 가역적으로 수축되며, 중성 화합물, 염, 버퍼 및 음으로 하전된 이온과 같은 용해된 종이 존재하는 경우 물이 결과적인 간격을 통해 흐르도록(유동하도록) 할 수 있다. 용해된 이온과 같은 용해된 종은 그래프트 중합체 내에서 양으로 하전된 4 차 암모늄기에 보다 효과적으로 전하-결합되어서 4차 암모늄기들 사이의 정전기적 반발이 감소되며 하이드로겔은 수축되거나 또는 붕괴되는 것으로 여겨진다. 대안으로, 용해된 종은 하이드로겔이 부직-기판 둘레에서 붕괴되는 결과에 따라 물(및 가능한 용매) 분자의 수화 구(hydration sphere)를 전치할 수 있다. 따라서, 용품은 하이드로겔의 기공 또는 간격을 가역적으로 개방하고 폐쇄할 수 있도록 본래 불연속적인 자극-반응 하이드로겔("반응성 하이드로겔")을 나타낸다.

부직 기판은 부직 기판의 표면에 그래프팅된 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체 단위를 포함한 중합체를 갖는다. 중합체는, 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체, 선택적으로 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체와 선택적으로 그 외의 다른 친수성 단량체를 포함하는, 그래프팅 단량체의 전자-빔 개시 중합에 의해 부직 기판의 표면(들)에 그래프팅된다. 통상적으로, 그래프팅된 (공)중합체는:

a) 70 중량% 내지 100 중량%, 바람직하게는 적어도 80 중량%, 더욱 바람직하게는 80 중량% 내지 98 중량%의 그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체,

b) 0 내지 20 중량%, 바람직하게는 2 중량% 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10 중량%의 그래프팅 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체, 및

c) 0 내지 10 중량%의 제 2 친수성 단량체를 포함하고,

각 중량%는 총 단량체 함유량에 대한 것이다.

통상적으로, 총 그래프팅된 단량체 함유량은 부직 기판의 중량의 0.5 배 내지 5 배일 수 있다. 그래프팅된 중합체 스트랜드와 부직포의 개별 섬유들을 결합시키기 위해 중합체 쇄 가교를 갖지 않지만 부직 기판의 간극 공간을 충전하는 것이 선호되며, 이는 부직 기판의 팽창을 제한하고 플럭스를 지연시킬 것이기 때문이다. 그래프팅된 중합체에 의한 이 섬유대섬유 가교를 줄이기 위한 한 방법은 주어진 섬유 크기에 대해 단량체 농도를 낮추는 것이다. 그래프팅된 중합체의 양은 텐드릴의 가교를 줄이고 그래프팅된 하이드로겔 중합체 텐드릴의 분자량을 최대화시키기 위하여 그래프팅 침윤 용액에 수 혼화성 유기 용매를 첨가함으로써 최대화될 수 있는 것으로 여겨진다.

부직포의 간극 공간 내에서 패킹된 하이드로겔 텐드릴을 갖는 플럭스 압력 증강은 이온성 트리거 또는 생물학적 오염물 자체에 의해 간단히 완화된다. 하이드로겔 스트랜드로 간극 공간을 패킹함에 따른 이점은 오염물이 하이드로겔의 물을 전치할 수 있는 공극 체적 내에 중합체 스트랜드를 포함하도록 부직포의 표면적으로 효과적으로 연장시키는 것이다. 패킹된 형상에서 그래프팅된 하이드로겔 중합체 텐드릴과의 부직포의 예상치 못한 네트 효과는 파울링 없이 용해성 및 불용성의 생물학적 오염물의 상당히 더 많은 양을 보유하는 능력이며, 다수의 긴 가요성 하이드로겔 텐드릴은 다수의 결합을 허용할 수 있거나 또는 수소 결합 지점이 상당히 향상된 내염성에 따른 친화 흡수를 허용하게 할 수 있다. 그 외의 다른 마이크로다공성 기판과는 대조적으로, 부직 기판은 표면 코팅된 기판이기보다는 그래프팅된 중합체를 위한 스캐폴드(scaffold)로 여겨질 수 있다.

그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체는 화학식 I의 아미노 (메트)아크릴레이트 또는 아미노 (메트)아크릴아미드 또는 이의 4차 암모늄 염이다.

[화학식 I]

화학식 II에서, R¹은 수소 또는 메틸, 바람직하게는 메틸이고, L은 -O- 또는 -NH-이며; Y는 알킬렌(예를 들어, 탄소 원자수 1 내지 10, 탄소 원자수 1 내지 6, 또는 탄소 원자수 1 내지 4인 알킬렌)이다. 각 R²는 독립적인 수소 또는 알킬, 바람직하게는 C₁-C₄ 알킬이다. 대안으로, 2개의 R² 기는 이들이 부착되어 있는 질소 원자와 함께 방향족, 부분적으로 불포화되거나(즉, 불포화이지만 방향족은 아님), 포화된 헤테로사이클릭 기를 형성할 수 있고, 헤테로사이클릭 기는 선택적으로 방향족(예를 들어, 벤젠), 부분적으로 불포화되거나(예를 들어, 사이클로헥센), 포화된(예를 들어, 사이클로헥산) 제 2 고리에 융합될 수 있다. 사차 암모늄 염의 반대 이온은 종종 할라이드, 설페이트, 포스페이트, 니트레이트 등이다. 이러한 그래프팅 단량체는 즉, -N(R²)₃ ⁺ X^- 기를 갖는 4차 암모늄 단량체일 수 있으며, 각 R²는 정의된 바이며, X^-는 상음이온(counter anion)이다. 4 차 암모늄 기를 갖는 이러한 단량체는 부직 기판의 표면에 직접 그래프팅될 수 있거나 또는 1차, 2차, 또는 3차 아민 기를 갖는 그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체는 그래프팅될 수 있으며 그 뒤 알킬화에 의해 4차 암모늄 기로 변환될 수 있다.

화학식 I의 일부 실시 형태에서, R² 기 둘 모두는 수소이다. 다른 실시 형태에서, 하나의 R² 기는 수소이고 다른 하나는 1개 내지 10개, 1개 내지 6개, 또는 1개 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬이다. 또 다른 실시 형태에서, R² 기들은 이들이 부착된 질소 원자와 함께 조합되어 헤테로사이클릭 기를 형성한다. 헤테로사이클릭 기는 적어도 하나의 질소 원자를 포함하고 산소 또는 황과 같은 다른 헤테로원자를 포함할 수 있다. 예시적인 헤테로사이클릭 기에는 이미다졸릴이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 헤테로사이클릭 기는 벤젠, 사이클로헥센, 또는 사이클로헥산과 같은 부가적인 고리에 융합될 수 있다. 부가적인 고리에 융합된 예시적인 헤테로사이클릭 기에는 벤조이미다졸릴이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.

예시적인 아미노알킬 (메트)아크릴레이트(즉, 화학식 I에서 L이 옥시)는, 예를 들어, N,N-다이메틸아미노에틸메타크릴레이트, N,N-다이메틸아미노에틸아크릴레이트, N,N-다이에틸아미노에틸메타크릴레이트, N,N-다이에틸아미노에틸아크릴레이트, N,N-다이메틸아미노프로필메타크릴레이트, N,N-다이메틸아미노프로필아크릴레이트, N-tert-부틸아미노프로필메타크릴레이트, N-tert-부틸아미노프로필아크릴레이트 등과 같은 N,N-다이알킬아미노알킬(메트)아크릴레이트를 포함한다.

예시적인 아미노 (메트)아크릴아미드(즉, 화학식 I에서 L이 -NH-)는, 예를 들어, N-(3-아미노프로필)메타크릴아미드, N-(3-아미노프로필)아크릴아미드, N-[3-(다이메틸아미노)프로필]메타크릴아미드, N-(3-이미다졸릴프로필)메타크릴아미드, N-(3-이미다졸릴프로필)아크릴아미드, N-(2-이미다졸릴에틸)메타크릴아미드, N-(1,1-다이메틸-3-이미다조일프로필)메타크릴아미드, N-(1,1-다이메틸-3-이미다조일프로필)아크릴아미드, N-(3-벤조이미다졸릴프로필)아크릴아미드, 및 N-(3-벤조이미다졸릴프로필)메타크릴아미드를 포함한다.

화학식 I의 아미노알킬 (메트) 아크릴로일 단량체의 예시적인 4차 염은 (메트)아크릴아미도알킬트라이메틸암모늄 염 (예를 들어, 3-메타크릴아미도프로필트라이메틸암모늄 클로라이드 및 3-아크릴 아미도프로필트라이메틸암모늄 클로라이드) 및 (메트)아크릴옥시알킬트라이메틸암모늄 염 (예를 들어, 2-아크릴옥시에틸트라이메틸암모늄 클로라이드, 2-메타크릴옥시에틸트라이메틸암모늄 클로라이드, 3-메타크릴옥시-2-하이드록시프로필트라이메틸암모늄 클로라이드, 3-아크릴옥시-2-하이드록시프로필트라이메틸암모늄 클로라이드, 및 2-아크릴옥시에틸트라이메틸암모늄 메틸 설페이트)을 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

그래프팅된 중합체는 폴리(알킬렌 옥사이드) 기를 갖는 1 작용성 에틸렌계 불포화 그래프팅 단량체 단위를 선택적으로 함유한다. 이들 단량체는 부직 기판의 표면에 그래프팅된 공중합체 쇄를 형성하기 위하여 그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체와 공중합된다. 존재 시, 이들 단량체는 총 단량체 중량에 대해 2 중량% 내지 20 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 10 중량%의 양으로 사용된다.

폴리(알킬렌 옥사이드) 기를 갖는 단량체 단위는 다음의 화학식으로 구성된다:

[화학식 II]

여기서, Z는 중합성 에틸렌계 불포화 부분이며, R³은 H 또는 C₁ 내지 C₄ 알킬 기이며, R⁴은 H, C₁ 내지 C₄ 알킬 기, 아릴 기, 또는 이들의 조합이고, m은 2 내지 100, 바람직하게는 5 내지 20이며, Q는 -O-, -NR¹- , -CO₂- 및 -CONR¹로부터 선택된 2가 결합 기이다.

일 실시 형태에서, 폴리(알킬렌 옥사이드) 기는 폴리(에틸렌 옥사이드)(공)중합체이다. 다른 실시 형태에서, 펜던트 폴리(알킬렌 옥사이드) 기는 폴리(에틸렌 옥사이드-코-프로필렌 옥사이드) 공중합체이다. 이러한 공중합체는 블록 공중합체, 랜덤 공중합체, 또는 그래디언트 공중합체일 수 있다.

단량체의 유용한 에틸렌계 불포화 부분, Z는:

을 포함할 수 있다.

여기서, R³은 H 또는 Me이고, r = 1-10이다.

폴리(알킬렌 옥사이드) 기를 갖는 단량체는 예를 들어, 1- 또는 2-작용성 알킬렌 옥사이드 (공)중합체(전형적으로 상용 입수가능한)를 반응성 에틸렌계 불포화 화합물(예를 들어, 아크릴레이트)를 반응시킴으로써 제조될 수 있다. 폴리(알킬렌 옥사이드)의 말단을 이루는 작용기는 하이드록시 기, 아민 기 및 카르복시 기를 포함할 수 있다. 다양한 반응성 에틸렌계 불포화 화합물, 예를 들어, 아크릴레이트 유도체가 사용될 수 있으며, 이는 (메트)아크릴산, (메트)아크릴로일 클로라이드, (메트)아크릴산 무수물, 및 2-아이소시아나토에틸 (메트)아크릴레이트를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 단량체는 1- 또는 2-작용성 알킬렌 옥사이드 (공)중합체를 (메트)아크릴산 무수물을 반응시킴으로써 제조된다. 전형적으로, 에틸렌계 불포화 반응물의 화학량론적 양이 1 작용성 알킬렌 옥사이드 (공)중합체(모노하이드록시 말단 알킬렌 옥사이드 (공)중합체)와 조합된다면, 단일치환된 산물로의 100% 변환이 얻어진다.

적합한 1 작용성 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체의 예에는 폴리(에틸렌 옥사이드)(메트)아크릴레이트, 폴리(프로필렌 옥사이드)(메트)아크릴레이트, 폴리(에틸렌 옥사이드-프로필렌 옥사이드)(메트)아크릴레이트, 및 그 조합이 포함된다. 이러한 단량체는 바람직하게는 (C₁-C₄)알콕시, 아릴옥시(예를 들어, 페녹시), 및 (C₁-C₄)알카릴옥시와 같은 하나의 비반응성 말단기를 포함한다. 이들 기는 선형 또는 분지형일 수 있다. 이들 단량체는 광범위한 분자량의 것일 수 있으며, 미국 펜실베니아주 엑스톤 소재의 사토머 컴퍼니(Sartomer Company); 일본 도쿄 소재의 신나카무라 케미칼 컴퍼니, 리미티드(Shinnakamura Chemical Co., Ltd.); 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 알드리치(Aldrich); 및 일본 오사카 소재의 오사카 오가닉 케미칼 인더스트리, 리미티드(Osaka Organic Chemical Ind., Ltd.)와 같은 공급처로부터 구매가능하다.

그래프팅된 중합체는 그 외의 다른 에틸렌계-불포화 친수성 그래프팅 단량체 단위-"친수성 단량체"를 선택적으로 함유한다. 본 명세서에서 사용된 "친수성 단량체"는 적어도 1 중량%, 바람직하게는 흐림점에 도달되지 않고 적어도 5 중량%의 수 혼화성(단량체 내의 물)을 갖는 이들 중합된 단량체이며, 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체는 제외되고, 산 작용기 또는 그래프팅 중합을 지연시킬 수 있는 기를 함유하지 않는다. 그래프팅된 공중합체는 0 내지 10 중량%의 이러한 단량체 단위를 포함할 수 있다. 존재 시, 중합체는 통상적으로 1 중량% 내지 10 중량%의 이러한 단량체 단위를 포함한다.

적합한 친수성 단량체의 예는 2-하이드록시에틸(메트)아크릴레이트 (HEMA), 2-하이드록시프로필(메트) 아크릴레이트, 3-하이드록시프로필(메트) 아크릴레이트, 2, 3-다이 하이드록시프로필(메트) 아크릴레이트, 4-하이드록시부틸(메트) 아크릴레이트, N-비닐 카프로락탐, N-비닐 아세트아미드, N- 비닐 피롤리돈, 아크릴로니트릴, 테트라하이드로펄퍼릴 아크릴레이트, 아크릴아미드, 1 또는 2-N-알킬 치환된 아크릴아미드, 글리세롤 메타크릴레이트, 및 이들의 조합을 포함한다. 선호되는 극성 단량체는 2-하이드록시에틸(메트)아크릴레이트 (HEMA), N-비닐 피롤리돈, N-비닐 아세트아미드, 메틸아크릴아미드, 및 이들의 혼합물을 포함한다.

중합체가 비가교결합됨에 따라, 단량체 혼합물을 함유하는 침윤 용액은 폴리에틸렌계 불포화 단량체, 즉 가교결합제를 함유하지 않는다.

그래프팅 단량체 수프라에 대해, 부직 기판의 표면에 그래프팅된 단량체는 항시 아크릴레이트 또는 전자-빔에 의한 그래프팅을 위한 그 외의 다른 비-아크릴레이트 중합성 작용기를 갖는다. 메타크릴레이트 기는, 더 느리고 더 균일한 반응성 및 전자-빔 조사에 노출되는 부직포에 대한 이러한 메타크릴레이트의 내구성으로 인해, 기판 표면에 단량체를 그래프팅하기 위해 제조된다(본 명세서에 기술된 공정을 사용하여).

하기에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 본 발명의 기능화된 기판은 다공성 부직 기부 기판의 표면에 그래프팅된 중합체를 제공하기 위해 전술된 단량체를 사용하여 제조될 수 있다. 둘 이상의 전술된 그래프팅 단량체가 사용될 때, 단량체는 이후에 존재하는 모든 그래프팅 단량체와 침윤되는 단일의 반응 단계(즉, 이온성 방사선에 대한 노출) 또는 순차적인 반응 단계(즉, 이온화 방사선에 우선 노출된 후 하나 이상의 그래프팅 단량체와 침윤되고, 그 후 이온화 방사선으로의 제 2 노출 이후 제 2 침윤됨)로 부직 기재 기판상으로 그래프팅될 수 있다.

추가로, 그래프팅 공정은 부직 기판의 표면상에 라디칼 종을 산출하는 것으로 이해될 것이다. 단량체 용액과 침윤 이후, 추가 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체들 중 하나, 화학식 II의 선택적 PEG 단량체들 중 하나 및 하나 이상의 선택적 제 2 친수성 단량체와 추가로 중합될 수 있는 화학식 I의 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체의 카르보닐에 대해 카본 알파(carbon alpha) 상에 라디칼이 형성됨에 따라 중합은 개시되어 하기에서 간단히 예시된 바와 같이 그래프팅된 중합체는 중합체 쇄로부터 매달린 이들 기를 가질 것이다.

기판-(M^{NR4 +})_w-(M^PEG)_x-(M^c)_y

상기 화학식에서, -(M^{NR4 +})_w-는 "w" 중합된 단량체 단위를 갖는 화학식 I의 그래프팅된 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체의 잔기를 나타내며, 여기서 w는 2 이상이고, -(M^PEG)_x는 "x" 중합된 단량체 단위를 갖는 화학식 II의 중합된 단량체를 나타내며, 여기서 x는 0일 수 있고, 바람직하게는 1 이상이며, -(M^c)_y는 y 중합된 단량체 단위를 갖는 중합된 제 2 친수성 단량체를 나타내며, 여기서 y는 0일 수 있고, 바람직하게는 1 이상이다. 중합체는 랜덤 또는 블록일 수 있다. 중합체는 예시된 바와 같이 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체의 잔기에 의해 직접 그래프팅될 수 있거나, 또는 본 명세서에 기재된 바와 같이 -(M^PEG)- 단량체 또는 친수성 단량체에 의해 직접 그래프팅될 수 있다.

그래프팅된 부직 기판을 제조하는 공정은 부직 기판을 제공하는 단계, 불활성 대기 내에서 부직 기판을 전자-빔 방사선에 노출시키는 단계, 및 그 뒤 그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체를 포함한 용액으로 노출된 기판을 침윤하여 부직 기판의 표면에 대해 상기 단량체를 그래프트 중합하는 단계를 포함한다.

제 1 단계에서, 부직 기판은 불활성 대기 내에서 전자-빔 방사선과 같은 이온화 방사선에 노출된다. 통상적으로, 기판은 산소로 퍼지된 챔버 내에 배치된다. 전형적으로, 챔버는, 자유-라디칼 중합을 억제하는 것으로 알려진, 최소량의 산소를 갖는(100 ppm 미만) 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤, 등과 같은 불활성 대기를 포함한다.

조사 단계는 바람직하게는 이온화 전자-빔 또는 감마 방사선으로 부직 기판 표면의 이온화 조사하여 단량체가 추후 그래프팅되는 이러한 표면상에 자유 라디칼 반응 지점을 만드는 단계를 포함한다. "이온화 방사선"은 기부 기판의 표면(들)에 자유 라디칼 반응 지점이 형성될 정도의 충분한 선량 및 에너지의 방사선을 의미한다. 이온화 방사선은 감마, 전자-빔, x-선 및 그 외의 다른 형태의 전자기 방사선을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 코로나 방사선이 충분히 높은 에너지의 방사선일 수 있다. 방사선은, 기부 기판의 표면에 흡수될 때 충분한 에너지가 이 지지부에 전달되어 이 지지부 내에 화학 결합이 분할되고 부직 기판 상에 자유 라디칼 지점이 결과적으로 형성되기에 충분히 높은 에너지이다. 부직 기판의 하나 이상의 층은 이온화 방사선에 노출될 수 있다.

고 에너지 방사선 선량은 킬로그레이(kGy)로 측정된다. 선량은 요구된 수준의 일회 선량 또는 요구된 수준으로 축적되는 다수의 선량으로 제공될 수 있다. 선량은 점증적으로 약 1 kGy 내지 약 200 kGy의 범위일 수 있다. 선량은 전자-빔 공급원으로부터와 같이 모두가 즉시 전달될 수 있거나 또는 감마 공급원으로부터 전달된 선량과 같이 수 시간에 걸쳐서 느린 선량률로부터 축적될 수 있다. 바람직하게는, 축적 선량은 방사선 손상에 대해 저항력이 있는 기판의 경우 20 kGy(2 Mrads)을 초과한다.

전자 빔은 상용 공급처의 용이한 입수가능성으로 인해 선호되는 일 그래프팅 방법이다. 에너지 사이언시스, 인코포레이티드(Energy Sciences, Inc.)(매사추세츠, 윌밍턴 소재)로부터의 ESI "일렉트로큐어(ELECTROCURE)" EB 시스템, 및 피씨티 엔지니어드 시스템즈, 엘엘씨(PCT Engineered Systems, LLC)(아이오와, 데븐포트 소재)로부터의 브로드빔 EB 프로세서(BROADBEAM EB PROCESSOR)를 포함한 전자빔 발생기들이 다양한 공급처로부터 입수가능하다. 임의의 주어진 장비 및 조사 샘플 위치에 대하여, 전달되는 선량은 "라디오크로믹 필름 선량측정 시스템의 사용에 대한 실습(Practice for Use of a Radiochromic Film Dosimetry System)"이라는 제목의 ASTM E-1275에 따라 측정될 수 있다. 추출기 그리드 전압, 빔 직경 및/또는 조사원까지의 거리를 변화시킴으로써, 다양한 선량률을 얻을 수 있다.

조사 단계에서, 부직 기판은 충분한 양의 이온화 방사선에 노출되어 부직 기판의 표면상에 자유 라디칼이 형성된다. 챔버는 충분한 선량의 방사선을 제공할 수 있는 하나 이상의 장치를 수용할 수 있다. 둘 이상의 장치 및/또는 단일의 장치를 통과하는 다수의 경로가 특히 상대적으로 두꺼운 부직 기판에 대해 사용될 수 있을지라도 단일의 장치가 충분한 선량의 방사선을 제공할 수 있다. 부직 기판을 수용하는 환경은 자유-라디칼 중합을 억제하는 것으로 알려진, 최소량의 산소를 갖는 질소, 이산화탄소, 헬륨, 아르곤, 등등과 같은 불활성 대기를 포함한다.

선량은 질량 단위당 흡수된 에너지의 총량이다. 선량은 통상적으로 킬로그레이(kGy)로 표현된다. 그레이는 질량 1 킬로그램당 1 줄의 에너지를 공급하기 위해 필요한 방사선의 양으로서 정의된다. 기판이 받은 총 선량은 공급원 활성도(source activity), 체류 시간(즉, 샘플에 조사되는 총 시간), 공급원으로부터의 거리, 및 공급원과 샘플 사이의 물질의 개재 단면에 의한 감쇠를 포함한 다수의 파라미터에 좌우된다. 선량은 전형적으로 체류 시간, 공급원까지의 거리, 또는 이 둘 모두를 제어함으로써 조절된다.

통상적으로, 약 20 내지 40 kGy의 범위의 선량이 그래프팅된 하이드로겔 중합체를 생성하기에 적합한 것으로 밝혀졌다. 임의의 주어진 조성물에 대한 총 선량 요건은 요구된 그래프팅 대상물, 선택된 단량체, 사용된 기판 및 선량률의 함수로서 변화할 것이다. 따라서, 선량률은 특수화된 조성물에 대한 요구된 특성을 기초로 선택될 수 있다. 선량률은 전형적으로 0.0005 kGy/sec(감마) 내지 200 kGy/sec(전자-빔)의 범위이다.

그 외의 다른 조사 공급원이 동일한 그래프팅 능력에 따라 사용될 수 있으며, 선호되는 이온화 방사선 공급원은 전자 빔 공급원을 포함하며, 이는 전자 빔이 높고 빠른 선량 전달률을 생성할 수 있기 때문이다. 전자 빔(e-빔)은 통상적으로 약 0.00013 Pa (10^-6 Torr)로 유지되는 진공 챔버 내에서 반발판(repeller plate)과 추출기 그리드(extractor grid) 사이에 보유되는 텅스텐 와이어 필라멘트에 고전압을 인가함으로써 생성된다. 이 필라멘트는 전자를 형성하기 위해 고전류로 가열된다. 전자는 반발판 및 추출기 그리드에 의해 금속 포일의 얇은 윈도우를 향해 안내 및 가속된다. 10⁷ 미터/초(m/sec)를 초과하는 속도로 이동하고 약 100 내지 300 킬로-전자 볼트(keV)를 갖는 가속된 전자는 포일 윈도우를 통해 진공 챔버를 통과하여 나와서 포일 윈도우를 바로 지나 어떠한 물질이 위치하든지 간에 관통한다.

생성된 전자의 양은 전류와 직접적으로 연관된다. 추출기 그리드 전압이 증가함에 따라, 텅스텐 와이어 필라멘트로부터 인출되는 전자의 가속도 또는 속도는 증가한다. 전자-빔 처리는 컴퓨터 제어하에 있을 때 극히 정밀할 수 있어서, 전자의 정확한 선량 및 선량률(dose rate)이 부직 기판을 향하여 지향될 수 있다.

바람직하게는, 챔버 내의 온도는 종래의 수단에 의해서 주위 온도로 유지된다. 임의의 특정 메커니즘으로 제한하고자 함이 없이, 부직 기판을 전자 빔에 노출시킴에 따라 부직 기판상에는 추후 침윤 단계에서 그래프팅 단량체와 반응할 수 있는 자유 라디칼 지점이 기인된다.

부직 기판이 받는 총 선량은 주로 이의 표면에 형성되는 라디칼 지점의 개수에 영향을 미치고, 그 후 그래프팅 단량체가 부직 기판상으로 그래프팅되는 정도에 영향을 미친다. 선량은 전압, 웨브 또는 선-속도 및 빔 전류를 비롯한 다수의 처리 파라미터에 따른다. 선량은 라인 속도(즉, 부직 기판이 조사 장치 아래서 통과하는 속도) 및 추출기 그리드에 공급되는 전류를 제어함으로써 편리하게 조절될 수 있다. 목표 선량(예를 들어, < 10 kGy)은 실험적으로 측정된 계수(기계 상수)와 빔 전류를 곱하고 웨브 속도로 나누어 노출을 결정함으로써 편리하게 계산될 수 있다. 기계 상수는 빔 전압의 함수로서 변화된다.

제어된 양의 전자빔 방사선 노출은 체류 시간에 따르지만, 부직 기판은 특정 중합체에 따라 약 1 킬로그레이(kGy)의 최소 선량으로부터 약 200 kGy 미만의 실제적 최대 선량까지의 범위의 제어된 양의 선량에 노출된다. 프로필렌 중합체와 같은 방사선 민감성 중합체의 경우, 이 양은 전형적으로 약 1 킬로그레이(kGy)의 최소 선량으로부터 약 10 kGy 미만의 최대 선량까지의 범위이다. 전형적으로, 선량의 총 제어된 양은 분해를 방지하기 위해 프로필렌 중합체에 대해 약 9 kGy 미만 내지 약 7 kGy의 범위이다. 나일론 또는 PVDF와 같은 덜 방사선 민감성인 중합체는 더 높은 선량, 전형적으로 10 내지 70 kGy에 처해질 수 있다. 통상적으로, 적합한 감마선 공급원은 400 keV 이상의 에너지를 갖는 감마선을 방출한다. 전형적으로, 적합한 감마선 공급원은 500 keV 내지 5 MeV의 범위의 에너지를 갖는 감마선을 방출한다. 적합한 감마선 공급원의 예에는 코발트-60 동위원소(거의 동일한 비율로 대략 1.17 내지 1.33 MeV의 에너지를 포함한 광자를 방출함) 및 세슘-137 동위원소(대략 0.662 MeV의 에너지를 포함한 광자를 방출함)가 포함된다. 공급원으로부터의 거리는 고정될 수 있거나 또는 목표 또는 공급원의 위치를 변화시킴으로써 변경되게 만들 수 있다. 공급원으로부터 방출된 감마선의 플럭스는 통상적으로 공급원으로부터의 거리의 제곱 및 동위원소의 반감기에 의해 결정되는 지속 시간에 따라 감소한다.

본 방법에서, 부직 기판의 표면상에 자유 라디칼 지점을 갖는 조사된 기판은 조사 단계와 동시가 아닌 이후에 단량체 용액으로 침윤된다. 부직 기판의 표면에 형성된 자유 라디칼 지점은 수 분 내지 수 시간의 범위의 평균 수명을 가지며, 실온에서 약 10 시간 내에 저농도로 점차로 줄어든다. 드라이 아이스 온도와 같은 낮은 온도는 라디칼의 수명을 더 길게 한다. 대안으로, 가습 및 아산화질소는 하이드록실 라디칼의 생성에 의해 기판 라디칼 형성의 속도를 증가시킬 수 있다. 그래프트 중합 공정으로부터의 그래프팅된 부직포의 유효 결합 흡수 용량은 약 12 시간의 반응 시간 이후 불활성 조건 하에서 거의 변하지 않은 상태로 유지되었다. 72 시간 동안 그래프트 중합 공정을 불활성 상태로 유지시킴으로써 짐작컨대 그래프팅된 중합체의 증가로 인해 실온에서 12 시간 이후(공기에 노출됨으로써) 켄칭된 샘플의 성능보다 약 10 내지 20 % 초과의 이스트/몰라세 결합 용량(실시예에 기재된 바와 같이)의 증가가 관찰되었다.

통상적으로, 조사된 부직 기판은 조사 단계 바로 직후 단량체 용액으로 침윤된다. 통상적으로, 전자-빔을 사용할 때 조사된 기판은 1 시간, 바람직하게는 10 분 내에 침윤된다. 통상적으로, 공급원으로서 감마를 사용할 때, 기판은 조사 체류 시간이 길어질 것이기 때문에 조사 바로 직후에 침윤되어야 한다. 기판이 그래프팅 단량체의 존재 하에서 이온화 방사선으로 조사된다면, 그래프팅된 부직 기판의 여과 성능은 본 방법에 의해 제조된 용품에 비해 낮은 것으로 관찰되었다.

침윤 단계에서 부직 기판은 전술된 양으로 하나 이상의 그래프팅 단량체를 함유하는 침윤 용액과 접촉한다. 적합한 침윤 방법은 스프레이 코팅, 플러드 코팅(flood coating), 나이프 코팅, 메이어 바 코팅(Meyer bar coating), 딥 코팅, 및 그라비어 코팅(gravure coating)을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다.

침윤 용액은 라디칼 지점에 대해 그래프팅 단량체와의 중합을 개시하기에 충분한 시간 동안 부직 기판과 접촉한 상태로 유지된다. 단량체의 용액으로 침윤될 때, 그래프팅 반응은 12 시간 노출 이후 대부분 완료되며, 통상적으로 약 90+ 퍼센트 완료된다. 그 결과, 부직 기판은 부직 기판의 간극 및 외측 표면에 부착된 그래프팅된 중합체 및/또는 공중합체를 포함한다.

전술한 바와 같이, 침윤 용액은 부직 기판의 표면상으로 그래프팅을 위해 적합한 하나 이상의 그래프팅 단량체를 포함할 수 있다. 전술한 예시적인 그래프팅 단량체들 중 임의의 것이 용액에 포함될 수 있다. 기재된 그래프팅 단량체에 더하여, 침윤 용액은 예를 들어, UV 경화를 위한 하나 이상의 다른 비-그래프팅 단량체, 계면 활성제, 염료, 안료 및 용매와 같은 그 외의 다른 물질을 포함할 수 있다.

침윤 용액 중 각각의 그래프팅 단량체의 농도는 침윤 용액 중 그래프팅 단량체 또는 단량체들, 요구되는 그래프팅의 정도, 그래프팅 단량체(들)의 반응성, 및 사용된 용매를 포함하지만 이로 한정되지 않는 다수의 요인들에 따라 달라질 수 있다. 전형적으로, 침윤 용액 중의 단량체의 총 농도는 침윤 용액의 총 중량을 기준으로 약 1 중량% 내지 약 100 중량%, 바람직하게는, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%, 및 더욱 바람직하게 약 15 중량% 내지 약 25 중량%의 범위이다.

침윤 용액은 수 혼화성 유기 용매 및 그래프팅 단량체(들)의 수성 블렌드를 추가로 포함한다. 용매 블렌드는 개별 응용예에서 사용 시 결과적인 플럭스 속도와 그래프팅된 중합체의 모폴로지(morphology)에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 유기 용매에 대한 물의 비율은 폭 넓게 변화할 수 있지만, 전형적으로 1:1 (v/v)초과(유기 용매에 대한 물), 바람직하게는 5:1 초과, 및 더욱 바람직하게는 7:1 초과이다. 이 비율은 통상적으로 결과적인 그래프팅된 부직 기판이 목표 생체분리 응용예(bioseparation application)의 경우 결합 용량을 최대화하는 압력 및 플럭스 반응(flux response)을 생성하도록 조절된다.

수중의 유기 용매의 농도는 부직 기판의 섬유 크기에 대해 최적화될 수 있다. 통상적으로, 유기 용매의 최적의 농도는 섬유 크기가 감소됨에 따라 증가된다. 20%의 3-[(메타크릴로일아미노)프로필] 트리메틸암모늄 클로라이드 (MAPTAC) 단량체 침윤 용액을 사용하여, 4 ㎛의 유효 섬유 직경을 포함한 부직포는 수중의 15%의 유기 용매를 최적으로 사용한다. 1 ㎛의 유효 섬유 직경의 부직 웨브의 경우, 15%의 MAPTAC 단량체 침용 용액은 수중의 30%의 유기 용매를 최적으로 사용한다.

침윤 용액 내의 수 혼화성 유기 용매의 양을 조절함으로써, 기판의 섬유들을 가교하고 공극을 폐쇄하지 않고 더 많은 양의 단량체가 부직 기판에 대해 그래프팅된다. 웨브 공극이 가교된다면, 부직포는 반투명의 외형으로 건조되고, 줄어든 플럭스 및 감소된 능력을 가져서 팽창된다. 섬유가 작아질수록 단량체는 줄어들어 부직포의 기공들을 가교할 필요가 있다. 더 많은 수 혼화성 유기 용매를 첨가하면 가교가 감소되어 그래프팅된 중합체 함유량이 증가될 수 있고(부직 기판의 중량%의 함수로서), 용품은 보다 더 자유롭게 팽창될 수 있다.

임의의 이러한 수 혼화성 유기 용매는 바람직하게는 3차 수소 원자 또는 그래프트 중합을 저지할 수 있는 그 외의 다른 기를 갖지 않는다. 일부 실시 형태에서, 수 혼화성 용매는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 저급 알코올, 2 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 저급 글리콜 및 가장 바람직하게는 3 내지 6개의 탄소 원자와 1 내지 2개의 에테르 결합을 갖는 저급 글리콜 에테르와 같은 유기 액체를 함유하는 양성자성 기이다. 일부 실시 형태에서, 폴리(에틸렌 글리콜)과 같은 고급 글리콜이 사용될 수 있다. 특정의 예는 메탄올, 에탄올, n-부탄올, t-부틸 알코올, 에틸렌 글리콜, 메톡시에탄올, 에톡시에탄올, 프로폭시에탄올, 부톡시에탄올, 메틸 카비톨, 에틸 카비톨, 및 이들의 혼합물이다.

그 외의 다른 실시 형태에서, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 메톡시에틸 아세테이트, 에톡시에틸 아세테이트, 프로폭시에틸 아세테이트, 부톡시에틸 아세테이트, 트라이에틸 포스파이트, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 메틸 프로필 케톤 및 다이메틸 설폭사이드와 같은 설폭사이드와 지방족 에스테르 및 케톤과 같은 비-양성자성의 수 혼화성 유기 용매가 사용될 수 있다.

부직 기판이 요구된 시간 동안 침윤된다면, 그래프팅된 중합체 군을 산출하는 부직 기판은 선택적으로 헹굼되어 잔류 단량체가 제거될 수 있고 및/또는 건조될 수 있다.

선택적인 헹굼 단계에서, 기능화된 부직 기판은 1회 이상 세척되거나 헹굼되어 임의의 미반응된 단량체, 용매 또는 다른 반응 부산물이 제거된다. 전형적으로, 기능화된 기판은 물 헹굼액, 알코올 헹굼액, 물과 알코올 헹굼액의 조합, 및/또는 용매 헹굼액(예를 들어, 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 등)을 사용하여 최대 3회 세척되거나 헹굼된다. 알코올 헹굼액이 사용될 때, 헹굼액에는 아이소프로판올, 메탄올, 에탄올 또는 사용하기에 실용적인 임의의 다른 알코올을 포함하지만 이로 한정되지 않는 하나 이상의 알코올과, 임의의 잔류 단량체를 위한 효과적인 용매를 포함할 수 있다. 각각의 헹굼 단계에서, 기능화된 기판은 행굼액조(rinse bath) 또는 헹굼액 스프레이를 통과할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 헹굼은 하이드로겔의 팽창, 수용된 물의 양을 감소시키고, 또한 이 헹굼 단계에서 부직 기판이 취약해지는 것을 방지할 수 있는 이온성 완충 용액을 포함할 수 있다.

선택적 건조 단계에서, 기능화된 기판이 건조되어 임의의 헹굼 용액이 제거된다. 전형적으로, 기능화된 기판은 비교적 낮은 오븐 온도를 갖는 오븐에서 원하는 기간(본 명세서에서는 "오븐 체재 시간(oven dwell time)"이라고함) 동안 건조된다. 오븐 온도는 전형적으로 약 60℃ 내지 약 120℃의 범위인 반면에, 오븐 체재 시간은 전형적으로 약 120 내지 약 600초의 범위이다. 임의의 종래의 오븐이 선택적 건조 단계에서 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서는 건조 단계는 세척헹굼 단계 전에 진행하여 비-그래프팅된 잔기의 추출 전에 휘발성 성분을 제거할 수 있다는 것을 또한 유의하여야 한다. 선택적인 건조 단계 이후, 건조된 기능화된 기판은 나중에 사용하기 위해 보관되도록 롤의 형태로 권취될 수 있다.

기능화된 부직 기판은 필터 매체, 예컨대 물 여과 장치에서 발견되는 필터 매체로서 특히 적합하다. 중합체에 친수성을 부여하기 위해 중합체가 그래프팅됨에 따라, 필터 매체는 내구성을 갖는다. 필터 장치와 같은 물 여과 매체에서, 필터 매체는 수성 NaOH와 접촉하거나 이에 의해 플러싱(flushing)됨으로써 세척되거나 소독된다. 본 명세서에 기술된 친수성 다공성 기판은 NaOH와 접촉하거나 이에 의해 플러싱될 수 있고 표면 에너지 및 습윤성에 의해 입증되는 바와 같은 친수 특성을 보유한다.

여과 응용예에 사용 시, 기능화된 기판의 하나 이상의 층이 사용될 수 있으며, 이들 층 각각은 동일하거나 또는 상이한 평균 섬유 크기, 공극 체적, 중합체 그래프팅 정도, 그래프팅된 중합체의 단량체 조성, 다공성, 인장 강도 및 표면적을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 각각의 연속된 층은 더 작은 유효 기공 크기 또는 더 작은 평균 섬유 크기를 가질 수 있어서 더 미세한 오염물이 여과될 수 있다. 그래프팅된 부직 기판은 평면형 또는 렌즈형 디스크처럼 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 부직 기판은 주름이 형성될 수 있다. 주름진 그래프팅된 부직 필터 요소들은 다수의 동심의 주름진 요소로서 조합될 수 있다. 그래프팅된 부직 기판은 나선형으로 권취될 수 있다. 게다가, 그래프팅된 부직 기판은 다공성 웨브로 캡슐화되어(encapsulated) 지지부를 제공하고 취급에 도움이 될 수 있다. 여과 응용예에서, 부직포는 수직 방향 또는 수평 방향 중 한 방향으로 배열될 수 있다.

도 6은 본 발명의 개시내용에 따르는 예시적인 필터 매체(120)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 필터 매체(120)는 다수의 주름(pleat, 126)을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 주름진 필터 매체(120)는 필터 장치 또는 그 외의 다른 필터 장치 내로 일체구성될 수 있다. 주름진 형상 및 주름진 매체를 포함하는 필터 장치의 예는 예를 들어, 미국 특허 제6,521,011호(선뎃(Sundet) 등)에서 찾을 수 있다. 또한, 미국 특허 출원 번호 제61/016149호(루카스(Lucas))(PCT 출원 번호 제US08/86923호)에 기재된 바와 같이 다수의 주름(126)이 평면형으로 배열된 주름을 포함할 수 있는 것이 고려된다. 예시된 실시 형태에서, 필터 매체(120)는 마이크로다공성 막 층(microporous membrane layer, 124)과 함께 그래프팅된 부직 기판(122)을 포함한다. 전형적으로, 마이크로다공성 막 층(124)은 그래프팅된 부직 기판(122)의 다운스트림(downstream)에 위치된다.

마이크로다공성 막 층(124)은 본 발명의 개시내용을 통해 기재된 바와 같이 하나 이상의 마이크로다공성 막을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 마이크로다공성 막 층(124)은 대칭적으로 분포된 기공 크기를 갖는 단일의 구역을 포함한다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 마이크로다공성 막 층(124)은 비대칭적으로 분포된 기공 크기를 갖는 단일의 구역을 포함한다. 역시 그 외의 다른 실시 형태에서, 마이크로다공성 막 층(124)은 다수의 개별적 구역을 포함한다. 이러한 실시 형태에서, 각각의 개별적 구역은 대칭적으로 또는 비대칭적으로 분포된 기공 크기를 포함할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 마이크로다공성 막 층(124)의 하나 이상의 구역은 예를 들어, 향상된 친수성 특성을 포함하도록 기능화될 수 있다. 기능화된 마이크로다공성 막을 제공하기 위한 방법은 예를 들어, 본 발명의 개시내용 내의 다른 곳에서 기재된다.

또한, 마이크로다공성 막 층(124)은 마이크로다공성 막의 다수의 층을 포함할 수 있는 것이 고려되며, 각각의 층은 단일의 구역 또는 다수의 개별적 구역을 포함할 수 있다. 각각의 구역은 대칭적으로 또는 비대칭적으로 분포된 기공 크기를 포함할 수 있으며, 마이크로다공성 막의 각각의 층은 특정 응용예에 대해 요구되는 것처럼 기능화될 수 있거나 또는 비-기능화될 수 있다. 일 실시 형태에서, "나일론 마이크로다공성 막 D1-D6"이라는 명칭의 부분에서 후술된 바와 같이, 마이크로다공성 막 층(124)은 마이크로다공성 막의 3개의 층을 포함할 수 있으며, 각각의 층은 3개의 개별적 구역을 포함한다.

그래프팅된 부직 기판(122)은 본 발명의 개시내용을 통해 개시된 바와 같이 하나 이상의 부직 기판을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 그래프핑된 부직 기판(122)은 부직포의 단일의 층을 포함한다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 그래프팅된 부직 기판(122)은 동일하거나 또는 상이한 구조를 갖는 부직포 물질의 추가 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그래프팅된 부직 기판(122)은 그래프팅된 부직 층의 업스트림에 위치된 비-그래프팅된 부직 층을 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 더 업스트림에 위치된 층은 예를 들어, 더 다운스트림에 위치된 층에 대해 더 낮은 밀도 또는 증가된 다공성이 제공될 수 있다.

도 7은 본 발명의 개시에 따르는 예시적인 필터 장치(100)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 필터 장치(100)는 렌즈형 필터 카트리지의 형태로 제공된 필터 매체(120)를 포함한다. 렌즈형 필터 카트리지 및 렌즈형 필터 카트리지를 제조하는 방법의 예는 예를 들어, 미국 특허 번호 제6,464,084호; 제6,939,466호; 제7,178,676호; 및 제6,712,966호(푸렉(Pulek) 등)에서 찾을 수 있다.

도시된 바와 같이, 필터 장치(100)는 유체 출구(116)와 유체연통된 중심 코어(central core, 142)를 갖는 세퍼레이터 요소(separator element, 140)를 포함한다. 전형적으로, 세퍼레이터 요소(140)는 필터 매체(120)가 배열될 수 있는 제 2 측면(146)과 제 1 측면(144)을 포함한다. 제 1 측면(144)과 제 2 측면(146)은 전형적으로 여과 기능을 제공하지 않지만 유체가 자유롭게 흐를 수 있는 개구의 네트워크가 제공된다. 언급된 바와 같이, 필터 매체(120)는 제 2 측면(146) 상에 위치된 제 2 필터 매체 디스크(154) 및 제 1 측면(144) 상에 배열된 제 1 필터 매체 디스크(150)와 같이 제공된다. 제 1 및 제 2 필터 매체 디스크(150, 154) 각각은 외측 원주 엣지(151, 155)와 내측 원주 엣지(152, 156)를 각각 포함한다. 일부 실시 형태에서, 엣지 시일(edge seal, 150)은 제 1 및 제 2 필터 매체 디스크(150, 154)의 외측 원주 엣지(151, 155)들을 연결한다. 전형적으로, 내측 원주 엣지(152, 156)는 세퍼레이터 요소(140)의 중심 코어(142)에 연결된다.

전형적 응용예에서, 필터 매체(120)의 다운스트림 표면은 세퍼레이터 요소(140)에 근접하게 위치된다. 필터 매체(120)는 그래프팅된 부직 기판(122)을 포함한다. 도시된 실시 형태에서, 필터 매체(120)는 마이크로다공성 막 층(124)과 함께 그래프팅된 부직 기판(122)을 포함한다. 전형적으로, 마이크로다공성 막 층(124)은 그래프팅된 부직 기판(122)의 다운스트림에 위치된다.

도 8을 참조하면, 필터 캡슐(110) 및 필터 캡슐(110)에 연결된 필터 캡(112)을 포함한, 예시적인 필터 장치(100)가 도시된다. 도시된 바와 같이, 필터 캡(112)은 유체 입구(114) 및 유체 출구(116)를 포함한다. 필터 매체(120)는 필터 캡슐(110) 내에서 캡슐화되고, 유체 입구(114)와 유체 출구(116)를 유체연결한다.도 8의 단면도에 도시된 바와 같이, 필터 매체(120)는 다수의 주름(126)을 포함한 제 1 매체 실린더(130) 내로 형성된다. 필터 장치 및 필터 장치를 제조하는 방법의 예는 예를 들어, 미국 특허 제6,458,269호(바세트(Bassett) 등)에서 찾을 수 있다. 다수의 주름을 포함한, 실린더 내에 형성된 필터 매체의 예는 예를 들어, 미국 특허 제6,315,130호(올슨(Olsen))에서 찾을 수 있다.

일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은 필터 캡슐을 포함한 필터 카트리지와 필터 캡슐에 연결된 필터 캡을 제공하며, 필터 캡은 유체 입구 및 유체 출구를 포함하고, 필터 매체는 필터 캡슐 내에서 캡슐화된다. 일부 실시 형태에서, 필터 장치의 필터 캡은 유체 입구 및 유체 출구를 포함하고, 필터 매체는 필터 캡슐 내에서 캡슐화된다. 일부 실시 형태에서, 필터 매체는 그래프팅된 부직 기판의 다운스트림에 위치된 마이크로다공성 막 층을 추가로 포함한다.

따라서, 본 발명의 개시내용은 유체 입구, 유체 출구 및 유체 입구와 유체 출구를 유체연결하는 필터 매체를 포함한 필터 장치를 제공하고, 필터 매체는 그래프팅된 부직 기판을 포함한다. 일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은 세퍼레이터 요소(140)와 엣지 시일(150)을 추가로 포함한 필터 장치를 제공하며, 세퍼레이터 요소는 유체 입구와 유체연통된 중심 코어(142), 제 1 측면(144) 및 제 2 측면(146)을 포함하고, 필터 매체는 외측 원주 엣지(151)와 내측 원주 엣지(152)를 가지며 세퍼레이터 요소의 제 1 측면 상에 위치된 제 1 매체 디스크(150) 및 외측 원주 엣지(155)와 내측 원주 엣지(156)를 가지며 세퍼레이터 요소의 제 2 측면 상에 위치된 제 2 매체 디스크(154)를 포함하고, 제 1 및 제 2 매체 디스크의 외측 원주 엣지들은 엣지 시일에 의해 연결되고, 제 1 및 제 2 매체 디스크의 내측 원주 엣지는 중심 코어에 연결된다.

도 9는 도 8에 도시된 필터 장치(100)의 일 실시 형태의 단면도를 도시하고, 여기서 필터 매체(120)는 다수의 주름(126)을 포함한 제 1 매체 실린더(130) 내에 형성된다. 도시된 실시 형태에서, 필터 매체(120)는 마이크로다공성 막 층(124)과 함께 그래프팅된 부직 기판(122)을 포함한다. 전형적으로, 마이크로다공성 막 층(124)은 그래프팅된 부직 기판(122)의 다운스트림에 위치된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 필터 장치(100)는 선택적으로 제 1 매체 실린더(130) 내에 위치된 제 2 매체 실린더(132)를 포함한다.

이러한 실시 형태에서, 제 2 매체 실린더(132)는 다수의 주름을 포함할 수 있다. 다수의 주름을 포함한 내측 및 외측 매체 실린더를 포함하는 필터 모듈의 예는 예를 들어, 미국 특허 공개 번호 제2009/0020472 A1호(루카스(Lucas) 등)에서 찾을 수 있다.

따라서, 일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은 필터 장치를 제공하며, 여기서 필터 매체는 그래프팅된 부직 기판의 다운스트림에 위치된 하나 이상의 마이크로다공성 막 층을 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은 필터 장치를 제공하고, 여기서 필터 매체는 다수의 주름을 포함한다.

일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은, 액체로부터 미립자 오염물을 제거하기 위한 필터 장치를 제공하는데, 필터 장치는 상측 벽, 바닥 벽, 상측 벽과 바닥 벽 사이에서 연장된 통상적으로 원통형의 측면 벽, 그래프팅된 부직포를 포함한 하우징 내에 배열된 필터 요소 및 필터 요소(그래프팅된 부직포)를 통과하는 액체 흐름 경로를 획정하는 입구 및 출구를 갖는, 하우징을 포함한다. 액체 흐름 경로는 입구에 인접한 업스트림 부분 및 출구에 인접한 다운스트림 부분을 가지며, 이에 따라 유체는 (그래프팅된 부직포)를 통해 흐른다. 필터 요소는 또한 (그래프팅된 부직포)의 다운스트림에 있을 수 있는 마이크로다공성 막을 포함할 수 있으며, 이에 따라 유체는 입구로부터 그래프팅된 부직포와 마이크로다공성 막을 통해 출구로 흐른다.

도 10은 도 8에 도시된 바와 같이 필터 장치(100)의 대안의 실시 형태의 단면도를 도시하며, 여기서 필터 장치는 코어(160)를 추가로 포함하고, 필터 매체(120)는 코어(160) 주위에 나선형으로 권취된다. 코어(160)는 전형적으로 여과 기능을 제공하지 않지만 유체가 자유롭게 흐를 수 있는 개구의 네트워크가 제공된다. 나선형으로 권취된 필터 카트리지 및 나선형으로 권취된 필터 카트리지의 제조 방법의 예는 예를 들어, 미국 특허 제6,391,200호(푸렉(Pulek) 등)에서 찾을 수 있다. 도시된 실시 형태에서, 필터 매체(120)는 마이크로다공성 막 층(124)과 함께 그래프팅된 부직 기판(122)을 포함한다. 전형적으로, 마이크로다공성 막 층(124)은 그래프팅된 부직 기판(122)의 다운스트림에 위치된다. 일부 실시 형태에서, 배출 층(drainage layer)이 나선형으로 권취된 필터 매체(120)의 인접한 층들 사이에서 유체 흐름을 용이하게 하기 위해 추가로 제공될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 본 발명의 개시내용은 코어(160)를 포함한 필터 장치를 제공하며, 여기서 필터 매체는 코어 주위에 나선형으로 권취된다.

일부 실시 형태에서, 기능화된 부직 기판은 마이크로다공성 막과 같은 종래의 필터 요소와 조합될 수 있다. 특히, 본 발명의 기능화된 부직 기판의 하나 이상의 층을 포함하는 필터는 추가 다운스트림 필터를 포함하고, 다운스트림 처리를 보호하거나 또는 오염물을 제거하기 위한 "예비 필터(prefilter)"로서 제공될 수 있다. 단클론 항체(monoclonal antibody) 제조의 경우, 본 발명의 기능화된 부직포는 세포 부스러기, 응집체, DNA 조각, 및 숙주 세포 단백질(host cell protein)로 쉽사리 막히는(clog) 더 미세한 다운스트림 마이크로다공성 여과 막을 보호하는 예비 필터로서 제공될 수 있다. 미세한 크기의 차단 막은 막의 다운스트림에 위치된 패킹된 단백질 A 칼럼(packed Protein A column)의 간극 간격 경로와 분리 매체의 기능을 보장하기 위해 제공된다.

마이크로다공성 막은 생물학적 오염물로 신속히 파울링되는(foul) 것으로 알려졌으며, 이에 따라 종종 통상적으로 심층 필터(depth filter)로 불리는 예비 필터가 요구된다. 본원에 기재된 기능화된 부직 기판은 현재의 셀룰로오스/규조토 심층 필터와 효과적으로 대체될 수 있다. 기능화된 부직 기판이 마이크로다공성 막을 보호할 것이기 때문에, 매체 아래에서 절대적 기공 크기 등급을 포함한 마이크로다공성 막이 함께 사용되는 것이 선호되며, 이에 따라 마이크로다공성 막의 유효 수명이 늘어나고, 차례로 막은 그래프팅된 부직포의 더 긴 유효 수명을 허용하는 개방 하이드로겔 네트워크로부터의 임의의 돌파 오염물을 포획할 것이다(여과액의 탁도 감소에 의해 측정된 바와 같이).

여과에 사용될 때, 오염물 및 관심의 생물학적 샘플을 함유하는 유체는 둘을 분리하는 반응성 기능화된 부직 용품을 통과할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 오염물은 그래프팅된 중합체 하이드로겔 네트워크 내에 보유되며, 관심의 생물학적 샘플은 통과할 것이다. 그래프팅된 중합체 하이드로겔의 간극 기공 또는 공극은 "트리거"(예를 들어, 이온 세기, 극성 유기 또는 무기종, 몰라세, 염, 완충제, 단백질, 세포 부스러기, 바이러스, 등)의 존재 또는 유체의 생물학적 오염물에 반응하여 변화될 수 있다. 깨끗한 물 플럭스(트리거가 없음)는 고 배압 상태에서 낮은 것으로 관찰되었다. 수압이 증가되면 하이드로겔은 붕괴되거나 압축되어 플럭스를 추가로 감소시킨다. 이러한 붕괴 또는 압축은 z 방향 평균 유동 경로를 줄이고 생물학적 오염물을 축적하기 위한 보유 체적을 감소시킴으로써 체재 시간을 추가로 단축시킨다. 따라서, 그래프팅된 부직포는 저압에서 우수하게 기능을 하여 이른 여과 단계 동안에 임의의 전단 민감 단백질에 대한 전단을 감소시킨다.

본원에 기재된 중합체 그래프팅된 부직 용품은 이의 팽창된 매트릭스 전체에 걸쳐서 생물학적 유체 상으로부터의 불용성 오염물과 미립자를 보유할 수 있다. 일부 소량의 극성 "트리거"가 존재할 때, 수압은 재빨리 떨어진다. 각각의 4차 암모늄 단량체 단위는 그래프팅된 중합체 쇄 내에서 점 전하로서 제공되며, 전체적으로 물로 이루어진 이온성 전기 이중층, 수화 층에 의해 둘러싸이는 것으로 여겨진다. 이는 물 플럭스에 저항하는 "전단 반경"을 형성하고, 수압으로부터 부직 하이드로겔 네트워크를 압축하기 위해 제공된다. 이온성의 작은 차이로 인해 증가된 플럭스를 허용하는 이중 층의 내측 및 외측 쉘의 붕괴가 야기된다. 여과 중에 "트리거"에 노출된 후 배압이 감소될 때, 부직포 구조물은 수압의 부족으로 인해 재차 팽창될 수 있다.

여과 응용예에서, 단백질과 같이 자연적으로 발생되는 거대 분자는 완충 용액의 pH와 단백질의 pKa로 인해 수중에 분산 시 전하(오염물과 같이 음)를 획득한다. 예를 들어, 음으로 하전된 세포 부스러기는 하이드로겔에 대한 전하-친화성에 의해 바인딩되어 양으로 하전된 단클론 항체(mAb)와 같은 이러한 독립체의 통과가 허용된다. 보다 많은 물질이 필터의 깊은 부분을 점진적으로 통과하고, 세포 부스러기와 같은 음으로 하전된 오염물이 포획되고 단클론 항체와 같은 양으로 하전된 물질은 통과함에 따라 불연속적인 겔이 붕괴된다. 이는 필터 요소의 동적 용량(dynamic capacity)에 도달될 때까지 지속된다.

생체 여과 응용예에서, 고 여과 압력은 단백질의 전단 및 그 후의 변성을 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 깨끗한 물을 펌핑함으로써 발생된 과도한 압력은 흐름을 심지어 보다 더 구속하고 바람직하지 못하게 만드는 수압 하에서 팽창된 부직포를 붕괴되게 할 수 있으며, 이는 생물학적 오염물을 축적하기 위한 보유 체적이 감소되고 z 방향 평균 흐름 경로가 감소됨으로써 친화성 체제 시간이 단축되기 때문이다. 이러한 이유로, 본 발명의 용품은 더 낮은 여과 압력에서 이의 팽창된 매트릭스 전체에 걸쳐 이동상(mobile phase)으로부터 미립자와 불용성 오염물을 보유할 수 있게 된다.

본 발명의 중합체-기능화된 부직 용품은 용품의 수명에 걸쳐서 과도한 압력이 형성됨이 없이 오염물을 적재할 것이다. 필터 매체 내의 정상 파울링 메커니즘은 매체가 이동상으로부터 미립자를 걸러낼 때에 존재하며, 미립자는 매체의 주 표면상에 또는 기공 내에서 굳어질 수 있다. 그 뒤, 플럭스는 감소되고, 압력이 형성되어 이는 케이크 층이 압축될 수 있다면 악화될 수 있다. 본 발명의 중합체-기능화된 부직 용품에 따라, 오염물이 케이킹(caking) 또는 압축으로부터의 파울링에 저항하는 매트릭스 내로 용이하게 분산되는 불연속적 하이드로겔 매트릭스에 대해 오염물이 부딪힐 수 있다. 오염물이 첨가됨에 따라, 하이드로겔 중합체 텐드릴 상에서 오염물의 적재 및 흡착으로부터 부직포의 간극 공간 내에 더 큰 공간이 얻어진다.

생체분리 응용예에서, 통상적으로 "정상 흐름" 여과는 일정 속도 또는 일정 압력 모드 중 하나로 수행된다. 일정 속도 모드에서, 유체의 설정 체적은 펌프로부터 전달되며, 필터 내의 압력은 필터가 파울링됨에 따라 증가될 수 있으며, 여과 공정은 목표 단백질을 온전한 상태로 유지시키기 위한 정상 압력값, 일반적으로 약 206.8 kPa (30 psi) 이하에서 중단된다. 일정 압력 모드에서, 설정 압력은 유체에 인가되어, 전달 속도가 0 또는 실시되기에 낮아질 때까지 유체가 흐르게 되고, 여과 공정이 중단된다. 낮은 곳에서 높은 곳으로 친화성 크로마토그래피에서 사용되는 전형적 흐름 속도는 약 50 내지 600 LMH(미터²-시간)이거나 또는 전방 유체 속도는 0.08 내지 1 ml(분-cm²)이며, 47 mm 시험 하우징은 약 13 cm²의 사용가능한 표면적을 가져서 13 ml/분의 속도는 상업용 절차에서 사용되는 언급된 높은 600 LMH에 대한 등가 성능이다. 층의 개수, 각 층의 두께, 섬유 크기 및 그래프팅의 양에 의존하여, 본 발명의 깨끗한 물 플럭스는 1 ml/(분-cm²)(13 ml/분)에서 517.1 kPa(75 psi) 정도로 높은 것으로 관찰된다. 극성 트리거의 도입은 이 압력이 6.9 kPa (1 psi) 미만으로 감소되도록 할 것이다. 깨끗한 물로 완충제(트리거로서 제공됨)를 플러싱함에 따라 더 높은 압력으로 복귀된다.

본원에 기재된 중합체 그래프팅된 부직 기판은 대칭 또는 비대칭 마이크로다공성 막(그래디언트 다공성(gradient porosity)을 갖는)을 포함한 마이크로다공성 막과 이러한 막의 단일 또는 다수의 층과 조합될 수 있다. 유용한 마이크로다공성 막은 나일론, 폴리에테르 설폰, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리프로필렌, 에틸렌-트라이클로로플루오로에틸렌으로부터 제조된 것, 단일 층, 다수의 층 및 등등을 포함한다. 바람직하게는, 이 막은 친수성이다. 마이크로다공성 막은 0.01 내지 150 ㎛, 바람직하게는 0.1 내지 100 ㎛의 대칭 기공 크기 범위와 25 내지 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 그래프팅된 부직 기판은 0.01 내지 150 ㎛의 그레디언트 평균 기공 크기를 갖는 비대칭 마이크로다공성 막과 조합될 수 있다. 그 외의 다른 실시 형태에서, 마이크로다공성 막의 다수의 층은 15 내지 0.02 ㎛, 바람직하게는 10 내지 0.8 ㎛와 같은 연속적으로 더 정교한 다공성과 75 내지 1200 ㎛의 총 두께를 갖는 각각의 층과 공동으로 사용될 수 있다. 대칭 및 그래디언트 다공성 모두를 갖는 마이크로다공성 막의 다수의 층들이 조합하여 사용될 수 있다. 게다가, 마이크로다공성 막은 중합체 그래프팅되어 친수성, 소수성 또는 전하 결합 능력과 같은 이의 표면 특성이 변화될 수 있다.

게다가, 그래프팅된 부직 기판의 하나 이상의 층은 마이크로다공성 막의 하나 이상의 층과 조합될 수 있다. 예를 들어, 그래프팅된 부직 기판의 1 내지 5개의 층이 마이크로다공성 층(들)과 조합될 수 있다. 그래프팅된 부직 기판의 각각의 층은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 층은 특정 부직 기판, 부직 기판의 두께, 이 내에 사용된 중합체, 섬유 크기, 다공성, 공극 체적, 로프트, 인장 강도, 표면적, 그래프팅 중량 또는 밀도, 중합체 그래프팅의 정도 및/또는 그래프팅 중합체 내의 단량체 농도의 관점에서 동일하거나 또는 상이할 수 있다.

유용한 상용 막의 예는 쿠노 인코포레이티드(CUNO Inc.)(코네티컷, 메리던 소재)로부터 입수가능한 라이프어슈어(LifeAssure™) 또는 스터슈어(SterAssure™) 캐스트 나일론 마이크로다공성 막을 포함한다. 유용한 마이크로다공성 막은 제U.S. 6,413,070호, 제6,513,666호, 제6,776,940호, 제6,056,529호 및 제6,264,044호(메이어링(Meyering) 등), 제U.S. 5,006,247호(데니슨(Dennison) 등), 제U.S. 3,876,738호(마리나치오(Marinaccio) 등), 제U.S. 4,707,265호(바네스(Barnes) 등) 및 제U.S. 4,473,474호(오스트레이쳐(Ostreicher) 등)에 개시된다. 유용한 그래프트 중합체 기능화된 마이크로다공성 막은 2008년 12월 23일자에 출원된 제PCT/US2008/088106호에 개시된다.

그래프팅된 부직포와 마이크로다공성 막의 조합은 마이크로여과 막을 보호할 것이며, 이에 따라 마이크로여과 막의 유효 수명이 연장되고, 막은 그래프팅된 부직포의 효율을 향상시키는 개방 하이드로겔 네트워크를 통과하는 임의의 돌파 오염물을 포획할 것이다. 오염물은 탁도 감소, UV, DNA 정량(DNA quantitation) 및 엘리사(ELISA) 방법을 포함한 당업계게 공지된 기술을 사용하여 측정될 수 있다.

다양한 생체분리 방법은 단백질 A 칼럼에 따른 포획 단계 이전에 0.2 ㎛ 멸균 등급의 마이크로다공성 막을 사용한다. 막 표면에서 미립자 크기 배제로 작용하는, 이러한 두 가지 치수의 막은 원심 분리 바로 직후에 형성된 상당히 오염된 생물학적 처리 공급-스트림으로 빠르게 막히게 되어, 통상 심층 필터로 불리는 예비-필터가 필요하다. 연속 디스크-스택 유형의 원심 분리기를 사용하는 원심 분리는 상당한 체적 정화를 위한 제 1 단계로서 폭 넓게 채택된다. 가장 효과적인 원심 분리기는 전술된 세포 배양, 용해 및 수확 공정으로부터 모든 세포 구성체를 효과적으로 제거하지 못한다. 따라서, 용해성 및 불용성 오염물(세포 부스러기, 성장 매체 성분, DNA 및 용해성 숙주 세포 단백질과 같은)을 제거하여 분리의 품질을 향상시키고(다운스트림 단백질 A 칼럼에서와 같이), 보호 멸균 등급 막이 이르게 파울링되는 것을 방지하기 위한 심층 필터의 필요성이 존재한다.

중합체 기능화된 부직 기판은 매체 내에서, 즉 매체의 업스트림 표면과 다운스트림 표면 사이에서 오염물을 포획하는 심층 필터 응용예에 이상적으로 적합하다. 향상된 여과 효율을 제공하는 흡착성 심층-유형의 필터 모듈 내에서 용품은 높은 매체 패킹 밀도를 제공한다. 용품은 더 높은 흐름 속도(플럭스)를 제공하는 흡착성 심층-유형의 필터 모듈 내에서 주어진 매체 질량에 대해 증가된 표면적을 추가로 제공한다. 전형적으로, 고 플럭스와 고 효율의 이들 선호되는 필터 특성을 구현하는 중간에 트레이드-오프(trade-off)가 있다. 그러나, 본 발명의 기능화된 부직 기판은 플럭스를 저하시키지 않고 높은 매체 패킹 밀도를 갖는 심층-유형의 필터 모듈을 제공한다.

중합체 기능화된 부직 기판은 흡착, 분산 및 충돌 메커니즘에 의해 지배적으로 작용하고, 이에 따라 크기 배제, 트래핑(trapping) 및 흡착의 조합으로 작동되는 종래의 심층 필터와는 상이한 것으로 여겨진다. 예비-층으로서 본 발명의 그래프팅된 부직포의 장점은 예비-층이 오염물 종의 범위에 따라 예비-층의 깊이 전체에 대해 완전히 이용되는 것이다. 크기 배제, 트래핑 및 흡착의 조합에 의해 작동되는 종래의 심층 필터는 상측 층에서 특정 오염물이 필연적으로 메워지며, 매체의 깊이는 완전히 사용되지 않을 것이다.

실시예

달리 표시되지 않으면, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서 모든 부, 백분율, 비 등은 중량을 기준으로 하고, 실시예에 이용된 모든 시약들은 예를 들면 미국 미주리주, 세인트 루이스 소재의 시그마 알드리치 컴퍼니(Sigma-Aldrich Company)와 같은 일반적인 화학약품 공급자들로부터 입수 또는 획득되었거나 아니면 종래의 방법에 의해 합성될 수 있다.

뒤이은 용액들과 시험 절차는 본 발명의 막을 평가하기 위해 사용되었다.

완충 용액.

8그램의 소듐 클로라이드, 0.2 그램의 포타슘 클로라이드, 1.44 그램의 다이베이직 소듐 포스페이트, 및 0.21 그램의 소듐 포스페이트 모노하이드레이트를 21℃에서 800 밀리리터(mls.)의 탈이온(DI) 수를 수반하는 메스 실린더(graduated cylinder)에 첨가함으로써 1-리터의 완충 용액이 제조된다. pH는 필요에 따라 염산 또는 소듐 하이드록사이드 용액을 사용하여 6.8 내지 7.4의 범위로 조절되었고, 그 후 체적은 탈이온(DI) 수로 1 리터로 조절되었다.

1X 이스트/몰라세 공급재료.

공급재료는 250 ml의 완충 용액에 20 그램의 브루어(Brewer)의 이스트를 첨가하여 21℃에서 30 분 동안 교반함으로써 제조되었다. 혼합물은 2 분 동안 고속-전단 믹서를 사용한 후 7.5 와트의 소닉 혼 설정으로 초음파 발생기(sonicator)(에스피 인더스트리스 컴퍼니(SP Industries Company)로부터의 VIRTIS VEIRSONIC 600)(뉴욕, 가드너 소재)를 사용하여 10 분 동안 초음파 분해함으로써 추가로 혼합되었다. 대략 33 mL의 초음파 분해된 이스트 용액은 5 분 동안 3000 rpm으로 원심 분리되어 이스트 상청액(yeast supernatant)이 형성되었다. 25 ml의 상청액이 1-리터의 메스 실린더 내로 옮겨 따라졌다. 2 그램의 몰라세가 상청액에 첨가되었고, 상청액은 1 리터의 완충 용액으로 희석되고 그 뒤 균일한 공급재료가 형성될 때까지 교반되었다. 공급재료는 약 26의 네펠오미터 탁도 단위(Nephelometric Turbidity Unit)(NTU)의 평균 탁도를 가졌다. 브루어 이스트로부터의 로트간(lot to lot) 변화로 인해 이들 절차 이후 탁도가 상당히 변화될 수 있다는 것을 인지해야 한다.

2X 이스트/몰라세 공급재료.

이 공급재료는, 원심 분리기로부터 25 mls의 상청액 대신에 50 mls의 상청액이 1-리터의 메스 실린더 내로 옮겨 따라진다는 것을 제외하고, 1X 이스트/몰라세 공급재료를 제조하기 위해 사용된 동일한 공정에 따라 제조되었다. 몰라세들의 농도는 동일하게 유지되었다. 이 공급재료는 약 48 NTU의 평균 탁도를 가졌다.

몰라세만의 공급재료.

6 그램의 몰라세가 1 리터의 탈이온 수에 첨가되어 균질해질 때까지 혼합되었다. 공급재료의 평균 탁도는 약 14 NTU이었다.

여과 시험 I.

여과 실험을 수행하기 위해 마스터플렉스(MASTERFLEX) 펌프 헤드 및 구동 유닛(콜-파머(Cole-Parmer), 일리노이 소재)이 사용되었다. 유동 관통 셀(flow through cell)을 포함한 해치 터비디미터(Hach Turbidimeter)(해치 컴퍼니(Hach Company), 콜로라도, 러브 랜드 소재)를 사용하여 다운스트림 탁도 측정치가 수득되었다.

쿠노, 인코포레이티드(CUNO, Inc.)로부터 상용 입수가능한 뒤이은 다-구역 나일론 막은, 하기의 순서에 따라서 47 밀리미터의 필터 홀더(쿠노, 인코포레이티드)의 하측 프릿에서 가장 큰 기공 크기가 위를 향한 상태로 배치되었다: 스터어슈어 그레이드 피에스에이020(STERASSURE GRADE PSA020)(기공 구조물 0.65 ㎛/0.65 ㎛/0.2 ㎛/0.2 ㎛/0.65 ㎛/0.65 ㎛);

라이프어슈어 그레이드 비엘에이045(LIFEASSURE GRADE BLA045)(기공 구조물 2.5 ㎛/0.8 ㎛/0.45 ㎛);

라이프어슈어 비엘에이080(LIFEASSURE BLA080)(기공 구조물 2.5 ㎛/2.5 ㎛/0.8 ㎛).

3개의 47 mm 디스크가 그래프팅된 부직 시험 샘플로부터 천공되었고(실시예 1에 기재됨) 막의 상측에서 필터 홀더 내로 적재되었으며, 이에 따라 그래프팅된 부직 기판은 필터 홀더 내의 업스트림에 있었다. 그 뒤, 필터 홀더의 o-링은 함께 클램핑된 필터 홀더와 그래프팅된 부직 용품의 상측에 배치되었다. 그 뒤, 필터 홀더는 탈이온 수로 충전되었고, 그래프팅된 부직포는 평형 상태에 도달될 때까지 약 10 분 동안 팽창될 수 있었다. 필터 홀더는 상측 입구를 통해 물이 비워졌으며, 그 뒤 몰라세 공급재료(수프라)가 충전되었다. 몰라세 공급재료는 13 mL/분의 일정한 흐름 속도로 펌핑되었고, 172.4 킬로파스칼(kPa)(인치 제곱당 25 파운드(psi))의 시험 압력(psi)에 도달될 때까지 체적 출력과 압력 데이터가 기록되었다.

여과 시험 II.

여과 시험 II은 통상적으로 여과 시험 I에 기재된 바와 유사한 공정을 수반하였고, 여기서 마스터플렉스(MASTERFLEX) 장치는 필터-테크 3- 압력 구역(FILTER-TEC 3-pressure zone), 데드-엔드 여과 시스템(dead-end filtration system) 및 소프트웨어가 대체되었고(시로그, 인코포레이티드(Scilog, Inc.), 위스콘신, 미들턴 소재), 여과 시스템은 측정 및 시험을 위한 3개의 압력 구역으로 분할되었다.

압력 구역 1(P1)은 3개의 쿠노 스테인리스 스틸 필터 홀더 내에 보유된 그래프팅된 부직 기판의 6개의 디스크(하기의 실시예에서 기술됨)를 보유하였다(홀더 당 2개의 디스크). 압력 구역 1은 입구 유체 스트림에 바로 인접한 여과 조립체 내에서의 최상측 또는 업스트림 층이다.

압력 구역 2(P2)은 47 mm 스테인리스 스틸 필터 홀더(폴 코포레이션(Pall Corporation)(뉴욕, 이스트 힐 소재)으로부터 입수된 Part No. 2220) 내에서의 D4, D5 또는 D6 막으로서 하기에서 기재된 나일론 마이크로다공성 막을 보유하였다. 실시예 4, 5 및 9에서, D4 마이크로다공성 막은 D5 막의 상측에 배치되었고, 이에 따라 D4의 작은 기공 영역 층은 D5의 큰 기공 영역 층에 인접하였고, D4의 큰 기공 영역은 입구 유체 스트림을 대향하였다. 이들은 모두 단일의 폴 라이프(Pall Life) 막 홀더 내로 배치되었다. 압력 구역 2는 압력 구역 1의 다운스트림 및 이에 바로 인접한 여과 조립체 내의 중간 층이다.

압력 구역 3(P3)은 0.2 ㎛의 수포-200(SUPOR-200) 막(폴 코포레이션)을 보유하였다. 압력 구역 3은 압력 구역 2에 바로 인접한 여과 조립체 내의 하측 층이다. 압력 구역 3은 압력 구역 2에 바로 인접한 여과 조립체 내의 바닥 층이다.

실시예에 설명된 바와 같이, 이스트/몰라세 공급재료(1X 또는 2X)는 172.4 kPa (25 psi)의 압력이 압력 구역들 중 임의의 하나의 압력 구역에 도달되어 질 때까지 13 또는 15 mls./분의 일정한 흐름 속도로 펌핑된다.

필터-테크 시로그(FILTER-TEC Scilog) 여과 설비를 사용하여, 3가지의 압력 구역이 사용된다. 압력 구역 1(Pl)은 그래프팅된 부직 기판 층(들)을 모니터링한다. 압력 구역 2(P2)는 그래프팅된 나일론 마이크로다공성 막(들)(D4, D5 또는 D6)의 압력을 모니터링한다. 압력 구역 3(P3)은 폴(Pall) 0.2 미크론 멸균 등급 필터를 모니터링한다. 홀더 모두는 일렬로 연결되고, 이러한 형상에 따라 3가지의 압력 구역을 독립적으로 모니터링할 수 있다. 시로그(Scilog) 설비는 일정한 흐름 속도로 설정되는 동시에 압력 및 체적 출력 데이터는 자동적으로 표로 나타내어진다. 시험 절차는 임의의 압력 구역에 대해서 172.4 kPa(25 psi)의 압력에 도달될 때 종료된다.

정적 단백질 흡수 시험.

정적 결합 용량이 소 혈청 알부민 단백질(BSA)의 UV 흡수를 측정함으로써 계산되었다. BSA 용액, 4 mg/ml의 BSA, 등급 A7030(98%+ 순도), 3-(4-몰포리노) 프로판설폰산(MOPS)의 50 그램의 pH 8로 완충된 10 밀리몰라(mM) 용액이 제조되었다. UV 분광 광도계 측정치가 280 nm에서 피크 흡수 높이를 수득하기 위하여 개시 BSA 유체로부터 입수되었다. 그 뒤, 40 ml의 BSA 완충 용액이 50 ml 바이알 내로 충전되었다. 그래프팅된 부직 기판의 47 mm 디스크가 바이알 내로 추가되고, 덮여져서 아이오와, 더뷰크 소재의 바른슈테드 인터내셔널(Barnstead International)로부터의 분체 혼합기(모델 VARI-MIX(바리-믹스))에서 대략 12 시간 동안 분체된다. BSA 시험 유체의 샘플은 바이알로부터 피펫으로 옮겨져서 UV 분광 광도계의 큐벳 내로 적재되어 측정치가 수득된다. 밀리리터당 밀리그램(mg/ml)으로서 기록되는 BSA 정적 결합 용량은 이전 및 이후의 시험 용액의 UV 분광 광도계 측정치를 사용하여 개시 피크 높이로부터 280 nm의 파장에서 나머지 피크를 감산함으로써 계산된 원래의 흡수 높이의 퍼센트로부터 얻어진다.

나일론 부직 기판 A의 제조.

멜트블로운 부직 기판을 제조하기 위해 B-24K™ 나일론-6 중합체(BASF 코포레이션 엔지니어링 플라스틱스(BASF Corporation Engineering Plastics), 미시건, 와이언덧 소재)가 사용되었다. 용융 온도는 295℃이었고, 규격 멜트블로잉 드릴링된 오리피스 다이(meltblowing drilled orifice die)에서 질량 흐름 속도는 0.25 그램/홀/분이다. 섬유를 가늘게 하기 위해, 다이 폭(미터)당, 분당 27.8 입방 미터(CMM)(SCFM)(분당 975 입방 피트) 및 350℃의 고온의 공기가 사용되었다. 분당 1200 미터(m/min)의 충돌 시의 면 속도로 섬유들이 유공성 스테인리스 스틸 벨트 상에서 다이로부터 0.30 미터에 수집되었고, 0.14 초 동안 137 m/분의 면 속도로 웨브를 통해 흡입된 200℃의 공기 하에서 결합되었고, 그 후 0.8 초 동안 동일한 면 속도로 29℃의 냉각 공기가 수반되었다. 수집된 웨브 평량은 제곱 미터당 48 그램이었고, 4.1 ㎛의 유효 섬유 직경을 가졌다. 수집된 웨브는 웨브의 선형 센티미터당 170 뉴턴의 닙 압력(N/lcm)으로 1.5 m/분으로 이동하는 82℃로 설정된 2개의 25 cm 직경의 평활한 스틸 롤들 사이에서 캘린더링 전에 0.4 mm의 두께를 가졌다. 결과적인 웨브 두께는 0.25 mm이었다.

나일론 부직 기판 B.

나일론 부직 기판(B)이 통상적으로 기재된 공정에 따라 제조되어 나일론 부직 기판(A)을 형성하였고, 여기서 B-3™ 나일론-6(BASF 코포레이션)이 B-24K를 대신하여 사용되었다. 용융 온도는 265℃이었고, 규격 멜트블로잉 드릴링된 오리피스 다이에서 질량 흐름 속도는 0.25 그램/홀/분이다. 섬유를 가늘게 하기 위해, 350℃의 온도에서 1000 SCFM(다이 폭의 미터당 28 CMM)에서의 고온의 공기가 사용되었다. 섬유들은 유공성 스테인리스 스틸 벨트 상의 다이로부터 떨어져 0.43 미터에 수집되었고, 0.14 초 동안 137 m/분의 면 속도로 웨브를 통해 흡입된 200℃의 공기 하에서 결합되었고, 그 후 0.8 초 동안 동일한 면 속도로 29℃의 냉각 공기가 수반되었다. 수집된 웨브는 제곱 미터당 50 그램이었고, 5.8 미크론의 유효 섬유 직경을 가졌다. 수집된 웨브는 웨브의 선형 센티미터당 176 뉴턴의 닙 압력으로 1.5 m/분으로 이동하는 82℃로 설정된 2개의 25 cm 직경의 평활한 스틸 롤들 사이에서 캘린더링 전에 0.81 mm의 두께를 가졌다. 결과적인 웨브 두께는 0.25 mm이었다. 결과적인 웨브 두께는 0.25 mm이었다.

에틸렌 비닐 알코올 공중합체(EVAL) 부직 기판 C.

EVAL 부직 기판(C)은 통상적으로 기재된 공정에 따라 제조되어 나일론 부직 기판(A)을 형성하였으며, 포발(POVAL) C109B 에발(EVAL) 중합체 펠릿(쿠라레이 어메리카, 인코포레이티드(Kuraray America, Inc.), 텍사스, 휴스턴 소재)이 B-24K을 대신하여 사용되었고, 천공된 드럼은 수집기로서 유공성 스테인리스 스틸 벨트를 대신하였다.

부직 기판은 240℃의 용융 온도와 0.35 g/홀/분의 질량 흐름 속도에서 제조되었다. 분당 다이 면의 미터당 101.3 kN/m²(101.3 kPa(1 기압))에서 0℃에서 공기의 4.5 입방 미터와 등가의 속도로 전달되며 285℃로 가열되는 고온의 공기가 섬유를 가늘게 하기 위해 사용되었다. 섬유는 천공된 드럼 수집기를 사용하여 다이 면으로부터 17 cm에 수집되어서 웨브를 제조하였다.

제조된 부직 기판은 12.6 ㎛의 유효 섬유 직경을 가졌다. 웨브는 약 50 gsm의 평량과 0.6 mm의 두께를 가졌다. 그 뒤, 웨브는 선형 센티미터당 105 뉴턴의 롤들 사이의 닙 압력으로 1.5 m/분으로 이동하는 60℃의 온도로 0.04 mm로 설정된 간격을 포함한 2개의 25 cm 직경의 평활한 크롬 스틸 롤들 사이에서 캘린더링되었다. 결과적인 웨브 두께는 0.33 mm이었다.

나일론 마이크로다공성 막 D1-D6.

3개의 구역, 보강된 비대칭 마이크로다공성 나일론 막이 미국 특허 제6,776,940호(메이어링(Meyering) 등)에 기재된 공정을 사용하여 제조되었다. 기재된 바와 같이, 단일의 기부 중합체 도프 제형은 3개의 부분으로 분할되었고, 3-웨이 열적 조작 장치에 제공되었다. 도프 제형은 3가지의 상이한 온도로 가열되어 3가지의 개별적인 구역을 구현하였다. 사용된 각각의 온도는 비대칭 마이크로다공성 막을 형성하기 위한 각각의 구역 내에서 기공 크기를 형성하도록 선택되었다. 제 1 구역(상측 구역)은 가장 큰 기공 크기를 가졌고, 제 2(중간) 구역은 중간 기공 크기를 가졌고, 제 3 구역(하측 구역)은 가장 작은 기공 크기를 가졌다. 막은 3개의 연속 점진적으로 더 작은 기공 크기 배제 구역을 갖는 단일의 층이었다.

D1 마이크로다공성 막은 대략 0.45, 0.30, 및 0.20 ㎛의 3개의 구역에 대한 평균 기공 크기를 가졌다.

D2 마이크로다공성 막은 대략 1.0, 0.8, 및 0.65 ㎛의 3개의 구역에 대한 평균 기공 크기를 가졌다.

D3 마이크로다공성 막은 대략 5.0, 2.4, 및 1.2 ㎛의 3개의 구역에 대한 평균 기공 크기를 가졌다.

D4 마이크로다공성 막은 통상적으로 방어적 공보 제T-103,601호(레페티(Repetti))에 기재된 공정 및 통상적으로 미국 특허 제3,876,738호(마리나치오(Marinaccio) 등)에 기재된 방법 및 제형을 사용하여 D3의 더 작은 기공 크기 표면을 D2의 더 큰 기공 크기 표면에 박층함으로써 형성되었다. 요약하면, 마리나치오 기준 방법은 얇은 층 내에서 중합체 도프를 캐스팅하고, 연속적인 마이크로다공성 막을 형성하기 위하여 용매 조(solvent bath) 내에서 도프를 켄칭하며, 및 잔류 용매를 제거하기 위하여 수조 내에서 막을 헹구는 것을 포함한다. 이는 건조를 하기에 적절한 시기 이전의 습식-캐스트 막이다. 마리나치오 막의 습식-캐스트 층은 방어적 공보 제T-103,601호(레페티(Repetti))에 기재된 방법으로 박층 시 개개의 층들 사이의 강력한 물리적 결합을 형성하는 능력을 갖는다. 요약하면, 개개의 층(개개의 3개의 구역 막)은 습식 박층되었고, 여기서 캐스트되고 켄칭되었지만 건조되지 않은 막들은 완만한 압력(mild pressure) 하에서 결합되고, 그 뒤 함께 건조된다.

다층 습식 박층과 건조를 수행하기 위한 공정 및 장치는 제U.S. 4,707,265호에 기재되었지만 텐터링 오븐과 같은 그 외의 다른 상용 다층 웨브 변환 및 건조 장치가 유리하게 사용될 수 있다는 것으로 이해된다. 습식 층들은 상측 층의 하측 표면(더 작은 기공 크기)이 바닥 층의 상측 표면(더 큰 기공 크기)와 접촉하도록 물리적인 접촉 상태로 위치되었다. 가둬진 공기는 박층된 층으로부터 제거되었고, 이중 층 조합 막은 구속 하에서 건조 장치를 통해 운반되어서 크로스웨브 또는 다운웨브 방향으로의 수축이 제어되고 최소화되어 이중 층 조합 막을 형성하였다. 6 개의 구역의 평균 기공 크기는 대략 5.0, 2.4, 1.2, 1.0, 0.8, 및 0.65 ㎛이었다.

D5 마이크로다공성 막이 D2가 D1에 대해 박층된 것을 제외하고 D4에 대한 동일한 공정을 사용하여 형성되었다.6개의 구역에 대한 평균 기공 크기는 대략 1.0, 0.8, 0.65, 0.45, 0.30, 및 0.20 마이크로미터이었다.

D6 마이크로다공성 막은 실시예 D4에 대한 동일한 공정을 사용하여 형성된 3중 층 비대칭 막이었고, D3(상측 층)은 D2(중간 층)에 대해 박층되었고, 차례로 D2는 D1(바닥 층)에 대해 박층되었다. 더 작은 기공 크기를 갖는 D3의 바닥 표면은 가장 큰 기공 크기를 갖는 D2의 상측 표면에 인접하게 박층되었고, D3의 상측 표면은 작은 기공 크기를 갖는 D2의 바닥 표면에 인접하게 박층되었다. D6는, 바닥 층에서 더 작은 기공 크기에 대해 점진적으로 연장되는 가장 큰 기공 크기를 갖는 상측 표면을 포함한, 9개의 독립적인 다공성 구역을 가졌다. 9개의 구역에 대한 평균 기공 크기는 대략 5.0; 2.4; 1.2, 1.0, 0.8, 0.65, 0.45, 0.30, 및 0.20 ㎛이었다.

마이크로다공성 막 D4-D6의 그래프트 기능화

D4-D6 마이크로다공성 막이 15 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 10 중량%의 폴리에틸렌 글리콜(PEG 4000, 평균 분자량 4,000 그램/몰) 및 60 중량%의 물로 구성된 그래프팅 용액으로 막을 침윤함으로써 기능화되었다. 막은 공기 및 과도한 용액을 제거하기 위하여 고무 롤러로 롤링된, 2개의 101.6 ㎛. (4 mil) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 라이너 사이에 개재되었고, 큰 기공 크기가 빔에 대해 위를 향한 상태로 300 kV의 가속 전압에서 대략 40 킬로그레이(kGy)의 선량을 받으며 6.1 m/분(분당 20 피트)(fpm)의 웨브 속도로 전자 빔을 통해 직접 통과시킴으로써 조사되었다. 막은 탈이온 수 내에서 3회 헹굼에 의해 세척되었고, 그 뒤 공기 건조되었다.

실시예 1

나일론 부직 기판(B)의 30 cm × 43 cm 샘플이 글로브 박스 내에서 질소 분위기 하에서 공기로 퍼지되었고, 지프락(ZIPLOC™) 플라스틱 백 내로 삽입되고 밀봉되었다. 그 뒤, 밀봉된 백은 글로브 박스로부터 제거되어 6.1 m/분(20 피트/분)의 웨브 속도와 300 kV의 가속 전압을 포함한 전자 빔 세트를 통과시킴으로써 40 kGy의 선량 수준으로 조사되었다. 밀봉된 백을 질소-분위기-제어된 글로브 박스로 복귀시킨 후, 조사된 부직 기판은 제거되어 비-조사되고 질소 퍼지된 지프락(ZIPLOC™) 백 내에 배치되었다.

새로이 제조된 부직 샘플은 15 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 하이드록시 말단기를 포함한 10 중량%의 폴리에틸렌 글리콜(PEG 4000, 평균 분자량 4,000 그램/몰) 및 60 중량%의 물로 구성된 100 그램의 질소 퍼지된 침윤 용액으로 침윤되었고, 대부분의 질소가 배출된 후 백은 재밀봉되었다. 이러한 단계 동안, 글로브 박스 내의 산소 수준은 통상적으로 40 ppm 미만으로 유지되었다.

샘플은 백 내에서 평평한 상태로 유지되었고, 백을 종종 회전시킴으로써 4 시간 동안 균등하게 포화되었다. 결과적인 그래프팅된 나일론 부직 기판은 백으로부터 제거되어 새로운 탈이온 수 2 리터를 수용하는 트레이 내에서 10 분 동안 침지됨으로써 꼼꼼히 세척되었다. 기판은 트레이로부터 제거되고, 페이퍼 타월의 다수의 층 사이에서 압착되었고, 세척 공정은 새로운 탈이온 수로 2차례 이상 반복되었으며, 공기 건조되었다. 그래프팅된 부직 기판은 몰라세 공급재료를 사용하여 여과 시험 I이 수행되었다. 유사하게 시험된 비교적인 제타플러스(ZetaPlus™) B0204 60ZA, 및 B0204 90ZA 심층 여과 매체(쿠노 인코포레이티드(CUNO Inc.)로부터 입수가능함)에 대한 결과치들이 도 1에 나타내진다.

실시예 2a-e 및 3a-e.

실시예 1과 동일한 그래프팅 절차를 사용하여 그래프팅된 부직 기판이 제조되었다. 실시예 2a-e에서, 침윤 용액은 15%의 MAPTAC와 10%의 PEG 4000을 각각 함유하였고, 동시에 물과 메탄올의 양은 표 1에 예시된 바와 같이 변화하였다. 실시예 3a-e에서, 침윤 용액은 15%의 MAPTAC, 10%의 PEG 4000 및 5%의 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA)를 각각 함유하였고, 동시에 물과 메탄올의 양은 표 1에 예시된 바와 같이 변화하였다. 정적 결합 용량은 표 1에 예시된 결과치와 정적 단백질 흡수 시험 절차를 사용하여 시험되었다.

실시예 4.

실시예 1에서와 동일한 통상적 그래프팅 절차를 사용하여, 나일론 부직 기판(B)이 나일론 부직 기판(A)과 대체되었고, 그래프팅 용액은 20 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 하이드록시 말단기를 포함한 10 중량%의 폴리에틸렌 글리콜(PEG 4000, 평균 분자량 4,000 그램/몰) 및 55 중량%의 물로 구성되었다.

실시예 4에서, 나일론 부직 기판(A)의 제곱 미터당 50 그램(gsm)의 샘플이 공기로 퍼지되었고, 질소 분위기 하에서 글로브 박스 내의 지프락 백 내로 삽입되고 밀봉되었다. 그 뒤, 지프락 백은 글로브 박스로부터 제거되어 전자 빔을 통해 통과시킴으로써 300 킬로볼트의 가속 전압에서 60 kGy의 선량 수준으로 조사되었다. 밀봉된 백으로부터 글로브 박스로 복귀된 후, 조사된 부직 기판은 제어되고 비-조사되고 질소 퍼지된 지프락(ZIPLOC™) 백 내에 배치되었다.

새로이 제조된 부직 샘플은 그래프팅 용액으로 침윤되었고, 백은 대부분의 질소가 배출된 후 재밀봉되었다. 샘플은 백 내에서 평평한 상태로 유지되었고, 백을 종종 회전시킴으로써 4 시간 동안 균등하게 포화되었다. 실시예 1에서와 같이, 결과적인 그래프팅된 나일론 부직 기판은 백으로부터 제거되어 세척되고, 건조되었다.

결과적인 그래프팅된 기판은 15 ml/분으로 펌핑된 1X 이스트/몰라세 공급재료를사용하여, 여과 시험 II에 따라 평가되었다. 결과치는 도 2에 예시되고, 여기서 FF는 흐름 속도이고, P1-P3는 압력 구역이다. P1 및 P2 구역 압력은 전체 시험의 경우 거의 동일한 것으로 보여질 수 있으며, 나란한 임의의 그래프팅된 부직 기판을 걸쳐서 압력 강하가 없는 것으로 나타내질 수 있다. 약 900 ml의 용액 이후에, 파울링을 나타내는 마이크로다공성 막(D4,D5)(P2)에 형성되는 압력 개시는 그래프팅된 부직 기판상에서 현저해진다. 시험 절차는 임의의 압력 구역에 대해 172.4 kPa(25 psi)의 압력에 도달될 때 종료된다. 시험은 또한 0.2 um의 폴(Pall) 막 상에서 구역 3(P3) 내의 압력은 증가되지 않는 것을 보여주며, 이는 그래프팅된 부직 기판(P1)과 다-구역 막 매체 업스트림이 대용 이스트 균 농축 용액(surrogate yeast cell centrate solution)으로부터 여과 작업량을 관리하는 것을 나타낸다. 전체 체적 처리량은 1400 ml를 다소 초과하였다. 몇몇의 반복 시도가 약 1 NTU 이하의 평균 배출 탁도(모든 필터 이후)를 제공하였다.

실시예 5.

실시예 4는 반복되었고, 여기서 1X 이스트/몰라세 공급재료는 7.5 ml/분의 일정한 흐름 속도로 제공되었다. 시험 결과치는, 흐름 속도(전방 속도)의 감소가 더 우수한 흡수를 허용하기 위해 공급재료가 그래프팅된 부직 여과 매체와의 접촉 잔류 시간 크기를 증가시킴을 나타낸다. P2에서 기록된 압력의 시작(onset)은 약 1300 ml로 지연되며, 시스템은 약 2200 ml의 총 처리량을 가졌으며, 이 시간 동안 폴 막(P3)은 마이크로다공성 막(P2)과 업스트림 그래프팅된 부직 기판(P1)에 의해 보호된 상태로 유지되었다.

비교 실시예 6: 심층 여과 매체

여과 시험 II이 반복되었고, 제타플러스(ZetaPlus™) B0204 60ZA, 및 B0204 90ZA 심층 여과 매체(쿠노 인코포레이티드(CUNO Inc.)로부터 입수가능함)를 제외한 심층 여과 매체가 압력 구역 1(P1)에서 단일의 심층 필터 홀더 내로 적재되었다. 압력 구역 2(P2)에서 D4 막은 D5 막의 상측에 배치되었고, 압력 구역 3(P3)에는 폴 라이프(Pall Life) 막 홀더가 있었다.

이스트/몰라세 1X 시험 유체는 15 ml/분으로 실로그 설비로 펌핑되었다(다수의 반복 시험이 평균 600 ml를 포함한, 400 ml 내지 800 ml 사이의 전체 처리량 범위로 수행되었다.) D4 및 D5 막과 0.2 um 막의 압력 구역은 증가를 나타내지 못했다. 탁도는 시스템 배출부에서 2 NTU 미만이었다. 결과치들이 도 3에 도시된다.

비교 실시예 7: 단지 막

비교 실시예 6은 반복되었고, 그래프팅된 부직 기판은 생략되었다. 막(D4, D5)은, 기공의 크기가 커진 상태에서, 압력 구역(3) 내의 폴(Pall) 마이크로다공성 막과 압력 구역(1, 2) 내의 필터 홀더 내로 적재되었다. 이스트/몰라세 1X 시험 유체는 15 ml/분으로 실로그(Scilog) 설비를 사용하여 펌핑되었다.

여과 시스템은 172.4 kPa (25 psi)의 압력에 도달되기 전 약 68 ml의 총 처리량을 가졌다. 이러한 저 체적에서 0.2 um 멸균 막에서는 압력 증가가 관찰되지 않았다.

비교 실시예 8: 단지 멸균 등급 막

비교 실시예 7은 반복되었고, 그래프팅된 부직 기판과 막(D4, D5)은 생략되었다. 폴(Pall) 0.2 (수포(Supor)-200) 막은 막 필터 홀더 내로 적재되었다. 이스트/몰라세 1X 시험 유체는 15 ml/분으로 실로그(Scilog) 설비를 사용하여 펌핑되었다.

압력의 개시(onset)는 즉시 시작되고, 여과 시스템은 일정한 비율 체적으로 안정화되지 않는다. 총 처리량은 172.4 kPa (25 psi)의 압력에 도달되기 전 단지 약 10 ml이었다. 이 비교 실시예에서, 막과 조합하여 그래프팅된 부직 기판은 공급재료가 멸균 등급 막(폴 수포-200 막)에 도달되기 전 생체여과 부담을 감소시킨다.

실시예 9

실시예 4의 통상적인 절차는 20 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 5 중량%의 폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 메타크릴레이트 단량체(PEGMEMA, M_w 475, Sigma-Aldrich), 15 중량%의 메탄올, 10 중량%의 폴리에틸렌 글리콜(PEG 4000) 및 50 중량%의 물의 침윤 용액을 제외하고 사용되었다. 일정한 흐름 속도는 13 ml/분이었다. 시험 결과치는 도 4의 그래프에 기록되었다.

압력의 개시가 P2에서 시작되는 동안, 시스템은 약 1900 ml의 총 처리량을 가졌다. 비-하전된 친수성 PEGMEMA 단량체의 그래프트-중합으로 인해 0.2 um 멸균 등급 마이크로다공성 필터에 대한 일부 여과 부담이 배제되고 효율이 다소 감소된다. 증가된 처리량은 그래프팅된 부직포 내에서 PEGMEMA 공중합체의 결과물인 것으로 여겨진다. 효율의 다소 감소는 증가되는 압력(P2)의 부담 시 지연 시간의 부족으로부터 추론되며, 압력의 결과적인 각도는 그래프 상에서 처리량(시간)으로서 기록되는 모든 막에 대해 증가된다. 탁도는 시스템 배출부에서 2 NTU 미만이었다.

실시예 10a 및 10b

EVAL(에발) 부직 기판(C)은 실시예 1에 기재된 침윤 공정에 따라 그래프팅되었다. 결과적인 막은 그 뒤 몰라세 단독 공급재료를 사용하여 압력 구역(3)에서 0.2 ㎛ 폴 막을 배제하고 여과 시험 II에 따라 평가되었다. 실시예 10a는 그래프팅된 에발 부직 기판(C)의 6개의 층을 이용하였고, 반면 실시예 10b는 이러한 그래프팅된 부직 기판의 10개의 층을 사용하였다.

실시예 10a는 대략 0.8의 NTU와 1 리터의 처리량을 가지는 반면 실시예 10b는 유사한 NTU 값과 1.6 리터의 처리량을 가졌다. 테스트는 D4 및 D5 막의 파울링으로 인해 172.4 kPa(25 psi) 압력에서 종료되었다.

비교 실시예 11a-b 및 실시예 11c-d: 메타닐 옐 로우 염료( Metanil Yellow Dye )비교

알파 애사(Alfa Aesar)(메사추세츠, 워드 힐 소재)로부터 입수된, 메타닐 옐로우 염료의 80 ppm의 수용액이 제조되었다. 메타닐 옐로우의 또 다른 80 ppm 수용액도 또한 150 mM 소듐 클로라이드 내에서 제조되었다.

마스터플렉스(Masterflex™) 펌프 헤드와 구동 유닛이 시험 중 30 ml/분으로 염료 용액을 펌핑하기 위하여 사용되었다. 단일의 심층 필터 홀더가 이러한 실시예에 대해 사용되었다. 용액은 매체를 통해 여과되었고, 여과액의 큐벳 샘플이 매 분마다 수득되었으며, 여과액은 455 nm 파장에서 UV 분광 광도계로 분석되었다.

컨트롤(control)로서 여과 매체 ZETAPLUS-B0204 60ZA 및 ZETAPLUS-B0204 90ZA(쿠노 인코포레이티드.)가 단일의 심층 필터 홀더 내로 적재되었고 상측 매체로서 60ZA가 적재되었다. 메타닐 옐로우 만의 용액은 그 뒤 여과되었고 여과액의 큐벳 샘플은 매 분마다 수득되었으며, 여과액은 455 nm 파장에서(11a) UV 분광 광도계로 분석되었고 기록되었다. 이 공정은 그 뒤 메타닐 옐로우-소듐 클로라이드 용액(11b)을 사용하여 반복되었다.

비교 실시예 11a-b의 절차는 막(D6)을 사용하여 실시예 11c-d에 대해 반복되었고, 그 뒤 실시예 1의 그래프팅된 부직 기판의 3개의 층이 단일의 심층 필터 홀더 내에 적재되었다. 염이 없는 메타닐 옐로우 염료가 여과되었고(실시예 11c), 재차 메타닐 옐로우-소듐 클로라이드 용액(11d)을 사용하여 반복되었다. 결과치는 도 5에 도시된다.

0.8 흡수를 판독할 때, 실시예 11c는 컨트롤(제타플러스(ZetaPlus™) 11a)로서 동일한 돌파에 도달하는데 약 2배의 시간이 걸렸다. 실시예 11d는 염이 존재 시 염료를 결합하는데 있어서 향상된 수행을 갖는 것으로 밝혀졌다.

실시예 12

실시예 4의 통상적인 절차는 35 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 50 중량%의 물의 침윤 용액을 제외하고 사용되었고, 전자-빔은 120 kGy 선량이었다. 단량체 용액의 100 그램(35 그램의 단량체)이 웨브를 침윤하기 위해 사용되었고, 부직 웨브의 질량은 약 6.5 그램이었고, 유입 그래프팅 비율은 약 5.39:1(단량체/부직포)이었다. 그래프팅된 부직포는 20 %의 상대 습도에서 주위 실온에서 적어도 24 시간 동안 평형이 되었고, 그 뒤 계량되었다. 세척되고 건조된 그래프팅된 부직 웨브의 총 평균 중량비는 4.98:1(그래프팅된 단량체/부직포)이었다.

결과적인 그래프팅된 부직 기판은 13 ml/분으로 펌핑된 2X 이스트/몰라세 공급재료를 사용하여, 여과 시험 II에 따라 평가되었다. 총 체적 처리량은 1385 ml이었다.공급재료의 탁도와 처리량 능력은 연관된다. 이 샘플은 이스트/몰라세의 2X 농도를 사용하여 처리량은 1X 시험 결과치의 약 절반이 되었을 것이다. 2,770 ml의 평가된 처리량은 1X 공급재료 용액이 여기서 사용된다면 이 실시예를 실시예 4에 비교하는데 적합하다. 배출부 탁도(모든 필터 이후)는 약 1 NTU이었다.

실시예 13.

오프라인 캐리어에 대해 시간당 약 5 kGy를 전달하는, 코발트 60(Co60) 파노라마 감마 조사기가 조사 공급원으로서 사용되었다. 4.6 L의 알루미늄 캐니스터가 기계가공된 탈착형 기부 플레이트와 함께 제조되어 15.2 cm(6 인치)의 플라스틱 코어가 플라스틱 코어의 중심을 분리시키는 기부 플레이트의 중심에 클램핑될 수 있다. 7.6 cm(3 인치)의 플라스틱 코어를 보유하기 위해 사용된 기부 플레이트와 알루미늄 캡은 밀봉을 보장하기 위하여 o-링을 보유하도록 요홈-구조로 형성되었다(코어 캡과 플라스틱 코어를 클램핑하기 위해 사용된 긴 볼트는 또한 o-링과 끼워맞춤된 와셔를 갖는다). 따라서, 부직포가 있는 캐니스터 유효 체적은 약 4 리터이다.

플라스틱 코어에 권취된 50 gsm 나일론 부직 기판(기판 A)은 약 560 그램의 중량을 가졌으며, 대략 19.1 cm(7.5 인치)의 외측 직경을 가졌다. 플라스틱 코어와 나일론 부직포는 동일한 폭을 가져서 롤이 기부 플레이트에 클램핑될 때 권취된 나일론 웨브의 엣지는 기부 플레이트와 접촉한다. 기부 플레이트는 포트를 포함하도록 기계가공되어 유체용 경로와 밸브에 대해 유체가 나일론 롤의 엣지 내로 직접적으로 흐를 수 있다. 기부 플레이트는 또한 기계가공된 2개의 요홈(10 cm 및 15 cm 직경(4 및 6 인치 직경))을 가져서 포트로부터의 유체가 기부 플레이트와 접촉하는 부직 롤의 엣지 주위에서 용이하게 분산될 수 있다. 따라서, 기부 플레이트 포트를 통해 캐니스터에 유입되는 유체는 나일론 부직 기판의 엣지에 유입되어야 한다. 기부 플레이트는 또한 캐니스터 상측 커버를 기부 플레이트에 보유시키기 위하여 o-링과 끼워맞춤된 또 다른 요홈을 포함하도록 기계가공된다. 캐니스터 상측은 기부에 볼트체결되도록 만들어지고, 또한 밸브에 대해 포트구성된다(ported). 이 캐니스터의 네트 효과는 압력 또는 진공을 유지시킬 수 있는 부직포의 롤에 대한 보유 장치를 제공하기 위함이다.

진공은 휴대용 진공 펌프를 사용하여 부직 기판 롤을 포함한 알미늄 캐니스터에 인가되었고 그 뒤 캐니스터의 질소 퍼지되었다. 이 절차는 캐니스터로부터의 산소를 제거하기 위하여 3회 반복되었고, 불활성 환경 내부가 형성되었다. 진공은 그 뒤 용기에서 얻어졌으며 밸브를 폐쇄하고 그 뒤 밸브 피팅을 추가로 캡핑(capping)함으로써 밀봉되었다. 부직 웨브를 포함한 캐니스터는 총 6 시간 동안 약 28 kGy의 축적된 선량을 갖는 감마 공급원에 노출되었다. 캐리어를 포함한 오프라인 캐리어는 선량 분포가 균등해지도록 노출을 통해 절반정도 변하였다.

개별적으로, 침윤 용액은 상용 압력 용기 내에서 혼합되었고 2 시간 동안 질소를 버블링함으로써 퍼지되었다. 압력 용기는 그 뒤 질소의 약 165.5 kPa (24 psi)로 충전되었고 밀봉되었다.

알루미늄 용기가 감마 공급원으로부터 제거된 직후, 압력 용기로부터 안내되는 용액 공급 라인은 침윤 용액으로 충전되고, 임의의 공기 동반(entrainment)을 최소화하도록 알루미늄 캐니스터 기부 플레이트와 연결된다. 기부 플레이트 밸브는 느리게 개방되고, 부직 기판을 포함한 캐니스터의 일부는 20 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 및 65 중량%의 물을 포함한 4.5 리터의 단량체 용액으로 부직 기판을 완전히 포화시키는 용액으로 충전된다. 용기는 그 뒤 밀봉되고, 개방되기 전 내용물들이 12 시간 동안 반응할 수 있었다. 그래프팅된 부직 기판은 세척되었고, 20 %의 상대 습도에서 주위 실온에서 적어도 24 시간 동안 공기건조되었고, 그 뒤 계량되었다.

실질적으로, 모든 초기 침윤 용액은 하이드로겔 네트워크 내에 함유되었다. 캐니스터를 충전하고 부직 기판을 침윤하기 위하여 대략 3800 그램의 단량체 용액(약 760 그램의 단량체)이 사용되었다. 부직 웨브의 질량은 약 560 그램이고 사용된 단량체의 양이 약 760 그램이기 때문에, 유입 그래프팅 비율은 약 1.36:1(단량체/부직포)이었다. 세척되고 건조된 부직 기판의 총 평균 중량비는 1.10:1(그래프팅된 중합체/부직포)이었다. 결과적인 감마 그래프팅된 기판은 13 ml/분으로 펌핑된 2X 이스트/몰라세 공급재료를 사용하여 여과 시험 II에 따라 평가되었고, 596 ml +/- 51 ml의 평균 처리량을 갖는 것으로 밝혀졌다(5회 시험의 평균이 롤의 내측으로부터 외측으로 임의 샘플링되었다).

실시예 14.

이 감마 그래프팅된 실시예는 캐니스터가 8시간 동안 조사되는 것을(약 37 kGy)제외하고 실시예 13과 같이 제조되었으며, 그래프팅 용액은 25 중량%의 [3-(메타크릴로일아미노)프로필] 트라이메틸암모늄 클로라이드(MAPTAC) 단량체, 15 중량%의 메탄올, 및 60 중량%의 물로 구성되며, 부직 기판은 느슨하게 감싸져서(460 그램) 개방되기 전에 72 시간 동안 반응할 수 있으며, 최종 진공 단계는 생략되어 캐니스터 내에서 질소 분위기가 유지될 수 있으며, 캐니스터는 박스 내에 배치되고 조사 단계 동안 드라이 아이스와 함께 패킹되어 부직 기판의 표면상에 형성된 라디칼의 존속 기한이 연장될 수 있다.

개별적으로, 침윤 용액은 상용 압력 용기 내에서 혼합되었고, 2 시간 동안 질소를 버블링함으로써 퍼지되었다. 그 뒤, 압력 용기는 약 165.5 kPa(24 psi)의 질소가 충전되고 밀봉되었다.

임시의 "관찰창(sight glass)"은 피팅 및 0.64 cm(¼ 인치)의 폴리 튜빙(poly tubing)의 91 cm(3 피트)로 제조되어 액체가 관 내부로 유입되는 경우 액체의 시각적인 관찰이 허용된다(진공 펌프 및 게이지로부터의 임의의 유체가 있는 경우).

알루미늄 용기가 감마 공급원으로부터 제거된 직후, 캐니스터는 남겨진 드라이 아이스로부터 언패킹되었다(unpack). 캐니스터는 그 뒤 2 분 동안 캐니스터에 걸쳐서 고온 수를 흐르게 함으로써 워밍되었으며, 이에 따라 코팅 용액의 동결이 방지된다. 관찰창은 알루미늄 캐니스터의 상측 포트에 연결되었고, 진공 펌프는 관찰창의 그 외의 다른 측면에 연결되었다. 진공은 그 뒤 알루미늄 캐니스터와 관찰창에서 형성되며, 모든 장치가 진공 상태하에 있도록 분리된다. 압력 용기로부터 안내되는 용액 공급 라인은 침윤 용액이 충전되었고, 임의의 공기 동반을 최소화하도록 알루미늄 캐니스터 기재 플레이트와 연결되었다. 기부 플레이트 밸브는 서서히 개방되고, 부직 웨브를 수용하는 캐니스터의 일부는 용액으로 완전히 충전된다. 관형 관찰창으로 액체가 흐르는 것을 관찰할 때, 밸브는 폐쇄되었다. 따라서, 캐니스터 내의 부직 기판은 단량체 용액으로 완전히 포화되었다. 캐니스터는 그 뒤 폐쇄된 밸브 피팅을 캡핑함으로써 밀봉되었고, 캐니스터 내용물은 실시예 13에서와 같이 개방되기 전 72 시간 동안 반응하고, 그 뒤 세척되며 건조되었고, 20 %의 상대 습도에서 주위 실온에서 적어도 24 시간 동안 평형이 되었고, 그 뒤 계량되었다.

이 실시예에 대한 유입 그래프팅 비율은 약 2.07:1(단량체/부직포)이었다. 세척되고 건조된 그래프팅된 부직 웨브의 총 평균 중량비는 2.03:1(그래프팅된 중합체/부직포)이었다. 그래프팅된 코팅에 흡습성으로 결합된 임의의 습기는 그래프트 비율을 측정하기 위한 중량 계산에 포함되었다.

결과적인 감마 그래프팅된 기판은 13 ml/분으로 펌핑된 2X 이스트/몰라세 공급재료를 사용하여 여과 시험 II에 따라 평가되었고, 1035 ml +/- 119 ml의 평균 처리량을 갖는 것으로 밝혀졌다(롤의 내측으로부터 외측으로 임의로 샘플링된 5회 시험의 평균).

Claims (36)

1. 0.7 마이크로미터 내지 15 마이크로미터의 평균 섬유 크기, 50% 내지 95%의 공극 체적, 및 부직 기판의 표면에 그래프팅된 양이온성 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체 단위를 포함한 중합체를 갖는 부직 기판을 포함하고,
   그래프팅된 공중합체는 a) 80 중량% 내지 98 중량%의 그래프팅 아미노알킬(메트)아크릴로일 단량체와, b) 2 중량% 내지 20 중량%의 그래프팅 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체와, c) 0 내지 10 중량%의 제 2 친수성 단량체의 중합된 단량체 단위를 포함하는, 필터 매체로서 사용하기 위한 용품.
2. 제1항에 있어서, 부직 기판은 그래프팅에 앞서서 적어도 4.0 뉴턴의 인장 강도를 갖는 용품.
3. 제1항에 있어서, 부직 기판은 20% 미만의 고형도를 갖는 용품.
4. 제1항에 있어서, 그래프팅된 중합체의 중량은 부직 기판의 중량의 0.5 배 내지 5 배인 용품.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 그래프트 공중합체는 화학식
   -(M^NR4+)_w-(M^PEG)_x-(M^c)_y
   을 가지며, 여기서,
   -(M^NR4+)_w- 는 w개의 중합된 단량체 단위를 갖는 그래프팅된 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체의 잔기를 나타내고 여기서 w는 2 이상이며,
   -(M^PEG)_x는 x개의 중합된 단량체 단위를 갖는 중합된 폴리(알킬렌 옥사이드) 단량체를 나타내고 여기서 x는 1 이상이며,
   -(M^c)_y는 y개의 중합된 단량체 단위를 갖는, 중합된 친수성 단량체 "c)"를 나타내고 여기서 y는 1 이상인 용품.
7. 제1항에 있어서, 부직 기판은 1 마이크로미터 이하의 평균 유효 섬유 직경을 갖는 나일론 부직 기판인 용품.
8. a. 부직 기판을 제공하는 단계와,
   b. 불활성 분위기에서 부직 기판을 이온화 방사선에 노출시키는 단계와,
   c. 그래프팅 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체를 포함한 용액으로 노출된 기판을 침윤시켜 부직 기판의 표면에 상기 단량체를 그래프트 중합하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제4항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항의 용품을 제조하는 방법.
9. 유체 입구와,
   유체 출구와,
   유체 입구와 유체 출구를 유체 연결하고 제1항 내지 제4항, 제6항, 및 제7항 중 어느 한 항의 그래프팅된 부직 기판을 포함하는 필터 매체를 포함하는, 필터 장치.
10. 제9항에 있어서, 필터 매체는 그래프팅된 부직 기판의 다운스트림에 위치된 마이크로다공성 막 층을 추가로 포함하는 필터 장치.
11. 제1항에 있어서, 부직 기판의 유효 섬유 직경이 1 마이크로미터 내지 6 마이크로미터인 용품.
12. 삭제
13. 삭제
14. 제1항에 있어서, 그래프트 공중합체는 화학식
    -(M^NR4+)_w-
    을 가지며, -(M^NR4+)_w- 는 w개의 중합된 단량체 단위를 갖는 그래프팅된 아미노알킬 (메트)아크릴로일 단량체의 잔기를 나타내고 여기서 w는 2 이상인 용품.
    
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
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26. 삭제
27. 삭제
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35. 삭제
36. 삭제

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