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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft positiv geladene Membranen, welche
ein poröses
Substrat umfassen. Diese Membranen sind zum Detektieren, Filtern
und/oder Reinigen von Biomolekülen
z.B. in der Ionenaustauschchromatographie und für den makromolekularen Transfer
geeignet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
derartiger Membranen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Der
Detektion, Filtration und Reinigung von Biomolekülen, wie Proteinen, Aminosäuren, Nucleinsäuren und
Endotoxinen, welche in Fluiden, z.B. in biologischen und pharmazeutischen
Fluiden, enthalten sind, wird in neuerer Zeit beträchtliche
Aufmerksamkeit seitens der Industrie gewidmet. Ionenaustauschmembranen,
insbesondere positiv geladene ionenausgetauschte Membranen, sind
für diese
Zwecke vorgeschlagen worden. Einige dieser Ionenaustauschmembranen
zeigen zwar Affinität
oder Bindung zu den Biomolekülen,
sind aber nicht selektiv. So haben diese Membranen beispielsweise
eine hohe nichtspezifische Protein-Bindungskapazität. Ferner
sind die Kapazitäten,
ausgewählte
Proteine von Interesse zu binden, gering. Ferner ist die Herstellung
einiger der Membranen mit einer komplexen Chemie oder komplexen
Vorgehensweisen verbunden, die zu erhöhten Material- und Verfahrenskosten führen können. So
kann die Herstellung beispielsweise eine strahlenchemische Pfropfung
von ge ladenen Monomeren beinhalten, oder sie kann die kovalente Bindung
eines positive Ladung modifizierenden Polymers an ein poröses Membransubstrat
umfassen. Ferner ist bei einigen der Membranen die Beherrschung
der Chemie, z.B. des Vernetzungsgrades, recht schwierig und/oder
arbeitsintensiv.
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US-Patent Nr. 4 242 208 offenbart
eine semipermeable Kompositmembran, umfassend eine dünne semipermeable
Schicht von einem polymeren Material, deponiert auf einer Seite
eines mikroporösen Substrats,
sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
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Das
polymere Material wird hergestellt durch Grenzflächenvernetzung eines Polymers,
welches eine wiederkehrende Piperidino-Einheit enthält. Die Membran
soll geeignet sein zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser oder Brackwasser
durch Umkehrosmose.
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Es
besteht also Bedarf an einer positiv geladenen Membran, welche eine
hohe Bindungskapazität
für Biomoleküle, wie
Proteine, Peptide, Aminosäuren
und Nucleinsäuren,
zeigt. Es besteht ferner Bedarf an einer positiv geladenen Membran,
welche eine niedrige nichtspezifische Bindung für Biomoleküle zeigt. Es besteht ferner
Bedarf an einer positiv geladenen Membran, welche eine relativ einfache Chemie
beinhaltet und dabei gleichzeitig ein leichtes Beherrschen des Vernetzungsgrades
erlaubt.
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Diese
Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie weitere erfindungsgemäße Merkmale
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt
die Durchbruchkurve für
Rinderserumalbumin (BSA), welche für eine Membran gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Die x-Achse repräsentiert
die Filtrationszeit, und die y-Achse repräsentiert die Extinktion des
Filtrats bei 280 nm und ist indikativ für die BSA-Konzentration. Für zusätzliche
Details siehe Beispiel 1.
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2 zeigt
die Durchbruchkurve für
BSA, welche für
eine Membran gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Die x-Achse und die y-Achse
sind wie in 1 beschrieben. Für zusätzliche
Details siehe Beispiel 5.
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3 zeigt
die Durchbruchkurve für
Rinderserumalbumin (BSA), welche für eine Membran gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erhalten wird. Die x-Achse und die y-Achse
sind wie in 1 beschrieben. Für zusätzliche
Details siehe Beispiel 8.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Viele
der im Vorstehenden genannten Bedürfnisse werden von der vorliegenden
Erfindung erfüllt,
welche eine positiv geladene mikroporöse Membran bereitstellt, umfassend
ein poröses
Substrat und eine vernetzte Beschichtung mit anhängenden kationischen Gruppen.
In einigen Ausführungsformen
umfasst die vernetzte Beschichtung ein vernetztes Polyamin, z.B.
ein Polyalkylenamin. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die vernetzte Beschichtung
ein Polyethylenimin mit anhängenden kationischen
Gruppen.
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Die
vernetzte Beschichtung kann optional ein oder mehrere zusätzliche
Materialien umfassen, welche kationische Gruppen enthalten können oder auch
nicht. So umfasst beispielsweise in einer Ausführungsform die vernetzte Beschichtung
ein Diallylamin-Copolymer mit anhängenden kationischen Gruppen
und/oder ein Acryl-Copolymer mit anhängenden kationischen Gruppen.
In bevorzugten Ausführungsformen
ist das poröse
Substrat hydrophil. Die Membranen gemäß vorliegender Erfindung sind vorteilhaft
frei von kovalenten Bindungen oder Pfropfungen mit dem Substrat.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein poröses
Substrat und eine Beschichtung, hergestellt durch Vernetzen einer
Zusammensetzung, welche ein Diallylamin-Copolymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen, ein Polyamin, z.B. ein Polyalkylenamin, und
eine aminreaktive Verbindung mit einer kationischen Gruppe umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, welche eine Protein-Bindungskapazität (vorzugsweise eine BSA-Bindungskapazität) von ca.
25 mg/ml oder mehr aufweist. Die vorliegende Erfin dung stellt ferner
eine positiv geladene mikroporöse
Membran bereit, umfassend ein poröses Polyethersulfon-Substrat
und eine vernetzte Beschichtung, welche das Reaktionsprodukt eines
Polyethylenimins mit anhängenden quaternären Ammoniumgruppen
und eines Polyalkylenglycolpolyglycidylethers umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zur Herstellung
von Ausführungsformen
der positiv geladenen mikroporösen
Membranen. In einer Ausführungsform
umfasst das Verfahren, ein poröses
Substrat mit einer Zusammensetzung in Kontakt zu bringen, zu beschichten
oder zu versehen, wobei ein Polyamin mit anhängenden kationischen Gruppen
erzeugt werden kann. So umfasst beispielsweise in einer Ausführungsform
die Zusammensetzung ein Polyalkylenimin mit anhängenden quaternären Ammonium-Gruppen
und ein Polyalkylenglycolpolyglycidylether. In einer Ausführungsform kann
die Zusammensetzung ein Diallylamin-Copolymer mit Epoxy-Gruppen
und anhängenden
kationischen Gruppen, ein Polyalkylenamin und eine aminreaktive
Verbindung mit einer kationischen Gruppe umfassen, und das Substrat
wird gehärtet.
In einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Zusammensetzung ein Copolymer von Diallylamin, ein Diallyldialkylammoniumhalogenid
und ein Acryl-Monomer mit einer quaternären Ammonium-Gruppe und ein
Vernetzungsmittel. Das Substrat wird z.B. durch Hitze gehärtet. Optional
kann das gehärtete
Substrat extrahiert werden, um extrahierbare Reste darin zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner Vorrichtungen bereit, z.B. Filtervorrichtungen,
chromatographische Vorrichtungen, Vorrichtungen für den makromolekularen
Transfer und/oder Membranmodule, welche die Membranen gemäß vorliegender
Erfindung umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Behandeln
eines negativ geladene Partikel enthaltenden Fluids bereit, umfassend
das Inkontaktbringen des Fluids mit einer Membran gemäß vorliegender
Erfindung.
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Die
Membranen gemäß vorliegender
Erfindung finden in verschiedenen Anwendungen Verwendung, so etwa
bei der Filtration von Fluiden, welche negativ geladene Materialien
wie Atome, Moleküle
und Partikel und, vorzugsweise, Biomoleküle, enthalten. Die vorliegende
Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit für den makromolekularen Transfer von
einer Vorrichtung oder einem Element, z.B. einem Elektrophoresegel,
umfassend das Inkontaktbringen einer Membran gemäß vorliegender Erfindung mit
der Vorrichtung oder dem Element und Transferieren der Makromoleküle von der
Vorrichtung oder dem Element auf die Membran.
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Die
Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit bestimmten bevorzugten
Ausführungsbeispielen
und Vorgehensweisen beschrieben und offenbart; es ist jedoch nicht
beabsichtigt, die Erfindung auf diese spezifischen Ausführungsbeispiele
zu beschränken.
Vielmehr ist es beabsichtigt, dass die Erfindung alle alternativen
Ausführungsformen
und Modifikationen umfasst, welche in den Bereich der Erfindung
fallen.
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DETAILBESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung stellt positiv geladene mikroporöse Membranen
bereit, welche in einer Vielfalt von Anwendungen Verwendung finden
können,
umfassend die Ionenaustauschchromatographie, die Filtration und
den makromolekularen Transfer. Die Membranen gemäß vorliegender Erfindung umfassen
einen porösen
Träger
und eine vernetzte Beschichtung mit positiven Festladungen. In bevorzugten
Ausführungsformen
ist der poröse
Träger
hydrophil. Die Membranen gemäß vorliegender
Erfindung weisen eine oder mehrere vorteilhafte Eigenschaften auf,
z.B. hohe Wasserfließraten,
hohe Ladungsdichte und eine hohe dynamische Protein-Bindungskapazität. Einige
Ausführungsformen
der Membranen gemäß vorliegender
Erfindung zeigen Alkaliresistenz.
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In
einer Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, welche eine Protein-Bindungskapazität, vorzugsweise eine BSA-Bindungskapazität, von ca.
25 mg/ml oder mehr aufweist. Die Membran umfasst ein poröses Substrat,
vorzugsweise ein hydrophiles poröses
Substrat, und eine vernetzte Beschichtung mit anhängenden
kationischen Gruppen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
umfasst die vernetzte Beschichtung ein vernetztes Polyamin, zum
Beispiel ein Polyalkylenamin. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die vernetzte Beschichtung ein Polyethylenimin mit anhängenden kationischen
Gruppen. Die vernetzte Beschichtung kann optional andere Materialien
umfassen, wie Bestandteile, Recktanten oder Polymere, z.B. Copolymere.
Die anderen Bestandteile, Recktanten oder Polymere können ferner
kationische Gruppen umfassen, insbesondere anhängende kationische Gruppen.
Die vorliegende Erfindung umfasst ferner positiv geladene Membranen
mit anhängenden
kationischen Gruppen, welche durch Austausch und/oder Kombination
der Bestandteile, Recktanten oder Polymere der hierin beschriebenen
Ausführungsformen erhalten
werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung also eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, welche ein Diallylamin-Copolymer umfasst. Die vorliegende
Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, welche ein Acryl-Copolymer umfasst. Die kationischen
Gruppen sind vorzugsweise mit dem Grundgerüst der vernetzten Beschichtung,
insbesondere mit dem Copolymer-Grundgerüst, durch Spacer-Gruppen verknüpft.
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Nach
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereitgestellt, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine Beschichtung,
hergestellt durch Vernetzen einer Zusammensetzung, umfassend ein
Diallylamin-Copolymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden kationischen Gruppen,
ein Polyamin, z.B. ein Polyalkylenamin, und eine aminreaktive Verbindung
mit einer kationischen Gruppe. In einigen Ausführungsformen stellt die vorliegende
Erfindung ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran bereit, umfassend
ein hydrophiles poröses
Substrat und eine Beschichtung, hergestellt durch Vernetzen einer
Zusammensetzung, umfassend Diallylamin, ein Diallyldialkylammoniumhalogenid,
ein Acryl-Monomer
mit einer quaternären
Ammoniumgruppe und ein Vernetzungsmittel.
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In
einer bevorzugten Ausführungsformen stellt
die vorliegende Erfindung ferner eine mikroporöse Membran bereit, umfassend
einen porösen
Träger
und eine vernetzte Polyamin-Beschichtung, insbesondere eine vernetzte
Polyalkylenamin-Beschichtung, welche eine positive Festladung bereitstellt.
Die vorlie gende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Polyethersulfon-Substrat
und eine vernetzte Beschichtung, umfassend das Reaktionsprodukt
eines Polyethylenimins mit anhängenden
quaternären
Ammonium-Gruppen und eines Polyalkylenglycolpolyglycidylethers.
Die vorliegende Erfindung stellt eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, umfassend ein Polyamin, z.B. ein Polyalkylenamin,
mit anhängenden
kationischen Gruppen.
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Die
anhängende
kationische Gruppe der Membran kann eine beliebige geeignete kationische Gruppe
sein – Ammonium,
Sulfonium, Phosphonium oder eine andere Gruppe, vorzugsweise eine
Ammonium-Gruppe. Ein Beispiel für
eine bevorzugte Ammonium-Gruppe ist eine quaternäre Ammonium-Gruppe, z.B. eine
Tetraalkylammonium-Gruppe. Es wurde gefunden, dass die kationischen
Gruppen, wenn sie eher als anhängende
Gruppen als als Teil des Grundgerüsts vorliegen, eine verbesserte
Bindungskapazität
und/oder Selektivität
zu Biomolekülen
oder geladenem Material bereitstellen.
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Die
kationischen Gruppen können
mit dem Grundgerüst
durch eine Bindung, z.B. eine mono- oder bivalente kovalente Bindung
direkt verknüpft sein,
und vorzugsweise sind die kationischen Gruppen mit dem Grundgerüst der Beschichtung
verknüpft
und von diesem beabstandet. Spacer-Gruppen können zwischen dem Grundgerüst und den
kationischen Gruppen enthalten sein, um für räumliche Ladungstrennung zu
sorgen und um den Festladungen mehr Gelegenheit zu geben, mit den
zu behandelnden geladenen Materialien, z.B. Proteinen, Aminosäuren und
Nucleinsäuren,
in Wechselwirkung zu treten. Die Spacer-Gruppe sorgt für verbesserte
Bindungskapazität
und/oder Selektivität
zu Biomolekülen.
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Es
kann eine beliebige geeignete Spacer-Gruppe verwendet werden, vorzugsweise eine
polare Gruppe, z.B. eine Spacer-Gruppe, welche eine polare Gruppe
umfasst. So umfasst die Spacer-Gruppe beispielsweise eine oder mehrere Gruppen,
ausgewählt
aus Hydroxyl-, Hydroxyalkyl-, Amino-, Imino-, Aminoalkyl-, Amido-,
Alkylamido-, Harnstoff-, Urethan-, Ester- und Alkoxyalkyl-Gruppen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
umfasst die Spacer-Gruppe eine oder mehrere Gruppen, ausgewählt aus
Hydroxyalkyl-, Alkylamino-, Hydroxyalkylaminoalkyl-, Hydroxyalkylaminoalkylhydroxyalkyl-,
Alkylaminoalkyl- und Alkylamido-Gruppen. In bestimmten anderen Ausführungsformen
umfasst die Spacer-Gruppe eine oder mehrere Gruppen, ausgewählt aus
Hydroxyalkyl-, Alkylamino-, Hydroxyalkylaminoalkyl-, Hydroxyalkylaminoalkylhydroxyalkyl-,
Alkylaminoalkyl- und Alkylamido-Gruppen.
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Die
Spacer-Gruppe kann linear, verzweigt oder eine Kombination hiervon
sein. Die kationischen Gruppen können
integraler Teil der Beschichtung werden infolge Anheftung der kationischen
Gruppen mit Hilfe von Recktanten, welche die kationischen Gruppen über Spacer-Gruppen
mit dem Grundgerüst der
Beschichtung verknüpfen.
In bestimmten Ausführungsformen
können
die kationischen Gruppen durch Spacer-Gruppen an Precursors angeheftet
werden und die Precursors können
in die Beschichtungschemie umgewandelt oder Teil derselben werden.
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Die
Spacer-Gruppe kann eine beliebige geeignete Länge aufweisen; so kann die
Spacer-Gruppe zum Beispiel eine Gruppe sein, welche 1 bis ca. 10
Atome, z.B. Kohlenstoffatome, aufweist. Somit kann die Spacer-Gruppe
1 bis ca. 10 Kohlenstoffatome lang sein, bevorzugt 2 bis ca. 6 Kohlenstoffe
lang und am meisten bevorzugt ca. 3 Kohlenstoffatome lang. Ohne
sich an einen bestimmten Mechanismus binden zu wollen, wird angenommen,
dass die Spacer-Gruppe,
die zu einer räumlichen
Trennung unter den kationischen Gruppen beiträgt, eine Rolle bei der Verbesserung
der Wechselwirkung zwischen Biomolekül und Membran und der Bindungskapazität, die sich
als Ergebnis dieser Wechselwirkung manifestiert, spielt.
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Eine
bevorzugte Spacer-Gruppe ist Hydroxyalkyl. So kann z.B. das Polyamin
mit einer Glycidyl-Verbindung in Kontakt gebracht werden, welche eine
kationische Gruppe aufweist, so dass der Epoxy-Ring an der primären oder
sekundären
Amino-Gruppe des Polyalkylenamins öffnet. Ferner kann eine Lösung von
einem Polyamin, z.B. Polyethylenimin (PEI), z.B. mit Glycidyltrimethylammoniumchlorid kombiniert
werden und das Polyamin mit durch Hydroxy alkyl-Gruppen verknüpften anhängenden
Trimethylammoniumchlorid-Gruppen erhalten werden.
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Die
Mengen der Recktanten für
die Verknüpfungsreaktion
werden so gewählt,
dass das resultierende Polyamin mit anhängenden kationischen Gruppen
reaktive Plätze
zum Vernetzen aufweist. So enthält
z.B. das Polyamin restliche primäre
und/oder sekundäre
Amino-Gruppen, nachdem die Verknüpfungsreaktion
durchgeführt
worden ist. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die restlichen
primären und/oder
sekundären
Amino-Gruppen mindestens ca. 10 mol%, mehr bevorzugt ca. 10 mol%
bis ca. 40 mol%, der primären
und/oder sekundären
Amino-Gruppen an dem Polyamin vor der Verknüpfung der anhängenden
kationischen Gruppen ausmachen.
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Die
Ausführungsform
der Membran, welche eine Beschichtung mit einem Diallylamin-Copolymer umfasst,
kann wie folgt näher
beschrieben werden. Das Copolymer umfasst ein polymerisiertes Diallylamin-Monomer.
Das Diallylamin-Monomer
kann substituiert oder unsubstituiert sein. So kann zum Beispiel
ein alkylsubstituiertes Diallylamin, so etwa Diallylmethylamin,
verwendet werden. Bevorzugt umfasst das Diallylamin-Copolymer ferner
ein Acryl-Monomer. Bevorzugt enthält das Acryl-Monomer die kationische
Gruppe. Das Acryl-Monomer könnte
ein Acrylatester oder ein Acrylamid sein. Der Ausdruck "Acryl", wie er hierin verwendet
wird, umfasst unsubstituierte sowie substituierte Acryl-Monomere. Ein Beispiel
für ein
substituiertes Acryl-Monomer ist ein Alkylacryl-Monomer.
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Der
Ausdruck "Alkyl", wie er hierin verwendet wird,
bezieht sich auf eine Alkyl-Gruppe
mit 1 bis ca. 10 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise 1 bis ca. 6 Kohlenstoffatomen.
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Ein
Beispiel für
ein geeignetes Acrylamid-Monomer ist ein Acryloylaminoalkyl-Monomer. Ein Beispiel
für das
Acryloylaminoalkyl-Monomer ist Methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid. Ein
Beispiel für
ein Acrylat ist ein Acryloyloxyalkyl-Monomer.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst das Diallylamin-Copolymer ein
oder mehrere Comonomere. Bei diesen Comono meren handelt es sich
bevorzugt um stickstoffhaltige Monomere. Diese Comonomere enthalten vorzugsweise
tertiäre
und/oder quaternäre
Ammonium-Gruppen.
Beispiele für
bevorzugte Comonomere umfassen Diallyldialkylammoniumchlorid und
Dialkylaminoalkylacrylamid. Somit umfasst in bestimmten Ausführungsformen
das Diallylamin-Copolymer zusätzlich
zu Diallylamin Comonomere, wie Methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid, Diallyldimethylammoniumchlorid
und Dimethylaminopropylmethacrylamid. Das Acryl-Copolymer kann ferner
ein Acrylat-Monomer an Stelle oder zusätzlich zu dem Acrylamid-Monomer
umfassen.
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Das
Diallylamin-Copolymer kann nach Verfahren hergestellt werden, wie
sie dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. So können beispielsweise Diallylamin
und Monomere, welche kationische und Epoxy-Gruppen tragen, polymerisiert
werden, um ein geeignetes Diallylamin-Copolymer bereitzustellen.
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Alternativ
kann zuerst ein Diallylamin-Copolymer, welches kationische Gruppen
enthält,
hergestellt werden, um danach die Epoxy-Gruppen einzuführen. So
kann z.B. das Copolymer mit einer eine reaktive Epoxy-Gruppe enthaltenden
Verbindung, z.B. Epichlorhydrin, zur Reaktion gebracht werden.
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Eine
Mischung von Diallylamin und dem Acryl-Monomer wird unter geeigneten
Bedingungen polymerisieren gelassen. Beispielsweise kann ein radikalischer
Initiator, wie Ammoniumpersulfat, verwendet werden, um die Polymerisation
zu initiieren. Das Molverhältnis
zwischen Diallylamin und dem Acryl-Monomer kann ca. 0,05 bis ca.
4, bevorzugt ca. 0,1 bis ca. 2 und mehr bevorzugt ca. 0,5 bis ca.
1 betragen.
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Das
Diallylamin-Copolymer wird sodann mit Epichlorhydrin zur Reaktion
gebracht. Die Chlormethyl-Gruppe des Epichlorhydrins reagiert mit
den sekundären
oder primären
Amino-Gruppen des Copolymers, um ein Polymer mit anhängenden
Epoxy-Gruppen bereitzustellen. Der Substitutionsgrad der Epoxy-Gruppen kann ca.
10 mol% bis ca. 200 mol%, bevorzugt ca. 25 mol% bis ca. 175 mol%, mehr
bevorzugt ca. 50 mol% bis ca. 150 mol%, bezogen auf das Diallylamin
in dem Copolymer, betragen.
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Einige
der kationischen Gruppen der Beschichtung können Teil der Beschichtungschemie werden,
indem sie über
Amino-Spacer-Gruppen angeheftet werden. Amino-Spacer-Gruppen können durch
die Verwendung von einem oder mehreren Polyaminen, z.B. Polyalkylenaminen,
bereitgestellt werden. Beispiele für Polyalkylenamine umfassen
kurzkettige Polyalkylenamine, wie Diethylentriamin, Triethylentetramin,
Tetraethylenpentamin und Pentaethylenhexamin und dergleichen, und
langkettige Polyalkylenamine, wie Polyethylenimin (PEI). Die Polyamine
weisen ein Molekulargewicht von mehr als ca. 500 auf. Es kann ein
beliebiges geeignetes Polyaminamin verwendet werden. Bevorzugt wird
ein PEI verwendet. Es kann ein beliebiges geeignetes PEI verwendet
werden. Das Molekulargewicht des PEI kann ca. 500 bis ca. 750 000,
bevorzugt ca. 10 000 bis ca. 750 000, mehr bevorzugt ca. 50 000
bis ca. 100 000 betragen. In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung kann mit Vorteil eine Kombination eines kurzkettigen Polyalkylenamins
und eines langkettigen Polyalkylenamins verwendet werden.
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Die
kationischen Gruppen können
durch geeignete Spacer-Gruppen an das Polyalkylenamin angeheftet
werden. So kann beispielsweise das Polyalkylenamin mit einer eine
kationische Gruppe tragenden Glycidyl-Verbindung, z.B. Glycidyltrialkylammoniumhalogenid,
reagieren gelassen werden, um ein Polyalkylenamin bereitzustellen,
welches kationische Gruppen aufweist, die durch Hydroxyalkyl-Spacer-Gruppen
mit dem Polyalkylenamin verknüpft
sind. So kann zum Beispiel Pentaethylenhexamin mit Glycidyltrimethylammoniumchlorid
zur Reaktion gebracht werden.
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Das
Polyalkylenamin, welches dahingehend modifiziert ist, dass es kationische
Gruppen aufweist, wie im Vorstehenden beschrieben, kann Teil der
Beschichtungschemie gemacht werden, indem es mit dem Diallylamin-Copolymer,
welches geeignete reaktive Plätze,
z.B. Epoxy-Gruppen, aufweist, zur Reaktion gebracht wird. Die Diallylamin-Copolymere können in
den Besitz von reaktiven Plätzen
gebracht werden durch Reagierenlassen mit Verbindungen, welche reaktive
Plätze
bereitstellen. So kann zum Beispiel das Diallylamin-Copolymer mit
Epichlorhydrin reagieren gelassen werden, um Epoxy-Plätze bereitzustellen.
Die Beschichtung wird als eine Folge der Reaktion unter den reaktiven
Plätzen,
wie Epoxy- und Amin-Gruppen, vernetzt. Bei einigen Ausführungsfor men
der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung ferner ein Vernetzungsmittel.
Es kann ein beliebiges geeignetes Vernetzungsmittel verwendet werden.
Das Vernetzungsmittel ist bevorzugt eine Polyglycidyl-Verbindung,
z.B. ein Polyalkylenglycolpolyglycidylether. Ein bevorzugtes Beispiel
für ein Vernetzungsmittel
ist Ethylenglycoldiglycidylether.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, insbesondere eine vernetzte Polyalkylenamin-Beschichtung,
die eine positive Festladung bereitstellt. Die vorliegende Erfindung stellt
ferner ein positiv geladene mikroporöse Membran bereit, umfassend
ein hydrophiles poröses
Polyethersulfon-Substrat und eine vernetzte Beschichtung, umfassend
das Reaktionsprodukt eines Polyethylenimins mit anhängenden
quaternären
Ammonium-Gruppen und eines Polyalkylenglycolpolyglycidylethers.
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Beispielsweise
kann die Beschichtung erzeugt werden durch Beschichten und Härten eines hydrophilen
Substrates mit einer Zusammensetzung, umfassend – in geeigneten Mengen – ein Diallylamin-Copolymer,
ein Polyamin, z.B. ein Polyalkylenamin, und ein aminreaktives Agens
mit einer kationischen Gruppe, z.B. Glycidyltrimethylammoniumchlorid.
Beispielsweise kann das Diallylamin-Copolymer in einer Menge von ca. 1 Gew.%
bis ca. 20 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von ca. 2 Gew.% bis ca.
10 Gew.% und mehr bevorzugt in einer Menge von ca. 3 Gew.% bis ca.
7 Gew.% der Zusammensetzung vorliegen. Das Polyamin kann in einer
Menge von ca. 0,05 Gew.% bis ca. 5 Gew.%, bevorzugt in einer Menge
von ca. 0,1 Gew.% bis ca. 2 Gew.% und mehr bevorzugt in einer Menge
von ca. 0,2 Gew.% bis ca. 1 Gew.% der Zusammensetzung vorliegen.
Das Mengenverhältnis
von aminreaktiver kationischer Verbindung und aktivem Wasserstoff
von Polyalkylenamin kann ca. 0,1 Gew.% bis ca. 20 Gew.%, bevorzugt
ca. 0,5 Gew.% bis ca. 15 Gew.% und mehr bevorzugt ca. 0,75 Gew.%
bis ca. 10 Gew.% der Zusammensetzung betragen.
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Bestimmte
Ausführungsformen
einer Membran gemäß vorliegender
Erfindung können
hergestellt werden durch Beschichten und Härten eines hydrophilen Substrates
mit einer Beschichtungszusammensetzung, umfassend Diallylamin, Diallyldimethylammoniumhalogenid,
ein Acryl-Monomer und ein Vernetzungsmittel. Ein Beispiel für ein geeignetes
Diallyldialkylammoniumhalogenid ist Diallyldimethylammoniumchlorid.
Es kann ein beliebiges geeignetes Vernetzungsmittel verwendet werden.
Ein bevorzugtes Vernetzungsmittel ist ein N-(Alkoxymethyl)-acrylamid.
Das Vernetzungs-Acrylamid kann ferner substituiert sein. Beispielsweise
kann ein Alkylacrylamid mit einer N-(Alkoxymethyl)-Gruppe verwendet
werden. Bevorzugte Vernetzungsmittel sind N-(Isobutoxymethyl)-acrylamid
und N-(Isobutoxymethyl)-methacrylamid. Die Bestandteile der Zusammensetzung
können
in einem beliebigen geeigneten Verhältnis vorliegen.
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So
kann beispielsweise das Acryl-Monomer in einer Menge von ca. 0,1
Gew.% bis ca. 30 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von ca. 1 Gew.%
bis ca. 20 Gew.% und mehr bevorzugt in einer Menge von ca. 1 Gew.%
bis ca. 15 Gew.% der Zusammensetzung vorliegen. Das Diallylamin
kann in einer Menge von ca. 0,1 Gew.% bis ca. 30 Gew.%, bevorzugt
in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 20 Gew.% und mehr bevorzugt
in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 15 Gew.% der Zusammensetzung
vorliegen. Das Diallylamindialkylammoniumhalogenid kann in einer Menge
von ca. 0,1 Gew.% bis ca. 30 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von
ca. 1 Gew.% bis ca. 20 Gew.% und mehr bevorzugt in einer Menge von
ca. 2 Gew.% bis ca. 15 Gew.% der Zusammensetzung vorliegen. Das
Vernetzungsmittel kann in einer Menge von ca. 0,1 Gew.% bis ca.
20 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 15 Gew.%
und mehr bevorzugt in einer Menge von ca. 2 Gew.% bis ca. 10 Gew.%
der Zusammensetzung vorliegen.
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In
bestimmten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst die vernetzte Beschichtung ein
Acryl-Copolymer mit anhängenden
kationischen Gruppen, welche durch Spacer-Gruppen mit dem Copolymer
verknüpft
sind. Es kann eine beliebige der im Vorstehenden beschriebenen Spacer-Gruppen
verwendet werden. Ein Beispiel für das
Acryl-Monomer ist Alkylacryloylaminoalkyltrialkylammoniumhalogenid,
bevorzugt Methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid. Somit
umfasst die Beschichtungszusammensetzung ein Acryl-Copolymer, welches
Epoxy-Gruppen und anhängende
kationische Gruppen aufweist. Das Acryl-Copolymer umfasst ein Glycidylalkylacrylat
und ein Methacryloyloxyalkyl oder Methacryloylaminoalkyltrialkylammoniumhalogenid,
bevorzugt Glycidylmethacrylat und Methacryloyloxyethyl oder Methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid. Es
ist ferner bevorzugt, dass das Acryl-Copolymer in seinem vernetzten
Zustand ein Polyamin umfasst. Ein kurzkettiges Polyalkylenamin ist
ein weiter bevorzugtes Polyamin.
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So
umfasst beispielsweise das Acryl-Copolymer in seinem vernetzten
Zustand Pentaethylenhexamin. Bevorzugt ist das Polyamin ein modifiziertes Polyamin.
Das Polyamin ist also durch eine Verbindung mit kationischen Gruppen
modifiziert. Das Polyamin ist durch Glycidyltrimethylammoniumchlorid modifiziert.
Die Beschichtungszusammensetzung kann die Bestandteile in einem
beliebigen geeigneten Verhältnis
enthalten. So kann beispielsweise das Acryl-Polymer in einer Menge
von ca. 0,5 Gew.% bis ca. 5 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von
ca. 1 Gew.% bis ca. 4,5 Gew.% und mehr bevorzugt in einer Menge
von ca. 1,25 Gew.% bis ca. 4,25 Gew.% der Zusammensetzung vorliegen.
Das Polyamin kann in einer Menge von ca. 0,5 Gew.% bis ca. 10 Gew.%,
bevorzugt in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 8 Gew.% und mehr
bevorzugt in einer Menge von ca. 3 Gew.% bis ca. 6 Gew.% der Zusammensetzung
vorliegen.
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Das
Polyamin mit anhängenden
kationischen Gruppen kann durch ein beliebiges geeignetes Vernetzungsmittel
vernetzt sein. Das Vernetzungsmittel ist ein polyfunktionelles Agens
mit aminreaktiven Gruppen, wie Epoxy, Isocyanato, Carboxyl und Säurechlorid.
Ein bevorzugtes Vernetzungsmittel ist eine Polyglycidyl-Verbindung.
Ein Beispiel für
eine geeignete Polyglycidyl-Verbindung ist ein Polyalkylenglycolpolyglycidylether.
Ethylenglycoldiglycidylether und Butylenglycoldiglycidylether sind
bevorzugte Vernetzungsmittel.
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Die
Beschichtungszusammensetzung kann beispielsweise hergestellt werden
durch Lösen
des Polyamins in einem geeigneten Lösemittel. Bevorzugte Lösemittel
umfassen Wasser, niedrigsiedende Alkohole, wie Methanol, Ethanol
und Propanol, und Kombinationen hiervon. Das Lösemittel kann in einer Menge
von ca. 40 Gew.% bis ca. 99 Gew.%, bevorzugt in einer Menge von
ca. 90 Gew.% bis ca. 99 Gew.% der Beschichtungszusammensetzung vorliegen.
Das Polyamin kann in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 5 Gew.%,
bevorzugt in einer Menge von ca. 1 Gew.% bis ca. 2,5 Gew.% der Beschichtungszusammensetzung
vorliegen.
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Die
positiv geladene mikroporöse
Membran kann hergestellt werden durch Beschichten eines porösen Substrates,
vorzugsweise eines porösen
hydrophilen Substrates, und Härten
des beschichteten Substrates. Das hydrophile poröse Substrat kann aus einem
beliebigen geeigneten Material hergestellt sein; vorzugsweise umfasst
das Substrat ein Polymer. Beispiele für geeignete Polymere umfassen
Polyaromaten, Polysulfone, Polyamide, Polyimide, Polyolefine, Polystyrole,
Polycarbonate, cellulosische Polymere, wie Celluloseacetate und
Cellulosenitrate, Fluorpolymere und PEEK. Aromatische Polysulfone sind
bevorzugt. Beispiele für
aromatische Polysulfone umfassen Polyethersulfon, Bisphenol A-Polysulfon und Polyphenylsulfon.
Polyethersulfon ist besonders bevorzugt. Das hydrophile poröse Substrat
kann eine beliebige geeignete Porengröße aufweisen, z.B. eine Porengröße im Bereich
von ca. 0,01 oder 0,03 μm
bis ca. 10 μm,
bevorzugt ca. 0,1 μm
bis ca. 5 μm und
mehr bevorzugt ca. 0,2 μm
bis ca. 5 μm.
Das poröse
Substrat kann asymmetrisch oder – in einer bevorzugten Ausführungsform – symmetrisch
sein.
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Das
poröse
hydrophobe Substrat kann nach Methoden hergestellt werden, die dem
Durchschnittsfachmann bekannt sind. Beispielsweise kann das poröse Substrat
durch einen Phaseninversionsprozess hergestellt werden. Es wird
also eine Gießlösung hergestellt,
welche das hydrophobe Polymer, ein Lösemittel, einen Porenbildner,
ein Benetzungsmittel und optional eine kleine Menge eines Nichtlösemittels
enthält,
durch Kombinieren und Mischen der Bestandteile, vorzugsweise bei
einer erhöhten Temperatur.
Die resultierende Lösung
wird filtriert, um Verunreinigungen zu entfernen. Die Gießlösung wird
in die Form eines Flachmaterials oder einer Hohlfaser gegossen oder
extrudiert. Das resultierende Flachmaterial oder die Faser wird
als eine phaseninvertierte Membran fest werden oder gelieren gelassen.
Die verfestigte Membran wird dann "geleacht", um das Lösemittel und andere lösliche Bestandteile
zu entfernen.
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Das
Beschichten des porösen
Substrates mit der Beschichtungslösung kann nach Verfahren durchgeführt werden,
welche dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, zum Beispiel durch
Tauchbeschichtung, Sprühbeschichtung,
Menis cusbeschichtung und dergleichen. Beispielsweise kann eine Tauchbeschichtung
wie folgt durchgeführt
werden. Das Substrat wird für
eine gegebene Zeitspanne, die ausreichend ist, um das Beschichten
der Porenwände
zu gewährleisten,
in die Lösung
getaucht. Die Tauchzeit kann ca. 1 s bis ca. 5,0 min betragen, bevorzugt
ca. 1 s bis ca. 1,0 min und mehr bevorzugt ca. 0,1 min bis ca. 0,3
min. Nach dem Tauchen wird die überschüssige Beschichtungslösung auf
dem Substrat entfernt, indem sie unter der Einwirkung der Schwerkraft
oder unter Zuhilfenahme einer Rakel oder Luftrakel ablaufen gelassen
wird. Das resultierende beschichtete Substrat wird gehärtet, um
das Härten
oder Vernetzen der Beschichtungszusammensetzung zu bewirken. So
kann die Membran beispielsweise bei einer Temperatur unterhalb 130 °C, z.B. in
einem Bereich von ca. 50 °C
bis ca. 130 °C, bevorzugt
bei einer Temperatur von ca. 70 °C
bis ca. 130 °C,
für eine
geeignete Zeitspanne, welche in einem Bereich von ca. 5 min bis
ca. 60 min, bevorzugt ca. 10 min bis ca. 30 min, angesiedelt sein
kann, gehärtet
werden. Die resultierende Membran kann gewaschen werden, um Extrahierbares
in der Membran auszuwaschen (Leaching). Beispielhaft kann das Leaching
der Membran in heißem
deionisierten Wasser durchgeführt
werden, z.B. in Wasser, welches bei über 73 °C gehalten wird. Die resultierende
Membran wird dann in Luft oder in einem Ofen getrocknet, um das
Wasser zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit zur Herstellung
einer positiv geladenen mikroporösen
Membran, umfassend ein vernetztes Polyamin mit anhängenden
kationischen Gruppen. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren:
- (a) Bereitstellen eines porösen Substrates;
- (b) Inkontaktbringen des Substrates mit einer Zusammensetzung,
umfassend ein Vernetzungsmittel und ein Polyamin mit anhängenden
kationischen Gruppen;
- (c) Härten
des in (b) erhaltenen Substrates, um die positiv geladene Membran
zu erhalten; und,
- (d) optional, Extrahieren der in (c) erhaltenen Membran, um
einen extrahierbaren Rest darin zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zur Herstellung
gewisser Ausführungsformen
der positiv geladenen mikroporösen Membran,
umfassend ein Diallylamin-Copolymer mit anhängenden kationischen Gruppen.
Eine Ausführungsform
des Verfahrens umfasst:
- (a) Bereitstellen eines
porösen
Substrates;
- (b) Inkontaktbringen des Substrates mit einer Zusammensetzung,
umfassend ein Diallylamin-Copolymer mit Epoxy- und anhängenden
kationischen Gruppen, ein Polyamin und eine aminreaktive Verbindung
mit einer kationischen Gruppe;
- (c) Härten
des in (b) erhaltenen Substrates, um die positiv geladene Membran
zu erhalten; und
- (d) optional, Extrahieren der in (c) erhaltenen Membran, um
einen extrahierbaren Rest darin zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren bereit zur Herstellung
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, z.B. eine mikroporöse Membran, umfassend ein Diallylamin-Copolymer
mit anhängenden
kationischen Gruppen, wobei eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst:
- (a) Bereitstellen eines hydrophilen porösen Substrates;
- (b) Inkontaktbringen des Substrates mit einer Zusammensetzung,
umfassend ein Copolymer von einem Diallylamin, Diallyldialkylammoniumhalogenid,
ein Acryl-Monomer mit einer quaternären Ammoniumgruppe und ein
Vernetzungsmittel;
- (c) Härten
des in (b) erhaltenen Substrates, um die positiv geladene Membran
zu erhalten; und
- (d) optional, Extrahieren der in (c) erhaltenen Membran, um
einen extrahierbaren Rest darin zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt also ein Verfahren bereit zur Herstellung
einer Ausführungsform der
positiv geladenen mikroporösen
Membran, umfassend ein Acryl-Copolymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen, wobei eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst:
- (a) Bereitstellen eines porösen Substrates;
- (b) Inkontaktbringen des Substrates mit einer Beschichtungszusammensetzung,
umfassend ein Acryl-Copolymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen;
- (c) Härten
des in (b) erhaltenen Substrates, um die positiv geladene Membran
zu erhalten; und
- (d) optional, Extrahieren der in (c) erhaltenen Membran, um
einen extrahierbaren Rest darin zu entfernen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Polyethersulfon-Substrat
und eine vernetzte Beschichtung, umfassend das Reaktionsprodukt
eines Polyethylenimins mit anhängenden
quaternären
Ammoniumgruppen und eines Polyalkylenglycolpolyglycidylethers.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, umfassend ein Polyalkylenamin mit anhängenden
kationischen Gruppen, welche durch Spacer-Gruppen mit dem Polyalkylenamin
verknüpft
sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Polyethersulfon-Substrat
und eine vernetzte Beschichtung, welche das Reaktionsprodukt eines
Polyethylenimins mit anhängenden
quaternären
Ammoniumgruppen und eines Polyalkylenglycolpolyglycidylethers umfasst.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, umfassend ein Diallylamin-Copolymer mit anhängenden kationischen
Gruppen, welche durch Spacer-Gruppen an das Diallylamin-Copolymer
geknüpft
sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, umfassend ein Acryl-Copolymer mit anhängenden
kationischen Gruppen, welche durch Spacer-Gruppen mit dem Acryl-Copolymer verknüpft sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtung, wobei die Beschichtung hergestellt ist durch Vernetzen
einer Zusammensetzung, umfassend ein Diallylamin-Copolymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen, ein Polyalkylenamin und eine aminreaktive
Verbindung mit einer kationischen Gruppe.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Copolymer von Diallylamin,
ein Diallyldialkylammoniumhalogenid, ein Acryl-Monomer mit einer quaternären Ammonium-Gruppe
und ein Vernetzungsmittel.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine positiv geladene mikroporöse Membran
bereit, umfassend ein hydrophiles poröses Substrat und eine vernetzte
Beschichtungszusammensetzung, umfassend ein Acryl-Polymer mit Epoxy-Gruppen
und anhängenden
kationischen Gruppen und ein Copolymer, umfassend ein Polyamin und
eine Glycidyl-Verbindung mit einer kationischen Gruppe.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ferner eine Vorrichtung bereit, z.B.
eine Filtervorrichtung, eine chromatographische Vorrichtung, eine
Vorrichtung für
den makromolekularen Transfer, eine Strömungsverteileranordnung und/oder
ein Membranmodul, umfassend die positiv geladenen Membranen gemäß vorliegender
Erfindung. Die Vorrichtung kann in beliebiger geeigneter Form vorliegen.
Beispielsweise kann die Vorrichtung ein Filterelement umfassen, welches
das positiv geladene Membranflachmaterial umfasst, z.B. in einer
im Wesentli chen planaren oder gefalteten Form. Bei einer Ausführungsform
kann das Element eine hohle, im Wesentlichen zylinderförmige Gestalt
aufweisen. Falls gewünscht,
kann die Vorrichtung das Filterelement in Kombination mit einer
aufstromseitigen und/oder abstromseitigen Stütz- oder Drainagelage umfassen.
Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von Membranen aufweisen, z.B.
um ein mehrlagiges Filterelement bereitzustellen, oder in gestapelter
Form, um ein Membranmodul bereitzustellen, z.B. ein Membranmodul
zur Verwendung in der Membranchromatographie. Filterpatronen können konstruiert
werden durch Einbeziehung von einem Gehäuse und Endkappen, um eine
Fluiddichtung bereitzustellen, sowie von mindestens einem Einlass
und mindestens einem Auslass. Die Vorrichtungen können so
konstruiert sein, dass sie im Querstrom-(Crossflow-) oder Tangentialstrombetrieb
sowie in einem statischen (Dead-end-)Betrieb arbeiten. Dementsprechend
kann das zu behandelnde Fluid beispielsweise tangential zur Membranoberfläche geführt werden,
oder es kann senkrecht zur Membranoberfläche geführt werden. Für Ausführungsformen
der Membran, welche als ein Rohr oder eine Faser oder als Bündel von
Rohren oder Fasern vorliegen, kann bzw. können die Membran/en als Module konfiguriert
sein, z.B. nach Einbetten ihrer Enden in einem Klebemittel. Zwecks
einer Beschreibung beispielhafter chromatographischer Vorrichtungen,
Modulen mit porösen
Medien und Strömungsverteileranordnungen,
siehe
U.S. Provisional Patent
Application Nr. 60/121 667 und
Nr. 60/121 701 , beide eingereicht
am 25. Februar 1999;
U.S. Provisional
Patent Application Nr. 60/168 738 und
60/168 750 , beide eingereicht am
6. Dezember 1999; und die internationalen Anmeldungen, eingereicht
am 25. Februar 2000, mit dem Titel "Negatively Charged Membrane" von Chung-Jen Hou,
Peter Konstantin und Yujing Yang; "Chromatography Devices and Flow Distributor
Arrangements Used in Chromatography Devices" von Mark Hurwitz, Thomas Sorensen,
John Stempel und Thomas Fendya; und "Chromatography Devices, Porous Medium
Modules Used in Chromatography Devices and Methods for Making Porous
Medium Modules" von
Mark Hurwitz, Thomas Fendya und Gary Bush. Siehe auch UK Patent
Application
GB 2 275
626 A .
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In
bevorzugten Ausführungsformen
weist die erfindungsgemäße Membran
eine hervorragende Wasserdurchlässigkeit,
Protein-Bindungskapazität und
La dungsdichte auf. So weist die Membran zum Beispiel eine Wasserfließrate von
wenigstens 5 ml/min/cm2, z.B. ca. 10 ml/min/cm2 bis ca. 100 ml/min/cm2,
bevorzugt ca. 30 ml/min/cm2 bis ca. 70 ml/min/cm2, bei einem Druck von 24 in.Hg auf. Die
erfindungsgemäße Membran
zeigt einen Öffnungs-Wasser-Blasenpunkt (Bubble-Point),
der unter 45 psi liegt, z.B. in einem Bereich von ca. 15 psi bis
ca. 35 psi, bevorzugt ca. 20 psi bis ca. 30 psi. Bevorzugt ist die
erfindungsgemäße Membran
mit Wasser und salinischen Lösungen
augenblicklich benetzbar.
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Die
erfindungsgemäße Membran
weist eine hohe Ladungsdichte auf. Die Ladungsdichte kann nach Verfahren
bestimmt werden, wie sie dem Durchschnittsfachmann bekannt sind.
Beispielsweise kann eine Bindungskapazität für einen negativ geladenen Farbstoff
als Maß für die Ladung
verwendet werden. So weist die Membran eine Metanilgelb-Farbstoff-Bindungskapazität von mindestens
70 ml auf, z.B. ca. 70 ml bis ca. 1000 ml, bevorzugt ca. 90 ml bis
ca. 800 ml, bei Prüfung
mit einer 10 ppm-Farbstofflösung
in Wasser. Metanilgelb ist ein negativ geladener Farbstoff. Die
Farbstoffbindungskapazität
kann z.B. gemessen werden durch Filtrieren einer 10 Gew.-ppm-Lösung von
Metanilgelb-Farbstoff, pH 6,6, bei einem Unterdruck von 5 in.Hg
durch eine Membranscheibe von 9,6 cm2 und Überwachen
des Volumens des Filtrats, bis eine Spur des Farbstoffs im Filtrat
zu erscheinen beginnt.
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Die
erfindungsgemäße Membran
weist eine hohe Protein-Bindungskapazität, vorzugsweise eine hohe dynamische
BSA-Bindungskapazität
auf. So weist die Membran eine dynamische BSA-Bindungskapazität von mindestens
20 mg/ml auf, z.B. ca. 20 mg/ml bis ca. 100 mg/ml, bevorzugt ca.
25 mg/ml bis ca. 80 mg/ml. Beispielhaft wird die dynamische BSA-Bindungskapazität nach dem
folgenden Verfahren bestimmt. Ein proteinhaltiges Fluid, so etwa
ein Fluid mit niedriger Ionenstärke,
z.B. 25 mM Tris oder 10 mM Phosphat mit einem Protein, wird durch
eine Membran geleitet, typisch bei einer Fließrate von 1 cm/min, und die
Konzentration des Proteins in dem Filtrat wird als eine Funktion
der Zeit gemessen. Die Konzentration des Proteins kann spektrophotometrisch
bestimmt werden, z.B. durch Messen der Extinktion des Proteins bei
280 nm. Eine Durchbruchkurve, wie die in 1 gezeigte,
kann dann erstellt werden, wobei die x-Achse die Zeit des Filtrationsexperimentes
angibt und die y-Achse die Proteinkonzentration im Filtrat angibt.
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Die
erfindungsgemäßen Membranen,
insbesondere jene, welche eine vernetzte Beschichtung aus dem Diallylamin-Copolymer
enthalten, zeigen eine verbesserte Stabilität im Alkalischen im Vergleich
mit Membranen, welche eine aus Estern, z.B. Glycidylmethacrylat,
bestehende Beschichtungszusammensetzung umfassen. So war die Membran nach
48-stündigem
Eintauchen in 1M NaOH-Lösung bei
37 °C stabil
geblieben. Diese Alkaliresistenz erlaubt eine periodische Reinigung
und Rejuvenierung der verbrauchten Membran mit einer Alkalilösung.
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Die
erfindungsgemäßen Membranen
finden Verwendung in verschiedenen Anwendungen, z.B. in der Filtration
von Fluiden, welche negativ geladene Materialien, z.B. Atome, Moleküle und Partikel,
enthalten, bei der chromatographischen Trennung und beim makromolekularen
Transfer von Nucleinsäuren und
Proteinen von Elektrophoresegelen auf eine Immobilisierungsmatrix.
Weitere Anwendungen umfassen zum Beispiel die Reinigung von viralen
Vakzinen und Gentherapievektoren. Beispiele für negativ geladene Materialien
umfassen Biomoleküle,
wie Proteine, z.B. Wirtszellenproteine, Peptide, Aminosäuren, Nucleinsäuren wie
DNA und RNA, Endotoxine, Viren, Adenoviren und Lipide. Die erfindungsgemäßen Membranen
finden ferner Anwendung bei der Entfernung von bakteriellen Fragmenten,
z.B. Endotoxinen, aus Fluiden. Beispiele für Nucleinsäuren umfassen modifizierte
oder unmodifizierte, natürliche
oder synthetische RNA und DNA. Die erfindungsgemäße Membran kann ferner zur
Adsorption und/oder Trennung von Plasmiden und/oder Adenoviren verwendet werden.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit zum Behandeln
eines Fluids, welches negativ geladene Materialien enthält, wobei
das Verfahren das Inkontaktbringen des Fluids mit der positiv geladenen
Membran umfasst. Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren
bereit zum selektiven Adsorbieren eines oder mehrerer negativ geladener
Materialien aus einem Fluid, welches eine Mischung von negativ geladenen
Materialien enthält,
umfassend das Inkontaktbringen des Fluids mit der Membran unter
Bedingun gen, welche vorteilhaft für die Adsorption ausgewählter negativ
geladener Materialien sind. Die vorliegende Erfindung stellt ferner
ein Verfahren bereit zum selektiven Freisetzen eines oder mehrerer
Biomoleküle
aus der erfindungsgemäßen Membran,
umfassend das Inkontaktbringen der Membran mit adsorbierten Biomolekülen mit einem
Elutionsmittel unter Bedingungen, welche vorteilhaft für die Freigabe
der ausgewählten
Biomoleküle
sind.
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Die
positiv geladene Membran gemäß vorliegender
Erfindung ist besonders geeignet zur Behandlung von Fluiden, welche
Biomoleküle
enthalten, die bereits eine negative Oberflächenladung aufweisen oder auf
Erhalt einer solchen behandelt werden. Beispielsweise kann eine
Proteinlösung
so behandelt werden, dass der pH-Wert der Lösung höher ist als der isoelektrische
Punkt des Proteins, bevorzugt bis zu ca. 3 oder 4 Einheiten höher als
der isoelektrische Punkt. So weist z.B. BSA einen isoelektrischen
Punkt von 4,7 auf. Der pH-Wert des Puffers, der das Protein enthält, kann
auf ca. 7,0 eingestellt werden. BSA, welches eine negative Ladung
aufweist, kann auf der Oberfläche
der positiv geladenen Membran adsorbiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Membran
kann für die
Reinigung von Proteinen verwendet werden. So können z.B. Nucleinsäuren aus
einem Fluid entfernt werden, welches Nucleinsäuren und Proteine umfasst.
Ein Beispiel für
ein Protein sind Antikörper.
Die Nucleinsäuren
können
zum Beispiel genomische DNA, Plasmid-DNA oder virale DNA sein. Die
Nucleinsäure
kann mit einem minimalen Proteinverlust entfernt werden. Die erfindungsgemäße Membran
weist eine DNA-Bindungskapazität
von ca. 5 mg/ml oder mehr bei ca. 80 % Sättigung oder mehr auf. Ausführungsformen
der Membran weisen eine DNA-Bindungskapazität von 5,7 mg/ml bei einer Fließrate von 20
ml/min und 8,5 mg/ml bei einer Fließrate von 4 ml/min auf. Bei
einigen Ausführungsformen
der Verfahren, bei denen z.B. Nucleinsäuren wie DNA aus einem Fluid,
z.B. einer Nucleinsäure
und Protein enthaltenden pharmazeutischen Zubereitung, entfernt werden
sollen, kann die DNA (z.B. Wirtszellen-DNA) von einer Anfangskonzentration
von ca. 100 μg/ml oder
mehr hinab bis ca. 10 Pikogramm/ml oder weniger in dem behandelten
(z.B. gefilterten), an Nucleinsäure
verarmten proteinhaltigen Fluid erniedrigt werden. DNA bindet an
die erfindungsgemäße Membran selbst
in hochsalinischen Medien, z.B. 0,5M NaCl bei pH 7,0.
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Die
erfindungsgemäßen Membranen
können ferner
für die
Trennung von Proteinen verwendet werden, z.B. für die Isolierung oder Reinigung
der einzelnen Proteine aus einem Fluid, welches IgG und BSA enthält. Die
Trennung kann bewirkt werden durch Variieren der Prozessbedingungen,
z.B. des pH-Wertes oder des Puffers oder beides. So können beispielsweise
80 μl eines
Fluids, welches 1 mg/ml Ziegen-IgG und 1 mg/ml BSA enthält, auf
eine chromatographische Säule
oder einen Stapel von fünf
Lagen einer erfindungsgemäßen positiv
geladenen Membran mit einem Durchmesser von 25 mm gegeben werden.
Die Säule
oder der Stapel kann mit einem Gradienten eluiert werden – 7 ml von
25 mM Tris-Puffer bei einem pH-Wert von 8,5 zu 1M NaCl-25 mM Tris-Puffer
bei einem pH-Wert von 8,5. Die Fließrate kann 4 ml/min betragen.
Das Ziegen-IgG wird als erstes eluiert, gefolgt von BSA.
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Die
erfindungsgemäße Membran
weist eine dynamische Protein-Bindungskapazität von ca. 25 mg/ml oder mehr
bei 80 % Sättigungskapazität auf, z.B.
in einem 25 mM Tris-Puffer, pH 7,0, bei einer Fließrate von
1 ml/min. Ausführungsformen
der Membran weisen eine dynamische Protein-Bindungskapazität, z.B.
BSA-Bindungskapazität,
von 80 mg/ml in einer 0,5M Salzlösung
auf.
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Die
folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter veranschaulichen;
es versteht sich jedoch, dass sie den Bereich der Erfindung in keiner
Weise einschränken
sollen.
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BEISPIEL 1
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Zuerst wurde ein Diallylamin-Copolymer wie folgt hergestellt.
5 g Diallylamin wurden zu 59 g deionisiertem Wasser, welches 12
g einer 50 %igen Salzsäurelösung enthielt,
hinzugegeben. 30 g {3-(Methacryloylamino)-propyl}-trimethylammoniumchlorid
(50 %ige Lösung)
wurden hinzugefügt
und gemischt. Der pH-Wert der resultierenden Lösung wurde durch die Zugabe
von verdünntem
Natriumhydroxid auf 5,0 eingestellt. Die obige Reaktionsmischung
wurde mit Stickstoff für
2 h bei 50 °C gespült.
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Die
Polymerisation wurde durch die Zugabe von 0,5 g Ammoniumpersulfat
initiiert. Die Polymerisation wurde nach 2,5 h gestoppt. Die resultierende Polymerlösung wurde
durch Reaktion mit Epichlorhydrin aktiviert. 20 g der wie oben beschrieben
hergestellten Copolymer-Lösung
wurden mit der gleichen Menge an deionisiertem Wasser verdünnt. Der pH-Wert
der verdünnten
Lösung
wurde durch die Zugabe von verdünntem
NaOH auf 8,0 eingestellt, und 1,3 g Epichiorhydrin wurden zugesetzt.
Die erhaltene Mischung wurde bei 45 °C 4 Stunden lang kräftig gerührt. So
wurde eine aktivierte Polymerlösung
erhalten.
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Separat
von der wie oben beschrieben hergestellten aktivierten Polymerlösung wurden
10 g Pentaethylenhexamin (PEHA) (Aldrich) und 56 g Glycidyltrimethylammoniumchlorid
(GTMACI) (90 %) (Fluka) in 34 g deionisiertem Wasser gelöst, und
die resultierende Lösung
wurde in einem Wasserbad bei 135 °F über Nacht
erhitzt. So wurde eine Vernetzerlösung erhalten.
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Es
wurden zwei verschiedene Membranbeschichtungslösungen hergestellt. Die erste
Lösung enthielt
20 g des aktivierten Polymers, 20 g deionisiertes Wasser, 3 g der
Vernetzerlösung.
Die zweite Lösung
enthielt 20 g des aktivierten Polymers und 4 g der Vernetzerlösung. Der
pH-Wert der Lösungen wurde
durch die Zugabe von NaOH auf 10,4 eingestellt.
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Mikroporöse Polyethersulfon-Membranen wurden
als das hydrophile Substrat verwendet. Die Lösungen wurden auf eine hydrophile
Polyethersulfon-Membran mit einer nominellen Porengröße von 0,8 μm aufgebracht.
Zwei Stücke
des Membransubstrates wurden in die Beschichtungslösungen eingetaucht.
Die überschüssige Lösung wurde
entfernt, und die eingetauchten Substrate wurden in einem Ofen bei
100 °C für 1 Stunde
erhitzt. Die resultierenden Membranen wurden in heißem deionisierten Wasser
für 1 Stunde
extrahiert und dann getrocknet. Die mit der ersten Beschichtungslösung erzeugte Membran
(Membran 1A) zeigte eine Wasserfließrate von 50,8 ml/min/cm2 bei 10 psi, eine Metanilgelb-Farbstoff-Bindungskapazität von 270
ml und eine BSA-Bindungskapazität
von 17,81 mg/ml. Die mit der zweiten Beschichtungslösung hergestellte Membran
(Membran 1B) zeigte eine Wasserfließrate von 12,0 ml/min/cm2 bei 10 psi und eine BSA-Bindungskapazität von 49,99
mg/ml. Die für
die Membran 15 erhaltene Durchbruchkurve ist in 1 dargestellt.
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Ein Diallylamin-Copolymer wurde wie folgt hergestellt.
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Eine
Mischung, welche 680 g Wasser, 30 g konzentrierte Salzsäure, 30
g Diallylamin, 46,2 g einer 65 %igen Lösung von Diallyldimethylammoniumchlorid,
30 g N-{3-(Dimethylamino)-propyl}-methacrylamid und 180 g einer
50 %igen Lösung
von 3-{Methacryloylamino)-propyl}-trimethylammoniumchlorid enthielt,
wurde hergestellt. Der pH-Wert der Mischung wurde auf 4,5 eingestellt,
die Lösung
wurde entgast und eine Polymerisation durchgeführt. Es wurden 3 g Ammoniumpersulfat
und 1,2 g Natriummetabisulfit hinzugegeben, um die Polymerisation
zu initiieren. Nach Beendigung der Polymerisation wurde der pH-Wert
der Polymerlösung
weiter auf 10,5 eingestellt, und es wurden 42,7 g Epichlorhydrin
zu der Lösung
hinzugegeben. Die resultierende Lösung wurde bei einer Temperatur
von 45-60 °C über mehrere
Stunden gehalten. Dann wurde die Polymerlösung auf die Umgebungstemperatur
abgekühlt.
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241,8
g der wie oben beschrieben hergestellten Polymerlösung, 460
g Wasser, 13,6 g PEHA und 10 g GTMACI wurden kombiniert und gemischt,
um eine Beschichtungslösung
zu erhalten. Ein hydrophiles Polyethersulfon mit einer nominellen
Porengröße von 0,8 μm wurde mit
der Beschichtungslösung
beschichtet und die beschichtete Membran wurde in einem Ofen bei
ca. 100 °C
1 Stunde lang gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde sodann in heißem
deionisierten Wasser gewaschen und getrocknet. Die Protein-Bindungskapazität der so
hergestellten Membranen wurde als in einem Bereich von 40-62 mg BSA/ml
liegend bestimmt.
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BEISPIEL 3
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Die ses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Ein Diallylamin-Copolymer wurde wie folgt hergestellt.
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711
g deionisiertes Wasser, 30 g konzentrierte Salzsäure, 30 g Diallylamin, 46,2
g einer 65 %igen Lösung
von Diallyldimethylammoniumchlorid und 180 g einer 50 %igen Lösung von
3-{Methacryloylamino)-propyl}-trimethylammoniumchlorid wurden gemischt
und der pH-Wert der Mischung durch die Zugabe von Salzsäure (36
%) auf 4,5 eingestellt. Die resultierende Lösung wurde entgast und eine
Polymerisation durchgeführt,
wobei die Kombination von Ammoniumpersulfat und Natriummetabisulfit
als Initiator verwendet wurde. Der pH-Wert der resultierenden Polymerlösung wurde
auf 10,5 eingestellt und 27,0 g Epichlorhydrin zugegeben. Die erhaltene
Mischung wurde bei einer Temperatur von 45-60 °C über mehrere Tage gehalten und
dann auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.
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300,0
g der wie oben beschrieben hergestellten Polymerlösung, 300,0
g deionisiertes Wasser, 5,0 g PEHA, 5,0 g PEI mit einem Molekulargewicht
(Mn ca. 600) von Aldrich (wasserfrei), 6,0 g GTMACI und 5,0 g Ethylenglycoldiglycidylether
wurden kombiniert und gemischt, um eine Beschichtungslösung zu
erhalten. Ein hydrophiles Polyethersulfon mit einer nominellen Porengröße von 0,8 μm und einem
vernetzten hydrophilen Benetzungsagens wurde mit der Beschichtungslösung beschichtet,
und die beschichtete Membran wurde in einem Ofen bei ca. 100 °C 1 Stunde
lang gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde sodann in heißem
deionisierten Wasser gewaschen und getrocknet. Die Protein-(BSA-)Bindungskapazität der so
hergestellten Membranen wurde als in einem Bereich von 36-45 mg/ml
liegend bestimmt. Die Beschichtungslösung wurde ferner verwendet,
um eine SUPORTM EK-Polyethersulfon-Membran
zu modifizieren. Die resultierende Membran zeigte eine BSA-Bindungskapazität von 41
mg/ml.
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BEISPIEL 4
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Ein Diallylamin-Copolymer wurde wie folgt hergestellt.
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575
g Wasser, 100 g Methanol, 30 g konzentrierte Salzsäure, 30
g Diallylamin, 46,2 g einer 65 %igen Lösung von Diallyldimethylammoniumchlorid, 30
g N-(Isobutoxymethyl)-acrylamid und 180 g einer 50 %igen Lösung von
{3-(Methacryloylamino)-propyl}-trimethylammoniumchlorid wurden kombiniert und
der pH-Wert der resultierenden Lösung
durch die Zugabe von konzentrierter Salzsäure (36 %) auf 4,5 eingestellt.
Die Lösung
wurde sodann entgast und polymerisiert, wobei die Kombination von
Ammoniumpersulfat und Natriummetabisulfit als Initiator verwendet
wurde. Die wie oben beschrieben hergestellte Polymerlösung wurde
mit Wasser verdünnt
(1:4, gewichtsbezogen), um eine Beschichtungslösung zu erhalten.
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Ein
Polyethersulfon-Substrat mit einer ungefähren Porengröße von 0,65 μm wurde mit
der Beschichtungslösung
beschichtet, und die beschichtete Membran wurde in einem Ofen bei
ca. 100 °C
1 Stunde lang gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde sodann in heißem
deionisierten Wasser gewaschen und getrocknet. Die Protein-(BSA-)Bindungskapazität der so
hergestellten Membran wurde zu 24 mg/ml gefunden.
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BEISPIEL 5
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Ein Acryl-Polymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen wurde wie folgt hergestellt.
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30
g Glycidylmethacrylat (Aldrich), 200 g Dimethylformamid, 949 g deionisiertes
Wasser und 266 g Methacryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid (75
%ige Lösung
in Wasser) wurden in einem 2 I-Glasreaktor gemischt und mit Stickstoff
gespült
und bei 50 °C
erhitzt. Nach 2-stündigem
Spülen
wurden 10 g Ammoniumpersulfat hinzugegeben und der Inhalt des Reaktors
für ca.
4 h bei 50 °C
gehalten. Die resultierende Lösung
wurde mit 300 g DI-Wasser verdünnt.
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In
einer separaten Reaktion wurden 2,0 g PEHA und 0,93 g GTMACI (90
% in Wasser) kombiniert und mit Wasser verdünnt, um eine Lösung mit einem
Gesamtgewicht von 50 g zu erhalten. 26,66 g der so hergestellten
Lösung
wur den zu 21,83 g Glycidylmethacrylat-co-methacryloyloxyethyltrimethylammoniumchlorid-Lösung (13,75
%ige Lösung)
gegeben. Zu der Mischung wurde ausreichend Wasser hinzugefügt, um das
Gesamtgewicht der Lösung
auf 100 g zu bringen. Die Copolymer-Konzentration in dieser Beschichtungslösung betrug
3 Gew.%.
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Eine
SUPORTM 3000-Polyethersulfon-Membran mit
einer nominellen Porengröße von 3 μm wurde in
die wie oben beschrieben hergestellte Lösung eingetaucht. Die Membran
wurde dann in einem Ofen bei 95 °C
für 0,5
h gehärtet.
Die Membran wurde sodann in heißem
deionisierten Wasser für
30 min extrahiert und in einem Ofen bei 95 °C getrocknet.
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Die
wie oben beschrieben hergestellte positiv geladene Membran zeigte
eine BSA-Bindungskapazität
von 37,58 mg/ml, eine Wasserfließrate von 73 ml/min/cm2 und ein Metanilgelb-Farbstoff-Absorptionsvermögen von
480 ml. Die für
die Membran erhaltene Durchbruchkurve ist in 2 dargestellt.
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BEISPIEL 6
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften der hergestellten
Membran. Ein Acryl-Polymer mit Epoxy-Gruppen und anhängenden
kationischen Gruppen wurde wie folgt hergestellt.
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Ein
Copolymer von Glycidylmethacrylat und Methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid wurde
wie folgt hergestellt. 28,45 g Glycidylmethacrylat-co-methacryloylaminopropyltrimethylammoniumchlorid
(13,75 %ige Lösung)
und 26,60 g einer Lösung
von PEHA + GTMACI, hergestellt wie in Beispiel 5 beschrieben, wurden
mit einer ausreichenden Menge an DI-Wasser gemischt, um das Gesamtgewicht
der Lösung
auf 100 g zu bringen. Die Copolymer-Konzentration in dieser Beschichtungslösung betrug
3 Gew.%.
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Eine
SUPOR 3000-Polyethersulfon-Membran mit einer nominellen Porengröße von 3 μm wurde in
die wie oben beschrieben hergestellte Lösung eingetaucht.
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Die
Membran wurde sodann in einem Ofen bei 95 °C für 0,5 h gehärtet. Die Membran wurde dann
in heißem
deionisierten Wasser für
30 min extrahiert und in einem Ofen bei 95 °C getrocknet.
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Die
wie oben beschrieben hergestellte positiv geladene Membran zeigte
eine BSA-Bindungskapazität
von 34 mg/ml, eine Wasserfließrate
von 24 ml/min/cm2 und ein Metanilgelb-Farbstoff-Absorptionsvermögen von
90 ml.
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BEISPIEL 7
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Ein
anhängende
kationische Gruppen enthaltendes PEI wurde wie folgt hergestellt.
8 g einer 50 %igen Lösung
an verzweigtem PEI der Fa. Aldrich Chemical Company mit einem mittleren
Molekulargewicht von 750 000 wurden mit 10,4 g einer 90 %igen Lösung in
Wasser von Glycidyltrimethylammoniumchlorid (Fluka) in 181,2 g deionisiertem
Wasser kombiniert. Die resultierende Lösung wurde ca. 15 min lang
bewegt und dann für
16 h in ein Wasserbad bei 36 °C
platziert. 0,4 g einer 50 %igen Lösung von Ethylenglycoldiglycidylether
wurden mit der das modifizierte PEI enthaltenden, wie oben beschrieben hergestellten
Lösung
gemischt, um eine Beschichtungslösung
zu erhalten.
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Ein
poröses
hydrophiles Polyethersulfon-Substratflachmaterial mit einer nominellen
Porengröße von 0,8 μm wurde mit
der wie oben beschrieben hergestellten Beschichtungslösung beschichtet.
Das beschichtete Substrat wurde in einem Ofen bei 100 °C für einen
Zeitraum von ca. 30 min gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde in siedendem Wasser für 1 h extrahiert, um Reste
zu entfernen. Die erhaltene Membran wurde auf Farbstoffaufnahme
und Proteinbindung getestet. Die Membran zeigte ein Metanilgelb-Farbstoff-Absorptionsvermögen von
400 ml und eine spezifische BSA-Bindungskapazität von 47 mg.
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BEISPIEL 8
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Dieses
Beispiel illustriert die Protein-Bindungskapazität einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Membran.
Zwei Membranscheiben mit einer effektiven Filterfläche von
2,9 cm2, einer Wasserfließrate von
40 ml/min/cm2 bei 10 psi und hergestellt
wie in Beispiel 7 beschrieben, wurden in eine Membran-Testzelle
platziert und eine BSA-Lösung,
welche 194,8 mg/ml BSA in einem 10 mM NaHPO4-Puffer
bei einem pH-Wert von 7 enthielt, wurde über die Membranen bei einer
Fließrate
von 4 ml/min geleitet. Filtratproben wurden gesammelt und die BSA-Konzentration
als eine Funktion der Zeit bestimmt. Die erhaltenen Resultate sind
in 3 veranschaulicht. Die in 3 dargestellte
Durchbruchkurve zeigt, dass das Protein an den Membranen mit großer Effizienz
für die
ersten sechs Minuten der Filtration zurückgehalten wird. Die Membranen
waren also frei von Defekten. Ferner war die Steigung der Durchbruchkurve
nahezu vertikal. Diese vertikale Steigung macht die Membran attraktiv
zur Verwendung bei der Trennung von Proteinen, welche in einer Mischung
vorliegen, weil eine erhöhte
Auflösung möglich ist.
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BEISPIEL 9
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften dieser Ausführungsform.
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4,8
g einer 50 %igen Lösung
an verzweigtem PEI der Firma Aldrich Chemical Company mit einem mittleren
Molekulargewicht von 50 000-100 000 wurden mit 9,5 g einer 90 %igen
Lösung
in Wasser von Glycidyltrimethylammoniumchlorid (Fluka) und 184,7 g
deionisiertem Wasser kombiniert. Die resultierende Lösung wurde
ca. 15 min lang bewegt und dann für 24 h in ein Wasserbad bei
36 °C platziert,
um eine Lösung
zu erhalten, welche ein modifiziertes PEI enthielt. 1,0 g einer
50 %igen Lösung
von Ethylenglycoldiglycidylether (Aldrich) wurden mit der das modifizierte
PEI enthaltenden, wie oben beschrieben hergestellten Lösung gemischt,
um eine Beschichtungslösung
zu erhalten.
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Ein
poröses
hydrophiles Polyethersulfon-Substratflachmaterial mit einer nominellen
Porengröße von 0,8 μm wurde mit
der wie oben beschrieben hergestellten Beschichtungslösung beschichtet.
Das beschichtete Substrat wurde in einem Ofen bei 100 °C für einen
Zeitraum von ca. 30 min gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde in siedendem Wasser für 1 h extrahiert, um Reste
zu entfernen. Die erhaltene Membran wurde auf Farbstoffaufnahme
und Protein bindung getestet. Die Membran zeigte ein Metanilgelb-Farbstoff-Absorptionsvermögen von
350 ml, eine Wasserfließrate
von 50 ml/min/cm2 bei 24 in.Hg und eine
spezifische BSA-Bindungskapazität
von 44 mg/ml.
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BEISPIEL 10
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften dieser Ausführungsform.
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60
g einer 50 %igen Lösung
an verzweigtem PEI (der Firma Aldrich Chemical Company) mit einem
mittleren Molekulargewicht von 750 000 wurden mit 78 g einer 90
%igen Lösung
in Wasser von Glycidyltrimethylammoniumchlorid und 362 g deionisiertem
Wasser kombiniert. Die resultierende Lösung wurde ca. 15 min lang
bewegt und dann für
66 h in ein Wasserbad bei 36 °C
platziert, um eine modifizierte PEI-Lösung zu erhalten.
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40
g der modifizierten PEI-Lösung
wurden mit 59,08 g DI-Wasser und 0,5 g Butylenglycoldiglycidylether
gemischt. Ein poröses
hydrophiles Polyethersulfon-Substratflachmaterial mit einer nominellen Porengröße von 0,8 μm wurde mit
der wie oben beschrieben hergestellten Beschichtungslösung beschichtet.
Das beschichtete Substrat wurde in einem Ofen bei 100 °C für einen
Zeitraum von ca. 30 min gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde in siedendem Wasser für 0,5 h extrahiert, um Reste
zu entfernen, und in einem Ofen bei 100 °C für 15 min getrocknet. Die erhaltene
Membran wurde auf Wasserfluss und Proteinbindung getestet. Die Membran
zeigte einen Wasserfluss von 37 ml/min/cm2 und
eine spezifische BSA-Bindungskapazität von 44 mg/ml.
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BEISPIEL 11
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Dieses
Beispiel illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer weiteren
Ausführungsform
der positiv geladenen Membran gemäß vorliegender Erfindung. Dieses
Beispiel illustriert ferner die Eigenschaften dieser Ausführungsform.
In dieser Zubereitung wurde an Stelle von Glycidyltrimethylammoniumchlorid
(3-Chlor-2-hydroxypropyl)-trimethylammoniumchlorid als das PEI-modifizierende
Agens verwendet. Das modifizierte PEI wurde wie folgt hergestellt.
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24
g PEI (MW 750 000) (50 %ige Lösung
in Wasser) wurden mit 54,4 g (3-Chlor-2-hydroxypropyl)-trimethylammoniumchlorid
(60 %ige Lösung
in Wasser) und 121,6 g DI-Wasser gemischt. Der pH-Wert der resultierenden
Lösung
wurde mit 40 %igem Natriumhydroxid auf einen Wert von 11 eingestellt
und die Mischung bei 135 °F
für ca.
16 h erhitzt, um eine modifizierte PEI-Lösung zu erhalten.
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25
g der modifizierten PEI-Lösung
wurden mit 0,36 g Ethylenglycoldiglycidylether und 24,64 g DI-Wasser
gemischt. Ein poröses
hydrophiles Polyethersulfon-Substratflachmaterial mit einer nominellen Porengröße von 0,8 μm wurde mit
der wie oben beschrieben hergestellten Beschichtungslösung beschichtet.
Das beschichtete Substrat wurde in einem Ofen bei 110 °C für einen
Zeitraum von ca. 30 min gehärtet.
Die gehärtete
Membran wurde in siedendem Wasser für 0,5 h extrahiert, um Reste
zu entfernen, und in einem Ofen bei 100 °C für 15 min getrocknet. Die erhaltene
Membran wurde auf Wasserfluss und Proteinbindung getestet. Die Membran
zeigte eine Wasserfließrate
von 40 ml/min/cm2 und eine spezifische BSA-Bindungskapazität von 31
mg/ml.
-
Alle
hierin zitierten, in Bezug genommenen Schriften, einschließlich Patente,
Patentanmeldungen und Veröffentlichungen,
werden durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden
Text aufgenommen.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde mit Betonung auf einige Ausführungsformen
beschrieben; für den
Durchschnittsfachmann wird jedoch ohne weiteres erkennbar sein,
dass Variationen der Ausführungsformen
verwendet werden können
und dass es beabsichtigt ist, die Erfindung auch anders als speziell
hierin beschrieben umzusetzen. Dementsprechend umfasst die vorliegende
Erfindung alle Modifikationen, welche in den Bereich der Erfindung
fallen, wie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert.