СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕКОВОЙ МЕМБРАНЫ Российский патент 2004 года по МПК B01D71/06 B01D69/00 

Изобретение относится к области получения мембранных материалов для ультра- и микрофильтрации жидких и газообразных сред и может быть использовано в медицине, биотехнологии, фармацевтике, микробиологии, пищевой промышленности.

Известен способ изготовления трековой мембраны, согласно которому полимерную пленку облучают тяжелыми заряженными частицами, с последующей физико-химической обработкой облученной пленки, в результате которой образуются сквозные отверстия (поры). Полученную пористую мембрану промывают и сушат (Б.В. Мчедлишвили, Г.Н. Флеров. “Ядерные фильтры: новый класс микрофильтрационных мембран в прецизионном разделении коллоидных растворов”. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. 1987. Т. XXXII, №6. С.641-643).

Существенным недостатком такой мембраны является присутствие в ней остаточных продуктов радиолиза и химического травления, в связи с чем мембрану нельзя без ограничений использовать в медицине, биотехнологии, фармацевтике, микробиологии, пищевой промышленности.

Известен способ изготовления трековых мембран, заключающийся в облучении полимерной пленки тяжелыми ионами, обработке ее излучением в ультрафиолетовом диапазоне с частотой 10³-10⁶ Гц с протягиванием пленки в зазоре между двумя ультразвуковыми излучателями при величине зазора 1-100 мкм, выдержке пленки в травящем растворе, промывке и сушке полученной пористой мембраны (А.с. №1787484, МПК5 B 01 D 69/00. “Способ изготовления пористых мембран”. Опубликовано 15.01.93. Бюл. №2.) Описанный способ позволяет существенно сократить время травления и очистить пленку от значительного количества присутствующих в ней продуктов радиолиза и химического травления. Тем не менее, степень чистоты получаемой трековой мембраны является недостаточной, так как в ней присутствуют остаточные количества продуктов радиолиза и химического травления.

Наиболее близким техническим решением является способ получения трековых мембран, включающий облучение полимерной пленки ускоренными ионами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, травление активированных треков пленки в растворе щелочного неорганического реагента, нейтрализацию остатков реагента, промывку пленки и треков водой и последующую сушку воздухом (Патент СССР №1809777, МПК5 B 01 D 67/00. “Способ производства трековых мембран”. Опубликован 15.04.93. Бюл. №14). Причем, перед нейтрализацией, промывкой и сушкой полимерную пленку обезвоживают, нейтрализацию остатков реагента ведут анолитом воды с водородным показателем менее 4, а промывку пленки и треков осуществляют деионизованной водой с одновременньм воздействием ультразвуковых колебаний. При этом каждый рабочий раствор, используемый при травлении, нейтрализации и промывке, рециркулируют после пропускания через ионообменные фильтры и патронные микрофильтры при постоянной температуре. Этот способ получения трековых мембран позволяет существенно снизить концентрацию продуктов травления в растворе реагента и соответственно значительно повысить степень чистоты мембран и их качество.

Недостатком описанного способа является сложная технология изготовления трековой мембраны, а также то, что в результате получают мембрану, при использовании которой для фильтрации крови, при плазмаферезе, в биотехнологии, фармацевтике, пищевой и др. отраслях промышленности значительная часть белковых соединений (белков, ферментов и др.) сорбируется на поверхности трековой мембраны и на внутренней поверхности пор.

Одна из основных причин высокой сорбционной способности трековых мембран, в частности, по отношению к белкам, заключается в способе получения мембран. При облучении пленки ускоренными заряженными частицами и последующей физико-химической обработке на ее поверхности, и особенно на внутренней поверхности пор, образуются различные пероксидные соединения и группы, обладающие сродством к электрону или протону. Число таких функциональных групп может быть очень велико, поскольку в каждом мономерном звене присутствует сложноэфирная группа, являющаяся основой их образования при облучении и физико-химической обработке пленки. Функциональные группы способны образовывать донорно-акцепторную связь с соответствующими группами белков или ферментов, обеспечивая их прочную связь с мембраной и соответственно увеличивая сорбцию.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки и разработать способ изготовления трековых мембран, обладающих минимальной сорбционной способностью по отношению к белковым соединениям, необходимой при плазмаферезе (отделении форменных элементов крови от плазмы), при фильтрации лекарственных сред, вакцин, молочной сыворотки, различных налитков.

Для решения указанной технической задачи предлагается способ изготовления трековой мембраны, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне и обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом. Заявляемый способ отличается от ранее известных тем, что после обработки пленки травящим щелочным реагентом ее последовательно обрабатывают раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающим сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам. Дополнительно перед обработкой пленки растворами полиэтиленимина и полимера пленку предварительно обрабатывают спиртовым раствором. Целесообразно для обработки пленки использовать водный раствор полиэтиленимина с концентрацией не менее 0,01 мас.%. В частных случаях реализации предлагаемого способа в качестве раствора полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, используют водный раствор полиэтиленгликоля с концентрацией не менее 0,01 мас.%, или водный раствор поливинилпирролидона с концентрацией не менее 0,01 мас.%, или водный раствор гепарина с концентрацией не менее 0,01 мас.%. Время обработки пленки каждым из растворов при последовательном выполнении описанных выше операций составляет не менее 1 мин.

Таким образом, нанесение на поверхность трековых мембран и на внутреннюю поверхность пор трековых мембран органических соединений, которые, с одной стороны, закрывают на поверхности трековой мембраны функциональные группы, способные сорбировать белки и ферменты, а с другой стороны, не служат источником новых центров сорбции для белков и ферментов, позволяет эффективно снижать сорбционную способность материала пленки по отношению к белкам и ферментам.

Основную группу таких органических соединений составляют полимеры, которые являются био- и гемосовместимыми и не влияют на процессы гемостаза при контакте с кровью, а именно полиэтиленгликоль, гепарин, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт и другие полимеры, широко используемые в медицине, биотехнологии, фармацевтике (полимеры медицинского назначения).

Предлагаемый в представленном техническом решении порядок нанесения слоев путем последовательной обработки мембраны указанными выше растворами позволяет решить поставленную техническую задачу. Существенным является то, что только сочетанное действие нанесенных слоев приводит к достижению положительного результата.

В процессе облучения и химического травления пленки на ее поверхности образуются функциональные группы с различными физико-химическими, в том числе адсорбционными свойствами, которые обусловлены химическим составом и структурой групп. Полиэтиленимин выполняет роль своеобразного “полимера-посредника” или “структурного мостика”, так как блокирует на мембране функциональные группы - центры сорбции и одновременно вступает во взаимодействие с полимером, наносимым на мембрану после обработки ее полиэтиленимином. При этом с переносом заряда между соответствующими функциональными группами полиэтиленимина и полимера происходит образование комплексных соединений с различной устойчивостью. Полностью подавить сорбцию белков на трековой мембране путем нанесения на ее поверхность полиэтиленимина и полимеров медицинского назначения не удается. Причина, видимо, заключается в том, что образование комплексных соединений с различной устойчивостью приводит к тому, что комплексные соединения с меньшей устойчивостью распадаются и их концентрация недостаточна для полного блокирования функциональных групп (центров сорбции) на поверхности и внутри пор трековой мембраны соответствующими функциональными группами полиэтиленимина.

Техническим результатом изобретения является снижение сорбционной способности трековой мембраны по отношению к белкам и ферментам. С участием функциональных групп трековой мембраны, молекул полиэтиленимина и молекул полимера медицинского назначения на поверхности трековой мембраны и внутри ее пор формируется тончайший комбинированный слой со специфическими свойствами. Толщина слоя не сказывается на структурно-селективных свойствах трековой мембраны и по экспериментальным оценкам не превышает 0,01 мкм. Встроенные в такой слой полимеры медицинского назначения обладают пониженной сорбционной способностью по отношению к белкам и ферментам по сравнению с полимерами медицинского назначения, нанесенными непосредственно на поверхность трековых мембран.

Нанесенный на поверхность трековой мембраны и на поверхность пор комбинированный слой со специфическими свойствами, благодаря наличию в нем молекул полимеров медицинского назначения, выполняет еще одну важную функцию, а именно способствует уменьшению или полному устранению в фильтрате продуктов радиолиза и химического травления, т.е. препятствует попаданию в фильтрат вредных химических веществ, присутствующих изначально в мембране.

В качестве доказательства возможности осуществления заявляемого способа ниже приведены примеры его реализации.

Пример 1.

Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ~ 8 мкм облучали на реакторе БР-10 осколками деления урана, плотность облучения 5,2·10⁷ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 мин. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 5 мин при температуре 75°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 14 мас.%. После обработки щелочным раствором пленку промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и последовательно обрабатывали раствором изопропилового спирта (в течение 5 мин), водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 0,01 мас.% (в течение 5 мин) и водным раствором полиэтиленгликоля с концентрацией 0,01 мас.% в (течение 5 мин). Обработанную пленку промывали дистиллированной водой и высушивали.

Получили трековую мембрану с диаметром пор ~ 0,4 мкм и пористостью ~ 6%, со значительно сниженной сорбционной способностью по отношению к белкам и ферментам. Для оценки сорбционных свойств мембран использовали краситель Родамин “Ж”, который содержит различные функциональные группы, моделирующие белковые соединения. Свойства изготовленной мембраны сравнивали со свойствами мембраны, полученной обычным способом, для чего определяли кинетику сорбции красителя Родамина “Ж” на этих мембранах. Образцы мембран помещали в водный раствор красителя Родамина “Ж”, через определенные промежутки времени отбирали пробы, анализировали раствор красителя и отобранные пробы спектрофотометрическим методом. Результаты приведены в таблице 1 и представлены на фиг.1.

На фиг.1 представлены результаты сравнительных измерений по насыщению мембран красителем. Из представленных результатов видно, что сорбционная способность трековой мембраны, изготовленной по заявляемому способу, по отношению к красителю Родамину “Ж”, в -2-3 раза меньше, чем сорбционная способность мембраны, изготовленной обычным способом.

Пример 2.

Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ~ 8 мкм облучали на реакторе БР-10 осколками деления урана, плотность облучения 5,2·10⁷ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 мин. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 5 мин при температуре 75°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 14 мас.%. После обработки щелочным раствором пленку промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и последовательно обрабатывали: раствором изопропилового спирта (в течение 5 мин), водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 0,01 мас.% (в течение 5 мин) и водным раствором полиэтиленгликоля с концентрацией 0,01 мас.% в (течение 5 мин). Обработанную пленку промывали дистиллированной водой и высушивали.

Получили трековую мембрану с диаметром пор ~ 0,4 мкм и пористость ~ 6%, со значительно сниженной сорбционной способностью по отношению к белкам и ферментам. Свойства изготовленной мембраны сравнивали со свойствами мембраны, полученной обычным способом, для чего определяли кинетику сорбции гемоглобина на этих мембранах. Раствор гемоглобина готовился на основе физиологического раствора (0,85% раствор NaCl). Образцы мембран помещали в раствор гемоглобина, через определенные промежутки времени отбирали пробы, анализировали раствор гемоглобина и отобранные пробы спектрофотометрическим методом. Результаты представлены в таблице 2 и на фиг.2.

На фиг.2 представлены результаты сравнительных измерений по насыщению мембран гемоглобином. Из представленных результатов видно, что сорбционная способность трековой мембраны, изготовленной по заявляемому способу, по отношению к гемоглобину в 2-3 раза меньше, чем сорбционная способность мембраны, изготовленной обычным способом.

Пример 3.

Образцы ультрафильтрационных мембран, изготовленных обычным и заявляемым способами, исследовали методом калибровки с использованием модельной водной суспензии, содержащей белки с молекулярной массой от 20 кДа до 600 кДа. Были измерены основные структурно-селективные параметры мембран.

Сорбцию в режиме ультрафильтрации характеризовали величинами относительного восстановления потока (FRR) после регенерации мембраны:

где Q_0t - коэффициент проницаемости мембран по воде после контакта мембраны с раствором белка;

Q₀ - коэффициент проницаемости мембран по воде.

Параметр FRR характеризует ресурс эксплуатации мембраны в процессах разделения белковых смесей и в идеальном случае должен быть равен 1. Основные структурно-селективные характеристики полученных ультрафильтрационных трековых мембран приведены в таблице 3.

Как следует из результатов, представленных в таблице, изготовленные по заявляемому способу мембраны имеют размеры пор, близкие к размерам пор пленки до последовательной обработки ее растворами, то есть при нанесении слоев уникальная поровая структура трековых мембран практически не изменяется.

Заявляемый способ изготовления приводит к возрастанию параметра восстановления потока (FRR) от величины 0,35 (характерной для гидрофобных полиэтилентерефталатных мембран) до величин 0,76 и 0,82 (характерных для гидрофильных мембран), что приводит к восстановлению производительности мембран после регенерации от 10% до 30-40%.

Пример 4.

Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ~ 8 мкм облучали на реакторе БР-10 осколками деления урана, плотность облучения 5,2·10⁷ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 мин. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 5 мин при температуре 75°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 14 мас.%. После обработки щелочным раствором пленку промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и последовательно обрабатывали раствором изопропилового спирта (в течение 0,5 мин), водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 0,1 мас.%. (в течение 0,5 мин) и водными растворами полиэтиленгликоля, поливинилпиролидона, гепарина с концентрациями 0,1 мас.% (в течение 0,5 мин). Обработанную пленку промывали дистиллированной водой и высушивали.

Получили трековую мембрану с диаметром пор ~ 0,4 мкм и пористостью ~ 6%. Для оценки сорбционных свойств мембран использовали краситель Родамин “С”, который содержит различные функциональные группы, моделирующие белковые соединения. Свойства изготовленной мембраны сравнивали со свойствами мембраны, полученной обычным способом, для чего определяли кинетику сорбции красителя Родамина “С” на этих мембранах. Образцы мембран помещали в водный раствор красителя Родамина “С”, через определенные промежутки времени отбирали пробы, анализировали раствор красителя и отобранные пробы спектрофотометрическим методом. Равновесная концентрация (С) в растворе Родамина “С” ниже для мембран, полученных обычным способом по сравнению с обработанными пленками. Сорбционная емкость (А) обработанных пленок и их степень сорбции (а) при этом снижается. Результаты приведены в таблице 4.

Пример 5.

Образцы ультрафильтрационных мембран последовательно обрабатывали раствором изопропилового спирта (в течение 0,5 мин), водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 1,0 мас.% (в течение 5 мин) и водными растворами полиэтиленгликоля, поливинилпиролидона, гепарина с концентрациями 1,0 мас.% (в течение 5 мин). Обработанную пленку промывали дистиллированной водой и высушивали. Мембраны, полученные обычным способом и обработанные, исследовали методом калибровки с использованием модельной водной суспензии, содержащей белки с молекулярной массой от 20 кДа до 600 кДа. Были измерены основные структурно-селективные параметры мембран.

Сорбцию в режиме ультрафильтрации характеризовали величинами относительного восстановления потока (FRR) после регенерации мембраны:

где Q_0t - коэффициент проницаемости мембран по воде после контакта мембраны с раствором белка;

Q₀ - коэффициент проницаемости мембран по воде.

Параметр FRR характеризует ресурс эксплуатации мембраны в процессах разделения белковых смесей и в идеальном случае должен быть равен 1. Основные структурно-селективные характеристики полученных ультрафильтрационных трековых мембран приведены в таблице 5.

Как следует из результатов, представленных в таблице, изготовленные по заявляемому способу мембраны имеют размеры пор, близкие к размерам пор пленки до последовательной обработки ее растворами, то есть при нанесении слоев уникальная поровая структура трековых мембран практически не изменяется.

Заявляемый способ изготовления приводит к возрастанию параметра восстановления потока (FRR) от величины 0,40 (характерной для гидрофобных полиэтилентерефталатных мембран) до величины 0,75 (характерных для гидрофильных мембран).

Обработка пленки раствором изопропилового спирта, а также вид спирта, используемый при обработке пленки, не влияет на достижение технического результата, в доказательство чего приведены примеры реализации 6 и 7.

Пример 6.

Перед нанесением слоев полимеров медицинского назначения образцы мембран обрабатывали растворами этилового, изопропилового спиртов (в течение 0,5 мин). Обработанную пленку высушивали. Далее мембрану обрабатывали водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 0,1 мас.% (в течение 0,5 мин) и водными растворами полиэтиленгликоля, поливинилпиролидона, гепарина с концентрациями 0,1 мас.% (в течение 0,5 мин). Обработанную пленку промывали дистиллированной водой и высушивали. Свойства изготовленной мембраны сравнивали со свойствами мембраны, полученной обычным способом, для чего определяли сорбционную емкость (А) этих мембран по сорбции красителя Родамина “С”.

Видно, что влияние вида спирта не оказывает существенного влияния на сорбционную способность трековых мембран.

Пример 7.

Образцы мембран обрабатывали раствором изопропилового спирта (в течение 0,5 мин) и высушивали при комнатной температуре. Далее, обработанные и необработанные спиртом мембраны модифицировали водным раствором полиэтиленимина с концентрацией 0,1 мас.% (в течение 0,5 мин) и водными растворами полиэтиленгликоля, поливинилпиролидона, гепарина с концентрациями 0,1 мас.% (в течение 0,5 мин). Пленки промывали дистиллированной водой и высушивали. Свойства изготовленной мембраны сравнивали со свойствами мембраны, полученной обычным способом в зависимости от предварительной обработки спиртом. Сорбционная емкость (А) этих мембран оценивалась по сорбции красителя Родамина “С”.

Видно, что предварительная обработка спиртом не оказывает существенного влияния на сорбционную способность трековых мембран.

Изобретение относится к области получения мембранных материалов для ультра- и микрофильтрации жидких и газообразных сред и может быть использовано в медицине, биотехнологии, фармацевтике, микробиологии, пищевой промышленности. Способ заключается в том, что полимерную пленку облучают ускоренными заряженными частицами, сенсибилизируют излучением в ультрафиолетовом диапазоне и обрабатывают травящим щелочным реагентом. Затем пленку последовательно обрабатывают раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающего сорбционную способность материала пленки по отношению к белкам и ферментам. Дополнительно перед обработкой пленки растворами полиэтиленимина и полимера, пленку предварительно можно обрабатывать спиртовым раствором. Целесообразно использовать водный раствор полиэтиленимина с концентрацией не менее 0,01%. В качестве раствора полимера, снижающего сорбционную способность материала пленки по отношению к белкам и ферментам, используют водный раствор полиэтиленгликоля с концентрацией не менее 0,01%, или водный раствор поливинилпирролидона с концентрацией не менее 0,01%, или водный раствор гепарина с концентрацией не менее 0,01%. Время обработки пленки каждым из растворов при последовательном выполнении описанных выше операций составляет не менее 1 мин. Полученные мембраны обладают минимальной сорбционной способностью по отношению к белковым соединениям, необходимой при плазмафорезе, при фильтрации лекарственных сред, вакцин, молочной сыворотки, различных напитков. 1 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 табл., 2 ил.

1. Способ изготовления трековой мембраны, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, отличающийся тем, что после обработки пленки травящим щелочным реагентом ее последовательно обрабатывают раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед обработкой пленки растворами полиэтиленимина и полимера пленку предварительно обрабатывают спиртовым раствором.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для обработки пленки используют водный раствор полиэтиленимина с концентрацией не менее 0,01 мас.%.4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве раствора полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, используют водный раствор полиэтиленгликоля с концентрацией не менее 0,01 мас.%.5. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве раствора полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, используют водный раствор поливинилпирролидона с концентрацией не менее 0,01 мас.%.6. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве раствора полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, используют водный раствор гепарина с концентрацией не менее 0,01 мас.%.7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что время обработки пленки каждым из растворов составляет не менее 1 мин.