СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕКОВОЙ МЕМБРАНЫ Российский патент 2008 года по МПК B01D61/00 B01D71/00 B01D61/14 

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.

Существует способ получения пористых мембран, основанный на облучении тонкой монолитной полимерной пленки тяжелыми ионизирующими частицами и последующей химической обработке (Патент US 3303085, В01D, 2/1967). Условия химической обработки подбираются таким образом, чтобы следы тяжелых частиц (треки) превращались в полые каналы необходимого диаметра. Этим способом получают микро- и ультра- и нанофильтрационные мембраны, толщина которых обычно лежит в пределах 6-20 мкм, а диаметр пор может быть задан любым в пределах от 10 нм до нескольких микрометров. Мембраны этого типа, называемые трековыми, отличаются от всех других полимерных мембран узким распределением пор по размерам и точно заданным размером пор. В настоящее время трековые мембраны из полиэтилентерефталата и поликарбоната производятся в промышленных масштабах. Недостатком трековых мембран (ТМ), в частности трековых мембран на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ), является высокая адсорбция ряда биологически важных молекул, в частности адсорбция основных и нейтральных белков. 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. Последние диссоциируют в нейтральных и щелочных растворах, что приводит к появлению «сетки» отрицательных зарядов на поверхности самой мембраны и особенно на внутренней поверхности пор. Функциональные группы способны образовывать донорно-акцепторную связь с соответствующими группами белков или ферментов, обеспечивая их прочную связь с мембраной и соответственно увеличивая сорбцию. Поэтому при фильтрации или концентрировании различных биологических препаратов происходит адсорбция компонентов, что может приводить к их потере, забиванию пор и соответственно к быстрому падению производительности.

Для изменения поверхностных свойств трековых мембран были предложены различные методы модифицирования. Например, для гидрофилизации поверхности ТМ предложены такие способы, как обработка плазмой (Виленский А.И., Березкин В.В., Мчедлишвили Б.В. Коллоидный журн. 51 (1991) 117; Dmitriev S.N., Kravets L.I., Sleptsov V.V.Nucl. Instrum. Meth. В142 (1998) 43) и радиационно-химическая прививка различных мономеров (Zhitariuk N.I., Kuznetsov V.I., Shtanko N.I. Environ. Prot. Eng. 15 (1989) 111). Помимо того что эти методы достаточно технически сложные, они не обеспечили получения мембран с существенно улучшенными сорбционными характеристиками.

Наиболее близким техническим решением является способ получения трековых мембран, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом с последующей обработкой пленки сначала раствором полиэтиленимина, а затем раствором полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам (Т.Д.Хохлова, П.Ю.Апель, Г.С.Жданов, В.В.Березкин, А.Б.Васильев, Б.В.Мчедлишвили. Мембраны. М.: ВИНИТИ, 2006, №2(30), c.11). По данному способу модифицирование проводят путем последовательной обработки предварительно отмытых в изопропиловом спирте ПЭТФ-ТМ сначала водным раствором, содержащим 0,01% полиэтиленимина (ПЭИ), а затем (после просушивания мембраны) водным раствором, содержащим 0,01% поливинилпирролидона (ПВП). Модифицирование осуществляют в динамическом режиме путем фильтрации через мембраны каждого из указанных растворов. Для равномерности модифицирования фильтрацию проводят сначала с одной, а потом с другой стороны мембраны. Данный метод позволяют существенно снизить сорбцию таких белков, как цитохром или лизоцим. Недостатком данного метода является то, что внутренняя поверхность пор (особенно в случае пор менее 0,2 мкм по диаметру) эффективно модифицируется лишь при пропускании модифицирующих растворов через мембрану под давлением. Необходимость продавливать раствор через мембрану делает данный метод непроизводительным и абсолютно нетехнологичным.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Существующие способы не позволяют получить трековую мембрану, обладающую низкой сорбционной способностью по отношению к белкам и ферментам и таким образом удовлетворяющую условиям фильтрации биотехнологических сред. Кроме того, существующие методы получения таких трековых мембран непроизводительны, трудоемки и нетехнологичны, а получаемые мембраны дороги.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа повышения производительности и улучшения технологичности изготовления модифицированных трековых мембран по сравнению со способом-прототипом.

Технический результат при осуществлении изобретения заключается в существенном повышении диффузии модифицирующих растворов за счет изменения величины внутреннего электрического поля поры и уменьшения размеров коллоидных частиц, состоящих из макромолекул модифицирующего реагента и гидратной оболочки.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления модифицированной трековой мембраны, включающем облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, последовательную обработку раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, введено действие, заключающееся в том, что перед последовательной обработкой в каждый раствор полиэтиленимина и полимера вводят нейтральный электролит в концентрации 0,1-3 моль/л.

Введение в рабочие растворы нейтрального электролита, например хлористого калия (KCl) в необходимой концентрации, приводит к тому, что катионы электролита образуют слой противоионов, эффективно экранирующий на поверхности пор отрицательные заряды, которые, по всей видимости, препятствуют диффузии (проникновению) молекул полимера, находящихся в диссоциированном состоянии, внутрь пор. Более того, ионы электролита скорее всего разрушают гидратные оболочки вокруг макромолекул и тем самым снижают энергетический барьер конформационных переходов. В результате существенно облегчается диффузия макромолекул полиэтиленимина и полимера, снижающего сорбционные потери белков, в поры и их адсорбция на стенках пор. Указанный эффект действия ионов электролита подобен действию растворенных солей на агрегацию поверхностно-активных веществ (ПАВ): с повышением концентрации соли снижается критическая константа мицеллообразования и изменяется изотерма адсорбции (формирование сплошного сорбционного слоя достигается при меньших концентрациях ПАВ). В результате с участием функциональных групп трековой мембраны, молекул полиэтиленимина и молекул поливинилпирролидона 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.

Существенным является то, что только предложенная совокупность действий и признаков приводит к нейтрализации внутреннего электростатического поля и тем самым увеличивает диффузию диссоциированных макромолекул внутрь пор и соответственно приводит к достижению технического результата.

Существенным достоинством предлагаемого метода является то, что он легко может быть реализован для массового производства. Все стадии обработки пленочного материала (облучение тяжелыми заряженными частицами, сенсибилизация ультрафиолетовым излучением, химическая обработка) могут проводиться в непрерывном режиме. На третьей стадии - стадии химической обработки - пленка проходит через штатную травильную машину. Для реализации предлагаемого метода достаточно предусмотреть несколько дополнительных ванн в составе штатной травильной машины.

Конкретные варианты реализации предложенного метода иллюстрируются нижеследующими примерами.

Пример 1. Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ˜8 мкм облучали на реакторе БР-10 осколками деления урана, плотность облучения 3·10⁸ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 минут. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 5 минут при температуре 75°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 14 мас.%. После обработки щелочным раствором мембрану промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и обрабатывали водным 0,1М раствором хлорида калия, содержащим 0,01% полиэтиленимина в течение 30 минут. Далее мембрану извлекали из раствора, высушивали на воздухе и затем помещали на 30 мин в водный раствор 0,1М KCl, содержащий 0,01% поливинилпирролидона. После этого мембрану извлекали из раствора, промывали деионизованной водой и высушивали. Адсорбцию белков на полученных мембранах (по заявляемому способу) сравнивали с адсорбцией на мембранах, полученных традиционным способом. Для изучения адсорбции были использованы белки фирмы Sigma - лизоцим, цитохром С, гемоглобин и овальбумин. Для определения адсорбции во флаконы помещали мелко нарезанные кусочки мембран (контрольного и обработанного по вышеописанному методу образца) общей площадью 10 см и добавляли по 5 мл соответствующих растворов белков. Концентрацию белков определяли спектрофотометрически по оптической плотности при длине волны: для лизоцима и овальбумина - 230, гемоглобина - 400, цитохрома С-410 соответственно. В качестве растворителей использовали физиологические растворы (0,02 М фосфатные буферные растворы с рН=7.0, содержащие 0.15 М хлористого натрия), а также дистиллированную воду.

Результаты определения адсорбции А, мкг/см²; адсорбционных потерь, %, для исходного и модифицированного образца приведены в таблице 1.

Таблица 1Сорбция белков на различных трековых мембранахБелокМембрана, полученная обычным способом Мембрана, полученная заявляемым способомА, мкг/см²Потери, %А, мкг/см²Потери, %Цитохром С8.59000Лизоцим11882.016Гемоглобин7.9801.814Овальбумин1.562.38

Как видно, модифицированные по предлагаемому способу образцы показали значительное уменьшение адсорбции по основным и нейтральному белкам.

Пример 2. Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ˜12 мкм облучали на циклотроне У-400 ионами криптона, плотность облучения ˜2·10⁹ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 минут. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 1,5 минуты при температуре 70°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 20 мас.%. После обработки щелочным раствором мембрану промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и один из образцов обрабатывали водным 1М раствором хлорида калия, содержащим 0,01% полиэтиленимина в течение 30 минут, далее мембрану извлекали из раствора, высушивали на воздухе и затем помещали на 30 мин в водный раствор 1М KCl, содержащий 0,01% поливинилпирролидона. После этого мембрану извлекали из раствора, промывали деионизованной водой и высушивали. Второй образец обрабатывали в таком же порядке растворами ПЭИ и ПВП в деионизованной воде (по прототипу). Третий образец не обрабатывали.

По вышеописанной методике (см. пример 1) измеряли адсорбцию цитохрома С, лизоцима и гемоглобина на двух модифицированных и контрольном образцах. По цитохрому С адсорбция составила 1,16 и 19 мкг/см², по лизоциму -3,13 и 15 мкг/см², по гемоглобину -3,7 и 9 мкг/см². Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2Сравнение сорбции белков на трековых мембранах, обработанных различными способамиБелокМембрана, полученная заявляемым способомМембрана, полученная по прототипуМембрана, полученная обычным способомА, мкг/см²А, мкг/см²А, мкг/см²Цитохром С11619Лизоцим31315Гемоглобин379

Пример 3. Полиэтилентерефталатную пленку (ПЭТФ) толщиной ˜10 мкм облучали на реакторе БР-10 осколками деления урана, плотность облучения 5·10⁸ см^-2. Сенсибилизацию пленки проводили на воздухе ультрафиолетовым светом в течение 30 минут. Химическое травление треков проводили путем обработки пленки в течение 3 минут при температуре 80°С водным раствором щелочи (NaOH) с концентрацией 14 мас.%. После обработки щелочным раствором мембрану промывали дистиллированной водой при комнатной температуре и обрабатывали водным 3М раствором хлорида натрия, содержащим 0,01% полиэтиленимина в течение 30 минут. Далее мембрану извлекали из раствора, высушивали на воздухе и затем помещали на 30 мин в водный раствор 3 М NaCl, содержащий 0,01% поливинилпирролидона. После этого мембрану извлекали из раствора, промывали деионизованной водой и высушивали. Адсорбцию белков на полученных мембранах (по заявляемому способу) сравнивали с адсорбцией на мембранах, полученных традиционным способом. Для изучения адсорбции были использованы белки фирмы Sigma - лизоцим, цитохром С, гемоглобин и овальбумин. Количественное определение адсорбции белков проводили так же, как в примере 1.

Результаты определения адсорбции А, мкг/см²; адсорбционных потерь, %, для исходного и модифицированного образца приведены в таблице 3.

Таблица 3Сравнение сорбции белков на трековой мембране, полученной по предлагаемому способу, с исходнойБелокМембрана, полученная обычным способомМембрана, полученная заявляемым способомА, мкг/см²Потери, %А, мкг/см²Потери, %Цитохром С8950,52Лизоцим12851.512Гемоглобин7.5702.416Овальбумин1.0102.38

Модифицированные по предлагаемому способу образцы показали значительное уменьшение адсорбции по основным и нейтральному белкам по сравнению с исходной мембраной.

Таким образом, приведенные примеры доказывают осуществимость и эффективность предложенного метода.

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 изготовления трековой мембраны включает облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне. Обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, введение нейтрального электролита в концентрации 0,1-3 моль/л. После чего производят последовательную обработку раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам. Технический результат заключается в существенном повышении диффузии модифицирующих растворов за счет изменения величины внутреннего электрического поля поры и уменьшения размеров коллоидных частиц, состоящих из макромолекул модифицирующего реагента и гидратной оболочки. 3 табл.

Способ изготовления трековой мембраны, включающий облучение полимерной пленки ускоренными заряженными частицами, ее сенсибилизацию излучением в ультрафиолетовом диапазоне, обработку облученной пленки травящим щелочным реагентом, последовательную обработку раствором полиэтиленимина и раствором полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам и ферментам, отличающийся тем, что перед последовательной обработкой в раствор полиэтиленимина и раствор полимера, снижающего сорбционную способность пленки по отношению к белкам, вводят нейтральный электролит в концентрации 0,1-3 моль/л.