用于静电分离的带电均孔材料制造技术

多嵌段聚合物材料、其制备方法、及其用于通过静电相互作用而高通量地分离蛋白质、核酸、其他生物或其他生物分子、化合物或溶质的用途，其中自组装嵌段聚合物材料包含大孔、中孔或者微孔中的至少一个，并且至少一些孔是均孔的，并且至少一个聚合物嵌段含有固定的静电电荷或反应性官能团，以提供在均孔结构中带电的大表面积。

Charged homogeneous porous materials for electrostatic separation

Multiblock polymer materials, their preparation methods, and their use for high-throughput separation of proteins, nucleic acids, other biological or other molecules, compounds or solutes through electrostatic interactions, in which self-assembled block polymer materials contain at least one macropore, mesopore or micropore, and at least some of the pores are homogeneous and at least one polymer block. Contains a fixed electrostatic charge or reactive functional group to provide a large surface area charged in a homogeneous porous structure.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于静电分离的带电均孔材料相关申请的交叉引用本申请要求享有2016年4月28日提交的美国临时申请第62/328,707号的权益，该申请的公开内容整体援引加入本文。专利
包括均孔材料的多嵌段聚合物分离器、其制备方法、及其用于通过静电相互作用分离溶质的用途。
技术介绍
尽管在理解蛋白质表达、结构和功能方面取得了重大进展，但从复杂混合物中纯化蛋白质仍然存在问题。通常在细胞培养液中的靶分子还含有多种外来或甚至偶然的组分，例如宿主蛋白、细胞碎片、DNA、病毒和内毒素，增加了分离的复杂性。靶蛋白通常对环境条件高度敏感，并且可能容易变性，或者容易受损。上游技术可导致产物滴度大于5g/L，并且正在推动对高吞吐量纯化的需求。传统上，生物分子纯化严重依赖于色谱，包括亲和色谱和离子交换柱。然而，这些色谱技术的吞吐量有限，并且显著推动了下游生物加工的高成本。超滤(UF)经常用于下游生物加工的后期阶段，用于蛋白质浓缩和配制。例如，存在可商购的UF膜，其被径迹蚀刻或相位反转。径迹蚀刻膜具有非常均匀的孔，能够进行选择性分离，但由于低的孔密度而具有低吞吐量。另一方面，相反转膜(phaseinvertedmembrane)允许高得多的吞吐量，但是具有不均匀的孔并且不能实现选择性分离。由于吞吐量限制，径迹蚀刻膜几乎专门用于实验室规模研究，而相反转膜广泛用于下游生物制药工艺。根据经验，相反转膜表现出宽的对数正态孔径分布，需要6-10倍的蛋白质摩尔质量差异才能进行有效的分级。这种孔径变化导致膜上的不均匀流动模式，拓宽了穿透曲线和减少了介质容量。膜结构和化学官能度的缺陷在很大程度上限制了它们在浓缩和配制步骤中的用途。因此，需要改进用于实验室规模扩大验证的相关蛋白质纯化方法，当然还有商业规模的医学相关蛋白质的制造。申请人已经发现，将均孔材料的物理结构的独特调整与化学功能相结合以通过静电相互作用促进和分离尺寸类似的溶质，能够产生均孔的、带电的多嵌段聚合物材料，例如薄膜、膜、片和管，这导致高吞吐量和高分辨率的分离应用，克服了现有技术的限制。从复杂混合物中分离出的其他生物分子也可能特别困难。例如，可以从全血中分离核酸用于诊断。由于包括红细胞、蛋白质和盐在内的各种长度范围的溶质，从全血中分离DNA是特别具有挑战性的分离。一种DNA分离方法是使用静电相互作用从复杂混合物中分离带负电荷的DNA。然而，由于难以通过现有的膜技术分离，因此没有有效的膜技术被商业化以从全血中分离DNA。申请人已经发现，本文所述的专利技术能够由全血分离和浓缩核酸。带电的多孔材料对于防止生物膜生长是有效的。例如，在使用诸如伤口敷料之类的材料时，多孔材料能够使气相化学物质如水蒸气、氮气和氧气通过。然而，当生物膜生长时，它们会抑制伤口愈合。本文所述的带电多孔材料可用于抑制生物膜生长。此外，带电多孔材料可以进一步用抗微生物化学物质官能化，以进一步增强伤口愈合性能并有助于伤口护理应用。色谱柱也已广泛用于基于各种物理和化学特征(包括电荷和大小)来分离物质，然而，色谱法的产量有限并且通常很昂贵。本文所描述的带电多孔材料可用于基于电荷和尺寸来分离溶质。例如，通过使梯度洗脱液流过材料，可以通过静电相互作用使与膜结合的物质与膜分离。以这种方式，可以执行梯度分离。可选择地，通过使固定组成的洗脱液流过膜，可以从膜上分离出一些物质。固定组成仅适用于分离期望选择的物质。以这种方式，可以执行等度分离。此外，可以进行一系列洗脱，每次洗脱具有适于分离另外选择的物质的固定的组成。以这种方式，可以进行一步洗脱。人们对使用电荷和尺寸的组合效应来分级包括生物分子的溶质一直很感兴趣。然而，进一步发展这种有希望的方法的主要限制因素是现有膜平台的不均匀孔径。图1说明了由于孔径分布引起的问题。大孔径的区域(5)比较小孔径的区域(10)传输更多的流体流动，如箭头(30)所示，其表示比箭头(35)所示的流动更大的部分。在大孔径区域中带电位点被结合物质快速填充，使得结合物质从膜中逸出，而较小孔径区域还在继续结合。因此，相比所有孔具有均匀尺寸时所发生的通量，靶向结合的物质的通量(breakthrough)在较低的体积吞吐量发生。申请人已经通过增强孔径均匀性来解决该问题，以减少传统的膜平台的对数正态孔径分布的扩展。例如，在本专利技术膜的一个实施方案中，如图2所示，在膜的下游表面上形成具有几乎相同孔的单层(15)。无论膜的上游部分的孔径分布如何，该层都贡献了流动的大部分阻力，使得流动均匀分布，正如相同尺寸的流动箭头(20)和(25)所示的。专利技术概述本专利技术涉及具有均孔的多嵌段聚合物材料(统称材料)的过滤器/分离器、其制备方法、以及使用其通过静电相互作用分离包含生物分子的溶质的方法。本专利技术的带电的、自组装嵌段聚合物材料含有大孔、中孔或微孔中的至少一种，其中至少一些是均孔的，其中至少一种聚合物嵌段含有固定静电电荷或反应性官能团。该材料具有主要、次要和间隙区域，通过官能团上的带电部分部分地或定量地官能化以在材料上产生静电电荷，以提供带电的大表面积和用于以高通量分离蛋白质、核酸、其他生物或其他生物分子、化合物或溶质的均孔结构。本专利技术的均孔的、带电的、多嵌段聚合物材料至少包含具有大孔、中孔或微孔中的至少一种的嵌段A、B和C，其中至少一些是均孔的，其中至少一种聚合物嵌段含有固定的静电电荷或反应性官能团，并由下式定义：A-B-C(I)A-B-C-B(II)A-B-C-D(III)A-B-C-B-A(IV)A-C-B-C-A(V)本专利技术的多嵌段聚合物通常被定义为含有嵌段A、B、C、(X)n，其中n＝0-7，并且X可以是相同的或不同的，并且选自A、B、C、D、E、F或G。用于A、B或C之一的合适的嵌段是低Tg嵌段(≤25℃)，条件是当其中一个嵌段是低Tg嵌段时，至少一个其他嵌段是高Tg嵌段(>25℃)。至少一个嵌段必须具有静电电荷或具有可以反应以产生静电电荷的反应性官能团。用于D、E、F或G的合适的嵌段包括但不限于：聚(丁二烯)、聚(异丁烯)、聚(丁烯)、聚(异戊二烯)、聚(乙烯)、聚(苯乙烯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(醚砜)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸正丁酯)、聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)、聚(甲基丙烯酸缩水甘油酯)、聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)、聚(砜)、聚(偏二氟乙烯)、聚(N,N-二甲基丙烯酰胺、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(4-乙烯基吡啶)、聚(乙二醇)、聚(丙二醇)、聚(氯乙烯)、聚(四氟乙烯)、聚(硅氧烷)、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、聚(n-异丙基丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)、聚(酰胺酸)、聚(二甲基硅氧烷)、聚(乳酸)、聚(异氰酸酯)、聚(氰基丙烯酸乙酯)、聚(乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯腈)、聚(羟基苯乙烯)、聚(α-甲基苯乙烯)、聚(乙烯亚胺)、聚(苯乙烯磺酸酯)、聚(烯丙胺盐酸盐)、聚(五氟苯乙烯)、聚(2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯)。本专利技术包括以下材料，诸如但不限于，支撑或不支撑的、三维的膜、薄膜、片、管或螺线或螺旋构型，其中所述材料包括具有带电部分的官能化均孔嵌段聚合物，并使材料适用于高通量的和基于电荷的分离。本专利技术包括具有静电电荷的均孔多嵌段聚合物，其基于溶质的尺寸和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带电的、自组装的嵌段聚合物材料，其含有大孔、中孔或微孔中的至少一种，所述大孔、中孔或微孔至少一些是均孔的，所述材料包含至少一种含有固定静电电荷或反应性官能团的聚合物嵌段，所述材料具有主要区域，次要区域和间隙区域，通过官能团上的带电部分而部分地或定量地官能化以在所述材料上产生固定电荷，以提供带电的大表面积和用于以高通量分离蛋白质、核酸、其他生物学分子或生物分子、化合物或溶质的均孔结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.28 US 62/328,7071.一种带电的、自组装的嵌段聚合物材料，其含有大孔、中孔或微孔中的至少一种，所述大孔、中孔或微孔至少一些是均孔的，所述材料包含至少一种含有固定静电电荷或反应性官能团的聚合物嵌段，所述材料具有主要区域，次要区域和间隙区域，通过官能团上的带电部分而部分地或定量地官能化以在所述材料上产生固定电荷，以提供带电的大表面积和用于以高通量分离蛋白质、核酸、其他生物学分子或生物分子、化合物或溶质的均孔结构。2.如权利要求1所述的材料，其是不对称的结构或对称的结构中的一种。3.如权利要求2所述的材料，其还包含单一整体结构的大孔域和中孔壁结构。4.如权利要求3所述的材料，还含有连续的大孔域。5.如权利要求4所述的材料，其中所述材料具有尺寸约1-200nm的中孔和尺寸至少50nm或更大的大孔。6.如权利要求5所述的材料，其中官能反应在可用单元上提供了部分或完全的固定电荷。7.如权利要求5所述的材料，其中所述嵌段的至少一部分具有固定电荷。8.如权利要求1-7中任一项所述的材料，其中所述固定电荷是正的且带电的官能单元是季铵化的胺基，包括季铵化的吡啶、季铵化的二乙基氨基乙基或季铵化的二甲基氨基乙基。9.如权利要求1-7中任一项所述的材料，其中固定电荷是负的，且带电的官能化单元是磺酸根基团。10.一种均孔的、带电的、多嵌段聚合物材料，其至少包含具有大孔、中孔或微孔中的至少一种的嵌段A、B和C，所述大孔、中孔或微孔至少一些是均孔的，其中至少一种聚合物嵌段含有固定静电电荷或反应性官能团，所述多嵌段聚合物具有以下结构：a.A-B-C，b.A-B-C-B，c.A-B-A-C，d.A-B-C-D，e.A-B-C-B-A，f.A-C-B-C-A或g.具有至少3个不同嵌段A、B和C的更高阶(例如六嵌段、七嵌段、八嵌段、九嵌段、十嵌段等)嵌段结构。11.如权利要求10所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·M·多林，S·W·罗宾斯，
申请(专利权)人：特拉波尔技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US