Наноразмерный электроположительный волокнистый адсорбент

Наноразмерный электроположительный волокнистый адсорбент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Права Правительства США

[0001] Настоящее изобретение было сделано во время совместного научно-исследовательского проекта, который финансировался Министерством Энергетики США по Соглашению о Совместных Исследованиях и Разработках (CRADA) No. 99-USIC-MULTILAB-04 и Лос-Аламосской Национальной Лабораторией CRADA No. LA99CI0429. В связи с этим правительство имеет определенные права на это изобретение.

Описание

ССЫЛКА НА СВЯЗАННУЮ ЗАЯВКУ

[0002] Настоящая заявка использует информацию, приведенную в предварительной заявке на Патент США №60/300,184, поданную 22 июня 2001 г.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Предмет данного изобретения относится к области нановолокон и более точно к использованию нановолокон как фильтрующего материала, а также в процессах биологического разделения.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

[0004] Патогенные микроорганизмы, обитающие в воде, являются основным источником болезней среды населения во всем мире. Несмотря на меры предосторожности, принятые для обеспечения микробиологической безопасности питьевой воды, болезнетворные микроорганизмы регулярно проникают к потребителю через системы водоснабжения. Основным источником беспокойства являются бактерии, обитающие в воде, такие как Salmonella spp., Shigella spp., Yersinia spp., Mycobacterium spp., enterocolitica, так же как и Escherichia coli, Campylobacter jejuni, Legionella, Vibrio cholerae. Эти бактерии имеют размеры от 0,5 до нескольких микрон и имеют овальную (cocci) или цилиндрическую (bacillus) форму. Cryptosporidium и другие примитивные организмы имеют размер приблизительно 3-5 микрон и они устойчивы к многим видам химического дизенфицирования. Gtyptosporidium ответственен за ряд эпизодов загрязнения окружающей среды со многими смертными случаями.

[0005] Комитет по Научным Консультациям при Агентстве по Защите Окружающей Среды США (ЕРА) относят вирусы к одним из наиболее опасных факторов риска для здоровья. Патогенные микроорганизмы, обитающие в воде, включают этеровирусы (Enteroviruses), (такие как полиовирусы, Coxsackievirus (группы А и В), эковирусы, вирус гепатита А), ротавирусы и другие реовирусы (reoviruses (Reoviridae)), аденовирусы, и агенты типа Norwalk. Число вирусов, определяемых в литре сточных вод, колеблется от менее чем 100 инфекционных единиц до более чем 100000 инфекционных единиц. В некоторых случаях попадание даже одной инфекционной единицы в организм человека может вызвать инфекционное заболевание в определенной части наиболее подверженной части населения. Постоянное присутствие даже небольшого количества вирусов, вызывающих кишечные заболевания, в больших объемах воды, потребляемой большой группой населения, может привести к эпидемическому распространению и присутствию вируса в данной местности. В настоящее время не существует рекомендаций Агентства по Защите Окружающей Среды США (ЕРА), которые бы требовали удаление вирусов в связи с отсутствием количественных оценок степени опасности. Однако имеются спецификации, принятые в военных рекомендациях, которые требует удаление вирусов (таких как вирус гепатита) больше, чем 4 logs (>99.99%), так же как бактерии (такие как Е. coli) больше, чем 5 logs (>99.999%), и Cryptosporidium больше, чем 3 logs (>99.9%).

[0006] Основными методами дезинфекции являются химическое окисление и микрофильтрация. Химические окислители включают озон, хлор и производные хлора. Вирусы более жизнестойки по отношению к окружающим условиям и процессам очистки сточных вод, включая методы хлорирования и ультрафиолетового излучения, чем многие бактерии, существующие в очистных водах. В лабораторных экспериментах было показано, что вирусы, вызывающие кишечные заболевания, могут выживать вплоть до 130 дней в сточных водах, что превосходит данные для бактерии типа кишечной палочки.

[0007] Существует подозрение относительно токсичности и потенциальной канцерогенности вторичных продуктов от дизинфецирующих средств, которые формируются в результате химической обработки. В системах водоснабжения населения не удалось применить стерилизацию фильтрацией по причинам высокой стоимости и низкой производительности фильтров, предназначенных для удаления вирусов. Более того, поскольку болезнетворные бактерии могут размножаться в водопроводных трубах, очистка воды в месте ее использования является наиболее предпочтительной. Системы очистки питьевой воды как в месте входа питьевой воды, так и месте ее использования, основанные на принципах обратного осмоса через полупроницаемую мембрану или с использованием ультрафиолетового излучения, в основном используются для удаления болезнетворных микробов как из городских источников воды, так и из источников грунтовых вод. Обе системы очистки имеют недостатки, связанные с низкой скоростью фильтрования, а также требуют наличия резервуара для того, чтобы обеспечить требуемый расход воды, в случае необходимости. В дополнение, полная очистка воды с помощью ультрафиолетового излучения вряд ли возможна, поскольку болезнетворные организмы могут экранироваться коллоидными частицами. Таким образом, фильтрация является необходимым дополнением к существующим системам. Обе вышеупомянутые системы очистки весьма дорогостоящие для того, чтобы их можно было использовать в небольших системах в месте потребления воды, а также они очень сложные, пробующие дорогостоящего обслуживания. Поэтому фильтр, способный удалить все болезнетворные организмы, обладает большим потенциальным значением. Более того, было бы экономически выгодно иметь такой фильтр, который мог бы быть установлен с такой же легкостью, как и существующие химические фильтры.

[0008] Очистка воды также важна в медицинских и зубоврачебных кабинетах. Системы очистки воды в зубоврачебных кабинетах создают бактериальные пленки, которые обеспечивают благоприятные условия для роста болезнетворных организмов, которые зачастую превышают общепринятые нормы врачебной ассоциации. Обнаруженные болезнетворные организмы включают такие опасные виды как Legionella pneumophila, а также загрязнение линий подачи воды вирусами и, возможно, вирусами HIV или гепатита может происходить за счет обратного сифонирования от больного пациента. Фильтр, способный стерилизовать воду в зубоврачебных кабинетах в месте ее использования методом удаления бактерий и вирусов на высокой скорости фильтрования, желателен для использования в зубоврачебных кабинетах.

[0009] Загрязнение воды коллоидными частицами вносит свой вклад к мутности воды (дымчатый вид). Такие коллоидные частицы обычно включают в себя органические вещества, такие как составные части почвы, болезнетворные организмы, а также наночастицы неорганических веществ. Коллоидные частицы служат как подложка для адсорбции микробов, пестицидов, других синтетических органических химикатов, а также тяжелых металлов. Наноразмерные частицы могут забивать фильтрующие системы.

[0010] Необходима усовершенствованная технология для определении и идентифицировании болезнетворных организмов и, в частности, вирусов, поскольку методы их концентрация недостаточно эффективны. Нужны недорогие приборы для сбора вирусов и для анализа поверхностных вод. Хотя такие фильтры не должны обеспечивать стерилизацию, сборник вирусов должен быть способным удалить большую часть вирусов из 500-1000 литров воды в течение двух часов. Затем вирусы должны быть смыты с фильтра в неповрежденном виде и оставаться жизнеспособными для последующего анализа. Фильтр MDS-1 компании AMF Cuno наиболее часто используется для анализа загрязнений природной воды вирусами. К сожалению, такие фильтры очень дороги для их повседневного использования, тем более что они одноразового использования. Цена фильтра одноразового использования должна быть значительно снижена, прежде чем Агентство по Защите Окружающей Среды США (ЕРА) могло бы дать рекомендацию на проверку воды на вирусы в качестве повседневной процедуры. В настоящее время усилилась угроза применения биологического оружия террористическими группами как в воде, так и в воздухе, что увеличило необходимость для его раннего определения и диагностики. Эффективное определение затруднено из-за низкой чувствительности современных биоаналитических методов, особенно в отношении вирусов, которые много меньше по размеру и которые труднее сконцентрировать, но которые более вероятно могут быть инфекционными. Необходимо отобрать десятки тысяч литров воздуха или воды для того, чтобы обеспечить достаточное количество частиц для анализа. Сборники частиц из воздуха ограничиваются циклонным разделением и ударом о препятствие и являются непрактичными для сбора частиц с размерами вирусов.

[0011] Волокнистые глубинные фильтры захватывают частицы в основном за счет удара частицы о волокно, где они прилипают за счет адсорбции, в то время как мембраны захватывают частицы в основном за счет разделения по размеру. Имеются в наличии мембраны с размером пор достаточно маленьким для обеспечения разделения бактерий и вирусов, однако нет в наличии волокнистых глубинных фильтров, способных очистить воду от нежелательных примесей. В смысле разделения частиц с помощью фильтрации, размер пор в полупроницаемых мембранах обратного осмоса колеблется от 1 до 10 Ангстрем и 20 Ангстрем, размер пор мембран для ультрафильтрования колеблется от 1 нанометра (10 Ангстрем) до 200 нм, размер пор мембран для микрофильтрации колеблется от 50 нм, или 0,05 микрон до приблизительно 2 микрона, и размер пор мембран для фильтрования частиц колеблется от 1 до 2 микрон и выше. Размер пор фильтровальной мембраны должен быть уменьшен с уменьшением размеров болезнетворных организмов. Это приводит к резкому увеличению перепада давления и к уменьшению скорости потока. Многие вирусы имеют размер около 30 нм и имеющиеся промышленные мембраны обеспечивают удаление вирусов на уровне от 2 до 3 log [Willcommen]. Мембраны подвержены к забиванию пор и требуется предварительная фильтрация для удаления крупных частиц и увеличения ресурса работы дорогостоящих мембран. Более того, мембраны подвержены к локальным дефектам, таким как перекрытие пор и поры с пальчиковой структурой, которые существенно ухудшают качество их работы.

[0012] Вирусы должны быть удалены из медицинских продуктов, так же как из человеческой крови и продуктов, получаемых из плазмы. FDA рекомендует, чтобы все схемы очистки использовали одну или более "устойчивых" стадий удаления или инактивации вирусов. Устойчивые методы определены как те, которые работают при различных условиях и включают в себя низкую рН, нагревание, инактивацию с помощью растворителя-очистителя, а также фильтрацию. Удаление вирусов с помощью нагревания, химических методов и с помощью ультрафиолетового и гамма-излучения могут повредить чувствительные протеины, а также требует последующего удаления вышеуказанных химикатов и поврежденных протеинов. Соответственно, фильтрация рассматривается как предпочтотельный метод для удаления вирусов.

[0013] В настоящее время биотехнология заметно расширилась и включает в себя синтез новых протеинов, созданных с помощью рекомбинантных методов, удаление протеинов из плазмы крови, изменение в продуктах из гемоглобина и в продуктах сыворотки млекопитающих, так же как и защиту ферментных реакторов от загрязнения вирусами. Прионы - это протеины, которые могут вызывают болезнь Creutzfeldt-Jacob (CJC). Они приблизительно 10 нм в размере и таким образом меньше, чем вирусы. В фармацевтической промышленности микропористые мембраны используются для очистки входящего потока воды, так же как для контроля выходящей водных потоков и отходов для того, чтобы быть уверенным, что сбрасываемая вода не имеет загрязнений.

[0014] Вначале мембраны с размерами пор 0,45 микрон рассматривались как "стерилизационные", основываясь на их способности эффективно задерживать Serratia marcescens организмы, но исследования показали, что фильтр может оказаться скомпрометированным. Более маленькая бактерия Pseudomonus diminuta (P. diminuta) (0,3 микрона) в настоящее время все чаще используется для проверки целостности фильтра, и фильтр с порами 0,22 микрон в настоящее время принят как "стерилизационный" стандарт для удаления бактерий. Ультрапористые мембраны с размером пор 20 нм используются для фильтрования вирусов. Нанопористые мембраны, такие как полупрозрачные мембраны обратного осмоса, способны очистить воду от вирусов, однако приводят к еще большему ограничению по скорости потока. При производстве протеинов инструкции предполагают, что стерилизация от вирусов должна составлять по меньшей мере 12 порядков величины. Это значение обеспечивает содержание менее чем одной инфекционной частицы на 10.sup.6 доз. Такой уровень удаления вирусов требует многоступенчатого процесса.

[0015] Фильтрующие материалы, содержащие многовалентные катионы, такие как Al3+ и Mg2+ при рН около 3,5 могут задерживать вирусы. Lukasik et al. смогли эффективно удалить вирусы из сточных вод в течение длительного периода времени с использованием фильтровальных слоев из песка, обработанного с помощью гидроксидов железа и алюминия. Farrah внедрял оксиды алюминия и других металлов в порошки диатомитных земель и достиг заметного увеличения в поглощении вирусов. Farrah и Preston улучшили поглощение нескольких вирусов, изменив целлюлозные фильтры флоккулированными частицами гидроксидов железа и алюминия.

[0016] Фильтры могут быть сделаны из широкого круга материалов. Фильтры, изготовленные из стекловолокон, имеют тенденцию быть непрочными, однако химические связующие могут увеличивать их физические свойства и изменять их химические характеристики. Керамические фильтры часто имеют желаемый набор характеристик, но они хрупкие. Металлические фильтры зачастую могут преодолеть эти ограничения, но они дорогостоящие. Преимущество в использовании керамических и металлических фильтров в том, что они часто могут быть очищены и вновь использованы. Волокна для фильтров и мембраны производятся из многих полимеров, включая дифлорид поливинилидина, полиолефин и акрилаты. Сорбенты, такие как гранулированный оксид кремния, диатомиты или гранулированный уголь, также внедрялись в фильтрующий материал.

[0017] Электрокинетические силы помогают захватывать частицы из воды. Hou описал количественную картину фильтрования с помощью электрокинетических сил, концепция которой объяснена в терминах, принятых в коллоидной химии. Если электростатические заряды на фильтрующем материале и на частице противоположны, электростатическое притяжение будет способствовать отложению и удержанию частиц на поверхности фильтровальной среды. Если они одинакового знака, то возникает отталкивание и, тем самым, отложение и удержание частиц будет затруднено. Поверхностный заряд фильтра изменяется с изменением рН и с изменением концентрации фильтруемого раствора. Это явление объясняется теорией двойного электрического слоя, принятой в коллоидной химии. Частица, погруженная в водный раствор, создает вокруг себя поверхностный заряд, поглощая ионы на своей поверхности. Фиксированный слой противоположно заряженных ионов создается на поверхности фильтра. Для поддержания электронейтральности образуется диффузный слой, содержащий достаточное количество противоположно заряженных ионов, которые проникают на определенное расстояние в раствор. Если концентрация ионов раствора увеличивается путем добавления катионных солей или увеличением рН, тогда протяженность этого слоя уменьшается, так как требуется меньший объем раствора для того, чтобы нейтнализовать заряд поверхности. Уменьшение толщины этого слоя приводит к приближению этих двух поверхностей, позволяя Ван-дер-Ваальсовским силам начать играть главную роль. Уменьшение рН или добавление катионных солей уменьшает электроотрицательность, улучшая поглощение при этих условиях. Поглощение вирусов улучшается в большинстве случаев грунтовых вод и воды из под крана, имеющих рН в районе 5-9 [Sobsey]. Добавки кислоты или соли часто необходимо для эффективного удаление вирусов с помощью электроотрицательных фильтров. Hou утверждает, что электроположительные фильтры могут найти широкое применение в удалении микроорганизмов из воды для концентрирования бактерий и вирусов из воды, для сбора эндотоксинов и их удаления из загрязненных жидкостей для инъекций и пищевых продуктов, а также для иммобилизации микробных клеток и антигенов.

[0018] Фибриллированный асбест, имеющий электроположительный заряд поверхности и удельную площадь поверхности приблизительно 50 кв. м/г, широко использовался при производстве целлюлозоасбестовых фильтровальных листов для фильтрования патогенов. Волокна асбеста имеют поры с очень тонкой структурой, что способствует механическому захвату. Однако, беспокоясь о вреде для здоровья, прекратили его использование, и были предприняты попытки для замены асбеста. Эти усилия включали в себя попытки химического изменения поверхностей гидрофобных полимерных материалов с целью создания покрытий с электроположительным поверхностным зарядом.

[0019] Например, патенты США №4007113; 4007114; 4321288 и 4617128 (Ostreicher) описывают применение меламин-формальдегидных катионных коллоидов для изменения зарядов поверхностей волокон и частиц в фильтре. Патенты США №4305782 и 4366068 (Ostreicher, et al.) описывают применение неорганических катионных коллоидов оксида кремния для изменения зарядов таких элементов. В патенте США №4366068 "тонкие" частицы оксида кремния имеют средний размер частиц около 10 микрон и покрыты с по меньшей мере 15% оксида алюминия. Патент США №4230573 (Kilty, et al.) описывает использование эпихлоридина полиамина для изменения заряда волокон фильтровальных элементов, см. также патенты США №4288462 (Hou, et al), и №4282261 (Greene). Предпочтительный метод производства фильтровальных материалов описан в патенте США №4309247 (Hou, et al.) и продается компанией, Cuno, Inc. под маркой ZETA PLUS. Похожие попытки изменения заряда фильтров катионами были сделаны в патентах США №3242073 и 3352424 (Guebert, et al.) и в патенте США №4178438 (Hasse, et al.). Патент США №5855788 (Everhart) описывает метод изменения поверхности фильтров на тканой и нетканой основе или на апертурных полимерах путем поглощения амфифильных протеинов, таких же, как получаемые из молока. Протеины модифицируются с помощью гидроксидов алюминия, полученных в результате золь-гельной реакции. Фильтры удаляют болезнетворные организмы из воды в основном за счет химического и электрокинетического взаимодействия вместо механического разделения. Уменьшение концентрации на три порядка было достигнуто в случае бактерии Vibrio cholerae. Разработчики отметили, что фильтры, имеющие измененный заряд поверхности, имеют различные адсорбционные характеристики для различных видов болезнетворных организмов в воде, таких как бактерии.

[0020] Патент США №5085784 (Ostreicher) предлагает фильтровальную среду с измененным зарядом, состоящую из целлюлозных волокон, частиц оксида кремния и катионного водно-растворимого органического полимера. Полимер поглощается на фильтр, который включает также эпоксидную и четвертичную группу аммония, способную прикрепляться ко вторичному агенту, изменяющему заряд поверхности. Модификатор заряда предпочтительно выбирается из числа алифатических полиаминов. Патент США №4523995 (Pall) описывает фильтровальную среду, приготовленную смешиванием стекла с полиамин-эпихлорохидринной смолой в виде суспензии. К смеси добавляется реагент, вызывающий осаждение смолы, которая покрывает микроволокна. Предпочтительным осадителем являются высокомолекулярные полимеры, содержащие анионные заряды. Как результат, покрытые микроволокна описываются как имеющие положительный зета-потенциал в шелочной среде и повышенную поглощательную способность для мелких частиц, включая бактерии и эндотоксины (пирогены). Однако Robinson et al., Mandaro и Meltzer описали ограничения на предыдущие фильтровальные среды с измененным зарядом в терминах ухудшения фильтрующих свойств при высоких рН и неспособности такой среды достичь эффективного удаления очень маленьких частиц и/или пирогенов (эндотоксинов).

[0021] Положительно заряженные мембраны, используемые для удаления анионных загрязняющих частиц, также известны и описаны в патентах США №2783894 (Lovell) и №3408315 (Paine). Патенты США №№4473475 и 4743418 (Bames, et al.) описывают катионную модифицированную микропористую мембрану, имеющую необходимое количество алифатического амина или полиамина, предпочтительно тетраэтилен-пентамина, связанного с нейлоном. Патент США №4604208 (Chu, et al.) описывает анионный зарядно-модифицированную нейлоновую микропористую мембрану. Система изменения заряда состоит из полимера, растворимого в воде и способного связываться с мембраной и анионными функциональными группами, такими как карбоксильные, фосфористые, фосфорные и серные группы. Патенты США №№4473474; 4673504; 4708803 и 4711793 (Ostreicher, et al.), описывают нейлоновую мембрану с измененным зарядом поверхности с использованием модифицированного эпихлорохидринового полиамида, имеющего третичный амин или четвертичную группу аммония, а также вторичный зарядно-изменяющий агент, который может быть алифатическим полиамином. Катионные зарядно-измененные нейлоновые мембраны, описанные выше в патентах Ostreicher, et al. и Barnes, et al. в настоящее время продаются Cuno, Inc. под торговой маркой ZETAPOR. Положительная, зарядно-измененная микропористая фильтровальная среда продается Pall Corp., которая использует нейлон 66 или положительно заряженную полиэфирсульфон-сульфатную мембрану. Micropore Corp. производит зарядно-измененные поливинилидин-дифторидные мембраны.

[0022] В основном фильтры используются в двух различных модах. В глубинном, или в тупиковом фильтре вся жидкость протекает через мембрану или фильтровальную среду. В тангенциальных фильтрах входящая жидкость течет вдоль оси, в то время как чистая жидкость проходит через фильтровальную среду в перпендикулярном направлении. Этот тип фильтра ограничивает толщину осадка на поверхности, поэтому позволяя большие скорости потока, в то время как в случае с глубинным фильтром, поверхностная корка увеличивается в толщине со временем, вызывая увеличение перепада давления с последующей полной остановкой потока. Скорость фильтрации важна практически во всех индустриальных процессах, включая фармацевтическое производство, биологические превращения и лабораторные эксперименты. Мембраны, используемые при фильтровании субмикронных и наноразмерных частиц, имеют очень низкий поток, если это не скомпенсировать увеличением входного давления или увеличением площади поверхности мембраны. Увеличение давления или площади поверхности существенно увеличивает капитальные и эксплуатационные расходы. Закупорка пор также ухудшает и без того низкий поток через мембраны с малыми порами.

[0023] Пирогены - это вещества, которые содержат эндотоксины, вызывающие увеличение температуры тела. Эндотоксины - это высокомолекулярные комплексы (молекулярный вес между 10000 и 1 миллионом), которые выделяются грам-отрицательными бактериями, сбрасывающими внешнюю мембрану в окружающую среду, вызывая поднятие температуры тела. Эндотоксины не подвергаются изменениям при автоклавировании в течение нескольких часов на 250°С. Эндотоксины могут быть удалены в процессе фильтрации через полупроницаемую мембрану обратным осмосом, однако этот процесс сложный из-за малого размера пор мембраны. Более того, ценные вещества, такие как соли, удаляются полупроницаемыми мембранами, и это является недостатком в приготовлении непирогенных медицинских сывороток для внутривенных инъекций. Патент США №5104546 описывает керамический ультрафильтр, способный разделять пирогены от медицинских сывороток для внутривенных инъекций. Керамический ультрафильтр состоит из слоя оксида циркония, нанесенного на подложку из окиси алюминия и имеющего номинальный размер пор около 5 нанометров. Фильтр способен разделять пирогены с эффективностью 5 logs, однако при высоком давлении (5,5 атмосфер) и длине поперечного сечения 20 см, при этом скорость потока в начале работы только 50 л/ч/кв.м/атм.

[0024] Новые аналитические схемы развиваются для производства фармакологических и биохимических материалов, где специфические реагенты удерживаются подложками с высокой площадью поверхности. Мембраны обычно также используются как подложка для диагностических анализов, подобных электрофорезису, цитологии жидкостей и гибридизации ДНК. Многие аналитические методы используют иммобилизацию биологически связываемого партнера биомолекулы на поверхности. Поверхность приводится в контакт со средой, для которой имеются основания полагать, что она содержит эту молекулу, и таким образом определяется наличие или диапазон связывания молекул с поверхностно-иммобилизованным связывающим партнером. Например, в патенте США №5798220 макромолекула прикрепляется к поверхности подложки и используется как иммунотест для анализа биологических жидкостей на присутствие иммуноглобулинов для макромолекулы. Патент США №5219577 описывает синтетическую, биологически активную композицию с нанокристаллическим ядром. Патент США №6197515 описывает метод захвата биологической молекулы, например на поверхности биодатчика, исследуя биологические взаимодействия. Наличие подложек, которые бы эффективно связывали первую биологическую молекулу, может облегчить такие методы-анализы. Нуклеиновые кислоты сорбируются на подложках из оксидов металлов, таких как оксид-алюминия, для последующего использования в гибридизации, маркировке, программировании и синтезе.

[0025] Электрофорезис - это один из наиболее широко используемых методов в биологических науках. Молекулярные формирования, такие как пептиды, протеины и олигонуклеотиды разделяются как результат миграции в растворе буфера под влиянием электрического поля. Буферный раствор обычно используется совместно с концентрациями от низких до средних с соответствующими загустителями, такими как арагоз или полиакриламид, для того чтобы уменьшить влияние конвективного смешивания. Наибольшее разрешение получается, когда некоторая неоднородность вводится в жидкую фазу. Такие элементы как градиент рН, либо эффект просеивания высокоплотными гелями имеют большое влияние на разделение молекул различного размера. Мембранные барьеры также могут быть установлены на пути миграции частиц. Электроположительные адсорбенты с большой удельной площадью поверхности, будучи добавлены к таким гелям, могут улучшить фактор разделения.

[0026] "Революция в Генетике" создает необходимость для технологий, относящихся к биоразделению. Поскольку рекомбинантные ретровирусы и саденовирусы из группы аденовирусов представляют собой идеальные системы для эффективной доставки и внедрения генетического материала, имеется очевидная необходимость для методов разделения вирусов, которые одновременно эффективны и не причиняют вреда вирусным частицам. Центрифугирование с использованием градиента плотности всегда играло важную часть в концентрации и очистке вирусных частиц, однако градиентная среда, используемая в большинстве случаев, как например, сукроза и CsCl, имеет несколько собственных проблем. Обе среды высоко гиперосмотичны, и материалы, используемые для связывания вирусов, обычно удалялись с помощью ультрафильтрации перед дальнейшей обработкой или анализом. Более того, осаждающий агент, который удаляет вирусы методом осаждения или эффективной фильтрации при небольшом перепаде давления, мог бы улучшить такую обработку [Nycomed].

[0027] Разделение макромолекул, таких как протеины, составляет существенную часть затрат в производстве фармакологических продуктов. Хроматография использовалась десятилетиями для целей биологического разделения. В хроматографии смесь вводится в узкую начальную область неподвижного сорбента и компоненты испытывают дифференциальную миграцию в потоке жидкости. В случае ионной хроматографии, дифференциальная миграция вызывается различным притяжением заряженных молекул к противоположно заряженной стационарной фазе. Химически измененная целлюлоза, содержащая оксид кремния, используется как стационарная фаза в производстве коммерчески важных биомолекул в пищевой, биофармацевтической, фармацевтической промышленностях и в биотехнологии. Например, такая среда использовалась во многих различных промышленных процессах для производства иммуноглобулинов, энзимов, пептидов, плазмидов и гормонов. Альтернативными стационарными фазами могут быть металлы, оксиды металлов и в частности порошкообразный оксид алюминия. Мембранные сорбенты - это мембраны с функционализированными поверхностными центрами для целей хроматографии. Разрешение традиционной хроматографической колонны, основанной на гранулах, обратно пропорционально размеру гранул и поэтому приборы, основанные на мембранных сорбентах, производят очень высокую степень разделения, поскольку они имеют большую площадь поверхности по сравнению с гранулами. Волокнистая среда, способная иметь такое разрешение и имеющая меньше ограничений на скорость потока, могла бы обеспечить более быстрое и экономичное разделение для целей очистки растворов и для аналитических целей.

[0028] Гели и золи гидроксида алюминия использовались как активаторы осаждения и как порошкообразные сорбенты для органических молекул. Например, Al(ОН)₃ используется для связывания витамина К. Нуклеиновые кислоты зачастую являются загрязнителями в растворах протеинов и могут быть высаждены при соприкосновении с нуклеазами [Ahuja, стр. 368] перемешиванием, низкой ионной силой или высоким рН. Большинство из этих методов имеют эффект на протеины и имеют довольно низкую степень селективности. Поскольку нуклеиновые кислоты имеют отрицательно заряженные фосфатные группы, осаждающие вещества с положительно заряженными группами могут селективно удалять нуклеиновые кислоты из растворов. Этот принцип дал начало поиску ряда осаждающих агентов, используемых для разделения нуклеиновых кислот.

[0029] Клетки часто культивируются в реакторах для производства биологических и фармацевтических продуктов. Такие клетки могут быть как бактериальными, так и клетками млекопитающих. Для поддержания жизнедеятельности клеточной культуры, она должна снабжаться кислородом и питательными веществами. Клеточные культуры обычно поддерживаются в реакторах потоком жидкости, при котором питательная среда, включающая кислород и другие питательные инградиенты, направляется через реактор роста клеточных культур. Однако реакторы роста клеточных культур могут быть использованы только небольшим количеством клеток на единицу объема реактора. Они могут оперировать только внутри небольшого диапазона скоростей потока или перемешивания. Пористые подложки, на которых клетки можно иммобилизовать и более эффективно осуществлять обмен питательными веществами и растворенными газами, могли бы позволить большие загрузки реактора. Также, биокаталитические реакции могут быть осуществлены в объеме реактора с помощью катализатора, основанного на энзимах, прикрепленных к пористой неорганической подложке. Иммобилизация увеличивает сопротивляемость энзимов к тепловым и химическим факторам, при этом поддерживая их высокую каталитическую активность в широком диапазоне изменений в окружающей среде. Электроположительная подложка с высокой удельной площадью поверхности могла бы удерживать и иммобилизовать энзимы, стимулируя более быстрые химические реакции.

[0030] Ультрачистая вода используется во многих отраслях промышленности. Мембранные ультрафильтры используются для производства особо чистой воды в микроэлектронику. Спиральные мембраны, другая общеиспользуемая область технологии, весьма чувствительны к наличию частиц в потоке, что ограничивает поток жидкости через их чрезвычайно узкие проходы. Повреждение полимерных ультрафильтров является их основным недостатком, так как это вызывает необходимость в периодической чистке этих фильтров вне рабочей линии [Sinha].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0031] Настоящее изобретение использует наноразмерные формы волокон или пластинок оксида алюминия, которые были найдены высоко электроположительными, удерживающими биообъекты в растворе воды. Мы обнаружили, что эти волокна притягивают и удерживают коллоидные и особенно вирусные частицы, а также являются инициаторами осаждения частиц. При введении их в матрицу на основе волокон они способны фильтровать бактерии и, в частности, субмикронные частицы, такие как вирусы или коллоиды с эффективностью, далеко превосходящей выпускаемые промышленностью фильтры, особенно при фильтрации нейтральной воды. Вирусы и наноразмерные частицы удерживаются при скоростях потока, в десятки и сотни раз превосходящих скорости фильтрации ультрапористых мембран с размером пор, меньшим, чем размер фильтруемых частиц. Такие фильтры с волокнами оксида алюминия имеют большую сопротивляемость к забиванию ультрамелкими частицами. Фильтровальный материал может быть применен в стерилизации питьевой воды, а также в медицинских или фармацевтических процессах. Замещая адсорбированные частицы, фильтры могут быть использованы как предварительный концентратор для целей определения и измерения адсорбированных болезнетворных организмов. Такие фильтры чрезвычайно эффективны как разделители в мембранной хроматографии, применяемой для очистки и анализа. Волокнистый сорбент, либо в форме гранул, или как фильтровальный материал может быть использован для разделения частиц и макромолекул на основе их заряда. Такие волокна или сделанные на их основе фильтры возможно будут служить как подложки для использования в биореакторах.

[0032] Соответственно, предмет данного изобретения сделать доступным электроположительный сорбент и метод его приготовления и использования.

[0033] Дальнейшие цели и преимущества настоящего изобретения становятся более ясны из иллюстраций к последующему детальному описанию изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[0034] ФИГ.1 - электронная микроскопическая фотография в проходящих лучах нановолокон, изготовленных гидролизом наноалюминия, полученного в аргоне. Нанометровые волокна 2-х нанометров в диаметре видны на переднем плане при фокусировке в центре фотографии.

[0035] ФИГ.2 - электронная микроскопическая фотография в проходящих лучах нановолокон, изготовленных гидролизом наноалюминия, произведенного в азоте.

[0036] ФИГ.3 - микрофотография композитного материала - нанооксид алюминия/микростекло.

[0037] ФИГ.4 - графическое представление скорости течения воды через нанокерамические фильтры 1 мм толщиной и 25 мм в диаметре.

[0038] ФИГ.5 - графическое представление, иллюстрирующее пробой 30 нм резиновыми сферами фильтра, 25 мм в диаметре.

[0039] ФИГ.6 - графическое представление, иллюстрирующее пробой фильтра (30 нм резиновые сферы) в зависимости от весового процентного содержания нановолокон оксида алюминия.

[0040] ФИГ.7 - сканирующая электронная микрофотография фильтра из нановолокон оксида алюминия, насыщенного с помощью 30 нм резиновых сфер.

[0041] ФИГ.8 - графическое представление уменьшения скорости потока в результате загрузки 30 нм резиновыми сферами.

[0042] ФИГ.8 - графическое представление уменьшения скорости потока в результате аккумулирования 3-х микронных резиновых сфер.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0043] Для того, чтобы улучшить понимание некоторых терминов, используемых в описании патента, ниже приводятся их определения.

[0044] Термин электроотрицательная частица, используется здесь как индивидуальная частица, имеющая электроотрицательный заряд поверхности, за исключением атомов в форме ионов, но включая такие индивидуальные частицы как вирусы, бактерии, пирогены, прионы, макромолекулы, нуклеиновые кислоты, коллоиды, протеины и энзимы.

[0045] Термин десорбция используется для обозначения процесса удаления адсорбированных электроотрицательных частиц с поверхности электроположительного сорбента.

[0046] Термин нанооксид алюминия используется для обозначения частицы с отношением длины к поперечному сечению не менее 5, где наименьший из размеров меньше, чем приблизительно 100 нм. Поперечное сечение "волокна" может быть либо окружностью (цилиндрические волокна), либо прямоугольной формы (пластины). Волокна состоят из оксида алюминия с различным содержанием связанной воды и состоят либо из чистого Al(OH).sub.3 или AlOOH, или их смеси с возможными небольшим содержани