Гибридные войлоки из нановолокон, полученных электропрядением

Гибридные войлоки из нановолокон, полученных электропрядением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение в основном относится к композициям для использования в биологических и химических процессах разделения, а также для других применений. Более конкретно, настоящее изобретение относится к гибридным войлокам, которые изготовлены из образованных электропрядением нановолокон, с высокой проницаемостью и высокой емкостью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Мембраны из микроволокон и нановолокон, или «войлоки», в самых многообразных ситуациях используются как в биологических, так и в промышленных вариантах применения. Например, войлоки применимы для армирования текстильных материалов, создания защитной одежды, каталитических сред, вариантов применения в сельском хозяйстве, сенсоров для окружающей среды, дозиметрического контроля в медицинской и военной области, использования в биомедицине (например, разделения биологических продуктов, тканевой инженерии, и в перевязочных материалах для ухода за ранами), применения в электронике (например, в конденсаторах, транзисторах и диодах) и применения в космической области (например, в солнечных парусах и опорной структуре для космических зеркал). Войлоки из микроволокон и нановолокон в особенности хорошо пригодны для очистки биологических препаратов, таких как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, бактерии, вирусы, клетки и тому подобные. Они применимы во всех текучих средах, как жидкостных, так и газообразных.

[0003] Биофармацевтическая отрасль клинической медицины расширяется по мере того, как все большее число биофармацевтических препаратов санкционируется для продажи. В дополнение, диагностические средства на биологической основе широко применяются для выполнения высокопроизводительного, высокочувствительного диагностического тестирования разнообразных болезненных состояний. Биологические препараты, как для клинической медицины, так и для диагностики (например, рекомбинантные белки, моноклональные антитела, вирусные вакцины и нуклеиновые кислоты), должны быть эффективно получены и очищены для применения.

[0004] Общеупотребительные методологии очистки включают отделение желательных биологических субстанций от побочных продуктов и других загрязняющих примесей с использованием, например, уплотненных микробусинок для адсорбции/хроматографии, ультрафильтрации и осаждения/кристаллизации. Эти традиционные способы разделения обеспечивают надлежащие результаты для многих вариантов биологического применения, но ограничены в плане выхода, продолжительности обработки и степени чистоты. Данные ограничения главным образом обусловлены низкими скоростями диффузии относительно крупных биомолекул, что ограничивает способность очищаемой субстанции (то есть «целевой субстанции») достигать доступных центров связывания глубоко внутри сепарационной матрицы. В дополнение, эти системы могут быть использованы в пределах только ограниченного числа циклов, и некоторые могут быть применены лишь однократно.

[0005] Ионообменная (IE) и гидрофобная (HI) адсорбция/хроматография представляют собой два примера более надежных традиционных технологий разделения, которые широко применяются для разделения биологических субстанций. В целом же они, как правило, менее эффективны, чем технологии разделения, основанные на специфическом сродстве, такие как сепарации на основе антител, но если условия разделения тщательно подобраны, они все же применимы для очистки многих целевых субстанций от нежелательных побочных продуктов и примесей.

[0006] В то время как адсорбция/хроматография на основе различий в сродстве может быть более эффективной, чем IE и HI, как правило, она является более затруднительной и дорогостоящей в исполнении, вследствие сложности получения и очистки биологических лигандов, таких как моноклональные антитела и нуклеиновые кислоты. Такие лиганды также зачастую очень чувствительны к условиям окружающей среды (например, температуре, величине рН, ионной силе и т.д.) и могут легко становиться поврежденными настолько, что исчезает аффинное взаимодействие, необходимое для адсорбции. В дополнение, иногда затруднительно устранить связывание при взаимодействии без жестких условий, которые могут снижать биологическую активность и тем самым применимость целевой субстанции и/или пригодность для повторного использования среды для очистки.

[0007] Были описаны мембраны, которые применимы для очистки биологических субстанций. (Например, см. издание «Bioprocessing for Value-Added Products from Renewable Resources» («Биообработка высокоценных продуктов из возобновляемых источников»), под редакцией Shang-Tian Yang, Глава 7.) Недавно мембранная адсорбция/хроматография с использованием волокон нанометрового диаметра, собранных в маты с регулируемой толщиной (то есть «нановолоконные войлоки»), проявила себя весьма перспективной для использования в разделении биологических объектов (авторы Todd J. Menkhaus и др., «Chapter 3: Applications of Electrospun Nanofiber Membranes for Bioseparations» («Глава 3: Варианты применения полученных электропрядением нановолоконных мембран для биосепараций»), в книге «Handbook of Membrane Research», редактор Stephan V. Gorley). Такие нановолоконные войлоки превосходят войлоки из микроволокна, поскольку размеры пор, характеристики сродства, а также другие критерии работоспособности могут регулироваться более точно.

[0008] В то время как ранее описанные однокомпонентные нановолоконные войлоки показали многообещающие результаты, они часто менее эффективны, чем было бы желательно в плане стабильности войлоков, а также требований к материалу и в отношении времени. Это в особенности справедливо, когда целевая субстанция присутствует в исходном очищаемом материале только в низкой концентрации, и загрязняющие примеси и/или побочные продукты синтеза находятся в большом количестве. Таким образом, существует потребность в повышении стабильности войлоков и эффективности очистки биологических продуктов. Представленные ниже варианты исполнения удовлетворяют эту потребность.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Нижеследующее упрощенное краткое изложение представляет базовое понимание некоторых аспектов заявленного предмета изобретения. Это обобщение не является исчерпывающим обзором и не предназначено для идентификации ключевых/важнейших элементов или для того, чтобы обрисовать область заявленного предмета изобретения. Его назначением является представление некоторых концепций в упрощенной форме в качестве вступления к более подробному описанию, которое приведено ниже.

[0010] В одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет полученный электропрядением гибридный нановолоконный войлок, который сформирован из композитного нановолокна и однокомпонентного нановолокна. Композитное нановолокно может быть получено электропрядением из смеси дериватизированной целлюлозы и первого полимера на нецеллюлозной основе, тогда как однокомпонентное нановолокно может быть получено электропрядением из второго полимера на нецеллюлозной основе, который может быть таким же, как первый полимер на нецеллюлозной основе, или отличным от него. Обычно первый и второй полимеры на нецеллюлозной основе могут быть дифференцированно удалены из нановолоконного войлока, чем подразумевается, что существуют условия (либо с использованием растворителей, либо тепла, или комбинации растворителя и тепла), которые приводят к удалению одного из полимеров на нецеллюлозной основе в большей степени, чем другого (например, с 10%-ной разницей в степени удаления или больше, такой как 20%-ной или 50%-ной).

[0011] Дериватизированная целлюлоза в композитном нановолокне может представлять собой органический сложный эфир целлюлозы, неорганический сложный эфир целлюлозы или алкилцеллюлозу. Органический сложный эфир целлюлозы может представлять собой ацетат целлюлозы, триацетат целлюлозы или пропионат целлюлозы.

[0012] Когда дериватизированная целлюлоза представляет собой неорганический сложный эфир, это может быть нитрат целлюлозы и сульфат целлюлозы, и когда она представляет собой алкилцеллюлозу, это может быть гидроксиэтилцеллюлоза или карбоксиметилцеллюлоза.

[0013] Первый полимер на нецеллюлозной основе может быть синтетическим или природным полимером, таким как виниловый полимер, простой полиэфир, акриловый полимер, сложный полиэфир, поликарбонат, полиуретан, полисахарид (например, крахмал или хитин), полиамид (например, белок или желатин), полилактид, полигликолид или их сополимер.

[0014] В одном варианте исполнения второй полимер на нецеллюлозной основе, который образует однокомпонентное нановолокно, представляет собой синтетический полимер, такой как виниловый полимер, полиамид, полиимид, сложный полиэфир или их сополимер.

[0015] В еще одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет способ электропрядения для изготовления вышеописанного нановолоконного войлока, который может быть описан следующими стадиями, в которых: а) отдельно получают прядильный раствор композитного полимера и прядильный раствор однокомпонентного полимера; b) помещают прядильные растворы в два различных прядильных устройства; с) подводят напряжение к каждому прядильному раствору с помощью электрода; d) по отдельности проводят электропрядение композитного и однокомпонентного нановолокон из прядильных устройств; и е) собирают затвердевшие нановолокна в виде беспорядочно перекрывающегося или частично ориентированного нановолоконного войлока.

[0016] Нановолоконный войлок, как сформированный, может быть подвергнут дополнительной обработке путем регенерации дериватизированной целлюлозы в композитном нановолокне (то есть преобразованием ее обратно в целлюлозу). Способ изготовления нановолоконного войлока также может включать дополнительные стадии, в которых из композитного нановолокна частично или целиком удаляют первый полимер на нецеллюлозной основе. Альтернативно или в дополнение к этим стадиям, способ изготовления нановолоконного войлока также может включать стадию функционализации поверхности одного или более из полимерных нановолокон в нановолоконном войлоке. Такая функционализация поверхности может предусматривать присоединение аффинного лиганда, который имеет специфическое сродство к конкретной целевой молекуле, выделяемой из очищаемой текучей среды.

[0017] В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение представляет способ очистки биомолекул из текучей среды, который может быть описан следующими стадиями, в которых: получают нановолоконный войлок согласно только что описанному способу; b) пропускают поток текучей среды через нановолоконный войлок; и выделяют биомолекулы из нановолоконного войлока.

[0018] Прочие аспекты изобретения изложены в других местах в описании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Фиг. 1 представляет схематическое изображение процесса электропрядения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Настоящее изобретение в основном относится к гибридным войлокам, составленным полученными электропрядением нановолокнами, используемым, например, для химических и биологических сепараций. Гибридные нановолоконные войлоки имеют высокую разделительную способность и обеспечивают воспроизводимую производительность на протяжении многочисленных циклов, как при высоком расходе потока, так и при высоком давлении. Такие нановолоконные войлоки имеют сложные взаимосвязанные, трехмерные пористые структуры и относительно большие площади поверхности.

[0021] В частности, гибридные нановолоконные войлоки состоят из полимеров более чем одного типа (то есть представляют собой «гибридные» войлоки).

[0022] Войлоки согласно настоящему изобретению состоят из полимеров более чем одного типа (то есть представляют собой «гибридные» войлоки). Сюда входят гибридные войлоки, выполненные из комбинации однокомпонентных нановолокон и «композитных» нановолокон (например, нановолокна сформированы из смеси двух или более материалов) с образованием «гибридного» войлока. Для «композитного» нановолокна «каркасный полимер» представляет собой дериватизированную целлюлозу, и первый полимер на нецеллюлозной основе может быть удален из волокна/войлока при воздействии на него повышенной температуры или химических растворителей, или как повышенной температуры, так и химических растворителей. В некоторых вариантах исполнения удаление первого полимера на нецеллюлозной основе одновременно преобразует дериватизированную целлюлозу обратно в целлюлозу, то есть целлюлоза «регенерируется».

[0023] Нановолокна в войлоках согласно настоящему изобретению изготавливают с использованием технологии электропрядения. Это имеет отношение к изготовлению волокон, основанному на воздействии электростатического поля на экструдируемый «прядильный раствор» полимера, которое приводит к вытягиванию «струи» экструдированного полимера в нановолокно.

[0024] Эти и другие примерные аспекты изобретения более подробно разъясняются ниже.

Определения

[0025] В нижеследующем описании широко используется ряд терминов. Нижеследующие неограничивающие определения обеспечивают ясное и последовательное понимание описания и пунктов патентной формулы, предусматривающее примерные пределы значения таких терминов.

[0026] Когда в настоящем изобретении используется термин «один» или единственное число, они означают «по меньшей мере один» или «один или более», если не оговорено иное.

[0027] Термины «изобретение» или «настоящее изобретение», как используемые здесь, предполагаются быть неограничивающими и не предусматривают ссылку на любой отдельный вариант осуществления конкретного изобретения, но охватывают все возможные варианты осуществления, как изложенные в описании и в пунктах формулы изобретения.

[0028] Термин «проницаемость», как применяемый здесь, имеет отношение к величине расхода потока текучей среды, проходящей через нановолоконный войлок в расчете на единицу толщины войлока и на единицу перепада давления. Проницаемость считается «высокой», если она составляет свыше 500 л/(мин⋅м²⋅10⁵ Па).

[0029] Термин «расход потока» имеет отношение к скорости течения текучей среды, проходящей сквозь нановолоконный войлок в единицу времени, в расчете на единицу площади лицевой поверхности, через которую происходит течение.

[0030] Термин «емкость», как используемый здесь, имеет отношение к количеству продукта, связываемому в расчете на единицу абсорбента. Емкость для адсорбции белка рассматривается как «высокая», если она составляет более 100 мг белка/г адсорбента.

[0031] Термины «мембрана», «войлок» и «мат», как применяемые здесь, являются взаимозаменяемыми и имеют отношение к нетканому материалу или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон.

[0032] Термин «нановолоконный войлок», как используемый здесь, имеет отношение к совокупности нановолокон по существу в виде планарной матрицы, которая также может включать микроволокна, добавленные для прочности, усиления потока и т.д.

[0033] Термин «микроволокна», как применяемый здесь, имеет отношение к волокнам с диаметрами свыше 1,0 микрометра и, как правило, между 1,0 микрометром и 1,0 миллиметром.

[0034] Термин «нановолокна», как используемый здесь, имеет отношение к волокнам с диаметрами менее 1,0 микрометра и, как правило, между 10 нанометрами и 1,0 микрометром, такими как между 200 нм и 600 нм.

[0035] Термин «гибридный нановолоконный войлок», как применяемый здесь, имеет отношение к нетканому материалу или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон, состоящей из полимеров по меньшей мере двух типов в сочетании с однокомпонентными волокнами, или композитных волокон либо по меньшей мере с одним другим однокомпонентным волокном, либо по меньшей мере с одним другим композитным волокном.

[0036] Термин «однокомпонентные нановолокна», как используемый здесь, имеет отношение к нановолокнам, выполненным из единственного полимера.

[0037] Термин «однокомпонентный нановолоконный войлок», как применяемый здесь, имеет отношение к скоплению многочисленных однокомпонентных нановолокон с образованием нетканого материала или совокупности беспорядочно перекрывающихся волокон.

[0038] Термин «композитные нановолокна», как используемый здесь, означает нановолокна, сформированные по меньшей мере из двух различных полимеров.

[0039] Термин «умеренно повышенные температуры», как применяемый здесь, имеет отношение к температурам между 24 и 110°С.

[0040] Термин «дифференцированно удаляемый», как используемый здесь, предполагает, что, когда гибридный нановолоконный войлок состоит по меньшей мере из двух полимеров на нецеллюлозной основе, могут быть выбраны условия (воздействие повышенной температуры и/или растворителя) для удаления одного из полимеров на нецеллюлозной основе до большей степени (по меньшей мере в разницей в 10% и вплоть до 100% против 0%), чем другого полимера на нецеллюлозной основе.

[0041] Термин «растворитель», как применяемый здесь, имеет отношение к любой однокомпонентной жидкости или смеси жидкостей, способных растворять один или более компонентов нановолоконного войлока.

[0042] Термин «прядильный раствор», как используемый здесь, имеет отношение к раствору полимера, который используют в процессе электропрядения.

[0043] Термин «электропрядение», как применяемый здесь, имеет отношение к приложению электрического поля определенной напряженности к прядильному раствору для формирования нановолокон.

[0044] Термин «термически стабильный», как используемый здесь, означает, что полимер не разлагается в диапазоне температур от 50-110°С.

[0045] Термин «химически стабильный», как применяемый здесь, означает, что полимер не растворяется в растворителях, таких как вода или обычные органические растворители (например, спирты и углеводороды) и их смеси.

Дериватизированная целлюлоза

[0046] Целлюлоза представляет собой структурный компонент, находящийся в клеточных стенках растений и водорослей. Ее также секретируют некоторые бактерии. Как таковая, целлюлоза представляет собой наиболее широко распространенное органическое соединение на Земле. Она составлена структурными единицами D-глюкозы, соединенными между собой β(1-4)-гликозидными связями с образованием прямолинейного полимера. Для биологических и промышленных вариантов применения ее выделяют из растений, древесной массы или хлопка и преобразуют в многочисленные полезные изделия, такие как бумага, целлофан, волокно «rayon», биотоплива и т.д. Применимость целлюлозы может быть в большой степени обусловлена ее физическими свойствами. Она не имеет запаха, является гидрофильной, относительно нерастворимой, проявляет очень слабое неспецифическое связывание, и она является биоразложимой.

[0047] В то время как сепарационные среды на основе целлюлозы имеют многие преимущества, к сожалению, их недостатком является химическая нестабильность (то есть они разлагаются) в сильных кислотах и основаниях. В дополнение, для растворения целлюлозы требуется применение специальных смесей растворителей, таких как N-метилморфолин-N-оксид (NMMO) и воды, или хлорида лития и N,N-диметилацетамида. Это ограничивает применение сред на основе целлюлозы для операций, в которых не требуются жесткие условия регенерации, которые часто необходимы в биофармацевтической промышленности, чтобы соответствовать строгим предписаниям в отношении очистки, регламентированным FDA (Управлением по контролю за продуктами и лекарствами (США)).

[0048] Целлюлозные волокна традиционно получают мокрым прядением, и предусматривают предварительную дериватизацию целлюлозы, поскольку является весьма затруднительным проводить электропрядение целлюлозы непосредственно из раствора или расплава. Для получения целлюлозных нановолокон усилия исследователей были направлены на электропрядение производных целлюлозы, таких как ацетат целлюлозы. В отличие от целлюлозы, ацетат целлюлозы растворим во многих обычных растворителях, таких как ацетон. Ацетат целлюлозы может быть использован для электропрядения с образованием нановолокон, и регенерированные целлюлозные нановолокна могут быть получены подверганием нановолокон обработке после прядения в условиях гидролиза/дезацетилирования.

[0049] Соответственно этому, в практике настоящего изобретения один из полимеров в гибридном нановолоконном войлоке представляет собой дериватизированную целлюлозу. Целлюлоза может быть легко дериватизирована с использованием общеизвестных способов преобразованием НО-групп в индивидуальных целлюлозных структурных единицах в другие фрагменты с большей или меньшей реакционной способностью, с переменными зарядами и т.д. Такие материалы на основе дериватизированной целлюлозы проявляют повышенную стабильность, будучи подвергнутыми воздействию растворителей, и прочие желательные физические свойства. Многие производные целлюлозы имеются в продаже на рынке в большом количестве. Примерные материалы на основе дериватизированной целлюлозы включают, например: органические сложные эфиры (ацетат, триацетат, пропионат, ацетат-пропионат, ацетат-бутират целлюлозы); неорганические сложные эфиры (нитрат целлюлозы, сульфат целлюлозы); и алкилцеллюлозу (гидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу).

[0050] Бóльшую часть массы (то есть 51% или более), такую как 60% или 70%, гибридных нановолоконных войлоков согласно настоящему изобретению обычно будет составлять дериватизированная целлюлоза.

Полимеры на нецеллюлозной основе

[0051] В то время как бóльшую часть массы гибридного нановолоконного войлока составляет дериватизированная целлюлоза, введение волокон дополнительных типов внутрь войлоков создает функциональность, необходимую для вариантов применения войлоков. Соответственно этому, желательно иметь дополнительные волокна внутри войлоков, поскольку они могут придавать войлоку повышенную механическую прочность, обеспечивать создание многочисленных функциональных возможностей войлока, стабилизировать процесс изготовления и обеспечивать прочие аспекты, разъясняемые здесь в других местах. Действительно, авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что введение даже небольших количеств полимеров на нецеллюлозной основе в гибридный нановолоконный войлок улучшает процесс электропрядения, и также позволяет точно приспосабливать конечный продукт к многообразным биологическим и промышленным вариантам применения, в особенности, когда гибридный нановолоконный войлок состоял как из композитного нановолокна, так и однокомпонентного нановолокна.

[0052] Нановолокна из синтетических полимеров (например, как полученные из виниловых полимеров и акриловых полимеров) создают широкий круг химических функциональностей для биосепараций и других вариантов применения. Комбинированием различных полимерных блоков можно регулировать химические свойства поверхности полученного волокна как часть процесса электропрядения, создавая непосредственную функционализацию образованного нановолокна. В качестве альтернативы, и подобно традиционным волокнам микрометрового масштаба, функционализация поверхности полимерных нановолокон может быть химически модифицирована после электропрядения для приспособления к конкретным требованиям в отношении функциональности для разнообразных вариантов применения в биосепарациях (обсуждаемых ниже). Подходы к химической функционализации хорошо известны в полимерных технологиях. Как правило, они также противостоят жестким условиям очистки, связанным с биопроцессами. Примерные подходы к химической функционализации также более подробно обсуждаются здесь в других местах.

[0053] Синтетические адсорбционные среды на углеродной основе и фильтрационные мембраны часто являются гораздо более химически стойкими, нежели среды на основе целлюлозы, и тем самым могут быть использованы, когда для очистки сепарационных сред между циклами применения требуются сильные кислоты и основания. Кроме того, гибридные нановолокна, которые включают полимеры как на основе целлюлозы, так и на нецеллюлозной основе (например, полиакрилонитрил и поливиниловый спирт), проявляют даже более высокую площадь поверхности и повышенную механическую прочность, по сравнению с однокомпонентной целлюлозой или однокомпонентными синтетическими полимерными нановолокнами. Соответственно этому, существует явно различимая синергия, когда композитные нановолокна включают как целлюлозу, так и полимеры на нецеллюлозной основе.

[0054] Многие полимеры были успешно подвергнуты электропрядению с образованием нановолокон, в том числе (1) термопластичные гомополимеры, такие как виниловые полимеры, акриловые полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, простые полиэфиры и поликарбонаты, (2) термопластичные сополимеры, такие как винил-виниловые сополимеры, акрил-акриловые сополимеры и винил-акриловые сополимеры, (3) эластомерные полимеры, такие как триблок-сополимерные эластомеры, полиуретановые эластомеры и этилен-пропилен-диеновые эластомеры, (4) полимеры с высокими механическими характеристиками, такие как полиимиды и ароматические полиамиды, (5) жидкокристаллические полимеры, такие как поли(пара-фенилентерефталамид) и полиарамид, (6) текстильные полимеры, такие как полиэтилентерефталат и полиакрилонитрил, (7) электрически проводящие полимеры, такие как полианилин, а также (9) биосовместимые полимеры (то есть «биополимеры»), такие как поликапролактон, полилактид, хитозан и полигликолид. Как описываемый, полимер также может представлять собой сополимер двух или более из вышеуказанных полимерных соединений.

[0055] Примерами дополнительных полимеров, которые могут быть добавлены в гибридные нановолоконные войлоки, являются полученные электропрядением в виде однокомпонентных нановолокна из полиакрилонитрила (PAN), полиимидов, полиамидов (найлон-6, найлон-6,6, найлон-6,10 и т.д.), сложных полиэфиров (полиэтилентерефталата и т.д.), а также их сополимеров.

Композитные нановолокна

[0056] В одном варианте осуществления настоящего изобретения гибридный нановолоконный войлок включает композитное нановолокно. Отчасти это обусловливается тем обстоятельством, что процесс электропрядения, применяемый для получения нановолокон из растворов однокомпонентной дериватизированной целлюлозы, может быть нестабильным и приводить к плохим выходам, низкой производительности (длительные продолжительности и многочисленные перебои в работе), нановолокнам плохого качества (с широким распределением по размерам, ломким и т.д.) только с одной химической функциональностью. Поэтому, чтобы эффективно получать большие количества высококачественных нановолоконных войлоков с многочисленными функциональностями, также может быть необходимым объединение производного целлюлозы с полимером на нецеллюлозной основе, который стабилизирует процесс электропрядения.

[0057] Полимер на нецеллюлозной основе в композитных нановолокнах согласно настоящему изобретению может состоять из синтетических полимеров на углеродной основе, которые могут быть удалены из нановолоконного войлока при воздействии на них повышенной температуры и/или растворителей. Воздействие на нановолоконный войлок либо смеси растворителей, либо комбинации повышенной температуры и растворителей может происходить одновременно или последовательно. Присутствие полимера на нецеллюлозной основе во время процесса электропрядения также улучшает стабильность нановолокна и другие аспекты процесса, как разъясняется здесь в другом месте.

[0058] Синтетические полимерные нановолокна (например, такие, которые получены из виниловых полимеров и акриловых полимеров), создают многообразные химические функциональности для вариантов применения в биосепарациях. Сочетанием различных полимерных блоков можно регулировать химические свойства поверхности полученного волокна как часть процесса электропрядения, производя непосредственную функционализацию образованного нановолокна. В качестве альтернативы, и подобно традиционным волокнам микрометрового масштаба, функционализация поверхности полимерных нановолокон может быть химически модифицирована после электропрядения для приспособления к конкретным требованиям в отношении функциональности для разнообразных вариантов применения в биосепарациях (обсуждаемых ниже). Синтетические полимерные нановолокна обеспечивают обширнейший диапазон потенциальных вариантов химической функционализации, чтобы служить целям широкого круга вариантов применения. Такие подходы к химической функционализации хорошо известны в полимерных технологиях. Как правило, они также противостоят жестким условиям очистки, связанным с биопроцессами.

[0059] Многие полимеры были успешно подвергнуты электропрядению с образованием нановолокон, в том числе (1) термопластичные гомополимеры, такие как виниловые полимеры, акриловые полимеры, полиамиды, сложные полиэфиры, простые полиэфиры и поликарбонаты, (2) термопластичные сополимеры, такие как винил-виниловые сополимеры, акрил-акриловые сополимеры и винил-акриловые сополимеры, (3) эластомерные полимеры, такие как триблок-сополимерные эластомеры, полиуретановые эластомеры и этилен-пропилен-диеновые эластомеры, (4) полимеры с высокими механическими характеристиками, такие как полиимиды и ароматические полиамиды, (5) жидкокристаллические полимеры, такие как поли(пара-фенилентерефталамид) и полиарамид, (6) текстильные полимеры, такие как полиэтилентерефталат и полиакрилонитрил, (7) электрически проводящие полимеры, такие как полианилин, а также (9) биосовместимые полимеры, такие как поликапролактон, полилактид, хитозан и полигликолид.

[0060] Примерные полимеры на нецеллюлозной основе для получения композитных нановолокон включают, например, полиэтиленоксид, поливинилпирролидон, поливинилацетат, поливиниловый спирт, полисахариды (хитин, крахмал и т.д.), полистирол и полиметилметакрилат.

[0061] Как правило, полимер на нецеллюлозной основе присутствует в композитных нановолокнах в количестве 49% или менее по массе, таком как 30%, 25% и т.д.

Электропрядение

[0062] Электропрядение представляет собой технологию, в которой используют исключительно электрические поля для проведения процесса прядения и для образования полимерных волокон из растворов или расплавов. В отличие от общеупотребительных способов прядения (например, прядения из раствора и расплава), которые способны производить волокна с диаметрами в микрометровом диапазоне (приблизительно 5-25 мкм), электропрядение может создавать волокна с диаметрами в нанометровом диапазоне. Полученные электропрядением полимерные нановолокна обладают многими экстраординарными свойствами, включающими малый диаметр волокон и сопутствующую большую удельную площадью поверхности, высокую степень макромолекулярной ориентации и обусловленные этим превосходные механические характеристики. В дополнение, войлоки, выполненные из полученных электропрядением полимерных нановолокон, имеют регулируемые размеры пор, если сравнивать с нановолокнами, которые сформированы с использованием других способов изготовления. В отличие от наностержней, нанотрубок и нанопроволок, которые изготавливают главным образом синтетическими способами, полученные электропрядением нановолокна формируют с помощью «нанотехнологического процесса», который имеет результатом недорогие нановолокна, которые также относительно просто подвергаются сборке и обработке для укладки.

[0063] Как правило, формирование нановолокон представляет собой тонко настроенный и сложный баланс трех основных сил, участвующих в процессе электропрядения, включающих напряженность электрического поля, поверхностное натяжение и вязкоупругую силу. Среди этих трех сил напряженность электрического поля всегда благоприятствует формированию продукта с наибольшими площадями поверхности. Поверхностное натяжение всегда благоприятствует образованию продукта с наименьшими площадями поверхности. Вязкоупругая сила представляет собой силу, которая в значительной степени варьирует по мере испарения растворителя, и является основным фактором, препятствующим разрыву струи/нити на капли при электропрядении. Когда доминирует электрическое поле, вязкоупругая сила конкурирует с электрическим полем. Когда доминирует поверхностное натяжение, вязкоупругая сила действует в балансе с поверхностным натяжением.

[0064] Теоретически, самые мелкие нановолокна могут быть сформированы при двух условиях: (1) когда высока плотность избыточного заряда, который несет электропрядильная струя, и (2) когда период времени является достаточно длительным, и вязкоупругая сила достаточно высока, чтобы предотвращать капиллярный распад струи/нити, но достаточно низка, чтобы позволять электрическому полю эффективно растягивать струю. В отношении условия (1) было найдено, что добавление растворимых электролитов к прядильному раствору (например, добавление сильных электролитов, таких как NaCl, к водному раствору полиэтиленоксида) может значительно повысить плотность избыточного заряда, который несет струя, и обусловливать формирование нановолокон с наименьшим диаметром. Однако этот метод также создает негативные эффекты, такие как (а) меньшую скорость потока и, в результате, снижение производительности получения нановолокон, и (b) загрязнение полученных нановолокон электролитами. Удаление электролитов без ущерба свойствам нановолокон может быть затруднительным.

[0065] Для условия (2) требуется дополнительное понимание в отношении затвердевания струи. Как правило, отверждение струи тесно связано с летучестью растворителя. Если летучесть растворителя слишком высока, период времени для эффективного растяжения электропрядильной струи/нити является коротким. Следовательно, будут получаться волокна с относительно большими диаметрами. Если летучесть растворителя слишком низка, электропрядильная струя/нить с высокой вероятностью может распадаться на капли при растяжении. Таким образом, будут получаться бусинки и/или волокна с утолщениями.

[0066] Как правило, процесс электропрядения включает три стадии: (1) инициирование электропрядильной струи/нити и растяжение струи вдоль прямолинейной траектории; (2) рост нестабильности связывания и дополнительное удлинение струи, которое позволяет струе становиться очень длинной и тонкой, в то же время следуя петлеобразному и спиралевидному пути; и (3) отверждение струи в результате испарения растворителя или охлаждения, которое ведет к формированию нановолокон. Фигура 1 схематически показывает процесс электропрядения (Hao Fong, в «Polymeric Nanostructures and Their Applications» («Полимерные наноструктуры и варианты их применения»), том 2: «Applications: Chapter 11, Electrospun Polymer, Ceramic, Carbon/Graphite Nanofibers and Their Applications» («Варианты применения: Глава 11, Полученные электропрядением полимерные, керамические, углеродные/графитовые нановолокна и варианты их применения»), под редакцией Hari S. Nalwa, издательство American Scientific Publishers, Лос-Анджелес, Калифорния (ISBN: 1-58883-070-5), 2007, стр. 451 -474).

[0067] Один примерный процесс электропрядения может быть описан в общих чертах следующим образом.

[0068] Стадия 1: Как показано на фигуре 1, прядильный раствор (например, раствор полимера) помещают в контейнер с прядильной фильерой (1), и к раствору через электрод (3) (например, медную проволоку) прилагают высокое напряжение (2) постоянного тока (DC), обычно в диапазоне 5-40 киловольт. Электрически заземленный коллектор (4) помещают на определенном расстоянии (5) (известном как воздушный зазор) от прядильной фильеры. Воздушный зазор может варьировать от нескольких сантиметров вплоть до одного метра. Когда электростатическое поле достигает критического значения, и напряженность электрического поля преодолевает силы поверхностного натяжения и вязкоупругого взаимодействия, струя/нить выбрасывается и проходит прямолинейно на протяжении определенного расстояния (известного как длина струи).

[0069] Стадия 2: Затем струя начинает изгибаться, образуя спиральные петли. Это явление называется «изгибовой (или прогибовой) нестабильностью». Как правило, изгибовая нестабильность обусловливает растяжение струи по длине более чем в 10000 раз за очень кор