包含由氢键结合的多层膜的层叠体、由该层叠体获得的自支持薄膜、及它们的制法和用途的制作方法

专利名称：包含由氢键结合的多层膜的层叠体、由该层叠体获得的自支持薄膜、及它们的制法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包含由氢键结合的多层膜的层叠体、由该层叠体获得的自支持薄膜、以及它们的制备方法和用途，特别涉及一种能够在不损失生物学、电、磁、光学特性的条件下可回收含有容易受酸碱性条件或温度变化的影响而被破坏的物质的薄膜的技术。
背景技术：
在医疗设备、电子材料、光学材料、感应器等各种功能设备的开发中，为了实现高功能化、多功能化、集成化，强烈要求开发出高度受控的薄膜。作为制备薄膜的方法，公知的有真空蒸镀法、分子束外延法、溶液浇铸法、旋涂法、Langmuir-Blodgett法、交替吸附法(美国专利第5208111号说明书；Decher等，Science，277，1232，1997；Multilayer Thin Films(多层薄膜)SequentialAssembly of Nanocomposite Materials(纳米组合物材料的连续装配)；Decher，G.and Schlenoff，J.B.，eds.，Wiley-VCHWeinheim，2003)等。通常，由上述制造方法获得的薄膜大多与支持体一起使用。如果能以从支持体上分离下来的膜单体即自支持薄膜的状态来使用，则期待会有更进一步广泛的应用，因此要求确立从支持体剥离薄膜的技术。
作为通常的获得薄膜的方法，使用旋涂法。旋涂法是可以在常温、常压下进行的简便的方法，但是膜厚的纳米水平控制性欠佳、大面积化困难、薄膜形态限于平面状、剥离时形状很可能被损坏等存在诸多限制。
另一方面，已报道有用外界刺激响应材料覆盖支持体的表面，在其表面上制作期望的薄膜后，通过外界刺激改变外界刺激响应材料的物性，从而剥离薄膜的方法。作为覆盖到支持体表面的外界刺激响应材料，正在使用的有i)温度响应的聚(N-异丙基丙烯酰胺)(国际公开第02/08387号小册子；欧洲专利申请公开第1264877号说明书)，ii)能溶于有机溶剂的乙酰基纤维素(美国专利申请公开第2001/0046564号说明书；Kotov等，Nature Materials，2，413，2003)等。i)中公开了使用电子束将温度响应性的聚(N-异丙基丙烯酰胺)表面接枝到市售的培养皿表面，由于在培养温度(37℃)时成为表面疏水性，所以会粘接细胞，与此相对地在低温(32℃)时则成为高度亲水性，所以细胞会在无损于其结构和功能的情况下自发地从培养皿表面脱离。该技术是能低损伤地回收细胞的划时代的方法，而这对于使用胰蛋白酶等蛋白分解酶的现有细胞回收方法来说是不可能做到的。但是，这种方法的限制在于难以将其应用到对温度变化不稳定的物质上，或者进一步层叠化困难。ii)中公开了在用乙酰基纤维素覆盖的支持体上制膜由水溶性高分子和粘土矿物构成的交替层叠膜，然后在丙酮溶液中浸渍，则仅溶出乙酰基纤维素而获得交替层叠膜的方法。
交替吸附法是通过准备正电解质聚合物(阳离子)的水溶液和负电解质聚合物(阴离子)的水溶液，在两种溶液中交替浸渍期望的支持体，获得在支持体表面具有多层结构的交替层叠膜，具有不需要特殊的装置或环境控制，也不管支持体的材质或形态，就能制造大面积的薄膜的优点。并且，能使用具有电荷的许多物质，例如蛋白质、粘土矿物、半导体微粒、杂多酸、色素等。进而，只要是能够从支持体上仅取下根据所使用的材料可赋予各种功能的交替层叠膜，则可以不受支持体的限制地利用所赋予的功能。但是，作为分离薄膜的方法如果使用上述方法ii)的话，不适合于回收包含对有机溶剂不稳定物质的薄膜。即，按照现有技术在从支持体分离薄膜的过程中薄膜受损的可能性高，难以低损伤地获得包含易对温度变化或对有机溶剂不稳定的物质的自支持薄膜。
近年来，公开了一种解决上述问题的技术，其利用在中性pH值(pH值为6以上)的条件下溶出的交替层叠膜(利用聚丙烯酸-聚二烯丙基二甲基铵共聚物和聚苯乙烯磺酸之间的静电相互作用构筑的交替层叠膜)(WO02/085500号；schlenoff等，J.Am.Chem.Soc.，123，5368，2001)。但是因为溶出膜(通过聚丙烯酸-聚二烯丙基二甲基铵共聚物和聚苯乙烯磺酸之间的静电相互作用构筑的交替层叠膜)的构成成分的生物适应性比较差，还留有不适宜在生物材料领域使用的问题。
即，为了满足医疗器材、电子材料、光学材料、感应器等各种类型的功能设备的高功能化、多功能化、集成化的要求，需要开发出在从支持体上分离薄膜的过程中不损伤膜的构成成分，而且分离之后不在体系内留下不需要物质的方法。
另一方面，作为在中性pH值溶液中溶出的材料，已经报道有通过氢键构筑的交替层叠膜(Sukhishvili等，J.Am.Chem.Soc.，122，9550，2000；Sukhishvili等，Macromolecules，35，301，2002；Hammond等，Langmuir，15，1360，1999；Caruso等，Macromolecules，36，2845，2003)，但是，没有关于利用该氢键的pH响应性来获得自支持性薄膜的报道或其制备方法的报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种应用广泛的自支持薄膜、包含通过氢键结合的多层膜的层叠体，及其制造方法和用途。
本发明人等为了解决上述问题，尝试开发出在薄膜的层压过程中不溶出，而在浸渍于水中后才开始溶出的多层膜。结果，他们发现经氢键而构筑的多层膜是在低pH值下被构筑，并且该膜只要浸入中性pH值(通常pH值为4.0～9.4，优选pH值6.0～8.0，更优选为pH值7.2～7.5)的水中就会被溶出。进一步，他们也发现i)在该具有pH响应性的通过氢键构筑的多层膜的表面上可以构筑各种薄膜；ii)当浸渍于水里时，仅是存在于深部的通过氢键结合的多层膜被溶出，从而所述薄膜在水中自然剥离；iii)从水中取出所剥离的薄膜并干燥，就能获得自支持薄膜，从而完成了本发明。
即，本发明包括以下发明。
(1)一种层叠体，其在支持体上形成有由氢键结合的多层膜，再在该多层膜上形成有薄膜。
(2)如上述(1)所述的层叠体，其中由氢键结合的多层膜是在调节了pH值的水溶液中溶出，剥离薄膜。
(3)如上述(1)或(2)所述的层叠体，其中在支持体上形成的多层膜含有二种以上的要素。
(4)如上述(1)～(3)的任何一项所述的层叠体，其中在支持体上形成的多层膜含有生理上允许的聚合物。
(5)如上述(1)～(4)的任何一项所述的层叠体，其中在支持体上形成的多层膜的厚度为0.0005～10μm。
(6)如上述(1)～(5)的任何一项所述的层叠体，其中薄膜在其结构中含有由电解质聚合物制得的交替层叠膜。
(7)如上述(1)～(6)的任何一项所述的层叠体，其中薄膜至少含有1种选自蛋白质、细胞、胶体粒子、粘土矿物、半导体微粒子和色素分子的物质。
(8)如上述(1)～(7)的任何一项所述的层叠体，其中在多层膜和薄膜之间具有阻隔层。
(9)一种层叠体，其在上述(1)～(8)的任何一项所述的层叠体的薄膜上进一步形成具有多层结构的薄膜。
(10)一种由上述(1)～(9)的任何一项所述的层叠体获得的自支持薄膜。
(11)如上述(1)～(9)的任何一项所述的层叠体的制造方法，其特征在于通过在包含要层叠的物质的二种以上的溶液中交替接触支持体，形成多层膜，由选自蒸镀法、旋涂法和交替吸附法的方法形成薄膜。
(12)如上述(11)所述的层叠体的制造方法，其中薄膜的形成是通过在含有要层叠的物质的二种以上的溶液中交替接触来进行的。
(13)一种自支持薄膜的制造方法，其特征在于通过在调节了pH值的水溶液中浸渍上述(1)～(9)的任何一项所述的层叠体，溶出多层膜，从支持体上剥离薄膜。
(14)由上述(1)～(9)的任何一项中所述的层叠体获得的细胞培养用薄膜。
(15)由上述(1)～(9)的任何一项中所述的层叠体获得的缓释性药用胶囊。
(16)由上述(10)所述的自支持薄膜制得的分离膜。
(17)由上述(10)所述的自支持薄膜制得的催化反应用设备。
(18)由上述(10)所述的自支持薄膜制得的透过型测定用试样薄片。
(19)由上述(10)所述的自支持薄膜制得的管状自支持薄膜。
图1表示本发明的优选方式的一个例子。该方式是利用如果在通过pH响应性氢键构筑的多层膜的表面上制作含有对酸碱或温度变化敏感而容易被破坏的物质的期望的薄膜后，在水中浸渍(改变pH值)的话仅溶出由氢键结合的多层膜这一特性，来低损伤地制造出包含不稳定物质的自支持薄膜。与现有技术相比，因为溶出材料在中性pH值时(例如，pH值为4.0～9.4，优选pH值6.0～8.0，更优选是pH值7.2～7.5)溶出，所以可以在不损失期望的薄膜中含有的不稳定物质的生物学、电子、磁、光学特性的条件下制造出自支持薄膜。进而，作为构成溶出的支持体覆盖材料的物质，如果全部选择聚乙二醇、聚丙烯酸等生物上许可的聚合物，即具有生物体适合性和/或生物可降解性的聚合物的话，对于生物材料领域也是适宜的。
下面详细说明本发明的实施方式。
作为本发明中使用的支持体的材质，没有特别限制，例如适合使用硅晶片、石英、玻璃等。并且其形态只要是能够在其表面上直接或间接地形成通过氢键结合的多层膜，则没有特别限制，具体讲，能适用于平面上、球面上、柱状表面上、柱状内壁上的任何一种表面上。例如，以柱形内壁作为支持体，用通过氢键结合的多层膜(通过氢键构筑的pH响应性的交替层叠膜，以下称为“氢键膜”。)披覆内壁后，层叠通过静电相互作用构筑的交替层叠膜(薄膜)，溶出氢键膜，就可获得管状的自支持薄膜(交替层叠膜)。并且，将包含至少一种选自构成氢键膜的物质的粒子作为支持体，用氢键膜披覆后，层叠由静电相互作用构筑的交替层叠膜，使氢键膜溶出，就可以制造胶囊状的自支持层叠膜。进而，在含有具有药理作用的物质的氢键膜表面上层叠由静电相互作用构筑的交替层叠膜而获得的粒子，可以构筑根据pH变化能够缓慢释放具有药理作用的物质的体系(例如缓释性制剂)。
本发明的构成氢键膜的物质中通常包含可形成氢键的二种以上的物质也就是具有由电负性高的氧、氮等原子和氢形成的键的物质的至少一种；以及具有电负性高的氧、氮等原子的物质的至少一种。它们可以根据用途或使用环境等任意选择，例如能使用有机聚合物，具体是聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯吡啶、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乳酸、聚氨基酸(如聚谷氨酸、聚赖氨酸)、聚己内酯或聚氨酯等。当用于生物材料领域时，适宜使用生理上允许的聚合物，即具有生物适合性和/或生物降解性的聚合物，或对上述具有药理作用的物质或上述薄膜中含有的蛋白质、细胞等没有不利影响的聚合物，具体是聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乳酸或聚氨基酸(例如聚谷氨酸、聚赖氨酸)。作为上述能形成氢键的，具有由高负电性的氧、氮原子等原子和氢形成的键的物质，与上述具有电负性高的氧、氮等原子的物质的组合，例如能列举有聚丙烯酸和聚乙二醇、聚甲基丙烯酸和聚乙二醇、聚丙烯酸和聚乙烯吡咯烷酮、以及聚甲基丙烯酸和聚乙烯吡咯烷酮等。这些聚合物的分子量通常是1,000～5,000,000g/mol，优选10,000～1,000,000g/mol，更优选是50,000～250,000g/mol。
上述氢键膜的厚度没有特别限制，但是期望随后将形成于层叠体上的薄膜作为自支持薄膜取出时，夹着氢键膜的支持体和薄膜能够充分(不至于产生根据pH变化不能溶出的键例如静电相互作用等)分离，通常为0.0005μm～10μm，优选为0.005μm～1.0μm，更优选为0.05μm～0.5μm。
本发明中，作为在氢键膜上形成的薄膜，只要可以直接或通过阻隔层在上述氢键膜上形成，并且在pH值为4.0～9.4范围内的至少某一pH值的水或水溶液中是稳定的，而且作为自支持薄膜是有用的，则没有特别限制，能列举出有机分子、有机聚合物、无机分子、无机聚合物、有机无机复合物、金属、金属氧化物等。它们可以由一种以上的区域构成，或者也可以形成由多种构成的多层结构。或者也可以是其局部或整个区域为多层膜。其中交替层叠膜是优选的。构成这样的交替层叠膜的物质只要能使用具有相反电荷的两种以上的物质，其种类没有特别限制。例如能使用电解质聚合物、蛋白质、胶体粒子(金属胶体、氧化物胶体、乳液胶体)、粘土矿物、半导体微粒、杂多酸、色素等。这些物质可以是根据目的、用途、所需要的特性(生物学、电子、磁、光学特性)、使用环境等任意选择。作为电解质聚合物，能使用在主链或侧链上具有带电荷的官能团的高分子即聚阴离子、聚阳离子的任何一种。
作为聚阴离子，通常使用磺酸、硫酸、羧酸等具有带负电荷的官能团的物质，例如，使用聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚乙烯硫酸(PVS)、葡聚糖硫酸、硫酸软骨素、透明质酸、聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMA)、聚马来酸、聚富马酸、聚(1-(4-(3-羧基-4-羟基苯基偶氮)苯磺酰胺基)-1，2-乙烷二基)(PAZO)、聚苯胺丙磺酸(PAPSA)、磺化聚苯胺(SPAN)、聚3-乙酸噻吩(PTAA)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)(PAMPSA)、聚噻吩或聚苯胺等导电性高分子、具有发色基团的高分子、液晶型聚合物、DNA等生物体高分子，优选使用聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丙烯酸(PAA)等。
作为聚阳离子，一般使用具有季铵基、氨基等能带正电荷的官能团的物质，例如能使用聚亚乙基亚胺(PEI)、聚烯丙胺盐酸盐(PAH)、聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)、聚乙烯吡啶(PVP)、聚赖氨酸、聚苯乙烯亚甲基二乙基甲基胺(PSMDEMA)、聚(亚乙烯基苯)的前体(Pre-PPV)、聚甲基吡啶基乙烯(PMPyV)、质子化聚(对吡啶基亚乙烯)(R-PHPyV)，优选使用聚亚乙基亚胺(PEI)，聚烯丙胺盐酸盐(PAH)等。
作为聚阴离子和聚阳离子的组合，优选聚烯丙胺盐酸盐(PAH)和聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚烯丙胺盐酸盐(PAH)和聚丙烯酸(PAA)。
这些有机高分子离子都是水溶性的，或者可溶于水和有机溶剂的混合液。并且，电子材料或显示材料等对自支持的交替层叠膜赋予导电性时，也可以使用导电性高分子，如聚(亚乙烯基苯)(PPV)等。当上述薄膜是高分子膜时，使用的高分子的分子量通常为1,000～5,000,000g/mol，优选为10,000～1,000,000g/mol，更优选为50,000～250,000g/mol。当构筑生物传感器或酶反应场时，可以使用细胞色素C、溶菌酶、组蛋白F3、肌红蛋白、细菌视紫红质、白蛋白、葡糖淀粉酶等蛋白质、各种脱氧核糖核酸(DNA)或核醣核酸(RNA)、果胶等具有电荷的多糖类等带电荷的生物高分子。为了改善自支持交替层叠膜的机械强度等，可以使用粘土矿物如蒙脱土、锂蒙脱石、高岭土、raponite等。
作为上述薄膜，除了通过交替吸附法形成的交替层叠膜之外，还可以使用通过蒸镀法(例如真空蒸镀法)、旋涂法等形成的薄膜。
根据需要，本发明的自支持的交替层叠膜等薄膜中可以包括对酸碱、温度变化或有机溶剂敏感而容易被破坏的物质。术语“对酸碱、温度变化或有机溶剂敏感而容易被破坏的物质”是指该物质原本所具有的生物学、电子、磁、光学特性根据pH值变化、温度变化或有机溶剂而降低的物质，例如可以举出蛋白质、细胞、催化剂、金属等。例如可以举出虽然在pH值为4.0～9.4(优选6.0～8.0，更优选7.2～7.5)或在35℃～40℃时发挥其催化作用，但是在该范围之外则不发挥或者降低的由蛋白质构成的酶催化剂。
上述薄膜的厚度通常为0.0005μm～10μm，优选0.005μm～1.0μm，更优选为0.05μm～0.5μm。
根据本发明，即使在上述薄膜中包含“对酸碱、温度变化或有机溶剂敏感而容易被破坏的物质”时，也可以获得高度保持其物质原本可发挥的生物学、电子、磁或光学特性，优选维持在80％以上的，以低损伤状态自支持的薄膜。例如是指可以使蛋白质在没有发生变性的条件下累积地回收。
本发明中，优选在氢键膜和薄膜之间设置阻隔层。这个阻隔层起到了防止薄膜制作时使用的包含易受酸碱或温度变化影响而破坏的物质的溶液(中性pH值，通常pH值为4.0～9.4，优选pH值为6.0～8.0，更优选pH值为7.2～7.5)在已经形成的薄膜内扩散，从而防止氢键膜溶出的效果。作为构成阻隔层的物质，可以和构成上述薄膜的物质一样。优选使用特别有效地覆盖表面的支化聚合物或层状化合物，例如支化的聚亚乙基亚胺或蒙脱土。阻隔层的厚度通常为5nm以上，优选10nm以上，更优选在50nm以上10μm以下。
本发明的层叠体的特征在于包含支持体、氢键膜(根据pH值溶解的部分)和薄膜(不根据pH值溶解的部分)，优选由支持体/氢键膜/阻隔层/薄膜构成。支持体/氢键膜/(阻隔层/)/薄膜的顺序是限定好的，但是可以在层叠体表面再构筑氢键膜/(阻隔层/)薄膜，并且氢键膜/(阻隔层)薄膜的重叠次数是不受限定的。并且，这样的结构也是本发明的优选方式。此外，如上所述在由支持体/氢键膜/(阻隔层/)薄膜构成的结构上还可以进一步形成薄膜。在本发明中，例如构筑由支持体-(氢键膜1/(阻隔层1/)薄膜1)-(氢键膜2/(阻隔层2/)薄膜2)构成的层叠体，并且使氢键膜1和氢键膜2开始溶出的pH值不同，则渐渐改变pH值时，就可以使两种薄膜1和2在不同的pH值下阶段性地释放。另一方面，由有机聚合物构成的薄膜内部，聚合物链是互相缠结的。因此，将氢键膜设计得足够薄的话，夹着氢键膜的两种由静电相互作用构筑的交替层叠膜(薄膜)彼此呈缠结状态，它们在氢键膜溶出之后也会相互作用，以致可以使它们不会从底层剥离。例如将支持体-(氢键膜1/(阻隔层1/)薄膜1)-(氢键膜2/(阻隔层2/)薄膜2)中的氢键膜1和氢键膜2设计得足够薄的话，能获得由支持体-(阻隔层1/薄膜1)-(阻隔层2/薄膜2)表示的层叠体。这样的层叠体在想要使薄膜1和薄膜2暂时隔离后重新接触时是有用的。例如，在WO02/08387号和欧洲专利申请公开第1264877号说明书中所述的三维细胞培养法中，要经过分别制备多种细胞薄片后，适当重叠所得薄片的步骤。上述的方法中，在一个薄膜中分别用氢键膜隔离培养多种细胞后，溶出在隔离时使用的氢键膜，就能获得期望的细胞层叠膜。
本发明的层叠体制造方法中，在支持体上构筑氢键膜、阻隔膜、薄膜的方法没有特别限制。任何一层都优选通过在基板表面交替接触二种以上的溶液来形成。例如，可以使用Decher等，Science，277，1232，1997中记载的浸涂法；Schlenoff等，Langmuir，16(26)，9968，2000中记载的喷雾法；Lee等，Langmuir，19(18)，7592，2003或J.Polymer Science，B部分，聚合物物理学，42，3654，2004中记载的旋涂法等。例如，当通过喷雾法构筑水溶性有机聚合物的交替层叠膜时，水溶液的浓度按重量浓度计，一般在0.01～40％，优选0.1～10％，层叠体表面和水溶液的接触时间一般在1～60秒，优选3～30秒，并且层叠表面和喷嘴的距离一般在3cm～15cm，优选5cm～8cm。喷雾各种有机聚合物溶液后，由不含聚合物分子的溶液清洗，洗掉过量吸附的聚合物。通过重复聚合物溶液、清洗的过程，来构筑交替层叠膜。各溶液的pH值，在构筑氢键膜和阻隔膜时，利用氢键膜不溶出的pH值，而对于期望的薄膜(根据静电相互作用构筑的交替层叠膜)来说则使用对所含物质最合适的pH值。
利用上述的层叠体低损失地获得自支持薄膜的方法中，如果在水溶液中浸渍上述层叠体，则氢键膜溶出，通过静电相互作用构筑的薄膜就在水溶液中释放出来。从浸渍到薄膜释放出来的时间通常是5秒～24小时，优选5分钟～24小时，更优选5分钟～60分钟。浸渍水溶液的pH值要调节到氢键膜的氢键离解的pH以上。例如，由聚丙烯酸和聚环氧乙烷制成的氢键膜是在pH值3.6以上开始离解，由聚甲基丙烯酸和聚环氧乙烷制成的氢键膜是在pH值4.6以上开始离解。当构成缓释性氢键膜的物质都为生物体适合性、生物分解性时，在生理安全性方面是有利的，因此适合用于生物材料等领域。进而，通过改变氢键膜或薄膜的层叠数，可以控制氢键膜的溶解速度，即自支撑薄的缓释速度。并且，通过选择用于氢键膜的聚合物的种类，能控制溶解的pH值。
作为溶出氢键膜的溶液，除了调节了pH值的水溶液之外，只要是可以溶出氢键膜的溶液，则没有特别限制。例如可以使用尿素等。
由上述层叠体获得的自支持薄膜具有工业上可应用的尺寸，具体讲能制得几厘米尺寸的薄膜。并且，该薄膜可以制成具有50nm～几微米的厚度，误差范围大约在10％以内(通常在蒸镀法、交替吸附法时其误差分别在2～3％以内，或5％之内，在旋涂时误差大约是10％)。
本发明的层叠体能被用来制造细胞培养用薄膜、缓释性药用胶囊等。例如，当层叠体被用来制造细胞培养用薄膜时，可以根据常规方法在本层叠体的氢键膜最外层表面上进行细胞培养后，只需将整个层叠体浸入水中，就可以仅使培养细胞的薄膜自发地脱离。只是根据所培养细胞的种类，需要优化以培养基为代表的培养条件。可以不添加通常为了回收而添加的蛋白质分解酶胰蛋白酶等。因此，可以在不损伤这种细胞的结构与功能的情况下回收薄膜片材。并且，当层叠体用于制造缓释性药用胶囊时，将缓释的物质在例如聚丙烯酸和聚乙二醇中的任一溶液中混合，构筑由缓释的物质和聚丙烯酸和聚乙二醇构成的氢键膜后(pH2.00)，在最终层是聚丙烯酸的氢键膜表面上，在控制密度的条件下制备由聚烯丙胺盐酸盐和聚磺酸盐构成的高分子电解质层叠膜，制成胶囊(pH值为2.00)，然后浸入pH值调节到7.00的水溶液中，则氢键膜溶出，随之缓释物质渗出，而能够用作为缓释性胶囊。
本发明的自支持薄膜可以在分离膜、催化反应用设备、透过型测定用试样薄片等的制造中使用。此时，通过选择使用的聚合物的种类或引入物质的种类，可以用作分离膜或催化反应器。例如，当选择正或负的电解质聚合物时，通过库仑力吸附烟雾或负电离子等带电粒子。此外，选择能吸附特殊气体的物质作为层叠膜构成要素的话，仅透过非吸附性物质，能用作分离膜。当选择蛋白质作为层叠膜构成要素时，由于可以将蛋白质分散固定在层叠膜内，所以能用作酶催化反应器。特别的，因为获得的自支持薄膜不需要支持体，所以不限于分离前的混合物或分离后的生产物、或反应物和生成物。并且，由以往的交替吸附法获得的薄膜由于不能从支持体分离，所以不能进行透过型分析，但是根据本发明则可以进行交替层叠膜的透射电子显微镜、分光法(紫外可见、红外等)分析。


图1表示本发明的优选方式的一个例子。
图2表示氢键膜的膜厚变化和其成长行为与聚丙烯酸分子量的相关性。图2中的符号的意思如下。
○聚丙烯酸的分子量为250,000g/mol□聚丙烯酸的分子量为100,000g/mol◇聚丙烯酸的分子量为30,000g/mol×聚丙烯酸的分子量为2,000g/mol图3表示实施例5中氢键膜在水溶液中的溶出。
图4表示氢键膜的膜厚变化和其成长行为与聚丙烯酸分子量的相关性。图4中的符号的意思如下。
●聚丙烯酸的分子量为250,000g/mol□聚丙烯酸的分子量为100,000g/mol◆聚丙烯酸的分子量为30,000g/mol图5表示实施例12～16中氢键膜在水溶液中的溶出，图5中的符号意思如下。
◆实施例12(接触聚丙烯酸水溶液和聚乙二醇水溶液的次数3次)□实施例13(接触聚丙烯酸水溶液和聚乙二醇水溶液的次数5次)■实施例14(接触聚丙烯酸水溶液和聚乙二醇水溶液的次数7次)○实施例15(接触聚丙烯酸水溶液和聚乙二醇水溶液的次数9次)●实施例16(接触聚丙烯酸水溶液和聚乙二醇水溶液的次数11次)图6表示在氢键膜表面由静电相互作用构筑交替层叠膜时的膜度变化。
图7是自然剥离的薄膜(在水中)的照片。
图8是自然剥离后干燥的自支持薄膜的照片(在大气中)。
图9是用于说明利用原子力显微镜测定未溶解而残留的，通过静电相互作用构筑的交替层叠膜的膜厚的图。
图10表示氢键膜/静电相互作用膜的生长(未剥离时)。
图11表示实施例21中氢键膜在水溶液中的溶出。
本说明书还包含作为本申请的优先权基础的日本特愿2004-333876的说明书和/或附图中记载的内容。
具体实施例方式
以下，通过实施例来更详细地说明本发明。实施例中所示的“水”使用超纯水(Milli-Q，Millipore GmbH)。pH值调节中使用盐酸。实施例中所示的膜厚测定是利用椭圆偏光分析仪(PLASMOS SD2300)在波长632.8纳米(氦氖激光器)和45度入射角的条件下进行的。在层叠后或溶出后，用氮气吹干的制品作为试验物，在大气中测定相同点5次，取其平均值作为膜厚。
实施例1～4制造由聚丙烯酸/聚乙二醇构成的氢键膜在用水和丙酮清洗再用氮气吹干后的宽24mm、长76mm的硅晶片表面上，通过喷雾法(溶液接触时间30秒、喷雾距离10cm，喷雾各聚合物溶液后用调节pH值到2的水溶液清洗20秒)相互接触水溶性聚丙烯酸水溶液(分子量2,000g/mol(实施例1)、30,000g/mol(实施例2)、100,000g/mol(实施例3)、250,000g/mol(实施例4)，浓度100mg/100mL，pH＝2)和水溶性聚乙二醇水溶液(分子量18,000g/mol，浓度100mg/100ml，pH＝2)，制造氢键膜。图2是表示所得氢键膜的膜厚变化和其成长行为与聚丙烯酸分子量的相关性的图表。此时显示出在聚丙烯酸的分子量为30,000～250,000g/mol范围内，随着层叠增加膜厚呈指数关系增加。并且，分子量越大，膜厚增加的量也越大。
实施例5氢键膜的溶出在pH＝7.4的水溶液中浸渍由实施例4的方法获得的氢键膜后，依次取出，测定膜厚的变化。结果示于图3中。显示出在pH＝7.4时在大约30分钟内溶出大致结束。
实施例6～8制备由聚丙烯酸/聚乙二醇构成的氢键膜在用水和丙酮清洗再用氮气吹干后的宽24mm、长76mm的硅晶片表面上，首先通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，聚亚乙基亚胺水溶液喷雾后用中性pH值的水清洗20秒)接触水溶性聚亚乙基亚胺水溶液(分子量25,000g/mol，未控制pH值)，制造第一层。在其表面上通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，各聚合物溶液喷雾后用pH值调节到2的水溶液清洗20秒)相互接触水溶性聚丙烯酸水溶液(分子量30,000g/mol(实施例6)、100,000g/mol(实施例7)、250,000g/mol(实施例8)，浓度100mg/100mL，pH＝2)和水溶性聚乙二醇水溶液(分子量15,000g/mol，浓度100mg/100ml，pH＝2)，制造氢键膜。图4是表示所得氢键膜的膜厚变化和其成长行为与聚丙烯酸分子量的相关性的图。此时显示出在聚丙烯酸的分子量为30,000～250,000g/mol范围内，随着层叠增加膜厚也都增加。并且显示出分子量越大膜厚增加的量也越大的倾向。
实施例9～11制造由聚丙烯酸/聚乙二醇构成的氢键膜在用水和丙酮清洗再用氮气吹干后的宽24mm、长76mm的硅晶片表面上，通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，各聚合物溶液喷雾后用pH值调节到2的水溶液清洗20秒)相互接触水溶性聚丙烯酸水溶液(分子量30,000g/mol(实施例9)、100,000g/mol(实施例10)、250,000g/mol(实施例11)，浓度100mg/100mL，pH＝2)和水溶性聚乙二醇水溶液(分子量15,000g/mol，浓度100mg/100ml，pH＝2)，制造氢键膜。得到的氢键膜的膜厚变化和其成长行为和图4几乎一样。
实施例12～16氢键膜的溶出在用水和丙酮清洗再氮气吹干后的宽24mm、长76mm的硅晶片表面上，首先通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，聚亚乙基亚胺水溶液喷雾后用中性pH值的水清洗20秒)接触水溶性聚亚乙基亚胺水溶液(分子量25,000g/mol，pH未控制)，制造第一层。在其表面上通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，各聚合物溶液喷雾后用pH值调节到2的水溶液清洗20秒)相互接触水溶性聚丙烯酸水溶液(分子量250,000g/mol，浓度100mg/100mL，pH＝2)和水溶性聚乙二醇水溶液(分子量15,000g/mol，浓度100mg/100ml，pH＝2)各3次(实施例12)、5次(实施例13)、7次(实施例14)、9次(实施例15)、11次(实施例16)，制造氢键膜。在pH值约7.0的水溶液中浸渍由实施例12～16的方法获得的氢键膜后，依次取出，测定膜厚的变化。结果示于图5中。显示出在pH7.0时从约30分钟到数小时以内溶出大致结束。
实施例17在氢键膜表面通过静电相互作用构筑交替层叠膜在由实施例8的方法获得的氢键膜的表面上，构筑根据静电相互作用的交替层叠膜。在图6中示出了其膜厚变化。此时，氢键膜是以聚丙烯酸结束，在膜表面露出负电荷，根据静电相互作用的交替层叠膜的层叠是从多阳离子聚烯丙胺开始。根据静电相互作用构筑交替层叠膜时，通过喷雾法(溶液接触时间30秒，喷雾距离10cm，各聚合物溶液喷雾后用pH调节到2的水溶液清洗20秒)相互接触水溶性的聚烯丙胺盐酸盐水溶液(分子量70,000g/mol，浓度27.4mg/100mL，pH＝2)和水溶性的聚苯乙烯磺酸水溶液(分子量70,000g/mol，浓度61.4mg/100mL，pH＝2)来进行。在两个聚合物水溶液中，为了控制膜厚而含有氯化钠(2.92g/100ml)。图6中，在聚丙烯酸和聚乙二醇的交替层叠(9.5对)膜上构筑聚烯丙胺盐酸盐和聚苯乙烯磺酸的交替层叠(72对)膜。聚烯丙胺盐酸盐和聚苯乙烯磺酸交替层叠膜呈直线状成长。
实施例18自支持交替层叠膜的制造在pH约7.0附近的水溶液中浸渍实施例17中获得的层叠体，则下层部的氢键变弱(图1)，仅氢键膜部分溶解在水溶液中，通过静电相互作用构筑的交替层叠膜在水溶液中自然剥离(图7)。干燥所剥离的图7的膜，回收交替层叠膜。获得的交替层叠膜的膜厚从图6看估计在20nm以下，透明且在大气中具有自支持性(图8)。并且，图7所示的自然剥离的膜能放在透过型电子显微镜用的格栅上，还能进行TEM分析。
实施例19、20未溶解而残留的通过静电相互作用构筑的交替层叠膜的膜厚测定使用实施例17中所述的方法，在聚丙烯酸和聚乙二醇的交替层叠(9.5对)膜上，构筑聚烯丙胺盐酸盐和聚苯乙烯磺酸的交替层叠膜(20对(实施例19)、80对(实施例20))。在pH约7.0附近的水溶液中浸渍层叠膜的一部分，则没有浸渍的部分就会保持固定在膜上，而只有浸渍的部分浮在水溶液中(图9D)。放置3小时，以使氢键膜的溶出充分结束后，将整个层叠膜取出到大气中。通过原子力显微镜观察未溶解而残留的由静电相互作用构筑的交替层叠膜的端部(图9A)，测定交替层叠膜的高度和基板高度之差(由静电相互作用构筑的交替层叠膜的膜厚)(图9B、C)。其结果聚烯丙胺盐酸盐和聚苯乙烯磺酸的交替层叠膜是20对时为55nm，是80对时为200nm。并且，折叠堆积的薄膜末端的情况，两张薄膜量的位置是所述膜厚的二倍(20对是110nm，80对是400nm)，可以观察到倍数的级别差。
实施例21没有获得自支持交替层叠膜的情况和实施例17一样，在氢键膜的表面上由静电相互作用构筑交替层叠膜。本例中，将聚丙烯酸和聚乙二醇的交替层叠膜设置得薄一些(5.5对)(图10)。此时，在pH为5～8附近的水溶液中浸渍该层叠体的话，下层部的氢键变弱(图1)，仅氢键膜部分溶解在水溶液中，整个膜厚减少(图11)，但是由静电相互作用构筑的交替层叠膜在水溶液中没有剥离。这被认为是因为氢键膜太薄，静电相互作用膜和支持体之间的静电相互作用在起作用。换句话说，说明可以根据氢键膜的层叠数目，来设计有无剥离。
实施例22引入蛋白质的例子用上述方法将由聚丙烯酸、聚乙二醇构成的氢键膜披覆支持体(pH2.00)。在最外层是聚丙烯酸(聚阴离子)的氢键膜表面上制作由聚烯丙胺盐酸盐(聚阳离子)和聚磺酸盐(聚阴离子)构成的高分子电解质层叠膜(pH2.00)。将具有与目标蛋白质相反电荷的聚合物固定作为最外层。固定肌红蛋白(聚阳离子)时，制作成高分子电解质层叠膜的最外层为聚磺酸盐，并且在其表面接触溶解在水溶液中的过氧化物酶(1mg/1ml)，进行固定(pH4.00)。将该层叠体浸渍在pH调节到7.00的水溶液中，其结果可以看到氢键膜溶出，含有蛋白质的高分子层叠膜被自然地释放出来。
实施例23自支持管状薄膜以管状物质的疏水性内壁表面(例如玻璃管)作支持体，用由聚丙烯酸和聚乙二醇制得的氢键膜披覆该管内壁表面(pH2.00)。高分子溶液向管内壁表面的接触方法是在高分子溶液中浸渍管子。和实施例1～4一样，用高分子溶液接触后，为了去除过剩吸附的高分子，经过用pH2.00的水溶液冲洗的步骤。在最终层为聚丙烯酸的氢键膜表面上，以和氢键膜一样的方法制作由聚烯丙胺盐酸盐和聚磺酸盐制得的高分子电解质层叠膜。在pH调节到7.00的水溶液中浸渍玻璃管状物质的内壁。放置一会儿的结果，可以目测确认管状自支持薄膜在水溶液中释放出。本结果表示，在水溶液中浸渍时，水分子透过高分子电解质层叠膜，到达氢键膜，从而溶出氢键膜，在氢键膜瓦解的同时，由聚烯丙胺盐酸盐和聚磺酸盐制得的高分子电解质层叠膜被自动地释放出来。
本说明书中引用的全部出版物、专利和专利申请是直接作为参考而引入到本说明书中。
工业实用性根据本发明，可以获得用途广泛的自支持薄膜。特别是对于包含对酸碱、温度变化或有机溶剂敏感而容易被破坏的物质的薄膜，也能获得生物学、电子、磁、光学特性没有损失的薄膜。由于低损伤，所以可以不使用以往薄膜为了提高机械强度而必须追加的无机物质，扩大了可成为自支持薄膜的物质的可能性，能广泛适用于细胞培养薄片、缓释性药用胶囊等医学工程、医学、生物学的领域，以及自支持型分离膜等化学工程领域等。
权利要求
1.一种层叠体，其在支持体上形成有由氢键结合的多层膜，在该多层膜上进一步形成有薄膜。
2.如权利要求1所述的层叠体，其中，由氢键结合的多层膜溶出到进行过pH值调节的水溶液中，而剥离薄膜。
3.如权利要求1所述的层叠体，其中，在支持体上形成的多层膜含有二种以上的要素。
4.如权利要求1所述的层叠体，其中，在支持体上形成的多层膜含有生理上允许的聚合物。
5.如权利要求1所述的层叠体，其中，在支持体上形成的多层膜的厚度为0.0005～10μm。
6.如权利要求1所述的层叠体，其中，薄膜在其结构中含有由电解质聚合物制得的交替层叠膜。
7.如权利要求1所述的层叠体，其中，薄膜至少含有1种选自蛋白质、细胞、胶体粒子、粘土矿物、半导体微粒和色素分子的物质。
8.如权利要求1所述的层叠体，其中，在多层膜和薄膜之间具有阻隔层。
9.一种层叠体，其在权利要求1所述的层叠体的薄膜上进一步形成有具有多层结构的薄膜。
10.一种由权利要求1所述的层叠体得到的自支持薄膜。
11.权利要求1所述的层叠体的制造方法，其特征在于，通过在包含要层叠的物质的二种以上的溶液中交替接触支持体来形成多层膜，由选自蒸镀法、旋涂法和交替吸附法的方法来形成薄膜。
12.如权利要求11所述的层叠体的制造方法，其中，薄膜的形成是通过在含有要层叠的物质的二种以上的溶液中交替接触来进行的。
13.一种自支持薄膜的制造方法，其特征在于，通过在进行过pH值调节的水溶液中浸渍权利要求1所述的层叠体，来溶出多层膜，从支持体上剥离薄膜。
14.由权利要求1～9中的任何一项所述的层叠体得到的细胞培养用薄膜。
15.由权利要求1～9中的任何一项所述的层叠体得到的缓释性药用胶囊。
16.由权利要求10所述的自支持薄膜得到的分离膜。
17.由权利要求10所述的自支持薄膜得到的催化反应用设备。
18.由权利要求10所述的自支持薄膜得到的透过型测定用试样薄片。
19.由权利要求10所述的自支持薄膜得到的管状自支持薄膜。
全文摘要
本发明涉及在支持体上形成由氢键结合的多层膜，并且在该多层膜上进一步形成有薄膜的层叠体；由上述层叠体制得的自支持薄膜；通过在含有要层叠物质的二种以上溶液中交替接触支持体来形成多层膜，并且由选自蒸镀法、旋涂法和交替吸附法的方法来形成薄膜的上述层叠体的制造方法；通过在调节了pH值的水溶液中浸渍上述层叠体，来溶出多层膜，从支持体上剥离薄膜的自支持薄膜的制造方法；由上述层叠体制得的细胞培养用薄膜和缓释性药用胶囊；以及由上述薄膜获得的感应器、分离膜、催化反应用设备和透过型测定用试样薄片。
文档编号C12M3/00GK101080316SQ20058004324
公开日2007年11月28日 申请日期2005年11月11日 优先权日2004年11月18日
发明者小野升子, 热罗·德谢尔 申请人:三井化学株式会社, 国家科学研究中心