一种具有梯度孔结构的膜材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及膜材料技术领域，尤其涉及一种具有梯度孔结构的膜材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.当前，来源于细胞系的生物技术产品可能存在被病毒污染的风险。对病毒进行去除是降低病原性病毒医源性传播的潜力，进而降低风险的关键步骤，对于产品的安全性至关重要。由于除病毒过滤器的价格昂贵和一次性使用的特性，使其成为拉高生物制品成本的重要环节。
3.膜过滤技术对各种粒径的脂包膜及非脂包膜病毒均有确切稳定的高去除效率，且对产品品质没有影响，由于其操作简单温和、化学危害低等优点，近年来在生物制品领域的应用日益广泛。但是，膜处理技术在实际应用中还面临着诸多挑战，例如，膜材料孔径不可调控、渗透通量与截留性能存在“trade-off”效应等问题。这些缺点在应用于除病毒体系中更为明显，这是由于细胞培养液等溶液属于复杂生物体系，该体系成分复杂，组分间分子量接近且存在大量相互作用，溶液粘度大，导致大量组分富集于膜表面形成膜污染，分离过程中极易堵塞膜孔，因此对膜分离效率提出了更高的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种具有梯度孔结构的膜材料及其制备方法和应用，所述膜材料具有孔径由向光侧至背光侧逐步增大的梯度结构，病毒颗粒可通过膜内部的梯度孔径进行分离，避免膜堵塞，同步实现膜渗透与分离性能的提升。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种具有梯度孔结构的膜材料的制备方法，包括以下步骤：
7.将聚合物基膜浸入光引发剂溶液中进行预覆，对所得基膜的皮层侧进行第一紫外光辐照，得到固定有光引发剂的聚合物基膜；所述聚合物基膜具有不对称梯度孔结构；
8.将所述固定有光引发剂的聚合物基膜与亲水性单体复合，进行第二紫外光辐照，得到具有梯度孔结构的膜材料；所述膜材料的孔径自皮层面至另一面梯度增大。
9.优选的，所述聚合物基膜的材料包括聚醚砜、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯晴、再生纤维素和乙烯-乙烯醇共聚物中的至少一种。
10.优选的，所述光引发剂溶液中光引发剂包括二苯甲酮类光引发剂；所述光引发剂溶液所用溶剂包括丙酮、乙醚、二氯甲烷、氯仿和四氢呋喃中的至少一种。
11.优选的，所述二苯甲酮类光引发剂包括2,2
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四羟基二苯甲酮、2,2
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二羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、2,2
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二羟基-4,4
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二甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮中的至少一种。
12.优选的，所述光引发剂溶液的浓度为10～80g/l。
13.优选的，所述预覆的时间为2～8h。
14.优选的，所述亲水性单体包括甲基丙烯酸二甲胺乙酯、马来酸酐、苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和甲基丙烯酸酯磺基甜菜碱中的至少一种。
15.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的具有梯度孔结构的膜材料，所述膜材料的皮层面的孔径为0.001～0.09μm；所述膜材料的另一面为大孔结构，孔径为0.1～5.0μm。
16.本发明提供了上述技术方案所述具有梯度孔结构的膜材料作为超滤膜在除病毒中的应用。
17.优选的，所述超滤膜的皮层面为向光侧，大孔结构面为背光侧，以所述背光侧作为进水测，向光侧为出水侧。
18.本发明提供了一种具有梯度孔结构的膜材料的制备方法，本发明以具有梯度孔结构的聚合物膜为基膜，通过紫外光接枝法在膜皮层表面及孔内接枝亲水性聚合物，由于聚合物膜自身的梯度孔结构，导致紫外光辐照过程中光强度沿着基膜厚度发生衰减，同时利用光引发剂对紫外光的部分屏蔽作用，强化光引发剂在基膜内部的梯度固定，进而实现亲水性聚合物在基膜内部的梯度分布，使所制备的膜材料具有孔径大小由向光侧向背光侧逐步增大的梯度孔结构。而膜内部孔道空间明显高于膜表面，且孔道尺寸呈梯度分布，有利于体系中组分的逐级分离，提高分离效率。而且，接枝后聚合物基膜表面及内部孔径降低，使其具有分离纳米级尺寸病毒的能力；同时接枝物的亲水性具有降低膜污染的作用，有利于获得高的渗透性能。
19.本发明通过紫外光接枝法制备亲水性接枝层，可通过调节光引发剂浓度与接枝时间，对膜表面及内部孔径进行调控，得到具有不同梯度结构的膜材料。
20.将本发明制备的膜材料用于除病毒过滤时，采用背光侧(大孔结构)为进水测，向光侧(皮层面)为出水侧，原料液由大孔侧进入，梯度孔有利于分子量相接近的组分进行逐级分离，提高分离效率，因此溶液中的病毒颗粒可通过膜内部的梯度孔径进行逐级分离，同时避免膜堵塞，同步实现膜渗透与分离性能的提升。
21.本发明采用紫外光接枝技术对基膜进行亲水性聚合物的修饰，具有能耗低、反应时间短、条件温和及易于工业放大化等优点。
附图说明
22.图1为实施例1制备的膜材料横截面场发射电镜照片图；
23.图2为实施例1制备的膜材料向光侧场发射电镜照片图；
24.图3为实施例1制备的膜材料背光侧面场发射电镜照片图。
具体实施方式
25.本发明提供了一种具有梯度孔结构的膜材料的制备方法，包括以下步骤：
26.将聚合物基膜浸入光引发剂溶液中进行预覆，对所得基膜的皮层侧进行第一紫外光辐照，得到固定有光引发剂的聚合物基膜；所述聚合物基膜具有不对称梯度孔结构；
27.将所述固定有光引发剂的聚合物基膜与亲水性单体复合，进行第二紫外光辐照，得到具有梯度孔结构的膜材料；所述膜材料的孔径自皮层面至另一面梯度增大。
28.在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
29.本发明将聚合物基膜浸入光引发剂溶液中进行预覆，对所得基膜的皮层侧进行第一紫外光辐照，得到固定有光引发剂的聚合物基膜。在本发明中，所述聚合物基膜的制备材料优选包括聚醚砜、聚砜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯晴、再生纤维素和乙烯-乙烯醇共聚物中的至少一种；当所述聚合物基膜的制备材料为上述中两种以上时，本发明对不同种类材料的配比没有特殊的限定，任意配比均可。
30.在本发明中，所述聚合物基膜优选采用浸没沉淀相转化法制备；所述聚合物基膜的制备方法优选包括：将聚合物分散于有机溶剂中，室温超声脱泡，得到铸膜液；将所述铸膜液刮制成膜后，固化成形，依次进行浸泡和干燥，得到聚合物基膜。在本发明中，所述有机溶剂优选为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺；所述铸膜液中聚合物的含量优选为12～25wt.％。本发明对所述分散的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程保证充分溶解即可；所述超声脱泡的时间优选为2～3h；所述固化成形的温度优选为20～30℃，更优选为25℃；所述浸泡优选在纯净水中进行，所述浸泡的时间优选为2天；所述干燥的方式优选为冷冻干燥；本发明对所述冷冻干燥的具体条件没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程进行即可。
31.在本发明中，所述刮制成膜的过程优选在玻璃板进行；本发明对所述聚合物基膜的形式和厚度没有特殊的限定，本领域熟知的膜形式并根据实际需求调整膜厚度即可，在本发明的实施例中，具体为厚度0.1mm、0.15mm和0.2mm的平板膜。
32.在本发明中，所述聚合物基膜具有不对称梯度孔结构；优选为单皮层的不对称梯度孔结构，膜的孔径从皮层面至另一面梯度增大，皮层面的梯度孔径为0.001～0.45μm，优选为0.01～0.09μm；另一面为大孔结构，梯度孔径为0.1～5.0μm，优选为0.5～4μm。在本发明中，所述聚合物基膜的皮层面为分离层，另一面为多孔疏松结构，该聚合物基膜的膜结构在紫外接枝修饰过程中，入射至膜内部的引发反应的紫外光随着入射深度的增加而递减，有利于得到梯度结构膜材料。
33.本发明中，聚合物基膜通过相转化法制备，膜表面孔径略大，不足以获得病毒分离性能，本发明通过紫外接枝降低膜孔径，增加膜亲水性，使膜获得病毒分离性能，紫外光(紫外接枝主要发生在膜表面)在透过聚合物膜的过程中，由于聚合物本身的吸光作用以及吸附的光引发剂的屏蔽作用，使入射至膜内部的紫外光随着膜厚递减，从而在紫外接枝后获得接枝物的梯度分布，皮层孔径减小，膜孔径由皮层面向另一面梯度增大。
34.在本发明中，所述光引发剂溶液中光引发剂优选包括二苯甲酮类光引发剂；所述二苯甲酮类光引发剂优选包括2,2
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四羟基二苯甲酮、2,2
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二羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2,4-二羟基二苯甲酮、2,2
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二羟基-4,4
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二甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-羟基-4-正辛氧基二苯甲酮中的至少一种；当所述光引发剂为上述中两种以上时，本发明对不同种类光引发剂的配比没有特殊的限定，任意配比均可。
35.在本发明中，所述光引发剂溶液所用溶剂优选包括丙酮、乙醚、二氯甲烷、氯仿和四氢呋喃中的至少一种；当所述光引发剂溶液所用溶剂为上述中两种以上时，本发明对不同种类溶剂的配比没有特殊的限定，任意配比均可；所述光引发剂溶液的浓度优选为10～80g/l，更优选为20～60g/l，进一步优选为40g/l。本发明控制光引发剂溶液的浓度在上述范围，能够实现光引发剂在膜表面及内部固定并实现梯度结构，避免光引发剂浓度低于
10g/l导致较低的接枝率，同时膜近光侧对紫外线屏蔽作用降低，膜内部难以得到明显的梯度结构；同时避免光引发剂浓度高于80g/l时，接枝反应趋于只在膜表面发生，膜内部接枝量降低。
36.本发明对所述将聚合物基膜浸入光引发剂溶液中的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程完全浸入即可。本发明对所述光引发剂溶液的用量没有特殊的限定，保证充分浸没聚合物基膜即可。
37.在本发明中，所述预覆的时间优选为2～8h，更优选为4～6h；所述预覆优选在震荡条件下进行，本发明对所述震荡的具体条件没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程震荡保证光引发剂溶液充分浸入聚合物基膜即可。
38.完成所述预覆后，本发明将所得聚合物基膜取出，进行第一紫外光辐照。
39.在本发明中，所述第一紫外光辐照的时间优选为10～20min，更优选为15～18min；本发明通过对基膜的皮层侧进行第一紫外光辐照实现光引发剂在基膜表面及内部的固定。
40.得到固定有光引发剂的聚合物基膜后，本发明将所述固定有光引发剂的聚合物基膜与亲水性单体复合，进行第二紫外光辐照，得到具有梯度孔结构的膜材料。在本发明中，所述亲水性单体优选包括甲基丙烯酸二甲胺乙酯、马来酸酐、苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和甲基丙烯酸酯磺基甜菜碱中的至少一种；当所述亲水性单体为上述中两种以上时，本发明对不同种类亲水性单体的配比没有特殊的限定，任意配比均可。本发明对所述亲水性单体的用量没有特殊的限定，能够完全浸润固定有光引发剂的聚合物基膜即可。
41.在本发明中，所述复合的方式优选为涂布，更优选为将亲水性单体涂布于固定有光引发剂的聚合物基膜的皮层面上。
42.在本发明中，所述第二紫外光辐照的时间优选为10～20min，更优选为12～15min。在所述第二紫外光辐照过程中，聚合物基膜对紫外光具有遮光作用，同时结合光引发剂的吸光性，使紫外光沿膜厚度方向衰减，形成亲水性聚合物在聚合物基膜上的梯度固定。
43.在紫外辐照过程下，聚合物基膜上预覆的引发剂夺取膜上的氢，形成半频哪醇自由基和膜表面自由基，半频哪醇自由基和膜表面自由基结合形成表面引发剂；在加入亲水性单体后，膜表面光引发剂受紫外激发分解为半频哪醇自由基和膜表面自由基并引发单体在膜表面的接枝聚合，形成带有亲水性接枝层的膜材料。
44.本发明以聚合物浸没沉淀相转化法得到的聚合物多孔膜为基膜，通过对基膜皮层侧进行紫外光辐照，利用紫外光在聚合物基膜内部衰减以及光引发剂的光学特性，实现光引发剂在基膜内部的梯度固定，然后将亲水性单体涂布于固定有光引发剂的基膜的皮层侧，通过紫外光接枝技术，实现膜皮层侧及孔内亲水性聚合物的接枝，得到具有梯度孔结构的膜材料。
45.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的具有梯度孔结构的膜材料，所述膜材料的皮层面的孔径为0.001～0.09μm，优选为0.01～0.05μm；所述膜材料的另一面为大孔结构，孔径为0.1～5.0μm，优选为0.5～3μm；膜孔径大小由向光侧至背光侧逐步降低。
46.本发明提供了上述技术方案所述具有梯度孔结构的膜材料作为超滤膜在除病毒中的应用。在本发明中，所述超滤膜的皮层面为向光侧，大孔结构面为背光侧，以所述背光
侧作为进水测，向光侧为出水侧。
47.在本发明中，所述超滤膜优选为平板膜或中空纤维膜；所述具有梯度孔结构的膜材料的皮层面是分离层。
48.在本发明中，采用所述具有梯度孔结构的膜材料除病毒过滤时，采用膜背光侧为进水侧，向光侧为出水侧，膜内部孔道空间明显高于膜表面，且孔道尺寸呈梯度分布，有利于体系中组分的逐级分离，提高分离效率，使得溶液中病毒颗粒通过膜内部的梯度孔径进行分离，同时避免膜堵塞，可实现膜渗透与分离性能的同时提升。而现有除病毒超滤膜采用膜小孔侧处理料液，体系内大量组分富集于膜表面，组分间相互作用被强化，极易形成污染层，致使膜分离性能迅速下降。
49.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.实施例1
51.将乙烯-乙烯醇共聚物溶解于二甲基亚砜中，常温下超声脱泡3h，配制成乙烯-乙烯醇共聚物含量为15wt.％的铸膜液；将铸膜液在玻璃板上刮制成厚度为0.15mm平板膜后，在25℃中固化成形，在纯净水中浸泡2天，冷冻干燥，得到聚合物基膜-eval膜；
52.将所述eval膜浸入2,2
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四羟基二苯甲酮浓度为60g/l的丙酮溶液中，振荡2h后以膜皮层侧为向光侧在紫外光下辐照20min，将甲基丙烯酸单体涂布于膜表面，在紫外光下辐照20min，得到具有梯度孔结构的meval膜，膜皮层侧孔径为0.01μm，大孔结构侧孔径为0.5～3.0μm。
53.实施例2
54.将聚醚砜溶解于二甲基甲酰胺中，常温下超声脱泡2h，配制成聚醚砜含量为14wt.％的铸膜液；将铸膜液在玻璃板上刮制成厚度为0.10mm平板膜后，在20℃中固化成形，在纯净水中浸泡2天，冷冻干燥，得到聚合物基膜-pes膜；
55.将所述pes膜作为基膜，浸入2,2
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二羟基-4-甲氧基二苯甲酮浓度为40g/l的乙醚溶液中，振荡4h后以膜皮层侧为向光侧在紫外光下辐照15min，将丙烯酸单体均匀涂布于膜表面，在紫外光下辐照10min，得到具有梯度孔结构的mpes膜，膜皮层侧孔径为0.015μm，大孔结构侧孔径为0.2～2.0μm。
56.实施例3
57.将聚丙烯腈溶解于二甲基甲酰胺中，常温下超声脱泡2h，配制成聚丙烯腈含量为12wt.％的铸膜液；将铸膜液在玻璃板上刮制成厚度为0.20mm平板膜后，在25℃中固化成形，在纯净水中浸泡2天，冷冻干燥，得到聚丙烯腈膜；
58.将所述聚丙烯腈膜浸入2,2
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二羟基-4,4
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二甲氧基二苯甲酮浓度为20g/l的四氢呋喃溶液中，振荡6h后以膜皮层侧为向光侧在紫外光下辐照18min，将乙烯基吡咯烷酮单体均匀涂布于膜表面，在紫外光下辐照12min，得到具有梯度孔结构的聚丙烯腈mpan膜，膜皮层侧孔径为0.03μm，大孔结构侧孔径为1.0～3.0μm。
59.实施例4
60.将聚砜(psu)溶解于二甲基乙酰胺中，常温下超声脱泡3h，配制成聚砜含量为
12wt.％的铸膜液；将铸膜液在玻璃板上刮制成厚度为0.15mm平板膜后，在30℃中固化成形，在纯净水中浸泡2天，冷冻干燥，得到聚合物基膜-psu膜；
61.将所述psu膜浸入2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮浓度为10g/l的丙酮溶液中，振荡8h后以膜皮层侧为向光侧在紫外光下辐照10min，将甲基丙烯酸乙酯三乙基铵单体均匀涂布于膜表面，在紫外光下辐照20min，得到具有梯度孔结构的mpsu膜膜皮层侧孔径为0.05μm，大孔结构侧孔径为1.5～3.0μm。
62.表征及性能测试
63.1)对实施例1制备的膜材料进行电镜观测，采用日本日立s-4800型场发射扫描电镜，加速电压为10kv，样品检测前进行喷金处理以提高其导电性，所得结果见图1～3；膜的断面结构从靠近向光部位到背光侧孔隙逐渐变大(图1)，向光侧孔径小(图2)，约为10nm；背光侧孔径大(图3)，约为2.0μm，膜的孔径从向光侧到背光侧梯度增加。
64.2)采用错流膜过滤装置，对实施例1～4制备的膜材料进行渗透与分离性能测试：
65.按照常规的错流膜过滤方法，基于不同尺寸胶体金颗粒溶液的截留率对实施例1～4制备的膜材料进行分离性能测试，采用紫外-可见光分光光度计对过滤前后溶液胶体金519nm处吸光度进行测定，并计算截留率，截留率计算如下式所示：截留率％＝(1-透过液吸光度/原液胶体金吸光度)
×
100％，所得结果如表1所示。
66.表1实施例1～4制备的膜材料的分离性能数据
[0067][0068]
由表1可知，实施例1所制备的meval膜，以膜背光侧为进水测，该膜对20nm胶体金截留率为99.99％；实施例2所制备的mpes膜，以膜背光侧为进水侧，该膜对20nm胶体金截留率为99.99％，对10nm胶体金截留率为40％；实施例3所制备的mpan膜，以膜背光侧为进水测，该膜对30nm胶体金截留率为95％，对20nm胶体金截留率为90％；实施例4所制备的mpsu膜，以膜背光侧为进水测，该膜对50nm胶体金截留率为98％，对35nm胶体金截留率为35％。
[0069]
3)采用错流膜过滤装置对实施例1～4制备的膜材料进行渗透性能测试，结果表明，以膜背光侧为进水测，实施例1所制备的meval膜，膜纯水通量为150l/m2h；实施例2所制备的mpes膜，膜纯水通量为800l/m2h；实施例3所制备的mpan膜，膜纯水通量为200l/m2h；实施例4所制备的mpsu膜，膜纯水通量为550l/m2h。
[0070]
4)采用国标gb/t 22287-2008记载的实时荧光探针rt-pcr法检测实施例1～4制备的膜材料的模型病毒载量，并计算病毒去除率，病毒去除率计算如下式所示：去除率％＝(1-透过液病毒载量/原液模型病毒载量)
×
100％，结果如表2所示。
[0071]
表2实施例1～4制备的膜材料病毒去除数据
[0072][0073]
由表2可知，本发明制备的膜材料能够有效去除病毒。
[0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。