超多孔性纳米纤维垫及其用图
【技术领域】
[0001 ] 本发明大体上涉及液体过滤介质。在某些实施方案中，本发明提供制备具有极小 纤维直径的纳米纤维聚合物材料的方法、将这些纤维组装成高度一致的垫的方法和使用所 述垫从流体流去除病毒的方法。 发明背景
[0002] 全世界的管理机构均严格要求生物医药化合物的商业制造商提供他们药物的生 物安全性保证。制造商必须在他们的工艺中插入并验证至少两个去除病毒的正交（通过两 种不同的机理操作）步骤，其中之一通常是基于大小的过滤。所述过滤的预计LRV(对数减 少值）至少为4。
[0003] 目前的病毒过滤策略提供于Meltzer, T.和Jornitz, M.编辑，"Filtration and Purification in the Biopharmaceutical Industry''， 第 2 版，Informa Healthcare, 2008,第20章 ，"Ensuring Safety of Biopharmaceuticals:Virus and Prion Safety Considerations"，H. Aranha 中。
[0004] 细小病毒是大小为18nm到26nm的无包膜二十面体粒子，是一些最小的已知病 毒(Leppard, Keith ；Nigel Dimmock ;Easton,Andrew (2007) · Introduction to Modern Virology. Blackwell Publishing 有限公司，第 450 页）。病毒截留膜（virus-retentive membrane)制造商常规地依赖地对细小病毒截留性的测量用于验证他们的膜的病毒去除保 证。
[0005] 存在大量经验证用于细小病毒去除的市售膜。购自EMD Millipore公司 (Billerica, MA USA)的示例性细小病毒去除膜Viresolve? Pro具有不对称的孔结构，所 述不对称的孔结构具有密封的病毒去除侧和微孔"支撑"侧。它是通过用于制备宽范围的 超滤膜和微滤膜的相转化工艺制造的。所述相转化制造工艺的固有限制是膜孔隙率随孔径 显著降低。
[0006] 例如，平均孔径为0. 5微米的微孔膜可具有约75% -80%的孔隙率，而平均孔径为 0. 01微米到0. 02微米的超滤膜或病毒去除膜在其最窄的孔径范围中的孔隙率将仅为小于 5%。因此，细小病毒去除膜常规具有低孔隙率且因此具有较低的水通量。
[0007] 随着生物医药制造变得更加成熟，该工业正在不断地寻找方式来精简操作，组合 和消除步骤，并且减少处理各批次药物所耗费的时间。同时，存在要求制造商降低它们的成 本的市场和管理的压力。由于病毒过滤在药物纯化的总成中占很大的比例，因此任何提高 膜产量并减少药物处理时间的方法都是有价值的。随着新型预过滤介质的引入和病毒过滤 器的产量的相应提高，越来越多的进料流的过滤正变得受通量的限制。因此，在维持病毒过 滤器的病毒截留性质的同时改进病毒过滤器的透过率将对病毒过滤步骤的成本具有直接 影响。
[0008] 电纺纳米纤维垫是高度多孔性的聚合物材料，其中所述垫的"孔"径与电纺纳 米纤维的纤维直径成线性比例，而所述垫的孔隙率与纤维直径相对独立并且通常落在 85% -90%的窄范围内。这样高的孔隙率导致电纺纳米纤维垫中提供的透过率相比于具有 相似厚度和孔径等级的浸渍流延膜（immersion cast membrane)的孔隙率的大幅度改进。 此外，由于如上讨论的超滤膜所降低的孔隙率，因此该优点在较小孔径范围（例如病毒过 滤所需的较小孔径范围）中变得放大。
[0009] 电纺垫形成的无规性质已导致通常认为所述垫不适于液体流的任何临界过滤。 应用电纺材料从溶液可靠去除相对大的粒子（例如细菌）最近已开始出现在文献中（参 见例如国际公开号W02010/107503A1，授予EMD Millipore公司，名称为"Removal of Microorganisms from Fluid Samples Using Nanofiber Filtration Media";和Wang等，iElectrospun nanofibrous membranes for high flux microfiltration''，Journal of Membrane Science, 392 - 393(2012) 167 - 174)。同时，尚未公开关于使用电纺纳米纤维对 极小粒子（例如细小病毒）进行基于大小的过滤的报道。
[0010] 涉及病毒去除和电纺纳米纤维的三类现有技术可被概述如下：
[0011] 分类1.使用电纺材料通过吸附或失活去除病毒
[0012] 授予 Advanced Powder Technologies 的美国已公开专利申请号 US2008/0164214 Al教导了特征在于污染物的静电吸附的液体纯化和消毒的非织造过滤材料，所述污染物包 括负电性粒子，例如细菌、病毒、胶体粒子等。
[0013] 授予Koslow Technologies公司的美国专利号6, 770, 204教导了具有可提高流入 物的pH的pH改变材料的复合过滤介质，使得所述流入物中的微生物污染物保持基本上带 负电荷，使得所述复合过滤介质中带正电荷的介质可更有效地捕获所述微生物污染物。
[0014] 授予Fujifilm公司的美国专利号7, 927, 885提供了携带用于病毒去除的抗体的 电纺支撑材料。
[0015] 转让于 The Hong Kong Polytechnic University 且名称为 "Nanofiber Filte Facemasks And Cabin Filters"的美国已公开专利申请号US2008/0264259教导了一种过 滤介质，其包括具有多个纳米纤维的细过滤层和具有多个附接到细过滤层的微纤维的粗过 滤层，其中所述纳米纤维包含电荷或抗微生物剂。
[0016] 授予Argonide公司的国际公开号W02008/073507教导了用于流体流的纤维结构， 所述纤维结构包含纳米氧化铝纤维和另外的纤维的混合物，所述另外的纤维由微玻璃、纤 维素、微纤化纤维素和莱塞尔（lyocell)制得并且被布置在基质中以产生不对称孔，并且 细粒子、超细粒子或纳米级粒子（例如粉状活性碳）在不使用粘结剂的情况下附接到所述 纤维结构。含有粉状活性碳的纤维结构拦截来自流体流的污染物（例如病毒）。
[0017] 分类1内的过滤材料似乎利用了电纺介质通过吸附病毒或使病毒失活的某些表 面效应。
[0018] 分类2.通过电纺材料使用筛分机制去除微生物。
[0019] 授予EMD Millipore公司的国际公开号W02010/107503教导了使用电纺纳米纤维 从液体样品基于大小高效去除细菌和支原体的方法。
[0020] 授予EMD Millipore公司的国际公开号W02012/021308教导了使用电纺纳米纤维 垫以>6的LRV基于大小去除反转录病毒（具有80nm-130nm)。
[0021] 授予State University of New York Research Foundation且名称为"High Flux High Efficiency Nanofiber Membranes and Methods of Production Thereof"的美国已 公开专利申请号US2011/0198282教导了包括电纺衬底的复合纳米纤维膜，所述电纺衬底 涂覆有由氧化的纤维素微纤维层制造的纤维素纳米纤维，所述纤维素微纤维层被施加到所 述电纺衬底上。
[0022] 授予Elmarco SRO的美国已公开专利申请号US2008/0264258教导了用于去除物 理杂质和/或生物杂质的过滤器，包括据称杀死/减弱杂质的"主动"纳米纤维过滤器，而 纳米纤维过滤层捕获所述杂质。
[0023] 一系列的美国已公开专利申请号US2004/0038014、US2005/0163955和 US2004/0038013(均转让于Donaldson公司）教导了含纤维的介质和经温度和压力处理的 具有30nm纤维的纤维垫。
[0024] Lev等的来自Nanocon 2010的会议报告教导了使用纤维直径在约IOOnm到155nm 之间的商业纳米纤维织物以效率72. 25 %到99. 83% (0.6到2. 8LRV)来截留大肠杆菌 (E. Coli)细菌（I. I - I. 5x 2微米到6微米）。
[0025] 转让于Munro Technology有限公司的国际公开号W02009/071909教导了具有纳 米级间隙的空间有序的纳米纤维基质阵列，其适于过滤粒子，特别是纳米级范围内的粒子， 例如病毒。然而，没有提供显示成功过滤的示例。
[0026] 分类2中的过滤材料似乎都不能对大小低于30nm的病毒或粒子进行基于大小的 去除。
[0027] 分类3.尝试将纤维直径降低到低于20nm。
[0028] Huang 等，Nanotechnology 17(2006) 1558-1563 教导了使用添加吡啶的 2%尼龙 4,6(Nylon 4,6)制造的电纺聚合物纳米纤维，其具有小直径并且在其中提供对于小到2nm 的单个纤维的显微观察。
[0029] 转让于Physical Sciences公司的美国专利号7, 790, 135教导了对小到15的聚 丙烯腈纤维nm进行电纺并且随后热解以由其产生碳纳米管垫的方法。
[0030] Tan等，Polymer 46,（2005)6128 - 6134提供了对于经由电纺工艺制作超细纤维 的系统性参数研宄，所述制作包括制作具有19nm±6nm的平均纤维直径的垫。
[0031] Hou等，Macromolecules 2002, 35, 2429-2431教导了通过涂覆和去除超薄聚合物 模板实现的聚（对亚二甲苯）纳米管。观察到直径为5nm-7nm的单个纤维。
[0032] Duan 等，20082nd IEEE International Nanoelectronics Conference(INEC 2008)，33-38教导了通过电子束辐照由超薄电纺PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）纳米纤维制备 石墨纳米带，其中单个PMMA纤维将被观察到IOnm左右的平均直径。
[0033] 分类3中的每一电纺纳米纤维教导尝试降低电纺材料的纤维直径。尽管分类3中 的某些电纺纳米纤维教导声称直径小到IOnm或更小的单个纤维，但这些教导最多提供了 未知长度的单个纤维的显微图像，并且未能提供关于获得或系统性地尝试垫中所有纤维的 平均大小在6nm到13nm范围内的一致纤维垫的任何数据。具体地说，尚未报道所述垫指示 目前已知的病毒截留膜的任何能力。
[0034] 本发明提供制造极细纳米纤维垫的基于电纺的方法，所述纳米纤维垫具有极高均 匀性，并且用于从流体流可靠地且有效地去除病毒粒子。如本文所提供的模式细小病毒的 高截留性03LRV)是利用聚合物纳米纤