(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチブロックコポリマーを含み、５ｎｍ未満の平均直径を有する孔を含有するナノ多孔性活性選択層を備え、
前記マルチブロックコポリマーが、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（４−ビニルピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、及び、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）からなる群より選択されるブロックターポリマーである、マルチブロックコポリマー膜。
【請求項２】
前記マルチブロックコポリマーが、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（４−ビニルピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、及び、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）からなる群より選択されるブロックターポリマーである、請求項１に記載のマルチブロックコポリマー膜。
【請求項３】
前記マルチブロックコポリマーが、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、及び、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）からなる群より選択されるブロックターポリマーである、請求項１に記載のマルチブロックコポリマー膜。
【請求項４】
微孔性支持層をさらに備える、請求項１に記載のマルチブロックコポリマー膜。
【請求項５】
前記ナノ多孔性活性選択層の前記平均孔径は、１ｎｍ未満である、請求項１又は４に記載のマルチブロックコポリマー膜。
【請求項６】
請求項１または４に記載のマルチブロックコポリマー膜を備えるデバイスであって、
デバイスは、逆浸透若しくは順浸透システム、又は気体分離システムを備える、又は、
前記膜は、逆浸透、順浸透、またはナノ濾過膜である、デバイス。
【請求項７】
請求項１または４に記載のマルチブロックコポリマー膜を備えるデバイスであって、
前記膜は、アルコール、ヒドロキシル、カルボニル、アルデヒド、チオール、ケトン、ハロゲン化アシル、炭酸塩、カルボン酸塩、カルボン酸、エステル、メトキシ、ヒドロペルオキシド、ペルオキシド、エーテル、ヘミアセタール、ヘミケタール、アセタール、ケタール、アセタール、オルトエステル、ヘテロ環、オルト炭酸エステル、アミド、アミン、イミン、イミド、アジド、シアン酸塩、硝酸塩、ニトリル、亜硝酸塩、ニトロ化合物、ニトロソ化合物、ピリジン、ピリジン誘導体、チオール、スルフィド、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、硫酸、スルホン酸、チオシアン酸塩、チオン、チアール、ホスフィン、ホスファン、ホスホン酸、リン酸塩、リン酸ジエステル、ボロン酸、ボロン酸エステル、ボリン酸、ボリン酸エステル、カルボン酸、アルキル基、及びそれらの組み合わせから成る群から選択される部分で化学的に官能化されている。
【請求項８】
請求項１に記載のマルチブロックコポリマー膜を備える有機膜であって、前記ナノ多孔性活性選択層は、複数の孔を備え、前記孔は、
（ｉ）５ｎｍ未満の実質的に均一な直径と、
（ｉｉ）前記膜の表面と概ね垂直である実質的に均一な配向と、を有する、有機膜。
【請求項９】
請求項８に記載の前記有機膜を備える、デバイス。
【請求項１０】
溶液を分離、精製、濾過、または濃縮するための方法であって、請求項６又は９に記載のデバイスを前記溶液と接触させることを含む、前記方法。
【請求項１１】
自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーのナノ構造膜を形成するための方法であって、
ａ）制御ラジカル重合機構を使用して、前記自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーを合成するステップと、
ｂ）非溶媒誘起相分離を使用して、前記自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーから前記ナノ構造膜を製作するステップと、を含み、
前記マルチブロックコポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）またはポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）を含むターポリマーを含む、方法。
【請求項１２】
前記自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーは、化学的に調節可能な膜表面を備え、
前記方法は、前記自己組織化ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）ターポリマーのポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）ドメインをポリ（アクリル酸）に変換するステップをさらに含む、又は
前記方法は、前記自己組織化ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）ターポリマーのポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）ドメインをポリ（メタクリル酸）に変換するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記変換は、固体状態で実行され、
前記変換は、加水分解を介して達成され、
前記加水分解剤は、塩酸またはトリフルオロ酢酸である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ポリイソプレン−ポリスチレンドメインは、前記ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）またはポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）ドメインで被覆された孔を含有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
機械的支持層の上に層状にされる請求項１１に記載の方法によって形成される前記膜を備えるデバイスであって、
前記デバイスは、材料の濾過、精製、濃縮、または分離における使用のためのものである、デバイス。
【請求項１６】
自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーのナノ構造膜であって、前記コポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（４−ビニルピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、又は、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）を含むターポリマーを含む、ナノ構造膜。
【請求項１７】
前記ターポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（４−ビニルピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、又は、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）を含む、請求項１６に記載のナノ構造膜。
【請求項１８】
前記ターポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）を含む、請求項１６に記載のナノ構造膜。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
[1]本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１３年３月１１日に出願された米国仮特許出願第６１／８５１，６１５号、及び２０１３年９月６日に出願された米国仮特許出願第６１／８７４，７７６号に対する優先権を主張し、その各々の内容はその全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
政府による支援
[2]本発明は、国立衛生研究所により授与されたＤＨＨＳ  ＲＲ０２５７６１の下に政府支援により成された。政府は、本発明において特定の権利を有する。
【０００３】
［技術分野］
[3]本発明は、ポリマー組成物及びそれらの製造に関する。具体的には、本発明は、マルチブロックポリマー及びコポリマー、それらの製作、修飾、及び／または官能化、ならびに膜またはフィルムとしての使用に関する。
【０００４】
［背景技術］
[4]化学的分離は、エネルギーを多量に消費する。人間による１日のエネルギー使用の約１０パーセントは、これらのプロセスを稼働させるために消費される。それらの大きなエネルギー需要に関わらず、化学的分離は、食品の生産、飲料水の浄化、及び治療薬の開発に不可欠である。したがって、地球上の人間の生活を持続するために重要な必須の資源を生成するための、エネルギー効率の良い環境配慮型の持続可能な材料及び分離プロセスを作り出す必要が存在する。
【０００５】
[5]それらは、分離を作り出すために熱に依存しないため、膜分離は、熱使用に関連付けられる熱力学的制約（即ち、カルノー効率）を回避する。例えば、逆浸透（ＲＯ）による海水脱塩の成功は、従来の分離プロセスを膜分離と置き換えることによって実現することができるエネルギー節約及び持続可能性に関するモデルである。当初、ＲＯ脱塩は、多段フラッシュ蒸発法（ＭＳＦ）などの同等の熱脱塩方法の約３倍のエネルギーを消費していた。しかしながら、過去４０年間で、基礎技術の進歩により海水ＲＯのエネルギー需要は劇的に低くなり、それは現在、ＭＳＦの半分のエネルギーを必要とする。このエネルギー節約のため、ＲＯは、好ましい脱塩技術として熱的方法に急速に取って代わってきている。
【０００６】
[6]ＲＯ脱塩の成功の中心は、膜材料及び膜構造の最適化であった。具体的には、非対称の酢酸セルロース膜からのポリアミド化学的性質に基づく薄フィルム複合膜への移行が、逆浸透の成功を加速した。膜分離に関して、クロマトグラフィー及び抽出などの他のエネルギー効率が悪く環境的負荷の大きい分離プロセスに置き換わる、同様の機会が存在する。
【０００７】
[7]したがって、膜分離は、より従来的な熱駆動分離を妨げる本質的な非効率性である、熱使用に関連付けられる制限を回避するそれらの能力のため、近年ますます関心を集めてきていることは明らかである。膜はまた、熱的に感受性の分子の精製における用途を見出しつつある。同時に、希薄溶質の精製は、産業にとってますます重要となってきている。例えば、発酵もろみ液からのモノクローナル抗体及び他の生物製剤の分離、ならびに天然に存在する資源に由来する化学物質の単離は、強固な分離スキームに依存する新興分野である。しかしながら、従来の分離方法を使用してこれらの希薄溶質を精製することは、エネルギーを多量に消費し、大容量の溶媒を必要とし、それは、自然環境に負荷を与え、生産コストを本質的に増加させる。したがって、より少ないエネルギーを使用しながら、より環境配慮型の様式でこれらの分離を達成することができる膜プロセスの開発は、研究の盛んな分野である。現在、膜分離に置き換えられるクロマトグラフィーまたは分離プロセスに基づく抽出を可能にするであろう膜は、存在しない。
【０００８】
[8]したがって、汚染耐性を増加させるか、または化学的に選択的な分離を実施するように孔壁の化学的性質を調整する能力を付加しながら、単分散孔サイズを有し、高流束を達成することができるアーキテクチャを作成することは、現在の膜技術の最先端を前進させるであろう。
【０００９】
［発明の概要］
[9]本発明は、より持続可能な化学的分離への道筋として証明されている、膜分離の実装のための新規の材料、プロセス、及びデバイスの開発及び製造のための新規の方法を提供する。
【００１０】
[10]この目的のため、本明細書に説明される発明は、自己組織化した化学的に調節可能なマルチブロックコポリマーを利用して、調節可能な孔の化学的性質を有する明確に定義された単分散孔を含有する新規の膜プラットフォームを容易で測量可能な様式で製作する、分離技術における新規のパラダイムを含む。
【００１１】
[11]一実施形態では、本明細書に説明される発明は、官能性孔壁を有するナノ構造化された高性能膜の製作に有用な官能性マルチブロックコポリマーを含む。
【００１２】
[12]本発明の一態様は、５ｎｍ未満の平均直径を有する孔を含有するナノ多孔性活性選択層を備える、マルチブロックコポリマー膜を提供する。
【００１３】
[13]本発明の態様を実践するときに達成することができる物理的及び化学的特性の精緻な制御は、膜の特性を改善する。孔サイズ及び形状の正確な制御は、現在の商業用膜と比較してはるかにより高い流速を可能にする。これはまた、水性または気体媒質中のイオン、分子、または他の物質が、膜孔より小さい有効サイズを有することに基づき、膜を通じた通過を優先的に可能にされ得るか、または膜孔より大きい有効サイズを有することに基づき、膜を通じた通過を優先的に不可能にされ得るサイズ排除に基づいた機構も可能にする。イオンまたは分子の有効サイズは、そのイオンサイズまたはその水和サイズに準拠してもよい。イオンが水中に溶解されるとき、それは、緩く結び付けられた水分子の水和殻を形成し、それは、その輸送特性の観点からその有効サイズ（これは水和サイズとして知られている）を増加させる傾向がある。膜及び／または孔の化学的官能化も、膜選択性をさらに強化するために使用することができる。
【００１４】
[14]幾つかの実施形態では、膜は、特定の種類の標的物質もしくは汚染物質に対する親和性を強化するように化学的に官能化され、または他の実施形態では、膜の汚染傾向を軽減するように設計される場合もある。膜の選択性は、孔サイズもしくは孔の化学的性質にのみ起因する場合があり、または多くの実施形態では、膜の物理的及び化学的特徴の組み合わせに起因する場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
[15]以下の図面は、明細書の一部を形成し、本発明の特定の実施形態または種々の態様をさらに実証するために含まれる。場合により、本発明の実施形態は、添付の図面を本明細書に提示される詳細な説明と組み合わせて参照することによって、最良に理解されることができる。説明及び添付の図面は、本発明の特定の具体的な実施例、または特定の態様を強調することができる。しかしながら、当業者は、実施例または態様の一部は、本発明の他の実施例または態様と組み合わせて使用されてもよいことを理解するであろう。
【図１】[16]ナノ多孔性テンプレート及び適切な構造的特徴付けを作り出すようなブロックターポリマーの自己組織化の後、ＰｔＢＭＡまたはＰＤＭＡ（図中にブロックＣとして示される）は、加水分解されて、孔壁にカルボン酸官能性を残すことができる。この官能性は、分離を助けるような多数の他の化学的性質に操作することができる。
【図２】[17]コポリマー自己組織化の制御は、膜機能に不可欠である。左側、自由表面と垂直に配向された円筒は、高度に有効な膜として機能する膜を生成する。右側、自由表面と平行に配向された円筒は、有用な機能を提供しないフィルムを生成する。溶媒選択性及び溶媒蒸発率は、円筒配向に影響を与えることが知られている自己組織化及び非溶媒誘起相分離（ＳＮＩＰＳ）膜製作方法において使用される、２つの処理条件である。
【図３】[18]先行技術。注形プロトコルを使用して製作された、ナノ多孔性トリブロックターポリマー膜の断面ＳＥＭ画像。図は、Ｐｈｉｌｌｉｐ，  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１１，１１，２８９２及びＰＣＴ公開第ＷＯ２０１２／１５１４８２号からである。膜（画像の上部）において、単分散孔は、薄い（約１００ｎｍ）選択層として機能することに留意されたい。これらの孔は、約２０ｎｍの近似直径を有する。しかしながら、この膜は、ここに説明されるような孔壁官能性を欠失する（下記参照）。
【図４】[19]先行技術。（ａ）位相反転技術を使用して作製された市販の限外濾過膜、及び（ｂ）トリブロックターポリマーの自己組織化によって形成された膜のＳＥＭ顕微鏡写真。図４ｂに示される孔サイズは、約５０ｎｍであり、これは、本明細書に説明される実施形態に従って作成されるものより大きい規模であることに留意されたい。図は、Ｐｈｉｌｌｉｐ，ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１１，１１，２８９２からである。
【図５】[20]ＰＩ（下）及びＰＩ−ＰＳ（中央）前駆体、ならびにＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマー（上）の１Ｈ  ＮＭＲスペクトル。各部分からの特徴的なピークは、関連する組成物ターポリマーを強調するためにラベル付けされる。
【図６】[21]（ａ）１ｍＬ  ｍｉｎ−１の流速における、ＴＨＦを移動相として有するトリブロックターポリマーシリーズのＳＥＣ記録。明確な推移（即ち、立ち下がりまたは連結信号の不在）は、ＰＩホモポリマー及びＰＩ−ＰＳジブロックコポリマーの、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマーの合成のためのマクロ開始剤として機能する能力を示唆している。（ｂ）バルクＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ粉末の小角度Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）データ。原理反射（ｑ＊＝０．１５１ｎｍ−１）は、約４２ｎｍの固体状態ドメイン間隔を示す。記載される反射は、固体状態のＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ粉末に関する六角形充填構造を示唆している。
【図７】[22]注形された膜の応力歪み曲線。親バルク材料は、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡで構成され、６７ｋＪ  ｍ−３の靭性を有する。親膜は、乾燥状態で２．４ｋＪ  ｍ−３、湿潤状態で１７ｋＪ  ｍ−３の靭性を有する。官能化された膜は、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡで構成され、乾燥及び湿潤状態で、それぞれ、１．７ｋＪ  ｍ−３及び９６ｋＪ  ｍ−３の靭性値を有する。湿潤状態の膜の靭性の顕著な増加は、ＰＤＭＡからＰＡＡへの変換中の高温で長時間の強酸の存在下でのＰＩドメインの架橋結合の予期せぬ特長に起因する可能性がある。
【図８】[23]ターポリマー膜の断面ＳＥＭ顕微鏡写真。選択層と顕微鏡的空隙を含有するガター層とから成る、（ａ）親ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ、及び（ｂ）脱保護されたＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜の非対称構造。（ｂ）の差し込み図内で、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ上面断面境界面のより高倍率の顕微鏡写真は、微孔性支持層へと開放する約１０μｍの活性層の構造を示す。
【図９】[24]ターポリマー由来膜の上面のＳＥＭ顕微鏡写真、（ａ）７５秒の蒸発時間を伴う、溶媒としてのジオキサン及びテトラヒドロフランの７０／３０（重量／重量）混合物中の１５％（重量基準）ポリマー溶液から注形された、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ親膜の活性層表面、（ｂ）変換されたＰＩ−ＰＳ−ＰＡ膜の活性層表面。この膜は、親膜を８５℃で４８時間、６Ｍの塩酸溶液中に浸漬することによって生成される。両表面の構造的特長は、使用される化学処理にかかわらず概ね同じである。
【図１０】[25]ｐＨ４．２の供給液を用いたＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜における撹拌セル輸送試験からの試料データ。収集した透過物の体積が、（ａ）種々の印加圧力において時間の関数としてプロットされ、上の線は４０ｐｓｉに対応し、中央の線は３５ｐｓｉに対応し、下の線は３０ｐｓｉに対応する。これらの線の傾斜は、膜を横切る流束を算出するために使用され、それらは、印加圧力に対して（ｂ）にプロットされる。（ｂ）中の線の傾斜は、０．６５７Ｌｍ−２ｈ−１ｐｓｉ−１の透過性を生じさせる。
【図１１】[26]溶液ｐＨに対してプロットされた親及び脱保護された（即ち、ＰＡＡ−官能化された）ターポリマー膜の水力学的透過性。２〜１１の範囲のｐＨ値について、親膜は、６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１の一定の水力学的透過性を有した。ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜は、ｐＨ４〜１２において０．６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１の透過性を有した。ｐＨ４未満では、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜の透過性は単調に増加し、ｐＨ１で１６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１の透過性に達した。
【図１２】[27]親及び脱保護された（即ち、ＰＡＡ−官能化された）膜の分画分子量（ＭＷＣＯ）曲線が、既知のサイズのモデル溶質としてポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）分子を含有する溶液を使用して作成された。１．１、２．１、４．０、６．０、７．８、及び１０．０ｋＤａのＰＥＯ分子量が使用された。パーセント拒絶は、１ｇＬ−１の供給物に対する透過物中のＰＥＯ濃縮物の比率を取得することによって決定された。
【図１３】[28]ここでは溶質分子の分子量に対してプロットされた、図１６に示される親及び脱保護された膜の分画分子量（ＭＷＣＯ）曲線。溶液は、１．１、２．１、４．０、６．０、７．８、及び１０．０ｋＤａの分子量のポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）分子を含有した。パーセント拒絶は、１ｇＬ−１の供給物に対する透過物中のＰＥＯ濃縮物の比率を取得することによって決定された。
【図１４】[29]気体隔膜セル実験を使用して、乾燥状態の親ターポリマー膜の透過性が決定された。膜は、高圧（約１２ｐｓｉｇ）の気体円筒と低圧（約０ｐｓｉｇ）の気体円筒との間に定置され、圧力変化が時間の関数として記録された。変化する圧力差と初期の差との比の対数の結果は、時間に伴い線形である。傾斜は、上に示される３つの気体の透過性を決定するために使用され、それらは膜の活性層を通して５０〜８０ｎｍの範囲内の平均孔サイズを示唆する。上の線はヘリウムに対応し、中央の線は窒素に対応し、下の線はアルゴンに対応する。
【図１５】[30]イオン性液体１，３−ジメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチル）スルホニルアミド（［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］）で湿潤したターポリマー膜のＳＥＭ顕微鏡写真。（ａ）ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ膜の上面は、［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］で中のＰＤＭＡ鎖の膨張のため、開放した孔及びキノコ様構造の組み合わせを含有する。（ｂ）孔は、［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］中でのＰＡＡ鎖の膨張のため、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡの上面上では見えない。（ｃ）ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜の上面のより高倍率の顕微鏡写真。
【図１６】[31]８５℃での６ＭのＨＣｌ溶液中での注形された膜の懸濁による、ＰＤＭＡからＰＡＡへの孔壁の変換を時間の関数として観察するＡＴＲ−ＦＴＩＲ。−１６００ｃｍ−１での信号は、ラベル付けされたＰＤＭＡピークからの特徴的なカルボニル伸長に対応し（ａ）、−１７００ｃｍ−１での吸収は、ラベル付けされたＰＡＡピークからの特徴的なカルボニル伸長に対応する（ｂ）。一番上のスペクトルに示される通り、ピークは、ＰＤＭＡがＰＡＡに変換されるにつれて時間と共に減少し、完全な変換に近い反応は、４８時間の反応時間における。相対強度は、３１００〜３０００ｃｍ−１の間の非反応性ポリスチレンドメインのラベル付け（＊）された特徴的な芳香族Ｃ−Ｈ伸長を使用して標準化される。
【図１７】[32]８５℃で７２時間の６ＭのＨＣｌ溶液中での固体の懸濁の（ａ）前及び（ｂ）後の、ＰＩホモポリマーのＡＴＲ−ＦＴＩＲスペクトル。同一の反応条件を使用したＰＩ−ＰＳジブロックコポリマーの懸濁の（ｃ）前及び（ｄ）後の、類似データが示される。（ａ）及び（ｂ）におけるＰＩ類似体の反応中、（ａ）と（ｂ）との間のＶｃ−ｓ及びＶｃ−ｓ伸長の僅かな定性的減少、ならびにＶＣＨ２−Ｏ、ＶＣ−Ｏ、ＶＣ＝Ｏ、及びＶＯ−Ｈ伸長の増加は、ＲＡＦＴ末端の部分的酸化、及びＰＩブロックドメイン内のアルケン結合の水酸化を示唆している。（ｃ）及び（ｄ）においてＰＩ−ＰＳジブロック類似体に関して、８５℃で７２時間、６ＭのＨＣｌ溶液の同じ反応条件を使用して、上述のピークの差は、ＰＩドメインの水酸化においてほとんど検出されず、ＰＩ−ＰＳ支持体の限定された分解を示唆している。
【図１８】[33]ＰＩ及びＰＩ−ＰＳ前駆体試料ならびにＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマーの示唆走査熱量測定（ＤＳＣ）記録の二次加熱走査（ｓｅｃｏｎｄｈｅａｔｉｎｇ ｓｃａｎ）。これらの試料中の各ドメインに関するガラス転移温度（Ｔｇ）値は、同等のサイズのホモポリマー類似体に関して測定されたガラス転移温度値とよく一致している。ＰＳ及びＰＤＭＡのガラス転移温度は極めて近接しているため、トリブロックターポリマーにおける別々のガラス転移温度は、容易には観察されなかった。
【００１６】
［発明の詳細な説明］
Ｉ．序論
[34]本発明は、これまで達成することができなかった物理的及び化学的特性を有する新規の膜の製造を可能にする。ブロックコポリマーを用いた先行研究は、膜材料内部に組み込まれた垂直に配向された最密円筒形構造のナノスケールの多孔性パターンの整形を可能にすることによって、膜の設計に特に有用であり得るプロセスパラメータを制御することによって得ることができる、自己組織化パターンを示している。しかしながら、以前の研究は、これらの膜の使用、例えば、逆浸透膜に必要となる、小さい孔サイズを達成することができていなかった。
【００１７】
[35]マルチブロックコポリマーを使用することによって、本発明者らは初めて、水溶液中に溶解したイオンのそれらのサイズに基づく選択的排除を可能にするのに十分に小さいサイズを有する、自己組織化孔からの膜を得ることができた。本明細書に提供されるデータは、溶解したイオンの最小のものでさえも拒絶することが可能であり、逆浸透または順浸透システムに必要とされる孔サイズの範囲内のサブナノメートル（＜１ｎｍ）孔を実証する。
【００１８】
[36]本発明は、ポリマーから製作、注形、形成、または製造される膜及び／またはフィルムを含む。かかるポリマーは、自己組織化性ポリマーであることができる。本明細書で使用されるとき、「ポリマー」は、一緒に共有結合した多数の類似の単位から主にまたは完全に成る分子構造を有する物体を含む。本発明のポリマーは、マルチブロックポリマーを含むことができる。本明細書で使用されるとき、「マルチブロック」ポリマーは、その中に、２つを超える別個のポリマーブロックまたは領域が存在するものである。マルチブロックポリマーとしては、マルチブロックコポリマー、マルチブロックトリまたはターポリマー、トリブロックターポリマー、及び４、５、６、７、８、９、または１０個の別個のポリマー領域またはブロックを含む高次マルチブロックポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１９】
[37]本明細書で使用されるとき、「マルチブロックコポリマー」は、好ましくは線形様式で連結された、２つ以上の化学的に異なる領域またはセグメント（「ブロック」と称される）を含むポリマー、即ち、末端と末端で連結された化学的に区別される単位を含むポリマーである。本発明において有用なポリマーの種類は、本明細書により詳細に説明される。
【００２０】
[38]本発明の膜及び／またはフィルムは、多孔性、均一多孔性（ｉｓｏｐｏｒｏｕｓ）、または半多孔性であることができる。本明細書で使用されるとき、用語「多孔性」は、その分子構造が流体または気体流に対して透過性である材料を指す。「半多孔性」である材料は、ある材料に関しては多孔性であるが、他の材料にはそうではない。「均一多孔性」は、膜またはフィルムの表面層が、狭い孔サイズ分布を有することを意味する。これらの材料は、材料内の空隙であるそれらの孔のサイズによって特徴付けられことが多い：２ナノメートル（ｎｍ）未満の直径を有する極小孔、２〜５０ｎｍの間の直径を有する中間サイズ孔、及びの５０ｎｍを超える直径を有する極大孔。従来の多孔性材料は、形状均一性もサイズ均一性も示さない無作為に分布した空隙を有する。対照的に、周期的な分布または格子を有する空隙または粒子は、秩序化されていると称され、狭いサイズ及び形状分布を有するものは、単分散と称される。孔サイズは、典型的には、孔の平均直径に関して使用されることに留意されたい。孔は、断面において正確に円形でなくてもよいが、典型的には、概ね一定の断面積及び形状の円筒形または管状構造である。マルチブロックコポリマーは、一定の範囲の分散度値（Ｍｗ／Ｍｎ）を有することができる。例えば、マルチブロックコポリマーは、０．０５までの及びその間の範囲の全ての値を含む、１．０〜１．５の範囲の分散度値（Ｄ）を有することができる。幾つかの実施形態では、分散度値は、１に等しいかそれより大きく、かつ１．１未満、１に等しいかそれより大きく、かつ１．２未満、１に等しいかそれより大きく、かつ１．３未満、１に等しいかそれより大きく、かつ１．４未満、１に等しいかそれより大きく、かつ１．５未満である。マルチブロックコポリマーは、１．０１〜１．４のＤを有することが望ましい。
【００２１】
[39]本発明の膜またはフィルムの別の特長は、官能化に関するそれらの能力である。官能化は、化学的または構造的であってよい。本発明の膜またはフィルムの化学的官能化は、膜表面、１つ以上の孔の間の境界面、及び孔の内側を覆う膜または壁において発生するか、または達成されることができる。化学的官能化は、膜を注形する前、注形プロセス中、または膜もしくはフィルムの注形の後に付与されることができる。
【００２２】
ＩＩ．膜の製作
[40]従来、膜は、１）高度に多孔性の膜をもたらす、相分離技術、または２）単分散サイズを有する低密度の孔を含有するトラックエッチド膜を生成する、濃いフィルムの高エネルギー衝撃を使用して製作されてきた。しかしながら、これらの方法で作製された現在の濾過膜は、高流速と高サイズ選択性との間のトレードオフ及び汚染の悪影響のため、特定の用途から阻まれている。さらに、狭く分布した孔を有する現在の商業用膜は、異なる化学的官能性を有する類似のサイズの材料を分離する能力を有さない。
【００２３】
[41]狭いサイズ分布を有する膜孔を作成するための１つの技術は、自己組織化性ブロックポリマーの注形材料としての組み込みが挙げられる。これは、ブロックポリマーのミクロ相分離されたドメインが孔形成をテンプレート化することを可能にする。これまで、これは、異方性膜を作成するための非溶媒相分離技術か、または秩序化されたナノ構造へのブロックポリマーの自己組織化、及びその後の、一体構造を生じさせる選択エッチング技術を通じた相のうちの１つの除去かのいずれかを使用して生じてきた。
【００２４】
[42]位相反転方法論において、多孔性チャネルは、注形プロセス中に収縮するミセルの親液性殻として形成する。これは、それまで親溶媒性部分によって占められていた体積を開放した孔として残す。一体型膜孔は、特定の十分に秩序化されたナノスケールドメインの選択エッチングによって生成される。どちらのプロセスにおいても、得られる膜は、高度に均一な孔サイズを有する。自己組織化及び非溶媒誘起相分離（ＳＮＩＰＳ）技術の使用は、近年、サイズ選択性を犠牲にすることなくより高い流速をもたらすより薄い膜を作製するその能力のため、一体型テンプレートより好まれている。ＳＮＩＰＳ技術を使用する別の利点は、幾つかの実施形態では、それが、いかなる選択エッチングも必要としないことである。さらに、ＳＮＩＰＳプロセスは、薄膜を不織布などの機械的支持体上にコーティングして、工業的規模での膜製作の可能性をもたらすように修正することができる。
【００２５】
[43]ＳＮＩＰＳ方法は、制限を伴わないわけではない。ＳＮＩＰＳ方法論を介して製作されるブロックポリマー膜に関するこれまでの努力は、制限された数の孔官能性をもたらしている。ポリスチレン−ｂ−ポリ（ビニルピリジン）（ＰＳ−ＰＶＰ）及びポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（４−ビニルピリジン）（ＰＩ−ＰＳ−Ｐ４ＶＰ）システムは、孔壁上に存在するＰＶＰ官能性の制限された化学基変換によって妨げられることが実証されている。それに加えて、ＰＩ−ＰＳ−Ｐ４ＶＰシステムは、アニオン制御された重合機構に依存し、それは、任意の規模での高忠実度合成のために低温（−７８°Ｃ）、その場溶媒交換手順、及び異物を伴わない厳しい非雰囲気（ｎｏｎ  ａｕｒａ）条件を必要とする可能性があり、これらの材料から作製される膜の大規模な有用性を制限する。
【００２６】
[44]したがって、１）高選択性、２）高流束、３）直接的な材料合成、及び４）調整された孔官能性の作成を可能にするナノ構造膜を作成することができるような、ブロックポリマーの大規模生産を可能にする方法論の必要性が、当該技術分野に存在する。本発明は、かかる解決策を提供する。
【００２７】
[45]本発明の一態様によれば、調整された孔の化学的性質を含有するナノ構造フィルムまたは膜が、製作される。本明細書で使用されるとき、「膜」は、気体かまたは液体かに関わらず、流体の流れに付随して、特定の構成成分の通過を可能にし、その一方で他の構成成分を保持する選択障壁を指す。「フィルム」は、１０ｎｍ未満からマイクロメートルの厚さの範囲にわたる材料の層を指す。膜は、フィルムであってもよく、及び／またはフィルムは膜として作用してもよい。
【００２８】
[46]本発明のポリマー膜及び／またはフィルムは、ナノ多孔性表面活性層と微孔性支持層とを備える。別段に指定のない限り、孔サイズに言及するとき、それは、言及されている孔径である。表面活性層の孔サイズは、５ｎｍ未満、４ｎｍ未満、３ｎｍ未満、２ｎｍ未満、または１ｎｍ未満である。幾つかの実施形態では、活性表面層の孔サイズは、０．０１ｎｍまたは０．１ｎｍ未満である。
【００２９】
[47]幾つかの実施形態では、活性表面層の孔サイズは、０．５ｎｍ〜１ｎｍの間、０．１ｎｍ〜０．５ｎｍの間、または０．０１ｎｍ〜１ｎｍの間の直径である。
【００３０】
[48]幾つかの実施形態では、活性表面層は、約１００ｎｍの厚さである。活性表面層は、１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍの範囲にわたることができる。幾つかの実施形態では、活性表面レイターは、１００ｎｍ未満の厚さである。幾つかの実施形態では、活性表面層は、少なくとも１０ｎｍ、少なくとも２０ｎｍ、少なくとも３０ｎｍ、少なくとも４０ｎｍ、少なくとも５０ｎｍ、少なくとも６０ｎｍ、少なくとも７０ｎｍ、少なくとも８０ｎｍ、少なくとも９０ｎｍ、または少なくとも１００ｎｍの厚さである。
【００３１】
[49]支持層の孔サイズ（例えば、直径）は、５００ｎｍ〜５０，０００ｎｍの範囲にわたることができる。
【００３２】
[50]幾つかの実施形態では、支持層は、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも６００ｎｍ、少なくとも７００ｎｍ、少なくとも８００ｎｍ、少なくとも９００ｎｍ、少なくとも１０００ｎｍ、少なくとも１１００ｎｍ、少なくとも１２００ｎｍ、少なくとも１３００ｎｍ、少なくとも１４００ｎｍ、少なくとも１５００ｎｍ、少なくとも１６００ｎｍ、少なくとも１７００ｎｍ、少なくとも１８００ｎｍ、少なくとも１９００ｎｍ、少なくとも２０００ｎｍ、少なくとも２１００ｎｍ、少なくとも２２００ｎｍ、少なくとも２３００ｎｍ、少なくとも２４００ｎｍ、少なくとも２５００ｎｍ、少なくとも２６００ｎｍ、少なくとも２７００ｎｍ、少なくとも２８００ｎｍ、少なくとも２９００ｎｍ、少なくとも３０００ｎｍ、少なくとも３１００ｎｍ、少なくとも３２００ｎｍ、少なくとも３３００ｎｍ、ｎｍ最小３４００ｎｍ、少なくとも３５００ｎｍ、少なくとも３６００ｎｍ、少なくとも３７００ｎｍ、少なくとも３８００ｎｍ、少なくとも３９００ｎｍ、少なくとも４０００ｎｍ、少なくとも４１００ｎｍ、少なくとも４２００ｎｍ、少なくとも４３００ｎｍ、ｎｍ最小４４００ｎｍ、少なくとも４５００ｎｍ、少なくとも４６００ｎｍ、少なくとも４７００ｎｍ、少なくとも４８００ｎｍ、少なくとも４９００ｎｍ、少なくとも５０００ｎｍ、少なくとも１０，０００ｎｍ、少なくとも２０，０００ｎｍ、少なくとも３０，０００ｎｍ、または４０，０００ｎｍの厚さである。支持層は、１００〜１００，０００ｎｍの厚さの範囲にわたることができる。
【００３３】
[51]本発明の一実施形態は、ナノ多孔性活性選択層を備える有機膜であって、ナノ多孔性活性選択層は、複数の孔を備え、孔は、
（ｉ）５ｎｍ未満の実質的に均一な直径と、
（ｉｉ）１ｎｍ未満の実質的に均一な孔径の標準偏差と、
（ｉｉｉ）膜の表面と概ね垂直である実質的に均一な配向と、を有する、有機膜を提供する。
【００３４】
[52]一実施形態では、フィルムまたは膜は、自己組織化トリブロックターポリマーから製作される。
【００３５】
[53]本発明の別の態様は、ナノスケールで規則的な構造に自己組織化して、我々の膜の孔構造をテンプレート化するトリブロックターポリマーを利用し、それは、現在の膜が欠いている構造的特長、高密度の単分散孔を含有する膜をもたらすことができる。孔サイズは、十分に設計された化学合成を使用して、自己組織化性巨大分子の分子量及び分子量分布を正確に制御することによって調節することができる。本発明の別の態様では、フィルムまたは膜は、１平方メートル当り複数の単一サイズの孔を含有するであろう。幾つかの実施形態では、膜またはフィルムは、１平方メートル当り１０１４、１０１５、１０１６、１０１７、１０１８、または１０１９個を超える孔を有することができる。
【００３６】
膜官能化
[54]一態様では、巨大分子は、測量可能なＳＮＩＰＳプロセスを使用して大きい膜面積を製作した後、膜孔が、固体状態で無数の官能基に容易に変換され得る官能性部分によって覆われるように、設計することができる。このプロセスは、膜の「分子からモジュールへの（ｍｏｌｅｃｕｌｅ−ｔｏ−ｍｏｄｕｌｅ）」制御を可能にする。これは後に、確立された新興の膜分離における構造−特性−性能関係の開発を可能にする。重要なことに、これらの関係は、合理的及び体系的様式で膜の設計を最適化するために利用することができる。
【００３７】
[55]さらに、膜の孔の化学的性質は、化学的構成成分、及び巨大分子のポリマー骨格に沿った官能性の分布を制御することによって、所与の分離の特定の必要のために調整することができる。
【００３８】
[56]本発明によれば、膜は、表面で、内部で、または孔の内側面などの境界面で官能化されることができる。かかる官能化としては、反応基の組み込みが挙げられる。本発明の膜に組み込むことができる反応基または部分の例としては、アルコール、ヒドロキシル、カルボニル、アルデヒド、チオール、ケトン、ハロゲン化アシル、炭酸塩、カルボン酸塩、カルボン酸、エステル、メトキシ、ヒドロペルオキシド、ペルオキシド、エーテル、ヘミアセタール、ヘミケタール、アセタール、ケタール、アセタール、オルトエステル、ヘテロ環、オルト炭酸エステル、アミド、アミン、イミン、イミド、アジド、シアン酸塩、硝酸塩、ニトリル、亜硝酸塩、ニトロ化合物、ニトロソ化合物、ピリジン、ピリジン誘導体、チオール、スルフィド、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、硫酸、スルホン酸、チオシアン酸塩、チオン、チアール、ホスフィン、ホスファン、ホスホン酸、リン酸塩、リン酸ジエステル、ボロン酸、ボロン酸エステル、ボリン酸、ボリン酸エステル、カルボン酸、アルキル基、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００３９】
[57]幾つかの実施形態では、官能化は、ｐＨ、湿潤／乾燥状態と共に、または温度と共に変動する。例えば、官能化は、そのイオン状態がｐＨと共に変動する両性イオン性部分を含むことができる。かかる膜における多様性は、膜またはフィルムまたはデバイスの使用を、環境条件が材料（例えば、固体、液体、または気体）の分離、濾過、精製、または濃縮に関する特有の要件を決定付ける、科学技術または生物学（農業を含む）の分野に拡張する。
【００４０】
ＩＩＩ．本発明のポリマー
[58]ポリマーは、１つ以上のモノマーで構成される構造である。２つのモノマー種から作製されるポリマーは、コポリマーと称される。コポリマーは、モノマー単位の分布に基づいてさらに分類することができる。例えば、モノマー種「Ａ」及び「Ｂ」を有するコポリマーは、モノマー単位がＡ−Ｂ−Ａ−Ｂなどの交互の方法で分布する場合、交互コポリマーと称されることができる。ＡＡＡ−ＢＢＢなどのパターンのモノマー分布を有するコポリマーは、種がポリマーに沿ってブロックで配列されるため、ブロックコポリマーと称される。ブロックコポリマー内のホモポリマー単位は、典型的には、共有結合によって結び付けられる。同一のブロックコポリマーの基礎アーキテクチャは、より複雑な構成に拡張することができる。例えば、トリブロック、テトラブロック、またはマルチブロックコポリマーも、作り出すことができる。マルチブロックは、２より大きいかそれと同等の不特定の数のブロックを指す。同様に、２つを超えるモノマー種から成る、より複雑なポリマー。これらは、３つのモノマー種の場合はターポリマー、４つの場合はテトラポリマー、または２より大きいかそれと同等の不特定の数のモノマー種の場合はマルチポリマーと称されることもある。
【００４１】
[59]膜は、酸化アルミニウムまたはゼオライトなどの無機物、及び無数のポリマーを含む有機材料を含む、種々の異なる材料から製作することができる。ポリマーマトリックスの内部に無機物を組み込む複合膜もまた、高度に秩序化された無機構造の選択性をポリマー材料の機械的耐久性と組み合わせることを目指して広く研究されている。しかしながら、ポリマーシステムに関連付けられる多様性及び処理の容易性は、それらを、最も従来的な膜製作のための標準的な材料にする。
【００４２】
[60]本発明において有用なポリマーとしては、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレングリコール、ポリエーテル、ポリエーテルイミド、ポリビニルアルコール、またはポリ塩化ビニル、及びそれらの誘導体または組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。ポリマーは、生分解性または生体適合性であってもよい。それらは、任意の供給元から購入することができ、例えば、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｎａｔｉｃｋ，ＭＡ）は、とりわけ、ＰＥＧ−ｂ−ＰＬＡ、ＰＥＧ−ｂ−ＰＬＧＡ、ＰＥＧ−ｂ−ＰＳ、ＰＥＧ−ｂ−ＰＣＬ、ＰＥＧ−ｂ−ＰＥ、ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ、ＰＳ−ｂ−ＰＡジブロックコポリマーを供給する。したがって、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈカタログは、その全体が参照により本明細書に援用される。これらのコポリマーのいずれも、本発明において使用することができる。
【００４３】
[61]本発明によれば、本明細書で参照されるモノマーのいずれも、単独で、またはジ−またはトリ−ポリマーの構成要素として、本発明のモノマーとして機能することができる。
【００４４】
[62]本発明において有用なモノマーの例としては、ＤＭＡ、ｔＢＭＡ、ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（メタクリレート）、例えば、ポリ（メタクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）など、ポリ（アクリル酸）、及びポリ（ヒドロキシスチレン）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４５】
[63]本発明において有用なコポリマーの例としては、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、及びポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４６】
[64]モノマー及びコポリマーは、任意の順番で組み合わされて、ターポリマーまたはトリブロックコポリマーを生成することができることを理解されたい。これらの例としては、ポリ（イソプレーン−ｂ−スチレン−ｂ−４−ビニルピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（イソプレーン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（４−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（（２−ビニル）ピリジン）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（アクリル酸）、ポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（ａ−メチルスチレン）−ｂ−ポリ（ジメチルエチルアミノエチルメタクリレート）、及びポリ（ブタジエン）−ｂ−ポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（ヒドロキシスチレン）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００４７】
[65]本発明において有用な疎水性合成ポリマーの例としては、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリ炭酸塩、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルケトン、ポリハロゲン化ビニル、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリットイミド、ポリキノキサリン、ポリベンゾイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリピロリジン、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド（ｐｏｌｙｐｈｔａｌｉｄｅ）、ポリアセタール、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルケトン、ポリハロゲン化ビニル、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリ尿素、ポリホスファゼン、ポリシラザン、ポリシロキサン、ポリオレフィンなど、または前述のポリマーのうちの少なくとも１つを含む組み合わせ
が挙げられる。
【００４８】
[66]本発明において有用な親水性合成ポリマーの例としては、ポリアリールスルホン、ポリ無水物、及びポリスルホネート、ならびにそれらの組み合わせが挙げられる。
【００４９】
[67]近年、幾つかの新規の材料が、より高い透過性を有する膜を作製する可能な方法として提案されており、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェンの使用、または膜内でのアクアポリンの使用が挙げられる。（アクアポリンは、多くのヒト及び動物細胞内での水濾過に関与するタンパク質である）。これらのアプローチは、極めて高い流速を送達する可能性を有するが、これらの種類の膜のより大規模な開発に伴う著しい製造上の課題が存在する。本発明は、かかる非従来的なポリマー物体の使用を企図する。
【００５０】
ポリマー：自己組織化。
[68]ナノスケールの機械的、電気的、化学的、及び生物学的デバイス及びシステムの開発が増加するのに伴い、新規のプロセス及び材料がナノスケールのデバイス及び構成要素を製作するために必要である。自己組織化性ブロックコポリマーの使用は、ナノメートル寸法のパターン形成への別の道筋を提示する。ブロックコポリマーとして広範に定義される特定の種類のポリマーの自己組織化特性は、膜材料の作製への可能なアプローチとして調査されてきた。
【００５１】
[69]本発明の一実施形態は、自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーのナノ構造膜を形成するための方法であって、
ａ）制御ラジカル重合機構を使用して自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーを合成するステップと、
ｂ）非溶媒誘起相分離［ＳＮＩＰＳ］を使用して、自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーからナノ構造膜を製作するステップと、を含み、
マルチブロックコポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）［ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ］またはポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）［ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡ］を含むターポリマーを含む、方法提供する。
【００５２】
[70]本発明の別の実施形態は、自己組織化Ａ−Ｂ−Ｃマルチブロックコポリマーナノ構造膜であって、コポリマーが、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）［ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ］またはポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）［ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡ］を含むターポリマーを含む、ナノ構造膜を提供する。
【００５３】
[71]本明細書に開示されるか、または当業者に既知であるポリマーのいずれかも、本発明の自己組織化ポリマー構造を作成するために利用することができる。ブロックポリマーの自己組織化は、材料が最低エネルギー配座に達しようとする間に生じる、本質的なトレードオフに起因して生じる。具体的には、巨大分子は、化学的に互換性のないブロック間の相互作用に関連付けられるエンタルピーペナルティ（ｅｎｔｈａｌｐｉｃｐｅｎａｌｔｙ）を最小にしながら、また鎖伸長の量を最小にしようともする（鎖伸長は、増加する巨大分子に関連付けられる配位エントロピーの量を減少させるため）。したがって、ブロックポリマーは、それらの分子結合の本質的な長さによって制限されるため、１ｎｍ〜１００ｎｍ未満の長さの規模で自己組織化する。正確な幾何形状、ドメイン間隔、及びこれらのブロックポリマーの整列は、これらのナノ材料の化学的性質及び処理を調整することによって、単純に制御することができる。
【００５４】
ＩＶ．本発明の膜、ポリマー、及び方法の使用
[72]本発明によれば、本明細書に説明される膜、フィルム、及び／またはデバイスは、単独でかまたは組み合わせて、固体、液体、または気体媒質の分離、濃縮、精製、抽出、クロマトグラフィー、または濾過を達成するために使用することができる。場合によっては、目標は、油または価値のある鉱物もしくは材料の水源からの抽出などの、分離された材料を収集することであってもよい。他の実施形態では、これらの２つの目標は、水をきれいにし、また同時に除去された汚染物質の一部から価値を収集及び抽出する目的と共に、同時に追求することができる。
【００５５】
水の処理、精製、及び分離
[73]種々の実施形態では、本発明は、マルチブロックコポリマーを調製する方法と、重要な濾過特性を有する膜を含む、膜を使用するための方法とを提供する。この文脈において、本発明は、水源を浄化、脱塩、または汚染除去して、よりきれいな水を得るためのプロセスにおける有用性を見出す。
【００５６】
[74]新鮮な水は、ますます乏しくなっている世界的資源であり、汚染された水源をきれいにし、より新鮮な水を作り出すためのより効率的で生産的な方法への需要が高まっている。膜技術は、主要な水処理技術として確立されており、精密濾過（ＭＦ）、限外濾過（ＵＦ）、ナノ濾過（ＮＦ）、及び逆浸透（ＲＯ）膜にわたる種々の異なるシステムに使用される。これらの膜は、それらの典型的な孔サイズに基づいて分類することができ、それは表１にまとめられる。これらの孔サイズ範囲の正確な定義における僅かな変動が文献間で存在し、また公的な定義は存在しないが、大部分の定義は比較的類似している。
【００５７】
[75]水処理スキームの普遍性は、生命へのその基本的なつながりを考慮すると、驚くべきことではない。本発明の膜及びフィルムは、膜生物反応器内での排水の処理、排出要件を満たすための油及びガス水の処理、採掘作業からの汚染水の改善、海水の脱塩、半塩水の脱塩、都市用水の処理、生物製剤の製造におけるウイルスの分離、発電所冷却水の処理、食品及び飲料の製造、パルプ及び紙の処理、ならびに多数のさらなる用途を含む、広範な用途にわたって使用することができる。当業者は、任意の所与の水性物体に適用される同一の種類の膜、方法、またはプロセスが、多数の他の用途に適用され得ることを理解するであろう。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
[76]これらの膜がうまく稼働することができる機構には、実質的な違いが存在する。ＭＦ膜は、細菌及び懸濁された固体の通過を不可能にすることができるが、ウイルス、イオン、及び水分子の通過を可能にする傾向があり、これは、これらが、サイズがより小さく、ＭＦ膜の比較的大きい孔を容易に通過することができるためである。ＭＦ膜が排除することができるものに加えて、ＭＦ膜はまた、ウイルスを除去するために使用することもでき、より小さい孔サイズのＮＦ膜に移行すると、より大きい多価イオンのうちの幾つかも除去することができる。逆浸透膜は、溶解したイオンのうちの最小のものでさえ効果的に除去することができ、ほとんどのイオンよりサイズの小さい水分子の通過のみを主に可能にする。ＭＦ、ＵＦ、及びＮＦ膜の選択性は、膜孔サイズより小さい物質のみが膜を通過することができ、孔サイズより大きい物質は膜を通過することができない、サイズ排除機構に実質的に基づく。膜を有効にするために、それらは、孔の大部分が実質的に類似のサイズのものであるように、低孔サイズ変動性である必要がある。さもなければ、より大きい物質はより大きい孔を通過することができるため、膜の選択性は損なわれるであろう。
【００６０】
[77]現在の技術は、１ｎｍ以下の範囲内の一定のサイズの孔を有するＲＯ膜を作ることができていない。代わりに、現在のＲＯ膜は、膜を横切る任意の分子が、膜の厚さより通常はるかに大きい距離を移動するように、蛇行した経路を有して作られる。膜を通じたこれらの経路は、孔の複雑なネットワーク化された網、及び多様なサイズの通路によって接続された開口部として考えられることができる。膜を通じたこの迂遠経路を横切ることは、小さい水分子にとっては、それが膜を横断する際にとることができる多数の可能な経路が存在するため、より容易である。サイズがより大きいため、溶解したイオンは、それらが通ることができる膜を通じた経路を見出すことがはるかにより困難であり、膜を横切る際により長い経路をとりやすいであろう。最終的な結果は、膜は、イオンが通過することができる比率より大きい規模の比率で、水分子の通過を可能にするということである。透過性におけるこの差は、現在のＲＯ膜に見られる極めて高い拒絶率をもたらす。この膜アーキテクチャの１つの結果は、膜を通した到達可能な流速を低減されたということである。現在のＲＯ膜は、残念なことに、低い透過性の問題を抱え、また低い透過性に打ち勝つより高い作業圧力を必要とする。これらの要因は、より高い作業コスト及び資本コストとなる。低圧印加である傾向があるＵＦ及びＭＦと対照的に、ＲＯシステムは、典型的には高圧印加である。溶解した溶質を水溶液からから分離するために必要とされる最小量のエネルギーは、浸透圧として知られる。ＲＯシステムは、浸透圧より高い圧力で稼働しなければならない。ＲＯに対する代替的なアプローチは、順浸透（ＦＯ）膜の使用である。ＦＯでは、浸透圧勾配に打ち勝つような圧力を印加する代わりに、ＦＯシステムは、膜の片側を駆動溶液として作用し、低浸透圧溶液から高浸透圧溶液への水の流れをもたらす、より高い浸透圧を有する溶液に曝露する。
【００６１】
[78]本発明の膜及びフィルムは、これらの問題を解決する。
【００６２】
バイオ分離
[79]水の処理に加えて、限外濾過（約１０〜１００ｎｍの孔サイズ）及びナノ濾過（約１〜１０ｎｍの孔サイズ）膜は、達成するサイズ選択的分離を達成するために製薬産業において広く使用される。例えば、金属、細菌、ウイルス、及び他の有機物は、限外濾過（ＵＦ）及びナノ濾過（ＮＦ）膜を使用して水溶液から選択的に分離されている。さらに、ＵＦ及びＮＦ膜は、薬物送達における物質移動、微細パターン形成、生物学的感知、及び固定化用途を媒介するために使用されてきた。しがたって、これらの技術プラットフォームの材料組成及びナノ構造の制御は、最も重要である。本発明の膜は、これらの問題に対処する。
【００６３】
[80]さらに、膜分離技術は、モノクローナル抗体（ｍＡｂ）の精製において多く使用される。しかしながら、現在の商業用膜は、高処理能力処理を可能にせず、これは、これらの治療薬に関する高いコストにつながり、したがって臨床状況における低減された利用につながる。大規模なｍＡｂ生産及び単離の高いコストは、臨床状況におけるこれらの広範な利用を妨げてきた。膜技術は、ｍＡｂ精製市場において優勢であるが、現行の商業用膜は、広い孔サイズ分布を有する活性層構造に依存し、それは、最終薬物純度を現在の治療薬に求められる高いレベルにするステップにおけるそれらの使用を妨げる。この状況は、クロマトグラフィーカラムを使用する必要をもたらし、それは、処理能力を大きく低下させ、患者のコストを増加させる。したがって、臨床治療及び多種多様な患者の健康を前進させるために、特定の生化学物質に対する容易に調節可能な選択性を有する高処理能力、低コストの生物製剤精製技術の必要性が存在する。
【００６４】
[81]本発明は、生物製剤の改善された生産及び低下されたコストのための高流束及び高処理能力膜を作り出すために、バイオ分離デバイスの設計を改善する。本発明は、有用なナノスケール構造に自己組織化する新規のマルチブロックコポリマーを含み、また特徴付ける。この次世代型の「分子からモジュールへの」アプローチは、明白で直接的な様式での、高性能の生物医学的分離デバイスの設計を可能にする。膜ナノ構造を調節し、孔の化学的性質を調整するする特有の能力は、エネルギー効率の良い環境配慮型の分離デバイスが、現在の技術の代わりに配備されることを可能にする。
【００６５】
有害性元素、同位体、または生体分子の改善及び／または除去
[82]本発明の一態様によれば、膜またはフィルムは、特定の有害性元素を水源から除去するために使用することができる。１つのかかる用途は、セレニウムの除去である。一実施形態では、本発明の膜またはフィルムは、流水を透明にするかもしくはきれいにする目的のために、または飲用以外の目的のための水の改善において、単独で、またはデバイス内で使用される。
【００６６】
[83]別のアプローチでは、マグネシウムを、本発明の膜またはフィルムを使用して海水から除去することができる。一実施形態では、かかる膜は、従来のＲＯシステムと共に、相前後してか、または連続してかのいずれかで使用することができる。
【００６７】
[84]同様の方法で、放射性同位体も、水源または排水から除去することもできる。ホルモン（例えば、エストロゲン）などの生体分子は、本発明の膜、フィルム、またはデバイスを使用して水供給源から除去することができる。
【００６８】
半導体産業
[85]本発明の別の態様によれば、膜及び／もしくはフィルム、またはそれを備えるデバイスは、超純水の生成のために半導体産業において使用することができる。
【００６９】
軍事及び現場用途
[86]本発明のまた別の態様によれば、膜、フィルム、及びデバイスは、遠隔地、軍事施設、緊急または災害救助に関する状況、人道的任務などを含むがこれらに限定されない、遠隔または緊急の環境内に配備するのに有用である。
【実施例】
【００７０】
[87]以下の実施例は、上記の発明を例証するように意図され、その範囲を狭めるように解釈されるべきではない。当業者は、実施例が、本発明を実践することができる多数の他の方法を示唆することを容易に認識するであろう。多数の変形及び修正が、本発明の範囲内に留まりながら行われてもよいことが理解されるべきである。
【００７１】
実施例１．一般的な方法。
核磁気共鳴（ＮＭＲ）
[88]１Ｈ  ＮＭＲスペクトルを、重水素化クロロホルム（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）中の約１重量％のポリマー溶液を使用して、Ｂｒｕｋｅｒ  ＤＲＸ５００分光計上で測定した。サイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）データを、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  Ｇ１３６２Ａ屈折率（ＲＩ）検出器及び３つのＰＬｇｅｌ５μｍＭＩＸＥＤ−Ｃカラムを備え付けたｑＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ  １２６０  Ｉｎｆｉｎｉｔｙ  ｓｅｒｉｅｓ上で収集した。移動相は、３５℃、１ｍＬ  ｍｉｎ−１の流速のテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で構成された。ＳＥＣは、１ｋｇ  ｍｏｌ−１〜２００ｋｇ  ｍｏｌ−１の範囲にわたる分子量を有するポリスチレン基準（Ａｇｉｌｅｎｔ  Ｅａｓｉ  Ｃａｌ）を使用して較正した。示唆走査熱量測定（ＤＳＣ）データを、ＴＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｑ２０  Ｓｅｒｉｅｓ示唆走査熱量計を使用して収集した。試料を、初めに２００℃に加熱し、１０分間等温保持した後、窒素ガスパージ下で−７５℃に冷却した。示されるデータは、１０℃  ｍｉｎ−１における、−７５℃〜２００℃の最終走査からのものである。
【００７２】
全反射フーリエ変換赤外線（ＡＴＲ−ＦＴＩＲ）
[89]全反射フーリエ変換赤外線（ＡＴＲ−ＦＴＩＲ）分光測定を、ダイヤモンド基材を備え付けたＴｈｅｒｍｏ−Ｎｉｃｏｌｅｔ  Ｎｅｘｕｓ  ＦＴＩＲを使用して取得した。窒素で常にパージしながら、ＡＴＲ−ＦＴＩＲデータを、ＤＴＧＳ  ＫＢｒ検出器及びＫＢｒビーム分割器を使用して４５００〜８００ｃｍ−１の範囲内にて３２走査で収集した。約１％（重量基準）のブチル化ヒドロキシトルエン（ＢＨＴ）を含有する粉末の小角度Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）測定を、２ｍｍ厚のポリマーディスクをＣａｒｖｅｒ  ｐｒｅｓｓを使用して洗浄器内に圧入することによって調製した。次に、粉末試料を、真空下で１８０℃にて２４時間焼鈍し、次に室温に冷却した。ＳＡＸＳ実験は、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＳＳＲＬ）のビームライン１〜４で実施された。
【００７３】
モノマー及び溶媒。
[90]全ての化学物質は、別段に記載のない限りＳｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈから購入した。脱気した阻害剤を含まないテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を、アルミナカラム（Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を通した通過によって精製した。イソプレーン、スチレン、及びΝ，Ν−ジメチルアクリルアミドを、使用前に塩基性アルミナ（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）カラムを通した通過によって精製した。Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ水質浄化システム（Ｍｉｌｌｉ  Ｑ  Ａｄｖａｎｔａｇｅ  Ａ１０，Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｉｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）は、脱イオン水を提供し、それを、膜製作中の非溶媒として、透過性及び溶質拒絶試験のための溶液調製において、及び実験の最後に試験セルを濯ぐために使用した。
【００７４】
ポリマー合成及び特徴付け。
[91]ポリイソプレンの合成。可逆的付加開裂連鎖移動（ＲＡＦＴ）重合機構を、ポリイソプレンの合成のために利用した（Ｊｉｔｃｈｕｍ  ａｎｄ  Ｐｅｒｒｉｅｒ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ２００７，４０，１４０８−１４１２；Ｇｅｒｍａｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐａｒｔ  Ａ：Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．２００７，４５，４１００−４１０８を参照）。重合を、テフロン（登録商標）コーティングした磁気攪拌棒を含有する２５ｍＬの真空炎乾燥した反応フラスコ内で実施した。１５ｍＬ（０．１５ｍｏｌ）のイソプレーン、２４．２ｍｇ（０．０７ｍｍｏｌ）の２−（ドデシルチオカルボノチオイルチオ）−２−メチルプロパン酸（連鎖移動剤）、及び２．５μＬ（０．０１ｍｍｏｌ）のｔｅｒｔ−ブチルペルオキシドを、反応フラスコに添加した。固体が溶液中に完全に溶解した後、４つの凍結脱気サイクルを実施した。次に、反応フラスコをアルゴンで再充填し、反応を１２０℃に加熱した。反応フラスコ中の溶液を、１２０℃で４０時間攪拌した。混合物を室温に冷却し、メタノール中で３回沈殿させ、生成物（ＰＩ）を真空下で２４時間乾燥させた（１Ｈ  ＮＭＲを介してＭｎ＝１４．２ｋＤａ；Ｄ＝１．３）。
【００７５】
[92]ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレンの合成。重合を、テフロン（登録商標）コーティングした磁気攪拌棒を含有する２５ｍＬの炎乾燥した反応フラスコ内で実施した。０．９４ｇ（０．０７ｍｍｏｌの連鎖移動末端基）のＰＩ、１１．６ｍＬ（０．１０ｍｏｌ）のスチレン、１．４モル当量のジオキサン（０．１４ｍｏｌ、１２．０ｍＬ）、及び０．８７２ｍｇのＡＩＢＮ（５．３μｍｏｌ）を、反応フラスコに添加した。固体が溶液中に完全に溶解した後、４つの凍結脱気サイクルを実施した。次に、反応フラスコをアルゴンで再充填し、反応を６０℃に加熱した。反応を、この温度で４．２５日間攪拌した。混合物を室温に冷却し、メタノール中で３回沈殿させ、生成物（ＰＩ−ＰＳ）を真空下で２４時間乾燥させた（１Ｈ  ＮＭＲを介してＭｎ＝４５．３ｋＤａ；Ｄ＝１．２）。
【００７６】
[93]ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）の合成。ＰＤＭＡブロックの合成を、テフロン（登録商標）コーティングした磁気攪拌棒を含有する１００ｍＬの炎乾燥した反応フラスコ内で実施した。１ｇ（２２．０μｍｏｌの連鎖移動末端基）のＰＩ−ＰＳ、１５．８ｍＬ（０．１５ｍｏｌ）のＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、３体積当量のＴＨＦ（４７．５ｍＬ）、及び０．４５ｍｇ（２．８μｍｏｌ）のＡＩＢＮを、反応フラスコに添加した。固体が溶液中に完全に溶解した後、４つの凍結脱気サイクルを実施した。次に、反応フラスコをアルゴンで再充填し、反応を６０℃に加熱した。反応を、この温度で１．３時間攪拌した。混合物を室温に冷却し、冷ヘキサン中で３回沈殿させ、生成物（ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ）を真空下で２４時間乾燥させた（１Ｈ  ＮＭＲを介してＭｎ＝６８．６ｋＤａ；Ｄ＝１．３）。
【００７７】
膜製作及び構造的特徴付け。
[94]膜注形手順。膜を、自己組織化及び非溶媒誘起相分離（ＳＮＩＰＳ）法を使用して注形した。注形液を、ジオキサン及びテトラヒドロフランの７０／３０（重量／重量）混合物中に１５重量％の濃度でＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡターポリマーを溶解させることによって調製した。ターポリマーが完全に溶解した後、溶液を、攪拌せずに一晩放置して、溶液中で気泡が捕捉されないことを確実にした。膜を調製するために、溶液を、２５４μｍのゲート高でドクターブレードセットを使用して、ガラス基材上の薄フィルム内へ引き入れた。注形後、溶媒をフィルムから７５秒間蒸発させ、その後、フィルムを、非溶媒（ＤＩ水）槽中に入れて、ポリマー沈殿を誘起した。製作後、膜を、乾燥及びフィルムの亀裂を防止するためにＤＩ水中に保管した。
【００７８】
[95]構造的特徴付けのための膜試料の調製。走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）分析のための調製において、１ｃｍｘ１ｃｍの膜片を、大きいシートから切断し、空気乾燥させ、次にカーボンテープを使用して標準的なＳＥＭピンスタブ取り付け具（Ｔｅｄ  Ｐｅｌｌａ  Ｉｎｃ．，Ｒｅｄｄｉｎｇ，ＣＡ）上に固定した。断面顕微鏡写真のために、乾燥させた試料を、液体窒素中に１５秒間浸した、次に、割った後に垂直壁付ＳＥＭピンスタブ上にテープ付けした。全ての試料を、１．５ｎｍのイリジウムでスパッタコーティングした後、それらをＭａｇｅｌｌａｎ  ４００  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ内に装填した。顕微鏡写真を、３ｍｍの作業距離及び１〜３ｋＶの間の加速電圧を使用して生成した。
【００７９】
[96]ＳＥＭ撮像のためのイオン性液体で湿潤させた膜試料を調製するために、膜をピンスタブ上に固定し、２〜３滴のイオン性液体を膜の上部に定置した。イオン性液体を膜に５分間浸漬させた後、表面を、糸くずの出ないティッシュで拭き取って余剰液体を除挙した。次に、試料を１．５ｎｍのイリジウムでコーティングし、さらなる１〜２滴のイオン性液体を添加した。余剰液体の除去後、試料を、真空炉内で乾燥させて、残留水を除去した。
【００８０】
[97]ＡＦＭ実験を、文献に説明される通りに実行した（Ｊｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｓｃｉ．２０１３，４，３８１８−３８２６、その内容はその全体が参照により本明細書に援用される）。特徴付けを、防水スキャナ（Ｊ  Ｓｃａｎｎｅｒ，Ｖｅｅｃｏ）及び窒化ケイ素プローブ（ＮＰ，Ｖｅｅｃｏ）を用いてタッピングモード（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ，Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  ＩＶ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ｖｅｅｃｏ）で実施した。ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ試料を、乾燥状態で、２つの水性緩衝液、５０ｍＭの酢酸（ｐＨ＝２．９８）及び５０ｍＭの酢酸アンモニウム（ｐＨ＝６．８８）中で試験した。装置は、各撮像後に緩衝液で完全に洗浄した。
【００８１】
固体状態ＰＤＭＡからポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）への変換プロトコル。
[98]ＰＤＭＡドメインのＰＡＡへの変換は、文献に説明されるプロトコルに基づく（Ｒｚａｙｅｖ  ａｎｄ  Ｈｉｌｌｍｙｅｒ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００５  １２７，１３３７３−１３３７９）。膜片を、６ＭのＨＣｌ水溶液中に８５℃で所定の時間浸した。酸性溶液から除去した後、膜材料を、ＤＩ水中で繰り返し洗浄した。変換された膜を、次にＡＴＲ−ＦＴＩＲ分光法及び輸送試験を使用して分析した。
【００８２】
輸送試験（溶媒流、溶質拒絶、及び気体透過性）。
[99]撹拌セル実験デザイン。輸送試験を、１０ｍＬのＡｍｉｃｏｎ  ８０１０撹拌セル中で実施した。ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ（またはＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ）膜の１インチ直径の円形片を、標準的なハンドパンチを使用して製作した。クレーンカレンダー加工したＰＰ／ＰＥ不織微孔性基材の１インチ直径の片を、支持のために攪拌セルの底部に定置し、膜をこの支持の上部に定置した。撹拌セルを、１０ｍＬの溶液で充填し、次に蓋をし、窒素で与圧した。透過液を、秤の上に安置したバイアル内に収集した。バイアルの質量を、規則的な間隔で収集して、水流束を算出した。膜の水力学的透過性を、種々の印加圧力における水流束を測定することによって決定した。
【００８３】
[100]ｐＨ依存性透過性試験。水力学的透過性を、親及びＰＡＡ−官能化された膜に関して種々の酸性度及び塩基性度の溶液を使用して測定した。酸性溶液（１＜ｐＨ＜３）を、塩酸を使用して調製し、クエン酸を使用して、溶液を３〜５の範囲のｐＨからの溶液を調製した。ｐＨ７〜ｐＨ１０の塩基性溶液を、トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン（ＴＲＩＳ）を使用して作製し、水酸化ナトリウムを使用して、ｐＨ１１〜ｐＨ１３の溶液を調製した。ｐＨの値を、溶液をセル内に添加する前に、Ａｃｃｕｍｅｔ  ＡＰ１１５携帯ｐＨ計測器（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）を使用して測定した。
【００８４】
[101]分画分子量実験及び分析。１．１、２．１、４．０、６．０、７．８、及び１０．０ｋＤａの分子量を有するポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）試料を、全ての分子量に関して分散度値が１．１０以下で、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅ（Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｑｕｅｂｅｃ，Ｃａｎａｄａ）から購入した。分画分子量（ＭＷＣＯ）試験のために、単一のＰＥＯ試料を、１ｇ  Ｌ−１の濃度でＤＩ水中に溶解させ、撹拌セルに添加した。これらの実験中、セルは、濃度分極を防止するために４００ｒｐｍで攪拌した。透過液を、シンチレーションバイアル中に収集した。透過物のうちの初めの１．５ｍＬは、洗浄中に除去されない膜中の任意の残留溶液による汚染を排除するために廃棄した。２つの清潔なバイアルを使用して、１．５ｍＬの各透過試料を収集した。次に、バイアルをＰａｒａｆｉｌｍで覆い、水の蒸発を防止するために冷蔵保存した。各実験に関する供給液の試料２ｍＬを、同様の方法で保管した。各試験の間に、セルを空にし、ＤＩ水で３回洗浄した。
【００８５】
[102]実験した各々からの透過及び供給試料を、ＤＩ水で２０倍に希釈し、Ｓｈｉｍａｄｚｕ  ＴＯＣ−ＴＮ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃａｒｂｏｎ  Ａｎａｌｙｚｅｒを使用して、溶液中のＰＥＯの濃度を定量化した。パーセント拒絶を、以下の等式に従って算出した。
【数１】
0006330230.tif 000003
【００８６】
[103]ここで、
【数２】
0006330230.tif 000004
及び
【数３】
0006330230.tif 000005
は、それぞれ、透過物及び供給物中のＰＥＯの濃度を表す。
【００８７】
[104]気体隔膜セル試験。膜試料を、乾燥させ、１ｍｍの円形開口を中央に有するステンレス鋼ディスクにテープで貼った。膜の上部を、１ｍｍの開口上の膜面積のみを露出させたままで、エポキシで覆った。エポキシが硬化した後、ディスクを、２本の１Ｌの円筒間の隔膜セルの内側に定置した。システムを気体でパージした後、一方の円筒を１２ｐｓｉｇに充填し、他方を大気圧（０ｐｓｉｇ）に通気し、システムを閉止した。高圧供与性及び低圧受容性円筒の圧力を、時間の関数として観察した。データは、膜透過性（Ｐｈｉｌｌｉｐ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｍｅｍｂｒ．Ｓｃｉ．２００６，２８６，１４４−１５２）を算出するために使用した。実験は、圧力の変化が２ｐｓｉを超過するまで進行した。
【００８８】
実施例２．Ａ−Ｂ−Ｃトリブロックターポリマーの制御された合成及び化学的官能化の選択的変換。
[105]環境負荷の少ない高度な分離プロセスのためのトリブロックターポリマー膜の良好な形成に重要なのは、十分に制御された、及び十分に設計された巨大分子の合成である。化学反応機構及び化学的官能性の合理的な設計によって、容易に制御可能で高度に調節可能な分子量、分子量分布、及び化学組成を有するトリブロックターポリマーを作成することができる。制御重合化学を使用したこれらの３つのパラメータの操作は、有益な構造−特性関係の開発に有用である、ドメイン幾何形状及び膜多孔性を体系的様式で調節することを可能にする。
【００８９】
[106]制御重合技術の使用は、ブロックコポリマーに関する狭い分子量分布を促進する。このパラメータ、トリブロックターポリマーが、単分散孔サイズを有する秩序化された構造へと自己組織化するために重要である。これらの２つの態様は、製作された膜の最終的な分離能力に重要である。制御ラジカル重合機構は、大きいバッジに容易に拡大されるように設計されてもよい。その方法では、本明細書に説明される根本的に新規の材料が、将来の商業用規模の膜技術プラットフォームに直接的な様式で移されることができる。本明細書に説明される合成スキームは、多くの他のブロックコポリマー合成経路（例えば、アニオン重合）ほどの厳しい反応条件を必要としないため、これは、膜技術における使用に提案される多くのブロックコポリマー材料を上回る独特な利点を提供する。したがって、これらの新規のトリブロックターポリマー材料は、より安全でより環境を意識した、また将来を保証した最初の道筋を提示する。
【００９０】
[107]具体的には、我々は、可逆的付加開裂連鎖移動媒介性（ＲＡＦＴ媒介性）ラジカル重合機構を採用した。このスキームは、Ａ−Ｂ−Ｃトリブロックターポリマー、イソプレーン、スチレン、及びｔｅｒｔ−ブチルメタクリレートモノマーの逐次重合を通じた、ポリマー鎖の長さに沿った特有の化学的設計の３つのセグメント（即ち、スキーム１中のＡ、Ｂ、及びＣポリマー部分）が存在する巨大分子を作成する。
【００９１】
[108]トリブロックターポリマーのポリイソプレン（ＰＩ）及びポリスチレン（ＰＳ）部分は、膜に高度の機械的耐久性を付加することが証明されている。これまで、ＲＡＦＴ媒介性重合は、ＰＩ−ＰＳジブロックコポリマーを比較的容易に作成するために利用されてきた（Ｇｅｒｍａｃｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ｐａｒｔ  Ａ：Ｐｏｌｙｍ．Ｃｈｅｍ．２００７，４５，４１００−４１０８）。我々は、これは我々の研究における事例であることを見出した。したがって、我々は、低い対モノマー溶媒比率を必要とする反応条件、及び重合前の最小の精製方法（即ち、単純な凍結脱気サイクル）を使用して、多数のＰＩ−ＰＳジブロックコポリマーを作成することができた。
【００９２】
[109]これらの容易に測量可能な反応条件を使用して、我々は、比較的高い分子量（１Ｈ  ＮＭＲ末端基統合によって決定したときに、総ブロックコポリマーＭｎ＞８０ｋｇ  ｍｏｌ−１）及び比較的狭い分子量分布（ポリスチレン基準に対するサイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）を使用して決定したときに、Ｄ＜１．４）を有するＰＩ−ＰＳジブロックコポリマーを合成することができた。連鎖移動剤は、依然ＰＩ-ＰＳ鎖に共有結合しているという事実は、第３のモノマー、ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレートの容易なマクロ開始を可能にし、その後のポリマーは、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（ｔｅｒｔ−ブチルメタクリレート）（ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡ）であることが分かる。本実験は、この重合スキームの最初の証拠を実証した。したがって、多様なＲＢＭＡ鎖長に関してｔｅｒｔ−ブチルメタクリレートの重合を開始するためにＰＩ−ＰＳ−ＲＡＦＴを使用することは、比較的直接的である。したがって、種々の分子量及び分子組成（即ち、異なる長さのＡ、Ｂ、及びＣブロック）を迅速で体系的な様式で合成することが可能である。重要なことに、これらのＡ−Ｂ−Ｃターポリマーは、膜孔壁の官能性が単純な化学処理を通じて変更されることを可能にする。
【００９３】
実施例３．ＰｔＢＭＡブロックのポリ（メタクリル酸）（ＰＭＡＡ）官能性への変換。
[110]この重要な変換は、その後にＰＭＡＡ官能性を多数の他の化学的性質に固体状態のままで容易に変換することが可能であるため、従来のブロックコポリマー系膜技術を上回るまた別の利点を提供する。カルボン酸官能性からアルコール、アルケン、またはアミンのものへの変換は、比較的容易に、また９０％を超える化学的変換を伴って、固体状態のナノチャネルにおいて進行することが示されている。
【００９４】
[111]固体状態でのＰｔＢＭＡのＰＭＡＡ変換への変換のための可能性のある試薬をスクリーニングするために、最初の実験は、溶液中での単純な反応に注目しており、それは、文献（Ｃ．Ｆｅｒｎｙｈｏｕｇｈ  ｅｔ  ａｌ．Ｓｏｆｔ  Ｍａｔｔｅｒ  ２００９，５，１６７４−１６８２）内の確立された手順から構築し、その内容はその全体が参照により本明細書に援用される。具体的には、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）中に溶解したＰｔＢＭＡホモポリマーの溶液への濃縮塩酸（ＨＣｌ）の添加は、１Ｈ  ＮＭＲスペクトルのピーク強度及び場所の変化によって示される通り、ＲＢＭＡからＰＭＡＡポリマーへの加水分解をより頻繁に使用されるトリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）の試薬に類似した様式で引き起こすことが見出された。
【００９５】
[112]重要なことに、ＨＣｌが加水分解試薬として使用されるとき、ヒドロキシル変換は、ポリイソプレンブロックに関して観察されず、これは、ＴＦＡが加水分解剤として使用される事例である。実際、ＴＦＡは、ポリイソプレン鎖の骨格に沿った二重結合と反応して、部分的に水酸化されたポリマー生成物を残すことが広く知られている。データは、ＰｔＢＭＡのＰＭＡＡへの変換は所与の反応時間内では完全ではないことを示しているが、変換が比較的高いレベル（即ち、９０％を超える変換）に達し得るように、概ねの反応時間及び反応温度を容易に決定することが可能である。
【００９６】
[113]これらのデータは、固体状態（即ち、膜の注形及び形成後）でのＰｔＢＭＡのＰＭＡＡへの変換の理解のための重要な開始点を表す。これらの実験に続いて、膜構造の自己組織化後に巨大分子の官能性を変換する能力を含むように、実験を設計することが可能である。この方法で、固体状態の膜の孔壁の化学的性質を調節することができる。
【００９７】
[114]膜活性層の全ては、同一のベース材料で構成されるため、最初の注形条件を変化させることなく、膜の官能性を容易に変化させることが可能である。すなわち、大規模生産に移行する技術の観点から、多数の平方メートルのＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭ膜を作製すること、これらの膜を適切な寸法に選択的にダイスカットすること、及び次に、各ダイスカットした膜面積の化学的性質を適切な反応混合物槽中での単純な浸漬コーティングを通じて変更することが想定されることができる。本発明の膜システムのこの有力な拡張性は、分離プロセスにおける低減された毒性材料利用に関する、膜生成の増加された処理能力を可能にする。
【００９８】
実施例４．製作及びナノ構造的特徴付け
[115]化学的に活性な膜のナノ構造が、輸送及び分離作業にどのように影響を与えるのかを完全に理解する能力は、提案される次世代型の膜の作業効率に重要である。我々は、ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡ巨大分子は、１ｎｍ未満〜１００ｎｍの範囲にわたる特徴的な長さ規模を有するドメインに容易にミクロ相分離することができ、これは、高毒性材料の分離における有用性に重要であることを確立した。これらのドメインのサイズ及び形状は、構成部分の各々の分子量を制御することによって、容易な様式で制御することができる。
【００９９】
[116]トリブロックターポリマー薄フィルムの孔サイズ及びナノ構造の適切な特徴付けは、最終使用者にとって重要であろう。これらの本質的に薄いフィルムを特徴付けるために、原子間力、走査電子、及び透過電子顕微鏡法（ＡＦＭ、ＳＥＭ、及びＴＥＭ）、ならびに小角度Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）を使用することができる。この方法では、得られる膜の完全なナノ構造は、輸送測定の前に理解されることができる。例えば、２次元ＳＡＸＳ検出器を使用して、孔サイズのみでなく、薄フィルム内の孔整列の相対的な度合いをも確実に決定することができる。この整列の度合いは、膜の輸送特性及び汚染傾向を大きく変更することができる。さらに、薄フィルムを堆積させた後、ナノ多孔性ＰＩ−ＰＳマトリックスの孔をコーティングするＰｔＢＭＡブラシは、膜を固体状態で本明細書に説明されるような弱塩酸溶液に曝露することによって、ポリ（メタクリル酸）（ＰＭＡＡ）に変換されることができる。
【０１００】
[117]先行研究は、容易な分離プロセスのための所望のナノ構造孔設計を達成するために、トリブロックターポリマーのコアシェル型の六角形充填円筒への固体状態自己組織化が重要であることを示唆している。したがって、本発明の一実施形態は、類似のポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（メチルメタクリレート）システムにおいて、これらの六角形充填秩序を有することが示されている分子量及びポリマーブロック組成を有する、トリブロックターポリマーの開発に注目する。この方法では、小角度Ｘ線散乱を使用して、所望のナノ構造への材料の固体状態自己組織化を比較的短時間で観察することが可能である。固体状態の六角形充填ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡトリブロックターポリマーのＳＡＸＳプロットは、ドメイン間隔（原理反射、ｑ＊によって決定される）は約３８ｎｍであることが見出されたということを明らかにし、プロット内の多数の反射は、トリブロックターポリマーシステムの３つの構成要素間に高度のミクロ相分離が存在することを示唆している。
【０１０１】
[118]このＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡ分子を使用して、制御されたナノ構造を有する大きい膜面積を作製するプロトコルを開発することができる。具体的には、円筒形ドメインの適切な配向を確実にすることが、高性能の膜を生成するために重要である（図２）。溶媒選択、注形液中のポリマー濃度、ターポリマー組成、溶媒蒸発速度、及び蒸発時間は、ターポリマー由来の膜の最終的なナノ構造に影響することが示されている処理条件である。これらの変数を合理的に修正して、高密度の単分散孔を含有する膜を生成することが可能である。
【０１０２】
[119]ＰＩ−ＰＳ−ＰｔＢＭＡターポリマーから膜を製作する最初の試みは、高密度の良好に構造化されたナノ孔を見せた。しかしながら、孔サイズの小さい広がりが存在した。さらに、ポリマー合成及びＳＮＩＰＳプロセスの改良は、単一の孔サイズを有する膜を生成することを可能にする。
【０１０３】
[120]ＳＮＩＰＳプロセスから得られる膜の完全な特徴付けは、エネルギー節約型の環境を意識した分離プロセスにおいて膜の性能を最適化するために重要である。したがって、一連の材料特徴付け技術を使用して、膜ナノ構造を完全に特徴付けることができる。
【０１０４】
[121]ＳＥＭに加えて、ＴＥＭ及びＡＦＭ技術を使用した膜の可視化は、膜の自己組織化構造に関する有用な知見を提供する。不幸なことに、顕微鏡法は、大きい膜面積にわたる長距離秩序を効果的に実証しない。しかしながら、この情報は、Ｘ線散乱を通じて得ることができる。ＳＮＩＰＳプロセスにおける注形液の透過ＳＡＸＳは、最終的な膜構造の優良な指標であることが示されている。さらに、注形プロセス中に実施される斜入射小角度Ｘ線散乱（ＧＩ−ＳＡＸＳ）実験も、機構に関する有用な情報を提供することができる。
【０１０５】
実施例５．トリブロックターポリマー系膜に関する構造−特性関係を開発するための溶媒流及び溶質拒絶試験。
[122]Ｘ線散乱及び顕微鏡法技術を使用して、面積の大きい膜を製作し、それらのナノ構造を広く確立した後、膜構造とその輸送特性との間の関係を研究及び理解することは不可欠である。具体的には、構造と特性との間のこの関係の理解を通して、膜構造を合理的に修正して、最終用途における性能を最適化することが可能である。さらに、ＰＭＡＡに容易に変換され得るＰｔＢＭＡに覆われた孔壁の生成は、孔の化学的性質の多数の所望の官能性への容易な修正を可能にする。膜構造及び化学的性質を容易に調整する能力は、よりエネルギー効率の良い環境配慮型の分離が開発されることを可能にする。重要なことに、これは、新規のトリブロックターポリマー系膜の輸送特長の注意深い試験に依存する。
【０１０６】
[123]２つの鍵となる輸送特性、水力学的透過性及び選択性は、膜ナノ構造に強く依存する。透過性は、材料がいかに容易に膜を通過することができるかの測定であり、膜選択性は、膜が、異なるサイズ及び／または化学的性質の２つの溶質間をいかに良好に区別することができるかを決定する。理想的には、膜は、高度に透過性かつ高度に選択的であろう。本発明のターポリマーフィルムにおける高密度のナノ孔は、膜が、高度に透過性となることを可能にし、狭い孔サイズ分布は、膜を高度にサイズ選択的にする。さらに、孔壁の化学的性質を調整する能力は、結合リガンドを孔壁に付着させる能力を提供する。これは、本発明の膜を化学的に選択的にする。下記に説明される水流及び溶質拒絶試験の組み合わせは、透過性及び選択性を評価するために使用することができる。
【０１０７】
[124]膜の水力学的透過性、Ｌｐは、十分に確立された水流実験を使用して測定することができる。Ｌｐは、印加圧力によって除した膜面積当りの体積測定的流速として定義される。高透過性を有する膜は、より小さい圧力、またしたがってより少ないエネルギーが所与の体積を処理するために必要とされるため、好ましい。体積測定的流速は、一定の期間中に膜を通過する溶液の質量を観察することによって決定される。既知の面積を有する膜を使用して、水力学的透過性は、一定の範囲の印加圧力にわたる体積測定的流速を測定することによって決定することができる。最良の場合、これらの実験のデータ間に線形の関係が存在するはずであり、また線の傾斜は、膜の水力学的透過性と等しくあるはずである。
【０１０８】
[125]ターポリマー由来膜内の孔は、新規の巨大分子の自己組織化により、円筒形であることができる。したがって、ハーゲン・ポアズイユ関係が、有効であるべきである。したがって、実験データのハーゲン・ポアズイユ等式による予測との比較は、膜ナノ構造、及び膜性能へのその影響に関する知見を提供することができる。ナノ多孔性ターポリマー膜の狭い孔サイズ分布は、濾過用途における優れた性能を生み出すことができる。溶質拒絶試験は、この仮説を試験し、膜構造と輸送特性との間のつながりをさらに研究するために実施することができる。
【０１０９】
[126]これらの溶質拒絶実験の態様は、それらは、膜の固有の特性を反映する様式で行われるべきであり、濃度分極またはプローブ溶質と膜との間の相互作用などの実験的な作為を反映するべきではないということである。我々は、濃度分極の影響を撹拌セル内で実験を行うことによって説明した。膜が溶質を拒絶するのに伴い、溶質は、膜表面上に蓄積する。このより高濃度の溶質は、より高流速の膜を横切る溶質を駆動し、拒絶を減少させる。したがって、溶液を十分に混合された状態に維持することは、溶質を拒絶する膜の固有の能力を正確に決定するために必要である。
【０１１０】
[127]撹拌セル内の流体力学的条件は、十分に特徴付けられており、それは、濃度分極の効果が実験設計において説明されることを可能にする。ポリ（エチレンオキシド）（ＰＥＯ）を、溶液中でのそのサイズ（即ち、流体力学的半径）が周知であるため、モデルプローブ溶質として選択した。さらに、ＰＥＯは、比較的不活性であり、膜と相互作用しない。ＰＥＯは、周囲環境とのその最小の相互作用のため、防汚コーティングとして使用されることが多い。膜は、既知のサイズのＰＥＯ分子を含有する溶液を用いて挑戦することができ、透過液は、収集することができ、供給物及び透過物中のＰＥＯ濃度は、全炭素分析を使用して決定することができる。次に、２つの溶液中のＰＥＯ濃度を比較することによって、拒絶されたＰＥＯの量を算出することができる。異なる分子量（即ち、流体力学的体積）のＰＥＯ分子は、それらの流体力学的半径が、膜内の孔の直径とどのように比較するかに応じて、異なる量で拒絶されることができる。小さい孔を通じて妨げられた輸送に関する理論は、膜孔サイズ、及び孔サイズ分布の広がりを決定するために使用することができる。この結果を液体流実験の結果と組み合わせることで、膜性能を実験的に評定することができるだけでなく、輸送試験から決定された孔サイズ及び孔サイズ分布を材料特徴付け方法から見出されたものと比較することによって、膜構造が輸送特性にどのように影響するかに関するより良い理解が得られるであろう。
【０１１１】
実施例６．防汚膜
[128]別の実施形態は、組み換えタンパク質及び生体分子を含む、治療用タンパク質の高処理能力の濃縮及び精製のための選択的な防汚膜を提供する。
【０１１２】
トリブロックターポリマーの合成
[129]十分に制御され、十分に設計された巨大分子の合成は、トリブロックターポリマー膜の良好な形成に重要である。化学反応機構及び化学官能性の合理的な設計によって、容易に制御可能で高度に調節可能な分子量、分子量分布、及び化学組成を有するトリブロックターポリマーを作成することが可能である。制御重合化学を使用したこれらの３つのパラメータの操作は、ドメイン幾何形状及び膜多孔性を体系的様式で調節することを可能にし、それは、有益な構造−特性関係の開発に重要である。本発明の一態様は、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）（ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ）Ａ−Ｂ−Ｃトリブロックターポリマー、ポリマー鎖の長さに沿った特有の化学的設計の３つのセグメントが存在する巨大分子を作成する。これは、２つの「リビング」重合機構を通じて達成することができる。重要なことに、このＡ−Ｂ−Ｃターポリマーは、膜孔壁の官能性が、最適化された固体状態のナノ構造が固定された後に、単純な化学処理を通じて変更されることを可能にする。
【０１１３】
ポリマー膜におけるナノ構造−特性関係の開発
[130]ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ巨大分子は、１ｍ未満〜１００ｍの範囲にわたる特徴的な長さ規模を有するドメイン（即ち、孔径）に容易にミクロ相分離することができ、これは、生物製剤の分離における有用性に重要である。これらのドメインのサイズ及び形状は、構成部分の各々の分子量を制御することによって、容易な様式で制御することができる。孔サイズ及びナノ構造の適切な特徴付けは、最終使用者にとって重要であろう。これらの薄フィルムを特徴付けるために、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）及び小角度Ｘ線散乱（ＳＡＸＳ）、ならびに透過電子顕微鏡法（それぞれ、ＳＥＭ及びＴＥＭを使用することができる。この方法では、得られる膜の完全なナノ構造は、輸送測定の前に理解されることができる。さらに、薄フィルムを堆積させた後、ナノ多孔性ＰＩ−ＰＳマトリックスの孔をコーティングするＰＤＭＡブラシ（図１）は、膜を固体状態で弱塩酸溶液に曝露することによって、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）に変換されることができる。ここでも、固体状態で、孔の内側のカルボン酸官能性（図１）は、任意の数の特定された防汚化学的性質（例えば、ポリ（エチレンオキシド）、ポリ（スルホベタイン）、及びポリグリセロール）に容易に変換することができる。
【０１１４】
官能性、高性能膜の製作
[131]膜製作プロセスは、その構造がブロックターポリマーによってテンプレート化された、微孔性支持層の上部にある選択層を生成するべきである。注形プロトコルの３つの要件が存在する。まず、この層は流れに対する主要な耐性を提供するため、それは、薄い選択層を生成しなければならない。次に、プロトコルは、流れが接近することができる高密度の単分散ナノ孔を作り出すために、トリブロックターポリマーの自己組織化を制御しなければならない。最後に、ナノ孔は、増加された生成ストリームのための高流束の溶液を促進するために、より大きい寸法（即ち、微細孔）を有する層に対して迅速に開放しなければならない。図３の断面ＳＥＭ画像内に示される通り、この最適化された膜構造を作成するためのかかる方法は、別のブロックコポリマーシステムに関して開発されている。このシステムから得られた知識は、本明細書に説明されるようなより強固で化学的に多様なシステムに拡張することができる。
【０１１５】
[132]手短に述べると、制御された溶媒蒸発ステップをその後の非溶媒誘起相分離ステップと組み合わせる技術は、容易で測量可能な技術である。それは、ターポリマーを溶媒中に溶解させることと、得られた溶液を薄フィルムに慎重に注形することと、溶媒をフィルムから一定時間蒸発させることと、最後にフィルムを非溶媒槽に入れて、相分離を誘起することと、を含む。非溶媒クエンチは、非平衡状態でポリマー微細構造を捕捉し、図３に観察されるテーパー孔を生じさせる（国際公開第ＷＯ２０１２／１５１４８２号を参照、その内容は、その全体が参照により本明細書に援用される）。テーパーナノ構造と組み合わされた高度に選択的な孔のこの組み合わせは、本発明と、ブロックコポリマーから製作されるこれまでの膜との間の違いである。
【０１１６】
[133]膜ナノ構造とその輸送特徴との間の相関は、生物医学的デバイスの最終的な性能の最適化を可能にする。２つの鍵となる輸送特性、水力学的透過性及び選択性は、ナノ構造に依存し、その後の評定の焦点である。透過性は、材料がいかに迅速に膜を通過することができるかの測定である。選択性は、膜が２つの異なる種間をいかに良好に区別することができるかの測定である。高密度のナノ孔及びそれらの素早いテーパリング形態学は、高い透過性を可能にし、一方で、狭い孔サイズ分布が高度に選択的な膜をもたらす。水流及び溶質拒絶試験の組み合わせを使用して、これらの膜特性を評価することが可能である。
【０１１７】
[134]膜表面と相互作用しない分子、ポリエチレングリコールは、膜選択性に対する孔構造の影響を研究するために使用することができる。それに加えて、膜汚染（即ち、作業中の膜表面への溶質の付着）は、選択性に劇的に影響を与え、処理性能を減少させる可能性がある。例えば、アルブミンは、膜を汚染することが知られているため、幾つかの臨床的に意義のある抗体（例えば、インフリキシマブ及びリツキシマブ）の精製中に除去されなければならない不純物である。アルブミンは、膜選択性に対する汚染の影響を研究するために使用することができる。さらに、本明細書に説明される容易に調整される孔の化学的性質は、膜汚染に対する表面の化学的性質の効果の研究を可能にする。この方法では、明確な構造−特性関係は、開発されて、官能性巨大分子の今後の設計、及び明確な臨床的影響をもたらすための生物医学的膜システムの最適化における新規の入力の役割を果たすことができる。
【０１１８】
[135]したがって、生物工学産業の進化する必要を満たした膜プロセスの開発は、それらの増加した実装をもたらしてきた。今日の膜システムは、タンパク質治療薬の生成における濃度選択（限外濾過による）及び緩衝液交換（透析濾過による）の主要な方法である。しかしながら、これらのシステムは、欠点がないわけではない。
【０１１９】
[136]具体的には、現在の商業用膜は、広い分布の孔サイズを含有する膜構造をもたらす相分離技術を使用して作製される（図４ａ、Ｐｈｉｌｌｉｐ  ｅｔ．ａｌ，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１１，１１，２８９２から）。
【０１２０】
[137]したがって、生成物の品質を確実にし、有益な生成物の損失を防止するために、より小さい公称孔サイズ及び低い孔密度を有する膜が採用される。これは、膜透過性を低減し、濾過時間を増加させ、プロセス内に障害を作り出す。モノクローナル抗体のより高い生成レベルの達成は、これらの障害が排除されることを必要とする。しかしながら、これらの障害を回避するのに役立つような従来の相分離膜（図４ａ）のさらなる最適化は、ありそうにない。経験的証拠は、濾過膜を開発するために標準的な相分離方法を使用し続けることは、選択性を犠牲にすることなく、より透過性の膜を導くことはないであろうということを示唆している。したがって、我々は、生物工学処理を前進させるための新規の膜パラダイムを本明細書に説明している。
【０１２１】
実施例７．調節可能な膜
[138]本発明の別の実施形態は、トリブロックターポリマーテンプレートから化学的に調整された孔壁を有する調節可能なナノ多孔性膜を提供する。自己組織化ブロックポリマーに由来する膜は、高度に選択的で高度に透過性のフィルタとして有望であることが示されているが、既存のシステムの複雑な合成経路及び限定された孔官能性は、これらの材料が、次世代型ナノ構造膜のためのプラットフォームとして機能することになるのであれば、改善される必要がある。
【０１２２】
[139]ここで、我々は、制御された可逆的付加開裂連鎖移動（ＲＡＦＴ）重合機構を使用した、ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）（ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ）トリブロックターポリマーの容易な合成について説明する。この材料は、次に、自己組織化及び非溶媒誘起相分離（ＳＮＩＰＳ）技術を使用して膜へと処理され、これは、溶質拒絶試験を使用して決定するときに８．１ｎｍの平均直径を有する、高密度のＰＤＭＡで覆われた孔（９．４ｘ１０１３孔ｍ−２）を含有する選択層から成る非対称の多孔性構造を作り出す。溶媒流実験は、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ膜は、６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１のｐＨ依存性の透過性を有することを実証する。
【０１２３】
[140]孔壁を覆うＰＤＭＡ部分は、固体状態で単純な加水分解を通じて変換されて、ポリ（アクリル酸）で覆われた（ＰＡＡで覆われた）構造を生じさせる。ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜の透過性は、ｐＨ依存性であり、４超のｐＨを有する溶液に関して０．６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１から、ｐＨ１の溶液に関して１６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１の範囲にわたる。溶質拒絶試験は、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜に関して２．６ｎｍの孔サイズを実証した。ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ材料の容易な合成、測量可能なＳＮＩＰＳ膜製作プロトコル、及び孔官能性の単純な変換化学は、これらのナノ構造膜が、水質浄化、調剤分離、感知器、及び薬物送達の範囲内の用途のための強力なプラットフォームであることを実証する。
【０１２４】
[141]ここで、我々は、制御された可逆的付加開裂連鎖移動（ＲＡＦＴ）重合機構を使用したポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）（ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ）トリブロックターポリマーの容易な合成について説明する。ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡはその後、自己組織化及び非溶媒誘起相分離プロセスを使用して、秩序化されているが非対称であるナノ構造を有する官能性膜へと注形される。ＰＩ及びＰＳドメインの組み合わせは、膜に機械的完全性を提供し、ＰＤＭＡドメインは、膜の孔壁が特定の容易に調整される化学的官能性を有することを可能にするため、特定のトリブロックターポリマーが選択される。テーパーナノ多孔性薄フィルムの非対称構造は、比較的高い流束を保持しながら、鋭利な分画分子量（ＭＷＣＯ）を可能にする。
【０１２５】
[142]ターポリマーのＰＤＭＡ部分は、膜の孔壁を覆い、我々は、それは、単純な加水分解を通じて固体状態で変換されて、ポリ（アクリル酸）で覆われた（ＰＡＡで覆われた）構造を生じさせることができることを実証した。アクリル酸官能性は、任意の数の化学的性質を膜壁に付加するための強固なプラットフォームであることが示されている。ＲＡＦＴ重合手順は、多量の明確に定義されたトリブロックターポリマーの直接的な合成を可能にする。これらの発明的な特長の組み合わせは、これらの膜が、高流束、高性能のナノスケール用途のために、容易に製作されるプラットフォームとして使用されることを可能にする。
【０１２６】
実施例８．ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡの合成
[143]制御ラジカル（例えば、ＲＡＦＴ）重合は、現在のポリマー合成市場において優勢である任意の既存のフリーラジカル重合が、ＲＡＦＴ（または任意の他のリビングフリーラジカル制御）剤の単純な添加によって、ブロックポリマーの容易な合成のために改良されることを可能にする。この理由のため、この作業において使用されるＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマーは、ＲＡＦＴ媒介性重合機構（スキーム１）を使用して合成した。
【０１２７】
[144]スキーム１．  ポリイソプレン−ｂ−ポリスチレン−ｂ−ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）（ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ）トリブロックターポリマーの合成。
【化１】
0006330230.tif 000006
【０１２８】
[145]１Ｈ  ＮＭＲ分光法及びサイズ排除クロマトグラフィー（ＳＥＣ）の組み合わせは、比較的低分散度、高分子量のトリブロックターポリマーの合成を示唆した。ＰＩ、ＰＳ、及びＰＤＭＡブロックは、それぞれ、１４．２ｋＤａ、３１．１ｋＤａ、及び２３．３ｋＤａの１Ｈ  ＮＭＲによって決定された分子量を有した（図５）。これは、それぞれ、２４％、４６％＞、及び３０％＞の体積分率に対応する（次の２５℃におけるホモポリマー密度の値に基づく：ｐＰＩ＝０．９２ｇｃｍ−３、ｐＰＳ＝１．０６ｇｃｍ−３、及びＰＰＤＭＡ＝１．２１ｇｃｍ−３）。ターポリマーは、ポリスチレン基準を基準として、１．３の分散度（Ｄ）値を有した（図６ａ）。
【０１２９】
[146]自己組織化ブロックポリマーを多孔性膜のナノ構造のためのテンプレートとして使用した先行研究は、粉末状態の六角形最密（ＨＣＰ）幾何形状が、高品質の膜の形成を助けることを示唆したため、特定のトリブロックターポリマー組成物を標的した。圧粉ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ試料のＳＡＸＳ分析は、原理反射、ｑ＊の１、√３、√４、√７、及び√９倍数において示されるピークを有するＨＣＰ形態学と一致した（図６ｂ）。
【０１３０】
[147]弾力のある低Ｔｇ  ＰＩブロックの組み込みは、最終的な膜の機械的応答を改善するため、トリブロックターポリマーＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡをジブロックコポリマー類似体ＰＳ−ＰＤＭＡの代わりに合成した。バルクＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ材料（図７）を使用して実施された引張り試験は、この仮説を支持している。具体的には、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ試料の機械的靭性は、ナノ構造多孔性材料を製作する際のジブロックからマルチブロックシステムへの移行の利点を実証した先行研究にて研究されたＰＩ−ＰＳ−Ｐ４ＶＰターポリマーの靭性と一致する。
【０１３１】
[148]非対称膜を、ＳＮＩＰＳ技術を使用してＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡターポリマーから製作した。手短に述べると、ターポリマーを、７／３（重量／重量）の比率で組み合わされたジオキサン及びテトラヒドロフランから成る混合溶媒中に、１５％（重量基準）の濃度で溶解させた。得られた溶液を薄フィルム内に引き込み、溶媒を７５秒間蒸発させた。次に、薄フィルムを、ＤＩ水槽内に入れて、膜構造を定位置に固定した。ＳＮＩＰＳ方法によって生成された膜の異方性構造は、図８に示される断面ＳＥＭ顕微鏡写真に示される。これらの顕微鏡写真は、全体の膜厚（約４０〜５０μｍ）が２つの部分、より濃い上部（選択）層とより多孔性の下（ガター）層とから成ることを示している。
【０１３２】
[149]約１０マイクロメートル厚の濃い層が、顕微鏡写真の上部に置かれ、これは、溶媒蒸発中に大気に曝露された膜の表面に対応する。この領域内のターポリマー濃度は、蒸発ステップ中に著しく増加し、ターポリマーを自己組織化させ、この上部領域中の膜のナノ構造をテンプレート化させる。親膜の上面の顕微鏡写真は、５３ｎｍの平均孔径及び２０ｎｍの標準偏差を伴って、平均で９．４ｘ１０１３孔ｍ−２を示す（図９ａ）。濃い層の下では、膜は、ターポリマー自己組織化というよりむしろ位相反転を介して形成される膜の特徴である、マクロ空隙へとすぐに開放する。これらの空隙の比較的大きいサイズのため、この下層は、流れに対する最小の耐性を提供し、一方で膜の耐久性を増加させる機械的支持を選択層に提供する。
【０１３３】
水力学的透過性
[150]親膜の水力学的透過性を、５〜４０ｐｓｉの範囲に渡る印加圧力において水流束を測定することによって決定した。それらは、４０ｐｓｉの印加圧力における反復作業に容易に耐えた。さらに、実用的用途では、これらの膜は、それらの機械的安定性を改善するのに役立つように微孔性支持体上に注形されるであろう。水流束の印加圧力に対するデータを、その傾斜が水力学的透過性に等しい線型方程式と一致した（図１０）。
【０１３４】
[151]図１１において、四角は、ｐＨ２．５、５．５、及び１０．５の供給液に関する親膜の水力学的透過性を表す。このｐＨ範囲にわたって、親膜の水力学的透過性は、約６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１の値で一定であった。これは、孔壁を覆うＰＤＭＡ基（ｐＫａ＝７．３）が、溶液のｐＨによって影響を受けないことを示唆している。
【０１３５】
[152]分画分子量試験を、親膜において実施して、溶質サイズの差に基づいて分子を拒絶するその能力を調査した。これらの実験では、膜に、１．１〜１０ｋＤａの分子量の範囲にわたるＰＥＯ分子を含有する溶液を用いて挑戦した。ＰＥＯの固有粘度及び拡散係数に関する文献データを使用して、流体力学的半径は、０．７５〜３．０ｎｍの範囲にわたると算出された。
【０１３６】
パーセント拒絶
[153]パーセント拒絶値を、膜を通過した溶液中のＰＥＯ濃度を最初の供給液中のＰＥＯ濃度と比較することによって算出した。溶質拒絶実験の結果は、図１２に四角によって表され、ＭＷＣＯ曲線（即ち、分子量に対してプロットされた溶質拒絶）は、図１３に提供される。これらの実験の間、供給液を、約１．０ｘ１０−５ｍ  ｓ−１の物質移動係数ｋを生成するように４００ｒｐｍにて攪拌し、一方ＭＷＣＯ試験中の水流束Ｊｗは、７．９ｘ１０−７ｍ  ｓ−１に等しかった。これは、濃度分極が激しくなる推奨限界より著しく低いおおよそ０．１３のＪｗ／ｋ値をもたらすため、提示された結果は単に、サイズに基づいて溶質を分離するターポリマー膜の能力の機能である。
【０１３７】
[154]親膜に関して、２．２ｎｍを超える流体力学的半径を有する溶質（即ち、６．０ｋＤａのＰＥＯ分子）は、ほぼ完全に拒絶された。１．２ｎｍより小さい流体力学的半径を有する分子（即ち、２．１ｋＤａのＰＥＯ試料）は、僅かな（約４％）拒絶を伴って膜を透過した。１．７ｎｍに等しい流体力学的半径を有する４．０ｋＤａのＰＥＯ試料は、部分的にのみ拒絶された（６０％の拒絶）。このデータ点を、サイズ選択的分離に関する確立された理論と併せて使用して、親膜の孔サイズを直径８．１ｎｍと概算した。
【０１３８】
[155]湿潤状態でＭＷＣＯデータから算出される（８．１ｎｍ）、及び乾燥状態でＳＥＭ顕微鏡写真において観察される（５３ｎｍ）（図１４）、報告された親膜の孔サイズ間に不一致があることに留意されたい。これは、湿潤環境におけるＰＤＭＡドメインの膨張に起因する可能性がある。２３．３ｋＤａの分子量を有する線形ＰＤＭＡブロックにおける反復単位の平均数は、ＮＰＤＭＡ＝２３５で近似することができる。鎖が、１．４Ａの炭素−炭素結合長（１）で完全に延長される上限において、剛体棒としての（即ち、結合角度に関連付けられる幾何学的制約を無視した）ＰＤＭＡ鎖長
【数４】
0006330230.tif 000007
は、６５．８ｎｍとなる。したがって、鎖が孔の両側から完全に延長される場合（１３１．６ｎｍ）、孔は、より完全に閉止するであろう。しかしながら、溶媒反復単位混合のエンタルピーと鎖伸長に関連付けられるエントロピーとの間の釣り合いのため、中程度の密度の表面グラフトポリマーブラシ鎖の長さは、ポリマーブラシが良好な溶媒中にある場合、ＮＯ．６としてスケーリングすることが知られている。
【０１３９】
気体隔膜研究
[156]このスケーリング挙動は、ポリマーブラシがナノスケール円筒に限定されるときに変化する。具体的には、計算モデルは、中程度のブラシ密度レジームにおける比較的大きいポリマーに関して、ポリマーブラシのサイズは、良好な溶媒中でＮＯ．８に対応するであろうと予測する。計算からのスケーリングを使用すると、孔内部の延長されたＰＤＭＡブラシは、約２２ｎｍの長さとなる。したがって、湿潤状態での膜に関する有効な孔径（即ち、ＭＷＣＯ試験から算出される孔サイズ）は、乾燥状態［即ち、ＳＥＭ画像を使用して決定され、気体隔膜セル実験によって支持される孔サイズ（図１４）］と比較して４４ｎｍ小さいであろう。これは、約９ｎｍの湿潤状態での有効な孔径を導き、これは、特にスケーリング分析の単純な性質を鑑みれば、輸送試験研究とよく合致する。
【０１４０】
湿潤状態研究
[157]この仮説を実験的に調査するために、ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ膜の構造を、膜の孔を親水性イオン性液体、１，３−ジメチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチル）スルホニルイミド（［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］）で湿潤することによって、溶媒和状態で特徴付けた。［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］の蒸気圧はゼロに達するため、ＳＥＭの真空環境におけるその蒸発速度はごく僅かであり、溶媒和されたＰＤＭＡブラシの配位を、電子顕微鏡負を使用して観察することを可能にする。溶媒和状態では、ＰＤＭＡブラシは、孔の中心に向かって延長し、有効な孔径を低減する（図１５）。場合によっては、延長したＰＤＭＡ鎖は、孔幅にわたり、キノコ様構造を形成するように見える。膜の孔内へのＰＤＭＡブラシのこの延長はまた、図９に観察される孔サイズの広がりに関わらず、図１２に報告される極めて鋭利なＭＷＣＯの合理化を提供する。
【０１４１】
[158]ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ系膜の密接な分画分子量は有用であるが、孔壁の特定の官能性への変換は、汚染耐性のある、及び／または化学的に選択的な膜の生成において有用であろう。具体的には、ターポリマーの３つのブロックのための注形溶媒の相対的品質、及び乾燥状態と湿潤状態との間で決定される孔サイズの差に基づいて、我々は、親膜は、制作後の膜の化学的官能性を調整する能力を提供するＰＤＭＡで覆われたナノ孔を含有すると仮定する。この有用な特性の利点の採用は、ＰＤＭＡブロックのカルボン酸誘導体、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）への変換を必要とし、ＰＡＡは、種々の異なる部分への官能基変換のための多様なプラットフォームとして使用され得ることがこれまでに示されている。
【０１４２】
ＰＤＭＡのＰＡＡへの変換：官能化
[159]ＰＤＭＡ部分のＰＡＡへの変換を、６ＭのＨＣｌ水溶液中への親膜の浸漬を介して実施した。ＰＤＭＡのＰＡＡへの感知され得る変換は、６０℃未満の温度では観察されなかったが、これまでの報告と一致して、高度の変換が８５℃の溶液温度で観察された。
【０１４３】
[160]ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）基のポリ（アクリル酸）基（ＰＡＡ）への脱保護を、ＰＤＭＡピーク（図１６にてラベル付けされる）からの特徴的カルボニル伸長の減少する強度、及びＰＡＡピーク（図１６にてラベル付けされる）からの特徴的カルボニル伸長の同時発生的増加によって観察した。ＰＤＭＡからの特徴的カルボニル伸長の消失は、ＤＭＡ基の完全な変換が、曝露の４８時間後に発生することを実証する（図１６）。
【０１４４】
[161]それに加えて、ＡＴＲ−ＦＴＩＲピークの定性的割り当て（図１７）は、ＰＩまたはＰＳドメインの認識できる分解が、脱保護状態中に発生しなかったことを示唆している。これは、ＰＡＡ−官能化された膜の靭性がＰＤＭＡ−官能化された膜のものより僅かに大きいことを実証する、ＰＤＭＡ−官能化された及びＰＡＡ−官能化された膜の機械的試験（図７）によって支持される。この靭性の増加は、ＰＤＭＡからＰＡＡへの変換中、膜が高温で強酸に曝露されるときに発生する、ＰＩドメイン内の架橋結合に起因する可能性がある。
【０１４５】
[162]図８ｂ及び９ｂは、それぞれ、高温で４８時間、６ＭのＨＣｌに曝露した後の膜の断面及び上面のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。乾燥状態では、この変換された膜の構造は、親膜のものと同一の特徴的な特長を有する。さらに、ＰＡＡで覆われた膜の表面上の多孔性、平均孔サイズ、及び孔密度が概算され、それらの値は、親膜に関して報告された値の４％以内であることが見出された。孔壁を覆うＰＡＡブラシが［ｍｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］によって溶媒和されるとき（図１５ｂ）、孔は、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜の上面に全く見えない。上記のデータは、ＰＤＭＡブロックが、固体状態で良好にＰＡＡブロックに変換されており、乾燥状態の非対称ターポリマー膜のナノ構造は、脱保護プロトコルによって著しく変更されないことを実証する。
【０１４６】
水力学的透過性：ｐＨ研究
[163]ＰＡＡへの変換後、膜の水力学的透過性を、１〜１２の間のｐＨ範囲にわたって決定した。これらのデータは、図１１に菱形によって表される。膜の透過性は、供給液のｐＨがｐＨ１２．０から４．０に減少されたときに、低いままであった（約０．６Ｌｍ−２ｈ−１ｂａｒ−１）。ｐＨ３．５では、透過性における急な増加が存在した。ｐＨがさらに減少されると、透過性は、増加し続け、ｐＨ３．０付近で親膜のものを超過した。透過性は、ｐＨのさらなる減少に伴い横這いにはならず、最大の決定された透過性は、１．０のｐＨにおいて１６Ｌｍ−２  ｈ−１  ｂａｒ−１を上回り、これは、高い流束の商業用ナノ濾過及び中程度の流束の商業用限外濾過膜に匹敵する。
【０１４７】
[164]透過性のｐＨへの依存性は、膜の中の孔の壁を覆うＰＡＡ鎖の延長及び縮小に起因する。高いｐＨでは、脱プロトン化されたＰＡＡは、負に荷電しており、ＰＡＡ鎖を開放した孔の中へ延長させる。脱プロトン化されたＰＡＡ鎖は、互いに反発しあう負電荷を含有するため、ＰＡＡブラシは、親膜の自然に帯電したＰＤＭＡブラシより、膜の孔の中へさらに延長し、より低い透過性をもたらす。試験溶液がより酸性になり、ｐＨが減少するため、ＰＡＡはプロトン化される。自然に帯電したポリマー鎖は、部分的に、孔壁に向かって再び崩壊することができる。これは、孔の有効な直径を増加させ、より高い透過性をもたらす。
【０１４８】
分画分子量
[165]ＰＤＭＡのＰＡＡへの分画分子量実験を実施し、図１２に菱形によって示される曲線を得た。この実験は、孔壁を覆うＰＡＡ鎖が孔内に延長して、流れを制限することが期待される、脱イオン水（ｐＨ＝５．５）中で実施した。曲線は、１．２５ｎｍを上回る特徴的な半径を有する溶質に関して完全に近い拒絶を、及び半径０．８ｎｍの溶質に関する中程度の拒絶（約７６％）を示す。この曲線は、親曲線の左へ推移しており、ここでも、ＰＡＡで覆われた膜の孔サイズが親膜より小さいことを示唆している。
【０１４９】
[166]サイズ選択的輸送に関する理論に基づき、変換された膜の孔径は、親膜に関する８．１ｎｍと比較して、２．６ｎｍの直径であると算出される。このＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜は、脱保護後にその高い選択性を保持し、約１ｎｍの流体力学的半径を有する粒子を含有する溶液に関してサイズ選択的分離を実施することができる。これは、ブロックポリマーに基づく膜に関する孔サイズの極度の下限であり、実際、それは、ブロックポリマーテンプレートに由来するナノ多孔性フィルムに関して報告される最小直径である。したがって、この膜アーキテクチャは、ブロックポリマーに基づく分離における新規のパラダイムを提示する。さらに、調節可能な孔官能性の能力は、このカルボン酸−官能化された膜類似体を、ナノスケール分離のための高度に多様で有力なプラットフォームにする。
【０１５０】
[167]これらの結果は、容易に制御されるＲＡＦＴ重合機構を介して合成されるＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマーを、ＳＮＩＰＳ技術を使用して生成される非対称の多孔性膜のナノ構造のためのテンプレート化剤として使用する能力を実証する。さらに、膜の孔壁を覆うＰＤＭＡブロックは、膜をＨＣｌ溶液中に単純に浸漬させて、ＰＡＡで覆われた孔を生じさせることによって、手際よく変換されることができる。これは、孔官能性が、膜ナノ構造の分解を伴わずに化学的に調整されることを可能にする。それに加えて、これらの膜における高密度の明確に定義された孔は、合成されたＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ状態において僅か８ｎｍ、またＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ状態への変換後で２ｎｍの直径の溶質に関して、サイズ選択的分離を生成することができる。ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ材料によって提供される特性の特有の組み合わせは、複数の高価値分離（例えば、水質浄化、生物製剤分離）の処理需要に合致する次世代膜が、単純で容易な様式で設計及び生成されることを可能にする。
【０１５１】
実施例９．膜フィルムの機械的試験
[168]膜フィルムの動的機械的分析（ＤＭＡ）実験を、ＴＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＤＭＡ  Ｑ８００を使用して引張荷重モードで実施した。湿潤フィルム実験のために、ある長さのフィルム（約２５ｍｍ、１０ｍｍずつ）を、２つの引張接点の間に締め付けて固定した。湿潤フィルム実験を、加湿器アタッチメントを使用して、３５℃、相対湿度９５％、応力速度０．５Ｎ  ｍｉｎ−１で実施した。
【０１５２】
[169]ＰＩ及びＰＩ−ＰＳ前駆体試料ならびにＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡトリブロックターポリマーのＤＳＣ記録の二次加熱走査が、図１８に示される。これらの試料中の各ドメインに関するガラス転移温度（Ｔｇ）値は、同等のサイズのホモポリマー類似体に関して測定されたガラス転移温度によく対応する。
【０１５３】
実施例１０．部分的拒絶研究
[170]我々は、標準的な撹拌セルシステムを使用して、溶質サイズの差に基づいて分子を分離する能力を実証した。膜をシステム内に定置した後、膜に、１．１〜１０ｋＤａの分子量の範囲にわたるポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）分子を含有する溶液を用いて挑戦した。必要に応じて、より大きい寸法を有する孔を特徴付けるために、より大きい分子量を使用することができる。ＰＥＯ分子の流体力学的半径を、固有粘度及び拡散係数データを使用して算出した。流体力学的半径は、０．７５〜３．０ｎｍの範囲にわたった。パーセント拒絶値を、膜を透過した溶液中のＰＥＯ濃度を最初の供給液中のＰＥＯ濃度と比較することによって算出した。ＰＥＯの濃度を、全有機炭素分析を使用して決定した。
【０１５４】
[171]ＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ膜に関して、２．２ｎｍを超える流体力学的半径を有する溶質（即ち、６．０ｋＤａのＰＥＯ分子）は、ほぼ完全に拒絶された。１．２ｎｍより小さい流体力学的半径を有する分子（即ち、２．１ｋＤａのＰＥＯ試料）は、僅かな（約４％）拒絶を伴って膜を透過した。１．７ｎｍに等しい流体力学的半径を有する４．０ｋＤａのＰＥＯ試料は、部分的にのみ拒絶された（６０％の拒絶）。このデータ点を、サイズ選択的分離に関する確立された理論と併せて使用して、親膜の孔サイズを直径８．１ｎｍと概算した。
【０１５５】
[172]ＰＤＭＡのＰＡＡへの変換後の分画分子量実験を実施した。この実験は、孔壁を覆うＰＡＡ鎖が孔内に延長して、流れを制限することが期待される、脱イオン水（ｐＨ＝５．５）中で実施した。曲線は、２．１ｋＤａのＰＥＯ試料（１．２ｎｍの特徴的半径）に関して完全に近い拒絶を、及び１．１ｋＤａのＰＥＯ試料（半径０．８ｎｍ）に関して中程度の拒絶（約７６％）を示す。サイズ選択的輸送に関する理論に基づき、変換された膜の孔径は、親膜に関する８．１ｎｍと比較して、２．６ｎｍの直径であると算出される。このＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ膜は、ＰＤＭＡのＰＡＡへの変換後にその高い選択性を保持し、約１ｎｍの流体力学的半径を有する粒子を含有する溶液に関してサイズ選択的分離を実施することができる。
【０１５６】
[173]同様に、ＰＩ−ＰＳ−ＰＡＡ官能化された膜に、それぞれ、０．８ｎｍ及び０．４ｎｍの水和直径を有するＭｇ＋２及びＳＯ４−２イオンを含有する水溶液を用いて挑戦した。これらのイオン性種のパーセント拒絶は、５５％であった。パーセント拒絶値は、膜を透過した溶液中のＭｇ＋２及びＳＯ４−２の濃度を、最初の供給液中のＭｇ＋２及びＳＯ４−２の濃度と比較することによって算出した。Ｍｇ＋２及びＳＯ４−２の濃度を、イオンクロマトグラフィーを使用して決定した。
【０１５７】
[174]約３０ｋＤａのより低い総分子量、ならびにそれぞれ、約２５％、５０％、及び２５％の３つのブロックに関する重量分率を有するＰＩ−ＰＳ−ＰＤＭＡ膜を使用して、我々は、１ｎｍ未満の直径のより小さい孔サイズを得ることができた。
【０１５８】
[175]これらの実験の間、供給液を、約１．０ｘ１０−５ｍ  ｓ−１、４の物質移動係数ｋを生成するように４００ｒｐｍにて攪拌し、一方ＭＷＣＯ試験中の水流束Ｊｗは、この値を概ね下回るように維持した。これは、濃度分極が激しくなる推奨限界より著しく低いおおよそ０．１３〜１のＪｋ値をもたらし、結果が単に、サイズに基づいて溶質を分離する膜の能力の機能であることを確実にする。
【０１５９】
実施例１１．膜の官能化
[176]我々は、ＰＡＡ部分のカルボン酸官能性を、単純なカップリング反応を通して、アルコール、システアミン、及びアルキル鎖のもの、ならびにスルホン酸官能性に変換する能力を実証した。具体的には、構造ＮＨ２−Ｒ（Ｒは、上記に説明される特定の化学的官能性である）の小分子。固体状態かまたは液体反応かのいずれかとして使用することができるこの広範なプラットフォームは、耐久性、及びアミンとカルボン酸との間の凝縮反応に関連付けられる高い駆動力のため、任意の他のＲ官能性を受け入れる。
【０１６０】
定義
[177]以下の定義は、本明細書及び特許請求の範囲の明確で一貫した理解を提供するために含まれる。本明細書で使用されるとき、記載される用語は以下の意味を有する。本明細書にて使用され全ての他の用語及び語句は、当業者が理解するであろう通りそれらの通常の意味を有する。
【０１６１】
[178]本明細書における「一実施形態」、「実施形態」などへの言及は、説明される実施形態が、特定の態様、特長、構造、部分、または特徴を含むことができるが、全ての実施形態が必ずしもその態様、特長、構造、部分、または特徴を含むわけではないということを示す。さらに、かかる語句は、必ずしもではないが、本明細書の他の部分において言及される同一の実施形態に言及する。さらに、特定の態様、特長、構造、部分、または特徴的がある実施形態に関連して説明されるとき、他の実施形態に影響を及ぼすか、またはかかる態様、特長、構造、部分、または特徴を他の実施形態に関連付けることは当業者の知識の範囲内である。
【０１６２】
[179]単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、別段に文脈により明確に指示のない限り、複数の参照を含む。特許請求の範囲は、いずれかの任意選択的な要素を排除するように記述されることができるにさらに留意されたい。したがって、この表現は、本明細書に説明される任意の要素に関連する排他的な専門用語、例えば、「単に」、「のみ」などの使用に関する先行詞、及び／または請求される要素の列挙、もしくは「負の」限定の使用として機能するように意図される。
【０１６３】
[180]用語「及び／または」は、その用語が関連付けられる項目のいずれか１つ、項目のいずれかの組み合わせ、または項目の全てを意味する。語句「１つ以上」は、特にその使用の文脈において読まれる場合、当業者によって容易に理解される。
【０１６４】
[181]用語「約」は、指定の値の±１０％の変動を指すことができる。例えば、「約５０」パーセントは、幾つかの実施形態では、４５〜５５パーセントの変動を扱うことができる。整数範囲に関して、用語「約」は、その範囲の両端の記載の整数より大きい及び／または小さい１つまたは２つの整数を含むことができる。別段に本明細書に指示のない限り、用語「約」は、個々の成分、組成物、または実施形態の機能性の観点から同等である、記載の範囲に近接する値（例えば、重量パーセンテージ）を含むように意図される。用語、約はまた、本章にて上述されるように記載の範囲の終点を修飾することもできる。
【０１６５】
[182]当業者によって理解されるであろう通り、成分の量、分子量などの特性、反応条件などを表すものを含む全ての数は、近似値であり、全ての例において用語「約」によって任意に修正されるものとして理解される。これらの値は、本明細書の説明の教示を利用して当業者によって得られることを求められる所望の特性に応じて変動することができる。また、かかる値は、それらのそれぞれの試験測定値に見出される標準偏差から必然的に得られる変動性を本質的に含有することも理解されたい。
【０１６６】
[183]当業者によって理解されるであろう通り、任意の及びあらゆる目的のため、特に書面による明細の提供に関して、本明細書に記載される全ての範囲は、任意の及び全ての可能な下位範囲及びそれらの下位範囲の組み合わせ、ならびに範囲を構成する個々の値、特に整数値も包括する。記載の範囲（例えば、重量パーセンテージ）は、その範囲内の各々の具体的な値、整数、小数、または単位元（ｉｄｅｎｔｉｔｙ）を含む。任意の列挙される範囲は、同一の範囲を説明する、及びそれを少なくとも等しい半分、３分の１、４分の１、５分の１、または１０分の１に分割することを可能にするのに十分であるように、容易に認識されることができる。非限定的な例として、本明細書に述べられる各範囲は、下部３分の１、中部３分の１、上部３分の１などに容易に分割することができる。同様に当業者によって理解されるであろう通り、「最大」、「少なくとも」、「より大きい」、「未満」、「を超える」、「以上」などの全ての言語は、記載の数を含み、かかる用語は、その後に上述のように下位範囲に分割されることができる範囲を指す。同じ様式で、全ての本明細書に記載の比率は、より広い比率内に収まる下位比率も含む。したがって、ラジカル、置換基、及び範囲に関する特定の記載の値は、単に例証の為であり、それらは、ラジカル及び置換基に関する他の定義された値または定義された範囲内の他の値を排除するものではない。
【０１６７】
[184]当業者はまた、構成要素が、Ｍａｒｋｕｓｈ群などの一般的な様式で合わせて群化されるとき、本発明は、記載される群全体を総じて包含するだけでなく、その群の各構成要素も個別に包含し、また主群の全ての可能な下位群も包含することを容易に認識するであろう。それに加えて、あらゆる目的のため、本発明は、主群のみでなく、群の構成要素のうちの１つ以上が存在しない主群も包含する。本発明はしたがって、記載の群の任いずれか１つ以上の構成要素の明白な排除を想定する。したがって、条件が、開示される分類または実施形態のいずれかに適用される場合があり、それによって記載の要素、種、または実施形態のいずれか１つ以上が、例えば、明白な負の限定における使用のために、かかる分類または実施形態から排除される場合がある。
【０１６８】
[185]用語「接触する」は、触れる、接点を有する、または細胞もしくは分子レベルで、すぐもしくは極めて近接する行為を指し、例えば、生理的反応、化学反応、または物理的変化を、例えば、溶液中で、反応混合物中で、インビトロで、またはインビボでもたらすことである。
【０１６９】
[186]「有効量」は、例えば、反応混合物中で生成物を形成するのに必要な量などの、記載のまたは所望の効果をもたらすのに有効な量を指す。有効量の決定は典型的には、特に本明細書に提供される詳細な開示に照らしてみれば、当業者の能力の範囲内である。用語「有効量」は、例えば、反応混合物中で生成物を形成するのに有効である、本明細書に説明される化合物もしくは試薬の量、または本明細書に説明される化合物もしくは試薬の組み合わせの量含むように意図される。したがって、「有効量」は、概して、所望の効果を提供する量を意味する。
【０１７０】
[187]用語「ナノ構造」は、ナノスケールで測定される任意の構造的特長を意味する。例えば、本発明の膜の孔サイズは、ナノメートルまたはその分数で測定される。したがって、本発明の膜は、この点においてナノ構造である。
【０１７１】
[188]用語「微孔性」は、本発明の膜またはフィルムの支持層の多孔性を指す。
【０１７２】
[189]用語「ナノ多孔性」は、特徴的に１００ｎｍ未満、または１０ｎｍ未満、または５ｎｍ未満である孔サイズを有する、本発明の膜またはフィルムの表面活性層の多孔性を指す。幾つかの実施形態では、それらは、１ナノメートル未満である。
【０１７３】
[190]用語「限外濾過」は、コロイド粒子、ウイルス、または大分子を保持するのに十分に微細な媒質を使用する濾過を指す。ナノ濾過は、膜を９０°で貫通するナノメートルサイズの円筒形貫通孔を使用する方法に基づく膜濾過を指す。ナノ濾過膜は、精密濾過及び限外濾過において使用されるものより小さいが、逆浸透におけるものよりは明確に大きい１〜１０ナノメートルの孔サイズを有する。
【０１７４】
[191]用語「選択性」は、例えば、１つ以上の種類の物質の膜を通じた通過を選択的に可能にしながら、異なる１つ以上の種類の物質の通過が膜を通じて通過することを選択的に不可能にする能力など、膜が、２つの異なる種類の物質間をいかに良好に区別することができるかの測定を指す。
【０１７５】
[192]用語「選択層」または「活性選択層」は、ナノ多孔性構造を有し、膜にその選択性を付与する本発明の膜またはフィルムの上部層を指す。
【０１７６】
[193]用語「ガター（または多孔性）層」は、本明細書に説明される方法に従ってナノ多孔性活性選択層の下に形成される微孔性支持層を指す。選択層とは対照的に、ガター層は、膜の選択性に影響を及ぼさない。その主な機能は、典型的には、膜構造に支持及び／または安定性を加えることである。
【０１７７】
同等物及び範囲
[194]特定の成分及び割合は、例証の目的である。成分は、関心の剤形の所望の特性に従って、変動し得る好適な同等物及び割合と交換されてもよい。
【０１７８】
[195]特定の実施形態が、開示される実施形態及び実施例への参照と共に上記に説明されているが、かかる実施形態は、単に例証的であり、本発明の範囲を制限しない。変更及び修正は、以下の特許請求の範囲に定義されるそのより広範な態様において本発明から逸脱することなく、当業者によって行われることができる。
【０１７９】
[196]全ての出版物、特許、及び特許文書は、あたかも個別に参照により援用されるように、参照により本明細書に援用される。本開示と矛盾するいかなる制限も、そこから理解されるべきではない。本発明は、種々の特定の及び好ましい実施形態及び技術への参照と共に説明されている。しかしながら、多数の変形及び修正が本発明の精神及び範囲内で行われてもよいことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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