(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非対称親水性一体型スルホンポリマー膜を調製する方法であって、
前記膜は、多孔性支持体を含み、１００μｍ〜４００μｍの厚さを有し、前記多孔性支持体の一表面である微小孔性スキン表面が高密度のスキン孔を有しており、前記スキン孔は0.1μｍから10μｍの平均直径を有し、
前記膜は、前記微小孔性スキン表面から前記微小孔性スキン表面とは反対側の粗孔性表面へ孔サイズが漸進的に増加する非対称領域を含み、前記粗孔性表面の孔がスキン孔の直径の５倍から1000倍の平均直径を有し、
溶媒に溶けた、８重量％から９．３重量％のスルホンポリマーと３重量％から４．３重量％の親水性ポリマーを含むキャスティングドープを提供し；
前記ドープをキャスティングし薄膜を形成させ；
前記薄膜を、６５％から８０％の間の相対湿度の水蒸気を含むガス環境に３秒間から１０秒間の間曝露し；および
３５℃から５０℃の温度を有するウォーターバス中で前記膜を凝固させ、前記膜を回収することを含む、前記方法。
【請求項２】
ドープが均一な溶液である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ドープが更にスルホンポリマーに対する非溶媒を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ドープが分散液である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
膜が０．１μｍから１０μｍの平均フロー孔サイズを有している、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
膜が１０００μｍ2あたり少なくとも１５孔のスキン孔密度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
膜が少なくとも１５０μｍの厚さである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
スルホンポリマーがポリスルホン、ポリエーテルスルホンおよびポリアリールスルホンからなる群より選ばれる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
親水性ポリマーがポリビニルピロリドンを含む、請求項１または８に記載の方法。
【請求項１０】
膜が水に対して少なくとも５mm／秒の横方向吸上速度を有している、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
発明の分野
本発明は、高度に非対称の、親水性の精密濾過膜（microfiltration membrane）であって、最小孔表面において最小孔サイズが約0.1μmよりも大きく、膜の下部構造を通って漸進的に孔サイズが増加し約100μmまでの孔サイズを有する粗孔性表面に到る孔を有する膜に関するものである。
技術背景
非対称または異方性膜はこの技術においてよく知られている。例えば、米国特許4,629,563号および4,774,039号においてWrasidlo、および米国特許5,188,734号および5,171,445号においてZepf（これらの開示は本明細書に含まれるものとする）は、各々非対称または異方性膜およびその製造方法を開示する。WrasidloおよびZepfの特許は各々、一体型（integral）の、高度に非対称性の、高流速および優れた保持特性を有する精密濾過膜を開示する。この膜は一般に準安定な溶媒／非溶媒系中のポリマーの2相液体分散体を用い、これをキャスト（cast）して続いて非溶媒と接触させ、改変「相反転（phase inversion）」法によって調製される。Zepfの特許はWrasidloの特許に対する改良を開示する。
相反転法は一般には以下のステップで行われる：（i）適切な高分子量のポリマー溶液またはその混合物、溶媒、および非溶媒を薄膜、チューブまたは中空ファイバーにキャストし、（ii）ポリマーを以下のメカニズムの1以上に従って析出させる：
（ａ）溶媒および非溶媒の蒸発（乾式法）；
（ｂ）曝露された表面上に吸収される水蒸気のような非溶媒蒸気への曝露（蒸気相誘導析出法）；
（ｃ）非溶媒液体、一般には水中におけるクエンチング（quenching）（湿式法）または
（ｄ）ポリマーの溶解性が突然大きく低下する高温フィルムの熱的クエンチング（quenching）（熱式法）。
模式的には、溶液からゲルへの相反転は以下の様に進行する：
0004461205.tif 000002
本質的なのは、SOL 1は均一な溶液であり、SOL 2が分散液であり、ゲルは形成されたポリマーマトリックスであることである。SOL ２形成の引き金となる事象は使用する相反転法に依存する。しなしながら、一般には、引き金となる事象はSOL中のポリマー溶解性を巡るものである。湿式法では、SOL 1はキャストされ、ポリマーに対する非溶媒と接触させられ、これがSOL 2形成の引き金となり、次に「析出」してゲルとなる。蒸気相-誘導析出法では、SOL 1はキャストされ、ポリマーに対する非溶媒を含むガス状雰囲気にさらされ、これがSOL 2形成の引き金となり次に「析出」してゲルとなる。熱式法ではSOL 1はキャストされキャストフィルムの温度が下げられてSOL 2を生成し、次にそれが「析出」してゲルとなる。乾式法ではSOL 1はキャストされ1以上の溶媒が蒸発できるような（空気のような）ガス状雰囲気に接触させられ、SOL 2の形成のトリガーとなり、次に「析出」してゲルとなる。
キャスティングドープ（casting dope）中の非溶媒はポリマーに対して必ずしも完全に不活性である必要はなく、実際通常そうではなく、しばしば膨潤剤と言われる。Wrasidlo型の配合においては、後で考察するように、非溶媒のタイプと濃度はドープが相分離条件にあるか否かを決定する主要なファクターであるという点で重要である。
一般には、非溶媒は主要な孔形成剤であり、ドープ中のその濃度は最終的な膜の孔サイズおよび孔サイズ分布に大きな影響を与える。ポリマー濃度も孔サイズに影響を与えるが非溶媒が与えるほど顕著ではない。しかしながら、膜の強度および空孔率には影響を与える。キャスティング溶液、またはドープ中の主要成分に加えて、例えば表面活性剤または剥離剤のような副成分があってもよい。
ポリスルホンは高度に非対称な膜の形成、特に2相Wrasidlo配合物においける膜形成を特に行いやすい。これらは均一の溶液ではないが、２つの分離相からなっている：ひとつは、低濃度（例えば７％）の低分子量ポリマーの溶媒リッチな透明溶液；もう一方は高濃度（例えば17％）の高分子量ポリマーのポリマーリッチな濁った（コロイド状）溶液である。この2相は同じ３成分、すなわち、ポリマー、溶媒および非溶媒を含んでいるが、根本的に異なる濃度及び分子量分布で含んでいる。最も重要なのは、この２相は互いに不溶性であり、静置すると分離するであろうことである。この混合物はフィルムとして成形されるときまで連続的に撹拌して分散液として維持されなければならない。本質的には、Wrasidlo型配合においてはキャスティングドープはSOL 2（分散液）条件で供給されることである。従って、この分散液は以下のようにゲル形成の開始点として機能し、中間段階（上述）として機能するのではない：
0004461205.tif 000003
この工程改変は従来技術に比較してWrasidlo膜のより高度な非対称性と均一な密度に強く関与するものであった。
相分離を起させるのは非溶媒とキャスティング混合物中のその濃度であり、全ての非溶媒がそれを生じさせるわけではない。２相は静置すると互いに分離するであろうが、各相自体は非常に安定である。混合物の温度が変わると、相間移動が起こる。加熱すると透明相をより多く作り出し；冷却するとその逆が起こる。濃度変化は同様な効果を有するが、Wrasidloが考察したように、相分離した系が存在し得る臨界濃度範囲、あるいは領域がある。Wrasidloはそのように分散したポリマー／溶媒／非溶媒の定温状態図上でせん点曲線内またはせん点曲線と双節曲線の間に位置するこの不安定領域を明らかにし、その領域では巨視的に分離した層が存在することを明らかにした。
ポリマーの大きな疎水性および２相、１つは溶媒-リッチ相、他はポリマーリッチ相、が前−存在する（相反転を受ける場合は他の系が通らなければならない状態）キャスティング混合物の熱力学的に不安定な状態のために、不安定なWrasidlo混合物はクエンチングされるときわめて迅速に析出し界面に巨視的な薄層を形成し、続いて高度に非対称な膜、WrasidloおよびZepfの特許の各々の膜が共通にもつ構造に発達する。
Wrasidlo特許との関係で用いる「非対称」とは微小孔性スキン（skin）と下部構造との間の断面にわたって孔サイズの漸進的変化を有する膜をいう。Wrasidlo型膜の漸進的非対称性は「非微小孔スキン」と下部構造との間に鋭い不連続性を有する逆浸透膜および大部分の限外濾過膜と対照をなしている。
微小孔性スキンは空気-溶液の境界またはクエンチ（quench）-溶液の境界を構成する、膜の微小孔のある側である。Wrasidlo特許およびその開示において、「スキン」はある種の膜に存在する比較的厚い、ほぼ不浸透性の層を示すものではないとして理解される。ここでは、微小孔性スキンは比較的薄い、種々の厚さの微小孔領域の上にある多孔性表面である。下層にある微小孔領域の孔はスキンの孔と同じサイズかまたはいくぶん小さくてよい。非対称膜においては、微小孔性領域の孔はスキンから膜の反対表面へ向かうに従ってサイズが次第に増加する。次第に孔サイズが増加する領域はときどき非対称領域と呼ばれ、膜の反対側の非-スキン表面はしばしば粗孔性表面と呼ばれる。粗孔性表面の対照として、スキンは微小孔性表面とも呼ばれる。
ポリマー膜はポリマーの均一溶液からキャストすることもできる。これらの配合物の組成はWrasidloの状態図のせん点領域／双節領域の外にある。均一溶液からキャスとされた膜も非対称性かもしれないが、通常それらは相分離配合物からキャストされたものほど高度に非対称性ではない。
Wrasidlo膜は従来技術の膜に比べて流速および透過選択性が改善されている。そのような改善された流速および選択透過性は膜の構造によるものである。
Zepf特許はより均一なサイズの本質的に多数の微小孔性スキン孔、大きく増大した流速を有し、任意の孔直径についてフロー共分散（flow covariance）が低下している改良Wrasidlo型ポリマー膜を開示している。改良Zepf膜はWrasidlo工程の改変によって達成されており、その工程はキャスティングおよびクエンチング温度低下、およびキャスティングとクエンチングの間の環境への曝露の低減を含む。Zepfはキャスティングおよびクエンチング温度低下は配合および工程パラメータの小さな変化に対する膜形成の感受性を最小限にすることを教示している。
表面孔サイズを増加させることが記載されてきた。Fujiの英国特許2,199,786号を参照せよ（以後「Fuji」という。）。Fujiの特許は、他の文献と同様にキャストポリマー溶液を湿った空気に曝すと、膜の表面下において相反転が起こることを教示している。Fujiの製法で作られた膜は表面に0.05から1.2μmの比較的広い孔を有し、表面下の相反転点へ次第に緊縮し、続いて等方性構造が達成されるまで、キャスト表面の１から10μmへ漸進的に孔が開いていくという特徴的構造を有している。従って、Fujiの膜はスキン表面から反転点に到る逆非対称性と等方性構造に漸進的に到る非対称性を有したものと考えることができる。この特許は、膜の寿命を伸ばすために最小限の非対称性が使用させるべきであることを明白に教示している（第４頁第７〜29行を参照せよ）。
非対称精密濾過膜は多くの応用面で有用である。例えば、そのような膜は食品および飲料産業、水処理、医薬品、および医学研究室における精製および検査のための種々の濾過用途に使用することができる。この膜は、種々の形態、例えばディスクおよびカートリッジの形で有用である。そのような膜の使用は微量金属分析や医学的診断の様々な検査産業に益々関連してくるようになった。この膜は大きな孔の表面と微小孔表面を有している。大きな孔の表面に固体含有液体サンプルを適用すると殆ど固体のない液体が微小孔表面から出てくる。次に固体フリーの液体濾過物は固体に妨害されずに検査することができる。そのような検査は化学的、電気的または種々の分析装置の使用により行うことができる。
例示的な検査用途の一つは診断産業において提供されており、そこでは非対称膜が血液分離用途に特に適していることが分かった（例えば、Koehenらの米国特許5,240,862号を参照せよ）。全血が開口した有孔表面に適用され、細胞が濾過除去されて膜の多孔性支持体に保持され、血漿が膜を通過する。微小孔性表面を分析物検出装置と接触させて設置することにより特定の分析物が存在する又はしないことを細胞に妨害されずに測定することができる。さらに、この構造により診断アッセイを遠心をせずに行うことができるようになる。
上述したように、非対称膜はスルホンポリマーおよび混合セルロースエステルのような疎水性ポリマーから調製することができる。スルホンポリマーは一般に３つのポリマークラスを含んでいる：ポリスルホン、ポリエーテルスルホンおよびポリアリールスルホン。しかしながら、膜が疎水性ポリマーを用いて調製される場合は得られた膜は疎水性であって、一般に水は妥当な作動条件下で膜を通過しないであろう。従って、水性環境で膜を働かせる必要がある用途においては、膜、または膜に構成される前のポリマーは、典型的にはそれぞれ生じる膜を親水性にする成分（moiety）と反応させられ又は混合される。
例えば、疎水性ポリマーから親水性膜を作製するための幾つかのストラテジーがあり、以下のものが含まれる：膜としてキャスティングするに先立つ疎水性ポリマーのスルホン化；キャストされた疎水性膜をそのキャストされた膜に親水特性を与える試薬と接触させること；および、膜のキャスティングに先立ってキャスティングドープ中に親水性成分を含ませること。膜に親水性を与えるこれらの方法のそれぞれは固有の問題または困難性を有している。例えば、親水性を与えるための成分で後処理される場合は、その成分が浸出してサンプルを汚染する可能性がある。ある種の成分をキャスト膜の表面に架橋することによって浸出を最小限にするよう試みることはできる。例えば、Roesinkらは米国特許4,798,847号（現在は34,296号に番号が付け変わっている）においてポリスルホン膜の構造にPVPを架橋することを開示している。しかしながら、親水性成分を膜に架橋することは浸出を最小限にするものの、膜の製造工程に追加のステップと複雑さを加える可能性がある。更に、架橋に必要とされる条件によっては膜強度および／または剛性が損なわれる可能性がある。
疎水性ポリマーがキャスティングに先立ってスルホン化される場合は、それから非対称膜を調製するのは不可能ではないにしろ非常に困難である。従って、等方性膜の製造に束縛される。
膜に親水性を与える他のアプローチには、親水性成分をキャスティング懸濁液内に含有させることが含まれる。例えば、Krausらは米国特許4,964,990号および4,900,449号において、ポリエチレングリコールまたはポリビニルピロリドンのような親水性ポリマーをキャスティング溶液に含有させることによる疎水性ポリマーからの親水性精密濾過膜の形成を開示している。しかしながら、Kraus特許によって調製される膜は等方性であり、従って非対称性膜を必要とする用途にはあまり適していない。
従って、高度に安定な親水性、充分な強度と剛性を有し、分離及び検査への適用において効果的に働く非対称性微小孔膜を提供することが望まれているであろう。
発明の概要
本発明は、高度に非対称の、親水性の精密濾過膜であって、最小孔表面において最小孔サイズが約0.1μmよりも大きく、膜の下部構造を通って漸進的に孔サイズが増加し約100μmまでの孔サイズを有する粗孔性表面に到る孔を有する膜に関するものである。
本発明の側面のひとつは、スルホンポリマーを親水性ポリマーと共キャスティングすることによって親水性にした、一体型（integral）スルホンポリマー膜を提供することである。本発明のこの特徴による膜は微小孔性スキンと多孔性支持体を有している。微小孔性スキンは高密度のスキン孔を有しており、このスキン孔は約0.1ミクロンから約10ミクロンの平均直径を有している。
多孔性支持体は次第に孔サイズが大きくなる非対称構造体である。膜の粗孔性表面における最大孔の平均直径はスキン孔直径の約５倍から約1000倍にわたる。本発明のこの特徴による膜はその律速孔（limiting pore）のサイズに関して特に均一であり、約0.1μmから約10μmのフロー孔サイズ（flow pore size）を有しているであろう。さらに、これらの膜は最小有孔表面の1000μm2あたり少なくとも約15個のスキン孔を有している。本発明のこの特徴による膜は従来の膜よりも大きな厚みを有するようにキャストされてもよく、本発明の多数の実施態様においてはこの膜厚は少なくとも約150μmである。
膜の組成には例えばポリスルホン、ポリエーテルスルホン、またはポリアリールスルホンであってもよいスルホンポリマーが含まれる。親水性ポリマーはポリビニルピロリドンであってよい。本発明の膜は水について少なくとも約５mm/秒の横方向吸上速度（lateral wicking speed）を有している。
本発明の他の側面において、親水性一体型スルホンポリマー膜を調製する方法が提供される。この方法によって製造された膜は微小孔性スキンと多孔性支持体を有している。微小孔性スキンは高密度のスキン孔を有しており、スキン孔は約0.1ミクロンから約10ミクロンの平均直径を有している。多孔性支持体は、スキン孔の直径の約５から約100倍の平均直径まで漸進的に孔サイズが増加する非対称領域を有している。
この方法の第１ステップは、溶媒に溶けた、重量にして８％から9.3％の間のスルホンポリマーと重量にして約３％から4.3％の親水性ポリマーのキャスティングドープを提供することである。このドープは次にキャストされて薄膜を形成する。この薄膜は、約65％から80％の間の相対湿度の水蒸気を含むガス環境に約3秒間から10秒間曝される。次にこのフィルムは約35℃から50℃の温度のウォーターバス中で凝固される。最後に、この膜はウォーターバスから回収される。
キャスティングドープは均一溶液であってよく、スルホンポリマーに対する非溶媒を更に含んでいてもよい。このキャスティングドープは分散液であってもよい。
本発明のこの特徴により作られた膜は約0.1μmから約10μmの平均フロー孔サイズを有している。この膜はまた1000μm2あたり少なくとも約15孔のスキン孔密度を有していることもあり、少なくとも約150μmの厚さを有していてよい。
ドープ混合物のスルホンポリマーは、例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンまたはポリアリールスルホンであってよく、親水性ポリマーはポリビニルピロリドンであってよい。この方法で作られた膜は水について少なくとも約５mm/秒の横方向吸上速度を有しているだろう。
本発明の他の側面は、分離膜と接触膜を用いるタイプの改良診断装置である。改良点は、スルホンポリマーを親水性ポリマーと共キャスティングすることによって親水性となった、非対称の一体型スルホンポリマー膜である分離膜からなる。この膜は微小孔性スキンと多孔性支持体を有しており、微小孔性スキンは高密度のスキン孔を有している。スキン孔は約0.1ミクロンから約10ミクロンの平均直径を有しており、多孔性支持体は孔サイズがスキン孔の直径の約５倍から100倍の平均直径に至る、漸進的に孔サイズが増加する非対称領域である。本発明の改良装置における膜は約１μmから約10μmの平均フロー孔サイズ、1000μm2あたり少なくとも約15孔のスキン孔密度を有してよく、少なくとも厚さ約150μmであってよい。本装置の膜中のスルホンポリマーは例えばポリスルホン、ポリエーテルスルホン、またはポリアリールスルホンであってよく、親水性ポリマーはポリビニルピロリドンであってよい。本装置は横方向吸上装置（lateral wicking device）であることがあり、その膜は少なくとも水に対して約５mm/秒の横方向吸上速度を有していてよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の膜の3枚の走査電子顕微鏡写真を示すものである。図１ａは膜の上面図であり、膜の微小孔性表面を示す。図１ｂは膜の粗孔性表面を示す。図１ｃは膜の断面を示す。
図２は、本発明の膜の3枚の走査型電子顕微鏡写真を示すものである。図２ａは膜の上面図であり、膜の微小孔性表面を示す。図２ｂは膜の粗孔性表面を示す。図２ｃは膜の断面を示す。
好ましい実施態様の詳細な説明
本発明により、我々は最小孔表面において約0.1μmよりも大きな最小孔サイズを有し、膜の下部構造を通して粗孔性表面まで漸進的に孔サイズが増加する、高度に非対称性の精密濾過膜を開発した。最小孔表面は好ましくは約0.1μmから約10μmの孔サイズを有しており、孔サイズは最小孔表面から粗孔性表面まで膜の下部構造を通して漸進的に増加し、粗孔性表面の孔サイズは最小孔表面の孔サイズに依存して約５μmから約100μmであってよい。従って、この膜における非対称性（最小孔表面の孔サイズに比較した粗孔性表面の孔サイズの比）は約５から約1000である。本発明の膜は更に、周辺の多孔性からはサイズが著しく異なるヴォイド（void）である、巨視的ヴォイドを実質的に含まない。本発明の好ましい膜は約80％またはこれより大きなバルク空孔率（bulk porosity）またはヴォイド体積を有してもいる。
本発明の膜は比較的大きな粒子を含む流体の分離に有用である。本発明の膜が極めて有用である分野の一つは血液細胞分離におけるものである。例えば、本発明の膜は白血球細胞、リンパ細胞、血小板、好中球、Ｂ細胞、Ｔ細胞、単球およびマクロファージのような大きな血液細胞を赤血球細胞からその細胞の大きさに基づいて分離するために使用することができる。
与えられた分離システムにおける補助のため、本発明の膜は更に処理することができる。そのような処理には、望みの物質を除去する膜の能力を増強するために、膜表面を修飾してその親水性を増加させること、官能基を追加することその他が含まれる。例えば、利用できる高度に効果的な追加処理は膜表面の電荷-修飾である。そのような電荷-修飾は濾過過程における一つのステップとしてイオンの除去または交換のできる膜を生じさせる。
本発明の膜は比較的疎水性のポリマーを用いて調製されるのが好ましい。疎水性ポリマーは、以下に示すスルホン部分を有するポリマーの一切を含むスルホンポリマーである：
0004461205.tif 000004
スルホンポリマーの例は、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンおよびポリアリールスルホンである。親水性の第2のポリマーが疎水性ポリマーに加えて使用される。好ましくは、第２のポリマーはポリビニルピロリドンである。またポリビニルピロリドン／ポリビニルアセテートコポリマーのようなポリビニルピロリドンのコポリマー誘導体であってもよい。
本発明のキャスティング溶液は好ましくはポリマーに対する溶媒とポリマーに対する非溶媒の両方を含む。ポリマーに対する非溶媒は、第２のポリマーが存在する場合は好ましくは第２のポリマーに対する溶媒である。更に、ドープ溶液が調製されるときに、親水性である第２のポリマーはそれ自体がポリマーに対する追加の非溶媒として働くこともある。従って、非溶媒はポリマーの溶解性に寄与しない、ドープ中のいかなる部分を含んでよい。非溶媒の集合群は参照の便宜のため、「ポリマー非溶媒」と「非ポリマー非溶媒」または「他の非溶媒」に更に分けることがある。典型的なポリマー非溶媒はポリビニルピロリドンであり、典型的な非ポリマー非溶媒は水である。
キャスティング溶液は均一且つ安定なことが好ましい。しかしながら、ある実施態様では僅かに不安定から高度に不安定の範囲にあるかもしれない不安定分散体を使用するのが望ましいことがある。
好ましい実施態様では、キャスティング配合物は以下の割合を用いて調製される：
スルホンポリマー                約９％から約12％
ポリエチレングリコール          約15％から約25％
ポリビニルピロリドン            約３％から約15％
他の非溶媒（水）                約0.5％から約５％
溶媒                            残余（約43％から約72.5％）
この配合において、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドンおよび水は全てドープ混合物中で非溶媒として働く。従って、この配合物においては全非溶媒はドープ混合物の約18.5％から45％を構成する。
本発明の膜は通常、相反転膜キャスティングについての良く知られた技術を用いてキャストされる。例えば、膜はドクターブレードまたはスロットコーティング機を用いてキャストされてよい。そのような膜は所定の厚さにキャストされ、好ましくは、例えばポリエチレンコート紙の移動ベルト上にキャストされる。キャストされた膜を膜のクエンチングに先立って湿り空気に曝すことも好ましい。曝露時間は膜孔の開口度に依存して変えてよい。選ばれる曝露時間は２から20秒間であり、２から15秒間が好ましく、３から10秒間が最も好ましい。相対湿度は、60％から75％の相対湿度が最も好ましい。
本発明により、我々は思いがけなくも非対称な、高度に親水性の精密濾過膜を親水性薬剤または成分と共に溶液若しくは分散液として共キャストされた疎水性ポリマーから製造できることを発見した。好ましい実施態様では、本発明の膜はスルホンポリマーとポリビニルピロリドンから製造される。
本発明の膜の長所
本明細書で開示された開発前には、高度に非対称なWrasidlo型膜はその孔サイズおよびその最大厚の双方において限界があった。特定のいかなる理論に捕らわれるものではないが、これらの限界に対する通常の説明は以下のようであった：高度に非対称な膜は通常不安定又は準安定な分散体からキャストされるものである。これらの分散体における相分離の動力学は比較的低粘性の、迅速にゲル化する配合物を必要とする。Wrasidlo型膜において高度の非対称性の達成を容易にするのは分散体の動力学的性質である。しかしながら、これらのドープ混合物が低粘性であることは、それがキャストされる厚さに当然に限界を与える。低粘性であることはWrasidlo型膜に使用される非溶媒の量と種類にも限界を与える。
これに対して、本発明の膜は比較的粘性のドープ混合物を使用する。これらの混合物の粘性の多くは非溶媒親水性ポリマーの存在によるものである。ドープ混合物の粘性を増大させることに加えて、これらの親水性ポリマー非溶媒は大きな孔、大きなバルク空孔率、そして勿論非常に親水性の膜をも作り出す。
従って、本発明は以前の高度非対称膜の限界を超えた改良を提示するものである。開示されるドープ混合物組成およびキャストパラメータは高度に非対称の、Wrasidlo型膜に類似してはいるが、同時に大きな孔サイズ、より大きな最大膜厚および、従来の高度非対称膜よりもずっと大きな親水性を有する膜を生じさせる。本発明の膜は約100から1000ミクロン厚またはこれより厚くてもよい。好ましくは、膜の厚さは約125から400ミクロンである。より好ましくは膜厚は約150から300ミクロンである。本発明の配合物を用いて達成されるかもしれない厚さに既知の実用上の限界はない。従って、好ましい実施態様は本出願について分かっている最も有用であることによって決定される。
本発明の膜の構造
本発明のポリマー膜はかなりの程度の非対称性を保持している一方、比較的大きな微小孔性スキン孔を有している。膜の非対称性および孔サイズを評価する簡便な方法は走査電子顕微鏡（SEM）によるものである。図１及び図２は本発明によって調製された膜の断面、微小孔性スキン表面、粗孔性表面を示している。これらの膜の特徴は図３に示した従来のWrasidlo型微細孔膜の特徴と比較することができる。一般に、本発明の膜の平均微小孔性スキン孔サイズすなわち、平均微小孔性スキン孔直径は約0.1μmよりも大きく、典型的には0.5μmまたは1.0μmよりも大きい。
SEMデータが無い場合は、非対称性はKesting、Synthetic Polymer Membranes:A Structural Perspective、275頁（John Wiley & Sons,第2版（1985））に記載されているように、インクまたは色素の小滴を膜の隙間のない表面に乗せ、色素に膜を透過させおよびその表面に拡散させる。色素に覆われた面積の割合が非対称性の一般的な指標、またはその程度を与える。
孔サイズはポロメトリー解析（porometry analysis）および別なバブルポイント測定によって評価することもでき、高いバブルポイントはより狭い孔の存在を示す。ポロメトリーは湿らせた膜に次第に増加する圧力をかけ、ガス流速を乾燥膜のものと比較することからなり、孔サイズおよびバブルポイントに関するデータを生成するものである。この解析のために、Coulter Porometerモデル0204を使用した。ポロメトリー測定は膜の「平均フロー孔サイズ」を与える。平均フロー孔サイズとは膜の律速孔（limiting pore）サイズの平均である。本発明の膜のような高度に非対称な膜においては律速孔は一般にスキンの非常に近くにある。しかしながら、ここで明らかにするスキン表面の特徴のために平均フロー孔サイズは平均スキン孔サイズよりも小さいことがあり。なぜなら、律速孔がスキン表面上に無いことがあるからである。従って、高度に非対称性の膜における孔のサイズを適切に判定することにはSEMから決定される平均スキン孔サイズを考慮するだけでなく、ポロメトリー試験によって決定される平均フロー孔サイズを考慮することが含まれる。
平均フロー孔サイズは、予め湿らせた膜を通過する空気流速が乾いている同じ膜を通る空気流速の半分となる圧力（平均フロー圧）に比較した、予め湿らせた膜を通って空気流が生じ始める圧力（バブルポイント圧）に基づく。バブルポイント圧は最大の律速孔のサイズを示すものであり、平均フロー孔圧は律速孔の平均サイズを示すものである。従って、これらの2つの値を比較することにより、膜の律速孔の平均サイズを決定できるだけでなく、律速孔サイズの均一性も決定することができる。本発明の膜は大きな孔直径を有する他の膜よりもずっと高度に均一な孔サイズを有している。
ここで用いる、実質的に非対称とは、WrasidloおよびZepf特許に開示され、それによって調製された膜が有するのと類似の非対称性の程度を意味する。この点において、本発明の膜は約0.1μmよりも大きな平均微小孔性スキン孔サイズを有し、一方その反対側、キャスティングの際の支持紙またはベルトに隣接する側においては、SEMは平均孔サイズは微小孔性スキン平均孔サイズの少なくとも５倍であることを示す。従って、微小孔性スキン孔サイズのキャスト表面孔サイズに対する比は1:5であり、非常に好ましい実施態様では1:10、1:50、1:100あるいは1000:1にもなる。図の具体的な膜は5psidまでの水バブルポイントを有し、そのかなり大きな孔サイズと親水性特性を反映している。psid単位は平方インチあたりのポンド差を示し、膜の一方の側にかけた空気圧の膜の反対側に生じている空気圧への比較を表したものである。
本発明の膜の調製
本発明の膜は一般には通常のアプローチによって調製される。ポリマーキャスティング溶液または分散液を調製し、次にキャストし、所定の時間ガス環境に曝し、次に非溶媒槽内でクエンチングする。好ましいキャスティング溶液およびキャスティング工程は以下に議論する。
非ポリマー非溶媒を含むまたは含まないキャスティング溶液
本発明の膜は均一な溶液および分散液から調製することができる。好ましい実施態様では、本発明の膜は均一な溶液から調製される。均一な溶液は溶媒単独の使用、または非溶媒との組み合わせによって調製することができる。分散液から調製される膜は均一溶液から作られた膜と同じ一般的範囲のバブルポイントをもって形成させることができる。しかしながら、そのような膜は一般にはクエンチングの前に空気へのより長期間の曝露を必要とする。
本発明の膜は、例えばスルホンポリマーのような疎水性ポリマー、例えばポリビニルピロリドンのような親水性ポリマー、および疎水性ポリマーおよび親水性ポリマーに対する適切な溶媒を含む均一な溶液から調製されるのが好ましい。
好ましい実施態様においては、疎水性ポリマーはポリスルホン、ポリアリールスルホン、またはポリエーテルスルホンのようなスルホンポリマーであり、ポリスルホンが好ましく、最も好ましくはAMOCO社（Appharetta、GA）のUdel3500ポリスルホンである。
ポリスルホンが使用される場合は、ポリマー濃度は８〜9.3％である。
親水性ポリマーは疎水性ポリマーと共存できるどんなポリマーでもよい。好ましい実施態様においては、親水性ポリマーはポリビニルピロリドンである。別の好ましい実施態様においては、親水性ポリマーはポリビニルピロリドンとポリビニルアセテートのコポリマーである。親水性ポリマーは約３から4.3重量％含まれる。
溶媒は疎水性ポリマーと親水性ポリマーのそれぞれにとって良い溶媒であるように選ばれる。疎水性ポリマーがポリスルホンであって親水性ポリマーがポリビニルピロリドンである場合は、N-メチルピロリジン、ジメチルホルムアミド、およびジメチルアセトアミドが溶媒として効果的に働くことを発見した。非常に好ましい実施態様においては、ジメチルホルムアミドが溶媒として使用される。
一般には、本発明のポリマー溶液は表Ｉに示すように調製される。
0004461205.tif 000005
非常に好ましい実施態様においては、ポリマー溶液は表IIに示すように調製される。
0004461205.tif 000006
部分的または完全な分散液配合物は少なくとも疎水性ポリマーに対する非溶媒を含ませることによって調製することができる。例えば、分散キャスティングドープを生成するために充分な量で水をこの配合物に加えてもよい。または、より少ない量の非溶媒または、水よりも弱い非溶媒を均一な溶液を形成させるために使用してもよい。完全な分散液が望まれる場合は、他の非溶媒、例えば第3アミルアルコールのようなアルコールを充分な量で加えて、非溶媒として水を置換または補足することができる。このように、特定の性質を有するキャスティングドープを調製するために、非溶媒の組み合わせ、または単一種類の溶媒を本発明によって使用することができる。非溶媒の高濃度を分散配合物を作製するために使用することができるが、一方、非溶媒のより低い濃度は均一溶液を形成させるために利用することができる。非ポリマー非溶媒の量は約0.1％から約10％まで変えることができる。好ましい実施態様では、水が非ポリマー非溶媒として均一なキャスティングドープを調製するために効果的な量で使用される。例えば、水が非溶媒として使用される場合は、水はキャスティングドープ中に約0.1％から約3.0％含まれるのが好ましく、非常に好ましい実施態様では約１％から２％である。
膜形成のための溶液のキャスティング
ポリマー溶液は典型的には薄膜へキャストされ、所定の時間ガス環境に曝され、次に非溶媒中でクエンチングされる。本発明の膜は、キャスティング分散液または溶液が非多孔性支持体上に層状に広げられ、膜は後にクエンチング後にそこから剥がすことができるような、通常のどんな方法を用いてもキャストすることができる。膜は、キャスティング表面に注ぎがれ、キャストされまたは手で広げられ、続いてクエンチ液をキャスティング表面に適用する事によって手動でキャストすることが可能である。あるいは、膜はドープ混合物が移動床上に注がれまたはキャスティングされることにより自動でキャストされてもよい。好ましい移動床支持体はポリエチレン被覆紙である。キャスティングにおいて、特に自動キャスティングにおいては機械的スプレッダーを使用することができる。機械的スプレッダーには塗布用ナイフ（spreading knife）、ドクターブレード（doctor blade）、またはスプレー／加圧系が含まれる。好ましいスプレッディング装置は、キャスティング配合物を中へ導くことができ、狭いスロットから圧力下に押し出すことができるチャンバーを有する、押出ダイスまたはスロット被覆機（slot coater）である。膜は典型的には約15から約50ミルmilのナイフ間隔、好ましくは約16から約25mil、より好ましくは約19milのナイフ間隔のドクターブレードによってキャストしてもよい。キャスティングのナイフ間隔と膜の最終厚殿関係はドープ混合物の組成及び温度、湿り空気への曝露時間、曝露中の空気の相対湿度、およびクエンチング槽の温度の関数である。膜は典型的にはゲル化に際して潰れ、その厚みの約20％から80％を失う。
キャスティングに続いて、キャスト分散液または溶液はクエンチングされる。好ましい実施態様においては、クエンチングは移動ベルト上のキャストされた膜をウォーターバスのようなクエンチング液へ移動させることによって行う。クエンチング液は最も一般には水である。バス中で、クエンチング操作はポリマーを析出または凝結させ必要な孔サイズの微小孔性スキンと特徴的構造を有する支持体領域を作り出すことができる。通常得られた膜は一緒に引き込んだ溶媒を洗浄除去され、溶媒、希釈剤およびクエンチング液の付加的な増加を駆逐するため乾燥させられ、それから膜が回収される。クエンチングステップ後には、微小孔性膜製品は典型的には約100から400ミクロン厚となる。
一般には本発明の膜の調製においてクエンチングに先立ち、前述したようにキャストされたフィルムは大きな表面孔の形成を誘導するために充分に長く空気に曝さなければならない。曝露が短いほど湿度は高くなければならず、その逆もある。全湿度は重要なファクターである。より高い環境空気温度においては、同じ効果のための相対湿度を下げることができる。キャスティング混合物の温度およびクエンチングバスの温度も重要なパラメータである。一般にはクエンチングが暖かいほど、膜はより開口する。
一般には、本発明の膜製造において、キャスティング溶液または分散液温度は約20℃から35℃の間、クエンチングバス温度は35〜50℃使用される。クエンチングバスの温度は膜の微小孔性スキンの孔サイズおよびその非対称性にも著しい効果を与えるように見える。より高いクエンチング温度が使用される場合は、膜はより大きなスキン孔と増強された非対称性の双方を有する。逆に、低い温度が用いられると、より小さな孔が形成され非対称性は低下し得る。
本発明の膜製造に重要な他のファクターは、ポリマー溶液のキャスティングと本発明の膜のクエンチングとの間にある曝露時間および曝露条件である。好ましくは、キャスト溶液または分散液はキャスティング後、但しクエンチング前に湿った空気に曝される。相対空気湿度は約60％よりも大きいのが好ましい。加えて、キャスト溶液または分散液と接触を増大させるために空気は循環させるのが好ましい。循環は例えばファンによって行うことができる。
曝露時間は通常３秒間から10秒間である。この範囲にわたって曝露時間を増加させると、得られる膜の透過性を増加させる傾向がある。しかしながら、曝露時間が長すぎると、まるいは湿度が高すぎると、表面の多孔性が悪影響を受け得る。そうした状況では比較的非多孔性のスキンが生じ、膜は微小孔でなくなるようである。
スルホンポリマーとポリビニルピロリドンから構成される横方向吸上分離膜（lateral wicking separation membrane）については、約35℃から50℃の間の温度が非常に好ましい孔サイズと非対称性度を生じさせることを我々は見いだした。更に、空気曝露は３から10秒間続くことが最も好ましく、その空気は約65から80％の相対湿度を有することが好ましい。言うまでもないが、相対湿度および曝露時間は重要な条件であり、一般にはその効果は反比例する。従って、相対湿度が高いほど、曝露時間を短くし得る。
孔密度
与えられた膜サンプルについて、問題にしている膜の任意の表面正方領域の走査電子顕微鏡写真を調べ、その与えられた領域に含まれる孔の数を計算することによって、孔密度を容易に計算することができる。与えられた正方領域に存在するとして計算された孔数は単純な比によって特定の参照用正方領域に対して正規化することができる。例えば、従来の最も高い孔密度を有するWrasidlo型膜は約８孔／1000μm2の範囲である。対照的に、本発明の方法によって調製された膜は最も孔-密のWrasidlo型膜の約２倍またはそれ以上の孔密度を有している。例えば、図１ａに示した膜は1000μm2あたり50よりも多い孔を有している。加えて、図２ａに示した膜は1000μm2あたり30よりも多い孔を有している。このように、本発明による好ましい膜は15孔／1000μm2よりも高い孔密度を有するとして特徴づけることができる。より好ましい実施態様においては、孔密度は25孔／1000μm2より大きく、最も好ましくは30孔／1000μm2よりも大きい。
分離アプリケーションにおける本発明の膜の使用
本発明の膜は検査および分離への応用に有用であり、かつ極めて効果的である。特に、本発明の膜はジュースおよびその他の飲料を含む食品生産物の濾過に効果的である。本発明の膜はまた血液分離プロトコルにおいて効果的である（そのプロトコルでは血漿から血液の特定の粒子画分、多くは細胞性画分を分離することが望まれる。）さらに、本発明の膜は水および汚水の濾過に非常に効果的であり、薄層クロマトグラフィー用途にも有用といってよい。
改良診断装置
本発明の膜が有用である分離及び検査への応用例は、Koehenらの米国特許5,240,862号に開示された類の診断型装置のような診断への応用である。この特許の開示は本明細書に含まれるものとする。Koehenらの特許は捕集膜と密着した非対称膜を有する血液分離システムを開示している。類似のシステムがKiserらの米国特許5,240,862号に開示されている。この開示は本明細書に含まれるものとする。それぞれにおいて、全血が非対称膜の親水性の、あるいは親水性にされた粗孔側に適用され、血液細胞は非対称膜の大きな孔中で濾過除去され、血漿が微小孔性表面を通り抜け捕集膜に接触する。
捕集膜は一般には分析物検出システムを備えている。従って、検査すべき成分が血漿中に存在するまたは存在しない場合に、その存在または存在しないことは捕集膜上で記録され得る。KoehenらおよびKiserらの特許の装置は、検査材料が膜を垂直に通過するため一般には「垂直吸上装置（vertical wicking device）」と呼ばれる。膜を通過する液体の速度は固体粒状材料からの液体分離の完全性と同様に、そのような装置における有効性の効果テストとなる。固体物質と液体との相互作用が限られていること、および血液分離用途においては細胞の溶解が限られていることのような有効性の重要な尺度も、必然的に考慮すべきその他の事柄である。
他の型の検査装置案は「横方向吸上装置（lateral wicking device）」である。こうした装置においては、基材は分離膜と接触膜のための支持体を提供する。接触膜は検査すべき作用物質が存在する又は存在しないことを検出することができる化学反応剤または他の検出指標を備えている。分離膜は液体中の不要な成分、例えば、血液からの細胞を濾過除去する。分離膜と接触膜は界面（interface）で接触している。従って、動作するときは固体材料を含む液体は分離膜と接触し、流体は界面へ運ばれる。分離膜を通して横方向すなわち水平に吸上げられて界面に達した後、流体は接触膜中に入り、そこで接触膜中に提供されている検出指標と反応する。そのような反応はこの技術分野でよく知られている種々の標準的技法により検出することができる。
理解できるであろうが、検査装置の有効性を決定するための効果テストは膜を通過する適当な液体の吸上速度（rate of wicking）および一切の固体からの液体の分離の完全性である。従って、血液分離との関係では、膜を横方向に通過する血漿の速度、および、血漿分離の完全性および細胞の溶解が限定されていることはそのような装置における効果テストである。
本発明の膜は横方向吸上装置における分離膜として特に効果的である。固体含有液体が膜の細いストリップの一端において、この膜の粗孔表面に適用されると、液体は微小孔表面およびストリップのもう一端へ向かって吸い上げられる。サンプル中の比較的大きな粒子は制止され、一方液体は流れ続ける。装置中で液体はストリップに浸透し、例えば酵素または抗原-若しくは抗体-結合試薬のような検査試薬を含む第2の膜、しばしばニトロセルロース膜に達する。
迅速な吸上が重要である。膜表面の多孔性が高いほど、血漿の移動速度は早い。単に高い非対称性を与えることは必ずしも増大した吸上速度を意味しない。表面の多孔性の低さは、非対称度が非常に高くても、固体含有液体の阻止または目詰まりを生じさせるようであり、結果として本発明の膜の使用により可能であるよりも低速な分離を生じさせるようである。
本発明の膜は高濃度のポリビニルピロリドン（PVP）を含有しており、これは膜を親水性にし、かつ孔サイズおよび構造に影響を与える。更に、PVPが配合物に含まれているため、膜を親水性にするためにヒドロキシプロピルセルロースで第2処理をする必要がない。
迅速な吸上のための駆動力はPVPの親水性と孔構造との組み合わせであり、それによって、液体は毛管力によって膜中へ引き込まれ、固体はより開口している支持体中に保持される。またPVPはドープ粘性を増加させ溶媒／非溶媒交換速度を低下させる。クエンチングバス温度も、高温のバスは低温バスが生じさせるよりも非対称性が大きな構造およびより大きな平均フロー孔サイズを生じさせるという点で重要な役割を果たす。
横方向吸上速度は吸上が放射状であるか直線状であるかに依存し、および、吸上膜に適用される流体の体積に依存する。すべてのテストにおいて同じ流体の非制限的量を用い、同一の割合の膜ストリップを用いて異なる膜に対する吸上速度計測値を標準化することができる。ここで報告する横方向吸上速度は１cm幅で３cmの長さの膜ストリップを用いて測定されたものである。膜の狭い端（１cm）が比較的多量の水と接触させられ、膜ストリップ中の水の最前部の移動速度が測定される。そのように測定された吸上速度は1秒間あたりのミリメートルで表される。本発明の膜は５mm/秒を超える横方向吸上速度を有している。
膜製造に関する実施例
以下の実施例は本発明の具体的な微小孔性膜の製造に関するものである。このような実施例は本発明の膜の製造に使用することができる種々のキャスティング条件の説明を意図したものであり、得られる膜の特定の特性を達成するために条件を変更できるような方法に関するガイダンスを提供するものである。従って、以下の実施例は説明的なものであり、限定的なものではない。
実施例１
9.3％のポリスルホンポリマー（Udel 3500）、19の％ポリエチレングリコール（MW 200）、4.3％のポリビニルピロリドン、1.8％の水、および65.6％のN-メチルピロリドンを用いて均一なキャスティング溶液を調製した。このキャスティング溶液は室温、およそ25℃に維持した。キャスティング表面はポリエチレン被覆紙の移動ベルトとし、ナイフ間隔は24 milとした。キャスティングに続いて、ドープを湿った空気（相対湿度65〜70％）に６秒間曝してから約40〜45℃の温度を有するウォーターバス中でクエンチングした。
クエンチングに続いて、膜を取り出し、脱イオン水で洗浄し100℃のオーブンで乾燥させた。その後、膜を水流（water flow）および平均フロー孔サイズに関してテストした。水流は標準47mmディスクホルダー中の膜により10psidにて測定し、平均フロー孔サイズはCoulterポロメーターを用いて測定した。この膜は図１に示したものであり以下の特徴を有している。
0004461205.tif 000007
実施例２
9.3％のポリスルホンポリマー（Udel 3500）、19％のポリエチレングリコール（MW 200）、4.3％のポリビニルピロリドン、1.8％の水、および65.6％のN-メチルピロリドンを用いて均一なキャスティング溶液を調製した。このキャスティング溶液は室温、およそ25℃に維持した。キャスティング表面はポリエチレン被覆紙の移動ベルトとし、ナイフ間隔は19 milとした。キャスティングに続いて、ドープを湿った空気（相対湿度65〜70％）に９秒間曝してから約40〜45℃の温度を有するウォーターバス中でクエンチングした。
クエンチングに続いて、膜を取り出し、脱イオン水で洗浄し100℃のオーブンで乾燥させた。その後、膜を水流（water flow）および平均フロー孔サイズに関してテストした。水流は標準47mmディスクホルダー中の膜により10psidにて測定し、平均フロー孔サイズはCoulterポロメーターを用いて測定した。この膜は図２に示したものであり以下の特徴を有している：
0004461205.tif 000008
実施例３、参考例４〜６
暴露時間および湿度の効果
実施例１の方法を繰り返したが、曝露時間または湿度を表Vに示すように変えた。製造された膜に与えるこの変更の効果を示す。
0004461205.tif 000009
実施例７，８、参考例９、１０
キャスティング温度およびクエンチング温度の効果
実施例１の方法を繰り返したが、ナイフ間隔またはクエンチング温度を表VIのように変えた。製造される膜に与えるこの変更の効果を示す。
0004461205.tif 000010
等価物
本発明は具体的なその実施態様との関係で記載してきたが、更なる改変が可能であり、本発明が適合するこの技術において既知のまたは慣習的な事項内に入るような、および、前述の本質的特徴に適用されるような、および本発明の範囲内に入り添付の請求の範囲を限定するような本明細書の開示からの離脱を含む、一般に本発明の原理に従ういかなる本発明の改変、使用または適合を本出願がその範囲に含んでいることは当然である。
【図１Ａ】
0004461205.tif 000011
【図１Ｂ】
0004461205.tif 000012
【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
0004461205.tif 000014
【図２Ｂ】
0004461205.tif 000015
【図２Ｃ】
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