具有结构诱导的滴落效应的疏水性或疏油性微孔聚合物膜

技术领域

本发明涉及一种具有结构诱导的滴落效应的疏水性或疏油性微孔聚 合物膜、用于生产根据本发明的膜的方法、所述膜在气态流体的无菌过滤 中的应用以及所述膜在待排放的含液体的体系中作为液体屏障(liquid  barrier)的应用。

背景技术

在可重复使用的金属容器的工业应用中的习惯方法步骤是使用过热 蒸汽进行清洁和消毒、以及液体的灌装、温度调节、运输和倒出。除了清 洁步骤之外，所提及的方法在至少一个容器开口(突缘)上需要无菌过滤排 放元件(排放装置)，以便防止由于正压或负压引起的设备损坏并且同时在 排放期间确保溶液接触的内部没有微生物。

所述排放元件是在优选无菌的含液体的容器内部(例如，透析装置、 输液容器或发酵罐中的液体屏障的形式)和外部(优选未经消毒的大气)之 间的界面。在大多数情况下，选择由合成聚合物构成的无菌过滤膜过滤器 作为排放单元中的实际分离介质。在极少数情况下，并入了由合成纤维材 料制成的无纺布。

在许多情况下，合成的聚合物具有归因于该合成材料的固有疏水性的 疏水表面特性。疏水性是材料常数。其是由于形成所述聚合物的原子团的 外分子间相互作用引起的。

由于它们相对于水的低表面张力，因此这些材料与含水和极性介质具 有降低的润湿性。对于光滑、无孔的表面，相对于水的接触角是表面张力 的量度。相对于水具有大于90°的接触角的表面被称为疏水性的。疏水性 物质与水不混溶的或不可湿。所述物质通常是非极性的并且它们的表面张 力在20℃下低于72mN/m。具有特别高的疏水性的疏油性物质与油和其 它非极性物质不混溶或不可湿。它们的表面张力在20℃下低于21mN/m。 被加工以形成膜的聚合物的典型表面张力以及它们相对于水的接触角列 在表1中。

表1：光滑、无孔聚合物的表面张力以及它们相对于水的接触角

a)Membrane Science and Technology Series,11,“Membrane Contactors: Fundamentals,Applications and Potentialities”,2005,E.Drioli et al.

b)J.Appl.Polym.Sci.,1969,13,1741-1747,D.K.Owens et al.

因为两个不同的原因，无菌过滤分离介质的疏水特征是并入到排放元 件的先决条件。首先，在与水或含水介质或特别是蒸汽(在生物反应器的 汽蒸或出气过程中)接触后，在分离介质的表面上或在其内一定不能形成 封闭的水膜。该水膜会防止内部气氛和外部气氛之间的压力交换(气体交 换)并由此破坏容器的机械完整性。在这种情况下，强疏水性(例如，如同 含氟有机聚合物的情形)直至分离介质的疏油性质是有利的。

例如，排放应用采用了常规材料用于膜过滤器，例如聚四氟乙烯 (PTFE)、聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)，并且在纤维材料的情况下使用 了聚乙烯(PE)。

如从表1可以显然的是，例如全氟化材料如聚四氟乙烯(PTFE)特别地 表现出疏水性。如果起始聚合物不含任何氯取代基，则正如例如对于聚砜 (PSU)或聚醚砜(PES)的情形，使用单体、低聚或聚合形式的含氟剂对膜表 面进行改性是可行的，从而降低该聚合物的表面张力，并由此不会发生与 低表面张力的液体如表面活性剂溶液、醇类或油类等的润湿(比较表2)。

表2：液体的表面张力

a)A.W.Adamson,Physical Chemistry of Surfaces,第6版,Wiley1997

b)J.Appl.Polym.Sci.,1969,13,1741-1747,D.K.Owens et al.

c)J.Chem.Eng.Data,1981,26,323-333,G.et al.

在现有技术中，已经描述了用于提供同时具有疏水和疏油性质的膜的 各种方法。

例如，US5,217,802和US5,286,382描述了具有聚合物涂层的多孔膜， 所述聚合物涂层来源于由具有氟取代基的单体产生的聚合物的原位交联。 优选使用的单体是氟代烯烃、氟代丙烯酸酯或氟代苯乙烯的衍生物或氟烷 基硅氧烷。设置有聚合物涂层的膜具有大于21达因/厘米(21mN/m)的表 面张力。

WO2009/065092A1公开了由PE组成的微孔性织物-增强的聚烯烃 膜，该膜的主表面通过浸渍法而使得选择性地呈现出疏水性和疏油性，即 具有低于21mN/m的表面张力。通过前述的浸渍法，使用含氟取代基的 聚合物可以将所述微孔性PE膜的一个主表面制成疏油性的，而使该PE 膜的相对主表面保持其起始的疏水性质。已经被证明在服装制造中作为透 气材料原则上是有效的由WO2009/065092A1已知的这些膜的缺点是，它 们相对于高能量辐射(例如γ辐射)而言不能呈现出充足的抗性，并且仅具 有不充分的温度稳定性。

US6,579,342B2描述了用于静脉内给药流体的疏油性排放过滤器的 生产。该排放过滤器是通过将具有全氟化烷基磺酰胺基团的氟砜低聚物接 枝到聚合基材上来生产的。该聚合基材优选地包括聚(醚)砜、聚酰胺、 PVDF、聚丙烯酸酯类或PTFE。

来自现有技术的这样的过滤器膜的特征在于由膜表面的化学性质引 起的比非润湿介质明显更低的表面张力。

在本质疏水性材料(例如如在表1中所列的聚合物)上获得了用水或水 性介质的自洁效应。技术上这种效应用来获得自清洁材料，因为在这样的 涂层上的污物颗粒与表面只有很少的单独接触点，因此可以容易地被冲洗 掉。

这种滴落效应，即所谓的“荷叶效应”，对于无微孔的表面如膜、纺 织纤维或金属部件是熟悉的，并且例如是通过印记和和压印表面结构或通 过颗粒涂层的部分可移除应用来实现的。在技术上使用的这种荷叶效应参 照了在莲属植物中观察到的自洁效应。在莲属植物中，这种自洁效应是由 表面的疏水性双层结构引起的，由此接触面积以及由此在表面与上覆的颗 粒和水滴之间的粘合力被极大地降低至自洁发生的程度。这种双层结构是 莲属植物的特征形成的表皮的结果，其具有位于最外的表皮层上的蜡。这 些被支持的蜡是疏水性的并且形成该双层结构的第二部分。因此，水不再 可能到达叶面的间隙并且由此表面和水之间的接触面积被急剧降低。

EP 2 011 629 A1公开了具有聚合物涂层的微阵列，并且在该聚合物涂 层上的表面区域可以通过激光辐射而被选择性地粗糙化和疏水化，以便产 生荷叶效应。激光辐射优选地是在仅导致粗糙化表面但不会从经辐射的表 面上去除聚合物材料的能量密度(即低于烧蚀极限的能量密度)下进行的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种疏水性或疏油性微孔聚合物膜，其具有 增加的液体排斥性并且由此特别地适合在待排放的体系中作为液体屏障 或阻断膜。该提供的聚合物膜此外还允许液体介质从膜表面的无残留物滴 落，从而防止所述介质在表面上不期望的扩散。

该目的是通过权利要求中表征的本发明的实施方式来实现的。

特别地，本发明提供了一种具有结构诱导的滴落效应的疏水性或疏油 性微孔聚合物膜，其中该聚合物膜的至少一个主表面是粗糙化的并且相对 于水具有至少125°的接触角。在本发明的上下文中，“主表面”应该理解 为是指膜的两个外表面，这两个外表面由通过膜本体厚度的孔而彼此相 连。

在本发明的上下文中，“疏水性”和“疏油性”应被理解为是指聚合 物膜在20℃下的表面张力分别低于72mN/m和低于21mN/m。因此，疏 油性是疏水性的增强形式，即，疏油性膜具有比疏水性膜更低的表面张力 并且由此表现出更大的液体排斥性能。

根据本发明，术语“微孔性(microporous)”描述了具有0.1μm至20 μm、优选0.1至15μm且特别优选0.2至10μm的孔径(孔尺寸)的聚合 物膜。

根据本发明，用于具有结构诱导的滴落效应的疏水性或疏油性微孔聚 合物膜的起始材料不受作何限制。例如，根据本发明所述的聚合物膜的起 始材料由例如使用含氟剂改性的聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)、聚苯硫醚(PPS)、 PBI(聚苯并咪唑)、聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺酰亚胺(PAI)构成(例如由US 5,217,802、US5,286,382、US6,579,342B2、WO2009/065092A1或DE 10  2010 044 648.3-44而公知)，或者由预-全氟化材料例如聚偏氟乙烯(PVDF) 或聚四氟乙烯(PTFE)等构成。特别优选地，根据本发明的聚合物膜的起始 材料由聚砜(PSU)或聚醚砜(PES)构成。

根据本发明，“结构诱导的滴落效应”应理解为是指根据本发明的膜 在至少一个主表面上被粗糙化，特别地赋予该膜诱导滴落效应的液体排斥 性。由于其多孔性以及根据本发明所述的粗糙化，根据本发明的膜的液体 排斥性表现为该粗糙化的主表面相对于水的有利的高接触角，该角度为至 少125°，优选至少127°，特别优选至少135°且最优选至少145°。

在本发明的上下文中定义的接触角是相对于超纯水的静止接触角，单 位是度[°]。类似于ASTM-D5946-09，根据本发明的接触角θ可以使用市售 测角仪(例如，来自FIBRO系统AB的PG-3型)，通过向待分析的表面上 施加一滴超纯水(1至2μL)并且随后进行评估，根据等式1来确定，其中θ 是根据本发明的接触角，W是水滴的半宽度且H是水滴的高度(参见图1)。 在该程序中，评估可以使用软件(例如，来自FIBRO系统AB的PG软件) 的协助来进行。

θ＝2arctan(H/W)    (等式1)

根据本发明，将所述聚合物膜的两个主表面中的至少一个粗糙化以便 实现结构诱导的滴落效应。在本发明的一个实施方式中，还可以将所述聚 合物膜的两个主表面均粗糙化。在这种情况下，该两个主表面可以具有相 同的表面粗糙度或者不同的表面粗糙度。已经发现，根据本发明的其中两 个主表面均已经被相同程度或不同程度地粗糙化的膜在如下应用中是特 别有效的：其中要排放已经放置在潮湿环境中的载液体系，其中在含有根 据本发明的膜的排放过滤器上的冷凝/液滴形成也可以从外侧发生。

根据本发明的聚合物膜的至少一个主表面的粗糙化可以通过疏水性 或疏油性起始聚合物膜的机械、物理和/或化学后处理来实现。但是，粗糙 化也可以在用于起始聚合物膜的制造过程中通过机械、物理和/或化学处理 来实现，仅在随后通过含氟剂对聚合物膜进行疏水性地或疏油性地改性， 如现有技术中众所周知的(例如，如在US5,217,802、US5,286,382、US 6,579,342B2、WO2009/065092A1或DE 10 2010 044 648.3-44中所描述 的)。两种用于粗糙化一个或多个主表面的替代方案均优选地以不会改变 剩余膜性质的方式来进行。无论如何，用于生产起始聚合物膜的方法不受 任何限制。例如，所述起始聚合物膜可以通过蒸发法或通过相转化来生产。

在本发明的优选实施方式中，根据本发明的聚合物膜的至少一个粗糙 化的主表面具有0.1μm至20μm高度的表面粗糙度，优选0.5至10μm， 特别优选1至5μm。表面粗糙度的横向距离优选在相同的规模。根据本 发明，该表面粗糙度是通过原子力显微镜(AFM)来确定的。在这种方法中， 表面粗糙度由在外部多孔膜表面上扫描测量路径过程中捕获的凹凸幅度 的个体测量值的算术平均值产生。在这种情况下，选择“0”偏移量使得 在测量路径上，最大可能数量的可识别升高或缺口被切入到最大坡度(梯 度)的区域中(在孔边缘的坡度)。

图2.1至图2.6显示了具有惯常的平滑主表面的各种膜的主表面的 AFM图像和高度曲线图(图2.1、2.3和2.5)以及具有根据本发明粗糙化的 主表面的各种膜的AFM图像和高度曲线图(图2.2、2.4和2.6)。在每种情 况下，通过来自Nanotec Electronica S.L.的市售原子力显微镜在轻敲模式 下，在彼此相距大于2cm的至少两个不同位置上扫描所述膜。在该过程 中，利用了Olympus AC240悬臂(70kHz,2N/m)，其是在约200mV(20nm) 的自由振幅下操作的。设定值为约150mV，扫描速率在0.03至0.1Hz每 行的范围内，在15x15μm上的分辨率为256×256像素(对于扫迹和回扫 两者)。降低扫描速度提高了图像质量，特别是在粗糙样本的情况下。

在图2.1至图2.6的比较中可以看出，在常规的平滑表面的情况下(图 2.1、2.3和2.5)，外孔容易识别且粗糙度仅通过表面孔隙产生，即特别地 在向下的方向上产生高度偏差(负高度差)。但是，根据本发明粗糙化的膜 表面的图片(图2.2、2.4和2.6)未显示出任何分化型孔。在这些膜表面的情 况下，诱导的粗糙度胜过孔隙结构并且可以识别以所需数量级明显升高的 结构(正高度差)。

表3显示了参照相对于水的接触角，粗糙化不同聚合物膜的微孔表面 的效果(材料为聚醚砜或聚丙烯)。在平滑表面与根据本发明粗糙化的表面 的比较中，确定了接触角的明显增加以及由此液体排斥性的有利增加。

表3：在平滑表面和根据本发明粗糙化的表面上相对于水的接触角

在表3的实例中，对微孔膜结构在1～5μm高度和宽度范围内的额外 粗糙化，如从表3可以明显看出的，导致有针对性地减少了介质和膜之间 的接触面积，并且由此导致物理相互作用(粘合力)的降低，产生了具有滴 落效应的非润湿的多孔表面，这种滴落效应令人惊讶地明显地超过了不具 有根据本发明粗糙化的表面的可比的疏水性或疏油性多孔聚合物膜的滴 落效应。

在本发明的优选实施方式中，根据本发明的聚合物膜耐辐射可达50 kGy，优选可达100kGy，特别优选可达1000kGy。根据本发明，术语“耐 辐射”应理解为是指在50kGy剂量的γ辐射后，膜的强度损失不高于30％， 优选不高于20％，且特别优选不高于10％。就此而论，根据本发明的膜的 强度损失是由所述膜在50kGy剂量的γ辐射后的强度水平相对于该膜在 所述剂量的γ辐射前的强度水平的减少引起的。如果经辐射的膜的强度水 平为未辐射的膜的强度水平的80％，则根据本发明的强度损失为20％。在 本发明的上下文中，经辐射的和未经辐射的膜的强度水平根据它们在室温 下的最大张力值F_max来描述。为了确定F_max，为此目的切出具有尺寸20mm  x150mm的膜样品并且水平地夹钳到来自Zwick GmbH的“Zwick  Z2.5/TN1S”材料试验机中，以便夹爪之间的自由样品长度为4cm。以例 如5cm/min的速度移动“KAP-Z200N”力传感器(来自A.S.T.,01287 Dresden,Germany)。通过“testXpert”设备软件(来自Zwick GmbH,89079 Ulm,Germany)连续地采集并可视化测量数据。将F_max确定为三个经辐射 的膜样品或三个未经辐射的膜样品的平均值。根据本发明的膜的本发明优 选的耐辐射性的原因是在液体的处理过程中倾向于一次性使用塑料容器 的趋势增加。与金属容器相比，由有机聚合物构成的容器未用于灭菌目的 高压灭菌，而是典型地通过高能量辐射来制备，例如通过γ辐射。因此， 根据本发明优选的呈现出耐辐射性的膜特别适合于气态流体的无菌过滤 或作为待排放的体系的液体屏障。

根据本发明的聚合物膜的尺寸和结构不受任何限制。优选地，所述膜 的厚度为10μm到350μm。在本发明的一个实施方式中，所述聚合物膜 具有海绵结构，所述泡沫结构可以是对称的或不对称。另外，根据本发明 的聚合物膜也可以具有沙漏结构或漏斗结构。

另外，根据本发明的聚合物膜可以具有如在DE 10 2010 044 648.3-44 中所描述的疏水性梯度。

此外，提供了根据本发明的用于生产根据本发明的聚合物膜的方法。

在用于生产根据本发明的聚合物膜的方法的一个实施方式中，所述方 法包括：

提供疏水性或疏油性起始聚合物膜；和

通过机械、物理和/或化学处理，将该起始聚合物膜的至少一个主表 面粗糙化。

在根据本发明的方法的第一步骤中，提供了一种具有疏水性或疏油性 性质的起始膜。该起始膜可以通过例如蒸发法或相转化来生产。在所述方 法的第二步骤中，根据本发明通过机械、物理和/或化学处理，将所述起始 聚合物膜的至少一个主表面粗糙化。粗糙化的方式不受任何限制。例如， 根据本发明，所述至少一个表面可以通过与具有切入菱形结构的旋转钢辊 短暂接触、通过用砂纸打磨或通过化学蚀刻而粗糙化。粗糙化优选地以不 改变聚合物膜的其余膜性质的方式来进行。

在用于生产根据本发明的聚合物膜的方法的替代实施方式中，所述方 法包括：

提供起始聚合物膜；

通过机械、物理和/或化学处理将该起始聚合物膜的至少一个主表面 粗糙化；和

其后疏水性地或疏油性地改性在前述步骤中粗糙化的聚合物膜。

在该用于生产根据本发明的聚合物膜的替代方法的第一步骤中，提供 了起始聚合物膜，其尚不必具有但是可以具有疏水性质或疏油性质。在第 二步骤中，如上所述，根据本发明通过机械、物理和/或化学处理将该起始 聚合物膜的至少一个主表面粗糙化。随后，如现有技术中众所周知的，将 根据本发明粗糙化的聚合物膜进行疏水性或疏油性改性。

最后，本发明提供了根据本发明的具有滴落效应的微孔聚合物膜在气 态流体的无菌过滤中的应用以及根据本发明的具有滴落效应的微孔聚合 物膜在待排放的含有液体的体系中作为液体屏障的应用。

由于根据本发明诱导的其表面粗糙度，因此本发明的聚合物膜令人惊 讶地在不可润湿的聚合物多孔膜上表现出了有利的附加滴落效应(荷叶效 应)，所述不可润湿的聚合物多孔膜由于其两个主表面的多孔性而已经具 有固有的表面粗糙度。由于多孔性、疏水性和/或疏油性和根据本发明的附 加粗糙化以及相关的增加的液体排斥性质所产生的协同作用，根据本发明 的聚合物膜特别地适合于在待排放的含液体的体系中作为液体屏障或者 作为用于载介质的系统的阻断膜。另外，根据本发明增加的表面粗糙度有 利地防止了液体介质在膜的外表面上的扩散，导致当聚合物膜以一个角度 或垂直放置时所述介质自发的无残留物滴落。因此，根据本发明的聚合物 膜特别地适合作为例如在生物反应器中使用的无菌排放过滤器，因为在这 种情况下，需要含水介质的滴落以便该过滤器的表面不会被亲水性介质所 堵塞，这种堵塞会损害与生物反应器周围环境的气体交换。

现在将参考下面的非限制性实施例对本发明进行更具体地阐述。

实施例

实施例1：

将含有具有海绵结构的疏油性平面过滤器聚合物膜的无菌排放过滤 器插入到一次性发酵容器中，在根据沉淀浴法生产出所述膜之后，在下游 的疏油化步骤中将其浸渍在含氟聚合物的分散液中并且随后热处理以交 联所述聚合物(如DE 10 2010 044 648.3-44中所描述的)。在容器的高压灭 菌过程中，水分积聚在内部并且在冷却之后冷凝在该排放过滤器上。积聚 了可达20μL的液滴并且粘附在该膜的内部的外主表面上。只有更大的液 滴体积(>20μL)，它们的重量才足以引起从所述表面的滑动并不再覆盖排 放面积。液滴的所述粘附导致相对于自由膜表面而言降低的透气性，并且 由此导致需要更大的通风面积以允许为防止发酵罐的爆破所必要的气流。

通过将具有切入菱形结构的直径为10cm的旋转钢辊以1000rpm和 0.7N的接触压力导向横跨对立方向引导的膜，由此提供了具有根据本发明 诱导的表面粗糙度的、具有上述相同结构的疏油性平面过滤器膜。类似于 上述过程，将根据本发明的这种聚合物膜插入到排放过滤器中。在高压灭 菌之后并且在单元的冷却过程中，同样地在膜的内部的外表面上冷凝了蒸 汽。由于增加的接触角，在该膜的内部的外主表面上的体积小于5μL的 冷凝物微滴已经自发地滴落。与未粗糙化的内部的外膜表面相比，在根据 本发明的膜的情况下未发生透气性的显著损失。

实施例2：

首先将1％强度的BSA溶液(BSA＝牛血清白蛋白)进料到反应器中， 并且剧烈搅拌该介质使喷溅达到由聚偏氟乙烯(PVDF,孔径为1.2μm)构 成的疏油性排放过滤器。所述疏水性过滤材料防止介质浸透进入膜中。但 是，所述介质相对于水而言降低的表面张力使得液体在PVDF平面过滤器 膜的内部的外表面上扩散，从而降低了透气性。

将由聚醚砜(PES,孔径为1.2μm)构成的疏油性平面过滤器膜引导通 过来自Starcke GmbH的“691A型”400砂纸，连续的使用水润湿，上侧 和下侧的接触压力为1N。根据本发明增加了所述过滤器膜的表面粗糙度， 其中通过砂纸的洗涤连接地除去最小的机械磨损。根据本发明的具有增加 的表面粗糙度的微孔疏油性聚合物膜的使用在上述的搅拌的情况防止了 介质在内部的外膜表面上的扩散。所述介质降低了其表面张力并且该介质 的表面相对于水而言增加的接触角，允许液体滴落，并由此防止了透气性 的损失并且确保了排放过滤器的正常运行。

实施例3：

将一滴体积5μL的超纯水放置在45°角的倾斜面上(参见图3)。该液 滴在具有常规平滑表面的PES膜上保持原位；在根据实施例2的本发明所 述的粗糙化的膜的情况下，该液滴自发滴落。

使用1％BSA在50mM Tris缓冲液中的溶液代替所述超纯水。在这 种情况下，液滴的扩散和粘附在具有平滑表面的膜的情况下变得明显，而 根据本发明粗糙化的膜表面独立于其孔隙尺寸导致液滴的自发滴落。

附图说明：

图1：相对于水的根据本发明的静止接触角的测定

图2.1：具有常规平滑主表面的PES膜(0.2μm孔径)的主表面的 AFM图像和高度曲线图

图2.2：具有本发明粗糙化的主表面的PES膜(0.2μm孔径)的主表面 的AFM图像和高度曲线图

图2.3：具有常规平滑主表面的PES膜(1.2μm孔径)的主表面的 AFM图像和高度曲线图

图2.4：具有本发明粗糙化的主表面的PES膜(1.2μm孔径)的主表面 的AFM图像和高度曲线图

图2.5：具有常规平滑主表面的PES膜(3μm孔径)的主表面的AFM 图像和高度曲线图

图2.6：具有本发明粗糙化的主表面的PES膜(3μm孔径)的主表面 的AFM图像和高度曲线图

图3：用于实施例3的测试组件。