规则多孔珠状纤维素的制备方法、珠状纤维素及其用途

摘要

粒度为2—1000微米的规则多孔珠状纤维素的制备方法包括如下步骤:a)将聚合度为150—2000的纤维素溶解在溶剂中,形成0.5—25%质量纤维素溶液,b)将该纤维素溶液细分割以及分散在与上述溶液不溶混的分散剂中,该分散剂的粘度为10—80000mPa.s;c)1)在把分散体冷却至纤维素溶液的熔融温度之下并从分散剂中分离出纤维素溶液的冻结颗粒后,或2)直接在分散体中,用与上述溶剂溶混的液体沉淀剂进行沉淀,使分散的溶液颗粒凝固成有规则的珠状颗粒,和d)从溶剂、沉淀剂和可能的分散剂的液体混合物中分离出珠状颗粒。本发明包括珠状纤维素及其用途。

说明书

本发明涉及粒度为2-1000微米的规则多孔珠状纤维素的制备方法。另外，本发明涉及具有特定性能的珠状纤维素以及按本发明方法制得的珠状纤维素的用途。

与其它隔离剂和载体材料相比，规则多孔珠状纤维素是具有可调化学性质的较廉价、稳定的材料。纤维素颗粒制品正越来越多地用作色谱材料；酶、细胞和其它配体的载体，例如在蛋白的活化和联接后。

这些颗粒纤维素制品的已知制备方法在所用纤维素材料、所用溶剂、凝固或再生方式以及分散技术方面相差很大。

因此，专利JP48-2173、JP48-60753、JP62-191033、CS172 640、US2,543,928、DE2 005 408等描述了使用黄原酸纤维素碱性溶液(粘胶纤维素)的例子。在这些例子中，要么是把溶液喷入酸沉淀浴中，要么将其分散在与水不溶混的溶剂中后用酸或热分解再生。这种方法的缺点是再生时释放出的硫化合物、产生的稀酸和盐溶液以及所用的有机溶剂可能对环境产生相当大的危害。

其它方法，如DD259 533所述的方法，提出使用氨基甲酸纤维素溶液。该方法的具体缺点是需要进行高成本的后处理，其中必须用热水除去脲和必须用烧碱分解残余的氨基甲酸酯基。

另一组保护权是以高度取代的有机可溶的纤维素酯为原料，其中较好使用平均取代度(DS)为2-3的乙酸纤维素。这些以乙酸纤维素珠为中间产物的方法的原理是先将乙酸纤维素溶解在一种卤代烃中，将聚合物溶液分散，然后通过蒸发溶剂将其固化。分散成乙酸纤维素颗粒后，通常通过氢氧化钠溶液处理除去乙酸基，如JP-53-7759。因为用这种方法仅能获得低孔隙度的颗粒，现已提出许多制备高孔隙度颗粒纤维素制品的方法。所选的方法是在乙酸纤维素溶液中加入各种孔隙形成剂。专利JP56-24429、JP24430、JP62-267339、JP63-68645和US4,312,980提出使用直链醇。Motazato等(J.Chromatogr.298(3)，(1984)499-507)为此目的优选烃类溶剂，如己烷、环己烷、石油醚、甲苯和类似的化合物。另外，专利JP63-68645提出使用长链羧酸或羧酸酯。所有这些改进的缺点是必须使用有毒卤代烃溶剂。

主题为在乙酸乙酯和正丁醇的混合物中由平均取代度为2的乙酸纤维素制备纤维素珠的SU931 727和SU1 031 966专利方法不能对孔隙度＜75％的情况进行调节。其建议使用油酸，则需要使用挥发性有机溶剂的额外洗涤过程。

如专利DD295 861所述，用纤维素甲硅烷基醚制备珠状纤维素颗粒的方法也使用挥发性烃类溶剂或有毒卤代烃溶剂。用酸或碱再生时，大量的甲硅烷侧基残留在纤维素上。这些基团大大限制了作为色谱材料或医学材料的用途。

为了直接溶解纤维素，至今已提出了难于处理的溶剂。例如，专利DE 1 792230、FR1 575 419、US3,597,350提出使用古克瑟姆(cuoxam)以及类似的化合物。

保护权JP 80-44312以及Kuga，(J.Chromatogr.195，(1980)，221-230)提出在CaSCN熔体中进行操作。

另外，JP 82-159802提出将二甲基亚砜和仲甲醛的混合物用作溶剂。当高分子量纤维素的加入量超过5％时，特别是多组分溶剂产生许多问题。另外，这些溶剂混合物只能很有限地进行循环利用。

关于在离开喷嘴后分散聚合物溶液，总的说有三种技术。专利US 5,047,180和US5,328,603揭示了通过喷雾(雾化)聚合物溶液来制备球形颗粒。在后一种专利中，将二甲基乙酰胺/LiCl多组分溶剂用作纤维素的溶剂。为了制备有规则的颗粒，这种体系要求盐的加入量超过10％。EP 0268 866通过对离开喷嘴的聚合物溶液的纵向运动叠加一个旋转振动来将其分散成聚合物液滴。最后，在DE 44 24 998中用极薄的旋转切割刀片切割从喷嘴中排出的聚合物溶液来制备球形颗粒。所有这些方法都在分散聚合物溶液后直接进行不可逆凝固。为此，在聚合物颗粒或多或少落下一短段距离时，必须呈有规则的形状。这就可能由于过早硬化、与周围收集圆筒的撞击而变形、以及在切割刀片的粘附，导致或多或少的变形，不能形成理想的球形。

本发明的目的是提供一种规则多孔纤维素珠的制备方法。这种方法简单而经济，能制备粒度分布窄、粒径总范围为2-1000微米和可调节孔隙度变化范围大的珠状体。这种方法特别能制备粒度范围为2-50微米或粒度范围为40-1000微米的纤维素珠。这种方法使用不含盐的溶剂，特别是单组分溶剂，而所述的溶剂毒性低或无毒。本发明的另一个目的是提供能克服已知方法缺陷的方法。本发明的最后一个目的是提供具有新用途的新颖珠状纤维素。从以下的说明书还可看到其它的优点。

用下述的本发明方法可以达到这些目的。该方法包括如下步骤：

a)将聚合度为150-2000的纤维素溶解在溶剂中，形成0.5-25％质量纤维素溶液，

b)将该纤维素溶液细分割以及分散在与上述溶液不溶混的分散剂中，该分散剂的粘度为10-80000mPa.s，

c)1)在把分散体冷却至纤维素溶液的熔融温度之下并从分散剂中分离出纤维素溶液的冻结颗粒后，或

2)直接在分散体中

用与上述溶剂相溶混的液体沉淀剂进行沉淀，使分散的溶液颗粒凝固成有规则的珠状颗粒，和

d)从溶剂、沉淀剂和可能的分散剂的液体混合物中分离出珠状颗粒。

在粒度范围为2-50微米的珠状纤维素颗粒的制备方法的一个优选实施方式中，将含0.5-15％质量纤维素的溶液直接分散在液体惰性介质中，然后用步骤c)和d)的方法进一步处理分散体。现已发现，通过将温度降低后的纤维素溶液转化为分散体而使成形和凝固步骤分离大大简化了该制备方法。

在粒度范围为50-1000微米的珠状纤维素颗粒的制备方法的另一个优选实施方式中，在步骤b)中通过加压使纤维素溶液形成至少一条直径为40-1000微米的线料，用旋转切割射流将溶液线料切割成所需的段料，然后将这些溶液颗粒分散在分散剂中，并保持运动。分割、成形和凝固步骤的分离以简单的方式产生粒度分布窄、孔隙容量可变调节的高度规则的珠状纤维素，这样大大简化了该制备方法。

从属权利要求4-28定义了本发明方法的其它实施方式。因此，在悬浮体分相之后，用于分割或分散的与水不溶混的惰性介质可以直接循环到工艺过程中，即不需要额外的纯化步骤，如萃取等，也可以在加入分散助剂后再用于成形过程。

用过滤或离心法分离得到的冻结聚合物液滴较好在保持成形步骤中所得性能的条件下在沉淀浴中固化。分离得到的溶剂和沉淀剂混合物例如可用热能或用膜分离，从而该单组分溶剂可较好在一个短循环中循环。

纤维素溶液的浓度可根据所需的粒度和孔隙容量在一个宽的范围进行调节，这样纤维素浓度为0.5-15，较好1-12，最好为2-7％质量的溶液适于制备粒径为2-50微米或50-1000微米的本发明的规则多孔纤维素。

不用旋转切割器制备粒度为50-1000微米的珠状纤维素的技术最大限度地减少了聚合物液滴粘附在切割工具上的危险，有助于进一步提高颗粒的均一性。为了均化颗粒和形成均匀的粒度，较好在纤维素液滴加入到分散介质的过程中或加入后用另外一个搅拌器继续保持分散，直到分别通过沉淀和降低温度形成稳定的悬浮液为止。

当形成2-50微米的颗粒时，充分利用纤维素溶液与分散介质间的粘度梯度。为了均化颗粒及形成小的粒度，在纤维素溶液加入分散介质过程中或加入后使用装有高功率分散工具(如切割-混合头或分散棒)的转速为1000-10000分钟^-1的快速旋转分散器(如Ultra-Turrax型)。然后用常规搅拌器维持分割/分散体，直到通过降低温度形成稳定悬浮液为止。

用过滤或离心法分离出可能冻结的聚合物液滴后，将其送入沉淀浴，进行固化。用过滤或离心法从沉淀浴中分离出所得的规则多孔纤维素珠后，用水或低级醇在3-90℃温度下进行洗涤或提纯步骤。

通常在惰性分割或分散介质中加入乳化剂，如选自聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯芳基烷基醚或聚氧乙烯脱水山梨醇烷基醚的非离子型表面活性剂。

然后珠状纤维素可被活化或可能通过间隔基与各种配体偶合。如有必要，将其干燥。本发明珠状纤维素的特点是粒度范围为50-1000微米，孔隙容量为5-95％，排阻限≤5×10⁶Dalton，或它们的特点是粒度范围为2-50微米，孔隙容量为＜50％，排阻限≤5×10⁴Dalton。这些性质可用本发明方法和该方法的各个实施方式在规定范围内精确调节。上述的孔隙容量表示纤维素球的一部分，它们是或大或小的空隙。该孔隙容量可用纤维素球不同部分的电子显微测定法、用压汞仪或用保水性-CRC值的已知关系(DIN 53814)加以确定。

本发明的珠状纤维素，特别是粒度为2-50微米、孔隙容量小于50％和排阻限≤5×10⁴Dalton的珠状纤维素，例如较好用作色谱和诊断用途的分离剂和载体(如用作诊断剂和生物催化剂)、用作血液除毒的选择性或特定吸附剂以及用作生物工程、生物医学和医学上的细胞培养载体。本发明的珠状纤维素特别适用作凝胶过滤色谱(GFC)的基质，其中分别根据孔隙直径和排阻限分离分子，主要是高分子。

上述的排阻限表示孔隙值大到一个分子可以渗透到该空隙中(甚至仅部分地)的极限。因此，它表示可以进行色谱分离的分子的最大可能大小。上述的排阻限可以通过测量具有确定分子大小的已知物质的渗透加以确定。在本发明中，排阻限用高分子量的Dextran Blue的渗透进行测量(参见J.Baldrian等的”Small-angle scattering from macroporous polymers；styrene divinylbenzenecopolymer，cellulose in bead form”in Coll.Chechoslov.Chem.Commun.41(1976)12，3555-3562页)。粒度、孔隙容量和排阻限总是全部被制造商和用户使用，以便表征比较不同的产品。

上述所用的术语“规则”是指几何形状的均匀性。形成的理想球形允许最佳的填充密度(六边形最佳填充结构)。对于色谱分离法，可以用“规则”的珠来获得待分离相的良好流动条件和填料的良好机械稳定性。结果检测到紧密分布的分离曲线。使用非规则颗粒(非均匀的几何形状)造成大的死体积(较长时间停留在色谱柱中的相，不同组分在色谱柱上的分散)和低的机械稳定性。分离曲线有宽的分布且显示所谓的“拖尾”。

以下用如下的实施例说明本发明。

实施例1

在一个圆底磨口烧瓶中，在85℃将聚合物度为482的含古克瑟姆的和含水量为60％的16.5克湿打浆纤维素和1163克含50％N-甲基吗啉-N-氧化物的水溶液(NMMO溶液)强烈搅拌60分钟，然后在恒定温度下减压抽取80毫升水，并继续搅拌，从而形成含6％质量纤维素的纤维素溶液。75℃时，用装有切割-搅拌头的Ultra-Turrax在9000分钟^-1的转速条件下将该聚合物溶液分散到200克含2.5克Tween_80(聚氧乙烯月桂基醚，ICI的产品)的石蜡油(粘度＞100mPa.S)中。为了保持分散，用搅拌器在250分钟^-1的转速条件下继续搅拌，同时冷却到35℃，使聚合物液滴冻结。离心分离所得的悬浮液，并在室温下将冻结的聚合物液滴转移到含70％异丙醇的含水沉淀浴中。分离得到的分散剂再使用于分散步骤。纤维素珠的平均粒度为25微米，孔隙容量约为40％。

实施例2

将聚合度为1634的含古克瑟姆的7.5克湿打浆纤维素和168.2克50％NMMO水溶液加入一个圆底磨口烧瓶中。85℃和真空下从混合物中抽取76毫升水，从而形成3％纤维素溶液。为了制得珠状纤维素，步骤与实施例1相同。所得纤维素珠的平均粒度为15微米，孔隙容量约为47％，排阻限为2×10³Dalton。

实施例3

在强烈搅拌下将7.5克湿打浆纤维素加入装有一个圆底磨口烧瓶中的事先已加入1.0克ZnO的168.2克50％NMMO水溶液中。该纤维素与实施例1中的相同。该混合物在85℃下搅拌60分钟。真空下抽取76毫升水，形成约3％纤维素溶液。用转速为10000分钟^-1的Ultra-Turrax在75℃温度下将该聚合物溶液分散到已加入3克Brij_35的200克硅油中(粘度为53mPa.s)。15分钟后关掉该Ultra-Turrax，然后在以250分钟^-1转速的搅拌下将所得的分散体冷却到25℃。离心分离冻结聚合物液滴并沉淀在水浴中后，得到平均粒径为10微米、孔隙容量为8％的纤维素珠。该颗粒表面的特点是小的孔隙率。

实施例4

将含聚合度为150的古克瑟姆和残余含水量为12％的11克微晶纤维素加入90克一水合NMMO中，并搅拌下于90℃均匀溶解。用Ultra-Turrax和分散器在9500分钟^-1的转速下于80℃将该聚合物溶液分散在含2.5克Tween85(聚氧乙烯脱水山梨醇三油酸酯)的200克石蜡油(20℃时粘度＞110mPa.s)中。25分钟后，关掉Ultra-Turrax，然后在250分钟^-1的转速下搅拌所得的悬浮液，同时冷却。在35℃将该分散体慢慢搅拌35分钟，离心分离冻结的聚合物液滴，然后将其加入含70％异丙醇的水溶液沉淀浴中，以便进行固化。所得珠状纤维素的平均粒径为5微米，孔隙容量为10％。

实施例5

在室温和搅拌下将含聚合度为1634的古克瑟姆的4克干滚纸浆慢慢加入196克三氟乙酸(98％，沸点为72℃)中。该纸浆放在装有回流冷凝器的圆底磨口烧瓶中于25℃在慢慢搅拌下溶解。2小时后，将混合物加热至50℃，再搅拌30分钟，使其完全溶解。然后再将冷却至室温。用Ultra-Turrax和分散器在9500分钟^-1的转速下于80℃将该纤维素溶液分散在含2.5克Tween85的200克石蜡油(20℃时粘度为25-50mPa.s)中。25分钟后，关掉Ultra-Turrax，然后在250分钟^-1的转速下搅拌所得的悬浮液，同时冷却至-20℃。在该温度下离心分离冻结的聚合物液滴，然后将其加入含体积比为50/50的异丙醇和叔丁醇的醇浴中，进行沉淀。所得纤维素珠的平均粒径为10微米，孔隙容量为10％。

实施例6

在一个圆底磨口烧瓶中将含聚合度为1634的古克瑟姆及含水量为60％的12.5克湿打浆纤维素和252克50％NMMO水溶液于85℃强烈搅拌，然后在减压和搅拌下蒸馏掉85克水，加入50克无水二甲亚砜。为使溶解完全，再蒸馏掉30克水，结果形成2.5％纤维素溶液。

于70℃将该聚合物溶液压入直径为50纳米的喷嘴孔。通过压力为100巴的液体石蜡油旋转射流将该喷出的溶液线料分割成高度约为45微米的规则圆柱段。将以喷出方向滴落的溶液颗粒收集在一个圆筒形容器中。该容器装有含1克Brij_35(聚氧乙烯月桂基醚，ICI的非离子乳化剂)的300克石蜡油分散介质。在75℃的温度和慢慢搅拌下(200分钟^-1)将圆柱段制成溶液液滴。温度降低至10℃后，该液滴冻结成规则固体颗粒。从该分散介质中过滤出固体颗粒，然后在含50％质量二甲亚砜的含水沉淀浴中将其固化。所得的珠状纤维素的平均粒径为55微米±10％，孔隙容量约为65％。

实施例7

于85℃将聚合度(dp)为482和残余含水量为60％的25克纤维素与163克50％NMMO溶液和分子量为35000的5克聚乙二醇强烈混合。在恒温、减压和搅拌下从该混合物中蒸掉80毫升水，结果由纤维素溶液和聚乙二醇形成细分散的乳状液。在没有进一步停留时间的条件下将该乳状液压过直径为50微米的喷嘴孔。按与实施例6相同的方法将挤出的线料分割成料段。该料段收集在粘度为50Pa.s和含2.5克乳化剂(Brij_35)的聚烷基硅氧烷中。在慢慢搅拌下，将形成的聚合物液滴冷却至50℃，通过加入1500克去离子水，使其沉淀。通过用热水萃取，完全除去残留在纤维素珠中的聚乙二醇，结果得到直径为60微米和孔隙容量为83％的规则颗粒。

实施例8

在80℃将实施例6中所述的15克纤维素与163克50％NMMO溶液混合，通过在减压下蒸馏掉80毫升水使其溶解。然后在相同温度下将50克ε-己内酰胺加入该纤维素溶液中，将该混合物搅拌至形成均匀物质为止。在75℃将该聚合物溶液压过直径为100微米的喷嘴孔，按与实施例6相同的方法将其分割成圆柱形聚合物段。通过将分散体的温度降低至35℃，使在慢慢搅拌下形成的聚合物液滴冻结，过滤出固体，并在含50％ε-己内酰胺和50％异丙醇的沉淀浴中沉淀。该纤维素珠的粒径为150微米，孔隙容量为87％。

实施例9

按与实施例6相同的步骤进行，所不同的是使用聚合度为532的纤维素。所得的纤维素珠具有相同的粒径，孔隙容量为70％。

实施例10

按与实施例8相同的步骤进行。但用2克分子量为240000的水解豌豆淀粉代替己内酰胺加入该聚合物溶液中。方法是：在NMMO水溶液中使豌豆淀粉细分散和溶胀，随后加入湿打浆纤维素。所得纤维素珠的平均粒径为175微米，孔隙容量为80％，且大部分形成中孔和大孔。

实施例11

室温下将聚合度为1634的干滚棉绒加入装有一个圆底磨口烧瓶的96克三氟乙酸(98％，沸点为72℃)。该圆底磨口烧瓶上装有搅拌器和回流冷凝器。在25℃将该混合物搅拌2小时。为使其完全溶解，将该混合物加热至50℃，并再搅拌30分钟。冷却至室温后，该溶液按与实施例6相同的方法进行分割，然后在250分钟^-1的转速下进行搅拌，同时冷却至-20℃。在该温度下离心分离出该冻结的聚合物液滴，放入含体积比为50/50的异丙醇和叔丁醇的醇浴中进行沉淀。该珠状纤维素的平均粒径为60微米，孔隙容量为10％。