專利名稱：一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法，特別涉及到采用硅烷化的 POEGMA(聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯)分子刷接枝改性制備抗蛋白吸附陶瓷膜的方法，該 方法特別適用于對多孔陶瓷膜進(jìn)行表面接枝改性。
背景技術(shù)：
在蛋白質(zhì)的分離與純化過程中，膜分離技術(shù)作為一種新型分離技術(shù)，由于具有能 耗低、設(shè)備簡單、常溫操作、選擇性高、無相變及化學(xué)變化等優(yōu)點日益受到人們的關(guān)注。但在 陶瓷膜分離蛋白質(zhì)過程中，膜的表面及孔內(nèi)容易吸附蛋白質(zhì)分子形成膜污染，使其分離性 能及通量降低，而采用化學(xué)和物理清洗去除膜污染又會對膜本身造成破壞，縮短膜的使用 壽命。因此，開發(fā)具有抗蛋白吸附性能的功能型陶瓷膜具有重大的現(xiàn)實意義。研究表明，以丙烯酸類化合物為功能性單體，對材料表面進(jìn)行改性可有效提高材 料的抗蛋白吸附性能。J-Ladd等(Bimacromolecules, 2008,9 (5) :1357 1361)對幾種具 有抗蛋白吸附功能的的接枝聚合物的性能進(jìn)行了比較，結(jié)果表明0EGMA(甲基丙烯酸寡聚 乙二醇酯)、SBMA (磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯)、CBMA (羧基甜菜堿甲基丙烯酸酯)改性過的 材料表面的抗蛋白吸附性能相對于用聚乙二醇(OEG)、三甲胺/磺酸(TMA/SA)、三甲胺/羧 酸(TMA/CA)改性過的材料表面大大提高。HanBang等人(Applied Surface Science, 2009, 255 8860 8866)采用表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(SI-ATRP)法在聚醚砜膜表面接枝 了 POEGMA分子刷，提高了膜的純水通量和抗蛋白吸附性能。目前，智能或功能型陶瓷膜的制備方法主要是采用表面改性法，即在陶瓷膜表面 接枝一些基團(tuán)或聚合物分子，從而改變膜的表面性質(zhì)。CN101318836A和CN101537316A中 采用從表面接枝法(grafting from)，用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對陶瓷膜進(jìn)行硅烷化改性，然 后在引發(fā)劑的作用下，引發(fā)功能性單體在膜表面接枝聚合，制備PH敏感型和溫度敏感響應(yīng) 型智能陶瓷復(fù)合膜；CN101108311A中采用含雙鍵的硅烷偶聯(lián)劑處理陶瓷膜，在膜上引入具 有反應(yīng)活性的乙烯基，然后引發(fā)表面接枝反應(yīng)，制備親水性復(fù)合滲透汽化分離膜。但在實 際應(yīng)用體系中，用于蛋白質(zhì)體系分離純化的的陶瓷膜為多孔的微濾超濾膜，采用從表面接 枝法對陶瓷膜進(jìn)行接枝改性時，反應(yīng)液中的反應(yīng)物分子尺寸很小，可以透過膜進(jìn)入膜孔內(nèi)， 在膜表面和孔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致膜的孔結(jié)構(gòu)和膜孔徑的變化。如采用該方法對平均孔徑為 7. 4nm(如圖2所示)的膜管進(jìn)行接枝改性，改性后膜管的平均孔徑為降低到2. 9nm(如圖3 所示)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法，它主要是針對陶瓷 膜用于蛋白質(zhì)體系的分離和純化時，膜污染嚴(yán)重，通量恢復(fù)困難所提出的一種解決方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下在制備過程中，為了有效抑制聚合物在膜的孔內(nèi)接枝對 膜性能造成的影響，本發(fā)明采用接枝到表面法(grafting to)，以O(shè)EGMA為功能性單體，制備硅烷化的POEGMA分子刷，該分子刷的分子量大，無法通過膜進(jìn)入膜孔內(nèi)，從而有效控制 接枝反應(yīng)只在膜的表面進(jìn)行。首先將可引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)反應(yīng)的引發(fā)劑硅 烷化；然后在催化劑的作用下，用硅烷化的引發(fā)劑引發(fā)功能性單體聚合，制備出硅烷化的聚 合物分子刷；將該聚合物分子刷與陶瓷膜表面羥基發(fā)生反應(yīng)，從而得到抗蛋白吸附陶瓷復(fù) 合膜。本發(fā)明的具體技術(shù)方案為一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法，其具體步驟 如下(1)引發(fā)劑硅烷化以三乙胺為縛酸劑，將硅烷偶聯(lián)劑和引發(fā)劑以摩爾比1 1 5溶于溶劑中， 在-5°C 5°C、無水無氧條件下酰胺化反應(yīng)4h 10h，產(chǎn)物在30°C 50°C下真空干燥，得到 硅烷化的引發(fā)劑；(2)硅烷化聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯，簡稱硅烷化POEGMA分子刷制備在催化體系的作用下，將步驟⑴中所得的硅烷化的引發(fā)劑與功能性單體甲基丙 烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)以摩爾比1 10 60溶于溶劑中，在20°C 80°C、無水無氧 條件下，發(fā)生原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)反應(yīng)4h 12h，制備硅烷化的POEGMA分子刷。(3)陶瓷膜表面接枝POEGMA分子刷將含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 10%的乙醇溶液加酸調(diào)節(jié)pH值為1 4后，與步驟⑵ 制備的硅烷化的POEGMA分子刷混合，得到含POEGMA分子刷質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% 30%的混合溶 液；將該混合溶液與陶瓷膜表面接觸反應(yīng)0. 5h 池后，在70°C 120°C下脫水反應(yīng)池 10h，制得抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜。本發(fā)明中，步驟(1)中的硅烷偶聯(lián)劑為末端為氨基的烷氧基硅烷；優(yōu)先選用3-氨
基丙基三乙氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷。本發(fā)明中，步驟(1)中的引發(fā)劑為溴代碳鏈酰溴或氯代碳鏈酰氯；優(yōu)先選用2-溴 丙酰溴或2-氯丙酰氯。本發(fā)明中，步驟(1)中的三乙胺與引發(fā)劑的摩爾比為1 2 1 ；三乙胺與溶劑的 體積比為1 8 25。本發(fā)明中，步驟⑴中的溶劑為回流干燥過的二氯甲烷或四氫呋喃；步驟(2)中的 溶劑為回流干燥過的異丙醇、甲醇或乙醇。本發(fā)明中，步驟(1)及步驟O)中無水無氧條件通過對所有溶劑及縛酸劑進(jìn)行預(yù) 回流干燥處理、采用高純氮或氬氣為保護(hù)氣氛實現(xiàn)的。本發(fā)明中，步驟O)中催化體系為CuX/CuX2/2，2_聯(lián)吡啶體系，其中X為Br或Cl ； 01)(2和CuX的摩爾比為0 1 10，Cu元素與2，2_聯(lián)吡啶的摩爾比為1 1 3，Cu元 素與步驟(1)中所得的硅烷化的引發(fā)劑的摩爾比為2 1 3。本發(fā)明中，步驟(3)中調(diào)節(jié)pH值所用的酸為冰醋酸或鹽酸。本發(fā)明中，步驟(3)中采用的陶瓷膜為至少含Al、Zr、Ti或Si元素中一種元素的 氧化物所制得的多孔陶瓷膜，平均孔徑為4nm 500nm ；陶瓷膜為平板膜或管式膜，其中管 式有單管和多通道；通道形狀是圓形、扇形、方形、星型和六角形。本發(fā)明中，步驟(3)中通過控制接枝聚合物的混合溶液濃度和接枝反應(yīng)時間來控 制聚合物分子刷在陶瓷膜表面的接枝率，制備不同的抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜。
有益效果1、采用接枝到表面法對陶瓷膜進(jìn)行表面改性，可有效控制聚合物分子刷僅在陶瓷 膜表面接枝，抑制其在膜孔內(nèi)接枝所帶來的通量下降、截留率不穩(wěn)定等不利效果。2、POGEMA分子刷具有優(yōu)異的抗蛋白吸附效果，將其接枝到陶瓷膜表面上，可有效 抑制蛋白質(zhì)在陶瓷膜表面的吸附，延長膜清洗周期，簡化膜清洗工藝，從而提高陶瓷膜的使 用效率和壽命。


圖1接枝前后膜表面的全反射紅外光譜圖(a)接枝前膜片表面的紅外譜圖，(b) POEGMA分子刷接枝后膜片表面的紅外譜圖；圖2陶瓷膜接枝前對葡聚糖截留的曲線，單管孔徑為7. 4nm ；圖3陶瓷膜接枝POEGMA分子刷后對葡聚糖的截留曲線，單管孔徑為2. 9nm ；圖4從表面接枝法接枝POEGMA分子刷反應(yīng)機理； 為多孔陶瓷膜《為反應(yīng)過程 中生成的自由基；圖550nm管式膜接枝前后牛血清白蛋白溶液的截留率隨截留時間的變化，+未 接枝膜管，+接枝后膜管；圖6接枝到表面法接枝POEGMA分子刷反應(yīng)機理a)硅烷化引發(fā)劑引發(fā)OEGMA單 體聚合制備硅烷化的聚合物分子刷，b)硅烷化的聚合物分子刷與陶瓷膜表面羥基反應(yīng)形成 共價鍵；P為POEGMA分子刷。
具體實施例方式實施例1 采用接枝到表面法制備抗蛋白吸附陶瓷膜，機理圖見圖6(1)將3. 5ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3. 35ml三乙胺和30ml 二氯甲烷混合溶液 在氮氣保護(hù)下冰浴降至0°c，然后向其中緩慢加入3ml2-溴丙酰溴溶液和15ml 二氯甲烷的 混合溶液后，反應(yīng)乩，在45 °C下真空干燥。(2)將 9.5g0EGMA、0. 143gCuBr、0. 0223gCuBr2、0. 344g2，2-聯(lián)批啶禾Π 15ml 異 丙醇在氮氣保護(hù)下加熱到40°C，然后向其中加入0.37g(l)中所制備的硅烷化的引發(fā)劑 2-溴-2-甲基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丙基)丙酰胺和25ml異丙醇的混合溶液反應(yīng)6h， 得到含硅烷化POEGMA分子刷的溶液。⑶50ml無水乙醇和Snl去離子水混合攪拌30min,加入冰醋酸調(diào)成pH值為3混合攪 拌，然后將混合溶液中加入以上制備的POEGMA分子刷溶液中，用蠕動泵帶動混合溶液，使其在 直徑為1. 8cm的ISnmTW2片式陶瓷膜表面循環(huán)流動lh，放入70°C恒溫干燥箱脫水干燥3h。得到的陶瓷復(fù)合膜的全反射紅外光譜圖如圖1所示，(a)接枝前膜片表面的紅外 譜圖圖中1109. 34cm 1和1031. 75cm—1處的較弱的吸收峰為終端Ti-O鍵的伸縮振動吸收； (b)POEGMA分子刷接枝后膜片表面的紅外譜圖圖中Ti-O和Si-O有機硅振動吸收加強了 1108. 65CHT1 和 1026. 24cm1 處的吸收；1722. OlcnT1 為 POEGMA 上的 0 = C-O 的特征吸收峰， 說明POEGMA分子刷已接枝到膜表面。對比例采用從表面接枝法制備抗蛋白吸附陶瓷膜，機理圖見圖4。
(1)在燒杯中加入98ml無水乙醇和0. 5ml0. 01mol/L的HCl溶液混合攪拌lh，然 后再向混合溶液中加入2. 5ml 3-氨基丙基三乙氧基硅烷超聲攪拌后，將膜7. 4nm的TiO2 單管陶瓷膜浸泡在反應(yīng)液中反應(yīng)30min，反應(yīng)結(jié)束后取出膜管，用乙醇和水反復(fù)清洗后，在 120°C下干燥3h。(2) 1. 5ml2-溴丙酰溴、1. 5ml三乙胺和IOOml 二氯甲烷混合攪拌后，將膜管(1)浸 泡在其中，反應(yīng)30min，反應(yīng)結(jié)束后，用二氯甲烷和乙醇清洗，在氮氣保護(hù)下60°C真空干燥。(3)將 IOmlOEGMA,0. IgCuBr,0. 24g2，2_ 聯(lián)吡啶、50ml 純水、50ml 甲醇以及膜管 (2)加入通氮氣保護(hù)的反應(yīng)器中反應(yīng)lh，反應(yīng)后取出用去離子水反復(fù)清洗，在氮氣保護(hù)下 60°C真空干燥。該膜接枝前后對葡聚糖的截留曲線見圖2和圖3，從膜孔徑的計算結(jié)果可以看出， 接枝后膜的平均孔徑由7. 4nm減小到2. 9nm。實施例2 (1)將1. 75ml3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3. 35ml三乙胺和15ml四氫呋喃在氮氣 保護(hù)下混合攪拌降至5°C，再向其中緩慢滴加3ml2-溴丙酰溴溶液和15ml四氫呋喃混合溶 液后，5°C下反應(yīng)4h后，在50°C下真空干燥。(2)將 19g0EGMA、0. 286gCuBr、0. 614g2，2-聯(lián)吡啶和 40ml 甲醇在氮氣保護(hù)下 混合攪拌熱至60°C，再在其中加入0.37g(l)中所制備的硅烷化的引發(fā)劑2-溴-2-甲 基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丙基)丙酰胺和30ml甲醇的混合溶液反應(yīng)4h，得到含硅烷化 POEGMA分子刷的溶液。(3) IOOml無水乙醇和5ml去離子水混合攪拌30min，加入鹽酸調(diào)成pH值為1，然后 將混合溶液中加入以上制備的POEGMA分子刷溶液中，用泵帶動混合溶液，使其在IOcm長的 50nmZr02單管陶瓷膜表面循環(huán)流動池，將反應(yīng)后的陶瓷膜用去離子水及表面活性劑水溶液 反復(fù)清洗后，放入90°C恒溫干燥箱反應(yīng)5h，即得到抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜。該膜接枝前后對牛血清白蛋白溶液的截留率如圖5所示，由于抗蛋白吸附聚合物 分子刷的存在，使蛋白質(zhì)分子不能在陶瓷膜表面吸附，形成凝膠層，使得接枝后的陶瓷膜的 截留率的上升速度明顯低于接枝前的陶瓷膜；而膜對于BSA溶液的初始截留率相同，說明 在接枝改性后，聚合分子刷對膜孔徑的無影響。實施例3 (1)將3ml4_氨基丁基三乙氧基硅烷、4. 5ml三乙胺和50ml 二氯甲烷在氬氣保護(hù) 下混合攪拌降至_5°C，再向其中緩慢滴加3. 3ml2-氯丙酰氯和35ml 二氯甲烷混合溶液后， 反應(yīng)IOh后，在30°C下真空干燥。(2)將 28. 5g0EGMA、0. 099gCuCl、0. 027gCuCl2、0. 413g2，2-聯(lián)批啶和 15ml 乙 醇混合攪拌，水浴加熱至80°C，再在燒瓶中加入0.51g(l)中所制備的硅烷化的引發(fā)劑 2-氯-2-甲基-N-(3-三乙氧基硅烷基-丁基)丙酰胺和15ml乙醇的混合溶液，反應(yīng)10h。(3) 50ml無水乙醇和2ml去離子水混合攪拌30min，加入冰醋酸調(diào)成pH值為4，然 后將混合溶液中加入以上制備的聚合物分子刷溶液中，用泵帶動混合溶液，使其在IOcm長 的200nmAl20319通道陶瓷膜表面循環(huán)流動3h，將反應(yīng)后的陶瓷膜用去離子水及表面活性 劑水溶液反復(fù)清洗后，放入120°C恒溫干燥箱中脫水反應(yīng)10h，即得到抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合 膜。
權(quán)利要求
1.一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法，其具體步驟如下(1)引發(fā)劑硅烷化以三乙胺為縛酸劑，將硅烷偶聯(lián)劑和引發(fā)劑以摩爾比1 1 5溶于溶劑中，在-5°c 5°C、無水無氧條件下酰胺化反應(yīng)4h 10h，產(chǎn)物在30°C 50°C下真空干燥，得到硅烷化的 引發(fā)劑；(2)硅烷化聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯，簡稱硅烷化POEGMA分子刷制備在催化體系的作用下，將步驟(1)中所得的硅烷化的引發(fā)劑與功能性單體甲基丙烯酸 寡聚乙二醇酯以摩爾比1 10 60溶于溶劑中，在20°C 80°C、無水無氧條件下，發(fā)生原 子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)4h 12h，制備硅烷化的POEGMA分子刷。(3)陶瓷膜表面接枝POEGMA分子刷將含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 10%的乙醇溶液加酸調(diào)節(jié)pH值為1 4后，與步驟(2)制備 的硅烷化的POEGMA分子刷混合，得到含POEGMA分子刷質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% 30%的混合溶液； 將該混合溶液與陶瓷膜表面接觸反應(yīng)0.證 池后，在70°C 120°C下脫水反應(yīng)池 10h， 制得抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的硅烷偶聯(lián)劑為末端為氨 基的烷氧基硅烷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于所述的硅烷偶聯(lián)劑為3-氨基丙基三乙 氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的引發(fā)劑為溴代碳鏈酰溴 或氯代碳鏈酰氯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于所述的引發(fā)劑為2-溴丙酰溴或2-氯丙酰氯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的三乙胺與引發(fā)劑的摩爾 比為1 2 1，與溶劑的體積比為1 8 25。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(1)中的溶劑為回流干燥過的二 氯甲烷或四氫呋喃；步驟O)中的溶劑為回流干燥過的異丙醇、甲醇或乙醇。
8.據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(2)中催化體系為CuX/CuX2/2，2-聯(lián) 吡啶體系，其中X為Br或Cl ;01)(2與0^的摩爾比為0 1 10，Cu元素與2，2-聯(lián)吡啶 的摩爾比為1 1 3;Cu元素與步驟(1)中所得的硅烷化的引發(fā)劑的摩爾比為2 1 3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟C3)中調(diào)節(jié)PH值所用的酸為冰醋酸或鹽酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中采用的陶瓷膜為至少含 Al、Zr、Ti或Si元素中一種元素的氧化物所制得的多孔陶瓷膜；平均孔徑為4nm 500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜的制備方法。采用甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(OEGMA)為功能性單體，通過硅烷化的引發(fā)劑引發(fā)聚合，制備硅烷化的POEGMA分子刷。該分子刷一端為烷氧基硅烷基，可與陶瓷膜表面的羥基發(fā)生反應(yīng)，在膜表面接枝POEGMA分子刷，制得抗蛋白吸附陶瓷復(fù)合膜。本發(fā)明采用接枝到表面法實現(xiàn)了聚合物分子刷只在陶瓷膜表面接枝，只改變膜的表面性質(zhì)，對膜孔的性質(zhì)無影響。通過此方法可在4～500nm的多孔陶瓷膜表面接枝抗蛋白吸附的聚合物分子刷。
文檔編號B01D69/12GK102059059SQ20101055321
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者何華婷, 徐南平, 景文珩, 邢衛(wèi)紅 申請人:南京工業(yè)大學(xué)