マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法が記載される。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、親水性の架橋（メタ）アクリル系ポリマー材料を含有するビーズのような粒子の形態である。加えて、マクロ孔質カチオン交換樹脂を使用する正に帯電した材料の精製方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有するクロマトグラフィーカラムの製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する濾過要素の製造方法、及びマクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する多孔質複合材料の製造方法が記載される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法及び使用方法が記載される。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換樹脂は、タンパク質、酵素、ワクチン、ＤＮＡ、ＲＮＡ等のような様々な生物学的分子の大規模な分離及び／又は精製のためのバイオテクノロジー産業において広く使用されている。カチオン交換樹脂の圧倒的多数は、スチレン／ジビニルベンゼンコポリマー又は架橋されたアガロースのいずれかに基づく。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
スチレン／ジビニルベンゼンコポリマーの疎水性主鎖は、不純製品をもたらす多くの材料と、非特異性相互作用の傾向があり得る。一般に、架橋されたアガロース樹脂は、非特異性相互作用に影響されにくいが、これらの材料はかなり柔らかいゲルである傾向があり、通常、高流量を使用するクロマトグラフィーカラム中で行われる精製に不適当である。
いくつかの既知のカチオン交換樹脂は、（メタ）アクリル系ポリマー材料に基づく。しかし、これらのカチオン交換樹脂の多くは、ゲルであるか、あるいは、比較的低容量又は低多孔性を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を使用する正に帯電した材料の精製方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有するクロマトグラフィーカラムの製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する濾過要素の製造方法、及びマクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する多孔質複合材料の製造方法が記載される。
【０００５】
１つの態様では、マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成方法が記載される。該方法は、以下、
（ａ）モノマー混合物と、
（ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含む水相組成物を調製することを含む。モノアルコールは、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー、及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中のモノマーは全て、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成方法は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、粒子からポロゲンを除去することを更に含む。
【０００６】
第二の態様では、正に帯電した材料を分離又は精製する方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂と正に帯電した材料とを接触させ、正に帯電した材料の少なくとも一部をマクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させることを含む。
【０００７】
第三の態様では、クロマトグラフィーカラムの調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置することを含む。
【０００８】
第四の態様では、濾過要素の調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置することを含む。
【０００９】
第五の態様では、多孔質複合材料の製造方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクスに組み込むことを含む。
【００１０】
本発明の先述の「課題を解決するための手段」は、本発明の開示された各実施形態又は全ての実施を記載することを意図しない。続く図、「発明を実施するための最良の形態」、及び実施例により、これらの実施形態をより詳しく例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法が記載される。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、親水性の架橋された（メタ）アクリル系ポリマー材料を含有するビーズのような粒子の形態である。更に、マクロ孔質カチオン交換樹脂を使用する正に帯電した材料の精製方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有するクロマトグラフィーカラムの製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する濾過要素の製造方法、及びマクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する多孔質複合材料の製造方法が記載される。
【００１２】
用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、「少なくとも１つの」と交換可能に用いられ、記載された要素の１以上を意味する。
【００１３】
用語「アルキル」とは、飽和炭化水素であるアルカンのラジカルである一価の基を指す。アルキルは、直鎖状、分枝状、環状、又はこれらの組合せであることができ、典型的に１〜２０個の炭素原子を有する。ある実施形態では、アルキル基は、１〜１０個の炭素原子、１〜８個の炭素原子、１〜６個の炭素原子、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、シクロヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、及びエチルヘキシルが挙げられるが、これらに限定されない。
用語「アルキレン」とは、アルカンのラジカルである二価の基を意味する。アルキレンは、直鎖、分岐鎖、環状、又はそれらの組合せであることができる。典型的にアルキレンは、１〜２０個の炭素原子を有する。ある実施形態では、アルキレンは、１〜１０、１〜８、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキレンのラジカル中心は、同一炭素原子上に（即ち、アルキリデン）又は異なる炭素原子上にあることができる。
【００１４】
用語「アシルオキシ」とは、式−Ｏ−（ＣＯ）−Ｒの一価の基を指し、式中、Ｒはアルキルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。代表的なアシルオキシ基は、Ｒがメチルであるアセトキシである。
【００１５】
用語「アシル」とは、式−（ＣＯ）−Ｒの一価の基を指し、式中、Ｒはアルキルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。代表的なアシル基は、Ｒがメチルであるアセチルである。
【００１６】
用語「カルボキシ」とは、式−（ＣＯ）ＯＨの一価の基を指し、式中、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。
【００１７】
用語「カルボキシアルキル」とは、カルボキシ基で置換されたアルキルを指す。
【００１８】
用語「ハロ」とは、フルオロ、クロロ、ブロモ、又はヨードを意味する。
【００１９】
用語「ハロアルキル」とは、ハロ基で置換されたアルキルを指す。
【００２０】
用語「（メタ）アクリル」とは、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸又はメタクリル酸の誘導体、あるいはこれらの組合せを含むモノマー組成物の反応生成物であるポリマー材料を指す。本明細書で使用する時、用語「（メタ）アクリレート」とは、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸又はメタクリル酸の誘導体、あるいはこれらの組合せであるモノマーを指す。好適な誘導体には、置換されていない又は置換されていることができるエステル、塩、アミド及びニトリル等が挙げられる。これらの誘導体のいくつかは、イオン性基を含むことができる。
【００２１】
用語「（メタ）アクリロイル」とは、下式の一価の基を指す。
【００２２】
Ｈ2Ｃ＝ＣＲb−（ＣＯ）−、式中、Ｒbは水素又はメチルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。
【００２３】
用語「モノアルコール」とは、単一ヒドロキシ基を有するアルコールを指す。アルコールは、式Ｒ−ＯＨであることが多く、式中Ｒはアルキルである。
【００２４】
用語「ポリマー」又は「ポリマーの」とは、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー等である材料を指す。同様に、用語「重合する」又は「重合」とは、ホモポリマー、コポリマー等の製造プロセスを指す。
【００２５】
用語「帯電した」とは、その化学構造の一部としてイオン性基を有する材料を指す。負に帯電した材料はアニオンであり、正に帯電した材料はカチオンである。典型的に、逆帯電した対イオンは、イオン性基に関連する。ｐＨ調整は、あるイオン性基の電荷を変化し得る。
【００２６】
語句「〜の範囲で」とは、端点、及び端点間の全ての数を含む。例えば、語句「１〜１０の範囲で」とは、１、１０、及び１〜１０の全ての数を含む。
【００２７】
ポロゲンに関して使用される用語「水溶性」とは、ポロゲンが、水相組成物と混和性であり、任意の感知できる範囲に水溶液から非極性有機溶媒へと分配されないことを意味する。例えば、５重量％未満、４重量％未満、３重量％未満、２重量％未満、又は１重量％未満のポロゲンが、水溶液から、例えば、トルエン及びヘプタンのような非極性有機溶媒へ抽出されることができる。
【００２８】
用語「室温」とは、２０℃〜２５℃の範囲の温度を指す。
【００２９】
指示がない限り、明細書及び特許請求の範囲に使用される外観の寸法、量、物理的特性を表す全ての数字は、用語「約」によって全ての事例において修正されると理解されたい。従って、反対に指示されなければ、本明細書の数字は、本明細書で開示される教示を使用する所望の特性によって変化し得る近似値である。
【００３０】
カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子の形態である。本明細書で用いられるとき、用語「マクロ孔質」とは、乾燥状態においてさえ永続的な多孔質構造を有する粒子を指す。樹脂は、溶媒に接触した時に膨潤し得るが、多孔質構造を通して粒子の内部に接近することを可能にするために膨潤は必要とされない。逆に、ゲル型樹脂は、乾燥状態において永続的な多孔質構造を有さないが、粒子の内部に接近することを可能にするために適した溶媒によって膨潤されなければならない。マクロ孔質粒子は、シェリントン（Sherrington）の化学コミュニケーション（Chem.Commun.）、２２７５〜２２８６（１９９８）、及びマッキンタイアー（Macintyre）ら、巨大分子、３７、７６２８〜７６３６（２００４）に更に記載される。
【００３１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法は、平均孔径、表面積、カチオン交換容量、又はそれらの組合せを変える又は制御するために、ポロゲンの使用を包含する。平均孔径、表面積、カチオン交換容量は、標的分子を分離及び／又は精製するための、カチオン交換樹脂の効果を変化させることができる変数である。平均の孔直径により特徴付けられる平均孔径、及び表面積は共に、低温条件下での窒素の吸着により測定される。カチオン交換容量とは、カチオン交換樹脂上に吸着できる、正に帯電した材料（すなわち、標的分子）の量を指す。代表的な標的分子としては、タンパク質、酵素、核酸等のような生物学的分子が挙げられるが、これらに限定されない。カチオン交換容量は、例えば、溶媒中に膨潤した樹脂の単位体積当たり又は乾燥樹脂の単位重量当たりに、吸着され得るタンパク質（例えば、リゾチーム）のような生体分子の量によって、与えられることができる。
【００３２】
関心の分子（すなわち、標的分子）に適応するために、孔が十分に大きいとき、カチオン交換容量は増加する傾向がある。拡散による標的分子の接近を可能にするのに十分大きい孔の形態で、カチオン交換樹脂の総表面積の大きい画分を提供することによって、生体分子における最大のカチオン交換容量は、達成され得ることが多い。典型的にそれぞれ平均分子量約１４，４００ｇ／モル及び６，０００ｇ／モルを有する、リゾチーム又はインスリンのような比較的小さいタンパク質の分離及び／又は精製のために設計されたカチオン交換樹脂は、平均分子量約１５０，０００ｇ／モルを有することが多い免疫グロブリン（例えば、免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ））のようなより大きいタンパク質の分離及び／又は精製のために設計されたカチオン交換樹脂よりも、より小さい平均孔径を有することができる。
【００３３】
多くの生物学的標的分子の分離のために、最大カチオン交換容量は、典型的に、カチオン交換樹脂が孔径の分布を有するとき、達成され得る。孔の直径は、典型的に、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルの範囲内である。多くの生物学的標的分子の分離及び／又は精製のために、カチオン交換樹脂の少なくともいくつかの孔は、直径２００ナノメートル以下であることが望ましいことが多い。本明細書に記載されるマクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、少なくともいくつかの孔が、直径２００ナノメートル以下（例えば、２〜２００ナノメートルの範囲）、１５０ナノメートル以下（例えば、２〜１５０ナノメートルの範囲）、又は１００ナノメートル以下（例えば、２〜１００ナノメートルの範囲）である粒子を提供する。
【００３４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、（ａ）架橋モノマー及び負に帯電したイオン性モノマーを含有するモノマー混合物と（ｂ）水溶性ポロゲンと、並びに（ｃ）水及びモノアルコールを含有する水相溶媒混合物とを包含する水相組成物を形成する工程を含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、カチオン交換樹脂からポロゲンを除去する工程を、更に含む。
【００３５】
カチオン交換樹脂は、架橋モノマー及び負に帯電したイオン性モノマーを含有するモノマー混合物の反応生成物である。架橋モノマーは、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む。負に帯電したモノマーは、フリーラジカル重合反応を受けることが可能なエチレン性不飽和基、及び正に帯電した材料と相互作用することが可能な負に帯電した基を有する。
【００３６】
モノマー混合物中の全て又は実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。本明細書で使用する時、用語「親油性指数」又は「ＬＩ」とは、モノマーの疎水性又は親水性を特徴付けるための指標を指す。親油性指数は、等体積（１：１）の非極性溶媒（例えば、ヘキサン）と極性溶媒（例えば、７５：２５のアセトニトリル：水の溶液）の中にモノマーを分配することにより、決定される。親油性指数は、分配後に非極性相中に残留するモノマーの重量％に等しい。より疎水性のモノマーは、より高い親油性指数を有する傾向があり、同様により親水性のモノマーは、より低い親油性指数を有する傾向がある。親油性指数の測定は、ドルチナ（Drtina）らの、巨大分子、２９、４４８６〜４４８９（１９９６）に更に記載される。
【００３７】
２０以下のモノマー混合物の親油性指数に関連して、本明細書で使用する時、用語「実質的に全ての」とは、２０超過の親油性指数を示す任意のモノマーが、不純物として存在することを意味する。親油性指数が２０超過の任意の不純物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として２重量％未満、１重量％未満、０．５重量％未満、０．２重量％未満、又は０．１重量％未満の量で存在する。あるカチオン交換樹脂においては、モノマー混合物中の全て又は実質的に全てのモノマーは、１５以下、１０以下、５以下、３以下、又は１以下の親油性指数を有する。
【００３８】
好適な架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せが挙げられる。これらの架橋モノマーは、１つのポリマー鎖と別のポリマー鎖とが架橋するように反応し得る、あるいは、一部分のポリマー鎖と別の部分の同一ポリマー鎖とが架橋するように反応し得る、少なくとも２つの（メタ）アクリロイル基を有する。架橋モノマーは、水相組成物中に可溶性であり、２０以下の親油性指数を有する。
【００３９】
好適なＮ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−エチレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−エチレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−プロピレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−プロピレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスアクリルアミド、及びＮ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスメタクリルアミドのような、１〜１０、１〜８、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を持つアルキレン基を有するものが挙げられるが、これらに限定されない。好適なＮ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−シスタミンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ピペラジンビスアクリルアミド、及びＮ，Ｎ’−ピペラジンビスメタクリルアミドが挙げられるが、これらに限定されない。これらの架橋モノマーは、シグマ−アルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））及びポリサイエンス社（Polysciences, Inc.）（ペンシルベニア州、ウォリントン（Warrington））のような様々な供給元から市販されている。或いは、これらの架橋モノマーは、例えば、ラスムッセン（Rasmussen）らの反応性ポリマー（Reactive Polymers）、１６、１９９〜２１２（１９９１／１９９２）のような、当該技術分野において記載される手順により、合成できる。
【００４０】
モノマー混合物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として１０重量％超過の架橋モノマーを含む。より少ない量の架橋モノマーを使用すると、カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子形態よりも、ゲル形態になる傾向がある。剛性又は機械的強度は、材料が耐え得る様々な圧力にて測定され、モノマー混合物に含まれる架橋モノマーの量と共に上昇する傾向がある。いくつかのモノマー混合物は、１０重量％超過、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、又は少なくとも３０重量％の架橋モノマーを含有する。
【００４１】
モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、９５重量％以下の架橋モノマーを含有することが多い。架橋モノマーの量が９５重量％を超過すると、モノマー混合物中に存在する負に帯電したイオン性モノマーの量が対応して低下するので、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量が減少することが多い。あるモノマー混合物は、９０重量％以下、８５重量％以下、８０重量％以下、７０重量％以下、６５重量％以下、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％、又は４０重量％以下の架橋モノマーを含有する。
【００４２】
あるモノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として１０重量％超過〜９５重量％、１０重量％超過〜９０重量％、２０重量％〜９０重量％、２０重量％〜８０重量％、２５重量％〜８０重量％、２５重量％〜７５重量％、２５重量％〜７０重量％、２５重量％〜６０重量％、又は２５重量％〜５０重量％の架橋モノマーを含有する。
【００４３】
またモノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマーも含む。負に帯電したイオン性モノマーは、フリーラジカル重合を受けることが可能な少なくとも１つエチレン性不飽和基を有する。ある実施形態では、エチレン性不飽和基は、（メタ）アクリロイル基又はビニル基である。負に帯電したイオン性モノマーは、弱酸、強酸、弱酸の塩、強酸の塩、又はこれらの組合せであることができる。すなわち、負に帯電したイオン性モノマーは、中性の状態であることができるが、ｐＨを調整すると帯電可能である。ｐＨが適切に調整されると、得られるカチオン交換樹脂は、正に帯電した材料（すなわち、カチオン）と相互作用することが可能な、負に帯電した基を有する。カチオン交換樹脂を調製するために用いられるイオン性モノマーが弱酸の塩又は強酸の塩を含む場合、これらの塩の対イオンは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウムイオン又はテトラアルキルアンモニウムイオンであることができるが、それらに限定されない。
負電荷を有するいくつかの代表的なイオン性モノマーとしては、式ＩＩの（メタ）アクリルアミドスルホン酸又はその塩が挙げられる。
【化３】
式ＩＩにおいて、Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分岐状アルキレンであり、Ｒbは水素又はメチルである。式ＩＩに従う代表的なイオン性モノマーとしては、Ｎ−アクリルアミドメタンスルホン酸、２−アクリルアミドエタンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、及び２−メタクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸が挙げられるが、これらに限定されない。これらの酸性モノマーの塩も使用することができる。
【００４４】
カチオン交換樹脂を調製するための他の好適なイオン性モノマーとしては、ビニルスルホン酸及び４−スチレンスルホン酸のようなスルホン酸；（メタ）アクリルアミドアルキルホスホン酸（例えば、２−アクリルアミドエチルホスホン酸及び３−メタクリルアミドプロピルホスホン酸）のような（メタ）アクリルアミドホスホン酸；アクリル酸及びメタクリル酸；並びに２−カルボキシエチルアクリレート、２−カルボキシエチルメタクリレート、３−カルボキシプロピルアクリレート、及び３−カルボキシプロピルメタクリレートのようなカルボキシアルキル（メタ）アクリレートが挙げられる。なお他の好適な酸性モノマーとしては、本明細書に参照として組み込まれる米国特許第４，１５７，４１８号（ハイルマン（Heilmann））に記載されるもののような（メタ）アクリロイルアミノ酸が挙げられる。代表的な（メタ）アクリロイルアミノ酸としては、Ｎ−アクリロイルグリシン、Ｎ−アクリロイルアスパラギン酸、Ｎ−アクリロイル−β−アラニン及び２−アクリルアミドグリコール酸が挙げられるが、それらに限定されない。これらの酸モノマーの任意の塩も用いることができる。
【００４５】
モノマー混合物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として少なくとも５重量％の負に帯電したモノマーを含む。より少ない量の負に帯電したモノマーを使用すると、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は減少することが多い。あるモノマー混合物は、少なくとも１０重量％、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、少なくとも３０重量％、又は少なくとも３５重量％の負に帯電したモノマーを含有する。
【００４６】
モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、９０重量％未満の負に帯電したイオン性モノマーを含有することが多い。より多量の負に帯電したイオン性モノマーを使用すると、カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子よりも、ゲルである傾向がある。すなわち、より多量の負に帯電したイオン性モノマーは、架橋モノマーの量の対応する減少を伴うことが多い。カチオン交換樹脂の剛性及び機械的強度は、架橋モノマーの量と相関する傾向がある。あるモノマー混合物は、９０重量％未満、８５重量％以下、８０重量％以下、７５重量％以下、７０重量％以下、６５重量％以下、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下の負に帯電したモノマーを含有する。
【００４７】
あるモノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、５重量％〜９０重量％未満、１０重量％〜９０重量％未満、２０重量％〜９０重量％未満、３０重量％〜９０重量％未満、３０重量％〜８０重量％、４０重量％〜９０重量％未満、４０重量％〜８０重量％、５０重量％〜８０重量％、又は６０重量％〜８０重量％の負に帯電したモノマーを含有する。負に帯電したモノマー及び架橋モノマーの量は、所望の組合せのカチオン交換容量及び機械的強度を持つカチオン交換樹脂を提供するように、バランスをとることができる。
【００４８】
カラム内でのマクロ孔質イオン交換樹脂の使用を含むもののような用途のために、イオン性モノマー２５重量％〜７５重量％及び架橋モノマー２５重量％〜７５重量％を含有するモノマー混合物は、カチオン交換容量及び機械的強度の最良のバランスを提供することが多い。ある代表的なモノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマー３５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６５重量％、負に帯電したイオン性モノマー４０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６０重量％、負に帯電したイオン性モノマー５０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜５０重量％、又は負に帯電したイオン性モノマー６０重量％〜７０重量％と架橋モノマー３０重量％〜４０重量％を含む。
【００４９】
ある特定のモノマー混合物においては、架橋モノマーは、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミドであり、負に帯電したイオン性モノマーは式ＩＩである。モノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマー２５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜７５重量％、負に帯電したイオン性モノマー３５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６５重量％、負に帯電したイオン性モノマー４０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６０重量％、負に帯電したイオン性モノマー５０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜５０重量％、又は負に帯電したイオン性モノマー６０重量％〜７０重量％と架橋モノマー３０重量％〜４０重量％を含む。例えば、モノマー混合物は、架橋モノマー３５重量％と負に帯電したイオン性モノマー６５重量％を含有できる。
【００５０】
あるモノマー混合物には、架橋モノマーと負に帯電したイオン性モノマー以外のモノマーがないが、他のモノマー混合物は、単一エチレン性不飽和基を有する親水性であるが非イオン性のモノマーを含む。例えば、架橋モノマーの量を一定に維持しながらカチオン交換容量を調整する目的で、親水性の非イオン性モノマーを添加することができる。すなわち、架橋の量又はカチオン交換樹脂の剛性を著しく変化することなく、カチオン交換容量を修正することができる。加えて、これらの非イオン性モノマーの使用により、カチオン交換樹脂の親水性を修正することができる。
【００５１】
好適な親水性の非イオン性モノマーは、典型的に、モノマー混合物に、モノマーの総重量を基準として５０重量％以下の量で存在する。あるカチオン交換樹脂においては、モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、４０重量％以下、２０重量％以下、１０重量％以下、５重量％以下、２重量％以下、又は１重量％以下の親水性の非イオン性モノマーを含有する。
【００５２】
十分に低い親油性指数を有する非イオン性モノマーの例としては、２−ヒドロキシエチルアクリレート、３−ヒドロキシプロピルアクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（例えばＬＩは１である）及び３−ヒドロキシプロピルメタクリレート（例えばＬＩは２である）のようなヒドロキシアルキル（メタ）アクリレート；アクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）及びメタクリルアミド（ＬＩは１未満である）；グリセロールモノメタクリレート及びグリセロールモノアクリレート；Ｎ−メチルアクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）、Ｎ−メチルメタクリルアミド及びＮ，Ｎ−ジメチルメタクリルアミドのようなＮ−アルキル（メタ）アクリルアミド；Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド及びＮ−ビニルピロリドンのようなＮ−ビニルアミド；２−アセトキシエチルアクリレート及び２−アセトキシエチルメタクリレート（例えばＬＩは９である）のようなアセトキシアルキル（メタ）アクリレート；グリシジルアクリレート及びグリシジルメタクリレート（例えばＬＩは１１である）のようなグリシジル（メタ）アクリレート；並びにビニルジメチルアズラクトン（例えばＬＩは１５である）のようなビニルアルキルアズラクトンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５３】
一般にモノマー混合物には、疎水性モノマーが実質的に存在しない。より具体的には、モノマー混合物には、親油性指数が２０超過のモノマーが実質的に存在しない。疎水性モノマーが実質的に存在しないカチオン交換樹脂は、非標的タンパク質、脂質等のような非標的材料のような不純物の非特異的吸着が低い傾向がある。２０超過の親油性指数を有し、一般にモノマー混合物にないモノマーとしては、例えば、エチレングリコールジメタクリレート（ＬＩは２５である）、フェノキシエチルメタクリレート（ＬＩは３２である）、トリメチロールプロパントリメタクリレート（ＬＩは３７である）、メチルメタクリレート（ＬＩは３９である）、エチルメタクリレート（ＬＩは５３である）、ブチルメタクリレート（ＬＩは７３である）、シクロヘキシルメタクリレート（ＬＩは９０である）及びラウリルメタクリレート（ＬＩは９７である）等が挙げられる。
【００５４】
水相組成物は、通常、水相組成物（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水相溶媒混合物）の総重量を基準として、少なくとも４重量％のモノマー混合物を含有する。ある実施形態では、水相組成物は、少なくとも１０重量％又は少なくとも１５重量％のモノマー混合物を含有できる。水相組成物は、通常、水相組成物の総重量を基準として５０重量％以下のモノマー混合物を含有する。ある実施形態では、水相組成物は、４０重量％以下、３０重量％以下、２５重量％以下、又は２０重量％以下のモノマー混合物を含有できる。例えば、水相組成物は、水相組成物の総重量を基準として５重量％〜３０重量％、５重量％〜２５重量％、５重量％〜２０重量％、又は１０重量％〜２０重量％のモノマー混合物を含有できる。
モノマー混合物に加えて、水相組成物は水溶性ポロゲンを含む。ポロゲンは、生物学的分子の精製及び／又は分離のために使用することができるマクロ孔質カチオン交換樹脂の形成を促進する。ポロゲンはモノマーでなく、架橋モノマー又は負に帯電したイオン性モノマーによりフリーラジカル重合反応を受けることができるエチレン性不飽和基のような基がない。ポロゲンは、一般に、ポリマー材料に共有結合せず、通常、重合反応が完了した後、除去される。しかし、重合反応の間、ポロゲンは、連鎖移動反応を通じて、カチオン交換樹脂のポリマー材料に共有結合する可能性がある。好ましくは、ポロゲンは、カチオン交換樹脂のポリマー材料に結合しない。ポロゲンは、式Ｉのアルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドである。
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である。）
【００５５】
ある代表的なポロゲンにおいては、両末端基（すなわち、基−Ｒ1及び基−ＯＲ3）はヒドロキシ基である（すなわち、Ｒ1はヒドロキシであり、Ｒ3は水素である）。他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はヒドロキシであり、Ｒ3はアルキル（例えば、１〜２０、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルキル）、ハロアルキル（例えば、クロロメチルのようなクロロアルキル）、アシル（例えば、アセチル）、あるいはカルボキシアルキル（例えば、カルボキシメチル）である。すなわち、１つの末端基はヒドロキシであり、他の末端基はアルコキシ、ハロアルコキシ、アシルオキシ、又はカルボキシ（例えば、カルボキシで置換されたアルコキシであるカルボキシアルコキシ）である。他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はアルコキシ（例えば、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルコキシ）であり、Ｒ3はアルキル（例えば、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルキル）あるいはアシル（例えば、アセチル）である。すなわち、１つの末端基はアルコキシであり、他の末端基はアルコキシ又はアシルオキシである。なお他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はカルボキシであり、Ｒ3はカルボキシアルキル（例えば、カルボキシメチル）である。すなわち、両末端基はカルボキシである（−ＯＲ3は、カルボキシアルコキシである）。
【００５６】
式Ｉ中の基Ｒ2は、例えば、メチレン、エチレン、又はプロピレンのようなアルキレンである。エチレンＲ2基を持つ好適なポロゲンとしては、エチレングリコール、並びにジエチレングリコール、トリエチレングリコール、及び高級同族体のようなエチレングリコール系材料が挙げられる。エチレングリコールの高級同族体は、ポリエチレングリコール（すなわち、ＰＥＧ）又はポリエチレンオキシド（すなわち、ＰＥＯ）と呼ばれることが多い。プロピレンＲ2基を持つ他の好適なポロゲンは、プロピレングリコール、並びにジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、及び高級同族体のようなプロピレングリコール系材料を含む。プロピレングリコールの高級同族体は、ポリプロピレングリコール（すなわち、ＰＰＧ）又はポリプロピレンオキシド（すなわち、ＰＰＯ）と呼ばれることが多い。ポロゲンは、ポリエチレンオキシド及びポリプロピレンオキシドのランダム又はブロックコポリマーであることができる。
【００５７】
式Ｉの下付文字ｎは、１超過、２超過、５超過、１０超過、２０超過、５０超過、１００超過、２００超過、又は５００超過の整数であることができる。例えば、ｎは、１〜１，０００の範囲、１〜８００の範囲、１〜６００の範囲、１〜５００の範囲、１〜２００の範囲、又は１〜１００の範囲の整数であることができる。
【００５８】
あるポロゲンは、少なくとも２００ｇ／モル、少なくとも４００ｇ／モル、少なくとも８００ｇ／モル、少なくとも１，０００ｇ／モル、少なくとも２，０００ｇ／モル、４，０００ｇ／モル、少なくとも８，０００ｇ／モル、又は少なくとも１０，０００ｇ／モルの分子量を有するポリアルキレンオキシドである。ポリアルキレンオキシドポロゲンは、２０，０００ｇ／モル以下、１６，０００ｇ／モル以下、１２，０００ｇ／モル以下、１０，０００ｇ／モル以下、８，０００ｇ／モル以下、６，０００ｇ／モル以下、４，０００ｇ／モル以下、２，０００ｇ／モル以下、又は１，０００ｇ／モル以下の平均分子量を有することが多い。例えば、ポリアルキレンオキシドポロゲンは、典型的に２００〜２０，０００ｇ／モルの範囲、２００〜１６，０００ｇ／モルの範囲、２００〜８，０００ｇ／モルの範囲、２００〜４，０００ｇ／モルの範囲、２００〜２，０００ｇ／モルの範囲、又は２００〜１，０００ｇ／モルの範囲の平均分子量を有する。
【００５９】
カチオン交換樹脂のある形成方法においては、ポロゲンの混合物を使用することができる。例えば、ポロゲンは、アルキレングリコールである第一ポロゲン（すなわち、式Ｉのｎが１に等しい）及びポリアルキレンオキシドである第二ポロゲン（すなわち、式Ｉのｎが１超過）の混合物であることができる。より具体的な実施例では、ポロゲンは、エチレングリコールと、ヒドロキシ末端基を持つポリエチレングリコールとの混合物であることができる。
【００６０】
ポリアルキレンオキシドは、市販されており、ヒドロキシ、メトキシ、ヒドロキシとメトキシの組合せ、ヒドロキシとクロロの組合せ、アルコキシとアセトキシの組合せ、又は少なくとも１つのカルボキシ基から選択される末端基（すなわち、基Ｒ1及び−ＯＲ3）を有する。こうした材料は、例えば、シグマ−アルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））、ネクター（Nektar）（アラバマ州、ハンツビル（Huntsville））、及びダウ・ケミカル（Dow Chemical）（ミシガン州、ミッドランド（Midland））から得ることができる。
【００６１】
カチオン交換樹脂の調製方法は、逆懸濁重合プロセスである。水相組成物は、（ａ）モノマー混合物、（ｂ）ポロゲン、及び（ｃ）典型的に水相組成物の体積を超える非極性有機溶媒中に液滴として、分散又は懸濁した、水相溶媒混合物を含む。ポロゲンは、通常、水相組成物中のモノマー混合物のための従来の溶媒として機能することができる液体である。一般に、有用なポロゲンは、水相組成物と非極性有機溶媒の間で、任意の感知可能な範囲に分配しない（すなわち、ポロゲンは、水相組成物から非極性溶媒へと、任意の感知可能な量で抽出されない）。水相組成物からトルエン、ヘプタン等のような非極性有機溶媒へと、抽出され得るポロゲンは、例えば、５重量％未満、４重量％未満、３重量％未満、２重量％未満、又は１重量％未満である。
【００６２】
フリーラジカル重合反応が進行すると、多くのポリマー分子が各水相液滴内に形成される。反応が進行すると、ポリマー分子は、成長及び架橋を続ける。分子量が十分に大きくなると、ポリマー相は、液滴内の水相組成物から分離する。理論に束縛されたくないが、分子量が上昇すると、ポリマー材料から水性溶媒が排除されることにより、少なくとも一部の孔が形成されると考えられている。相分離が生じる点は、平均孔径及び孔径分布に影響し得る。より遅い相分離は、より小さい孔及びより大きい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成に好都合である。逆に、より早い相分離は、より大きい孔及びより小さい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成に好都合である傾向がある。
【００６３】
相分離が生じる点は、ポロゲンと、形成ポリマー材料との適合性、及びポロゲンの量に影響され得る。加えて、相分離が生じる点は、モノマー混合物中に存在する架橋モノマーの量により影響されることがあり、典型的に、より多量の架橋モノマーは、ポリマー材料の分子量のより急速な増加に起因して、より早い相分離に好都合である。
【００６４】
形成ポリマー材料と適合性があるポロゲン（すなわち、形成ポリマー材料にとって良好な溶媒であるポロゲン）は、形成ポリマー材料との適合性が少ないポロゲン（形成ポリマー材料にとって劣った溶媒であるポロゲン）と比較して、より遅い相分離をもたらす傾向がある。形成ポリマー材料の溶解度がより高いポロゲンは、形成ポリマー材料の溶解度がより低いポロゲンと比較して、より小さい孔及びより大きい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成をもたらす傾向がある。逆に、形成ポリマー材料の溶解度がより低いポロゲンは、形成ポリマー材料の溶解度がより高いポロゲンと比較して、より大きい孔及びより小さい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成をもたらす傾向がある。
【００６５】
カチオン交換樹脂は、関心の標的分子のために設計されることができる。すなわち、カチオン交換樹脂は、特定の標的分子のためにカチオン交換容量を最適化するよう設計され得る。より大きい孔径を持つカチオン交換樹脂は、より大きい標的分子にとって、より好適であることが多い。ポロゲンの分子量、ポロゲンの末端基（すなわち，式Ｉの基−Ｒ1及び−ＯＲ3）、ポロゲンの量、及びモノマー混合物の組成は、平均孔径、表面積、及び孔容積に影響し得る。
【００６６】
ポロゲンを添加すると、特定の選択のポロゲン及びモノマー組成物についての最大結合能力に達するまで、表面積、孔径、及びカチオン交換容量（すなわち、標的分子の容量）が増加する傾向がある。ポロゲンを更に添加すると、カチオン交換容量の変化は起こり得ないか、又はカチオン交換容量の低下が起こり得る。典型的に、カチオン交換容量の低下は、表面積の減少及び平均孔径の増加に付随して起こる。本明細書で使用する時、用語「最大結合能力」とは、特定の標的分子のための、及びポロゲンとモノマー組成物の特定の組合せのための、最大カチオン交換容量を指す。
【００６７】
ヒドロキシ末端基を有し、より小さい平均分子量（例えば、約１，０００以下の平均分子量）を有するポロゲンを用いて、水相組成物中のポロゲンの量を最大結合能力のために必要とされる量を超過して増加しても、平均孔径、表面積、又はカチオン交換容量を著しく変化しない。すなわち、通常、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により維持されることができる。例えば、モノマー混合物中において、モノマーの総重量を基準として１００重量％まで又はそれ以上のポロゲンを使用して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を調製することができる。モノマー混合物中において、モノマーの総重量を基準として８０重量％以下、６０重量％以下、４０重量％以下、２０重量％以下、又は１０重量％以下のポロゲンを使用して、代表的なカチオン交換樹脂を調製することができる。
【００６８】
ヒドロキシ末端基を有し、より大きい平均分子量（例えば、約１，０００ｇ／モル超過の平均分子量）を有するポリアルキレンオキシドポロゲンを用いて、水相組成物中のポロゲンの量を最大結合能力のために必要とされる量を超過して増加すると、平均孔径が増加し、表面積が減少し、カチオン交換容量が減少する傾向がある。すなわち、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により、維持されることができない。ポロゲンの平均分子量が約１，０００ｇ／モルを超過して増加すると、生物学的分子のために許容可能に大きいカチオン交換容量を有するマクロ孔質カチオン交換樹脂を製造するために使用され得るポロゲンの最大量は、通常減少する。分子量に依存して、ポロゲンの量は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として約２０重量％以下であることができる。多量のポロゲンを使用してマクロ孔質樹脂を調製することができるが、平均孔径が大き過ぎる傾向があり、表面積が小さ過ぎる傾向があるので、許容可能に大きいカチオン交換容量が得られないことが多い。代表的なカチオン交換樹脂は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として１０重量％以下、５重量％以下、２重量％以下、又は１重量％以下のポロゲンを使用して、調製することができる。理論に束縛されたくないが、分子量が増加するときに使用することができるポロゲンの量の低下は、より高分子量のポロゲンと、形成ポリマー材料との適合性の低下に、少なくとも一部起与する可能性があり、より早い相分離を導く。
【００６９】
同等のカチオン交換容量のカチオン交換樹脂を、様々な分子量のポロゲンを使用して得ることができる。例えば、ヒドロキシ末端基を有し、平均分子量が４００ｇ／モルであるポリエチレングリコールポロゲン約１００重量％以下を使用して調製されるカチオン交換樹脂は、ヒドロキシ末端基を有し、平均分子量が３，４００ｇ／モルであるポリエチレングリコールポロゲン約５重量％以下を使用して調製される樹脂と、同等の多孔性及びカチオン交換容量を有し得る。ポロゲン重量％は、モノマー混合物中のモノマーの総重量に基づく。
ヒドロキシ末端基を持ち、平均分子量が４００ｇ／モルであるポリエチレンオキシドをポロゲンとして使用すると、ポロゲン濃度は、典型的に、水相組成物の総重量（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水性溶媒混合物の総合重量）を基準として０．１〜２０重量％の範囲である。例えば、ポロゲンの量は、水相組成物の総重量を基準として、０．２重量％〜２０重量％、０．３重量％〜２０重量％、０．３重量％〜１５重量％、０．５重量％〜１５重量％、１重量％〜１５重量％、又は２重量％〜１５重量％の範囲であることができる。
【００７０】
ヒドロキシ末端基を持ち、平均分子量が３，４００ｇ／モルであるポリエチレンオキシドをポロゲンとして使用すると、ポロゲン濃度は、典型的に、水相組成物の総重量（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水性溶媒混合物の総合重量）を基準として、０．０５重量％〜３重量％の範囲である。例えば、ポロゲンの量は、水相組成物の総重量を基準として、０．１重量％〜３重量％、０．１重量％〜２重量％、又は０．１重量％〜１重量％の範囲であることができる。
【００７１】
カチオン交換樹脂のいくつかの形成方法においては、ポロゲンの混合物を使用することができる。例えば、ポロゲンは、より小さい分子量（例えば、約１，０００ｇ／モル未満、５００ｇ／モル未満、２００ｇ／モル未満、又は１００ｇ／モル未満の平均分子量）を有する第一ポロゲンと、より大きい分子量（例えば、１，０００ｇ／モル超過、２，０００ｇ／モル超過、３，０００ｇ／モル超過、又は４，０００ｇ／モル超過）を有する第二ポロゲンとの、混合物であることができる。より具体的な実施例では、ポロゲンは、エチレングリコールとポリエチレングリコールとの混合物であることができる。水相組成物の総重量を基準として、エチレングリコールの量は、０．５重量％〜１５重量％の範囲であることができ、ポリエチレングリコールは、０．０５重量％〜５重量％の範囲であることができる。例えば、エチレングリコールの量は、１重量％〜７重量％の範囲であることができ、ポリエチレングリコールの量は、１重量％〜３重量％の範囲であることができる。
アルコキシ末端基を持つポロゲン（すなわち、基Ｒ1がアルコキシ、基−ＯＲ3がアルコキシ（Ｒ3がアルキル））は、典型的に、両末端基がヒドロキシ基（すなわち、Ｒ1がヒドロキシ、Ｒ3が水素）である同等の分子量のポロゲンよりも、少量で使用される。アルコキシ末端基を持つポロゲンは、ヒドロキシ末端基を持つポロゲンと比較して、水相組成物中への可溶性が劣る傾向がある。アルコキシ末端基を持つポロゲンは、形成ポリマー材料との適合性が劣る傾向がある。最大結合能力のために必要とされる量を超過して水相組成物中のポロゲンの量が増加すると、平均孔径が増大し、表面積が減少し、及びカチオン交換容量が減少する傾向がある。すなわち、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により、維持されることができない。ポロゲンの量は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として、約２０重量％以下、約１０重量％以下、約５重量％以下、約２重量％以下、又は約１重量％以下であることができる。
【００７２】
水相組成物は、水と１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールとを含む水性溶媒混合物を含有する。好適なモノアルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、又はそれらの組合せを含む。モノアルコールは、マクロ孔質カチオン交換樹脂の多孔性全体に、少なくとも一部寄与する。すなわち、イオン交換樹脂の多孔性は、モノアルコールの添加により、より高くなる傾向がある（すなわち、モノアルコールは、溶媒及びコポロゲンの両方として機能し得る）。
【００７３】
水相溶媒混合物の少なくとも２０重量％が、モノアルコールであることができる。ある実施形態では、水相溶媒混合物の少なくとも３０重量％、少なくとも４０重量％、又は少なくとも５０重量％が、モノアルコールであることができる。水相溶媒混合物の８０重量％以下、７０重量％以下、又は６０重量％以下が、モノアルコールであることができる。例えば、モノアルコールの量は、水相溶媒混合物の２０重量％〜８０重量％、３０重量％〜８０重量％、４０重量％〜８０重量％、又は５０重量％〜８０重量％の範囲であることができる。
【００７４】
また水相溶媒混合物は、水及びモノアルコールと混和性の追加の共溶媒も含有できる。好適な水相共溶媒としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル等が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、共溶媒は、水相組成物中の架橋モノマーのようないくつかのモノマーの溶解度を上昇できる。共溶媒は、形成ポリマーの相分離挙動に影響することができ、得られたカチオン交換樹脂の多孔性に影響し得る。
【００７５】
水相組成物は、非極性有機溶媒中に分散又は懸濁する。非極性有機溶媒と水相組成物との体積比は、通常２：１〜６：１の範囲である。モノマー混合物及びポロゲンを含有する水相組成物は、比較的小さい液滴として、非極性有機溶媒中に分散することが多い。懸濁する媒体（すなわち、非極性有機溶媒）の主要な目的は、水相組成物の分散のための不活性媒体として機能する他に、重合反応間に、発生する熱を放散させることである。ある実施形態では、懸濁液媒体の密度は、水相組成物とおよそ同一であるように選択され得る。これらの密度をおおよそ整合させると、より球状の粒子及びより均一なサイズの粒子の形成をもたらす傾向がある。
【００７６】
典型的に、好適な非極性有機溶媒は、ヘキサン、ヘプタン、ｎ−オクタン、イソオクタン、イソドデカン、及びシクロヘキサンのようなアルカン；四塩化炭素、クロロホルム、及び塩化メチレンのようなハロゲン化炭化水素；ベンゼン及びトルエンのような芳香族；低粘度シリコーンオイル；又はこれらの組合せである。例えば、非極性有機溶媒は、ヘプタンと塩化メチレン、又はヘプタンとトルエンの混合物であることができる。
【００７７】
非極性有機溶媒中への水相組成物液滴の懸濁を促進するために、懸濁剤（すなわち、ポリマー安定剤）を使用することが多い。親水性であるポロゲンとは異なり、懸濁剤は、通常、疎水性部分と親水性部分の両方を有する。懸濁剤は、水相組成物と非極性有機溶媒との間の界面張力を修正するよう機能する。更に、懸濁剤は、水相組成物液滴の立体安定性を提供する。この立体安定性は、重合プロセス間における凝集粒子の形成を最小限にする又は防止する傾向がある。
【００７８】
好適な懸濁剤としては、ソルビタンセスキオレエート、ポリエチレンオキシド（２０）ソルビタントリオレエート、ポリエチレンオキシド（２０）ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエート、ジ−２−エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウム、イソオクチルアクリレートとアクリル酸のコポリマー、ヘキシルアクリレートとアクリル酸ナトリウムのコポリマー及びイソオクチルアクリレートと２−アクリルアミドイソブチルアミドのコポリマー等が挙げられる。懸濁剤の量は、カチオン交換樹脂の寸法に影響し得る（すなわち、より多量の懸濁剤を使用すると、より小さいカチオン交換樹脂粒子が形成されることが多い）。一般に、懸濁剤の量は、モノマーの総重量を基準として、モノマー混合物中０．１重量％〜１０重量％である。例えば、モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、０．１重量％〜８重量％又は０．５重量％〜５重量％の懸濁剤を含有することができる。
【００７９】
カチオン交換樹脂の寸法は、大体において、水相組成物液滴の寸法により決定される。液滴寸法は、攪拌速度、温度、懸濁剤の量、懸濁剤の選択、非極性有機溶媒の選択、及び任意の水相共溶媒の選択のような変数により、影響され得る。攪拌速度、懸濁剤の種類、及び懸濁剤の量は、得られる粒子の凝集又はアグロメレーションを制御するために、変化され得ることが多い。凝集の欠如が、一般に好ましい。
【００８０】
ラジカル重合反応を開始するために、水相組成物に反応開始剤を添加することができる。通常、フリーラジカル反応開始剤は、水相溶媒混合物に可溶性である。一旦懸濁液が形成されると、フリーラジカル開始剤は、熱的に、光化学的に、又は酸化還元反応を通して、活性化され得る。フリーラジカル反応開始剤は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として、０．０２重量％〜１０重量％の量で使用されることが多い。ある実施例では、フリーラジカル反応開始剤は、モノマーの総重量を基準として、２重量％〜６重量％の量で存在する。
【００８１】
好適な水溶性熱反応開始剤としては、例えば、アゾ化合物、ペルオキシド又はヒドロペルオキシド、過硫酸塩等が挙げられる。代表的なアゾ化合物としては、２，２’−アゾビス［２−（２−イミダゾリン−２−イル）プロパン］ジヒドロクロリド、２，２’−アゾビス（２−アミジノプロパン）ジヒドロクロリド及び４，４’−アゾビス−（４−シアノペンタン酸）が挙げられる。市販の熱的アゾ化合物反応開始剤の例としては、デュポン・スペシャルティ・ケミカル（DuPont Specialty Chemical）（デラウェア州、ウィルミントン（Wilmington））から、バゾ（VAZO）４４、バゾ５６、及びバゾ６８のような取引表記「バゾ（VAZO）」として入手可能な材料が挙げられる。好適なペルオキシド及びヒドロペルオキシドとしては、過酸化アセチル、ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、及びペルオキシ酢酸が挙げられる。好適な過硫酸塩としては、例えば、過硫酸ナトリウム及び過硫酸アンモニウムが挙げられる。
【００８２】
他の実施例では、フリーラジカル反応開始剤は、過硫酸アンモニウム又は過硫酸ナトリウムとＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン（ＴＭＥＤＡ）；過硫酸アンモニウム又は過硫酸ナトリウムと硫酸第一鉄アンモニウム；過酸化水素と硫酸第一鉄アンモニウム；クメンヒドロペルオキシドとＮ，Ｎ−ジメチルアニリン等のような酸化還元対である。典型的に、重合温度は、選択された特定のフリーラジカル反応開始剤及び非極性有機溶媒の沸点に依存する。通常、熱開始重合における重合温度は、約５０℃〜約１５０℃である。ある方法では、温度は約５５℃〜約１００℃である。酸化還元又は光化学的開始重合については、温度は、必要ならば室温又はそれ以下に近いことが可能である。重合時間は、約３０分間から約２４時間以上であることが可能である。典型的には、２〜４時間の重合時間が十分である。
【００８３】
一旦、ラジカル重合反応が開始したら、形成ポリマー材料は、水相組成物内に沈殿する傾向がある。ポロゲンのような水相組成物のいくつかは、ポリマー材料の孔に閉じ込められ得る。ポリマー材料の孔は、例えば、濾過又はデカンテーションにより、単離され得る。その後、ポロゲンを除去するために、ポリマー材料の粒子に、一連の洗浄工程を行うことができる。ポロゲンを除去するために好適な溶媒としては、例えば、水、アセトン、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、及びイソプロパノール）、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル等のような極性溶媒が挙げられる。必要であれば、任意の好適な方法を使用して、得られるカチオン交換樹脂を乾燥することができる。ある方法では、スクリーニング、沈殿、及び空気分級のような技術を使用して、得られるカチオン交換樹脂を分画することができる。
【００８４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子は、不規則な形状を有することができ、あるいは球形又は略球形であることができる。ある実施例では、マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子は、ビーズである。画像分析と合わせて光散乱又は電子顕微鏡法のような技術を用いて、粒子の平均サイズを決定することができる。通常、粒子は、少なくとも１０マイクロメートルの平均寸法を有する。例えば、粒子は、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも４０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、又は少なくとも６０マイクロメートルの平均寸法を有することができる。通常、粒子は、２，０００マイクロメートル以下、１，０００マイクロメートル以下、５００マイクロメートル以下、又は２００マイクロメートル以下の平均寸法を有する。ある用途では、マクロ孔質カチオン交換樹脂は、１０〜２，０００マイクロメートル、２０〜２，０００マイクロメートル、２０〜５００マイクロメートル、５０〜５００マイクロメートル、２０〜２００マイクロメートル、５０〜２００マイクロメートル、５０〜１００マイクロメートル、５０〜７５マイクロメートル、５０〜７０マイクロメートル、又は６０〜７０マイクロメートルの平均粒子サイズを有する。
【００８５】
マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子の平均寸法が、約１０マイクロメートル未満又は約２０マイクロメートル未満であるとき、特に、大きい生物学的分子の精製又は分離のために使用され得る大きいカラム（例えば、直径が約５ｃｍ超過であるカラム）においては、粒子が充填されたクロマトグラフィーカラムの背圧は、許容不可能なほど大きくなる可能性がある。平均粒子サイズは、２，０００マイクロメートルと同じぐらいであり得るが、ある用途（例えば、マクロ孔質カチオン交換樹脂が、大きいカラム内に設置される用途）のための平均粒子サイズは、２００マイクロメートル以下であることが多い。平均粒子サイズがより大きいと、クロマトグラフプロセスの効率は、特にマクロ孔質カチオン交換樹脂の孔への拡散速度が遅いことが多いタンパク質のようなより大きい生物学的分子の精製又は分離において、低い可能性がある。例えば、２０〜２００マイクロメートルのカチオン交換樹脂を使用して得ることができるより大きいカチオン交換樹脂を用いて、同程度の分離又は精製を得るためには、より多量の樹脂、より長いクロマトグラフィーカラム、より遅い流量、又はそれらの組合せが必要である可能性がある。
【００８６】
アニオン交換樹脂粒子の多孔性及び表面積は、極低温条件下において様々な相対圧力で粒子の表面上へ窒素を吸着することによって特徴付けられ得る（すなわち、管内のアニオン交換樹脂の試料を、真空にさらし、管を、液体窒素内に置いて冷却する）。窒素は、複数の相対圧力（例えば、約０．０〜約１．０）において試料の表面に吸着された後，複数の相対圧力において脱着される。複数の相対圧力において、吸着又は脱着される窒素の量を約２〜約２００ナノメートルの範囲の孔径を有する孔と関連付けるために、Ｅ．Ｐ．バレット（Barrett）、Ｌ．Ｓ．ジョイナー（Joyner）、及びＰ．Ｐ．ハレンダ（Halenda）、米国化学会誌（J. Am. Chem. Soc.）、７３、３７３（１９５１）に更に記載されているＢＪＨ理論を使用することができる。孔容積、表面積、及び平均孔径を計算することができる。本明細書で使用する時、用語「孔容積」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して計算される、累積孔容積を指す。本明細書で使用する時、用語「表面積」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して計算される、累積表面積を指す。本明細書で使用する時、用語「平均孔径」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して測定される、平均孔径を指す。
【００８７】
マクロ孔質カチオン交換樹脂は、孔径の分布を有する。孔径は、５００ナノメートルまで又はそれ以上であることができる。カチオン交換樹脂は、窒素吸着技術を使用して測定することができる寸法範囲内の孔を有する。すなわち、少なくともいくつかの孔は、２００ナノメートル未満、１５０ナノメートル未満、又は１００ナノメートル未満の直径を有する。窒素吸着により測定される平均孔径は、典型的に少なくとも２ナノメートル、少なくとも５ナノメートル、少なくとも１０ナノメートル、少なくとも２０ナノメートル、又は少なくとも３０ナノメートルである。平均孔径は、２００ナノメートル以下、１００ナノメートル以下、又は８０ナノメートル以下であることができる。例えば、平均孔径は、１０〜２００ナノメートルの範囲、１０〜１００ナノメートルの範囲、１０〜８０ナノメートルの範囲、２０〜１００ナノメートルの範囲、又は２０〜８０ナノメートルの範囲であることができる。極低温条件下における様々な相対圧力での窒素吸着を使用して、孔径を特徴付けることができる。
【００８８】
孔容積は、少なくとも０．１０立方センチメートル／グラムであることが多い。例えば、孔容積は、少なくとも０．１５立方センチメートル／グラム、少なくとも０．２０立方センチメートル／グラム、又は少なくとも０．２５立方センチメートル／グラムであることができる。孔容積は、直径２００ナノメートル以下の孔に由来して、０．１０〜２立方センチメートル／グラムの範囲、０．１５〜２立方センチメートル／グラムの範囲、又は０．２０〜２立方センチメートル／グラムの範囲であることができる。孔は、生物学的材料に対応するのに十分大きいが、十分な表面積及びカチオン交換容量を提供するのに十分小さい。
【００８９】
通常、表面積は、少なくとも２０ｍ2／ｇ、少なくとも３０ｍ2／ｇ、又は少なくとも４０ｍ2／ｇである。表面積は、２０〜２００ｍ2／ｇの範囲、３０〜２００ｍ2／ｇの範囲、２０〜１００ｍ2／ｇの範囲、３０〜１００ｍ2／ｇの範囲、又は４０〜２００ｍ2／ｇの範囲であることが多い。
【００９０】
カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は、吸着され得るリゾチーム又は免疫グロブリン（例えば、ＩｇＧ）のようなタンパク質の量によって与えられることができる。より詳しくは、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも５０ｍｇ／ｍＬ（すなわち、膨潤したカチオン交換樹脂１ミリリットル当たりリゾチーム５０ミリグラム）のリゾチームカチオン交換容量を有する。例えば、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも７５ｍｇ／ｍＬ、少なくとも８０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも９０ｍｇ／ｍＬ、又は少なくとも１００ｍｇ／ｍＬのリゾチームカチオン交換容量を有することができる。より詳しくは、あるカチオン交換樹脂は、５０〜２５０ｍｇ／ｍＬ、７５〜２５０ｍｇ／ｍＬ、９０〜２５０ｍｇ／ｍＬ、又は９０〜２００ｍｇ／ｍＬのリゾチームカチオン交換容量を有する。あるカチオン交換樹脂は、少なくとも１５ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有する。例えば、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも３０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも４０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも５５ｍｇ／ｍＬ、少なくとも７５ｍｇ／ｍＬ、又は少なくとも９０ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有することができる。あるカチオン交換樹脂は、１５〜１１０ｍｇ／ｍＬ、４０〜１１０ｍｇ／ｍＬ、７５〜１１０ｍｇ／ｍＬ、又は７５〜９５ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有する。
【００９１】
本明細書に記載される方法を使用して調製されるカチオン交換樹脂は、親水性であり、通常、低い非特異的吸着を有する（すなわち、低いＬＩを持つモノマーから調製されるカチオン交換樹脂は、低い非特異的吸着を有する傾向がある）。典型的に、カチオン交換樹脂は、カチオン交換樹脂上の負に帯電した基との相互作用を通じて、様々な正に帯電した材料を吸着し、典型的に、材料をカチオン交換樹脂の非イオン性部分上に、例えあるとしても、ほとんど吸着しない。この低い非特異的吸着は、試料中の他の材料から、正に帯電した標的材料のより良い分離又は精製を有利にもたらし得る。ある実施例では、帯電した標的材料は、タンパク質又は核酸溶液から除去することが必要なカチオン性タンパク質等のような不純物である。
【００９２】
第二の態様においては、正に帯電した材料を分離又は精製する方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を正に帯電した材料に接触させ、正に帯電した材料の少なくとも一部をマクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させることを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去する工程を、更に含む。
【００９３】
通常、正に帯電した材料を含有する試料は、カチオン交換樹脂が負に帯電した基を有し、標的分子が正に帯電した基を有するｐＨにおいて、カチオン交換樹脂と接触する。吸着された材料をカチオン交換樹脂から解放するために、ｐＨを上げることができる（例えば、ｐＨを少なくとも６又は７以上に上げる）。あるいは、帯電物質が生体分子であるとき、試料は、ｐＨ約３〜１０又はｐＨ約４〜６において、低イオン強度緩衝剤（例えば、５〜５０ミリモルの緩衝剤塩と０〜２００ミリモルの塩化ナトリウム）中でカチオン交換樹脂と接触することができる。吸着された生体分子を解放するために、高イオン強度緩衝剤を、カチオン交換樹脂と接触させる。ある実施形態においては、高イオン強度緩衝剤は、材料吸着させるために使用されるのと同じ緩衝剤組成物と１モルの塩化ナトリウムを含む。吸着プロセス及び解法プロセスは、典型的には室温に近い温度で行われる。
【００９４】
ｐＨを制御するために有用な緩衝塩としては、リン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、酢酸ナトリウム及びＴＲＩＳ（トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン）が挙げられるが、それらに限定されない。適する他の緩衝剤には、ＭＯＰＳ（３−モルホリノプロパンスルホン酸）、ＥＰＰＳ（４−（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−１−プロパンスルホン酸）、ＭＥＳ（２−モルホリノエタンスルホン酸）、及び他のような「グッズ（Ｇｏｏｄ’ｓ）」緩衝剤が挙げられる。
【００９５】
ある試料は、他の試料構成成分から分離することができ、又は精製することができる生物学的分子を含む。好適な生物学的分子としては、例えば、タンパク質、酵素、ワクチン、ＤＮＡ、及びＲＮＡが挙げられる。試料のｐＨを調整すると、ある生物学的分子の電荷を変えることができる。
【００９６】
第三の態様においては、クロマトグラフィーカラムの調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置することを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去する工程を、更に含む。
【００９７】
本明細書に記載の方法により調製されるカチオン交換樹脂粒子は、かなり堅い傾向があり、任意の好適な寸法のクロマトグラフィーカラムにおいて、任意の好適な流量及び圧力条件下において、使用するために必要である機械的強度を有する。粒子を、例えば、高流量を持つクロマトグラフィーカラムにおいて、使用することができる。カチオン交換樹脂は、クロマトグラフィーカラム内で一般に生じる差圧条件下で用いるために適する。本明細書で用いられるとき、用語「差圧」とは、クロマトグラフィーカラムを横切る圧力降下を意味する。例えば、治療用タンパク質の下流精製又は分離のために用いられるクロマトグラフィーカラムを、生産性を増やすために少なくとも１５０ｃｍ／時間、少なくとも２５０ｃｍ／時間、少なくとも５００ｃｍ／時間又は少なくとも７００ｃｍ／時間のような見掛け速度（流量）で使用することができる。典型的に、より速い流量は、より高い生産性を導く。
【００９８】
小さいクロマトグラフィーカラム（例えば、直径約５ｃｍ未満のカラム）においては、カチオン交換樹脂の充填床は、カラム壁により、よく支持される。こうしたカラムにおいて、比較的広い範囲の剛性を有するカチオン交換樹脂は、１３８０ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える差圧に耐えることができる。しかし、大きいクロマトグラフィーカラム（例えば、約５ｃｍを超える直径を有するカラム）内では、カチオン交換樹脂の充填床は、カラム壁による支持がより低い（例えば、カラムの壁面に接触している樹脂の分画がより小さい）。こうしたカラムにおいて、より高い剛性を有するカチオン交換樹脂は、少なくとも１７３ｋＰａ（２５ｐｓｉ）の差圧に耐えることができる傾向がある。いくつかのカチオン交換樹脂は、３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）〜１３８０ｋＰａ（２００ｐｓｉ）の差圧に耐えることができる。
【００９９】
好適なカラムは当業界で知られており、ガラス、高分子材料、ステンレススチール、チタン及びその合金又はニッケル及びその合金のような材料から作成することができる。カラム中にカチオン交換樹脂を効果的に充填するための、カラム充填方法は当業界で知られている。
クロマトグラフィーカラムは、液体クロマトグラフのような分析計器の一部であることができる。カチオン交換樹脂が充填されるとき、クロマトグラフィーカラムは、非イオン材料からイオン材料を分離するために、又は１つのイオン材料を異なる電荷密度を有するもう一つのイオン材料から分離するために、使用され得る。試料中のイオン材料の量を決定することが可能である。
【０１００】
クロマトグラフィーカラムは、イオン材料を分離又は精製するための分取液体ガスクロマトグラフシステムの一部であることが可能である。分取液体ガスクロマトグラフシステムは、実験室規模のシステム、パイロットプラント規模のシステム又は工業規模のシステムであることが可能である。
【０１０１】
第四の態様においては、濾過要素の調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置することを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去することを更に含む。
【０１０２】
フィルタカートリッジを提供するために、濾過要素をハウジング内に設置することができる。濾過カートリッジを含む好適な濾過媒体及びシステムは、例えば、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第５，４６８，８４７号（ハイルマン（Heilmann）ら）に更に記載される。生体分子を精製又は分離するために、こうしたフィルタカートリッジを使用することができる。この態様においては、濾過カートリッジシステムにおいて固有である圧力低下の低さに起因して、クロマトグラフィーカラム形式よりも、より少ない剛性粒子又はより小さいマクロ孔質粒子を利用することができる。
【０１０３】
濾過媒体は、単一の濾過層又は複数の濾過層を有することができ、ガラス又は高分子繊維（例えば、ポリプロピレン繊維のようなポリオレフィン繊維）から調製されることができる。ある実施形態においては、濾過媒体は粗い予備濾過層及び１つ以上のより細かい濾過層を含む。例えば、濾過媒体は、粗い予備濾過層及び次に段々により小さい平均孔径を有する一連の追加の濾過層を含むことができる。カチオン交換樹脂を、最小の平均孔径を有する濾過媒体の層上に設置できる。
【０１０４】
濾過媒体の孔径の選択は、カチオン交換樹脂の寸法に依存する。典型的に、濾過媒体の孔径は、カチオン交換樹脂の平均直径よりも小さくなるように選択される。しかし、カチオン交換樹脂の一部は、濾過媒体内に貫通することができる。
【０１０５】
濾過媒体は、米国特許第３，０５８，５９４号（ハルトグレン（Hultgren））に記載されるもののような垂直なひだのある（vertical pleated）フィルターの形態であることができる。他の実施形態においては、濾過媒体は、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第４，８４２，７３９号（タング（Tang）ら）に記載されているもののような、水平な複合の放射状にひだのある（horizontal, compound radially pleated）フィルターの形態である。ひだの水平配置は、濾過媒体を含有するフィルタカートリッジを垂直方向に用いる用途において望ましくあり得る。こうした配置は、使用及び保管の間、濾過要素からのカチオン交換樹脂の損失を低減することができる。
【０１０６】
第五の態様においては、多孔質複合材料の製造方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクス組み込むことを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去することを更に含む。
【０１０７】
連続多孔質マトリックスは、典型的には、織繊維ウェブ又は不織繊維ウェブ、多孔質繊維、多孔質膜、多孔質フィルム、中空繊維、又は管である。好適な連続多孔質マトリクスは、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第５，９９３，９３５号（ラスムッセン（Rasmussen）ら）に更に記載される。
【０１０８】
繊維ウェブである連続多孔質マトリックスは、例えば、大きい表面積、製造の容易さ、低い材料コスト及び様々な繊維質感及び繊維密度のような利点を提供することができる。広範囲の繊維直径が適するが、繊維は０．０５マイクロメートル〜５０マイクロメートルの平均直径を有することが多い。ウェブの厚さを、最終使用用途に適合するように変えることができる（例えば、約０．２マイクロメートル〜約１００ｃｍ）。
【０１０９】
複合材料を、例えばメルトブロー法を用いて調製することができる。例えば、溶融高分子材料を押し出して、メルトブロー繊維のストリームを製造することができる。カチオン交換樹脂を、繊維のストリームに導入することができ、繊維と混ぜることができる。繊維とカチオン交換樹脂の混合物を、ウェブを形成するようにスクリーン上に集めることができる。カチオン交換樹脂を、繊維ウェブ内で分散させることができる。ある実施形態においては、カチオン交換樹脂を、繊維ウェブ全体を通して均一に分散させることができる。
【０１１０】
複合材料は、フィブリル化ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフィブリル化ポリマーマトリックスにより調製することもできる。好適な方法は、米国特許第４，１５３，６６１号（リー（Ree）ら）、同第４，５６５，６６３号（エレード（Errede）ら）、同第４，８１０，３８１号（ハゲン（Hagen）ら）、及び同第４，９７１，７３６号（ハゲンら）により十分に記載されており、これらは、全て参照として本明細書に組み込まれる。一般に、これらの方法は、カチオン交換樹脂とポリテトラフルオロエチレン分散液をブレンドしてパテ様塊状物を得ることと、パテ様塊状物を５℃〜１００℃で強力な混合に供してＰＴＦＥのフィブリル化を引き起こすことと、パテ様塊状物を二軸的にカレンダ加工することと、得られたシートを乾燥させることを含む。
【０１１１】
複合材料を調製する別の方法においては、カチオン交換樹脂を液体に分散させた後、均質混合物を形成するのに十分な温度で熱可塑性ポリマーとブレンドすることができる。均質混合物を、所望する形状を有する型に入れることができる。混合物を冷却すると、液体は相分離することができ、分散したカチオン交換樹脂粒子を含有する熱可塑性ポリマーマトリックスが残る。この方法は、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第４，９５７，９４３号（マカリスター（McAllister）ら）に更に記載されている。
【０１１２】
連続多孔質マトリクスに組み込まれるカチオン交換樹脂の量は、得られる複合体の体積を基準として、少なくとも１体積パーセント、少なくとも５体積パーセント、少なくとも１０体積パーセント、少なくとも２０体積パーセント、少なくとも３０体積パーセント、少なくとも４０体積パーセント、又は少なくとも５０体積パーセントである。連続多孔質マトリクスに組み込まれるカチオン交換樹脂の量は、得られる複合物の体積を基準として、９９体積パーセント以下、９５体積パーセント以下、９０体積パーセント以下、８５体積パーセント以下、又は８０体積パーセント以下を含有できる。より多量のカチオン交換樹脂を有する複合体は、より大きいカチオン交換容量を有する傾向がある。
【０１１３】
現在予見されない本発明の実質的でない修正が、それでもなお本発明の均等物を表す可能性があるにもかかわらず、上記は、本発明者によって、可能性のあるものとして記述され得た予見される実施形態によって本発明を記載している。
【実施例】
【０１１４】
これらの実施例は、単にあくまで例示を目的としたものであり、添付した請求項の範囲を限定することを意味するものではない。実施例における部、パーセント、比等は全て、他に記載されない限り、重量基準である。使用される溶媒及び他の試薬は、特に記載のない限り、シグマ・アルドリッチ・ケミカル社（Sigma-Aldrich Chemical Company）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee）より入手した。
【０１１５】
試験方法
リゾチームのためのカチオン交換容量
寸法０．８センチメートル×４センチメートルのポリプロピレン使い捨てクロマトグラフィーカラムに、ビーズの水性スラリーを充填し、カチオン交換樹脂の１ｍＬ床を準備した。クロマトグラフィーカラムは、バイオ−ラド・ラボラトリーズ（Bio-Rad Laboratories）（カリフォルニア州、ハーキュレス）から、取引表記ポリ−プレフカラム（POLY-PREP COLUMN）として、得られた。ｐＨ７．５において、１０ｍＭ ＭＯＰＳ（４−モルホリノプロパンスルホン酸）の溶液である１０ｍＬのローディング緩衝剤で洗浄することによって、カラム床を平衡化した。その後、カラム床に、ＭＯＰＳ緩衝剤中濃度１２ｍｇ／ｍＬを有する３０ｍＬのタンパク質溶液（鶏卵卵白リゾチーム、純度およそ９５％、シグマ・ケミカル社（Sigma Chemical Co.）（ミズーリ州、セント・ルイス（St.Louis））を荷重した。全ての緩衝剤及び蛋白質溶液を脱イオン水中で調製した。任意の非結合リゾチームを３０ｍＬのＭＯＰＳ緩衝剤（３つの１０ｍＬフラクション）で洗い流した。最後に、結合した蛋白質をＭＯＰＳ緩衝剤中の１５ｍＬの１Ｍ ＮａＣｌで溶離した。
「ヒューレット・パッカード・ダイオードアレイ・スペクトロフォトメータ（Hewlett-Packard Diode Array Spectrophotometer）」モデル８４５２Ａを用いて、２８０ｎｍでＵＶ吸光度を測定することにより、種々のフラクション中に回収された蛋白質の量を決定した。純リゾチームを用いて標準曲線を作製した。ＮａＣｌ溶離液中で回収された蛋白質の量を、カチオン交換樹脂のためのカチオン交換容量と同等とみなした。
【０１１６】
免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）のためのカチオン交換容量
カチオン交換樹脂ビーズと水を混合し、混合物を３，０００相対遠心力（ｒｃｆ）にて２０分間遠心分離した後、総体積が充填ビーズ床の２倍になるように水の量を調節することにより、脱イオン水中のカチオン交換樹脂ビーズの５０体積パーセントスラリーを調製した。スラリーをよく混合して、ビーズを懸濁させた後、孔径０．４５マイクロメートルを有する５ミリリットルの酢酸セルロース セントレックス（CENTREX）ＭＦ遠心分離機マイクロフィルターに４００マイクロリットルのスラリー試料をピペットで入れた。ＶＷＲ（ミネソタ州、イーガン（Eagan））を通して、スクレイチャー＆スクエル（Schleicher & Schuell）から、マイクロフィルターを得た。４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における５分間の遠心分離により、マイクロフィルター上のスラリーから水を除去した。８０ｍＭ塩化ナトリウムを含有するｐＨ４．５の５０ｍＭ酢酸ナトリウムの溶液４ｍＬを、マイクロフィルター上のビーズと混合した。４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における１０分間の遠心分離により、再び液体を除去した。ろ液を廃棄した。同一のアセテート緩衝剤中のヒトＩｇＧ（約９ｍｇ／ｍＬ）（イクイテク−バイオ（Equitech-Bio）、（テキサス州、カービル（Kerrville））から市販されている）の試料４．５ｍＬを、ビーズを含有するマイクロフィルターに添加した。混合物を一晩混転した後、４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における２０分間の遠心分離により、ビーズから上清を除去した。
【０１１７】
ろ液をＵＶ分光法によって分析し、２８０ｎｍにおける吸光度を、出発ＩｇＧ溶液の吸光度と比較し、その差をビーズのＩｇＧカチオン交換容量を計算するために使用した。分析を３回行い、平均化した。
【０１１８】
表面積及び多孔性測定
各試料およそ０．１〜１．０ｇを、マイクロメリティクス社（Micromeritics, Inc.）（ジョージア州、ノルクロス（Norcross））から入手可能な直径１．３センチメートル（０．５インチ）の試料管に移動し、マイクロメリティクス（Micromeritics）から取引表記バクプレプ（VACPREP）０６１として市販されているシステムを使用して、１００℃において真空下（１．５Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ又は０．０１５ｍｂａｒ）未満）で２４時間脱気した。脱気後、試料を、真空下において、室温（すなわち、２０℃〜２５℃）で１０分間冷却した後、マイクロメリティクス（Micromeritics）から取引表記トリスター（TRISTAR）３０００として市販されている表面積及び多孔性分析器に荷重した。
【０１１９】
４５点吸着／４０点脱着等温線は、相対圧力（Ｐ／Ｐo）約０．０で出発し、０．９５〜１．０間でより詰まった点の分布で１．０までセットアップした（標的圧力及び点のための表を参照）。最初の「圧力固定線量（pressure fixed dose）」は、設定されなかった。最大体積増加は、ＳＴＰで１０．００ｃｃ／ｇで設定され、「絶体圧力許容誤差（absolute pressure tolerance）」は６．７ｈＰａ（５ｍｍＨｇ）にて設定され、「相対圧力許容誤差（relative pressure tolerance）」は２．０％にて設定された。「高速排出（Fast evacuation）」及び「漏れ試験」のオプションは使用しなかった。液体窒素のデュワーが下り（すなわち、試料が液体窒素内になかった）、フリースペース測定間に、０．５時間の排出時間が実行された。デュワーを、分析のために上昇させた（すなわち、試料を含有する管を液体窒素内に設置した）。７７．３５０Ｋ（液体窒素の温度）において、分析間にＰoは１２０分間隔にて測定された。窒素ガスについての標準Ｐｓｔａｔ−対−温度の表を使用するガス吸着特性を、以下の値に設定した。非理想性係数（non-ideality factor）０．００００６２０、密度換算率０．００１５４６８、分子の断面積０．１６２ｎｍ2。ＢＪＨ吸着／脱着累積孔容積及び累積表面積を、直径１７Å〜２，０００Åの孔（２〜２００ナノメートルの孔に相当する）について計算し、これは、４５吸着点及び４０脱着点の間の各相対圧力において吸着されたＮ2の量に基づく。
【０１２０】
以下の表は、分析のために使用される吸着及び脱着点を示す。様々な実施例について吸着間の累積表面積及び累積孔容積を、以下に報告する。
【表Ａ】
【表Ｂ】
【表Ｃ】
【０１２１】
（実施例１）
重量で６５：３５のＡＭＰＳ／ＭＢＡコポリマーを、水相組成物中のポリエチレングリコールポロゲン（ＰＥＧ４００）を使用して、逆相懸濁重合により調製した。
【０１２２】
ポリマー安定剤（０．５６グラム）、トルエン（１８８ｍＬ）、及びヘプタン（３４８ｍＬ）を、機械的攪拌器（攪拌速度４５０ｒｐｍ）、窒素入口、温度計、温度制御装置付の加熱マンテル、及びコンデンサーを備えるフラスコに添加した。ポリマー安定剤は、アクリル酸イソオクチルと２−アクリルアミドイソブチルアミドとの重量で９１．８：８．２のコポリマーであった（ラスムッセン（Rasmussen）らの、高分子化学、高分子討論会（Makromol. Chem., Macromol. Symp.）、５４／５５、５３５〜５５０（１９９２）に記載されるように調製された）。フラスコ内の非水性溶液を、攪拌しながら３５℃に加熱し、１５分間窒素を散布した。
【０１２３】
ＭＢＡ（９．８グラム）、ＡＭＰＳ（５０重量パーセント水溶液３６．４グラム）、ＩＰＡ（１００ｍＬ）、脱イオン水（２６．８ｍＬ）、及びＰＥＧ４００（１５ｍＬ）を含有する水溶液を調製した。この水溶液を３０〜３５℃で攪拌及び加熱し、ＭＢＡを溶解した。脱イオン水（５ｍＬ）に溶解した過硫酸ナトリウム（０．５グラム）を、更に攪拌しながら水溶液に添加した。非水性溶液を含有する反応フラスコに水溶液を添加した。得られた混合物を攪拌し、５分間窒素パージした。
【０１２４】
ＴＭＥＤＡ（０．５ｍＬ）を添加して重合を開始させた。反応温度は、急速に４６．３℃まで上昇した後、ゆっくり戻った。反応混合物を、ＴＭＥＤＡ添加時から合計２時間攪拌し、焼結ガラスじょうごを使用して濾過し、アセトン（２×２５０ｍＬ）で洗浄し、メタノール（２×２５０ｍＬ）で洗浄し、アセトン（２５０ｍＬ）で洗浄し、室温にて真空下で乾燥し、３１．７グラムの無色の粒子を得た。オハウス・モイスチャーバランス（Ohaus moisture balance）を使用する固体パーセント測定において、生成物における固体が９０．４重量％であることが示された。
【０１２５】
カチオン交換容量を、２つの異なるタンパク質である、リゾチーム（ＭＷ＝１４，０００グラム／モル）及びＩｇＧ（ＭＷ＝１５０，０００グラム／モル）を使用する上記の方法により、決定した。表面積及び多孔性測定を上記のように行った。これらのデータを表１に提示する。
【０１２６】
比較例Ｃ１
ポロゲン（例えば、ＰＥＧ４００）を水溶液に添加しないこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２７】
（実施例２）
水溶液に添加されるＰＥＧ４００の量を３０ｍＬに増やすこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２８】
（実施例３）
実施例３では、非水性相中の溶媒がヘプタン（５３６ｍＬ）のみであったこと以外は、実施例１において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２９】
比較例Ｃ２
ポロゲン（例えば、ＰＥＧ４００）を水溶液に添加せず、ＩＰＡを等量の脱イオン水に置き換えたこと以外は、実施例３に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１３０】
比較例Ｃ３
ＩＰＡを等量の脱イオン水に置き換えたこと以外は、実施例３に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【表Ｄ】
ＮＭ＝測定せず
【０１３１】
（実施例４〜１５）
表２に列記されたポロゲンの５０重量％脱イオン水溶液２０ミリリットルを水溶液に添加し、追加の脱イオン水１６．８ｍＬのみを添加したこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。リゾチーム及びＩｇＧのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表２に列記する。
実施例４の表面の走査型電子顕微鏡写真を倍率５０，０００倍で図１に示す。実施例７、実施例９、及び実施例１１の表面の走査型顕微鏡写真を、倍率５０，０００倍でそれぞれ図２、図３、及び図４に示す。
【表Ｅ】
ＮＭ＝測定せず
【０１３２】
（実施例１６〜２２）
実施例１６〜２２では、表３に示す量のＰＥＧ４００を水相組成物に添加したこと以外は、実施例４〜１５において使用されたのと同じ手順に従った。ＩＰＡとＰＥＧの総体積が１１０ｍＬであり、水の合計が５０ｍＬであるように、ＩＰＡ及び脱イオン水の量を調節した。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を表３に列記する。
【表Ｆ】
【０１３３】
（実施例２３〜２５）
実施例２３〜２５では、表４に示す量のＰＥＧ３４００を水相組成物に添加したこと以外は、実施例１６〜２２において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を、表４に列記する。
【表Ｇ】
【０１３４】
（実施例２６及び２７）
実施例２６及び２７では、表５に示す量のＰＥＧＭＥ３５０を水相組成物に添加したこと以外は、実施例１６〜２２において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を、表５に列記する。
【表Ｈ】
【０１３５】
（実施例２８〜３５）
実施例２８〜３５では、添加されるポロゲンの識別及び量を表６に示すように変化させたこと以外は、実施例１６〜２２において使用したのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量を表６に列記する。
【表Ｉ】
【０１３６】
（実施例３６〜３９）
いくらかのＭＢＡと置き換えられるモノビニルモノマーＤＭＡの量を増加したこと以外は、実施例１のように、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＡＭＰＳの量は、６５重量パーセントで一定のままであった。使用されたポロゲンは、１５ｍＬのＰＥＧ４００であった。使用されるＩＰＡの量は８０ｍＬであり、水相組成物中の水の総含有量は５５ｍＬであった。ＩｇＧのカチオン交換容量を表７に列記する。
【表Ｊ】
【０１３７】
（実施例４０及び４１）
いくらかのＭＢＡと置き換えられるモノマーＮｉＰＡＡｍの量を増加したこと以外は、実施例１のように、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＡＭＰＳの量は、６５重量パーセントで一定のままであった。使用されたポロゲンは、１５ｍＬのＰＥＧ４００であった。使用したＩＰＡの量は、８０ｍＬであった。水相組成物中の水の総含有量は５５ｍＬであった。ＩｇＧのカチオン交換容量を表８に列記する。
【表Ｋ】
【０１３８】
（実施例４２〜５３）
全モノマー、ＰＥＧ４００、ＩＰＡ及び水の量を実施例４０及び４１に記載されたのと同じに保持しながら、２つのモノマーＭＢＡ：ＡＭＰＳの重量％を９５：５〜５：９５に変化させることにより、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＩｇＧのカチオン交換容量を表９に列記する。
【表Ｌ】
【０１３９】
（実施例５４）
ＥＢＡをＭＢＡに置き換えたこと以外は、実施例２０に記載されたように、カチオン交換ビーズを調製した。ＩｇＧのカチオン交換容量は１１６ｍｇ／ｍＬであった。累積孔容積は０．３８立方センチメートル／グラムであり、累積表面積は８０平方メートル／グラムで測定された。
【０１４０】
（実施例５５）
ＡＡをＡＭＰＳに置き換えたこと以外は、実施例２０に記載されたように、カチオン交換ビーズを調製した。２０ｍＭ ＭＯＰＳ、ｐＨ７．５緩衝剤を、ＡＭＰＳビーズと共に使用されるアセテート緩衝剤に置き換えたこと以外は、試験方法に記載されたように、ＩｇＧのカチオン交換容量を測定した。ＩｇＧ容量は７４ｍｇ／ｍＬであった。
本発明は、様々な修正及び代替形態が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに、詳細に記載する。しかし、本発明は、記載される特定の実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。逆に本発明は、本発明の精神及び範囲内にある全ての修正形態、等価形態、及び代替形態を網羅するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
添付図面と関連して以下の本発明の様々な実施形態の詳細な記載を検討することにより、本発明は、より完全に理解される可能性がある。
【図１】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量２００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図２】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量１，０００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図３】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量３，４００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図４】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量６，０００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【技術分野】
【０００１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法及び使用方法が記載される。
【背景技術】
【０００２】
イオン交換樹脂は、タンパク質、酵素、ワクチン、ＤＮＡ、ＲＮＡ等のような様々な生物学的分子の大規模な分離及び／又は精製のためのバイオテクノロジー産業において広く使用されている。カチオン交換樹脂の圧倒的多数は、スチレン／ジビニルベンゼンコポリマー又は架橋されたアガロースのいずれかに基づく。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
スチレン／ジビニルベンゼンコポリマーの疎水性主鎖は、不純製品をもたらす多くの材料と、非特異性相互作用の傾向があり得る。一般に、架橋されたアガロース樹脂は、非特異性相互作用に影響されにくいが、これらの材料はかなり柔らかいゲルである傾向があり、通常、高流量を使用するクロマトグラフィーカラム中で行われる精製に不適当である。
いくつかの既知のカチオン交換樹脂は、（メタ）アクリル系ポリマー材料に基づく。しかし、これらのカチオン交換樹脂の多くは、ゲルであるか、あるいは、比較的低容量又は低多孔性を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を使用する正に帯電した材料の精製方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有するクロマトグラフィーカラムの製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する濾過要素の製造方法、及びマクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する多孔質複合材料の製造方法が記載される。
【０００５】
１つの態様では、マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成方法が記載される。該方法は、以下、
（ａ）モノマー混合物と、
（ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含む水相組成物を調製することを含む。モノアルコールは、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー、及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中のモノマーは全て、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成方法は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、粒子からポロゲンを除去することを更に含む。
【０００６】
第二の態様では、正に帯電した材料を分離又は精製する方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂と正に帯電した材料とを接触させ、正に帯電した材料の少なくとも一部をマクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させることを含む。
【０００７】
第三の態様では、クロマトグラフィーカラムの調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置することを含む。
【０００８】
第四の態様では、濾過要素の調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置することを含む。
【０００９】
第五の態様では、多孔質複合材料の製造方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクスに組み込むことを含む。
【００１０】
本発明の先述の「課題を解決するための手段」は、本発明の開示された各実施形態又は全ての実施を記載することを意図しない。続く図、「発明を実施するための最良の形態」、及び実施例により、これらの実施形態をより詳しく例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法が記載される。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、親水性の架橋された（メタ）アクリル系ポリマー材料を含有するビーズのような粒子の形態である。更に、マクロ孔質カチオン交換樹脂を使用する正に帯電した材料の精製方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有するクロマトグラフィーカラムの製造方法、マクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する濾過要素の製造方法、及びマクロ孔質カチオン交換樹脂を含有する多孔質複合材料の製造方法が記載される。
【００１２】
用語「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、「少なくとも１つの」と交換可能に用いられ、記載された要素の１以上を意味する。
【００１３】
用語「アルキル」とは、飽和炭化水素であるアルカンのラジカルである一価の基を指す。アルキルは、直鎖状、分枝状、環状、又はこれらの組合せであることができ、典型的に１〜２０個の炭素原子を有する。ある実施形態では、アルキル基は、１〜１０個の炭素原子、１〜８個の炭素原子、１〜６個の炭素原子、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキル基の例としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、シクロヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、及びエチルヘキシルが挙げられるが、これらに限定されない。
用語「アルキレン」とは、アルカンのラジカルである二価の基を意味する。アルキレンは、直鎖、分岐鎖、環状、又はそれらの組合せであることができる。典型的にアルキレンは、１〜２０個の炭素原子を有する。ある実施形態では、アルキレンは、１〜１０、１〜８、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を含有する。アルキレンのラジカル中心は、同一炭素原子上に（即ち、アルキリデン）又は異なる炭素原子上にあることができる。
【００１４】
用語「アシルオキシ」とは、式−Ｏ−（ＣＯ）−Ｒの一価の基を指し、式中、Ｒはアルキルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。代表的なアシルオキシ基は、Ｒがメチルであるアセトキシである。
【００１５】
用語「アシル」とは、式−（ＣＯ）−Ｒの一価の基を指し、式中、Ｒはアルキルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。代表的なアシル基は、Ｒがメチルであるアセチルである。
【００１６】
用語「カルボキシ」とは、式−（ＣＯ）ＯＨの一価の基を指し、式中、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。
【００１７】
用語「カルボキシアルキル」とは、カルボキシ基で置換されたアルキルを指す。
【００１８】
用語「ハロ」とは、フルオロ、クロロ、ブロモ、又はヨードを意味する。
【００１９】
用語「ハロアルキル」とは、ハロ基で置換されたアルキルを指す。
【００２０】
用語「（メタ）アクリル」とは、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸又はメタクリル酸の誘導体、あるいはこれらの組合せを含むモノマー組成物の反応生成物であるポリマー材料を指す。本明細書で使用する時、用語「（メタ）アクリレート」とは、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸又はメタクリル酸の誘導体、あるいはこれらの組合せであるモノマーを指す。好適な誘導体には、置換されていない又は置換されていることができるエステル、塩、アミド及びニトリル等が挙げられる。これらの誘導体のいくつかは、イオン性基を含むことができる。
【００２１】
用語「（メタ）アクリロイル」とは、下式の一価の基を指す。
【００２２】
Ｈ2Ｃ＝ＣＲb−（ＣＯ）−、式中、Ｒbは水素又はメチルであり、（ＣＯ）は、炭素が酸素に二重結合で付着していることを意味する。
【００２３】
用語「モノアルコール」とは、単一ヒドロキシ基を有するアルコールを指す。アルコールは、式Ｒ−ＯＨであることが多く、式中Ｒはアルキルである。
【００２４】
用語「ポリマー」又は「ポリマーの」とは、ホモポリマー、コポリマー、ターポリマー等である材料を指す。同様に、用語「重合する」又は「重合」とは、ホモポリマー、コポリマー等の製造プロセスを指す。
【００２５】
用語「帯電した」とは、その化学構造の一部としてイオン性基を有する材料を指す。負に帯電した材料はアニオンであり、正に帯電した材料はカチオンである。典型的に、逆帯電した対イオンは、イオン性基に関連する。ｐＨ調整は、あるイオン性基の電荷を変化し得る。
【００２６】
語句「〜の範囲で」とは、端点、及び端点間の全ての数を含む。例えば、語句「１〜１０の範囲で」とは、１、１０、及び１〜１０の全ての数を含む。
【００２７】
ポロゲンに関して使用される用語「水溶性」とは、ポロゲンが、水相組成物と混和性であり、任意の感知できる範囲に水溶液から非極性有機溶媒へと分配されないことを意味する。例えば、５重量％未満、４重量％未満、３重量％未満、２重量％未満、又は１重量％未満のポロゲンが、水溶液から、例えば、トルエン及びヘプタンのような非極性有機溶媒へ抽出されることができる。
【００２８】
用語「室温」とは、２０℃〜２５℃の範囲の温度を指す。
【００２９】
指示がない限り、明細書及び特許請求の範囲に使用される外観の寸法、量、物理的特性を表す全ての数字は、用語「約」によって全ての事例において修正されると理解されたい。従って、反対に指示されなければ、本明細書の数字は、本明細書で開示される教示を使用する所望の特性によって変化し得る近似値である。
【００３０】
カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子の形態である。本明細書で用いられるとき、用語「マクロ孔質」とは、乾燥状態においてさえ永続的な多孔質構造を有する粒子を指す。樹脂は、溶媒に接触した時に膨潤し得るが、多孔質構造を通して粒子の内部に接近することを可能にするために膨潤は必要とされない。逆に、ゲル型樹脂は、乾燥状態において永続的な多孔質構造を有さないが、粒子の内部に接近することを可能にするために適した溶媒によって膨潤されなければならない。マクロ孔質粒子は、シェリントン（Sherrington）の化学コミュニケーション（Chem.Commun.）、２２７５〜２２８６（１９９８）、及びマッキンタイアー（Macintyre）ら、巨大分子、３７、７６２８〜７６３６（２００４）に更に記載される。
【００３１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の製造方法は、平均孔径、表面積、カチオン交換容量、又はそれらの組合せを変える又は制御するために、ポロゲンの使用を包含する。平均孔径、表面積、カチオン交換容量は、標的分子を分離及び／又は精製するための、カチオン交換樹脂の効果を変化させることができる変数である。平均の孔直径により特徴付けられる平均孔径、及び表面積は共に、低温条件下での窒素の吸着により測定される。カチオン交換容量とは、カチオン交換樹脂上に吸着できる、正に帯電した材料（すなわち、標的分子）の量を指す。代表的な標的分子としては、タンパク質、酵素、核酸等のような生物学的分子が挙げられるが、これらに限定されない。カチオン交換容量は、例えば、溶媒中に膨潤した樹脂の単位体積当たり又は乾燥樹脂の単位重量当たりに、吸着され得るタンパク質（例えば、リゾチーム）のような生体分子の量によって、与えられることができる。
【００３２】
関心の分子（すなわち、標的分子）に適応するために、孔が十分に大きいとき、カチオン交換容量は増加する傾向がある。拡散による標的分子の接近を可能にするのに十分大きい孔の形態で、カチオン交換樹脂の総表面積の大きい画分を提供することによって、生体分子における最大のカチオン交換容量は、達成され得ることが多い。典型的にそれぞれ平均分子量約１４，４００ｇ／モル及び６，０００ｇ／モルを有する、リゾチーム又はインスリンのような比較的小さいタンパク質の分離及び／又は精製のために設計されたカチオン交換樹脂は、平均分子量約１５０，０００ｇ／モルを有することが多い免疫グロブリン（例えば、免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ））のようなより大きいタンパク質の分離及び／又は精製のために設計されたカチオン交換樹脂よりも、より小さい平均孔径を有することができる。
【００３３】
多くの生物学的標的分子の分離のために、最大カチオン交換容量は、典型的に、カチオン交換樹脂が孔径の分布を有するとき、達成され得る。孔の直径は、典型的に、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルの範囲内である。多くの生物学的標的分子の分離及び／又は精製のために、カチオン交換樹脂の少なくともいくつかの孔は、直径２００ナノメートル以下であることが望ましいことが多い。本明細書に記載されるマクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、少なくともいくつかの孔が、直径２００ナノメートル以下（例えば、２〜２００ナノメートルの範囲）、１５０ナノメートル以下（例えば、２〜１５０ナノメートルの範囲）、又は１００ナノメートル以下（例えば、２〜１００ナノメートルの範囲）である粒子を提供する。
【００３４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、（ａ）架橋モノマー及び負に帯電したイオン性モノマーを含有するモノマー混合物と（ｂ）水溶性ポロゲンと、並びに（ｃ）水及びモノアルコールを含有する水相溶媒混合物とを包含する水相組成物を形成する工程を含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、カチオン交換樹脂からポロゲンを除去する工程を、更に含む。
【００３５】
カチオン交換樹脂は、架橋モノマー及び負に帯電したイオン性モノマーを含有するモノマー混合物の反応生成物である。架橋モノマーは、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む。負に帯電したモノマーは、フリーラジカル重合反応を受けることが可能なエチレン性不飽和基、及び正に帯電した材料と相互作用することが可能な負に帯電した基を有する。
【００３６】
モノマー混合物中の全て又は実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。本明細書で使用する時、用語「親油性指数」又は「ＬＩ」とは、モノマーの疎水性又は親水性を特徴付けるための指標を指す。親油性指数は、等体積（１：１）の非極性溶媒（例えば、ヘキサン）と極性溶媒（例えば、７５：２５のアセトニトリル：水の溶液）の中にモノマーを分配することにより、決定される。親油性指数は、分配後に非極性相中に残留するモノマーの重量％に等しい。より疎水性のモノマーは、より高い親油性指数を有する傾向があり、同様により親水性のモノマーは、より低い親油性指数を有する傾向がある。親油性指数の測定は、ドルチナ（Drtina）らの、巨大分子、２９、４４８６〜４４８９（１９９６）に更に記載される。
【００３７】
２０以下のモノマー混合物の親油性指数に関連して、本明細書で使用する時、用語「実質的に全ての」とは、２０超過の親油性指数を示す任意のモノマーが、不純物として存在することを意味する。親油性指数が２０超過の任意の不純物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として２重量％未満、１重量％未満、０．５重量％未満、０．２重量％未満、又は０．１重量％未満の量で存在する。あるカチオン交換樹脂においては、モノマー混合物中の全て又は実質的に全てのモノマーは、１５以下、１０以下、５以下、３以下、又は１以下の親油性指数を有する。
【００３８】
好適な架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せが挙げられる。これらの架橋モノマーは、１つのポリマー鎖と別のポリマー鎖とが架橋するように反応し得る、あるいは、一部分のポリマー鎖と別の部分の同一ポリマー鎖とが架橋するように反応し得る、少なくとも２つの（メタ）アクリロイル基を有する。架橋モノマーは、水相組成物中に可溶性であり、２０以下の親油性指数を有する。
【００３９】
好適なＮ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−エチレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−エチレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−プロピレンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−プロピレンビスメタクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスアクリルアミド、及びＮ，Ｎ’−ヘキサメチレンビスメタクリルアミドのような、１〜１０、１〜８、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を持つアルキレン基を有するものが挙げられるが、これらに限定されない。好適なＮ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド架橋モノマーとしては、Ｎ，Ｎ’−シスタミンビスアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ピペラジンビスアクリルアミド、及びＮ，Ｎ’−ピペラジンビスメタクリルアミドが挙げられるが、これらに限定されない。これらの架橋モノマーは、シグマ−アルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））及びポリサイエンス社（Polysciences, Inc.）（ペンシルベニア州、ウォリントン（Warrington））のような様々な供給元から市販されている。或いは、これらの架橋モノマーは、例えば、ラスムッセン（Rasmussen）らの反応性ポリマー（Reactive Polymers）、１６、１９９〜２１２（１９９１／１９９２）のような、当該技術分野において記載される手順により、合成できる。
【００４０】
モノマー混合物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として１０重量％超過の架橋モノマーを含む。より少ない量の架橋モノマーを使用すると、カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子形態よりも、ゲル形態になる傾向がある。剛性又は機械的強度は、材料が耐え得る様々な圧力にて測定され、モノマー混合物に含まれる架橋モノマーの量と共に上昇する傾向がある。いくつかのモノマー混合物は、１０重量％超過、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、又は少なくとも３０重量％の架橋モノマーを含有する。
【００４１】
モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、９５重量％以下の架橋モノマーを含有することが多い。架橋モノマーの量が９５重量％を超過すると、モノマー混合物中に存在する負に帯電したイオン性モノマーの量が対応して低下するので、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量が減少することが多い。あるモノマー混合物は、９０重量％以下、８５重量％以下、８０重量％以下、７０重量％以下、６５重量％以下、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％、又は４０重量％以下の架橋モノマーを含有する。
【００４２】
あるモノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として１０重量％超過〜９５重量％、１０重量％超過〜９０重量％、２０重量％〜９０重量％、２０重量％〜８０重量％、２５重量％〜８０重量％、２５重量％〜７５重量％、２５重量％〜７０重量％、２５重量％〜６０重量％、又は２５重量％〜５０重量％の架橋モノマーを含有する。
【００４３】
またモノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマーも含む。負に帯電したイオン性モノマーは、フリーラジカル重合を受けることが可能な少なくとも１つエチレン性不飽和基を有する。ある実施形態では、エチレン性不飽和基は、（メタ）アクリロイル基又はビニル基である。負に帯電したイオン性モノマーは、弱酸、強酸、弱酸の塩、強酸の塩、又はこれらの組合せであることができる。すなわち、負に帯電したイオン性モノマーは、中性の状態であることができるが、ｐＨを調整すると帯電可能である。ｐＨが適切に調整されると、得られるカチオン交換樹脂は、正に帯電した材料（すなわち、カチオン）と相互作用することが可能な、負に帯電した基を有する。カチオン交換樹脂を調製するために用いられるイオン性モノマーが弱酸の塩又は強酸の塩を含む場合、これらの塩の対イオンは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウムイオン又はテトラアルキルアンモニウムイオンであることができるが、それらに限定されない。
負電荷を有するいくつかの代表的なイオン性モノマーとしては、式ＩＩの（メタ）アクリルアミドスルホン酸又はその塩が挙げられる。
【化３】
式ＩＩにおいて、Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分岐状アルキレンであり、Ｒbは水素又はメチルである。式ＩＩに従う代表的なイオン性モノマーとしては、Ｎ−アクリルアミドメタンスルホン酸、２−アクリルアミドエタンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、及び２−メタクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸が挙げられるが、これらに限定されない。これらの酸性モノマーの塩も使用することができる。
【００４４】
カチオン交換樹脂を調製するための他の好適なイオン性モノマーとしては、ビニルスルホン酸及び４−スチレンスルホン酸のようなスルホン酸；（メタ）アクリルアミドアルキルホスホン酸（例えば、２−アクリルアミドエチルホスホン酸及び３−メタクリルアミドプロピルホスホン酸）のような（メタ）アクリルアミドホスホン酸；アクリル酸及びメタクリル酸；並びに２−カルボキシエチルアクリレート、２−カルボキシエチルメタクリレート、３−カルボキシプロピルアクリレート、及び３−カルボキシプロピルメタクリレートのようなカルボキシアルキル（メタ）アクリレートが挙げられる。なお他の好適な酸性モノマーとしては、本明細書に参照として組み込まれる米国特許第４，１５７，４１８号（ハイルマン（Heilmann））に記載されるもののような（メタ）アクリロイルアミノ酸が挙げられる。代表的な（メタ）アクリロイルアミノ酸としては、Ｎ−アクリロイルグリシン、Ｎ−アクリロイルアスパラギン酸、Ｎ−アクリロイル−β−アラニン及び２−アクリルアミドグリコール酸が挙げられるが、それらに限定されない。これらの酸モノマーの任意の塩も用いることができる。
【００４５】
モノマー混合物は、モノマー混合物中に、モノマーの総重量を基準として少なくとも５重量％の負に帯電したモノマーを含む。より少ない量の負に帯電したモノマーを使用すると、カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は減少することが多い。あるモノマー混合物は、少なくとも１０重量％、少なくとも１５重量％、少なくとも２０重量％、少なくとも２５重量％、少なくとも３０重量％、又は少なくとも３５重量％の負に帯電したモノマーを含有する。
【００４６】
モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、９０重量％未満の負に帯電したイオン性モノマーを含有することが多い。より多量の負に帯電したイオン性モノマーを使用すると、カチオン交換樹脂は、マクロ孔質粒子よりも、ゲルである傾向がある。すなわち、より多量の負に帯電したイオン性モノマーは、架橋モノマーの量の対応する減少を伴うことが多い。カチオン交換樹脂の剛性及び機械的強度は、架橋モノマーの量と相関する傾向がある。あるモノマー混合物は、９０重量％未満、８５重量％以下、８０重量％以下、７５重量％以下、７０重量％以下、６５重量％以下、６０重量％以下、５５重量％以下、５０重量％以下、４５重量％以下、又は４０重量％以下の負に帯電したモノマーを含有する。
【００４７】
あるモノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、５重量％〜９０重量％未満、１０重量％〜９０重量％未満、２０重量％〜９０重量％未満、３０重量％〜９０重量％未満、３０重量％〜８０重量％、４０重量％〜９０重量％未満、４０重量％〜８０重量％、５０重量％〜８０重量％、又は６０重量％〜８０重量％の負に帯電したモノマーを含有する。負に帯電したモノマー及び架橋モノマーの量は、所望の組合せのカチオン交換容量及び機械的強度を持つカチオン交換樹脂を提供するように、バランスをとることができる。
【００４８】
カラム内でのマクロ孔質イオン交換樹脂の使用を含むもののような用途のために、イオン性モノマー２５重量％〜７５重量％及び架橋モノマー２５重量％〜７５重量％を含有するモノマー混合物は、カチオン交換容量及び機械的強度の最良のバランスを提供することが多い。ある代表的なモノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマー３５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６５重量％、負に帯電したイオン性モノマー４０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６０重量％、負に帯電したイオン性モノマー５０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜５０重量％、又は負に帯電したイオン性モノマー６０重量％〜７０重量％と架橋モノマー３０重量％〜４０重量％を含む。
【００４９】
ある特定のモノマー混合物においては、架橋モノマーは、Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミドであり、負に帯電したイオン性モノマーは式ＩＩである。モノマー混合物は、負に帯電したイオン性モノマー２５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜７５重量％、負に帯電したイオン性モノマー３５重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６５重量％、負に帯電したイオン性モノマー４０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜６０重量％、負に帯電したイオン性モノマー５０重量％〜７５重量％と架橋モノマー２５重量％〜５０重量％、又は負に帯電したイオン性モノマー６０重量％〜７０重量％と架橋モノマー３０重量％〜４０重量％を含む。例えば、モノマー混合物は、架橋モノマー３５重量％と負に帯電したイオン性モノマー６５重量％を含有できる。
【００５０】
あるモノマー混合物には、架橋モノマーと負に帯電したイオン性モノマー以外のモノマーがないが、他のモノマー混合物は、単一エチレン性不飽和基を有する親水性であるが非イオン性のモノマーを含む。例えば、架橋モノマーの量を一定に維持しながらカチオン交換容量を調整する目的で、親水性の非イオン性モノマーを添加することができる。すなわち、架橋の量又はカチオン交換樹脂の剛性を著しく変化することなく、カチオン交換容量を修正することができる。加えて、これらの非イオン性モノマーの使用により、カチオン交換樹脂の親水性を修正することができる。
【００５１】
好適な親水性の非イオン性モノマーは、典型的に、モノマー混合物に、モノマーの総重量を基準として５０重量％以下の量で存在する。あるカチオン交換樹脂においては、モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、４０重量％以下、２０重量％以下、１０重量％以下、５重量％以下、２重量％以下、又は１重量％以下の親水性の非イオン性モノマーを含有する。
【００５２】
十分に低い親油性指数を有する非イオン性モノマーの例としては、２−ヒドロキシエチルアクリレート、３−ヒドロキシプロピルアクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート（例えばＬＩは１である）及び３−ヒドロキシプロピルメタクリレート（例えばＬＩは２である）のようなヒドロキシアルキル（メタ）アクリレート；アクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）及びメタクリルアミド（ＬＩは１未満である）；グリセロールモノメタクリレート及びグリセロールモノアクリレート；Ｎ−メチルアクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド（例えばＬＩは１未満である）、Ｎ−メチルメタクリルアミド及びＮ，Ｎ−ジメチルメタクリルアミドのようなＮ−アルキル（メタ）アクリルアミド；Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド及びＮ−ビニルピロリドンのようなＮ−ビニルアミド；２−アセトキシエチルアクリレート及び２−アセトキシエチルメタクリレート（例えばＬＩは９である）のようなアセトキシアルキル（メタ）アクリレート；グリシジルアクリレート及びグリシジルメタクリレート（例えばＬＩは１１である）のようなグリシジル（メタ）アクリレート；並びにビニルジメチルアズラクトン（例えばＬＩは１５である）のようなビニルアルキルアズラクトンが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５３】
一般にモノマー混合物には、疎水性モノマーが実質的に存在しない。より具体的には、モノマー混合物には、親油性指数が２０超過のモノマーが実質的に存在しない。疎水性モノマーが実質的に存在しないカチオン交換樹脂は、非標的タンパク質、脂質等のような非標的材料のような不純物の非特異的吸着が低い傾向がある。２０超過の親油性指数を有し、一般にモノマー混合物にないモノマーとしては、例えば、エチレングリコールジメタクリレート（ＬＩは２５である）、フェノキシエチルメタクリレート（ＬＩは３２である）、トリメチロールプロパントリメタクリレート（ＬＩは３７である）、メチルメタクリレート（ＬＩは３９である）、エチルメタクリレート（ＬＩは５３である）、ブチルメタクリレート（ＬＩは７３である）、シクロヘキシルメタクリレート（ＬＩは９０である）及びラウリルメタクリレート（ＬＩは９７である）等が挙げられる。
【００５４】
水相組成物は、通常、水相組成物（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水相溶媒混合物）の総重量を基準として、少なくとも４重量％のモノマー混合物を含有する。ある実施形態では、水相組成物は、少なくとも１０重量％又は少なくとも１５重量％のモノマー混合物を含有できる。水相組成物は、通常、水相組成物の総重量を基準として５０重量％以下のモノマー混合物を含有する。ある実施形態では、水相組成物は、４０重量％以下、３０重量％以下、２５重量％以下、又は２０重量％以下のモノマー混合物を含有できる。例えば、水相組成物は、水相組成物の総重量を基準として５重量％〜３０重量％、５重量％〜２５重量％、５重量％〜２０重量％、又は１０重量％〜２０重量％のモノマー混合物を含有できる。
モノマー混合物に加えて、水相組成物は水溶性ポロゲンを含む。ポロゲンは、生物学的分子の精製及び／又は分離のために使用することができるマクロ孔質カチオン交換樹脂の形成を促進する。ポロゲンはモノマーでなく、架橋モノマー又は負に帯電したイオン性モノマーによりフリーラジカル重合反応を受けることができるエチレン性不飽和基のような基がない。ポロゲンは、一般に、ポリマー材料に共有結合せず、通常、重合反応が完了した後、除去される。しかし、重合反応の間、ポロゲンは、連鎖移動反応を通じて、カチオン交換樹脂のポリマー材料に共有結合する可能性がある。好ましくは、ポロゲンは、カチオン交換樹脂のポリマー材料に結合しない。ポロゲンは、式Ｉのアルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドである。
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である。）
【００５５】
ある代表的なポロゲンにおいては、両末端基（すなわち、基−Ｒ1及び基−ＯＲ3）はヒドロキシ基である（すなわち、Ｒ1はヒドロキシであり、Ｒ3は水素である）。他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はヒドロキシであり、Ｒ3はアルキル（例えば、１〜２０、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルキル）、ハロアルキル（例えば、クロロメチルのようなクロロアルキル）、アシル（例えば、アセチル）、あるいはカルボキシアルキル（例えば、カルボキシメチル）である。すなわち、１つの末端基はヒドロキシであり、他の末端基はアルコキシ、ハロアルコキシ、アシルオキシ、又はカルボキシ（例えば、カルボキシで置換されたアルコキシであるカルボキシアルコキシ）である。他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はアルコキシ（例えば、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルコキシ）であり、Ｒ3はアルキル（例えば、１〜１０、１〜６、又は１〜４個の炭素原子を有するアルキル）あるいはアシル（例えば、アセチル）である。すなわち、１つの末端基はアルコキシであり、他の末端基はアルコキシ又はアシルオキシである。なお他の代表的なポロゲンにおいては、Ｒ1はカルボキシであり、Ｒ3はカルボキシアルキル（例えば、カルボキシメチル）である。すなわち、両末端基はカルボキシである（−ＯＲ3は、カルボキシアルコキシである）。
【００５６】
式Ｉ中の基Ｒ2は、例えば、メチレン、エチレン、又はプロピレンのようなアルキレンである。エチレンＲ2基を持つ好適なポロゲンとしては、エチレングリコール、並びにジエチレングリコール、トリエチレングリコール、及び高級同族体のようなエチレングリコール系材料が挙げられる。エチレングリコールの高級同族体は、ポリエチレングリコール（すなわち、ＰＥＧ）又はポリエチレンオキシド（すなわち、ＰＥＯ）と呼ばれることが多い。プロピレンＲ2基を持つ他の好適なポロゲンは、プロピレングリコール、並びにジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、及び高級同族体のようなプロピレングリコール系材料を含む。プロピレングリコールの高級同族体は、ポリプロピレングリコール（すなわち、ＰＰＧ）又はポリプロピレンオキシド（すなわち、ＰＰＯ）と呼ばれることが多い。ポロゲンは、ポリエチレンオキシド及びポリプロピレンオキシドのランダム又はブロックコポリマーであることができる。
【００５７】
式Ｉの下付文字ｎは、１超過、２超過、５超過、１０超過、２０超過、５０超過、１００超過、２００超過、又は５００超過の整数であることができる。例えば、ｎは、１〜１，０００の範囲、１〜８００の範囲、１〜６００の範囲、１〜５００の範囲、１〜２００の範囲、又は１〜１００の範囲の整数であることができる。
【００５８】
あるポロゲンは、少なくとも２００ｇ／モル、少なくとも４００ｇ／モル、少なくとも８００ｇ／モル、少なくとも１，０００ｇ／モル、少なくとも２，０００ｇ／モル、４，０００ｇ／モル、少なくとも８，０００ｇ／モル、又は少なくとも１０，０００ｇ／モルの分子量を有するポリアルキレンオキシドである。ポリアルキレンオキシドポロゲンは、２０，０００ｇ／モル以下、１６，０００ｇ／モル以下、１２，０００ｇ／モル以下、１０，０００ｇ／モル以下、８，０００ｇ／モル以下、６，０００ｇ／モル以下、４，０００ｇ／モル以下、２，０００ｇ／モル以下、又は１，０００ｇ／モル以下の平均分子量を有することが多い。例えば、ポリアルキレンオキシドポロゲンは、典型的に２００〜２０，０００ｇ／モルの範囲、２００〜１６，０００ｇ／モルの範囲、２００〜８，０００ｇ／モルの範囲、２００〜４，０００ｇ／モルの範囲、２００〜２，０００ｇ／モルの範囲、又は２００〜１，０００ｇ／モルの範囲の平均分子量を有する。
【００５９】
カチオン交換樹脂のある形成方法においては、ポロゲンの混合物を使用することができる。例えば、ポロゲンは、アルキレングリコールである第一ポロゲン（すなわち、式Ｉのｎが１に等しい）及びポリアルキレンオキシドである第二ポロゲン（すなわち、式Ｉのｎが１超過）の混合物であることができる。より具体的な実施例では、ポロゲンは、エチレングリコールと、ヒドロキシ末端基を持つポリエチレングリコールとの混合物であることができる。
【００６０】
ポリアルキレンオキシドは、市販されており、ヒドロキシ、メトキシ、ヒドロキシとメトキシの組合せ、ヒドロキシとクロロの組合せ、アルコキシとアセトキシの組合せ、又は少なくとも１つのカルボキシ基から選択される末端基（すなわち、基Ｒ1及び−ＯＲ3）を有する。こうした材料は、例えば、シグマ−アルドリッチ（Sigma-Aldrich）（ウィスコンシン州、ミルウォーキー（Milwaukee））、ネクター（Nektar）（アラバマ州、ハンツビル（Huntsville））、及びダウ・ケミカル（Dow Chemical）（ミシガン州、ミッドランド（Midland））から得ることができる。
【００６１】
カチオン交換樹脂の調製方法は、逆懸濁重合プロセスである。水相組成物は、（ａ）モノマー混合物、（ｂ）ポロゲン、及び（ｃ）典型的に水相組成物の体積を超える非極性有機溶媒中に液滴として、分散又は懸濁した、水相溶媒混合物を含む。ポロゲンは、通常、水相組成物中のモノマー混合物のための従来の溶媒として機能することができる液体である。一般に、有用なポロゲンは、水相組成物と非極性有機溶媒の間で、任意の感知可能な範囲に分配しない（すなわち、ポロゲンは、水相組成物から非極性溶媒へと、任意の感知可能な量で抽出されない）。水相組成物からトルエン、ヘプタン等のような非極性有機溶媒へと、抽出され得るポロゲンは、例えば、５重量％未満、４重量％未満、３重量％未満、２重量％未満、又は１重量％未満である。
【００６２】
フリーラジカル重合反応が進行すると、多くのポリマー分子が各水相液滴内に形成される。反応が進行すると、ポリマー分子は、成長及び架橋を続ける。分子量が十分に大きくなると、ポリマー相は、液滴内の水相組成物から分離する。理論に束縛されたくないが、分子量が上昇すると、ポリマー材料から水性溶媒が排除されることにより、少なくとも一部の孔が形成されると考えられている。相分離が生じる点は、平均孔径及び孔径分布に影響し得る。より遅い相分離は、より小さい孔及びより大きい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成に好都合である。逆に、より早い相分離は、より大きい孔及びより小さい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成に好都合である傾向がある。
【００６３】
相分離が生じる点は、ポロゲンと、形成ポリマー材料との適合性、及びポロゲンの量に影響され得る。加えて、相分離が生じる点は、モノマー混合物中に存在する架橋モノマーの量により影響されることがあり、典型的に、より多量の架橋モノマーは、ポリマー材料の分子量のより急速な増加に起因して、より早い相分離に好都合である。
【００６４】
形成ポリマー材料と適合性があるポロゲン（すなわち、形成ポリマー材料にとって良好な溶媒であるポロゲン）は、形成ポリマー材料との適合性が少ないポロゲン（形成ポリマー材料にとって劣った溶媒であるポロゲン）と比較して、より遅い相分離をもたらす傾向がある。形成ポリマー材料の溶解度がより高いポロゲンは、形成ポリマー材料の溶解度がより低いポロゲンと比較して、より小さい孔及びより大きい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成をもたらす傾向がある。逆に、形成ポリマー材料の溶解度がより低いポロゲンは、形成ポリマー材料の溶解度がより高いポロゲンと比較して、より大きい孔及びより小さい表面積を有するカチオン交換樹脂粒子の形成をもたらす傾向がある。
【００６５】
カチオン交換樹脂は、関心の標的分子のために設計されることができる。すなわち、カチオン交換樹脂は、特定の標的分子のためにカチオン交換容量を最適化するよう設計され得る。より大きい孔径を持つカチオン交換樹脂は、より大きい標的分子にとって、より好適であることが多い。ポロゲンの分子量、ポロゲンの末端基（すなわち，式Ｉの基−Ｒ1及び−ＯＲ3）、ポロゲンの量、及びモノマー混合物の組成は、平均孔径、表面積、及び孔容積に影響し得る。
【００６６】
ポロゲンを添加すると、特定の選択のポロゲン及びモノマー組成物についての最大結合能力に達するまで、表面積、孔径、及びカチオン交換容量（すなわち、標的分子の容量）が増加する傾向がある。ポロゲンを更に添加すると、カチオン交換容量の変化は起こり得ないか、又はカチオン交換容量の低下が起こり得る。典型的に、カチオン交換容量の低下は、表面積の減少及び平均孔径の増加に付随して起こる。本明細書で使用する時、用語「最大結合能力」とは、特定の標的分子のための、及びポロゲンとモノマー組成物の特定の組合せのための、最大カチオン交換容量を指す。
【００６７】
ヒドロキシ末端基を有し、より小さい平均分子量（例えば、約１，０００以下の平均分子量）を有するポロゲンを用いて、水相組成物中のポロゲンの量を最大結合能力のために必要とされる量を超過して増加しても、平均孔径、表面積、又はカチオン交換容量を著しく変化しない。すなわち、通常、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により維持されることができる。例えば、モノマー混合物中において、モノマーの総重量を基準として１００重量％まで又はそれ以上のポロゲンを使用して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を調製することができる。モノマー混合物中において、モノマーの総重量を基準として８０重量％以下、６０重量％以下、４０重量％以下、２０重量％以下、又は１０重量％以下のポロゲンを使用して、代表的なカチオン交換樹脂を調製することができる。
【００６８】
ヒドロキシ末端基を有し、より大きい平均分子量（例えば、約１，０００ｇ／モル超過の平均分子量）を有するポリアルキレンオキシドポロゲンを用いて、水相組成物中のポロゲンの量を最大結合能力のために必要とされる量を超過して増加すると、平均孔径が増加し、表面積が減少し、カチオン交換容量が減少する傾向がある。すなわち、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により、維持されることができない。ポロゲンの平均分子量が約１，０００ｇ／モルを超過して増加すると、生物学的分子のために許容可能に大きいカチオン交換容量を有するマクロ孔質カチオン交換樹脂を製造するために使用され得るポロゲンの最大量は、通常減少する。分子量に依存して、ポロゲンの量は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として約２０重量％以下であることができる。多量のポロゲンを使用してマクロ孔質樹脂を調製することができるが、平均孔径が大き過ぎる傾向があり、表面積が小さ過ぎる傾向があるので、許容可能に大きいカチオン交換容量が得られないことが多い。代表的なカチオン交換樹脂は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として１０重量％以下、５重量％以下、２重量％以下、又は１重量％以下のポロゲンを使用して、調製することができる。理論に束縛されたくないが、分子量が増加するときに使用することができるポロゲンの量の低下は、より高分子量のポロゲンと、形成ポリマー材料との適合性の低下に、少なくとも一部起与する可能性があり、より早い相分離を導く。
【００６９】
同等のカチオン交換容量のカチオン交換樹脂を、様々な分子量のポロゲンを使用して得ることができる。例えば、ヒドロキシ末端基を有し、平均分子量が４００ｇ／モルであるポリエチレングリコールポロゲン約１００重量％以下を使用して調製されるカチオン交換樹脂は、ヒドロキシ末端基を有し、平均分子量が３，４００ｇ／モルであるポリエチレングリコールポロゲン約５重量％以下を使用して調製される樹脂と、同等の多孔性及びカチオン交換容量を有し得る。ポロゲン重量％は、モノマー混合物中のモノマーの総重量に基づく。
ヒドロキシ末端基を持ち、平均分子量が４００ｇ／モルであるポリエチレンオキシドをポロゲンとして使用すると、ポロゲン濃度は、典型的に、水相組成物の総重量（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水性溶媒混合物の総合重量）を基準として０．１〜２０重量％の範囲である。例えば、ポロゲンの量は、水相組成物の総重量を基準として、０．２重量％〜２０重量％、０．３重量％〜２０重量％、０．３重量％〜１５重量％、０．５重量％〜１５重量％、１重量％〜１５重量％、又は２重量％〜１５重量％の範囲であることができる。
【００７０】
ヒドロキシ末端基を持ち、平均分子量が３，４００ｇ／モルであるポリエチレンオキシドをポロゲンとして使用すると、ポロゲン濃度は、典型的に、水相組成物の総重量（例えば、モノマー混合物、ポロゲン、及び水性溶媒混合物の総合重量）を基準として、０．０５重量％〜３重量％の範囲である。例えば、ポロゲンの量は、水相組成物の総重量を基準として、０．１重量％〜３重量％、０．１重量％〜２重量％、又は０．１重量％〜１重量％の範囲であることができる。
【００７１】
カチオン交換樹脂のいくつかの形成方法においては、ポロゲンの混合物を使用することができる。例えば、ポロゲンは、より小さい分子量（例えば、約１，０００ｇ／モル未満、５００ｇ／モル未満、２００ｇ／モル未満、又は１００ｇ／モル未満の平均分子量）を有する第一ポロゲンと、より大きい分子量（例えば、１，０００ｇ／モル超過、２，０００ｇ／モル超過、３，０００ｇ／モル超過、又は４，０００ｇ／モル超過）を有する第二ポロゲンとの、混合物であることができる。より具体的な実施例では、ポロゲンは、エチレングリコールとポリエチレングリコールとの混合物であることができる。水相組成物の総重量を基準として、エチレングリコールの量は、０．５重量％〜１５重量％の範囲であることができ、ポリエチレングリコールは、０．０５重量％〜５重量％の範囲であることができる。例えば、エチレングリコールの量は、１重量％〜７重量％の範囲であることができ、ポリエチレングリコールの量は、１重量％〜３重量％の範囲であることができる。
アルコキシ末端基を持つポロゲン（すなわち、基Ｒ1がアルコキシ、基−ＯＲ3がアルコキシ（Ｒ3がアルキル））は、典型的に、両末端基がヒドロキシ基（すなわち、Ｒ1がヒドロキシ、Ｒ3が水素）である同等の分子量のポロゲンよりも、少量で使用される。アルコキシ末端基を持つポロゲンは、ヒドロキシ末端基を持つポロゲンと比較して、水相組成物中への可溶性が劣る傾向がある。アルコキシ末端基を持つポロゲンは、形成ポリマー材料との適合性が劣る傾向がある。最大結合能力のために必要とされる量を超過して水相組成物中のポロゲンの量が増加すると、平均孔径が増大し、表面積が減少し、及びカチオン交換容量が減少する傾向がある。すなわち、平均孔径、表面積、及びカチオン交換容量は、より多量のポロゲンの添加により、維持されることができない。ポロゲンの量は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として、約２０重量％以下、約１０重量％以下、約５重量％以下、約２重量％以下、又は約１重量％以下であることができる。
【００７２】
水相組成物は、水と１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールとを含む水性溶媒混合物を含有する。好適なモノアルコールは、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、又はそれらの組合せを含む。モノアルコールは、マクロ孔質カチオン交換樹脂の多孔性全体に、少なくとも一部寄与する。すなわち、イオン交換樹脂の多孔性は、モノアルコールの添加により、より高くなる傾向がある（すなわち、モノアルコールは、溶媒及びコポロゲンの両方として機能し得る）。
【００７３】
水相溶媒混合物の少なくとも２０重量％が、モノアルコールであることができる。ある実施形態では、水相溶媒混合物の少なくとも３０重量％、少なくとも４０重量％、又は少なくとも５０重量％が、モノアルコールであることができる。水相溶媒混合物の８０重量％以下、７０重量％以下、又は６０重量％以下が、モノアルコールであることができる。例えば、モノアルコールの量は、水相溶媒混合物の２０重量％〜８０重量％、３０重量％〜８０重量％、４０重量％〜８０重量％、又は５０重量％〜８０重量％の範囲であることができる。
【００７４】
また水相溶媒混合物は、水及びモノアルコールと混和性の追加の共溶媒も含有できる。好適な水相共溶媒としては、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル等が挙げられるが、これらに限定されない。例えば、共溶媒は、水相組成物中の架橋モノマーのようないくつかのモノマーの溶解度を上昇できる。共溶媒は、形成ポリマーの相分離挙動に影響することができ、得られたカチオン交換樹脂の多孔性に影響し得る。
【００７５】
水相組成物は、非極性有機溶媒中に分散又は懸濁する。非極性有機溶媒と水相組成物との体積比は、通常２：１〜６：１の範囲である。モノマー混合物及びポロゲンを含有する水相組成物は、比較的小さい液滴として、非極性有機溶媒中に分散することが多い。懸濁する媒体（すなわち、非極性有機溶媒）の主要な目的は、水相組成物の分散のための不活性媒体として機能する他に、重合反応間に、発生する熱を放散させることである。ある実施形態では、懸濁液媒体の密度は、水相組成物とおよそ同一であるように選択され得る。これらの密度をおおよそ整合させると、より球状の粒子及びより均一なサイズの粒子の形成をもたらす傾向がある。
【００７６】
典型的に、好適な非極性有機溶媒は、ヘキサン、ヘプタン、ｎ−オクタン、イソオクタン、イソドデカン、及びシクロヘキサンのようなアルカン；四塩化炭素、クロロホルム、及び塩化メチレンのようなハロゲン化炭化水素；ベンゼン及びトルエンのような芳香族；低粘度シリコーンオイル；又はこれらの組合せである。例えば、非極性有機溶媒は、ヘプタンと塩化メチレン、又はヘプタンとトルエンの混合物であることができる。
【００７７】
非極性有機溶媒中への水相組成物液滴の懸濁を促進するために、懸濁剤（すなわち、ポリマー安定剤）を使用することが多い。親水性であるポロゲンとは異なり、懸濁剤は、通常、疎水性部分と親水性部分の両方を有する。懸濁剤は、水相組成物と非極性有機溶媒との間の界面張力を修正するよう機能する。更に、懸濁剤は、水相組成物液滴の立体安定性を提供する。この立体安定性は、重合プロセス間における凝集粒子の形成を最小限にする又は防止する傾向がある。
【００７８】
好適な懸濁剤としては、ソルビタンセスキオレエート、ポリエチレンオキシド（２０）ソルビタントリオレエート、ポリエチレンオキシド（２０）ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエート、ジ−２−エチルヘキシルスルホコハク酸ナトリウム、イソオクチルアクリレートとアクリル酸のコポリマー、ヘキシルアクリレートとアクリル酸ナトリウムのコポリマー及びイソオクチルアクリレートと２−アクリルアミドイソブチルアミドのコポリマー等が挙げられる。懸濁剤の量は、カチオン交換樹脂の寸法に影響し得る（すなわち、より多量の懸濁剤を使用すると、より小さいカチオン交換樹脂粒子が形成されることが多い）。一般に、懸濁剤の量は、モノマーの総重量を基準として、モノマー混合物中０．１重量％〜１０重量％である。例えば、モノマー混合物は、モノマーの総重量を基準として、０．１重量％〜８重量％又は０．５重量％〜５重量％の懸濁剤を含有することができる。
【００７９】
カチオン交換樹脂の寸法は、大体において、水相組成物液滴の寸法により決定される。液滴寸法は、攪拌速度、温度、懸濁剤の量、懸濁剤の選択、非極性有機溶媒の選択、及び任意の水相共溶媒の選択のような変数により、影響され得る。攪拌速度、懸濁剤の種類、及び懸濁剤の量は、得られる粒子の凝集又はアグロメレーションを制御するために、変化され得ることが多い。凝集の欠如が、一般に好ましい。
【００８０】
ラジカル重合反応を開始するために、水相組成物に反応開始剤を添加することができる。通常、フリーラジカル反応開始剤は、水相溶媒混合物に可溶性である。一旦懸濁液が形成されると、フリーラジカル開始剤は、熱的に、光化学的に、又は酸化還元反応を通して、活性化され得る。フリーラジカル反応開始剤は、モノマー混合物中、モノマーの総重量を基準として、０．０２重量％〜１０重量％の量で使用されることが多い。ある実施例では、フリーラジカル反応開始剤は、モノマーの総重量を基準として、２重量％〜６重量％の量で存在する。
【００８１】
好適な水溶性熱反応開始剤としては、例えば、アゾ化合物、ペルオキシド又はヒドロペルオキシド、過硫酸塩等が挙げられる。代表的なアゾ化合物としては、２，２’−アゾビス［２−（２−イミダゾリン−２−イル）プロパン］ジヒドロクロリド、２，２’−アゾビス（２−アミジノプロパン）ジヒドロクロリド及び４，４’−アゾビス−（４−シアノペンタン酸）が挙げられる。市販の熱的アゾ化合物反応開始剤の例としては、デュポン・スペシャルティ・ケミカル（DuPont Specialty Chemical）（デラウェア州、ウィルミントン（Wilmington））から、バゾ（VAZO）４４、バゾ５６、及びバゾ６８のような取引表記「バゾ（VAZO）」として入手可能な材料が挙げられる。好適なペルオキシド及びヒドロペルオキシドとしては、過酸化アセチル、ブチルヒドロペルオキシド、クメンヒドロペルオキシド、及びペルオキシ酢酸が挙げられる。好適な過硫酸塩としては、例えば、過硫酸ナトリウム及び過硫酸アンモニウムが挙げられる。
【００８２】
他の実施例では、フリーラジカル反応開始剤は、過硫酸アンモニウム又は過硫酸ナトリウムとＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン（ＴＭＥＤＡ）；過硫酸アンモニウム又は過硫酸ナトリウムと硫酸第一鉄アンモニウム；過酸化水素と硫酸第一鉄アンモニウム；クメンヒドロペルオキシドとＮ，Ｎ−ジメチルアニリン等のような酸化還元対である。典型的に、重合温度は、選択された特定のフリーラジカル反応開始剤及び非極性有機溶媒の沸点に依存する。通常、熱開始重合における重合温度は、約５０℃〜約１５０℃である。ある方法では、温度は約５５℃〜約１００℃である。酸化還元又は光化学的開始重合については、温度は、必要ならば室温又はそれ以下に近いことが可能である。重合時間は、約３０分間から約２４時間以上であることが可能である。典型的には、２〜４時間の重合時間が十分である。
【００８３】
一旦、ラジカル重合反応が開始したら、形成ポリマー材料は、水相組成物内に沈殿する傾向がある。ポロゲンのような水相組成物のいくつかは、ポリマー材料の孔に閉じ込められ得る。ポリマー材料の孔は、例えば、濾過又はデカンテーションにより、単離され得る。その後、ポロゲンを除去するために、ポリマー材料の粒子に、一連の洗浄工程を行うことができる。ポロゲンを除去するために好適な溶媒としては、例えば、水、アセトン、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、及びイソプロパノール）、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドン、アセトニトリル等のような極性溶媒が挙げられる。必要であれば、任意の好適な方法を使用して、得られるカチオン交換樹脂を乾燥することができる。ある方法では、スクリーニング、沈殿、及び空気分級のような技術を使用して、得られるカチオン交換樹脂を分画することができる。
【００８４】
マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子は、不規則な形状を有することができ、あるいは球形又は略球形であることができる。ある実施例では、マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子は、ビーズである。画像分析と合わせて光散乱又は電子顕微鏡法のような技術を用いて、粒子の平均サイズを決定することができる。通常、粒子は、少なくとも１０マイクロメートルの平均寸法を有する。例えば、粒子は、少なくとも２０マイクロメートル、少なくとも３０マイクロメートル、少なくとも４０マイクロメートル、少なくとも５０マイクロメートル、又は少なくとも６０マイクロメートルの平均寸法を有することができる。通常、粒子は、２，０００マイクロメートル以下、１，０００マイクロメートル以下、５００マイクロメートル以下、又は２００マイクロメートル以下の平均寸法を有する。ある用途では、マクロ孔質カチオン交換樹脂は、１０〜２，０００マイクロメートル、２０〜２，０００マイクロメートル、２０〜５００マイクロメートル、５０〜５００マイクロメートル、２０〜２００マイクロメートル、５０〜２００マイクロメートル、５０〜１００マイクロメートル、５０〜７５マイクロメートル、５０〜７０マイクロメートル、又は６０〜７０マイクロメートルの平均粒子サイズを有する。
【００８５】
マクロ孔質カチオン交換樹脂粒子の平均寸法が、約１０マイクロメートル未満又は約２０マイクロメートル未満であるとき、特に、大きい生物学的分子の精製又は分離のために使用され得る大きいカラム（例えば、直径が約５ｃｍ超過であるカラム）においては、粒子が充填されたクロマトグラフィーカラムの背圧は、許容不可能なほど大きくなる可能性がある。平均粒子サイズは、２，０００マイクロメートルと同じぐらいであり得るが、ある用途（例えば、マクロ孔質カチオン交換樹脂が、大きいカラム内に設置される用途）のための平均粒子サイズは、２００マイクロメートル以下であることが多い。平均粒子サイズがより大きいと、クロマトグラフプロセスの効率は、特にマクロ孔質カチオン交換樹脂の孔への拡散速度が遅いことが多いタンパク質のようなより大きい生物学的分子の精製又は分離において、低い可能性がある。例えば、２０〜２００マイクロメートルのカチオン交換樹脂を使用して得ることができるより大きいカチオン交換樹脂を用いて、同程度の分離又は精製を得るためには、より多量の樹脂、より長いクロマトグラフィーカラム、より遅い流量、又はそれらの組合せが必要である可能性がある。
【００８６】
アニオン交換樹脂粒子の多孔性及び表面積は、極低温条件下において様々な相対圧力で粒子の表面上へ窒素を吸着することによって特徴付けられ得る（すなわち、管内のアニオン交換樹脂の試料を、真空にさらし、管を、液体窒素内に置いて冷却する）。窒素は、複数の相対圧力（例えば、約０．０〜約１．０）において試料の表面に吸着された後，複数の相対圧力において脱着される。複数の相対圧力において、吸着又は脱着される窒素の量を約２〜約２００ナノメートルの範囲の孔径を有する孔と関連付けるために、Ｅ．Ｐ．バレット（Barrett）、Ｌ．Ｓ．ジョイナー（Joyner）、及びＰ．Ｐ．ハレンダ（Halenda）、米国化学会誌（J. Am. Chem. Soc.）、７３、３７３（１９５１）に更に記載されているＢＪＨ理論を使用することができる。孔容積、表面積、及び平均孔径を計算することができる。本明細書で使用する時、用語「孔容積」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して計算される、累積孔容積を指す。本明細書で使用する時、用語「表面積」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して計算される、累積表面積を指す。本明細書で使用する時、用語「平均孔径」とは、約０．０〜約１．０の様々な相対圧力における窒素の吸着についてのＢＪＨ理論を使用して測定される、平均孔径を指す。
【００８７】
マクロ孔質カチオン交換樹脂は、孔径の分布を有する。孔径は、５００ナノメートルまで又はそれ以上であることができる。カチオン交換樹脂は、窒素吸着技術を使用して測定することができる寸法範囲内の孔を有する。すなわち、少なくともいくつかの孔は、２００ナノメートル未満、１５０ナノメートル未満、又は１００ナノメートル未満の直径を有する。窒素吸着により測定される平均孔径は、典型的に少なくとも２ナノメートル、少なくとも５ナノメートル、少なくとも１０ナノメートル、少なくとも２０ナノメートル、又は少なくとも３０ナノメートルである。平均孔径は、２００ナノメートル以下、１００ナノメートル以下、又は８０ナノメートル以下であることができる。例えば、平均孔径は、１０〜２００ナノメートルの範囲、１０〜１００ナノメートルの範囲、１０〜８０ナノメートルの範囲、２０〜１００ナノメートルの範囲、又は２０〜８０ナノメートルの範囲であることができる。極低温条件下における様々な相対圧力での窒素吸着を使用して、孔径を特徴付けることができる。
【００８８】
孔容積は、少なくとも０．１０立方センチメートル／グラムであることが多い。例えば、孔容積は、少なくとも０．１５立方センチメートル／グラム、少なくとも０．２０立方センチメートル／グラム、又は少なくとも０．２５立方センチメートル／グラムであることができる。孔容積は、直径２００ナノメートル以下の孔に由来して、０．１０〜２立方センチメートル／グラムの範囲、０．１５〜２立方センチメートル／グラムの範囲、又は０．２０〜２立方センチメートル／グラムの範囲であることができる。孔は、生物学的材料に対応するのに十分大きいが、十分な表面積及びカチオン交換容量を提供するのに十分小さい。
【００８９】
通常、表面積は、少なくとも２０ｍ2／ｇ、少なくとも３０ｍ2／ｇ、又は少なくとも４０ｍ2／ｇである。表面積は、２０〜２００ｍ2／ｇの範囲、３０〜２００ｍ2／ｇの範囲、２０〜１００ｍ2／ｇの範囲、３０〜１００ｍ2／ｇの範囲、又は４０〜２００ｍ2／ｇの範囲であることが多い。
【００９０】
カチオン交換樹脂のカチオン交換容量は、吸着され得るリゾチーム又は免疫グロブリン（例えば、ＩｇＧ）のようなタンパク質の量によって与えられることができる。より詳しくは、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも５０ｍｇ／ｍＬ（すなわち、膨潤したカチオン交換樹脂１ミリリットル当たりリゾチーム５０ミリグラム）のリゾチームカチオン交換容量を有する。例えば、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも７５ｍｇ／ｍＬ、少なくとも８０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも９０ｍｇ／ｍＬ、又は少なくとも１００ｍｇ／ｍＬのリゾチームカチオン交換容量を有することができる。より詳しくは、あるカチオン交換樹脂は、５０〜２５０ｍｇ／ｍＬ、７５〜２５０ｍｇ／ｍＬ、９０〜２５０ｍｇ／ｍＬ、又は９０〜２００ｍｇ／ｍＬのリゾチームカチオン交換容量を有する。あるカチオン交換樹脂は、少なくとも１５ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有する。例えば、あるカチオン交換樹脂は、少なくとも３０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも４０ｍｇ／ｍＬ、少なくとも５５ｍｇ／ｍＬ、少なくとも７５ｍｇ／ｍＬ、又は少なくとも９０ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有することができる。あるカチオン交換樹脂は、１５〜１１０ｍｇ／ｍＬ、４０〜１１０ｍｇ／ｍＬ、７５〜１１０ｍｇ／ｍＬ、又は７５〜９５ｍｇ／ｍＬのＩｇＧカチオン交換容量を有する。
【００９１】
本明細書に記載される方法を使用して調製されるカチオン交換樹脂は、親水性であり、通常、低い非特異的吸着を有する（すなわち、低いＬＩを持つモノマーから調製されるカチオン交換樹脂は、低い非特異的吸着を有する傾向がある）。典型的に、カチオン交換樹脂は、カチオン交換樹脂上の負に帯電した基との相互作用を通じて、様々な正に帯電した材料を吸着し、典型的に、材料をカチオン交換樹脂の非イオン性部分上に、例えあるとしても、ほとんど吸着しない。この低い非特異的吸着は、試料中の他の材料から、正に帯電した標的材料のより良い分離又は精製を有利にもたらし得る。ある実施例では、帯電した標的材料は、タンパク質又は核酸溶液から除去することが必要なカチオン性タンパク質等のような不純物である。
【００９２】
第二の態様においては、正に帯電した材料を分離又は精製する方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を正に帯電した材料に接触させ、正に帯電した材料の少なくとも一部をマクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させることを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去する工程を、更に含む。
【００９３】
通常、正に帯電した材料を含有する試料は、カチオン交換樹脂が負に帯電した基を有し、標的分子が正に帯電した基を有するｐＨにおいて、カチオン交換樹脂と接触する。吸着された材料をカチオン交換樹脂から解放するために、ｐＨを上げることができる（例えば、ｐＨを少なくとも６又は７以上に上げる）。あるいは、帯電物質が生体分子であるとき、試料は、ｐＨ約３〜１０又はｐＨ約４〜６において、低イオン強度緩衝剤（例えば、５〜５０ミリモルの緩衝剤塩と０〜２００ミリモルの塩化ナトリウム）中でカチオン交換樹脂と接触することができる。吸着された生体分子を解放するために、高イオン強度緩衝剤を、カチオン交換樹脂と接触させる。ある実施形態においては、高イオン強度緩衝剤は、材料吸着させるために使用されるのと同じ緩衝剤組成物と１モルの塩化ナトリウムを含む。吸着プロセス及び解法プロセスは、典型的には室温に近い温度で行われる。
【００９４】
ｐＨを制御するために有用な緩衝塩としては、リン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、酢酸ナトリウム及びＴＲＩＳ（トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン）が挙げられるが、それらに限定されない。適する他の緩衝剤には、ＭＯＰＳ（３−モルホリノプロパンスルホン酸）、ＥＰＰＳ（４−（２−ヒドロキシエチル）ピペラジン−１−プロパンスルホン酸）、ＭＥＳ（２−モルホリノエタンスルホン酸）、及び他のような「グッズ（Ｇｏｏｄ’ｓ）」緩衝剤が挙げられる。
【００９５】
ある試料は、他の試料構成成分から分離することができ、又は精製することができる生物学的分子を含む。好適な生物学的分子としては、例えば、タンパク質、酵素、ワクチン、ＤＮＡ、及びＲＮＡが挙げられる。試料のｐＨを調整すると、ある生物学的分子の電荷を変えることができる。
【００９６】
第三の態様においては、クロマトグラフィーカラムの調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置することを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去する工程を、更に含む。
【００９７】
本明細書に記載の方法により調製されるカチオン交換樹脂粒子は、かなり堅い傾向があり、任意の好適な寸法のクロマトグラフィーカラムにおいて、任意の好適な流量及び圧力条件下において、使用するために必要である機械的強度を有する。粒子を、例えば、高流量を持つクロマトグラフィーカラムにおいて、使用することができる。カチオン交換樹脂は、クロマトグラフィーカラム内で一般に生じる差圧条件下で用いるために適する。本明細書で用いられるとき、用語「差圧」とは、クロマトグラフィーカラムを横切る圧力降下を意味する。例えば、治療用タンパク質の下流精製又は分離のために用いられるクロマトグラフィーカラムを、生産性を増やすために少なくとも１５０ｃｍ／時間、少なくとも２５０ｃｍ／時間、少なくとも５００ｃｍ／時間又は少なくとも７００ｃｍ／時間のような見掛け速度（流量）で使用することができる。典型的に、より速い流量は、より高い生産性を導く。
【００９８】
小さいクロマトグラフィーカラム（例えば、直径約５ｃｍ未満のカラム）においては、カチオン交換樹脂の充填床は、カラム壁により、よく支持される。こうしたカラムにおいて、比較的広い範囲の剛性を有するカチオン交換樹脂は、１３８０ｋＰａ（２００ｐｓｉ）を超える差圧に耐えることができる。しかし、大きいクロマトグラフィーカラム（例えば、約５ｃｍを超える直径を有するカラム）内では、カチオン交換樹脂の充填床は、カラム壁による支持がより低い（例えば、カラムの壁面に接触している樹脂の分画がより小さい）。こうしたカラムにおいて、より高い剛性を有するカチオン交換樹脂は、少なくとも１７３ｋＰａ（２５ｐｓｉ）の差圧に耐えることができる傾向がある。いくつかのカチオン交換樹脂は、３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）〜１３８０ｋＰａ（２００ｐｓｉ）の差圧に耐えることができる。
【００９９】
好適なカラムは当業界で知られており、ガラス、高分子材料、ステンレススチール、チタン及びその合金又はニッケル及びその合金のような材料から作成することができる。カラム中にカチオン交換樹脂を効果的に充填するための、カラム充填方法は当業界で知られている。
クロマトグラフィーカラムは、液体クロマトグラフのような分析計器の一部であることができる。カチオン交換樹脂が充填されるとき、クロマトグラフィーカラムは、非イオン材料からイオン材料を分離するために、又は１つのイオン材料を異なる電荷密度を有するもう一つのイオン材料から分離するために、使用され得る。試料中のイオン材料の量を決定することが可能である。
【０１００】
クロマトグラフィーカラムは、イオン材料を分離又は精製するための分取液体ガスクロマトグラフシステムの一部であることが可能である。分取液体ガスクロマトグラフシステムは、実験室規模のシステム、パイロットプラント規模のシステム又は工業規模のシステムであることが可能である。
【０１０１】
第四の態様においては、濾過要素の調製方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置することを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより、形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去することを更に含む。
【０１０２】
フィルタカートリッジを提供するために、濾過要素をハウジング内に設置することができる。濾過カートリッジを含む好適な濾過媒体及びシステムは、例えば、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第５，４６８，８４７号（ハイルマン（Heilmann）ら）に更に記載される。生体分子を精製又は分離するために、こうしたフィルタカートリッジを使用することができる。この態様においては、濾過カートリッジシステムにおいて固有である圧力低下の低さに起因して、クロマトグラフィーカラム形式よりも、より少ない剛性粒子又はより小さいマクロ孔質粒子を利用することができる。
【０１０３】
濾過媒体は、単一の濾過層又は複数の濾過層を有することができ、ガラス又は高分子繊維（例えば、ポリプロピレン繊維のようなポリオレフィン繊維）から調製されることができる。ある実施形態においては、濾過媒体は粗い予備濾過層及び１つ以上のより細かい濾過層を含む。例えば、濾過媒体は、粗い予備濾過層及び次に段々により小さい平均孔径を有する一連の追加の濾過層を含むことができる。カチオン交換樹脂を、最小の平均孔径を有する濾過媒体の層上に設置できる。
【０１０４】
濾過媒体の孔径の選択は、カチオン交換樹脂の寸法に依存する。典型的に、濾過媒体の孔径は、カチオン交換樹脂の平均直径よりも小さくなるように選択される。しかし、カチオン交換樹脂の一部は、濾過媒体内に貫通することができる。
【０１０５】
濾過媒体は、米国特許第３，０５８，５９４号（ハルトグレン（Hultgren））に記載されるもののような垂直なひだのある（vertical pleated）フィルターの形態であることができる。他の実施形態においては、濾過媒体は、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第４，８４２，７３９号（タング（Tang）ら）に記載されているもののような、水平な複合の放射状にひだのある（horizontal, compound radially pleated）フィルターの形態である。ひだの水平配置は、濾過媒体を含有するフィルタカートリッジを垂直方向に用いる用途において望ましくあり得る。こうした配置は、使用及び保管の間、濾過要素からのカチオン交換樹脂の損失を低減することができる。
【０１０６】
第五の態様においては、多孔質複合材料の製造方法が記載される。該方法は、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成し、マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクス組み込むことを含む。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、（ａ）モノマー混合物（ｂ）式Ｉの水溶性アルキレンオキシド又はポリアルキレンオキシドポロゲン、並びに（ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物を含有する水相組成物を調製することにより形成される。モノアルコールは、水相溶媒混合物の体積を基準として、少なくとも２０体積パーセントの量で存在する。モノマー混合物は、（１）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含有する架橋モノマー及び（２）負に帯電したイオン性モノマーを含む。モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーは、２０以下の親油性指数を有する。マクロ孔質カチオン交換樹脂の形成は、水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁し、モノマー混合物を重合してポリマー材料の粒子を形成し、ポロゲンを粒子から除去することを更に含む。
【０１０７】
連続多孔質マトリックスは、典型的には、織繊維ウェブ又は不織繊維ウェブ、多孔質繊維、多孔質膜、多孔質フィルム、中空繊維、又は管である。好適な連続多孔質マトリクスは、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第５，９９３，９３５号（ラスムッセン（Rasmussen）ら）に更に記載される。
【０１０８】
繊維ウェブである連続多孔質マトリックスは、例えば、大きい表面積、製造の容易さ、低い材料コスト及び様々な繊維質感及び繊維密度のような利点を提供することができる。広範囲の繊維直径が適するが、繊維は０．０５マイクロメートル〜５０マイクロメートルの平均直径を有することが多い。ウェブの厚さを、最終使用用途に適合するように変えることができる（例えば、約０．２マイクロメートル〜約１００ｃｍ）。
【０１０９】
複合材料を、例えばメルトブロー法を用いて調製することができる。例えば、溶融高分子材料を押し出して、メルトブロー繊維のストリームを製造することができる。カチオン交換樹脂を、繊維のストリームに導入することができ、繊維と混ぜることができる。繊維とカチオン交換樹脂の混合物を、ウェブを形成するようにスクリーン上に集めることができる。カチオン交換樹脂を、繊維ウェブ内で分散させることができる。ある実施形態においては、カチオン交換樹脂を、繊維ウェブ全体を通して均一に分散させることができる。
【０１１０】
複合材料は、フィブリル化ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフィブリル化ポリマーマトリックスにより調製することもできる。好適な方法は、米国特許第４，１５３，６６１号（リー（Ree）ら）、同第４，５６５，６６３号（エレード（Errede）ら）、同第４，８１０，３８１号（ハゲン（Hagen）ら）、及び同第４，９７１，７３６号（ハゲンら）により十分に記載されており、これらは、全て参照として本明細書に組み込まれる。一般に、これらの方法は、カチオン交換樹脂とポリテトラフルオロエチレン分散液をブレンドしてパテ様塊状物を得ることと、パテ様塊状物を５℃〜１００℃で強力な混合に供してＰＴＦＥのフィブリル化を引き起こすことと、パテ様塊状物を二軸的にカレンダ加工することと、得られたシートを乾燥させることを含む。
【０１１１】
複合材料を調製する別の方法においては、カチオン交換樹脂を液体に分散させた後、均質混合物を形成するのに十分な温度で熱可塑性ポリマーとブレンドすることができる。均質混合物を、所望する形状を有する型に入れることができる。混合物を冷却すると、液体は相分離することができ、分散したカチオン交換樹脂粒子を含有する熱可塑性ポリマーマトリックスが残る。この方法は、参照として本明細書に組み込まれる米国特許第４，９５７，９４３号（マカリスター（McAllister）ら）に更に記載されている。
【０１１２】
連続多孔質マトリクスに組み込まれるカチオン交換樹脂の量は、得られる複合体の体積を基準として、少なくとも１体積パーセント、少なくとも５体積パーセント、少なくとも１０体積パーセント、少なくとも２０体積パーセント、少なくとも３０体積パーセント、少なくとも４０体積パーセント、又は少なくとも５０体積パーセントである。連続多孔質マトリクスに組み込まれるカチオン交換樹脂の量は、得られる複合物の体積を基準として、９９体積パーセント以下、９５体積パーセント以下、９０体積パーセント以下、８５体積パーセント以下、又は８０体積パーセント以下を含有できる。より多量のカチオン交換樹脂を有する複合体は、より大きいカチオン交換容量を有する傾向がある。
【０１１３】
現在予見されない本発明の実質的でない修正が、それでもなお本発明の均等物を表す可能性があるにもかかわらず、上記は、本発明者によって、可能性のあるものとして記述され得た予見される実施形態によって本発明を記載している。
【実施例】
【０１１４】
これらの実施例は、単にあくまで例示を目的としたものであり、添付した請求項の範囲を限定することを意味するものではない。実施例における部、パーセント、比等は全て、他に記載されない限り、重量基準である。使用される溶媒及び他の試薬は、特に記載のない限り、シグマ・アルドリッチ・ケミカル社（Sigma-Aldrich Chemical Company）、ウィスコンシン州ミルウォーキー（Milwaukee）より入手した。
【０１１５】
試験方法
リゾチームのためのカチオン交換容量
寸法０．８センチメートル×４センチメートルのポリプロピレン使い捨てクロマトグラフィーカラムに、ビーズの水性スラリーを充填し、カチオン交換樹脂の１ｍＬ床を準備した。クロマトグラフィーカラムは、バイオ−ラド・ラボラトリーズ（Bio-Rad Laboratories）（カリフォルニア州、ハーキュレス）から、取引表記ポリ−プレフカラム（POLY-PREP COLUMN）として、得られた。ｐＨ７．５において、１０ｍＭ ＭＯＰＳ（４−モルホリノプロパンスルホン酸）の溶液である１０ｍＬのローディング緩衝剤で洗浄することによって、カラム床を平衡化した。その後、カラム床に、ＭＯＰＳ緩衝剤中濃度１２ｍｇ／ｍＬを有する３０ｍＬのタンパク質溶液（鶏卵卵白リゾチーム、純度およそ９５％、シグマ・ケミカル社（Sigma Chemical Co.）（ミズーリ州、セント・ルイス（St.Louis））を荷重した。全ての緩衝剤及び蛋白質溶液を脱イオン水中で調製した。任意の非結合リゾチームを３０ｍＬのＭＯＰＳ緩衝剤（３つの１０ｍＬフラクション）で洗い流した。最後に、結合した蛋白質をＭＯＰＳ緩衝剤中の１５ｍＬの１Ｍ ＮａＣｌで溶離した。
「ヒューレット・パッカード・ダイオードアレイ・スペクトロフォトメータ（Hewlett-Packard Diode Array Spectrophotometer）」モデル８４５２Ａを用いて、２８０ｎｍでＵＶ吸光度を測定することにより、種々のフラクション中に回収された蛋白質の量を決定した。純リゾチームを用いて標準曲線を作製した。ＮａＣｌ溶離液中で回収された蛋白質の量を、カチオン交換樹脂のためのカチオン交換容量と同等とみなした。
【０１１６】
免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）のためのカチオン交換容量
カチオン交換樹脂ビーズと水を混合し、混合物を３，０００相対遠心力（ｒｃｆ）にて２０分間遠心分離した後、総体積が充填ビーズ床の２倍になるように水の量を調節することにより、脱イオン水中のカチオン交換樹脂ビーズの５０体積パーセントスラリーを調製した。スラリーをよく混合して、ビーズを懸濁させた後、孔径０．４５マイクロメートルを有する５ミリリットルの酢酸セルロース セントレックス（CENTREX）ＭＦ遠心分離機マイクロフィルターに４００マイクロリットルのスラリー試料をピペットで入れた。ＶＷＲ（ミネソタ州、イーガン（Eagan））を通して、スクレイチャー＆スクエル（Schleicher & Schuell）から、マイクロフィルターを得た。４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における５分間の遠心分離により、マイクロフィルター上のスラリーから水を除去した。８０ｍＭ塩化ナトリウムを含有するｐＨ４．５の５０ｍＭ酢酸ナトリウムの溶液４ｍＬを、マイクロフィルター上のビーズと混合した。４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における１０分間の遠心分離により、再び液体を除去した。ろ液を廃棄した。同一のアセテート緩衝剤中のヒトＩｇＧ（約９ｍｇ／ｍＬ）（イクイテク−バイオ（Equitech-Bio）、（テキサス州、カービル（Kerrville））から市販されている）の試料４．５ｍＬを、ビーズを含有するマイクロフィルターに添加した。混合物を一晩混転した後、４２３０ｒｐｍ（３，０００ｒｃｆ）における２０分間の遠心分離により、ビーズから上清を除去した。
【０１１７】
ろ液をＵＶ分光法によって分析し、２８０ｎｍにおける吸光度を、出発ＩｇＧ溶液の吸光度と比較し、その差をビーズのＩｇＧカチオン交換容量を計算するために使用した。分析を３回行い、平均化した。
【０１１８】
表面積及び多孔性測定
各試料およそ０．１〜１．０ｇを、マイクロメリティクス社（Micromeritics, Inc.）（ジョージア州、ノルクロス（Norcross））から入手可能な直径１．３センチメートル（０．５インチ）の試料管に移動し、マイクロメリティクス（Micromeritics）から取引表記バクプレプ（VACPREP）０６１として市販されているシステムを使用して、１００℃において真空下（１．５Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ又は０．０１５ｍｂａｒ）未満）で２４時間脱気した。脱気後、試料を、真空下において、室温（すなわち、２０℃〜２５℃）で１０分間冷却した後、マイクロメリティクス（Micromeritics）から取引表記トリスター（TRISTAR）３０００として市販されている表面積及び多孔性分析器に荷重した。
【０１１９】
４５点吸着／４０点脱着等温線は、相対圧力（Ｐ／Ｐo）約０．０で出発し、０．９５〜１．０間でより詰まった点の分布で１．０までセットアップした（標的圧力及び点のための表を参照）。最初の「圧力固定線量（pressure fixed dose）」は、設定されなかった。最大体積増加は、ＳＴＰで１０．００ｃｃ／ｇで設定され、「絶体圧力許容誤差（absolute pressure tolerance）」は６．７ｈＰａ（５ｍｍＨｇ）にて設定され、「相対圧力許容誤差（relative pressure tolerance）」は２．０％にて設定された。「高速排出（Fast evacuation）」及び「漏れ試験」のオプションは使用しなかった。液体窒素のデュワーが下り（すなわち、試料が液体窒素内になかった）、フリースペース測定間に、０．５時間の排出時間が実行された。デュワーを、分析のために上昇させた（すなわち、試料を含有する管を液体窒素内に設置した）。７７．３５０Ｋ（液体窒素の温度）において、分析間にＰoは１２０分間隔にて測定された。窒素ガスについての標準Ｐｓｔａｔ−対−温度の表を使用するガス吸着特性を、以下の値に設定した。非理想性係数（non-ideality factor）０．００００６２０、密度換算率０．００１５４６８、分子の断面積０．１６２ｎｍ2。ＢＪＨ吸着／脱着累積孔容積及び累積表面積を、直径１７Å〜２，０００Åの孔（２〜２００ナノメートルの孔に相当する）について計算し、これは、４５吸着点及び４０脱着点の間の各相対圧力において吸着されたＮ2の量に基づく。
【０１２０】
以下の表は、分析のために使用される吸着及び脱着点を示す。様々な実施例について吸着間の累積表面積及び累積孔容積を、以下に報告する。
【表Ａ】
【表Ｂ】
【表Ｃ】
【０１２１】
（実施例１）
重量で６５：３５のＡＭＰＳ／ＭＢＡコポリマーを、水相組成物中のポリエチレングリコールポロゲン（ＰＥＧ４００）を使用して、逆相懸濁重合により調製した。
【０１２２】
ポリマー安定剤（０．５６グラム）、トルエン（１８８ｍＬ）、及びヘプタン（３４８ｍＬ）を、機械的攪拌器（攪拌速度４５０ｒｐｍ）、窒素入口、温度計、温度制御装置付の加熱マンテル、及びコンデンサーを備えるフラスコに添加した。ポリマー安定剤は、アクリル酸イソオクチルと２−アクリルアミドイソブチルアミドとの重量で９１．８：８．２のコポリマーであった（ラスムッセン（Rasmussen）らの、高分子化学、高分子討論会（Makromol. Chem., Macromol. Symp.）、５４／５５、５３５〜５５０（１９９２）に記載されるように調製された）。フラスコ内の非水性溶液を、攪拌しながら３５℃に加熱し、１５分間窒素を散布した。
【０１２３】
ＭＢＡ（９．８グラム）、ＡＭＰＳ（５０重量パーセント水溶液３６．４グラム）、ＩＰＡ（１００ｍＬ）、脱イオン水（２６．８ｍＬ）、及びＰＥＧ４００（１５ｍＬ）を含有する水溶液を調製した。この水溶液を３０〜３５℃で攪拌及び加熱し、ＭＢＡを溶解した。脱イオン水（５ｍＬ）に溶解した過硫酸ナトリウム（０．５グラム）を、更に攪拌しながら水溶液に添加した。非水性溶液を含有する反応フラスコに水溶液を添加した。得られた混合物を攪拌し、５分間窒素パージした。
【０１２４】
ＴＭＥＤＡ（０．５ｍＬ）を添加して重合を開始させた。反応温度は、急速に４６．３℃まで上昇した後、ゆっくり戻った。反応混合物を、ＴＭＥＤＡ添加時から合計２時間攪拌し、焼結ガラスじょうごを使用して濾過し、アセトン（２×２５０ｍＬ）で洗浄し、メタノール（２×２５０ｍＬ）で洗浄し、アセトン（２５０ｍＬ）で洗浄し、室温にて真空下で乾燥し、３１．７グラムの無色の粒子を得た。オハウス・モイスチャーバランス（Ohaus moisture balance）を使用する固体パーセント測定において、生成物における固体が９０．４重量％であることが示された。
【０１２５】
カチオン交換容量を、２つの異なるタンパク質である、リゾチーム（ＭＷ＝１４，０００グラム／モル）及びＩｇＧ（ＭＷ＝１５０，０００グラム／モル）を使用する上記の方法により、決定した。表面積及び多孔性測定を上記のように行った。これらのデータを表１に提示する。
【０１２６】
比較例Ｃ１
ポロゲン（例えば、ＰＥＧ４００）を水溶液に添加しないこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２７】
（実施例２）
水溶液に添加されるＰＥＧ４００の量を３０ｍＬに増やすこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２８】
（実施例３）
実施例３では、非水性相中の溶媒がヘプタン（５３６ｍＬ）のみであったこと以外は、実施例１において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１２９】
比較例Ｃ２
ポロゲン（例えば、ＰＥＧ４００）を水溶液に添加せず、ＩＰＡを等量の脱イオン水に置き換えたこと以外は、実施例３に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【０１３０】
比較例Ｃ３
ＩＰＡを等量の脱イオン水に置き換えたこと以外は、実施例３に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。ＩｇＧ及びリゾチームのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表１に列記する。
【表Ｄ】
ＮＭ＝測定せず
【０１３１】
（実施例４〜１５）
表２に列記されたポロゲンの５０重量％脱イオン水溶液２０ミリリットルを水溶液に添加し、追加の脱イオン水１６．８ｍＬのみを添加したこと以外は、実施例１に記載されたような逆相懸濁重合により、ＭＢＡとＡＭＰＳのコポリマーを調製した。リゾチーム及びＩｇＧのカチオン交換容量、並びに多孔性測定を表２に列記する。
実施例４の表面の走査型電子顕微鏡写真を倍率５０，０００倍で図１に示す。実施例７、実施例９、及び実施例１１の表面の走査型顕微鏡写真を、倍率５０，０００倍でそれぞれ図２、図３、及び図４に示す。
【表Ｅ】
ＮＭ＝測定せず
【０１３２】
（実施例１６〜２２）
実施例１６〜２２では、表３に示す量のＰＥＧ４００を水相組成物に添加したこと以外は、実施例４〜１５において使用されたのと同じ手順に従った。ＩＰＡとＰＥＧの総体積が１１０ｍＬであり、水の合計が５０ｍＬであるように、ＩＰＡ及び脱イオン水の量を調節した。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を表３に列記する。
【表Ｆ】
【０１３３】
（実施例２３〜２５）
実施例２３〜２５では、表４に示す量のＰＥＧ３４００を水相組成物に添加したこと以外は、実施例１６〜２２において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を、表４に列記する。
【表Ｇ】
【０１３４】
（実施例２６及び２７）
実施例２６及び２７では、表５に示す量のＰＥＧＭＥ３５０を水相組成物に添加したこと以外は、実施例１６〜２２において使用されたのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量、及び多孔性測定を、表５に列記する。
【表Ｈ】
【０１３５】
（実施例２８〜３５）
実施例２８〜３５では、添加されるポロゲンの識別及び量を表６に示すように変化させたこと以外は、実施例１６〜２２において使用したのと同じ手順に従った。ＩｇＧのカチオン交換容量を表６に列記する。
【表Ｉ】
【０１３６】
（実施例３６〜３９）
いくらかのＭＢＡと置き換えられるモノビニルモノマーＤＭＡの量を増加したこと以外は、実施例１のように、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＡＭＰＳの量は、６５重量パーセントで一定のままであった。使用されたポロゲンは、１５ｍＬのＰＥＧ４００であった。使用されるＩＰＡの量は８０ｍＬであり、水相組成物中の水の総含有量は５５ｍＬであった。ＩｇＧのカチオン交換容量を表７に列記する。
【表Ｊ】
【０１３７】
（実施例４０及び４１）
いくらかのＭＢＡと置き換えられるモノマーＮｉＰＡＡｍの量を増加したこと以外は、実施例１のように、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＡＭＰＳの量は、６５重量パーセントで一定のままであった。使用されたポロゲンは、１５ｍＬのＰＥＧ４００であった。使用したＩＰＡの量は、８０ｍＬであった。水相組成物中の水の総含有量は５５ｍＬであった。ＩｇＧのカチオン交換容量を表８に列記する。
【表Ｋ】
【０１３８】
（実施例４２〜５３）
全モノマー、ＰＥＧ４００、ＩＰＡ及び水の量を実施例４０及び４１に記載されたのと同じに保持しながら、２つのモノマーＭＢＡ：ＡＭＰＳの重量％を９５：５〜５：９５に変化させることにより、ＭＢＡとＡＭＰＳの共重合ビーズを調製した。ＩｇＧのカチオン交換容量を表９に列記する。
【表Ｌ】
【０１３９】
（実施例５４）
ＥＢＡをＭＢＡに置き換えたこと以外は、実施例２０に記載されたように、カチオン交換ビーズを調製した。ＩｇＧのカチオン交換容量は１１６ｍｇ／ｍＬであった。累積孔容積は０．３８立方センチメートル／グラムであり、累積表面積は８０平方メートル／グラムで測定された。
【０１４０】
（実施例５５）
ＡＡをＡＭＰＳに置き換えたこと以外は、実施例２０に記載されたように、カチオン交換ビーズを調製した。２０ｍＭ ＭＯＰＳ、ｐＨ７．５緩衝剤を、ＡＭＰＳビーズと共に使用されるアセテート緩衝剤に置き換えたこと以外は、試験方法に記載されたように、ＩｇＧのカチオン交換容量を測定した。ＩｇＧ容量は７４ｍｇ／ｍＬであった。
本発明は、様々な修正及び代替形態が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに、詳細に記載する。しかし、本発明は、記載される特定の実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。逆に本発明は、本発明の精神及び範囲内にある全ての修正形態、等価形態、及び代替形態を網羅するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
添付図面と関連して以下の本発明の様々な実施形態の詳細な記載を検討することにより、本発明は、より完全に理解される可能性がある。
【図１】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量２００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図２】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量１，０００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図３】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量３，４００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【図４】１つの代表的なマクロ孔質カチオン交換樹脂の倍率５０，０００倍の走査型電子顕微鏡写真を示す。マクロ孔質カチオン交換樹脂は、平均分子量６，０００グラム／モル（ｇ／モル）のポリエチレングリコールポロゲンを使用して調製された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法であって、
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であって、モノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、及び
粒子からポロゲンを除去して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、を含む方法。
【請求項２】
マクロ孔質カチオン交換樹脂が、直径２００ナノメートル以下の少なくともいくつかの孔を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
マクロ孔質カチオン交換樹脂が、少なくとも０．１０立方センチメートル／グラムの孔容積、及び少なくとも２０ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
架橋モノマーが、モノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として１０重量％超過の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
架橋モノマーがモノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として２５〜７５重量％の量で存在し、負に帯電したイオン性モノマーがモノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として２５〜７５重量％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
負に帯電したイオン性モノマーが、式ＩＩ
【化１】
（式中、
Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分枝状アルキレンであり、
Ｒbは、水素又はメチルである）、又はその塩である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
Ｒ2がエチレン又はプロピレンである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
Ｒ1がヒドロキシでありＲ3が水素である、又はＲ1がヒドロキシでありＲ3がアルキルである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ポロゲンが、分子量１，０００ｇ／モル以下のポリエチレンオキシドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ポリエチレンオキシドがヒドロキシ末端基を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ポロゲンが、アルキレングリコールを含む第一ポロゲンとポリアルキレンオキシドを含む第二ポロゲンとの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第一ポロゲンがエチレングリコールを含み、第二ポロゲンがヒドロキシ末端基を有するポリエチレンオキシドを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
モノアルコールが、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも５０パーセントの量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
正に帯電した材料を分離又は精製する方法であって、
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、及び
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
マクロ孔質カチオン交換樹脂と正に帯電した材料とを接触させる工程、及び
正に帯電した材料の少なくとも一部を、マクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させる工程、を含む方法。
【請求項１５】
負に帯電したイオン性モノマーが、式ＩＩ
【化２】
（式中、
Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分岐状アルキレンであり、
Ｒbは水素又はメチルである）、又はその塩である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
正に帯電した材料が生物学的分子である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
生物学的分子がタンパク質である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であって、モノアルコールは、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置する工程、
を含むクロマトグラフィーカラムの調製方法。
【請求項１９】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置する工程、
を含む濾過要素の調製方法。
【請求項２０】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合して、ポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクスに組み込む工程、
を含む多孔質複合材料の製造方法。
【請求項１】
マクロ孔質カチオン交換樹脂の調製方法であって、
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であって、モノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、及び
粒子からポロゲンを除去して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、を含む方法。
【請求項２】
マクロ孔質カチオン交換樹脂が、直径２００ナノメートル以下の少なくともいくつかの孔を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
マクロ孔質カチオン交換樹脂が、少なくとも０．１０立方センチメートル／グラムの孔容積、及び少なくとも２０ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
架橋モノマーが、モノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として１０重量％超過の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
架橋モノマーがモノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として２５〜７５重量％の量で存在し、負に帯電したイオン性モノマーがモノマー混合物中にモノマーの総重量を基準として２５〜７５重量％の量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
負に帯電したイオン性モノマーが、式ＩＩ
【化１】
（式中、
Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分枝状アルキレンであり、
Ｒbは、水素又はメチルである）、又はその塩である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
Ｒ2がエチレン又はプロピレンである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
Ｒ1がヒドロキシでありＲ3が水素である、又はＲ1がヒドロキシでありＲ3がアルキルである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ポロゲンが、分子量１，０００ｇ／モル以下のポリエチレンオキシドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ポリエチレンオキシドがヒドロキシ末端基を有する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ポロゲンが、アルキレングリコールを含む第一ポロゲンとポリアルキレンオキシドを含む第二ポロゲンとの混合物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
第一ポロゲンがエチレングリコールを含み、第二ポロゲンがヒドロキシ末端基を有するポリエチレンオキシドを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
モノアルコールが、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも５０パーセントの量で存在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
正に帯電した材料を分離又は精製する方法であって、
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、及び
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
マクロ孔質カチオン交換樹脂と正に帯電した材料とを接触させる工程、及び
正に帯電した材料の少なくとも一部を、マクロ孔質カチオン交換樹脂上に吸着させる工程、を含む方法。
【請求項１５】
負に帯電したイオン性モノマーが、式ＩＩ
【化２】
（式中、
Ｙは、１〜１０個の炭素原子を有する直鎖状又は分岐状アルキレンであり、
Ｒbは水素又はメチルである）、又はその塩である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
正に帯電した材料が生物学的分子である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
生物学的分子がタンパク質である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であって、モノアルコールは、水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂をカラム内に設置する工程、
を含むクロマトグラフィーカラムの調製方法。
【請求項１９】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合しポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去しマクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂を濾過媒体の表面上に配置する工程、
を含む濾過要素の調製方法。
【請求項２０】
ａ）以下：
ｉ）Ｎ，Ｎ’−アルキレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ヘテロアルキレンビス（メタ）アクリルアミド、又はそれらの組合せを含む架橋モノマー、及び
ｉｉ）負に帯電したイオン性モノマーを含み、
モノマー混合物中の実質的に全てのモノマーが２０以下の親油性指数を有するモノマー混合物と、
ｂ）下記式Ｉ
Ｒ1−（Ｒ2−Ｏ）n−Ｒ3 （Ｉ）
（式中、
Ｒ1は、ヒドロキシ、アルコキシ、カルボキシ、アシルオキシ、又はハロであり、
各Ｒ2は、独立して１〜４個の炭素原子を有するアルキレンであり、
Ｒ3は、水素、アルキル、カルボキシアルキル、アシル、又はハロアルキルであり、
ｎは１〜１，０００の整数である）の水溶性ポロゲンと、
ｃ）水及び１〜４個の炭素原子を有するモノアルコールを含む水相溶媒混合物であってモノアルコールが水相溶媒混合物の総重量を基準として少なくとも２０重量％の量で存在する水相溶媒混合物と、
を含む水相組成物を形成する工程、
水相組成物を非極性有機溶媒中に懸濁する工程、
モノマー混合物を重合して、ポリマー材料の粒子を形成する工程、
粒子からポロゲンを除去して、マクロ孔質カチオン交換樹脂を形成する工程、
を含むマクロ孔質カチオン交換樹脂を調製する工程、
及び
マクロ孔質カチオン交換樹脂を連続多孔質マトリクスに組み込む工程、
を含む多孔質複合材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２００９−５２１５５６（Ｐ２００９−５２１５５６Ａ）
【公表日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４７３６９（Ｐ２００８−５４７３６９）
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４８１１９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０７５５０８
【国際公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１５日（２００６．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４８１１９
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０７５５０８
【国際公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【出願人】（５０５００５０４９）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (2,080)
【Ｆターム（参考）】
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