JPS6259612B2

JPS6259612B2 -

Info

Publication number: JPS6259612B2
Application number: JP3254681A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sonoda; Yoshitaka Tanaka; Shoji Nagaoka; Tatsuo Nogi
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1981-03-09
Filing date: 1981-03-09
Publication date: 1987-12-11
Also published as: JPS57147404A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は限過、透析など溶媒の濃縮、物質分
離に適する新規な半透性の膜、特に人工腎臓用に
適する半透性の膜に関するものである。近年、廃水処理、食品工業、医療分野などの用
途分野において、膜を使用する分離技術が注目さ
れ、発展が期待されている。この膜分離技術としては水系媒体中に浮遊、分
散あるいは溶解している物質の大きさに応じて、
精密過、限外過あるいは透析などの手法がと
られている。それらの分離目的に応じて膜に要求
される性能が異なることはいうまでもないが、共
通的に要求される性能として水系媒体の透過速度
が大きいこと、浮遊、分散あるいは溶解している
物質の排除能にすぐれていること、機械的、化学
的強度を有することが挙げられる。本発明の目的は、上記諸性能を実用性がある程
度に満足し、かつ２種類のメタクリル酸メチル共
重合体を用いて、その配合および添加剤の調整に
より、同一製造工程で目的に応じた巾広い透過性
を有する分離膜（限外過膜、透析膜）を提供す
ることである。特に、本発明のメタクリル酸メチ
ル系分離膜は血液との適合性の良さから、人工腎
臓、人工肝臓、などの血液浄化システム用途に適
する膜を提供するものである。人工腎臓の場合、膜に要求される性能は溶質透
過性と限外過能（UFR）および膜の血液適合
性、さらには、その機械的強度である。溶質透過
性は血漿蛋白（特にアルブミン）を透過しない範
囲で高いことが望まれるが、限外過能は、患者
によつて除水必要量が大きく異なることが多いの
で、限外過速度（UFR）が巾広く調節できる
ことが好ましい。また、最近は通常の透析療法以
外に、血液過療法（Hemofiltration）やそれを
応用した携帯型人工腎臓や装着型人工腎臓への発
展もみられ、UFRが非常に高い半透膜も望まれ
ている。すなわち、通常の透析療法用途に対しては、ア
ルブミンを実質的に透過せず、かつ水の透過速度
（限外過速度、UFR）が１〜10ml／hr・m²・
mmHg好ましくは３〜６ml／hr・m²・mmHg付近
が要望され、血液過療法などに対してUFRが
20ml／hr・m²・mmHg以上で、アルブミンを透過
しない範囲でできるだけ高いUFRを示す膜が要
望される。本発明はこれら要求される透過性能を満足する
膜、すなわちアルブミンを実質的に透過せず、か
つ水の透過速度が１〜2000ml／hr・m²mmHgであ
るポリメタクリル酸メチル系イオン架橋半透膜の
製法を提供するものである。さらに本発明方法における製膜原液は90℃付近
以下の低温域でゲル化を起すため、中空糸紡糸な
どの成形時に芯液としての内部凝固液を使用する
ことなく、空気等の気体注入法によつても製膜可
能であり、有機溶媒等の残留をさけるべき医療用
途に適する製法を提供するものである。これら透性（水のUFR）およびアルブミン透
過率の測定は通常の方法により、透水性は蒸留水
を用い、アルブミン透過率は牛アルブミン（Fr.
V）（例えば生化学工業(株)、Sigma社）を0.2ｇ／
dlの濃度に蒸留水に溶解した溶液を用い行なわれ
る。分離膜が平膜の場合は、通常の撹拌方式セル
（例えば、アミコン社スタンダードセル52型）を
用い、中空糸の場合は、その10本以上を束ねた有
効長５cm以上のモジユールを用い、25℃で50mm
Hgの加圧下、撹拌セルでは撹拌し、中空糸では
入口での線速度を５cm／sec・以上とし、液量
が安定してくる30分〜60分の間の30分間の液か
ら算出する。透過率＝（過液中のアルブミン濃度）／（原液中の
アルブミン濃度） ×100（％）本発明では膜素材として基本的には２種の重合
体すなわち、スルホン酸基を有する重合性単量体
を0.5〜10モル％含むメタクリル酸メチル共重合
体、および第４級窒素基を有する重合性単量体を
0.5〜10モル％含むメタクリル酸メチル共重合体
を用い、共重合率、共重合体の混合比、製膜原液
中の素材ポリマ濃度などを調整することにより、
同一製造工程で各種用途に適する各種半透膜を製
造可能となる。膜素材として使用する２種の共重合体の内の一
つはスルホン酸基を有するポリアニオンであり、
他の一つは第４級窒素基を有するポリカチオンで
あるため、提供される半透膜はイオン架橋された
ポリイオンコンプレツクス膜となる。このため、
膜強度が大きく、また血液適合性にすぐれたポリ
メタクリル酸メチルの性質とも合いまつて特に血
液成分と接触する医療用途の半透膜として適して
いる。メタクリル酸メチルと共重合させるスルホン酸
基を有する重合性単量体の例を挙げると、Ｐ―ス
チレンスルホン酸、アリルスルホン酸、メタクリ
ルスルホン酸、３―メタクリロキシプロパンスル
ホン酸、ビニルスルホン酸、３―アクリロキシプ
ロパンスルホン酸、２―アクリルアミド―２―メ
チルプロパンスルホン酸およびこれらのナトリウ
ム塩、カリウム塩、アンモニウム塩、ピリジン塩
などがある。この中でもアルカリ金属塩が好まし
く使用される。さらにｐ―スチレンスルホン酸ナ
トリウムは特に好ましく使用される。これらの単
量体は膜素材成分の一つとしてメタクリル酸メチ
ルと共重合して使用されるが、その共重合体成分
の含量の上限は共重合体が水に溶解しない範囲で
あり、通常0.5〜10モル％、好ましくは１〜５モ
ル％の量で用いられる。いま一つの膜素材成分として混合する共重合体
は第４級窒素基を有する重合性単量体をメタクリ
ル酸メチル共重合して調製されるが、その共重合
体成分の第４級窒素基を有する単量体の含量の上
限も共重体が水に溶解しない範囲であり、通常
0.5〜10モル％、好ましくは１〜５モル％であ
る。これら、第４級窒素基を有する重合性単量体の
少数の例を挙げると、２―メタクリロイルオキシ
エチルトリメチルアンモニウムクロライド、２―
メタクリロイルオキシエチルトリエチルアンモニ
ウムクロライド、ジメチル（２―メタクリロイル
オキシエチル）フエニルアンモニウムクロライ
ド、２―アクリロキシエチルアンモニウムクロラ
イド、２―ヒドロキシ―３―メタクリロイルオキ
シプロピルトリメチルアンモニウムクロライド、
ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロライ
ド、メチル（２―メチル―５―ビニル）ピリジウ
ムクロライドなどであり、塩化物の代りに臭化
物、ヨウ化物、硫酸塩、スルホン酸塩なども使用
できることはいうまでもない。また第４級窒素基を有する重合性単量体を含む
メタクリル酸メチル共重合体は、必要によつては
第３級窒素基を有する重合性単量体との共重合の
後に、高分子反応の方法で公知の４級化剤を用い
公知の方法によつて４級化して調製することもで
きる。例えば、メタクリル酸メチルと、メタクリ
ル酸ジメチルアミノエチルとを共重合し、ハロゲ
ン化アルキルによつて第４級アンモニウム塩の構
造に変換するなどである。これらの中でも、２―
メタクリロイルオキシエチルトリメチルアンモニ
ウムクロライドとメタクリル酸メチルとの共重合
体は膜素材として好ましく使用される。さらに、スルホン酸基あるいは第４級窒素基を
有する重合性単量体を含むメタクリル酸メチル共
重合体の中に、他の少量のビニル単量体を１種以
上含む多元共重合体も、製膜溶媒に対して可溶性
を失わない限りにおいて本発明の膜素材として用
いることができる。次に、上記の２種類の共重合体、すなわちスル
ホン酸基を有する単量体を含むメタクリル酸メチ
ル共重合体と、第４級窒素基を有する単量体を含
むメタクリル酸メチル共重合体とを混合する割合
は生成するイオン架橋半透膜用重合体中のスルホ
ン酸基の数と第４級窒素基の数との比が５対１〜
１対５の範囲、好ましくは２対１〜１対２の範囲
であり、膜強度の面から、より好ましくはその比
がほぼ１対１となり、中和されたイオンコンプレ
ツクスを形成する割合である。なお、人工腎臓、人工肝臓などの血液浄化シス
テム用途として血液と直接接触する用途の膜とし
ては、２種類の共重合体中のスルホン酸基と第４
級窒素基の割合が２：１〜１：１のアニオニツク
ないしは中性膜を与える混合が好ましい場合が多
い。また、この２種類の共重合体を混合し、製膜原
液を調整する際には、平膜への製膜あるいは中空
糸への紡糸時の粘度の調節あるいは機械的強度の
調節などのために、種々の重合度のポリメタクリ
ル酸メチルや、アイソタクチツクポリメタクリル
酸メチルを少量添加することも可能であり、本発
明に含まれることはいうまでもない。これら素材ポリマの平均分子量は、製膜あるい
は紡糸方式および膜の使用目的によつて要求され
る機械的性質などを考慮して変更することができ
るが、一般には混合時の平均値として10万以上、
好ましくは20万〜80万付近であることが望まし
い。（平均分子量はポリメタクリル酸メチルのク
ロロホルム溶媒の粘度式〔η〕＝4.8×10^-5M⁰.⁸か
ら算出）次に、製膜あるいは紡糸原液を作製するための
溶媒としては、上記素材ポリマを溶解し、かつ最
終的に水置換可能なものであることが必要であ
る。しかしながら本発明では通常の錯ポリ電解質
の溶解で必要となるイオン遮蔽性溶剤は必要でな
い、本発明では溶媒としてジメチルスルホキシド
を用いる。ジメチルスルホキシドは製膜、製糸性が良好
で、素材ポリマの共重合率、共重合体の混合比、
ポリマ濃度、凝固浴温度、製膜温度などを調整す
ることにより巾広い透水性を有する半透膜を得る
ことができ、好ましい溶媒である。また、このジ
メチルスルホキシドは毒性が非常に低く医療用途
を目的とした場合最も好ましい溶媒でもある。さらに、製膜原液を作るための溶媒系には、透
水性を制御するために、水、ホルムアミド、アル
コール類（ブタノール、プロパノール、エチレン
グリコール、グリセリンなど）、尿素、塩化カル
シウム等の非溶媒を添加したり、ポリオキシエチ
レンエーテルラウリルアルコール、イソオクチル
フエノキシポリエトキシエタノーール等の界面活
性剤を添加することも好ましい方法である。製膜原液中の素材ポリマ濃度は透水性を制御す
る最も大きい要因となるが、通常５〜35重量％、
好ましくは10〜25重量％付近である。このようにして得られる製膜原液は、公知の
種々の方式によつて製膜あるいは中空糸に紡糸す
ることができる。例えば、原液をガラス板、金属
板などの平板に流延したのち凝固浴に浸漬して固
化させるか、または細長い孔をもつた口金から凝
固浴中に押出して膜状に成形することができる。
その際ポリエステルタフタなどの支持布の上に塗
布することも可能である。また、平膜のほか同心
円形の孔をもつた口金から紡糸して円筒状または
中空糸状に成形するか、凸面、凹面その他の不規
則形状の面に広げたのち凝固させて種々の形状の
膜を得ることができる。なお、これら種々の形状の中でも、モジユール
化したとき、充填液量（プライミングポリユー
ム）が小さく、かつ高い線速度が取れる中空糸状
成形品は医療用途などに最も適している。本発明素材による製膜原液は原液組成（主に溶
媒による）によつては低温域でゲル化を起すた
め、原液の調製時に加熱を要することもある。特
にジメチルスルホキシドを溶媒とした場合は、
110〜90℃付近以下でゲル状となり固化するた
め、この現象を利用し、中空糸化などの製膜時、
いわゆる乾湿式紡糸法などで芯液としての内部凝
固液を使用することなく気体注入法によつても製
膜可能となる。なお、通常の乾湿式紡糸あるいは
湿式紡糸法と同様、芯液を使用できることはいう
までもない。凝固浴としては、一般に水、脂肪族の低級アル
コール類またはそれらの混合物を用いる。さら
に、その凝固能力を調節するために上記の水、ア
ルコール類に原液に用いる溶媒や、無機塩類、さ
らに酸、アルカリなどを添加した混合物を用いる
こともできる。しかし、本発明の様に溶媒として
ジメチルスルホキシドを使用した場合は、それと
水との混合物を凝固浴とするのが好ましいといえ
る。その際の凝固浴の温度は半透膜の透水性に大
きな影響を与え、一般に高温側において高い透水
性を示す膜が得られる。通常の凝固浴温度は０℃
〜95℃付近で実施される。本発明の膜は、湿潤状態に保持すれば長期間に
わたつて透過性能および機械的性質に大きな変化
を生じない。また、含水グリセリンなどの適切な
湿潤剤を付着させておけばドライ状態で保存する
ことも十分可能である。湿潤剤としては上記のほ
かにエチレングリコール、ポリエチレングリコー
ル、各種の界面活性剤などが挙げられる。さら
に、製膜後に加熱処理によつて膜の透過性能や機
械的性質（寸法安定性など）を変えることも可能
である。加熱処理は張力下または無張力下で行な
い、温度は通常50〜110℃、好ましくは70〜90℃
の範囲である。次に、本発明を実施例によつて具体的に説明す
る。実施例１メタクリル酸メチル500ｇとパラスチレンスル
ホン酸ナトリウム26ｇを水400mlとメタノール
1600mlの混合溶媒にとかし、ラジカル開始剤とし
て２，2′―アゾビス―（２，４―ジメチルバレロ
ニトリル）1.25ｇを用いて、55℃で８時間の重合
を行い、共重合体中におけるパラスチレンスルホ
ン酸の含量が2.7モル％、重量平均分子量が1.8×
10⁵（ポリメタクリル酸メチルのクロロホルム溶
媒での粘度式〔η〕＝4.8×10^-5M⁰.⁸を用い、ポリ
マ濃度0.5ｇ／100mlクロロホルムでの一点法から
算出）の共重合体を得た。メタクリル酸メチル500ｇと２―メクリロイル
オキシエチルトリメチルアンモニウムクロライド
45ｇを、水400mlとメタノール1600mlの混合溶媒
にとかし、塩化ナトリウム40ｇを加え、２，2′―
アゾビス―（２，４―ジメチルバレロニトリル）
1.5ｇを用いて55℃、８時間の重合を行い、共重
合体中における２―メタクリロイルオキシエチル
トリメチルアンモニウムクロライドの含量が2.5
モル％、重量平均分子量が5.1×10⁵の粒状の共重
合体を得た。これらの重合法に準じ、パラスチレンスルホン
酸ナトリウムの含量が2.6モル％、分子量が5.0×
10⁵の共重合体および、4.3モル％、分子量が
3.8×10⁵の共重合体を得た。さらに、同様の方法で２―メタクリロイルオキ
シエチルトリメチルアンモニウムクロライドの含
量が3.0モル％で、分子量が5.2×10⁵の共重合体
Ｖを得た。実施例２実施例１で用意した共重合体１部と共重合体
１部とを混合し、ジメチルスルホキシド中に
120℃でポリマ濃度15％となるように溶解した。
この溶液を125μのスペーサーを置いたガラス板
上に約110℃で流延し、室温まで冷却後、氷水中
および50℃の水浴中に入れ、それぞれ膜厚105μ
および120μの平膜ＡおよびＢを得た。これらの膜から直径43mmの円形の試験片を切出
し、撹拌方式セル（アミコン社スタンダードセル
52型）にセツトし透過性能を測定し表１の値を得
た。実施例３実施例２のポリマ濃度のみを10％に変更し、凝
固浴として４℃の水を用い、膜厚85μの平膜Ｃを
得た。この膜の透過性能を表１に示す。

【表】実施例４実施例１で用意した共重合体１部と共重合体
１部とを混合し、ジメチルスルホキシド中に
120℃でポリマ濃度16％となるように溶解した。
この溶液を紡糸原液とし、環状紡糸孔から口金温
度105℃で中空糸の内部に乾燥空気を注入しなが
ら紡糸し、ジメチルスルホキシドを約10％含む水
溶液からなる約40℃の凝固浴に導き、中空糸を得
た。この中空糸の内径は約250μ、膜厚は約50μ
であつた。この中空糸30本を有効長約12cmの小型ケースに
収納し、有効面積28cm²の試験モジユールを作製し
た。この中空糸モジユールの透水性（UFR）は78
ml／hr・m²・mmHgであり、0.2％アルプミン水溶
液を25℃、50mmHgの加圧下に、入口での線速度
５cm／sec.で流した時の液中へのアルブミンの
透過率は0.1％以下であり、過量（アルブミン
液でのUFR）は66ml／hr・m²・mmHgであつた。実施例５実施例１で用意した共重合体１部と共重合体
１部とを混合し、ジメチルスルホキシド中に
120℃でポリマ濃度18％となるように溶解し、実
施例２と同様の方法で凝固浴として４℃の水を用
い、膜厚130μの平膜Ｄを得た。この平膜Ｄの透過性能を表２に示す。実施例６実施例１で用意した共重合体１部と共重合体
１部とを混合し、ジメチルスルホキシド中に
120℃でポリマー濃度15％となるように溶解し、
実施例２と同様の方法で、凝固浴として４℃の水
を用い、膜厚120μの平膜Ｅを得た。この平膜の
透過性能を表２に示す。

【表】実施例７実施例１で用意した共重合体１部と共重合体
１部とを混合し、ジメチルスルホキシド中に
120℃でポリマ濃度16％となるように溶解した溶
液を紡糸原液とし、実施例４と同様な方法で、凝
固浴温度のみを４℃として中空糸を紡糸した。こ
の中空糸の内径は約220μ、膜厚は約30μであつ
た。この中空糸9000本を有効長190mmの中空糸型人
工腎臓ケースに通常の方法で収納し、有効面積
1.2m²のモジユールを作製した。このモジユール
の性能を表３に示す。また、比較のため、セルロース系中空糸型人工
腎臓の代表例としてコルデイス・ダウ社のＣ―
DAKモデル１，３モジユールの性能カタログ値
を表３に示す。

【表】

Claims

【特許請求の範囲】

１スルホン酸基を有する重合性単量体を0.5〜
10モル％含むメタクリル酸メチル共重合体と、第
４級窒素基を有する重合性単量体を0.5〜10モル
％含むメタクリル酸メチル共重合体とを、ジメチ
ルスルホキシドにスルホン酸基の数／第４級窒素
基の数が５／１〜１／５の混合比範囲、ポリマ濃
度５〜35重量％で溶解した溶液を製膜原液として
製膜することを特徴とする半透膜の製法。