[发明专利]三维多孔结构

说明书

本发明涉及多孔结构、制备该结构的方法和该结构在固相过程中的用途。所述结构在广泛范围的物理和化学方法中是有用的，特别是当需要与底物的相互作用时，例如固相合成、固相萃取、固相试剂、物类的固定化、细胞培养、催化、色谱法和在医学诊断中。

已制备三维大孔结构用于广泛范围的应用，包括例如作为用于色谱法的静止相的多孔整体（monoliths），用于物类过滤的多孔盘，用于电渗泵的多孔材料，用于固相合成和其他化学转化的固体支持物、绝缘材料、用于在燃料电池应用中使用的多孔膜和用于组织工程的多维支架。三维（3D）结构可以在一系列材料中制备，包括其包括例如聚苯乙烯的有机聚合物和其包括例如二氧化硅的无机聚合物。

然而，在广泛范围的聚合物中产生明确限定的孔尺度和互联通道中出现困难。其中可以获得对孔尺度的合理控制的聚合物范围是有限的。在广泛范围的聚合物中能够产生明确限定的孔尺度和通道将存在显著实际利益。

在色谱应用中，3D结构通常指的是整体（monolith）。当整体用于色谱应用时，采用3D结构代替常规微粒静止相。用于在微粒静止相的孔内的质量转移的一般驱动力是扩散。与扩散相比，通过整体的孔的对流流动使得大分子例如蛋白质的分离速度中的显著增加，并且3D整体在这点上优于常规静止相。

一般地，整体材料在平面或管状模子中制备，从模子中取出片层或圆柱体，并且将多孔聚合物穿孔或切片以获得盘。在这些整体内的孔通过加入成孔剂（porogens）而掺入。在例如基于二氧化硅的整体中，成孔剂一般是大分子例如聚乙二醇。在例如基于聚苯乙烯的整体中，成孔剂通常是甲苯。目前使用的成孔剂引入具有不定连接性的宽孔径分布，这对于整体的色谱性能是有害的。

用于过滤的3D结构通常通过烧结微粒进行制备。例如玻璃滤器通过例如烧结微粒玻璃进行制备。产生的烧结物的多孔性受起始玻璃粉的微粒大小控制，这是限定差的，并且导致宽孔径分布。这些烧结的3D结构可以用于一系列其他应用中，包括电渗泵，并且3D结构的孔径分布和互联通道影响通过泵的反压和流速。如果孔径太小，那么流速可以很高但随后反压也很高。提供用于例如在燃料电池中的应用的这些泵的效率可以通过提供更受控制的孔径得到极大改善，以促进有效对流流动。

质子交换膜燃料电池也称为聚合物电解质膜（PEM）燃料电池开发用于一系列应用包括运输应用。PEM燃料电池使用聚合物电解质膜，这希望地允许通过膜的有效对流流动。

在固相合成过程中有用的固体支持物材料是已知的。广泛范围的物理和化学方法采用固体支持物材料，包括例如有机分子特别是肽和寡肽的合成、物类的固定化、催化剂的支持、离子交换、从材料中萃取物类、诊断学和色谱法。

固相合成提供超过液相合成的某些优点，例如，分离操作步骤可以得到简化或避免，可以保证减少执行操作步骤的时间，并且产物可以以基本上定量的得率回收。聚合物支持物通常用于在常规有机化学中使用的催化剂的固定化，包括化学和生物催化剂，以及固定化在医学和诊断应用中的生物学大分子。

3D结构在固相萃取和在固相试剂的制备中的用途也是化学、药学和生物技术工业中已知的。

已知的固相支持物一般包含特定大小和物理性质的聚合物微粒，以适应于应用。为了易于使用，这些聚合物微粒通常是球形的且具有限定的微粒大小分布。微粒的球形性质改善聚合物的流动和过滤特征。尽管固体支持物的使用具有优点，但存在关于固相方法的缺点。例如，由于例如复杂的制造过程，通常用于肽和寡肽的固相合成的商购可得支持物是昂贵的。这些过程在某些方面是不利的，包括对于连续相的单体丧失，在聚合过程中一系列微粒大小的生成和细粒的不希望生成，和费力的微粒大小分类例如筛分和风选。

除在制备过程中不希望有的制造成本和废物，已知聚合微粒的物理性质中产生一些缺点。微孔聚合物可以用作支持物且具有相对低水平的交联剂，其允许聚合物微粒成溶剂化物且随后膨胀，这可以限制流动通道。微孔聚合微粒一般是柔软的，并且一般不适合于在填充柱床中以高流速在色谱应用中使用。此外，柔软微粒可能被不希望地压缩，并且例如在过滤过程中引起污垢，通常导致压缩侵入进入在柱底部使用的烧结物或网目内。大孔聚合物具有在聚合物基质中高水平的交联剂且含有大孔。刚性大孔和大网格微粒更适合于在填充柱床中的高流速。然而，由于刚性性质，微粒可以是脆性的且在物理应力下成碎片。

这些问题被常规柱填充技术所恶化，其中可以对聚合物微粒实施不希望有地大的应力。