CN102959018B - 半互穿聚合物网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半互穿聚合物网络。更具体地讲，所述半互穿聚合物网络包含至少两种紧密缔合的聚合物。第一聚合物是未交联的离子聚合物。第二聚合物是可为另一种离子聚合物或非离子聚合物的交联聚合物。本发明还描述了制备半所述互穿聚合物网络的方法、包括所述半互穿聚合物网络的制品，以及使用所述半互穿聚合物网络的方法。所述半互穿聚合物网络可起到离子交换树脂的作用。

Description

半互穿聚合物网络

技术领域

本文描述了半互穿聚合物网络、包括该半互穿聚合物网络的制品、制备该半互穿聚合物网络的方法以及使用该半互穿聚合物网络的方法。

背景技术

已通过对各种离子单体和交联单体进行共聚来制备离子交换树脂，例如以下专利中所述：美国专利No.7,683,100（Rasmussen等人）、No.7,674,835（Rasmussen等人）、No.7,674,836（Rasmussen等人）和No.7,098,253（Rasmussen等人）。已将一些离子交换树脂用于纯化和/或分离诸如蛋白质的生物分子。为了可用于大型纯化和/或分离工艺中，通常需要具有较高结合容量和足够刚性中的压流要求的离子交换树脂。制备具有此合适刚性和结合容量组合的离子交换树脂一直是行业中的挑战。

发明内容

公开了半互穿聚合物网络。更具体地讲，这些半互穿聚合物网络包含至少两种紧密缔合的聚合物。即，第一聚合物通过物理缠结至少部分截留在第二聚合物内。第一聚合物是未交联的离子聚合物。第二聚合物是可为另一种离子聚合物或非离子聚合物的交联聚合物。还描述了制备该半互穿聚合物网络的方法、包括该半互穿聚合物网络的制品、以及使用该半互穿聚合物网络的方法。半互穿聚合物网络可起到离子交换树脂的作用。

在第一方面，描述了一种半互穿聚合物网络。半互穿聚合物网络包含具有第一离子基团的第一离子聚合物和在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备的交联的第二聚合物。第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。

第二方面，描述了一种制备半互穿聚合物网络的方法。该方法包括形成水相组合物，其包含第一离子聚合物、第二单体组合物和水基溶剂组合物。第一离子聚合物可溶于水相组合物并具有第一离子基团。第二单体组合物可溶于水相组合物并包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。水基溶剂组合物包含水。该方法还包括使水相组合物悬浮在包含非极性有机溶剂的有机相中和聚合第二单体组合物以形成半互穿聚合物网络的粒子。

在第三方面，提供了一种分离、纯化或固定离子材料的方法。该方法包括提供一种半互穿聚合物网络，其包含具有第一离子基团的第一离子聚合物和在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备的交联的第二聚合物。第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。该方法还包括使半互穿聚合物网络与离子材料接触，该离子材料具有的电荷与第一离子基团的电荷相反。该方法还包括将离子材料的至少一部分吸附在半互穿聚合物网络上。

在第四方面，描述了一种制品。该制品包括多孔支承体和掺入到多孔支承体中、布置在多孔支承体的表面上或两者组合的半互穿聚合物网络粒子。半互穿聚合物网络粒子包含具有第一离子基团的第一离子聚合物和在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备的交联的第二聚合物。第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。

具体实施方式

提供了可起到离子交换树脂的作用的半互穿聚合物网络。这些离子交换树脂可用于分离、纯化或固定各种离子材料，这些离子材料具有与离子交换树脂的离子电荷相反的离子电荷。离子交换树脂可用于（如果需要的话）纯化、分离或固定在某些pH条件下为离子的各种靶材料的大型工艺中。换句话说，可制备离子交换树脂以提供经得起大型工艺的压力和流动要求的高结合容量和足够刚性。

术语“一种”、“该”和“所述”与“至少一个”可互换地使用，表示一个或多个所描述的元素。

措辞“A和/或B”中使用的术语“和/或”是指单独的A、单独的B或A与B的组合。

以端值对任何数值范围的表述是指包括该范围的端值、该范围内的所有数字和所述范围内的任何较窄范围。术语“带电的”和“离子的”是指具有至少一个离子基团或离子基团的中和形式作为其化学结构的一部分的材料。带负电的材料为离子材料（即，阴离子）并且根据pH条件包含至少一个离子基团或离子基团的中和形式。通常，离子基团或其中和形式包括例如弱酸性基团、弱酸性基团的盐、强酸性基团、强酸性基团的盐或它们的混合物。带正电的材料为阳离子材料（即，阳离子）并且根据pH条件包含至少一个阳离子基团或阳离子基团的中和形式。通常，阳离子基团或其中和形式包括例如弱碱性基团、弱碱性基团的盐、强碱性基团、强碱性基团的盐或它们的混合物。

如本文所用，术语“聚合物”或“聚合物型”是指为均聚物、共聚物、三元共聚物等的材料。同样，术语“聚合”或“聚合化”指制备均聚物、共聚物、三元共聚物等的工序。术语“共聚物”或“共聚物的”可用于指使用两种或更多种不同的单体制备的聚合物。

如本文所用，术语“半互穿聚合物网络”是指至少两种具有不同组成的聚合物材料（即聚合物）的网络。这些聚合物中的至少一种进行交联，而这些聚合物中的至少一种未进行交联。两种聚合物材料并不是简单地共混在一起而是彼此更紧密地缔合。例如，交联的第二聚合物通常在存在非交联聚合物的情况下形成并且通过物理缠结至少部分地截留非交联聚合物。

术语“容量”、“结合容量”和“离子交换容量”可互换使用。通常通过测定实例部分中所描述的静态离子交换容量或动态离子交换容量来测量容量。

更具体地讲，半互穿聚合物网络包含第一离子聚合物和交联的第二聚合物。在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合来制备交联的第二聚合物。第一离子聚合物未进行交联并且可具有(a)离子基团和/或中和的阴离子基团或(b)阳离子基团和/或中和的阳离子基团。交联的第二聚合物可为离子或非离子。如果交联的第二聚合物为离子，则其通常包含与第二离子基团第一离子聚合物的第一离子基团相反的电荷。交联的第二聚合物至少部分地截留第一离子聚合物。

可将任何合适的离子聚合物并入半互穿聚合物网络中作为第一离子聚合物。第一离子聚合物具有多个第一离子基团，第一离子基团根据pH可带正电、带负电或为中性。由于第一离子聚合物的存在，所得的半互穿网络可起到离子交换树脂的作用。合适的带负电的离子基团或其中和形式包括例如弱酸性基团、强酸性基团、弱酸性基团的盐、强酸性基团的盐，或它们的组合。酸性基团的盐可具有选自例如下列的抗衡离子：碱金属离子、碱土金属离子、铵离子，或被烷基、芳基、芳烷基或它们的组合取代的铵离子。合适的带正电的基团或其中和形式包括例如弱碱性基团、强碱性基团、弱碱性基团的盐、强碱性基团的盐或它们的组合。碱性基团的盐可具有选自例如下列的抗衡离子：卤离子（例如氯离子）、羧酸根（例如乙酸根或甲酸根）、硝酸根、磷酸根、硫酸根、硫酸氢根、甲基硫酸根或氢氧根。

第一离子聚合物通常通过包含至少一种离子单体的第一单体组合物的聚合而形成。离子单体通常包含离子基团以及能够进行自由基聚合的至少一种烯键式不饱和基团。在一些实施例中，烯键式不饱和基团为(甲基)丙烯酰基或乙烯基。

用于制备第一离子聚合物的一些带负电的离子单体或其中和形式具有强酸性基团或其盐。例如，一些合适的离子单体包括（但不限于）式(I)的(甲基)丙烯酰胺磺酸或其盐。

在式I中，Y¹为直链或支链亚烷基（例如具有1至10个碳原子，1至6个碳原子，或1至4个碳原子的亚烷基）并且R¹为氢或甲基。根据式I的示例性离子单体包括（但不限于）N-丙烯酰胺甲烷磺酸、2-丙烯酰胺乙烷磺酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸和2-甲基丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。也可以使用这些酸性单体的盐。

其它合适的带负电的离子单体或其中和形式包括磺酸，例如乙烯基磺酸和4-苯乙烯磺酸；膦酸，例如乙烯基膦酸；(甲基)丙烯酰胺膦酸，例如（甲基）丙烯酰胺烷基膦酸(如，2-丙烯酰胺乙基膦酸和3-甲基丙烯酰胺丙基膦酸)；丙烯酸和甲基丙烯酸；以及（甲基）丙烯酸羧烷酯，例如丙烯酸-2-羧乙酯、甲基丙烯酸-2-羧乙酯、丙烯酸-3-羧丙酯和甲基丙烯酸-3-羧丙酯。具有酸性基团的其它合适的离子单体包括诸如美国专利No.4,157,418(Heilmann)中所述的那些(甲基)丙烯酰氨基酸。示例性的(甲基)丙烯酰氨基酸包括（但不限于）N-丙烯酰甘氨酸、N-丙烯酰天冬氨酸、N-丙烯酰-β-丙氨酸和2-丙烯酰胺乙醇酸。还可使用任何这些具有酸性基团的离子单体的盐。

在一些实施例中，第一离子聚合物为阴离子聚合物例如聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)或其盐，例如其钠盐。

用于制备第一离子聚合物的带正电的一些离子单体或其中和形式具有强碱性基团或其盐。例如，一些合适的离子单体包括（但不限于）式(II)的氨基(甲基)丙烯酸酯或氨基(甲基)丙烯酰胺或其季铵盐。

在式II中，R¹为氢或甲基；L为氧基或–NH-；并且Y²为亚烷基（例如具有1至10个碳原子，1至6个碳原子，或1至4个碳原子的亚烷基）。每个R²独立地为氢、烷基、羟烷基（即被羟基取代的烷基）或氨基烷基（即被氨基取代的烷基）。或者，两个R²基团与它们所连接的氢原子合在一起可以形成芳族的、部分不饱和的（即，不饱和的但非芳族的）或饱和的杂环基团，其中杂环基团可以任选地稠合为芳族的（如苯）、部分不饱和的（如环己烯）或饱和的（如环己烷）第二环。季铵盐的抗衡离子通常是卤离子、硫酸根、磷酸根、硝酸根等。

在式(II)的一些实施例中，两个R²基团均为氢。在其它实施例中，R²基团中的至少一个是具有1至10个碳原子，1至6个碳原子或1至4个碳原子的烷基。在其它实施例中，R²基团中的至少一个是具有1至10个碳原子，1至6个碳原子或1至4个碳原子的羟烷基或氨烷基，其中羟基或氨基位于烷基的任何碳原子上。在其它实施例中，R²基团与连接它们的氮原子结合，以形成杂环基团。杂环基团包含至少一个氮原子，并且可含有其它杂原子，例如氧或硫。示例性的杂环基团包括（但不限于）咪唑基。杂环基团可稠合至另外的环，例如苯、环己烯或环己烷。稠合到另外的环上的示例性杂环基团包括（但不限于）苯并咪唑基。

示例性的氨基(甲基)丙烯酸酯（即式II中的L为氧基）包括(甲基)丙烯酸-N,N-二烷氨基烷基酯，例如甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯、丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸N,N-二乙基氨基乙酯、丙烯酸-N,N-二乙氨基乙酯、甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基丙酯、丙烯酸-N,N-二甲氨基丙酯、甲基丙烯酸-N-叔丁基氨基丙酯、丙烯酸-N-叔丁基氨基丙酯等。

示例性的氨基(甲基)丙烯酰胺（即式II中的L为-NH-）包括例如N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺、N-(3-氨丙基)丙烯酰胺、N-[3-(二甲氨基)丙基]甲基丙烯酰胺、N-(3-咪唑基丙基)甲基丙烯酰胺、N-(3-咪唑基丙基)丙烯酰胺、N-(2-咪唑基乙基)甲基丙烯酰胺、N-(1,1-二甲基-3-咪唑基丙基)甲基丙烯酰胺、N-(1,1-二甲基-3-咪唑基丙基)丙烯酰胺、N-(3-苯并咪唑基丙基)丙烯酰胺和N-(3-苯并咪唑基丙基)甲基丙烯酰胺。

式(II)离子单体的示例性季盐包括（但不限于）(甲基)丙烯酰胺基烷基三甲基铵盐（例如3-甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵和3-丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵）和(甲基)丙烯酰氧基烷基三甲基铵盐（例如2-丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵、2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵、3-甲基丙烯酰氧基-2-羟基丙基三甲基氯化铵、3-丙烯酰氧基-2-羟丙基三甲基氯化铵和2-丙烯酰氧基乙基三甲基硫酸甲酯铵盐）。

可以向离子交换树脂提供带正电基团的其它单体包括链烯吖内酯的二烷基氨基烷基胺加合物（如乙烯基二甲基吖内酯的2-(二乙基氨基)乙胺、(2-氨基乙基)三甲基氯化铵和3-(二甲基氨基)丙胺加合物）和二烯丙基胺单体（如二烯丙基氯化铵和二烯丙基二甲基氯化铵）。

在一些实施例中，第一离子聚合物为阳离子聚合物，例如聚(甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)、聚(丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)和聚(二烯丙基二甲基氯化铵)。

通常将第一单体组合物中第一离子单体的量选择为使得所得的第一离子聚合物具有足够数量的离子基团，以在并入半互穿聚合物网络中时起到离子交换树脂的作用。在许多实施例中，第一单体组合物包含基于第一单体组合物中单体的总重量计至少50重量%的第一离子单体。例如，第一单体组合物包含基于第一单体组合物中单体的总重量计至少60重量%、至少70重量%、至少80重量%、至少90重量%、至少95重量%、至少98重量%或至少99重量%的第一离子单体。在许多实施例中，第一单体组合物中所有单体均为离子单体。尽管第一单体组合物可包含不止一个离子单体，但所有离子单体均通常被选择为具有相同的电荷和/或其中和形式。即，所有离子基团均为：(a)带正电的和/或其中和形式或者(b)带负电的和/或其中和形式。

除了离子单体之外，第一单体组合物还可包含至少一些非离子单体。例如，第一单体组合物可包含最多1重量%、最多2重量%、最多5重量%、最多10重量%、最多20重量%、最多30重量%、最多40重量%或最多50重量%的非离子单体。即，第一单体组合物可包含0至50重量%的非离子单体。为了使第一离子聚合物的离子交换容量（即结合容量)最大化，通常将非离子单体的量选择为低于或显著低于第一单体组合物中离子单体的量。例如，第一单体组合物可包含基于第一单体组合物中单体的总重量计为0至40重量%、0至20重量%、0至10重量%或0至5重量%的非离子单体。

为了确保第一离子聚合物可溶于（即溶解于）用于制备半互穿聚合物网络的水相组合物中，通常将用于形成第一离子聚合物的第一单体组合物中的所有单体选择为具有不大于20的亲脂性指数。如本文所用，术语“亲脂性指数”或“LI”是指用于表征单体的疏水性或亲水性的指数。通过在等体积(1:1)的非极性溶剂（如己烷）和极性溶剂（如75:25的乙腈-水溶液）中分配单体来确定亲脂性指数。亲脂性指数等于分配后保留在非极性相中的单体的重量百分数。疏水性较好的单体往往具有较高的亲脂性指数；类似地，亲水性较好的单体往往具有较低的亲脂性指数。亲脂性指数的测定在Drtina等人的Macromolecules,29,4486-4489(1996)（《大分子》1996年第29期第4486-4489页）中有进一步的描述。

具有足够低的亲脂性指数的非离子性单体的实例包括，但不限于：羟烷基(甲基)丙烯酸酯，例如2-羟乙基丙烯酸酯、3-羟丙基丙烯酸酯、2-羟乙基甲基丙烯酸酯(例如，LI为1)和3-羟丙基甲基丙烯酸酯(例如，LI为2)；丙烯酰胺（例如，LI小于1）和甲基丙烯酰胺（LI小于1）；单甲基丙烯酸甘油酯和单丙烯酸甘油酯；N-烷基(甲基)丙烯酰胺，例如N-甲基丙烯酰胺(例如，LI小于1)、N,N-二甲基丙烯酰胺(例如，LI小于1)、N-甲基甲基丙烯酰胺和N,N-二甲基甲基丙烯酰胺；N-乙烯基酰胺，例如N-乙烯基甲酰胺、N-乙烯基乙酰胺和N-乙烯基吡咯烷酮；乙酰氧烷基（甲基）丙烯酸酯，例如2-乙酰氧乙基丙烯酸酯和2-乙酰氧乙基甲基丙烯酸酯（例如，LI为9）；缩水甘油基（甲基）丙烯酸酯，例如缩水甘油基丙烯酸酯和缩水甘油基甲基丙烯酸酯（例如，LI为11）；以及乙烯基烷基吖内酯，例如乙烯基二甲基吖内酯（例如，LI为15）。

可使用任何合适的方法形成第一离子聚合物。可例如在水基介质中使用自由基聚合方法形成此聚合物。在一些示例性方法中，水基溶剂组合物包含水或水与具有不超过4个碳原子的一元醇的组合。通常将反应混合物用氮气吹扫，然后在密封容器中在60℃下加热至少2小时、至少4小时、至少8小时或至少24小时。制备第一离子聚合物的合适的方法在下文的实例部分进一步描述。

一些合适的市售阴离子聚合物包括例如聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(苯乙烯磺酸)、聚(乙烯基膦酸)的钠盐、聚(苯乙烯磺酸/马来酸)的钠盐、聚(丙烯酰胺/丙烯酸)的钠盐。一些合适的市售阳离子聚合物包括例如脱乙酰壳多糖、聚(烯丙胺)的盐酸盐、聚(4-氨基苯乙烯)、聚(二烯丙基二甲基氯化铵)、聚(2-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯)、聚(l-赖氨酸氢溴酸盐)、聚(2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基溴化铵)、聚(N-甲基乙烯基胺)、聚(乙烯基氨)的盐酸盐、聚(4-乙烯基-1-甲基吡啶溴盐)和聚(2-乙烯基吡啶)。这些聚合物可得自各种来源，例如宾夕法尼亚州沃灵顿的聚合科学公司（Polysciences,Inc.(Warrington,PA)）。

尽管合适分子量的第一离子聚合物可用作半互穿聚合物网络中的第一离子聚合物，但第一离子聚合物的重均分子量通常为至少50,000克/摩尔。例如，重均分子量通常为至少75,000克/摩尔、至少100,000克/摩尔、至少150,000克/摩尔或至少200,000克/摩尔。通常将重均分子量选择为使得第一离子聚合物可溶于用于形成半互穿网络的水相组合物中。更具体地讲，重均分子量通常不大于2,000,000克/摩尔、不大于1,500,000克/摩尔、不大于1,000,000克/摩尔、不大于750,000克/摩尔或不大于500,000克/摩尔。重均分子量通常在50,000至2,000,000克/摩尔的范围内、在100,000至2,000,000克/摩尔的范围内、在50,000至1,000,000克/摩尔的范围内、在100,000至1,000,000克/摩尔的范围内、在50,000至500,000克/摩尔的范围内、或在100,000至500,000克/摩尔的范围内。

除了第一离子聚合物之外，半互穿聚合物网络还包含在存在第一离子聚合物的情况下形成的交联的第二聚合物。即，两种聚合物紧密缔合并且交联的第二聚合物通过物理缠结来至少部分地截留第一离子聚合物。交联的第二聚合物可为离子或非离子。

半互穿网络通常包含至少10重量%的第一离子聚合物。如果第一离子聚合物的量较低，则半互穿网络可能不能有效地起到离子交换树脂的作用。半互穿网络通常包含至少20重量%、至少30重量%或至少40重量%的第一离子聚合物。半互穿网络可包含最多80重量%、最多70重量%、最多60重量%或最多50重量%的第一离子聚合物。然而，如果第一离子聚合物的量过高，则所得半互穿聚合物网络可能包含不足量的提供刚性和强度的交联的第二聚合物。另外，如果第一离子聚合物的量过高，则交联的第二聚合物可能以不足以截留第一离子聚合物的量存在。在一些实施例中，半互穿网络包含基于半互穿网络中聚合物材料的总重量计10至80重量%、20至80重量%、10至60重量%、20至60重量%、30至60重量%、35至55重量%或40至50重量%的第一离子聚合物。

半互穿聚合物网络通常包含10至80重量%的第一离子聚合物和20至90重量%的交联的第二聚合物。例如，半互穿聚合物网络可包含20至70重量%的第一离子聚合物和30至80重量%的交联的第二聚合物、30至70重量%的第一离子聚合物和30至70重量%的交联的第二聚合物、30至60重量%的第一离子聚合物和40至70重量%的交联的第二聚合物、30至50重量%的第一离子聚合物和50至70重量%的交联的第二聚合物或35至45重量%的第一离子聚合物和55至65重量%的交联的第二聚合物。

在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合来制备交联的第二聚合物。通常将第一离子聚合物和第二单体组合物两者均选择为可溶于水相组合物。第二单体组合物包含交联单体并且可任选地包含可溶于诸如水基溶剂组合物的水相组合物中的其它单体，例如离子单体或非离子单体。

用于第二单体组合物的合适的交联单体为具有至少两个烯键式不饱和基团并且可溶于水或水基溶剂组合物的那些交联单体。换句话说，将交联单体选择为亲脂性指数小于或等于20。合适的交联单体通常为N,N'-亚烷基双(甲基)丙烯酰胺、N,N'-杂亚烷基双(甲基)丙烯酰胺或它们的组合。这些交联单体具有两个能够发生反应使一个聚合物链与另一聚合物链交联或能够发生反应使聚合物链的一部分与同一聚合物链的另一部分交联的(甲基)丙烯酰基。该交联涉及交联的第二聚合物而非第一离子聚合物。

合适的N,N’-亚烷基双(甲基)丙烯酰胺交联单体包括（但不限于）具有1至10个碳原子、1至8个碳原子、1至6个碳原子或1至4个碳原子的亚烷基基团的那些。实例包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺、N,N’-亚乙基双丙烯酰胺、N,N’-亚乙基双甲基丙烯酰胺、N,N’-亚丙基双丙烯酰胺、N,N’-亚丙基双甲基丙烯酰胺、N,N’-六亚甲基双丙烯酰胺和N,N'-六亚甲基双甲基丙烯酰胺。合适的N,N'-杂亚烷基双（甲基）丙烯酰胺交联单体包括（但不限于）N,N'-胱胺双丙烯酰胺、N,N'-哌嗪双丙烯酰胺和N,N'-哌嗪双甲基丙烯酰胺。这些交联单体可商购自多个供应商，例如威斯康辛州密尔沃基的西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich(Milwaukee,WI)）和宾夕法尼亚州沃灵顿的聚合科学公司。或者，可以本领域中描述的方法来合成这些交联单体，例如Rasmussen等人的ReactivePolymers（反应性聚合物），16,199-212(1991/1992)。

第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。如果使用较低的量，所得半互穿聚合物网络可能不具有合格的刚性。另外，第二单体组合物中较高量的交联单体往往会导致第一离子聚合物更有效地截留在所得半互穿网络中的交联的第二聚合物内。一些示例性第二单体组合物包含至少40重量%、至少50重量%、至少60重量%、至少70重量%、至少80重量%、至少90重量%、至少95重量%或至少98重量%的交联单体。一些第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计为50至100重量%、70至100重量%、80至100重量%或90至100重量%的交联单体。

尽管除了交联单体之外可将其它单体并入第二单体组合物中，但此组合物中所有的或基本上所有的单体的亲脂性指数小于或等于20。如本文所用，术语“基本上所有”是指以杂质形式存在的亲脂性指数大于20的任何单体。基于第二单体组合物中单体的总重量计，亲脂性指数大于20的任何杂质的存在量少于2重量%、少于1重量%、少于0.5重量%、少于0.2重量%或少于0.1重量%。在一些实施例中，第二单体组合物中的所有的或基本上所有的单体的亲脂性指数不大于15、不大于10、不大于5、不大于3或不大于1。

可并入第二单体混合物中的合适的离子单体和非离子单体与以上描述用于制备第一离子聚合物的那些相同。如果将离子单体并入第二单体组合物中，则通常将这些离子单体上的离子基团（即第二离子基团）的电荷选择为与并入第一离子聚合物中的那些相反。即，如果第一离子聚合物包含酸性基团和/或其盐，则交联的第二聚合物可具有碱性基团和/或其盐。同样，如果第一离子聚合物包含酸性基团和/或其盐，则交联的第二聚合物可具有碱性基团和/或其盐。

交联的第二聚合物上存在电荷与并入第一离子聚合物的电荷相反的离子基团可有利于将第一离子聚合物截留在交联的第二聚合物内。然而，交联的第二聚合物上的第二离子基团的摩尔数应小于第一离子聚合物上的第一离子基团的摩尔数。即，应有过量的第一离子基团保留在第一离子聚合物上（即，第一离子聚合物上的过量的第一离子基团未被吸引至交联的第二聚合物上的具有相反电荷的第二离子基团），使得所得半互穿聚合物网络可起到离子交换树脂的作用。通常，第一离子聚合物上不大于50摩尔%的第一离子基团被吸引至交联的第二聚合物上的第二离子基团（即，被其平衡或起到其抗衡离子的作用）。例如，第一离子聚合物上的不大于40摩尔%、不大于30摩尔%、不大于20摩尔%、不大于10摩尔%或不大于5摩尔%的第一离子基团被吸引至交联的第二聚合物的第二离子基团。

可将任何量的离子单体并入用于形成交联的第二聚合物的第二单体组合物中，前提条件是存在足够量的交联单体。在一些实施例中，第二单体组合物可包含基于第二单体组合物中单体的总重量计最多50%的离子单体。例如，第二单体组合物可包含最多40重量%、最多30重量%、最多20重量%、最多10重量%或最多5重量%的离子单体。第二单体组合物可包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少1重量%、至少2重量%、至少5重量%或至少10重量%的离子单体。

在一些实施例中，第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计为50至99重量%的交联单体和1至50重量%的离子单体。例如，第二单体组合物可包含50至95重量%的交联单体和5至50重量%的离子单体、60至95重量%的交联单体和5至40重量%的离子单体、70至95重量%的交联单体和5至30重量%的离子单体、80至95重量%的交联单体和5至20重量%的离子单体或90至99重量%的交联单体和1至10重量%的离子单体。

交联的第二聚合物在存在第一离子聚合物的情况下形成。即，形成交联的第二聚合物的自由基聚合反应在存在第一离子聚合物的情况下进行。交联的第二聚合物通常通过物理缠结至少部分地截留第一离子聚合物。第一离子聚合物与交联的第二聚合物的重量比可影响半互穿聚合物网络的最终性质和特性。通常，第一离子聚合物影响所得离子交换树脂的结合容量（即离子交换容量）。因此，离子交换树脂的容量通常随着并入半互穿聚合物网络中的第一聚合物的量的增加而增加。通常，交联的第二聚合物影响半互穿聚合物网络的刚性。刚性随着半互穿聚合物网络中交联的第二聚合物的交联程度的增加而增加。如果半互穿聚合物网络将用作布置在色谱柱内的离子交换树脂，则增加的刚性通常是有利的。更刚性的聚合物粒子可通常更好地经受与以商业或工业规模使用的一些色谱柱相关的高压。

由第二单体组合物形成交联的第二聚合物所涉及的自由基聚合反应通常在水相组合物中进行。水相组合物包含第一离子聚合物和第二单体组合物的单体可溶于其中的水基溶剂组合物（如水或水外加一种或多种极性溶剂）。水基溶剂组合物通常包含水外加具有1至4个碳原子的一元醇。合适的一元醇包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、叔丁醇或它们的组合。

在一些实施例中，至少20重量%的水基溶剂组合物可为一元醇。例如，至少30重量%、至少40重量%或至少50重量%的水基溶剂组合物可为一元醇。最多90重量%、最多80重量%、最多70重量%或最多60重量%的水基溶剂组合物可为一元醇。例如，一元醇的量的范围可为20至90重量%、20至80重量%、20至60重量%、30至90重量%、30至80重量%、30至60重量%、40至90重量%、40至80重量%、50至90重量%或50至80重量%的水基溶剂组合物。

水基溶剂组合物还可包含能与水和一元醇混溶的附加的共溶剂。合适的水相共溶剂包括，但不限于二甲亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈等。共溶剂可以（例如）提高某些单体例如第二单体组合物中的交联单体的溶解度。另外，共溶剂可影响形成第二聚合物的相分离行为并且可影响所得半互穿聚合物网络的孔隙率特性。水基溶剂通常包含0至20重量%的附加水相共溶剂。例如，水基溶剂可包含0至15重量%、0至10重量%、1至10重量%或1至5重量%的水相共溶剂。

通常将水相组合物中的第一离子聚合物的量、第二单体组合物的量以及水基溶剂组合物选择为使得所有单体和第一离子聚合物溶解在水基溶剂组合物内。水基溶剂组合物通常为水相组合物（例如水基溶剂组合物、第一聚合物和第二单体组合物）的总重量的至少50重量%。例如，水相组合物可包含至少60重量%、至少70重量%、至少80重量%或至少90重量%的水基溶剂组合物。在一些实施例中，水相组合物包含50至95重量%、50至90重量%、50至80重量%、60至95重量%或60至90重量%的水基溶剂组合物。

水相组合物还可包含可溶于水相组合物中的成孔剂。成孔剂以及水相组合物中的其它组分（例如交联单体的量和一元醇的量）可有利于形成大孔的半互穿聚合物网络。

如本文所用，术语“大孔的”是指即使在干燥状态下也具有永久多孔结构的聚合物材料（例如半互穿聚合物网络）。虽然聚合物材料在接触溶剂时可溶胀，但无需通过溶胀来使得能穿过多孔结构进入聚合物材料内部。相比之下，术语“凝胶”或“凝胶型”可互换使用，用来表示干燥状态下不具有永久多孔结构、但可被合适的溶剂膨胀以允许通过扩散方式进入聚合物材料内部的聚合物材料。大孔聚合物材料和凝胶型聚合物材料在下列文献中有进一步的描述：Sherrington的Chem.Commun.（化学通讯），2275-2286(1998)和Macintyre,Macromolecules（大分子），37,7628-7636(2004)。术语大孔的和凝胶型并非意在指明具体的孔径或具体的孔径范围。

合适的成孔剂通常为脂族的和水溶性的。成孔剂不为单体并且不含诸如可发生自由基聚合反应的烯键式不饱和基团。成孔剂通常非共价地连接至半互穿聚合物网络并且通常在第二单体组合物的聚合反应结束之后被移除。然而，在聚合反应期间，成孔剂的一部分可以通过链转移反应与聚合物网络共价键合。优选地，成孔剂未键合至聚合物网络。

一些合适的成孔剂为式(III)的环氧烷或聚环氧烷。

R³-(R⁴-O)_n-R⁵

(III)

在此式中，基团R³为羟基、烷氧基、羧基、酰氧基或卤素；每个R⁴独立地为具有1至4碳原子的亚烷基；R⁵为氢、烷基、羧烷基、酰基或卤代烷基；和n为1至1,000的整数。

在式(III)的一些示例性成孔剂中，两个端基（即基团-R³和基团-OR⁵）均为羟基（即R³为羟基并且R⁵为氢）。在其它示例性成孔剂中，R³为羟基并且R⁵为烷基（例如具有1至20个、1至10个、1至6个或1至4个碳原子的烷基）、卤代烷基（例如氯烷基，如氯甲基）、酰基（例如乙酰基）或羧烷基（例如，羧甲基）。也就是说，一个端基是羟基，而另一端基是烷氧基、卤代烷氧基、酰氧基或羧基(例如，羧烷氧基，它是用羧基取代的烷氧基)。在其它示例性成孔剂中，R³为烷氧基（例如，具有1至10、1至6或1至4个碳原子的烷氧基），并且R⁵烷基（例如具有1至10、1至6或1至4个碳原子的烷基）或酰基（例如乙酰基）。也就是说，一个端基为烷氧基，而另一端基为烷氧基或酰氧基。在其它示例性成孔剂中，R³为羧基并且R⁵为羧烷基（例如，羧甲基）。即，两个端基均为羧基（-OR⁵为羧基烷氧基）。

式(III)中的基团R⁴为亚烷基，例如亚乙基或亚丙基。带有亚乙基R⁴基团的合适成孔剂包括乙二醇和基于乙二醇的材料，例如二乙二醇、三乙二醇及更高级的同系物。乙二醇的更高级同系物往往被称为聚乙二醇(即，PEG)或聚环氧乙烷（即，PEO）。带有亚丙基R⁴基团的其它合适的成孔剂包括丙二醇和基于丙二醇的材料，例如二丙二醇、三丙二醇及更高级的同系物。丙二醇的更高级同系物往往被称为聚丙二醇（即，PPG）或聚环氧丙烷（即，PPO）。成孔剂可以为聚环氧乙烷和聚环氧丙烷的无规或嵌段共聚物。

式(III)中的下标n可以为大于1、大于2、大于5、大于10、大于20、大于50、大于100、大于200或大于500的整数。例如，n可以为1至1,000范围、1至800范围、1至600范围、1至500范围、1至200范围或1至100范围上的整数。

式(III)的一些成孔剂为分子量为至少200克/摩尔、至少400克/摩尔、至少800克/摩尔、至少1,000克/摩尔、至少2,000克/摩尔、至少4,000克/摩尔、至少8,000克/摩尔或至少10,000克/摩尔的聚环氧烷。聚环氧烷成孔剂通常具有的平均分子量为最多20,000克/摩尔、最多16,000克/摩尔、最多12,000克/摩尔、最多10,000克/摩尔、最多8,000克/摩尔、最多6,000克/摩尔、最多4,000克/摩尔、最多2,000克/摩尔或最多1,000克/摩尔。例如，聚环氧烷成孔剂通常具有的平均分子量在200至20,000克/摩尔的范围内、在200至16,000克/摩尔的范围内、在200至8,000克/摩尔的范围内、在200至4,000克/摩尔的范围内、在200至2,000克/摩尔的范围内、在200至1,000克/摩尔的范围内、在500至4,000克/摩尔的范围内、在1,000至4,000克/摩尔的范围内或在1,000至3,000克/摩尔的范围内。

具有端基（即，基团R³和–OR⁵）的聚环氧烷是市售的，该端基选自羟基、甲氧基、羟基和甲氧基的组合、羟基和氯基的组合、烷氧基和乙酰氧基的组合或至少一个羧基。这种材料例如可以从威斯康辛州密尔沃基的西格玛-奥德里奇（Sigma-Aldrich(Milwaukee,WI)）、亚拉巴马州亨次维尔的奈克塔公司（Nektar(Huntsville,AL)）和密歇根州米德兰的陶氏化学公司（DowChemical(Midland,MI)）处获得。

其它合适的成孔剂为具有至少三个羟基的脂族化合物。例如，成孔剂可具有的羟基与碳的摩尔比为至少0.5。在一些实施例中，羟基与碳的摩尔比为至少0.6、至少0.8或至少1.0。成孔剂的重均分子量可通常为最多10,000克/摩尔、最多9,000克/摩尔、最多8,000克/摩尔、最多6,000克/摩尔、最多4,000克/摩尔、最多2,000克/摩尔、最多1,000克/摩尔或最多500克/摩尔。

一些示例性成孔剂为诸如单糖、二糖或多糖的糖。合适的单糖包括（但不限于）赤藓糖、苏糖、核糖、阿拉伯糖、木糖、来苏糖、阿洛糖、阿卓糖、葡萄糖、甘露糖、古洛糖、艾杜糖、半乳糖、塔洛糖、果糖、山梨糖、核酮糖和景天庚酮糖。合适的二糖包括（但不限于）蔗糖、麦芽糖和乳糖。合适的多糖包括（但不限于）麦芽三糖和葡聚糖。

其它示例性成孔剂为式HOCH₂(CHOH)_pCHO的单糖的衍生物，其中p为等于2、3或4的整数。合适的衍生物具有至少三个羟基。一些衍生物为单糖的氧化产物。该氧化产物可为式HOCH₂(CHOH)_pCOOH的一元羧酸，例如葡萄糖酸（即来自葡萄糖）或甘露糖酸（即来自甘露糖）；式HOOC(CHOH)_pCOOH的二羧酸，例如葡糖二酸（即来自葡萄糖）、甘露糖二酸（即来自甘露糖）、木糖二酸（即来自木糖）或酒石酸（即来自苏糖）；式HOCH₂(CHOH)_pCH₂OH的多羟基醇，例如山梨醇（即来自葡萄糖）、甘露糖醇（即来自甘露糖）或核糖醇（即来自核糖）；式HOOC(CHOH)_pCHO的醛酸，例如葡糖醛酸（即来自葡萄糖）或甘露糖醛酸（即来自甘露糖）。单糖的其它衍生物为具有至少一个被氨基置换的羟基的氨基衍生物。合适的单糖的氨基衍生物包括（但不限于）葡糖胺和还原葡糖胺。单糖的额外的衍生物为具有至少一个被烷氧基置换的羟基的烷氧基衍生物。合适的单糖的烷氧基衍生物包括（但不限于）甲基吡喃葡萄糖苷、甲基吡喃半乳糖苷和3-O-甲基吡喃葡萄糖。

其它示例性成孔剂为具有至少三个羟基的多元醇，例如甘油、肌醇、季戊四醇、三羟甲基乙烷、三羟甲基丙烷、二戊赤藓醇和三季戊四醇。

可将引发剂加入水相组合物以引发第二单体组合物的自由基聚合反应。该自由基引发剂通常可溶于水基溶剂组合物。可通过加热、光化学方式或氧化还原反应来激活自由基引发剂。自由基引发剂的用量基于第二单体组合物中单体的总重量计通常在0.02至10重量%的范围内。在一些实例中，自由基引发剂的存在量基于第二单体组合物中单体的总重量计为2至6重量%。

合适的水溶性热引发剂包括例如偶氮化合物、过氧化物或氢过氧化物、过硫酸盐等。示例性的偶氮化合物包括2,2’-偶氮二[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐、2,2’-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐和4,4’-偶氮二-(4-氰基戊酸）。市售的热偶氮化合物引发剂的实例包括按商品名称“VAZO”得自特拉华州威明顿的杜邦特殊化学品公司（DuPontSpecialtyChemical(Wilmington,DE)）的材料，例如VAZO44、VAZO56和VAZO68。合适的过氧化物和氢过氧化物包括过氧化乙酰、叔丁基过氧化氢、异丙苯过氧化氢和过氧乙酸。合适的过硫酸盐包括例如过硫酸钠和过硫酸铵。

在其它例子中，自由基引发剂为氧化还原对，例如过硫酸铵和N,N,N’,N’-四甲基乙二铵(TMEDA)、或过硫酸钠和N,N,N’,N’-四甲基乙二铵；过硫酸铵和硫酸亚铁铵、或过硫酸钠和硫酸亚铁铵；过氧化氢和硫酸亚铁铵；异丙基苯过氧化氢和N,N-二甲基苯胺等。

诸如温度和反应时间的聚合反应条件取决于所选择的具体自由基引发剂。温度通常为约50℃至150℃以热引发聚合反应。在一些方法中，温度在55℃至100℃的范围内。对于氧化还原或光化学引发的聚合反应，温度可接近室温或低于室温（如果需要的话）。反应时间可在30分钟至24小时或更多的范围内。通常，2至4小时的反应时间是足够的。

在一些实施例中，水相组合物是在第二单体组合物的聚合反应开始时存在的唯一的相。随着聚合反应进行，所得半互穿聚合物网络通常从水相沉淀。最终产物可为任何形状的整块，如块状或用于制备半互穿聚合物网络的容器的形状。如果需要，可通过切割、压碎、压裂、铣削等由整块形成粒子。这些粒子可具有均一或不均一粒径的规则或不规则形状。

在其它实施例中，反相悬浮聚合方法用于形成半互穿聚合物网络。在反相悬浮聚合方法中，水相组合物分散或悬浮在不与水相组合物混溶的有机相中。更具体地讲，该方法包括形成水相组合物，其包含第一离子聚合物、第二单体组合物和水基溶剂组合物。第一离子聚合物可溶于水相组合物并具有第一离子基团。第二单体组合物可溶于水相组合物并包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。水基溶剂组合物包含水。该方法还包括使水相组合物悬浮在包含非极性有机溶剂的有机相中并聚合第二单体组合物以形成半互穿聚合物网络的粒子。

有机相中的非极性有机溶剂与水相组合物的体积比范围通常是2:1至6:1。包含第二单体组合物、第一离子聚合物和水基溶剂组合物的水相组合物通常以较小的液滴分散在有机相中，该有机相主要是非极性有机溶剂。除了起分散水相组合物的惰性介质的作用之外，悬浮介质(即，有机相)的主要目的是为了消散聚合反应期间产生的热。在一些实施例中，可以选择悬浮介质的密度与水相组合物近似相等。大致匹配的这些密度往往会导致形成更具球形以及更均一粒径的半互穿聚合物网络的粒子。

用于有机相中的合适的非极性有机溶剂通常为烷烃，例如己烷、庚烷、正辛烷、异辛烷、异十二烷和环己烷；异链烷烃，例如可以商品名“ISOPAR”从弗吉尼亚州费尔法克斯的埃克森美孚（ExxonMobil(Fairfax,VA)）商购获得的那些；卤代烃，例如四氯化碳、氯仿和二氯甲烷；芳香烃，例如苯和甲苯；低粘度硅油；矿物油；醚，例如甲基-叔丁基醚(MBTE)；或它们的组合。例如，非极性有机溶剂可以为庚烷与二氯甲烷或庚烷与甲苯的混合物。

悬浮剂(即，聚合稳定剂)常用于促进水相组合物液滴在有机相中（例如在非极性有机溶剂中）的悬浮。与亲水性的成孔剂不同，悬浮剂通常具有疏水性和亲水性的两部分。悬浮剂的功能是改善水相组合物与非极性有机溶剂之间的界面张力。另外，悬浮剂使水相组合物液滴具有立体稳定性。这种立体稳定性往往能尽量减少或防止在聚合过程中形成团聚的粒子。

合适的悬浮剂包括脱水山梨醇倍半油酸酯、聚环氧乙烷(20)脱水山梨醇三油酸酯、聚环氧乙烷(20)脱水山梨醇单油酸酯、脱水山梨醇三油酸酯、琥珀酸二-2-乙基己基酯磺酸钠、丙烯酸异辛酯和丙烯酸的共聚物、丙烯酸己酯和丙烯酸或丙烯酸钠的共聚物、丙烯酸异辛酯和2-丙烯酰胺异丁酰胺的共聚物等。悬浮剂的量可影响半互穿聚合物网络粒子的粒径（即大量悬浮剂的使用通常导致形成较小的半互穿聚合物网络粒子）。悬浮剂的量基于第二单体组合物中单体的总重量计通常在0.1至10重量%的范围内。例如，有机相组合物可包含基于第二单体组合物中单体的总重量计0.1至8重量%或0.5至5重量%的悬浮剂。

所得半互穿聚合物网络粒子的粒径在较大程度上由水相组合物液滴的尺寸决定。液滴尺寸可以受诸如搅拌速度、温度、反应器几何形状、悬浮剂量、悬浮剂的选择、非极性有机溶剂的选择以及水基溶剂组合物的选择的变量影响。往往可以改变搅拌速率、悬浮剂的类型以及悬浮剂的量，从而控制所得到的粒子的聚集或凝聚程度。通常优选不发生聚集。

随着自由基聚合反应进行，每个水相液滴内形成许多聚合物分子（即生长的第二聚合物的分子)。这些聚合物分子随着反应的进行继续生长和交联。生长和交联在存在第一离子聚合物的情况下进行。当分子量变得足够大时，从液滴之内的水相组合物中分离出聚合物相。此聚合物相通常包含截留在生长的第二聚合物内的第一离子聚合物。虽然不想受到理论的限制，但据信，至少部分地由于当分子量增大时，从聚合物相当中排除掉了含水溶剂，从而形成了孔。发生相分离的点可以影响平均孔径和孔径分布。较晚的相分离往往有利于形成具有较小的孔和较大表面积的聚合物粒子（即半互穿聚合物网络粒子）。反之，较早的相分离往往有利于形成具有较大孔及较小表面积的聚合物粒子。

相分离进行的时间点可受任选成孔剂的添加的影响。成孔剂通常为液体，能够起到作为水相组合物内的第二单体组合物的常规溶剂的作用。可用的成孔剂通常不会在任何可检测程度上在所述水相组合物与所述非极性有机溶剂之间进行分配（即，不会有任何可检测量的成孔剂可以从所述水相组合物中被萃取到所述非极性溶剂里）。

同与正在形成的聚合材料相容性差的成孔剂（例如作为生长的第二聚合物的不良溶剂的成孔剂）相比，与正在形成的聚合材料相容的成孔剂（例如作为生长的第二聚合物的良好溶剂的成孔剂）往往导致较晚的相分离。与对正在形成的聚合材料具有较低溶解度的成孔剂相比，对正在形成的聚合材料具有较高溶解度的成孔剂往往导致形成具有较小孔及较大表面积的聚合物粒子。反之，与对正在形成的聚合物材料具有较大溶解度的成孔剂相比，对正在形成的聚合物材料具有较低溶解度的成孔剂往往导致形成具有较大孔及较小表面积的聚合物粒子。

另外，聚合反应期间发生相分离的时间点可受到第二单体混合物中的交联单体的存在量的影响，其中较大量的交联单体通常有利于较早的相分离，因为生长的第二聚合物的分子量会更快速地增加。

当使用反相悬浮聚合方法制备半互穿聚合物网络时，形成聚合物珠。可以采用诸如带图像分析的光散射或电子显微镜的技术确定聚合物珠的平均大小。聚合物珠的平均直径通常为至少10微米。例如，聚合物珠的平均直径可为至少20微米、至少30微米、至少40微米、至少50微米或至少60微米。聚合物珠的平均直径通常不大于2,000微米、不大于1,000微米、不大于500微米或不大于200微米。在一些应用中，聚合物珠的平均直径为10至2,000微米、20至2,000微米、20至500微米、50至500微米、20至200微米、50至200微米、50至100微米、50至75微米、50至70微米或60至70微米。

如果半互穿聚合物网络粒子（例如珠）的平均大小小于约10微米或小于约20微米，则用粒子填充的色谱柱中的反压可能会变得无法接受地大，特别是对于可用于大生物分子的纯化、分离或固定的大柱(例如，直径大于约5cm的柱)而言。虽然平均粒度可以大至2,000微米，但在一些应用(例如，其中将半互穿聚合物网络粒子置入大柱的应用)中的平均粒度往往不超过200微米。如果平均粒度较大，色谱方法的效率则可能低，特别是对于纯化、分离或固定大生物分子，例如通常对半互穿聚合物网络的孔具有低扩散速率的蛋白质。例如，为了用较大的阴离子交换树脂获得与使用20至200微米的阴离子交换树脂能得到的相同程度的分离、纯化或固定，可能需要更多量的半互穿聚合物网络粒子、更长的色谱柱、更慢的流速或它们的组合。

可以通过在低温条件下以多种相对压力将氮吸附到粒子表面上来对半互穿聚合物网络粒子的孔隙率和表面积进行表征(即，使管内的半互穿聚合物网络粒子样品经受真空并将管置于液氮中进行冷却)。氮在多种相对压力（例如，从约0.0至约1.0）下吸附到样品的表面上，然后在多种相对压力下进行解吸。BJH理论可用于将在多种相对压力下的氮吸附或解吸量与孔径范围在约2至约200纳米的孔进行关联，该理论进一步描述于E.P.Barrett、L.S.Joyner和P.P.Halenda，美国化学会志(J.Am.Chem.Soc.)，73,373(1951),中。可以计算出孔体积、表面积和平均孔径。如本文所用，术语“孔体积”是指采用BJH理论从在约0.0至约1.0的多种相对压力下的氮吸附计算出的累积孔体积。如本文所用，本文中的术语“表面积”是指采用BJH理论从在约0.0至约1.0的多种相对压力下的氮吸附计算出的累积表面积。如本文所用，术语“平均孔径”为使用BJH理论从在约0.0至约1.0的多种相对压力下的氮吸附测量的平均孔径。

半互穿聚合物网络粒子具有某种分布的孔径。孔径可为最多500纳米或更大。半互穿聚合物网络粒子具有可使用氮吸附技术测量的大小范围内的孔。也就是说，至少一些孔的直径小于200纳米、小于150纳米或小于100纳米。通过氮吸附测量的平均孔径通常为至少2纳米、至少5纳米、至少10纳米、至少20纳米或至少30纳米。平均孔径可以最多200纳米、最多100纳米或最多80纳米。例如，平均孔径的范围可以是10至200纳米、10至100纳米、10至80纳米、20至100纳米或20至80纳米。

孔体积通常为每克至少0.10立方厘米。例如，孔体积可以为每克至少0.15立方厘米、每克至少0.20立方厘米或每克至少0.25立方厘米。直径不大于200纳米的孔，其孔体积的范围可以是每克0.10至2立方厘米、每克0.15至2立方厘米或每克0.2至2立方厘米。孔是大到足以适应生物材料，但也小到足以提供足够的表面积和阴离子交换容量。

表面积通常为至少20平方米/克(m²/g)、至少30m²/g、至少40m²/g、或至少50m²/g。表面积常常在20至300m²/g的范围内、在40至300m²/g的范围内、在50至300m²/g的范围内。

由反相悬浮聚合方法制备的半互穿聚合物网络的粒子可通过例如过滤或滗析进行分离。如果将成孔剂用于制备，则可对粒子进行一系列洗涤步骤以移除成孔剂。用于移除成孔剂的合适溶剂包括极性溶剂，例如水、丙酮、醇(如甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇)、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、乙腈等。如果需要，可使用任何合适的方法干燥所得粒子。在一些方法中，可采用诸如筛分、沉淀和风选之类的技术对所得粒子进行分级。

在另一方面，提供了一种分离、纯化或固定离子材料的方法。该方法包括提供如上所述的半互穿聚合物网络。该方法还包括使半互穿聚合物网络与离子材料接触，该离子材料具有的电荷与第一离子基团的电荷相反。该方法还包括将离子材料的至少一部分吸附在半互穿聚合物网络上。

离子材料通常被称为目标化合物。可将目标化合物分离、纯化或固定。在一些实施例中，目标化合物为生物分子，例如病毒、蛋白质、酶、疫苗、细胞碎片、DNA或RNA。在一些应用中，可调整样品的组成以提高样品中目标化合物与半互穿聚合物网络的其中一个离子基团反应或相互作用的可能性。例如，可调节样品pH以优化通过使用半互穿聚合物网络对载电荷生物分子的分离、纯化或固定，该半互穿聚合物网络具有选自酸性基团和/或其盐或者碱性基团和/或其盐的离子基团。

半互穿聚合物网络的容量（例如动态或静态离子交换容量）可以与半互穿聚合物网络相互作用或反应的目标化合物的量给出。可根据多种变量（例如第一离子聚合物的选择和第一离子聚合物与交联的第二聚合物的比率）改变离子交换容量。可起到阳离子交换树脂作用的半互穿聚合物网络可与多种具有带正电基团的目标化合物相互作用。更具体地讲，阳离子交换容量可以具体蛋白质（例如可被聚合物树脂吸附的免疫球蛋白，如IgG）的量的形式给出。可起到阴离子交换树脂作用的半互穿聚合物网络可与多种具有带负电的目标化合物相互作用。更具体地讲，阴离子交换容量可以特异蛋白质例如牛血清白蛋白(BSA)的量的形式给出。IgG或BSA的容量可为例如，至少20mg/mL、至少30mg/mL、至少40mg/mL或至少50mg/mL。一些示例性半互穿聚合物网络的容量在40至300mg/mL的范围内、在50至300mg/mL的范围内、在75至300mg/mL、在100至300mg/mL的范围内、在50至250mg/mL的范围内、在75至250mg/mL的范围内、在50至200mg/mL的范围内、在75至200mg/mL的范围内或在100至200mg/mL的范围内。

半互穿网络粒子的容量通常意外得高。尽管不想受理论束缚，此高于预期容量的容量可能使由于第一离子聚合物的一部分延伸超出（例如离开）半互穿聚合物网络粒子的表面所致。第一离子聚合物的此延伸部分上的离子基团可更可用来与目标化合物进行相互作用。因为延伸部分中的离子基团的浓度通常较高，因此可增加与目标化合物相互作用的概率。

如果第一离子聚合物具有酸性基团和/或其盐，则半互穿聚合物网络可通常起到阳离子交换树脂的作用。可将样品在阳离子交换树脂具有带负电的基团和目标化合物具有带正电的基团的pH下与半互穿聚合物网络接触。目标化合物可被吸附到阳离子交换树脂上。为了从阳离子交换树脂中释放所吸附的目标化合物，可升高pH值（如将pH值升高至至少6或7或更高）。或者，当目标化合物为生物分子时，可以使样品在pH值约3至10或pH值约4至6的低离子强度缓冲液（例如，5至50毫摩尔缓冲盐加0至200毫摩尔氯化钠）中与阳离子交换树脂接触并吸附在其上。为了释放所吸附的生物分子，通常使阳离子交换树脂与高离子强度的缓冲液相接触。在一些实施例中，高离子强度缓冲液包含用于吸附目标化合物的相同缓冲剂组合物加上1摩尔每升浓度的氯化钠。吸附和释放过程通常在接近室温的温度下进行。

可用于控制阳离子交换树脂pH值的缓冲盐包括（但不限于）磷酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼酸钠、醋酸钠和TRIS(三[羟甲基]氨基甲烷)。其它合适的缓冲剂包括“Good’s”缓冲剂，例如MOPS（3-吗啉丙烷磺酸）、EPPS（4-(2-羟乙基)哌嗪-1-丙烷磺酸）、MES（2-吗啉乙烷磺酸）等。

可使用阳离子交换树脂例如来纯化、固定或分离生物分子，例如各种抗体或酶或其它带正电的蛋白质。

如果第一离子聚合物具有碱性基团和/或其盐，则半互穿聚合物网络可通常起到阴离子交换树脂的作用。可将样品在阴离子交换树脂具有带正电基团而目标化合物具有带负电基团的pH值（如pH值为1至10）下与阴离子交换树脂相接触。一般来讲，为了使带负电的目标化合物有效地吸附到阴离子交换树脂上，可使用高于目标化合物的pK（或蛋白质的pI）至少约1至2个pH单位的pH值。如果需要从阴离子交换树脂中释放所吸附的目标化合物，可将pH值降低至少1至2个pH单位或更多。或者，当目标化合物为生物分子时，可使样品在具有适当的pH值（如对牛血清白蛋白而言，pH值为约6至8）的低离子强度缓冲液（如5至50毫摩尔缓冲盐外加0至200毫摩尔氯化钠）中与阴离子交换树脂相接触。为了释放所吸附的生物分子，通常使阴离子交换树脂与高离子强度的缓冲液相接触。在一些实施例中，高离子强度缓冲液包含用于吸附目标化合物的相同缓冲剂组合物加上1摩尔每升浓度的氯化钠。吸附和释放过程通常在接近室温的温度下进行。

可用于控制阴离子交换树脂pH值的缓冲盐包括（但不限于）磷酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硼酸钠、醋酸钠和TRIS(三[羟甲基]氨基甲烷)。其它合适的缓冲剂包括“Good’s”缓冲剂，例如MOPS（3-吗啉丙烷磺酸）、EPPS（4-(2-羟乙基)哌嗪-1-丙烷磺酸）、MES（2-吗啉乙烷磺酸）等。

可使用离子交换树脂例如来纯化、固定或分离各种生物分子，例如宿主细胞蛋白质和其它带正电的蛋白质、核酸、细胞、细胞碎片和病毒。

在一些实施例中，纯化、固定或分离目标化合物的方法，可将起到离子交换树脂作用的半互穿聚合物网络置于柱子中来制备色谱柱。合适的柱是本领域已知的，并且可用诸如玻璃、聚合物、不锈钢、钛及其合金、或镍及其合金之类的材料构造。用以在柱中有效装填离子交换树脂的柱的填充方法是本领域中已知的。

半互穿聚合物网络通常为相当刚性的并且可具有用于任何合适的维度的色谱柱在合适的流速和压力条件下所需的机械强度。可将半互穿聚合物网络用于例如具有高流速的色谱柱中。半互穿聚合物网络适于在色谱柱中通常遇到的差压条件下使用。如本文所用，术语“差压”指整个色谱柱中的压降。例如，用于对治疗性蛋白进行下游纯化或分离的色谱柱可使用诸如至少150cm/小时、至少250cm小时、至少500cm/小时或至少700cm/小时的表观速度（如流速）来提高产率。更快的流速通常得到更高的产率。

色谱柱可为分析仪器（如液相色谱仪）的组成部分。或者，色谱柱可为制备型液相色谱系统的一部分并且可具有任何合适的规模，例如实验室规模、试验厂规模或生产规模。当用半互穿聚合物网络包装时，色谱柱可用于分离、纯化或固定目标化合物。目标化合物可与半互穿聚合物网络上的带电基团反应或相互作用。或者，可除去样品中的杂质，从而致使样品中目标化合物的纯度或浓度增加。可确定目标化合物的量以及包含目标化合物的样品中的杂质的量。

在另一个方面，提供一种制品。该制品包括多孔支承体和掺入到多孔支承体中、布置在多孔支承体的表面上或两者组合的半互穿聚合物网络粒子。半互穿聚合物网络与上述相同。

在一些实施例中，制品的多孔支承体为过滤介质。可以将过滤介质布置在壳体内以提供滤筒。包括滤筒的合适过滤介质及系统在例如美国专利No.5,468,847（Heilmann等人）中有进一步描述。这种滤筒可用来（例如）纯化、固定或分离生物分子。由于滤筒系统中的固有压降较低，因此与色谱柱内的材料相比，滤筒内可使用较小的半互穿聚合物网络粒子。

过滤介质可具有单个过滤层或多个过滤层，并且可用玻璃或聚合物纤维（例如聚烯烃纤维，如聚丙烯纤维）制备。在一些实施例中，过滤介质包括粗预过滤层和一个或多个细过滤层。例如，过滤介质可包括粗预过滤层，然后是一系列平均孔径逐渐减小的附加过滤层。半互穿聚合物网络的粒子可布置在具有最小平均孔径的过滤介质的层上。

过滤介质的孔径的选择取决于半互穿聚合物网络的粒子的大小。通常选择过滤介质的孔径小于粒子的平均直径。然而，粒子的一部分可渗透入过滤介质中。

过滤介质可为垂直褶皱型过滤器的形式，例如美国专利No.3,058,594(Hultgren)中描述的那些。在其它实施例中，过滤介质可为水平、径向复合折叠的过滤器形式，如美国专利No.4,842,739（Tang等人）中所描述的那些。在垂直方向上使用包含过滤介质的滤筒的应用中，理想情况是水平布置褶皱。此类布置方式可减少在使用和存储期间自过滤元件的聚合物树脂的损耗。

在其它制品中，半互穿聚合物网络的粒子被掺入诸如多孔基质的多孔支承体中。多孔基质通常为多孔织造或非织造纤维网、多孔纤维、多孔膜、多孔薄膜、中空纤维或管。合适的连续多孔基质在例如美国专利No.5,993,935（Rasmussen等人）中有进一步的描述。

将纤维网作为多孔支承体使用可提供许多优点，例如表面积大、易于制造、材料成本低以及具有多种纤维纹理和密度。虽然宽泛的纤维直径范围是合适的，但纤维通常具有0.05微米至50微米的平均直径。可改变网的厚度以适应最终用途应用（如约0.2微米至约100厘米）。

制品可用例如熔喷法进行制备。例如，可将熔融的聚合物材料挤出，以产生熔喷纤维流。可将半互穿聚合物网络的粒子引入纤维流中并且与纤维混合。可在筛网上收集纤维与粒子的混合物，使得形成网。粒子可分散在纤维网内。在一些实施例中，粒子可均匀地分散在整个纤维网内。纤维可由任何合适的材料如各种聚合物材料、陶瓷材料或它们的组合制备。

在其它实例中，制品可使用润湿成网方法制备。例如，可制备各种纤维和半互穿聚合物粒子的浆料。例如，可通过混合水、各种纤维和半互穿聚合物网络来制备浆料。然后可将浆料中的液体移除来形成制品。液体可通过滗析或过滤来移除。通过将浆料在移除液体之前置于模具中来使制品具有任何所需的形状。纤维可由任何合适的材料如各种聚合物材料、陶瓷材料或它们的组合制备。

在润湿成网方法的一些实施例中，将半互穿聚合物网络粒子与诸如原纤化聚烯烃（例如原纤化聚乙烯）的原纤化聚合物纤维混合。可将诸如尼龙纤维、玻璃纤维或它们的组合的其它纤维与原纤化聚合物纤维混合。此类制品可包含例如基于半互穿聚合物网络粒子和多孔支承体的总重量计最多75重量%、最多80重量%、最多85重量%或最多90重量%的半互穿聚合物网络粒子。使用这些制品形成的反压往往较低。

也可用原纤维化聚合物基质（如原纤维化聚四氟乙烯(PTFE)）来制备制品。合适的方法更全面地描述于美国专利No.4,153,661（Ree等人）、4,565,663（Errede等人）、4,810,381（Hagen等人）和4,971,736（Hagen等人）以及欧洲专利No.0498557（Markell等人）中。一般来讲，这些方法涉及：将半互穿聚合物网络与聚四氟乙烯分散体共混以得到油灰状物质，在5℃至100℃下对该油灰状物质进行剧烈混合以使PTFE发生原纤化，然后将该油灰状物质进行双轴压延，并干燥所得片材。含有原纤化聚合物基质的制品可制备为例如包含基于粒子和聚合物基质的总重量计最多75重量%、最多80重量%、最多85重量%、最多90重量%或最多95重量%的半互穿聚合物网络粒子。

在另一制备制品的方法中，可将半互穿聚合物基质的粒子分散在液体内，然后与热塑性聚合物在足以形成均匀混合物的温度下共混。该均匀混合物可置于具有所需形状的模具中。混合物冷却之后，液体会发生相分离，从而留下包含分散聚合物粒子的热塑性聚合物基质。美国专利No.4,957,943（McAllister等人）对此方法进行了进一步的描述。

基于所得复合材料的体积，掺入到多孔支承体中的半互穿聚合物网络的量通常为至少1体积%、至少5体积%、至少10体积%、至少20体积%、至少30体积%、至少40体积%或至少50体积%。基于所得复合材料的体积，掺入到多孔支承体中的半互穿聚合物网络的量可占最多99体积%、最多95体积%、最多90体积%、最多85体积%或最多80体积%。具有较大量的半互穿聚合物网络的制品往往具有较大的容量。

提供了为半互穿聚合物网络的各种项目、使用半互穿聚合物网络的方法、制备半互穿聚合物网络的方法或包含半互穿聚合物网络的制品。

项目1为一种包含半互穿聚合物网络的聚合物材料，该半互穿聚合物网络包含：第一离子聚合物，其具有第一离子基团；和交联的第二聚合物，其通过在存在第一离子聚合物的情况下单体组合物的自由基聚合而制备，第二单体组合物包含基于单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。

项目2为项目1的聚合物材料，其中所述聚合物材料包含至少10重量%的第一离子聚合物。

项目3为项目1或2的聚合物材料，其中交联的第二聚合物具有第二离子基团，该第二离子基团的电荷与第一离子基团的电荷相反。

项目4为项目1至3中任一项目所述的聚合物材料，其中交联的第二聚合物为非离子。

项目5为项目1至4中任一项目所述的聚合物材料，其中半互穿聚合物网络呈珠的形式。

项目6为项目1至5中任一项目所述的聚合物材料，其中半互穿聚合物网络是大孔的。

项目7为项目1至6中任一项目所述的聚合物材料，其中第一离子聚合物包含聚(甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)、聚(丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)或聚(二烯丙基二甲基氯化铵)。

项目8为项目1至6中任一项目所述的聚合物材料，其中第一离子聚合物包含聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)或其盐。

项目9为一种分离、纯化或固定离子材料的方法。该方法包括提供一种半互穿聚合物网络，其包含具有第一离子基团的第一离子聚合物和在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备的交联的第二聚合物。第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。该方法还包括使半互穿聚合物网络与离子材料接触，该离子材料具有与第一离子基团的电荷相反的电荷。该方法还包括将离子材料的至少一部分吸附在半互穿聚合物网络上。

项目10为项目9的方法，还包括将半互穿聚合物网络置于柱子中。

项目11为项目9的方法，还包括将半互穿聚合物网络设置在过滤介质的表面上。

项目12为项目9的方法，还包括将半互穿聚合物网络掺入到多孔基质中。

项目13项目9至12中任一项目所述的方法，其中具有的电荷与第一离子基团的电荷相反的离子材料为生物分子。

项目14为一种制备半互穿聚合物网络的方法。该方法包括形成水相组合物，其包含第一离子聚合物、第二单体组合物和水基溶剂组合物。第一离子聚合物可溶于水相组合物并具有第一离子基团。第二单体组合物可溶于水相组合物并包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。水基溶剂组合物包含水。该方法还包括使水相组合物悬浮在包含非极性有机溶剂的有机相中并在存在第一离子聚合物的情况下聚合第二单体组合物以形成半互穿聚合物网络的粒子。

项目15为一种制品。该制品包括多孔支承体和掺入到多孔支承体中、布置在多孔支承体的表面上或两者组合的半互穿聚合物网络粒子。半互穿聚合物网络粒子包含具有第一离子基团的第一离子聚合物和在存在第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备的交联的第二聚合物。第二单体组合物包含基于第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量%的交联单体。

项目16为项目15的制品，其中多孔支承体为膜、过滤介质或多孔基质。

项目17为项目15或16的制品，其中多孔支承体包含原纤化聚合物。

项目18为项目15至17中任一项目所述的制品，其中原纤化聚合物包含聚烯烃或聚四氟乙烯。

实例

材料术语表

除非另外指明，所有试剂和溶剂均得自密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(SigmaAldrichCompany,St.Louis,MO)。

术语“MeOH”指甲醇。

术语“EtOH”指乙醇。

术语“p(DADMAC)”指得自西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich)（威斯康辛州密尔沃基(Milwaukee,WI)）的聚(二烯丙基二甲基氯化铵)。该聚合物可具有各种分子量范围和浓度。产品编号522376为包含重均分子量小于100,000克/摩尔的p(DADMAC)且具有35重量%的固体的水基混合物。产品编号409014为包含重均分子量在100,000至200,000克/摩尔的范围内的p(DADMAC)且具有20重量%的固体的水基混合物。产品编号409022为包含重均分子量在200,000至350,000克/摩尔的范围内的p(DACMAC)且具有20重量%的固体的水基混合物。产品编号409030为包含重均分子量在400,000至500,000克/摩尔的范围内的p(DACMAC)且具有20重量%的固体的水基混合物。

术语“MAPTAC”指单体甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵。该单体可作为50重量%的水溶液从TCI美国(TCIAmerica)（俄勒冈州波特兰市(Portland,OR)）商购获得。相似地，术语“p(MAPTAC)”指聚(甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)。

术语“APTAC”指单体丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵。该单体可作为75重量%的水溶液从TCI美国(TCIAmerica)（俄勒冈州波特兰市(Portland,OR)）商购获得。相似地，术语“p(APTAC)”指聚(丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)。

术语“AMPS”指单体2-酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸，而术语“AMPS-Na”指其钠盐。相似地，术语p(AMPS)指聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)，而p(AMPS-Na)指其钠盐。AMPS可作为50重量%的钠盐溶液以商品名AMPS2405从路博润公司(LubrizolCorp.)（俄亥俄州威克利夫(Wickliffe,OH)）商购获得。

术语“MBA”指交联单体N,N’-亚甲基双丙烯酰胺。MBA购自有机物研究公司(ResearchOrganics)（俄亥俄州克利夫兰(Cleveland,OH)）。

术语“Aam”指单体丙烯酰胺。

术语“TMEDA”指N,N,N’,N’四甲基乙二胺。

术语“PEG”指聚乙二醇，例如可以重均分子量为约2000克/摩尔的商品名聚(乙二醇)2000从奥德里奇(Aldrich)商购获得的聚乙二醇。

术语“DI水”指去离子水。

实例中使用的原纤化聚乙烯纤维为可以商品名FYBREL从MiniFIBERS公司(MiniFIBERS,Inc.)（田纳西州约翰逊城(JohnsonCity,TN)）商购获得的以湿润纤维薄片捆(lapbale)提供的纤维（标识为产品代码PEFYB-00E400）。实例中使用的纤维的含水量为61重量%。

实例中使用的尼龙纤维可以目录号NylonNYT66-0102RR-0600从MiniFIBERS公司(MiniFIBERS,Inc.)（田纳西州约翰逊城(JohnsonCity,TN)）商购获得。

长股线玻璃纤维可以商品名MICRO-STRAND106-475从约翰斯·曼威尔(JohnsManville)（科罗拉多州丹佛市(Denver,CO)）商购获得。

胶乳粘合剂为丙烯酸酯-醋酸乙烯-乙烯三元共聚物于水中的乳剂，其具有55重量%的固体且可以商品名600BP购自空气产品LP(AirProductsLP)（宾夕法尼亚州艾伦镇(Allentown,PA)）。

絮凝剂为二甲胺和环氧氯丙烷的共聚物的水溶液，其可以商品名MP9307C从中南化工有限公司(MidSouthChemicalCo.,Inc.)（路易斯安那州灵戈尔德(Ringgold,LA)）商购获得。

测试方法

免疫球蛋白G(IgG)的静态阳离子交换容量–静态容量-IgG

通过以下步骤制备聚合物珠的浆料（50体积%）：将聚合物珠与去离子水混合，以3000的相对离心力(rcf)离心20分钟以形成装填的珠床，然后调节去离子水的量，使得总体积为所装填的珠床的两倍。使浆料混合均匀以再悬浮聚合物珠，然后移取400微升浆料样品到5mL（毫升）的0.45微米醋酸纤维素离心微量过滤器中（可以商品名CENTREXMF从VWR（明尼苏达州伊岗(Eagan,MN)）商购获得）。通过以3000rcf离心5分钟除水，并且丢弃滤液。然后，将聚合物珠与4mL包含50mM（毫摩尔）醋酸钠和80mM氯化钠的缓冲液在pH4.5下混合。将样品以3000rcf再次离心10分钟。丢弃滤液。然后将4.5mL相同的醋酸盐缓冲液中浓度约7mg/mL（毫克/毫升）的IgG样品加入到含聚合物珠的过滤器中。将混合物通过翻滚过夜进行混合，然后在以3000rcf离心20分钟后从聚合物珠中分离上清液。

通过UV光谱分析滤液（分离的上清液）。将样品在280nm（纳米）处的吸光度与起始IgG溶液的吸光度进行比较。差值用于计算聚合物珠的IgG容量。测定三次并取平均值。

牛血清白蛋白(BSA)的静态阴离子交换容量–静态容量-BSA

通过以下步骤制备聚合物珠的浆料（50体积%）：将聚合物珠与去离子水混合，以3000的相对离心力(rcf)离心20分钟以形成装填的珠床，然后调节去离子水的量，使得总体积为所装填的珠床的两倍。使浆料混合均匀以再悬浮聚合物珠，然后移取400微升浆料样品到5mL的0.45微米醋酸纤维素离心微量过滤器中（可以商品名CENTREXMF从VWR（明尼苏达州伊岗(Eagan,MN)）商购获得）。通过以3000rcf离心5分钟除水。然后将聚合物珠与4mL缓冲液在pH7.5下混合，该缓冲液含有10mM的3-(N-吗啉基)丙磺酸(MOPS)。将样品以3000rcf再次离心10分钟。丢弃滤液。然后将4.5mL相同的MOPS缓冲液中浓度为约9mg/mL的BSA样品（可购自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇Sigma-Aldrich(St.Louis,MO)）加入到含聚合物珠的过滤器中。将混合物通过翻滚过夜进行混合，然后通过以3000rcf离心20分钟从聚合物珠中分离上清液。

通过UV光谱分析滤液。将样品在279nm处的吸光度与起始BSA溶液的吸光度进行比较。差值用于计算聚合物珠的BSA容量。测定三次并取平均值。

牛血清白蛋白(BSA)的阴离子动态结合容量(DBC)

制备包含半互穿聚合物网络珠的膜，如实例26所述。通过使试液穿过膜堆叠件（通常为3个直径为25毫米的圆盘）来分析膜是否可与BSA结合，该堆叠件被置于附接到AKTA色谱系统（通用电气医疗集团(GEHealthcare)）的直径为25毫米的支持器中。通过将BSA（可购自密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇Sigma-Aldrich(St.Louis,MO)）溶解于25mM的三(三[羟甲基]氨基甲烷缓冲液(pH8.0)来制备进料溶液。BSA在缓冲液中的浓度为1-1.2mg/mL，如通过280nm处的吸光度所测定。BSA进料溶液以1.5mL/min的流速经泵送穿过膜堆叠件，直到经由280nm处的吸光度观察到穿透BSA时。采用标准色谱技术来评估膜的动态结合容量，并且以BSA毫克数/毫升过滤介质(mg/mL)报告结果。

表面积和孔隙率的测定

将大约0.1至1.0克的离子交换树脂样品转移至可购自乔治亚州诺克罗斯的麦克公司(Micromeritics,Inc.ofNorcross,GA)的直径为1.3厘米（0.5英寸）的样品管中，并且使用可以商品名VACPREP061购自麦克公司(Micromeritics)的系统，在100℃真空条件（低于10mTorr或0.015mbar）下脱气24小时。脱气后，将样品在真空条件下于环境温度（即，20℃至25℃）冷却10分钟，然后装到可以商品名TRISTAR3000购自麦克公司(Micromeritics)的表面积和孔隙率分析仪上。

建立45点吸附/40点解吸等温线，相对压力(P/P_o)始于约0.0，最多约1.0，0.95与1.0之间点的分布更紧密（参见目标压力和点的表）。没有首先设定“压力固定剂量”。将最大体积增量设置为标准温度和压力(STP)下的10.00立方厘米/克，将“绝对压力容限”设置为5毫米(mm)Hg，并且将“相对压力容限”设置为2.0%。未使用“快速抽空”和“漏泄试验”选项。随着液氮杜瓦瓶的降低（即，样品不在液氮中），在自由空间测量期间采用0.5小时的抽空时间。提升杜瓦瓶以供分析(即，将包含样品的管置入液氮中)。在77.350K（液氮温度）下，在分析期间以120分钟的间隔测量P_o。按以下值设定采用氮气的标准Pstat对温度的表的气体吸附性能：非理想性系数：0.0000620；密度转换系数：0.0015468；分子横截面积：0.162nm²。基于在45吸附点和40解吸点期间每个相对压力下的吸附N₂量，对至直径的孔（对应2至200纳米之间的孔）计算BJH吸附/解吸累积孔体积和累积表面积。

表1示出了用于分析的吸附点和解吸点。报告了吸附期间的累积表面积和累积孔体积。认为相对压力为P/P_o=1.000的点45既不为吸附点，也不为解吸点。

表1：用于孔径分布测量的目标相对压力

制备例1：离子聚合物p(MAPTAC)的制备

将MAPTAC（160克50重量%的水溶液）、过硫酸钠（0.4克）和乙醇（40克）添加至1夸脫瓶中，然后用氮气吹扫10分钟。将该瓶密封并置于55℃的旋转式水浴（可以商品名LAUNDER-O-METER)从南卡罗来纳州罗克希尔的锡莱亚太拉斯有限公司SDLAtlas,Inc.(RockHill,SC)）商购获得）中保持23小时。然后将温度升高至60℃并保持另外6小时。在将该瓶从旋转式水浴中移除后，向其加入去离子(DI)水（80克）和乙醇（40克）。然后将该瓶密封并再次置于旋转式水浴中保持另外2小时。使用聚合物成品来制备本发明的粒子，而无需进一步纯化或稀释。

制备例2：离子聚合物p(APTAC)的制备

根据用于制备例1的工序来制备该聚合物，不同的是使用了以下试剂：APTAC（106.6克75重量%的水溶液）、过硫酸钠（0.4克）、乙醇（40克）和DI水（53.4克）。

制备例3：离子聚合物p(AMPS-Na)的制备

使用类似于用于制备例1的工序来制备离子聚合物p(AMPS-Na)。替代地使用了以下试剂：AMPS-Na（200克50重量%的水溶液）、过硫酸钠（1克）和DI水（200克）。将这些试剂置于1夸脫瓶中，用氮气吹扫10分钟，并且将密封瓶置于60℃的旋转式水浴下保持总共21小时。使用聚合物成品来制备本发明的粒子，而无需进一步纯化或稀释。

实例1：半互穿聚合物网络的制备

通过反相悬浮聚合来制备呈珠形式的半互穿聚合物网络。将聚合物稳定剂（0.23克丙烯酸异辛酯（91.8重量%）和2-丙烯酰胺基异丁酰胺（8.2重量%）的共聚物）和庚烷（348mL）添加至配备有机械搅拌器（搅拌速率为500rpm）、氮气入口、温度计、带温度控制器的加热罩以及冷凝器的烧瓶中。将该有机相溶液在搅拌下加热至35℃，并用氮气鼓泡30分钟。

制备包含MBA（16.0克）、MeOH（67.5mL）和去离子水（19mL）的水相混合物。加入重均分子量小于约100,000的聚合物p(DADMAC)（具有20重量%的固体的35克水基混合物），并且磁力搅拌该混合物并将其在热板（30至35℃）上温热，以产生均相溶液。将过硫酸钠（0.55克）溶解于去离子水（3mL）中，并且将该溶液混合在单体溶液中。

然后将水相混合物添加至含有有机溶液的烧瓶中。搅拌所得反应混合物并用氮气吹扫10分钟。加入TMEDA(0.55mL)以引发聚合反应。随着聚合物离子的形成物变得明显，反应温度在15分钟内升高至约40℃。在加入TMEDA后，将反应混合物搅拌总共2小时。在反应期结束时，使用烧结玻璃漏斗来过滤产物，然后用丙酮(2×250mL)、甲醇(2×250mL)、丙酮(2×250mL)对其进行洗涤。通过将水用作流动液体在Ro-Tap型RX-29分类器（俄亥俄州门托的W.S.Tyler公司(W.S.Tyler,Mentor,OH)）上对洗涤的产物进行湿分类，以得到尺寸在约38-106微米范围内的无色粒子（大致呈珠状）。牛血清白蛋白的阴离子交换容量（静态BSA容量）按照表3所示来测定。

实例2-22：半互穿聚合物网络的制备

根据实例1的工序使用表2中总结的水相组合物来制备实例2-22。除了实例12和13之外的所有样品均具有相同于用于实例1的有机相。对于实例12和13，有机相包含庚烷(348mL)和甲苯(188mL)。

表2：实例1-22的水相组合物

测试实例1至22的静态容量。测试实例1-13和16-22的静态BSA容量，同时测试实例14和15的静态IgG容量。

表3：实例1-22的静态容量

实例	静态容量，mg/mL
		1	49(BSA)
2	97(BSA)
		3	111(BSA)
4	100(BSA)
		5	56(BSA)
6	73(BSA)
		7	54(BSA)
8	94(BSA)
		9	152(BSA)
10	169(BSA)
		11	169(BSA)
12	138(BSA)
		13	62(BSA)
14	79(IgG)
		15	101(IgG)
16	246(BSA)
		17	69(BSA)
18	114(BSA)
		19	94(BSA)
20	77(BSA)
		21	217(BSA)
22	112(BSA)

根据上述工序评估实例1至6的孔隙率。结果示于表4中。

表3：实例1-6的表面积和孔体积

实例23：包含半互穿聚合物网络珠的制品的制备

将实例10中制备的粒子掺入到润湿成网的非织造网中。

通过在WARING混合机（型号37BL84）中以中速将48.07克原纤化聚乙烯纤维、24.0克尼龙纤维和6.0克玻璃纤维与足够的水混合（得到4升混合物）约60秒来制备预混物的母料。将批料（包含12.02克聚乙烯纤维、1.5克尼龙纤维和1.5克玻璃纤维）的四分之一置于烧杯中并用电动机搅拌器以中高速度搅拌约5分钟。加入胶乳粘合剂（1.4克）并将混合物搅拌另外约两分钟。然后加入并混合絮凝剂（2.81克）。最后，加入来自实例10的25mL水中的珠（约10克干燥的珠)并用电动机搅拌器搅拌约2分钟。

将所得浆料混合物倾注到8平方英寸（20.3平方厘米）的形成片材的设备中，该设备可购自威廉姆斯设备有限公司(WilliamsApparatusCo.)（纽约州沃特敦(Watertown,NY)），并且已被自来水填充至比筛网高约1厘米。立即打开阀门以形成真空，从而除水并形成润湿成网的片材。

将润湿成网的片材转移到一张吸墨纸上，并在设置为60磅/平方英寸的气动压力机中在三层吸墨纸和两个强化筛网之间挤压约2分钟，直到不再有水排出。该压力机可购自伊利诺伊州芝加哥的Mead流体动力公司(MeadFluidDynamics,Chicago,IL)。然后将润湿成网的片材置于一张干净的吸墨纸上，并在设置为150℃的烘箱中干燥约30分钟。干燥的片材（大约8平方英寸或20.3平方厘米）重18.97克。从该片材冲切测得直径为47mm的圆盘。该圆盘在进一步干燥之前在水分天平上重1.00克。该圆盘的含水量为3.47重量%。根据制造商的说明书使用具有受热室的水分天平标尺（可购自俄亥俄州哥伦布市的梅特勒-托利多公司Mettler-Toledo,Inc.(Columbus,OH)的MJ33型水分分析仪）来测量含水量。将圆盘置于天平的受热室中，同时将温度设置在90℃并进行干燥。加热圆盘，直到30秒内的重量变化小于2毫克时，并且记录最终重量。测定圆盘的含水量为从未加热样品到干燥样品的重量损失百分比。

使用可购自纽约州华盛顿港的颇尔公司PallCorporation(PortWashington,NY)的47mm过滤器磁性过滤器夹持器来测定流动阻力时间。将圆盘插入过滤器夹持器的漏斗中，并将过滤器夹持器连接至真空泵。将室温自来水(100mL)倾注到漏斗中，并将20英寸的真空汞柱施加至过滤器夹持器。流动阻力时间为通过目测确定的完全排空水所需的时间（以秒计）（用秒表计时）。该实例的流动阻力时间为11秒。

实例24：包含半互穿聚合物网络珠的制品的制备

根据实例23的工序来制备和测试润湿成网的片材，不同的是使用了来自实例10的1.5克胶乳粘合剂、3.19克絮凝剂和37.5mL珠。片材中有15克干燥的珠。将片材干燥约32分钟。所得片材的重量为26.78克。直径为47mm的圆盘重1.31克，并含有3.9重量%水分。在20英寸真空汞柱下，100mL水的流动阻力时间为22.5秒。

实例25：半互穿聚合物网络的制备

向配有机械搅拌器、冷凝器和滴液漏斗的反应器装入甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯（100克）。以使得反应放热不超过50℃的速率加入氯丙酮脒基腙盐酸盐（117.1克）于甲醇（285克）中的溶液。在加入完成后，将反应溶液搅拌两小时。通过以约40℃在真空下旋转蒸发来除去溶剂，以产生无色固体。¹H-NMR光谱证实形成了期望的季铵化单体反应产物。将以上单体（50克）置于含有水（50克）和2,2’-偶氮二(2-脒基丙烷)二盐酸盐（0.23克）的反应器中，该反应器可购自弗吉尼亚州里士满的Wako化学公司（WakoChemicalCo.(Richmond,VA)）。将溶液用氮气吹扫20分钟，然后在50℃下加热2小时。¹H-NMR光谱证实形成了期望的聚合物。

通过类似于实例1中描述的工序来制备半互穿聚合物网络的粒子，不同的是用以上制备的离子聚合物（5克）代替p(DADMAC)。水基溶剂为甲醇(85mL)和水(75mL)。有机相溶剂为庚烷(348mL)和甲苯(188mL)。测得这些粒子的静态BSA容量为45mg/mL。

实例26：包含半互穿聚合物网络珠的制品的制备

用于制备膜的一般工序描述于欧洲专利公布No.0498557（Markell等人）的实例1中。半互穿聚合物珠根据实例16来制备，并且经分类以提供平均粒度为160微米的样品。测得的该样品的BSA静态容量为181mg/ml。

通过将101克这些珠与90克异丙醇手动混合在一起来制备组合物。然后加入83克聚四氟乙烯乳剂（可以产品名FLUONAD705购自宾夕法尼亚州埃克斯顿的AGC化学美国有限公司AGCChemicalsAmericas,LTD.(Exton,PA)），再加入4克水。将该混合物用刮刀手动混合约2分钟，直到其形成面团状物质。将该物质供给通过间隙设置值为150密尔、温度设置为100℉且速度为15英尺/分钟的一对轧辊，以在第一次通过中形成扁平条带。将扁平条带纵向折叠三次，以形成3厚度。通过从第一次通过中的片材的初始方向旋转45度将折叠的条带再次供给通过轧辊。对于总共10次的辊隙通过，以相同的设置再次重复该过程。在每次通过中，经由从上一次通过中的条带的方向旋转45度供给通过折叠的条带。

然后将辊之间的间隙开口减少至100密尔。将扁平条带本身对半折叠三次，以形成具有八层的厚片材。在设置为100℉的温度下以15英尺/分钟的速度使该片材穿过辊隙。在连续穿过辊隙中，将间隙开口减少至70密尔，然后减少至50密尔，再减少至35密尔。此时，将片材再次折叠成八层，将这八层供给通过增加至100密尔的间隙。然后将片材注入到连续减少的间隙开口（70密尔、50密尔、35密尔、25密尔）处的辊隙中，并最终供给通过20密尔的间隙设置值，以形成测得为约6英寸×约24英寸的膜。该膜微湿并进行测试，而无需进一步加工BSA的动态结合容量。在不同时间进行的2次测试的平均结果为94mg/mL。

Claims (16)

1.一种聚合物材料，其包含半互穿聚合物网络，所述半互穿聚合物网络包含：

第一离子聚合物，所述第一离子聚合物具有第一离子基团，其中所述第一离子聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的10至80重量％；和

交联的第二聚合物，所述交联的第二聚合物在存在所述第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备，所述第二单体组合物包含基于所述第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量％的交联单体，其中所述交联的第二聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的20至90重量％，

其中所述半互穿聚合物网络是大孔的，其中术语“大孔的”是指即使在干燥状态下也具有永久多孔结构的聚合物材料。

2.根据权利要求1所述的聚合物材料，其中所述交联的第二聚合物具有第二离子基团，所述第二离子基团的电荷与所述第一离子基团的电荷相反。

3.根据权利要求1所述的聚合物材料，其中所述交联的第二聚合物为非离子的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物材料，其中所述半互穿聚合物网络呈珠的形式。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物材料，其中所述第一离子聚合物包含聚(甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)、聚(丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵)或聚(二烯丙基二甲基氯化铵)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物材料，其中所述第一离子聚合物包含聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)或其盐。

7.一种分离、纯化或固定离子材料的方法，所述方法包括：

提供半互穿聚合物网络，所述半互穿聚合物网络包含：

第一离子聚合物，该第一离子聚合物具有第一离子基团，其中所述第一离子聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的10至80重量％；和

交联的第二聚合物，所述交联的第二聚合物由第二单体组合物的自由基聚合而制备，所述第二单体组合物包含基于所述第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量％的交联单体，其中所述交联的第二聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的20至90重量％；

使所述半互穿聚合物网络与离子材料接触，所述离子材料具有的电荷与所述第一离子基团的电荷相反；和

将所述离子材料的至少一部分吸附在所述半互穿聚合物网络上。

8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括将所述半互穿聚合物网络置于柱子中。

9.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括将所述半互穿聚合物网络设置在过滤介质的表面上。

10.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括将所述半互穿聚合物网络掺入到多孔基质中。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其中具有的电荷与所述第一离子基团的电荷相反的所述离子材料为生物分子。

12.一种制备半互穿聚合物网络的方法，所述方法包括：

形成水相组合物，所述水相组合物包含

可溶于所述水相组合物的第一离子聚合物，所述第一离子聚合物具有第一离子基团；

第二单体组合物，所述第二单体组合物可溶于所述水相组合物并且包含基于所述第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量％的交联单体；和

水基溶剂组合物；

将所述水相组合物悬浮在包含非极性有机溶剂的有机相中；和

在存在所述第一离子聚合物的情况下聚合所述第二单体组合物以形成半互穿聚合物网络的粒子，其中所述第一离子聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的10至80重量％，和其中所述交联的第二聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的20至90重量％。

13.一种制品，其包括：

多孔支承体；和

半互穿聚合物网络粒子，该半互穿聚合物网络粒子掺入到所述多孔支承体中、在所述多孔支承体的表面上或它们的组合，所述半互穿聚合物网络粒子包含：

第一离子聚合物，所述第一离子聚合物具有第一离子基团，其中所述第一离子聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的10至80重量％；和

交联的第二聚合物，所述交联的第二聚合物在存在所述第一离子聚合物的情况下由第二单体组合物的自由基聚合而制备，所述第二单体组合物包含基于所述第二单体组合物中单体的总重量计至少30重量％的交联单体，其中所述交联的第二聚合物存在量的范围为基于所述半互穿聚合物网络的总重量计的20至90重量％。

14.根据权利要求13所述的制品，其中所述多孔支承体为膜、过滤介质或多孔基质。

15.根据权利要求13所述的制品，其中所述多孔支承体包含原纤化聚合物。

16.根据权利要求15所述的制品，其中所述原纤化聚合物包含聚烯烃或聚四氟乙烯。