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KR20170113624A - 요소 격리 조성물 및 방법 - Google Patents

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KR20170113624A
KR20170113624A KR1020177024645A KR20177024645A KR20170113624A KR 20170113624 A KR20170113624 A KR 20170113624A KR 1020177024645 A KR1020177024645 A KR 1020177024645A KR 20177024645 A KR20177024645 A KR 20177024645A KR 20170113624 A KR20170113624 A KR 20170113624A
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KR
South Korea
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graphene
fluid
based material
urea
blood
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020177024645A
Other languages
English (en)
Inventor
마이클 제이. 나탄
아가타겔로스 키를리디스
Original Assignee
캐보트 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 캐보트 코포레이션 filed Critical 캐보트 코포레이션
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Abstract

수용액으로부터 요소를 격리시키기 위한 그래핀-기재 물질이 제공된다. 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 뿐만 아니라 그래핀 산화물을 포함한다.

Description

요소 격리 조성물 및 방법
본 개시내용은 수용액으로부터 요소를 제거하는 방법 및 물질 및 특히 생체액으로부터 요소를 제거하는데 유용한 그래핀-기재 물질에 관한 것이다.
요소는 그것의 극성 및 수소 결합 형성에 참여할 수 있는 능력으로 인해 물 (> 400 mg/ml) 및 메탄올, 에탄올 및 글리세롤과 같은 양성자성 유기 용매에 잘 용해되는 작고 극성이 높은 분자이다. 생화학에서 요소의 역할은 필수적이고, 비료의 질소 공급원으로서 및 중합체 전구체로서를 포함하여 산업적으로 중요한 분자이지만, 유체 용액으로부터 요소를 제거하는 것도 때로는 중요하다.
한 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 요소를 포함하는 유체를 그래핀-기재 물질 입자의 덩어리와 접촉시키고, 그래핀-기재 물질 입자 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 만들고, 그래핀-기재 물질/요소 복합체 중의 요소의 양이 그래핀-기재 물질 그램 당 25 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것을 포함한다. 유체는 수성 유체, 물, 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액, 헤마토크리트(hematocrit), 생체 여과액, 한외 여과액(ultrafiltrate), 투석액, 세포 외액, 세포 내액, 간질액, 림프액, 세포 횡단액, 소변 및 소변-유래 유체 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 그래핀-기재 물질/요소 복합체와 회합된 요소의 양은 그래핀-기재 물질 그램 당 50 초과, 100 초과, 250 초과, 500 초과 또는 700 mg 초과 요소일 수 있다. 일부 경우, 유체 내의 요소 농도는 10, 25, 50, 75, 90, 99, 99.9, 99.99, 99.999, 99.9999 또는 99.99999 중량% 초과로 감소된다. 이 방법은 유체 내의 그래핀-기재 물질 입자의 현탁액을 섞음, 교반, 진탕, 초음파 처리, 유동화, 냉각 및/또는 가열하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 그래핀-기재 물질 입자를 포함하는 베드를 통해 유체를 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 그래핀-기재 물질은 20:1 내지 1.5:1, 10:1 내지 1.5:1, 5:1 내지 1.5:1, 3:1 내지 1.5:1, 2:1 내지 1.5:1, 10:1 내지 2:1 또는 5:1 내지 2:1의 탄소 대 산소의 원자비를 갖는 그래핀 산화물일 수 있다. 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체일 수 있다. 이 방법은 그래핀-기재 물질, 활성탄 및/또는 개질된 활성탄으로 유체의 적어도 하나의 비요소 성분을 제거하는 것을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 요소를 포함하는 투석액을 그래핀-기재 물질과 접촉시키고, 그래핀-기재 물질 상 또는 내에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 형성하고, 그래핀-기재 물질/요소 복합체가 적어도 10 중량% 요소를 포함하도록, 투석액 중의 요소의 농도를 25 중량% 초과 감소시키는 것을 포함한다. 이 방법은 또한 투석액을 활성탄 또는 그래핀-기재 물질과 접촉시키는 것을 포함할 수 있으며, 접촉 방법은 투석액에 그래핀-기재 물질 입자를 분산시키는 것, 투석액을 그래핀-기재 물질 입자를 포함하는 베드를 통해 통과시키는 것, 투석액을 그래핀-기재 물질을 포함하는 막을 통해 통과시키는 것, 및 투석액을 그래핀-기재 물질을 포함하는 컬럼을 통해 통과시키는 것으로부터 선택될 수 있다. 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 또는 그래핀 산화물일 수 있고 그래핀-기재 물질/요소 복합체의 적어도 일부는 인터칼레이션(intercalation)을 통해 형성될 수 있다. 이 방법은 그래핀-기재 물질/요소 복합체로부터 요소를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 신장 기능장애를 나타내는 환자의 하나 이상의 조직으로부터 유래된 유체를 정제하는데 사용될 수 있다. 조직은 혈액일 수 있으며 흡수는 0 ℃ 내지 50 ℃, 23 ℃ 내지 37 ℃ 및/또는 pH 4 내지 8에서 발생할 수 있다. 이 방법은 그래핀-기재 물질을 멸균하는 것을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 요소를 포함하는 유체를 2 내지 15 Å의 층간 간격을 갖는 인터칼레이션 호스트의 덩어리와 접촉시키고, 인터칼레이션 호스트 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜, 인터칼레이션된 복합체를 만들고, 인터칼레이션된 복합체 중의 요소의 양이 인터칼레이션 호스트 그램 당 25, 50, 100, 500 또는 700 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것을 포함한다.
다른 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 요소를 포함하는 유체를 요소 분자 크기와 동일하거나, +/- 10 %, 20 %, 30 % 또는 40 %의 층간 간격을 갖는 인터칼레이션 호스트 덩어리와 접촉시키고, 인터칼레이션 호스트 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 인터칼레이션된 복합체를 만들고, 인터칼레이션된 복합체 중의 요소의 양이 인터칼레이션 호스트 그램 당 25, 50, 100, 500, 또는 700 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것을 포함한다. 인터칼레이션 호스트는 2 내지 6 Å 사이의 층간 간격을 가질 수 있고, 그래핀, 그래핀 산화물, 흑연 산화물 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 인터칼레이션 호스트는 2600 m2/g 초과, 1300 m2/g 초과, 850 m2/g 초과, 650 m2/g 초과, 530 m2/g 초과 또는 440 m2/g 초과의 질소 BET 표면적을 가질 수 있고, 수은 다공도 또는 질소 탈착을 사용하여 측정했을 때 0.01 cm3/g 미만, 0.1 cm3/g 미만, 0.5 cm3/g 미만, 1.0 cm3/g 미만 또는 2.0 cm3/g 미만의, 1 nm 크기를 초과하는 공극의 총 공극 체적을 가질 수 있다. 인터칼레이션 호스트는 2 내지 15 Å, 4 내지 12 Å, 7 내지 11 Å, 8 내지 11 Å, 8 내지 10 Å, 6 내지 9 Å, 5 내지 8 Å, 4 내지 8 Å, 2 내지 8 Å, 2 내지 6 Å, 3 내지 6 Å, 8 내지 12 Å, 9 내지 12 Å 또는 10 내지 14 Å의 층간 간격을 가질 수 있고, sp2 혼성화 탄소 원자로 필수적으로 이루어지거나 포함하는 하나 이상의 평면층일 수 있다.
본원의 방법에 적용 가능한 경우, 흡수 동안의 유체의 온도는 0 ℃ 내지 50 ℃, 10 ℃ 내지 40 ℃, 20 ℃ 내지 40 ℃, 30 ℃ 내지 40 ℃, 40 ℃ 미만, 30 ℃ 미만, 20 ℃ 미만, 10 ℃ 미만, 0 ℃ 초과, 10 ℃ 초과, 20 ℃ 초과 또는 30 ℃ 초과의 범위일 수 있다. 흡수 동안의 유체의 pH는 3 내지 10, 4 내지 10, 5 내지 10, 5 내지 9, 6 내지 9, 6 내지 8, 7 내지 8, 9 미만, 8 미만, 7 미만, 6 미만, 3 초과, 5 초과, 7 초과 또는 8 초과의 범위이다. 유체는 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액, 헤마토크리트, 투석액, 투석-유래 유체, 혈투석액, 복막 투석액, 혈장사혈-유래 유체, 정용 여과(diafiltration)-유래 유체, 한외 여과-유래 유체, 여과-유래 유체, 확산-기재 과정에 의해 생성된 유체, 대류-기재 과정에 의해 생성된 유체, 층류 하의 과정에 의해 생성된 유체, 난류 하의 과정에 의해 생성된 유체 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 그래핀-기재 물질 (GM) 또는 인터칼레이션 호스트는 요소를 흡수할 수 있고 물의 통과를 허용하면서 물리적으로 더 큰 물질을 배제할 수 있다. 유체는 환자에게 되돌려 보내질 수 있으며, 이 방법은 투석을 필요로 하는 환자의 혈액을 처치하는 것을 포함할 수 있다. 처치된 유체는 신장 질환 또는 신부전증의 증상을 나타내는 환자와 관련될 수 있으며, 이 방법은 신장 질환 또는 신부전증의 증상을 나타내는 환자의 혈액 중 요소 농도를 감소시킬 수 있다. 유체는 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액 및 헤마토크리트 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 유체는 투석액을 포함한다.
다른 양상에서, 조성물이 제공되는데, 그 조성물은 요소 대 그래핀-기재 물질의 중량비가 1:10 초과인, 그래핀-기재 물질 입자 및 그래핀-기재 물질에 흡수된 요소를 포함한다. 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 또는 그래핀-기재 물질 산화물을 포함할 수 있으며, 조성물 중 질소 함량의 90 % 초과는 요소 형태일 수 있다. 조성물은 또한 활성탄 또는 개질된 활성탄을 포함할 수 있다. 요소는 수소 결합된 요소 응집체, 2 량체, 3 량체 또는 n이 4 내지 50인 다량체(n-mer) 형태의 요소를 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 그래핀-기재 물질을 포함하는 장치가 제공되며, 그 장치는 요소를 포함하는 유체를 수용하도록 구성된다. 장치는 투석 카트리지가 될 수 있다. 카트리지는 또한 활성탄을 포함할 수 있으며 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 포함할 수 있다. 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 및/또는 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 투석 카트리지는 유체로부터 고분자량 성분을 여과할 수 있는 필터를 포함할 수 있으며, 필터는 그래핀-기재 물질을 포함할 수 있다.
다른 양상에서, 적어도 10 중량%의 요소를 포함하는 그래핀-기재 물질/요소 복합체가 제공된다. 그래핀-기재 물질/요소 복합체는 복합체로 또는 복합체로부터 요소를 흡수 및/또는 탈착시킴으로써 요소를 저장하는데 사용될 수 있다.
다른 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 요소를 포함하는 분위기에 그래핀-기재 물질 흡수제를 노출시키고, GM 흡수제 내 또는 상에 요소를 흡수시키고, 분위기 중의 요소 농도를 감소시키는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 방법이 제공되는데, 그 방법은 다층 그래핀-기재 물질을 요소와 접촉시키고, 그래핀-기재 물질의 인접한 층들 사이에 요소를 인터칼레이팅 시키고, 그래핀-기재 물질을 박리하는 단계를 포함한다. 박리는 요소가 아닌 임의의 박리제의 부재 하에 발생할 수 있다. 그래핀-기재 물질은 수성 시스템에서 요소와 접촉될 수 있다.
도면에서는:
도 1은 그래핀 산화물 시트의 실시양태의 화학 구조 및 관련된 작용기를 제공한다;
도 2는 그래핀 산화물과 물 사이에 발생할 수 있는 수소 결합을 나타낸다;
도 3은 흑연 산화물 실시예의 열 중량 및 시차 주사 열량계 분석을 보여주는 그래프이다;
도 4는 pH 3의 박리된 그래핀 산화물의 한 실시양태의 TEM 이미지의 포토카피이다;
도 5는 pH 9의 박리된 그래핀 산화물의 한 실시양태의 TEM 이미지의 포토카피이다;
도 6은 어떠한 요소 분해 생성물도 존재하지 않음을 나타내는 양성자 NMR 실험 결과를 제공한다;
도 7은 어떠한 요소 분해 생성물도 존재하지 않음을 나타내는 탄소 NMR 실험 결과를 제공한다;
도 8은 요소가 그래핀-기재 물질로부터 탈착될 수 있음을 나타내는, 두 가지 상이한 실험 요소 용액에 대해 UV-vis 결과를 제공한다; 그리고
도 9는 다양한 활성탄 및 그래핀 산화물의 실시양태에 대한 질소 BET 표면적 대 흡수제 그램 당 결합된 요소의 mg의 플롯이다.
한 양상에서, 그래핀-기재 물질은 혈장과 같은 수성 유체로부터 요소를 격리시키는데 사용된다. 요소는 그래핀-기재 물질 호스트와 인터칼레이션을 통해 유체로부터 격리된다고 여겨진다. 본원에 사용된 바와 같이, "그래핀-기재 물질(GM)"은 그래핀, 단일층 그래핀, 다층 그래핀, 그래핀 응집체, 그래핀 산화물, 흑연 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 환원된 흑연 산화물 및 박리된 흑연을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 이차원(2-D) 탄소 물질이다. GM은 또한 2-D 물질로 전부 또는 부분적으로 만들어진 임의의 및 모든 3 차원 (3-D) 물질을 포함한다. 또한, 이것은 문헌[All in the graphene family - A recommended nomenclature for two-dimensional carbon materials" Carbon 65 (2013), 1-6]에 기술된 임의의 및 모든 sp2 혼성화 탄소 물질 의미한다.
요소(CH4N2O)를 함유하는 유체는 예를 들어, 유체 내에 그래핀-기재 물질을 분산 또는 현탁시키는 것, 그래핀-기재 물질을 포함하는 베드를 통해 유체를 통과시키는 것 또는 그래핀-기재 물질로 코팅된 튜브를 통해 유체를 통과시키는 것을 포함하는 많은 방식으로 그래핀-기재 물질과 접촉시킬 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 수성 유체는 1 차 액체 캐리어가 물인 유체이다. 예를 들어, 25 ℃ 및 대기압에서, 총 용해된 및 용해되지 않은 고체를 제거한 후의 수성 유체의 액체 부분은 50 중량% 초과의 물이며, 일부 실시양태에서는 75 중량% 초과, 90 중량% 초과, 95 중량% 초과, 99 중량% 초과 또는 99.9 중량% 초과이다. 그래핀-기재 물질은 헐거운 미립자 형태, 모노리스일 수 있고 또는 기질에 고정될 수 있다. 그래핀-기재 물질은 또한 다른 입자 또는 조성물, 예컨대 카본 블랙, 활성탄 또는 지시제 화합물과 관련될 수 있다. GM 흡수제를 사용하면 혈액과 같은 생체액의 요소 농도(mg/L)를 예를 들어 50 % 초과, 75 % 초과, 90 % 초과 또는 95 % 초과로 감소시킬 수 있다. 동일한 유체는 유체 리터 당 0.5 미만, 0.1 미만 또는 0.01 g 미만으로 감소된 요소 수준을 가질 수 있다. 비생체액, 예를 들면, 정제수에서, GM 흡수제는 요소 농도를 예를 들어 백만 분의 1 수준 또는 10 억 분의 1 수준 또는 1 조 분의 1 수준으로 감소시킬 수 있다. 많은 예시에서, 그래핀-기재 물질은 그래핀-기재 물질 g 당 요소 100 mg 초과, 200 mg 초과, 500 mg 초과 또는 700 mg 초과의 요소(그래핀 기재 물질 g 당 요소 mg)를 흡수할 수 있다. 그래핀-기재 물질은 유체로부터 추가 성분을 제거하는데 유용한 다른 물질과 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀-기재 물질은 활성탄과 조합하여 사용되어 혈액으로부터 매우 다양한 바람직하지 않은 물질을 제거할 수 있다. 일부의 경우에는, GM과 활성탄(또는 다른 정제한 물질)으로의 처리가, 유체가 물질 중 하나에 의해 먼저 처리되고 난 다음 다른 것에 의해 이어지는, 직렬방식일 수 있다. 다른 경우에는, 그래핀-기재 물질 및 활성탄은 단일 위치에서 상이한 처리가 동시에 일어날 수 있도록 혼합되거나 섞일 수 있다. 많은 양의 요소를 흡수시킨 후 일부 GM/요소 복합체는 복합체로부터 일부 또는 모든 요소를 제거하여 재충전시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 이러한 재충전된 물질은 재사용될 수 있다. 특정 GM/요소 복합체는 그래핀/요소, 산화된 그래핀/요소 및 산화된 흑연/요소를 포함할 수 있다. 이들 복합체는 유체로부터 흡수된 다른 화합물을 포함할 수 있지만, 일부 경우에는, 요소는 요소 및 다른 물질을 함유하는 유체로부터 흡수되는 유일한 화합물이 아닌 경우, 주요 화합물이다. 일부 경우에는, GM/요소 복합체는 GM 및 요소 이외의 화합물을 10 중량% 미만, 5 중량% 미만, 1 중량% 미만 또는 0.1 중량% 미만 함유할 수 있다. 다른 실시양태에서, 추가 물질이 흡수될 수 있고 GM/요소 복합체의 질량의 0.1 % 초과, 1 % 초과, 5 % 초과 또는 10 % 초과를 차지할 수 있다.
혈액으로부터 요소의 제거는 신장의 주요 역할 중 하나이다. 말기 신부전증의 경우, 신장 기능은 폐지되거나 완전히 제거되며 혈액 내 요소 농도를 낮추기 위해 외부 수단을 필요로 한다. 만성 신장 질환 및/또는 말기 신부전증 및/또는 일시적으로 또는 영구적으로 비 기능성 신장을 앓고 치료가 필요한 환자에서, 요소 농도는 밀리몰 농도에 도달하여 상당히 높을 수 있으며 하루 동안 최대 25 그램의 요소가 하나 또는 다른 방법으로 순환을 통해 제거되어야 한다. 다른 경우, 환자 당 대략 1 그램의 요소 또는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 또는 24 그램 이상의 요소가 하루에 제거된다. 신부전증 환자에서 요소 제거의 주요 방법은 혈액 투석 또는 복막 투석을 통한 투석이다. 혈액으로부터 요소를 효과적으로 제거할 수 있는 휴대용 또는 착용식 인공 신장은 현재의 방법보다 중요한 진보가 될 것이다.
초순수를 필요로 하는 산업(예: 반도체 웨이퍼 제조 및 의약품)에서는, 심지어 수 ppb(part per billion; 십억분의 1)의 요소 농도도 높다고 여겨진다. 따라서, 이미 고도로 정제된 물에 존재하는 심지어 미량의 요소를 제거하는 방법이 개발되었다. 이들 방법 중 많은 것은 설치 및 유지에 비용이 많이 들고, 본원에 개시된 물질 및 방법은 일반적으로 정제된 물에 남아있는 미량의 요소를 보다 효율적이고 효과적으로 제거할 수 있다.
요소는 주로 폐기물이지만, 질소 공급원으로서의 가치를 갖는다. 예를 들어, 질소 비료는 전세계에서 사용되고 있다. 소변에서의 요소의 높은 질소 함량(질량 기준, 46 %)은 잠재적인 비료 공급원으로서 매력적이며, 일부 경우에, 본원에 개시된 그래핀-기재 물질은 동물 소변으로부터 요소를 분리시키는 경제적 기법을 제공할 수 있다. 이러한 그래핀-기재 물질을 사용하여 소변에서 요소를 제거하는 것은 물이 부족한 우주와 같은 응용 분야에서도 깨끗한 물의 공급원을 제공할 수 있다.
요소 자체는 무취이지만, 소변의 효소와 반응하여 악취가 나는 화합물을 형성한다. 요소, 특히 동물 소변으로부터의 격리는 효소 활성 위치에서 그것을 사용할 수 없게 함으로써 애완 동물 또는 가축의 소변 냄새를 줄일 수 있다.
요소 격리 외에도, 본원에 기술된 GM의 일부 실시양태는 특정 환경에서 요소의 제어된 방출을 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어 요소가 중요한 질소 공급원인 농업에서 장기간에 걸쳐 물질을 배출할 필요가 있다.
본원에 기술된 물질은 또한 세슘과 같은 금속 이온을 회수하는데 유용할 수있다. 일부 경우에는 요소의 포함은 GM에 인터칼레이션되는 금속 이온의 양을 향상시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 그래핀-기재 물질에서 요소의 인터칼레이션은 전형적으로 박리에 요구되는 가혹한 화학적 조건 없이 물질의 박리에 이르게 하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어 요소는 층상(layered) 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 흑연 산화물, 그래핀 응집체 또는 부분적으로 박리된 흑연으로 인터칼레이션되어 이러한 물질의 박리 및 가공을 돕는다.
그래핀-기재 물질로의 요소의 인터칼레이션은 또한 레올로지 또는 전도성과 같은 물질 특성을 개질시키는 것을 도울 수 있다. 층분리 또는 박리됨으로써, 이들 물질은 증가된 점도 또는 감소된 전도성을 나타낼 수 있다. 대안으로, 그래핀-기재 물질의 요소 인터칼레이션은 물질의 특성을 조정하는 데 도움이 될 수 있으며 예를 들어 전도도를 높이거나 낮추거나 점도를 높이거나 낮추게끔 할 수 있다.
그래핀, 산화된 그래핀 및 산화된 흑연을 포함하는 본원에 기술된 GM은 일원자 두께의 탄소 시트로 이루어질 수 있다. 결과적으로, 이들 물질은 매우 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지며, GM의 길이 대 두께 종횡비는 100 초과, 1,000 초과 또는 10,000 초과일 수 있다.
요소 제거 기법
용액으로부터 요소를 제거하는 대부분의 알려진 방법은 요소 분자 자체의 격리보다는 오히려 요소의 화학적 변형 또는 파괴를 포함한다. 예를 들어 효소 우레아제는 다음과 같이 요소를 암모니아(암모늄 이온)로 촉매 분해한다:
(NH2)2CO + H2O → CO2 + 2NH3
마찬가지로, Ni2 + 배위 착물에 기초한 것과 같은 전이 금속 촉매 또한 요소와 반응할 수 있다.
요소는 전기화학적으로 산화될 수 있다; 일부 조건 하에서, 생성물은 우레아제의 작용에 의해 생성된 생성물, 즉 이산화탄소 및 암모니아와 동일하다. 요소는 전형적으로 화학적 또는 UV 또는 조합된 처리법을 포함하는 소위 고급 산화 방법을 사용하여 물에서 제거될 수 있다.
암모니아로의 촉매 분해, 불완전한 전기화학적 산화 및 고급 산화 방법과 같은 요소 파괴의 알려진 방법은 일반적으로 물에서의 암모늄 이온과 같이, 역시 제거되어야만 하는 비가스 생성물을 만들어낸다.
흑연은 반데르발스 힘에 의해 함께 적층되고 유지되는 sp2 혼성화 탄소 원자의 층으로 구성된 탄소 동소체이다. 이방성(anisotropy) 때문에 이 형태의 탄소는 많은 용도로 사용된다. 흑연을 형성하는 육각형으로 패킹된 탄소 원자의 단일 층은 그래핀으로 알려져있다. 다수 층상 흑연(FLG) 또는 그래핀-기재의 물질을 기반으로 하는 물질은 독특한 특성의 조합을 제공한다. 그래핀 및 흑연은 산화되어 흑연 산화물 및 그래핀 산화물(흑연 산화물을 형성할 때 적층되는 단일 층)을 생성할 수 있다. 흑연 산화물 및 그래핀 산화물은 산소 원자를 포함하며 전형적으로 탄소 대 산소의 원자 비가 1.5를 초과한다. 일부 실시양태에서, 그래핀 산화물 또는 흑연 산화물 흡수제는 적어도 약 55 %, 또는 60 %, 또는 65 %, 또는 70 %, 또는 75 %, 또는 80 %, 또는 85 %, 또는 90 %, 또는 95 %, 또는 99 %, 또는 99.99 %의 탄소 함량(몰 %)을 가진다. 일부 경우, 흡수제의 나머지는 산소이고 흡수제는 탄소, 수소 및 산소 이외 원소는 검출 가능한 수준이 아니다. 다른 상황에서, 흡수제의 나머지는 산소, 붕소, 질소, 황, 인, 플루오린, 염소, 브로민 및 아이오딘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 포함한다. 일부 실시양태에서, 그래핀 산화물 또는 흑연 산화물은 몰 기준으로, 적어도 약 0.01 %, 또는 1 %, 또는 5 %, 또는 15 %, 또는 20 %, 또는 25 %, 또는 30 % 또는 35 %, 또는 40 %, 또는 45 %의 산소 함량을 가진다. 예를 들어, 그래핀 또는 흑연 산화물 흡수제는 적어도 약 55 %의 탄소 함량 및 적어도 약 0.01 %의 산소 함량을 가질 수 있다. 산소 함량은 다양한 표면, 적정법 또는 벌크 분석 분광 기법을 사용하여 측정할 수 있다. 한 예시로서, 산소 함량은 X 선 광전자 분광법(XPS)에 의해 측정된다.
일부 실시양태에서, GM 흡수제는 적어도 약 1.5:1, 또는 2:1 또는 2.5:1 또는 3:1 또는 3.5:1 또는 4:1 또는 4.5:1 또는 5:1 또는 5.5:1 또는 6:1 또는 6.5:1 또는 7:1 또는 7.5:1 또는 8:1 또는 8.5:1 또는 9:1 또는 9.5:1 또는 10:1 또는 100:1 또는 1000:1 또는 10,000:1 또는 100,000:1 또는 1,000,000:1의 벌크 탄소 대 산소 몰 비를 갖는 그래핀-기재 물질(GM 산화물)의 산화물을 포함하거나 그로 구성된다. 일부의 경우, GMO 흡수제는 적어도 약 1.5:1 또는 2:1 또는 2.5:1 또는 3:1 또는 3.5:1 또는 4:1 또는 4.5:1 또는 5:1 또는 5.5:1 또는 6:1 또는 6.5:1 또는 7:1 또는 7.5:1 또는 8:1 또는 8.5:1 또는 9:1 또는 9.5:1 또는 10:1 또는 100:1 또는 1000:1 또는 10,000:1 또는 100,000:1의 표면 탄소 대 산소 비율을 갖는다.
일부 실시양태에서, GM 흡수제는 적어도 약 1.5:1, 또는 2:1 또는 2.5:1 또는 3:1 또는 3.5:1 또는 4:1 또는 4.5:1 또는 5:1 또는 5.5:1 또는 6:1 또는 6.5:1 또는 7:1 또는 7.5:1 또는 8:1 또는 8.5:1 또는 9:1 또는 9.5:1 또는 10:1 또는 100:1 또는 1000:1 또는 10,000:1 또는 100,000:1의 벌크 탄소 대 산소 몰 비를 갖는 그래핀 산화물(즉, 예를 들어 흑연 산화물을 박리시키거나 또는 그래핀을 산화시킴으로써 수득되는 산화된 그래핀), 환원된 그래핀 산화물(즉, 그래핀 산화물 또는 흑연 산화물의 환원 생성물) 또는 흑연 산화물을 포함하거나 그로 구성된다. 일부의 경우, 그래핀 산화물 또는 흑연 산화물-함유 흡수제는 적어도 약 1.5:1, 또는 2:1 또는 2.5:1 또는 3:1 또는 3.5:1 또는 4:1 또는 4.5:1 또는 5:1 또는 5.5:1 또는 6:1 또는 6.5:1 또는 7:1 또는 7.5:1 또는 8:1 또는 8.5:1 또는 9:1 또는 9.5:1 또는 10:1 또는 100:1 또는 1000:1 또는 10,000:1 또는 100,000:1의 표면 탄소 대 산소 비를 갖는 그래핀 산화물 또는 흑연 산화물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 그래핀 산화물의 탄소 대 산소 원자 비는 1.5:1 내지 5:1, 1.5:1 내지 2:1, 1.5:1 내지 3:1, 2:1 내지 5:1, 또는 3:1 내지 5:1의 범위이다. 그래핀 산화물은 다양한 방법에 의해, 예컨대 화학적, 열적 등으로 환원될 수 있다. 특정 실시양태에서, 환원된 그래핀 산화물은 적어도 5:1의 탄소 대 산소 몰 비를 갖는다. 다른 실시양태에서, 환원된 그래핀 산화물은 2:1 내지 1000:1, 2:1 내지 100:1, 2:1 내지 20:1, 2:1 내지 10:1, 3:1 내지 1000:1, 3:1 내지 100:1, 3:1 내지 20:1, 3:1 내지 10:1, 5:1 내지 1000:1, 5:1 내지 100:1, 5:1 내지 20:1, 또는 5:1 내지 10:1 범위의 탄소 대 산소 몰 비를 갖는다. 산소 원자는 인접한 두 개의 탄소 원자에 대한 단일 공유 결합 또는 단일 결합된 히드록시기에 의해 흑연 또는 그래핀에 결합되는 것으로 여겨진다. 이들 그래핀-기재 물질은 다른 헤테로 원자를 함유할 수 있지만, 많은 경우에 탄소 및 산소 이외의 원소는 없으며, 탄소, 수소 및 산소 이외의 원소를 1 % 미만, 0.1 % 미만 또는 0.01 % 미만(중량 또는 몰 기준)으로 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, GM 산화물은 적어도 하나의 유기 표면 잔기, 예를 들어 알킬기, 아릴기, 알케닐기, 알키닐기, 히드록시기, 에폭시드기, 퍼옥시드기, 과산화산기, 알데히드기, 케톤기, 에테르기, 디케톤기, 트리케톤기, 무수물기, 락톤기, 에스테르기, 카르복실산 또는 카르복실레이트기를 포함한다.
흑연 산화물(GO)은 브로디(Brodie), 스타우덴마이어(Staudenmeier) 및 허머스(Hummers) 방법과 같은 당업자에게 공지된 여러 반응을 사용하여 합성할 수 있다. 이러한 공정은 산화 및 공정 조건에 사용되는 산화제 유형 모두가 다르다. 브로디 방법은 발연 질산 및 염소산 칼륨의 조합을 산화제로 사용한다. 스타우덴마이어 방법은 농축된 질산 및 황산 및 염소산 칼륨의 조합을 산화제로 사용한다. 허머스 방법은 과망간산 칼륨과 황산을 사용한다. 이들 방법 모두는 흑연 산화물의 원자 C:O 비가 대략 2:1인 점에서 원소적으로 화학적으로 유사한 물질을 만들어 낸다.
흑연 산화물의 구조에 대한 문헌에는 많은 이론적 모델이 존재하며, 현재 보편적으로 동의된 구조는 없다. 그러나 GO 표면에 존재하는 작용기의 종류에 관해서는 더 많은 의견일치가 있다. 이들은 도 1에 도시되어있다. 문헌[From Conception to Realization: An Historical Account of Graphene and Some Perspectives for Its Future" D.R. Dreyer, R.S. Ruoff and C.W. Bielawski,　 Angewandte Chemie International Edition 　49, 9336-9344 ( 2010)]. 대부분의 화학종에서 산소는 히드록실 또는 에폭시기 중 하나에서 기저 평면 상에 존재한다. 일부 모델은 기저면의 가장자리에 카르복실산기가 존재함을 나타낸다.
GO 평면의 이러한 풍부한 화학 작용기는 흑연 산화물의 작용화에 대한 문헌에서 광범위하게 사용되어왔다 (본원에 참조문헌으로 포함된, 문헌[Chapter 3 in "Functionalization of graphene", 2014] 참조). GO 평면의 케미스트리는 물질을 다른 작용기로 개방하지만 흑연 산화물을 열적으로 불안정하게 만든다. GO가 120 ℃ 초과로 가열되면 발열 반응으로 분해되어 CO와 CO2 가스를 방출하고, 이것은 기저 평면을 분리시켜 열적으로 환원된 GO를 만들어낸다. 기저 평면상의 이들 작용기의 존재는 GO가 도 2 Id.에 나타난 바와 같이 강한 수소 결합 네트워크를 형성할 수 있기 때문에 물에서의 물질의 분산성 및 그에 대한 강한 친화성의 원인이 되는 것으로 여겨진다. 그래핀 산화물은 화학적 환원제를 사용하여 환원될 수도 있다. 예를 들어, 그래핀 산화물은 요소를 사용하여 그래핀 분말로 환원될 수 있지만, 환원 공정은 그래핀과 회합된 어떠한 검출 가능한 요소 또는 질소를 남기지 못하고, GM/요소 복합체의 형성이 없게 된다. U.S. 특허 출원 공보 2013/0302693를 참조한다.
본원에서 사용된 "그래핀"은 각 시트가 벌집(honey comb) 격자를 형성하도록 서로 결합된 sp2-혼성화된 탄소 원자를 포함하는 적층된 시트를 포함한다. 한 실시양태에서, 그래핀은 2 개 이상의 적층된 그래핀 시트, 예를 들어 2 내지 20 층 그래핀을 갖는 다수 층상 그래핀(FLG)을 포함한다. 다른 실시양태에서, FLG는 3 내지 15 층 그래핀을 포함한다. 한 세트의 실시양태에서, 그래핀은 단일층 그래핀 및/또는 15 초과의 층 또는 20 초과의 층을 갖는 그래핀을 포함할 수 있다. 이들 실시양태의 일부에서, 적어도 80 %, 적어도 85 %, 적어도 90 %, 또는 적어도 95 %의 그래핀은 2 내지 20 층 그래핀을 포함한다. 다른 실시양태에서, 적어도 80 %, 적어도 85 %, 적어도 90 %, 또는 적어도 95 %의 그래핀은 3 내지 15 층 그래핀을 포함한다.
그래핀의 치수는 전형적으로 두께 및 측면 도메인 크기에 의해 정의된다. 그래핀 두께는 일반적으로 층상 그래핀 시트의 수에 달려있다. 두께를 가로지르는 치수는 본원에서 "측면" 치수 또는 도메인을 의미한다. 많은 실시양태에서, 그래핀은 평균 측면 도메인 크기가 0.5 내지 10 nm 또는, 보다 좁게는 1 nm 내지 5 nm 범위이다.
그래핀은 개별 입자 및/또는 응집체로서 존재할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "그래핀 응집체"는 서로 접착된 복수의 그래핀 입자(FLG)를 의미한다. 그래핀 응집체의 경우, "평균 측면 도메인 크기"는 응집체의 분할할 수 없는 가장 긴 치수 또는 도메인을 의미한다. 응집체의 두께는 개별 그래핀 입자의 두께로 정의된다.
한 실시양태에서, 그래핀의 표면적은 서로 적층된 시트들의 수의 함수이며, 층의 수에 기초하여 계산될 수 있다. 일부 예시의 경우, 그래핀은 공극이 없고 미세공극률을 나타내지 않는다. 공극률이 없는 그래핀 단층의 표면적은 2700 m2/g이다. 공극률이 없는 2 층 그래핀의 표면적은 1350 m2/g으로 계산할 수 있다. 다른 실시양태에서, 그래핀 표면적은 적층된 시트의 수와 비정질 공동 또는 공극의 조합에 기인한다. 그래핀의 다른 예시는 0 % 초과 내지 50 %, 예를 들어 20 % 내지 45 % 범위의 미세공극률을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, 그래핀은 40 내지 1600 m2/g, 60 내지 1000 m2/g 또는 80 내지 800 m2/g 범위의 질소 BET 표면적을 갖는다. 다른 실시양태에서, 그래핀 또는 FLG는 1000 m2/g 초과, 500 m2/g 초과, 250 m2/g 초과 또는 100 m2/g 초과의 질소 BET 표면적을 갖는다. 일부 실시양태에서, 그래핀 또는 GO와 같은 GM의 총 공극 부피(질소 탈착 또는 수은 다공도에 의해 측정된 1 nm 초과의 공극)는 2.5 cm3/g 미만, 1.0 cm3/g 미만, 0.5 cm3/g 미만, 0.1 cm3/g 미만 또는 0.01 cm3/g 미만이다. 활성탄에서는 흡수제 성능을 예측하는 데 표면 화학이나 공극 크기 분포 인자 단독으로는 안된다고 여겨진다. 오히려 흡착에 대한 동역학 및 열역학에 영향을 주는 공극 크기 분포와 표면 화학의 조합이다.
GM은 새롭게 제조될 수 있거나 노화될 수 있다. 예를 들어, 특정 조건 하에서 노화는 그래핀 산화물의 탄소 표면의 산소량을 변화시킬 수 있다. 노화는 또한 소판(platelet) 또는 입자 응집 또는 집합체의 상태를 변화시킬수 있다.
합성된 그래핀 또는 흑연 기재 물질은 천연 공급원으로부터 유래된 활성탄과 같은 탄소질(carbonaceous) 화합물보다 더 순도가 높을 수 있다. 의학적 및 약리학적 공정과 같은 일부 응용에서, 이 순도 수준은 중요할 수 있다. 예를 들어, 투석 적용에서, 흡수제는 잠재적으로 환자 몸에 순환되거나 순환할 물질과 접촉한다. 따라서 유기물 또는 무기물인 흡수제의 침출가능한 함량을 절대 최소치로 유지하는 것이 중요하다. 마찬가지로 초순수가 요구되는 제약 및 반도체 분야의 경우, 흡수제로부터 물질의 방출을 10 억분의 1 또는 심지어 1 조분의 1 수준 아래로 유지해야 한다. 따라서, 그래핀-기재 물질은 엄격한 의학, 약리학 또는 반도체 요구 사항을 충족시킬 수 있지만, 활성탄 또는 기타 천연으로부터 유래된 탄소질 물질은 그렇지 않을 수 있다.
요소 함유 유체에 분산될 때, 유체 역학에 악영향을 미치지 않으면서 유체로부터 요소를 효율적으로 제거하는 양 및 농도로 GM이 제공될 수 있다. 일부 실시양태에서, GM은 예를 들어 0.1 내지 100 mg/mL, 0.1 내지 10 mg/mL, 1 내지 10 mg/mL 또는 1 내지 100 mg/mL의 농도 범위에서 유체에 분산되거나 현탁될 수 있다. 요소 격리 공정은 연속 또는 배치 공정일 수 있으며, GM/요소 복합체는 여과 및 원심분리와 같은 당업자에게 공지된 방법에 의해 유체로부터 분리될 수 있다. 일부의 경우, 요소를 포함하는 유체는 GM을 포함하는 베드를 통과한다. 유속은 상당한 압력 증가를 초래할 수 있는 GM의 과도한 패킹을 야기하지 않고 요소의 효율적인 제거를 제공해야 한다. GM 베드를 통한 유속은 100 mL/g/min 초과일 수 있고, 1 L/g/min 초과 또는 10 L/g/min 초과일 수 있다. 동일한 유체가 한번 또는 여러번 베드를 통과할 수 있으며 유체는 평형에 접근하거나 도달할 때까지 여러번 베드를 통해 순환될 수 있다. GM 필터 베드는 GM이 유체 흐름을 차단하지 못하도록 도와주는 물질을 포함할 수 있다. 이들 물질은 활성탄과 같은 다른 탄소질 물질을 포함할 수 있거나 활성 또는 비활성일 수 있는 무기 물질을 포함할 수 있다. 무기 물질은 예를 들어 유리 비드 또는 금속 산화물, 예를 들어 실리카 또는 알루미나를 포함할 수 있다.
요소 결합 메카니즘 :
요소는 만성 또는 말기 신장 질환 환자에서 제어되거나 제거되어야 하는 많은 종 중 하나이다. 유체와 전해질의 균형을 유지하는 것 외에도 신장은 다양한 독소를 제거하는 역할을 한다. 따라서 이러한 기능을 복제, 대체 또는 시뮬레이트하는 것에 사용되는 다양한 수단 및/또는 물질이 있다; 요소에 대한 흡수제는 이들 중 하나 이상과 회합될 수 있다. GM은 물질이 한외 여과에 사용되게끔 미세공극률 수준으로 제조될 수 있기 때문에, GM 흡수제는 한외 여과에 사용되는 중공 섬유막과 회합될 수 있거나 자체적으로 한외 여과에 사용되는 중공 섬유막을 형성할 수 있다. 따라서 요소 흡수제 역할을 하는 것 외에도, GM은 물리적으로(인터칼레이션에 의해서가 아닌) 단백질과 같은 요소보다 큰 분자를 차단하면서도 물과 용존 이온을 통과하게끔 할 수 있다. 이는 유체, 예를 들어 혈액에서 발견되는 고분자량 성분으로부터 요소, 물 및 이온의 격리를 제공할 수 있다. 흡수제는 단일 실체(entity)로 구성되도록 섬유 다발에서 섬유 사이의 공간을 차지할 수 있거나 흡수제와 섬유의 복합체일 수 있다. 대안적으로, 요소 흡수제는 상이한 기능(예: 인산염 결합에 사용되는 철 옥시수산화물)을 표적으로 하는 흡수제와 관련될 수 있다.
마찬가지로, 요소 흡수제는 이온 조성물, 이온 강도 또는 pH를 제어하고, 다른 독소(예: 소위 "중간 분자")를 제거하는데 사용되는 물질과 회합될 수 있다. 이러한 관련은 2 개 (또는 그 이상) 흡수제의 물리적 혼합물의 형태일 수 있거나 흡수제가 레디(REDY) 장치에서와 같이 다른 하나의 상단에 적층되도록 분리된 어셈블리일 수 있다 (http://www.advancedrenaleducation.com/GeneralTopics/HistoryofSorbentTechnology/tabid/587/Default.aspx 및 http://www.renalsolutionsinc.com/howitworks.html 및 그의 참조에 기술되어 있고, 모두 2015년 2월 2일에 접속함).
신규한 요소 흡수제는 지르코늄 포스페이트, 지르코늄 산화물, 지르코늄 카르보네이트, 고정된 우리아제를 갖는 입자, 레소늄 A, 세베라머 카르보네이트, 철 옥시수산화물, 지르코늄 카르보네이트 또는 그 전체 내용이 본원에 인용되는 웨스터(Wester) 등의 문헌 [Nephrol. Dial. Transplant (2013) 0: 1-8]에 기술된 것을 포함하나 이에 한정되는 것은 아닌 다른 물질과 회합될 수 있다.
회합(association)의 대안적인 방식은 코어-쉘 입자이다. 예를 들어, 철 옥시수산화물의 입자는 새로운 요소 흡수제를 포함하는 입자의 아단층, 단층 또는 다층으로 코팅될 수 있다. 철 옥시수산화물의 층이 새로운 요소 흡수제의 입자를 코팅하는데 사용될 수 있도록 코어 및 쉘은 역전될 수 있다. 코어-쉘 입자는 과학 문헌에서 잘 알려져 있으며 코어-쉘 입자를 제조할 수 있는 다양한 방법이 있다.
마찬가지로, 새로운 요소 흡수제가 신장 질환 환자의 치료에 사용되는 다른 입자 또는 물질과 회합될 수 있는 수많은 다른 기하구조가 존재한다. 예를 들어, 입자 중 하나 또는 다른 입자가 2-D라면, 다른 물질로 코팅하여 적층된 층을 만들 수 있다. 이러한 입자는 2-D 기하구조 (상단에 하나의 물질과 하단에 다른 물질이 있는 상태)로 남아 있거나 "감겨서" 또는 다르게 3-D 물질로 변환될 수 있다. 회합의 또 다른 비-한정적인 예시는 소위 "야누스(Janus)" 입자로서, 예를 들어 각각의 물질이 구의 한 반구를 주로 차지한다. 당업자는 다양한 다른 회합 방법을 인식하고 있을 것이다.
공유 부착
요소를 결합시키는 흡수제의 능력을 향상시키는 한가지 방법은 요소와 공유 결합을 형성할 수 있는 유기 작용기를 흡수제 표면에 도입하는 것이다. 이 기법은 닌히드린(ninhydrin) 또는 글리옥살(glyoxal)에서와 같은 작용기를 포함할 수 있는 중합체에 적용될 수 있다. 일부 경우, 임의의 4 원소 C, N, H 및/또는 O 사이에 공유 단일 또는 이중 결합, 예를 들어 C-C 결합, C-N 결합, C-O 결합, N-O 결합, N-N 결합 또는 O-O 결합이 형성될 수 있다. 요소에 결합할 수 있는 작용기의 비 한정적인 예시는 에폭시드, 락톤, 케톤, 히드록시드, 알켄, 이민 및 알콜이다.
유기 작용기는 원래 흡수제(예: GM 또는 AC) 표면 상에 존재할 수 있거나 (예: 활성탄에서 C=C 또는 C-C 결합), 별도의 화학적 또는 물리적 가공 단계에 의해 표면 상에 도입될 수 있다. 화학적 가공 단계의 예시는 산화 또는 환원일 수 있다. 물리적 단계의 예시는 가열, 냉각, 밀링, 분쇄 또는 초음파 처리일 수 있다. 일부의 경우, 물리적 단계가 화학 반응(예: 열 유도 산화)에 이르게 할 수 있다; 다른 경우, 물리적인 단계는 다르게 숨겨진 작용기를 노출(예: 층상 물질의 박리)시킬 수 있다.
무기 작용기, 즉 금속 이온은 부착이 배위(coordination) 또는 부여(dative) 결합을 하도록 요소를 결합시키는데 사용될 수도 있다. 탄소와 산소(C=O)의 이중 결합에 대해 또는 산소 또는 질소 상의 고립쌍을 통해 요소에 배위될 수 있는 금속 이온의 비제한적인 예시는 Cu2 +, Zn2 +, Mn2 +, Fe2 +,3+ 및 Co2 +이다. 금속 이온은 흡수제에 고유한 것일 수 있거나(원물질에 따른 특정 활성탄의 경우와 같음) 별도의 공정으로 도입될 수 있다.
GM은 여과막과 같은 막을 제조하는데 사용될 수 있다. 시트, 종이, 펠트 (felt) 및 천과 같이 다소 평면적으로 밀접하게 관련된 다른 형태들도 기술되어 있다. 이러한 접근법에서 다른 분자는 공극을 통과하는 반면, 특정 분자는 크기를 기준으로 제외된다. 이들 물질은 종래의 여과막과 유사한 방식으로 기능하며 분자가 다공성 물질의 표면에 물리적 및/또는 화학적으로 결합되고 오로지 크기를 기준으로 배제되지 않는 본원에 기술된 흡수제와 구별된다.
흡착 및/또는 물리흡착
요소는 또한 흡착 및/또는 물리흡착 메커니즘에 의해 흡수제에 결합할 수 있다. 활성탄은 두 메커니즘을 모두 지원하는 것으로 잘 알려져 있다. 이러한 상호 작용의 위치는 공극 또는 공동일 수 있다. 활성탄 또는 카본 블랙의 경우, 이러한 공극은 보통 거대공극, 중간공극 및 미세공극을 의미한다. 공극 크기는 흡수 물질의 밀접하게 간격을 둔 벽 사이에서 요소와 같은 특정 표적 분자를 물리적으로 포획하도록 선택될 수 있다. 원자 스케일의 층상 물질은 또한 요소에 유리한 결합 위치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 부분적으로 박리된 층물질은 요소 분자가 열린 층 사이에 물리적으로 박혀있을 수 있는 아코디언과 같은 구조를 생성할 수 있다. 이러한 박리는 자연적으로 발생하거나 화학적 또는 물리적 가공 단계에 의해 또는 가공의 조합에 의해 발생할 수 있다.
다른 물질과 함께, 요소 고정화는 높은 표면적으로 얻을 수 있다. 표면적이 큰 흡수제는 더 많은 수의 유리한 결합 위치를 가질 것이다. 활성탄의 경우, 이들 위치는 표면 구조 내의 공극, 결함 또는 다른 일부 위치일 수 있다.
GM은 분말, 분산액, 패킹된 베드, 코팅 또는 모노리스를 포함하는 다양한 형태로 사용될 수 있다. 상이한 실시양태에서, GM의 평균 측면 도메인 크기는 크기 및 크기 분포에서 다양할 수 있다. 예를 들어, GM 평균 측면 도메인 크기는 0.005 마이크로미터(마이크론)에서 10 mm까지 다양할 수 있다. 특정 실시양태에서, 입자 크기는 0.005 내지 0.100 ㎛, 0.005 내지 0.250 ㎛, 0.005 내지 0.500 ㎛, 0.050 내지 0.100 ㎛, 0.050 내지 0.500 ㎛, 0.050 내지 1.0 ㎛, 0.050 내지 10 ㎛, 0.050 내지 100 ㎛, 0.050 ㎛ 내지 1.0 mm, 0.500 내지 1.00 ㎛, 0.500 내지 10 ㎛, 0.500 내지 100 ㎛, 0.500 ㎛ 내지 1 mm, 1.0 ㎛ 내지 100 ㎛, 1.0 ㎛ 내지 1.0 mm, 10 내지 100 ㎛, 10 ㎛ 내지 1.0 mm, 100 ㎛ 내지 1.0 ㎜ 및 100 ㎛ 내지 10 ㎜의 범위를 커버할 수 있다. 가장 작은 크기에서, 물질은 콜로이드라고 지칭될 수 있으며, 고체이거나 용액 중에 분산될 수 있다. 보다 큰 크기에서, 이러한 분말은 전형적으로 과립으로, 가장 큰 크기에서, 펠렛 또는 압출물로 지칭된다. 따라서 요소용 GM 흡수제는 콜로이드, 분말, 알갱이, 펠렛 또는 압출물일 수 있다. 입자의 분포는 단분산, 또는 이중분산 또는 다분산일 수 있다. 입자는 형상이 구형, 또는 원통, 또는 입방체 또는 다른 일정한 형상일 수 있거나 불규칙한 형상일 수 있다. 입자는 2 차원 형상일 수 있다 (예: 플레이크 또는 시트). 입자는 등방성(예: 구) 또는 이방성(예: 원통)일 수 있다; 이방성 입자의 종횡비는 2:1 또는 5:1 또는 20:1 또는 50:1 또는 100:1 또는 500:1(예: 긴 바늘)일 수 있다. 모든 경우에, 입자는 일부 다른 유체 (예: 물)에 현탁될 수 있거나 젤라틴 또는 발포체와 같은 특성일 수 있거나 고체(건성 또는 습윤성)로 바로 사용될 수 있다. 고체는 자유 유동일 수 있거나 제한된 유동을 가질 수 있다 (즉, 습윤성이고, 높은 종횡비의 플레이크).
인터칼레이션
본원에 기술된 물질을 사용하면, 요소는 인터칼레이션을 통해 흡수제에 결합될 수 있는데, 흡수 물질의 두 개 이상의 대향된 층 사이에서 한 종을 포획한다. 다층 물질은 층간에 결합 가능성을 제공하여 결합에 이용 가능한 유효 표면적을 상당히 증가시킬 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 요소와 같은 표적 화합물은 요소가 표적 화합물이 용해되거나 분산된 유체 시스템에서 물질과 우선적으로 회합할 때 물질에 "결합" 또는 "흡수"된다. 상이한 실시양태에서, 요소는 가역적으로 또는 비가역적으로 흡수될 수 있다. 요소에 대한 흡수제 역할을 할 수 있는 인터칼레이션 호스트는 본원에 기술된 그래핀-기재 물질 뿐만 아니라 대향된 층 사이에서 유사한 간격을 나타내는 다른 물질을 포함한다. 예를 들어, 인터칼레이션 호스트로서 요소를 흡수하는데 유용한 물질은 요소 분자를 포획하기 위한 적절한 크기 및/또는 작용화된 층간 간격을 갖는 2 개 이상의 대향된 층을 갖는 임의의 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 유기 또는 무기일 수 있다. 일부 실시양태에서, 요소를 인터칼레이션시키는데 유용한 호스트(예: GM)에서의 대향된 층들 사이의 층간 간격은 2 내지 15 Å, 4 내지 12 Å, 7 내지 11 Å, 8 내지 11 Å, 8 내지 10 Å, 6 내지 9 Å, 5 내지 8 Å, 4 내지 8 Å, 2 내지 8 Å, 2 내지 6 Å, 3 내지 6 Å, 8 내지 12 Å, 9 내지 12 Å 및 10 내지 14 Å이다.
다양한 2 차원 또는 층상 물질이 과학 문헌에 공지되어있다. 예를 들어, 미로 등은 본원에 참조되는 문헌["At atlas of two-dimensional materials" Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 6537-6554"]에서, 그래핀, 그래판, 플로오로그래핀, 클로로그래핀, 실리센, 실리칸, 플루오로실리센, 게르마닌, 게르마난, 플루오로게르마닌, 클로로게르마닌, 탄화 규소, 질화 붕소, a-ZnO, a-ZnS, a-ZnSe, a-ZnTe, a-CdO, a-CdS, a-CdSe, a-CdTe, b-ZnS, b-ZnSe, b-ZnTe, b-CdO, b-CdS, b-CdSe 및 b-CdTe, GaS, GaSe, InS, InSe, HfS2, HfSe2, HfTe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, NbS2, NbSe2, NbTe2, NiS2, NiSe2, NiTe2, PdS2, PdSe2, PdTe2, PtS2, PtSe2, PtTe2, ReS2, ReSe2, ReTe2, TaS2, TaSe2, TaTe2, TiS2, TiSe2, TiTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, ZrTe2, CoCl2, CoBr2, FeCl2, FeBr2, FeI2, HfCl2, HfBr2, HfI2, MnCl2, MnBr2, MnI2, MoCl2, MoBr2, MoI2, NbCl2, NbBr2, NbI2, NiCl2, NiBr2, TaCl2, TaBr2, TaI2, TiCl2, TiBr2, TiI2, VCl2, VBr2, VI2, WCl2, WBr2, WI2, ZrCl2, ZrBr2, ZrI2, AsCl3, CrCl3, CrBr3, CrI3, FeCl3, FeBr3, MoCl3,MoBr3, SbCl3, ScCl3, ScBr3, TiCl3, TiBr3, VCl3, VBr3, YCl3 및 ZrCl3를 포함하는 다양한 물질을 기술하였다. 발명자가 요소에 대한 흡수제로서 GM에 관해 발견한 것을 고려해보면, 이들 물질 중 하나 이상이 인터칼레이션에 의한 요소의 흡수제 역할을 할 수 있다고 여겨진다. 유사하지만 동일하지는 않은 물질 목록은 버틀러 (Butler) 외, 문헌[Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene" ACS Nano 2013, 7, 2898-2926]에 기술되어 있으며 본원에 참조로 인용된다.
본 발명자들은 또한 카르바이드(carbide)가 요소 인터칼레이션의 호스트가 될 수 있다고 생각한다. 예를 들어, 매쉬타리르(Mashtalir) 등의 문헌[Intercalation and delamination of layered carbides and carbonitrides" Nature Communications 2013, 4:1716]은 요소를 Ti3C2(OH)xOyFz로 인터칼레이션하는 것을 입증한다. 이 물질은 2 차원 물질의 큰 부류 중 하나이며 많은 다른 물질 (나기브, 엠.(Naguib, M.) 등의 문헌[Two-dimensional transition metal carbides" ACS Nano. 6, 1322-1331 (2012)] 참조)도 유사한 거동을 보일 것으로 여겨진다.
층상 물질인 클레이는 또한 요소의 결합 및 방출 또는 전달을 위한 인터칼레이팅 흡수제로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 무이암보(Muiambo) 등(문헌[Applied Clay Science 2015, 105-106, 14-20])은 요소-팽창 질석을 제조하였다. 얀(Yan) 등(문헌[American Ceramic Society Bulletin 2005, pp. 9301-9305])은 카올리나이트(kaolinite)-요소 인터칼레이션 복합체를 기술하고 있다. 킴 등(문헌[J. Soils Sediments (2011) 11:416-422])은 몬모릴로나이트(montmorillonite)로의 요소 인터칼레이션을 보고하고있다.
포접 화합물(Clathrates)
요소는 다른 분자와 포접 화합물을 형성할 수 있다. 포접 화합물은 또한 분자 내포 화합물이라고도 지칭된다. 요소 분자는 광범위한 수소 결합에 의해 유지되는 나선형 구조에서의 장쇄 지방산 유형 분자 또는 다른 선형 극성 탄화수소 주위에서 자가 조립될 수 있다. 이들 포접 화합물은 수성 시스템에서 안정할 수 있으며 일부의 경우 가역적이다. 포접 화합물은 몇 가지 이유로 요소의 효율적인 격리를 제공할 수 있다. 첫째, 수소 결합의 존재는 요소 분자가 매우 근접적으로, 실질적으로는 가능한한 밀접하게-패킹되어 있음을 의미한다. 이는 단위 표면적 당 최대 피복면적에 이르게 할 수 있다. 요소의 수소 결합된 다량체(n-mer)(n = 2 내지 100)에 결합할 수 있는 흡수제는 필수적으로 기존 흡수제보다 큰 용량을 가진다.
다수의 상이한 유형의 수소 결합이 있으며, 요소는 3-중심 수소 결합 및/또는 두갈래의 수소 결합에 참여할 수 있다. 마찬가지로, 본원에서 둘 다 전부 참조로 인용되는 문헌[J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6220-6228] 및 문헌[Spectrochimica Acta Part A 61 (2005) 1-17]에 기술된 바와 같이, 요소는 수소 결합 응집체에 존재할 수 있고, 이러한 응집체는 응집체와 일치하는 크기를 갖는 공극 또는 인터칼레이션을 통한 층간 또는 포접형 구조 또는 일부 다른 유형의 구조 안에 요소를 함유하는 GM 흡수제 내에 존재할 수 있다. 이러한 구조는 단일 요소 분자(즉, 자가 조립된 구조)의 결합 후에 형성될 수 있거나, 미리 형성된 수소 결합된 요소 응집체의 결합에 의해 얻어질 수 있다. 수소 결합된 요소 응집체의 친화도는 대응하는 요소 단량체보다 GM 상의 특정 부위에 대해 실질적으로 더 클 수 있다. 이는 GM에 흡수되거나 그렇지 않으면 회합되는 요소의 몰 농도를 증가시킬 수 있으며, GM을 커버하는 요소의 단일층에 기초하는 이론적으로 가능한 것보다 더 큰 요소 농도를 허용할 수 있다.
개별 탄화수소 분자 주위의 요소의 어셈블리를 가능하게 하는 구조 또는 위치 또는 환경에서의 극성 탄화수소로 작용화된 흡수제는 잠재적으로 매우 높은 흡수능을 가질 것이다. 요소의 수소 결합된 다량체(n-mer)는 나선형 기하구조일 수는 있지만 반드시 그럴 필요는 없다는 점에 주목하는 것이 중요하다.
GM의 형태
GM은 본원에 기술되고 당업자에게 공지된 임의의 용도를 목표로 하는 장치의 일부로서 혼입될 수 있다. GM은 컬럼 내에 패킹으로, 컬럼 상에 코팅으로, 다른 물질과 혼합하여 또는 그로부터 분리하여 가방, 플라스크, 탱크 또는 기타 유체 용기에 담겨질 수 있다. 예를 들어 GM은 모든 중간 분자와 요소를 제거하기 위해 활성탄(AC)과 혼합될 수 있다. 대안으로, GM은 독소 제거를 목표로 하는 컬럼에서 AC의 상류 또는 하류에 위치될 수 있다. GM은 금속 산화물, 예를 들어 알루미나 및 실리카, 클레이, 실리케이트, 금속 유기 골재(MOF), 활성탄, 활성 목탄, 카본 블랙, 제올라이트, 중합체 및 기타 알려진 흡수제를 비롯한 다른 흡수제와 함께 장치에 위치될 수 있다.
상기 중 어느 하나에서, GM은 생체액 또는 유기체와 접촉할 때 또는 생체 내 또는 체외 장치 및 과정에 적용될 때, 어떠한 불리한 결과를 감소시키거나 제거하기 위해 생체 적합성 중합체 또는 물질로 코팅, 작용화, 흡착 또는 다르게 변형될 수 있다.
GM을 혼입하는 장치의 전부 또는 일부는 재사용 가능, 재생산 가능하거나 일회용일 수 있다. 일회용인 경우, 1, 2, 4, 6, 8, 12, 16, 24, 36, 48, 72, 96, 120, 144 또는 168 시간 초과 동안 사용할 수 있는 일회용 카트리지 또는 장치의 일부일 수 있다.
적용
많은 실시양태에서, 그래핀-기재 물질은 몸의 바깥쪽(체외)의 요소를 흡수시키는데 사용될 수 있다. 이러한 체외 처치는 예를 들어 혈액관류법(hemoperfusion), 혈액 투석, 복막 투석, 혈액 여과, 혈장사혈, 한외 여과, 혈액정용여과 및/또는 이들 방법의 조합을 포함할 수 있다. 상기 공정에서 종의 이동을 지배하는 물리적 원리는 확산, 대류, 전기영동, 유전이동, 층류, 난류 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 처치는 휴대용, 반 휴대용, 일회용 및/또는 착용식 시스템을 포함할 수 있다. GM이 요소를 흡수할 수 있는 생체액은 혈액뿐만 아니라 다른 생체액도 포함한다. 혈액 유체는 혈액, 예를 들어 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액 및 헤마토크리트를 포함하거나 이들로부터 얻어지는 유체를 포함한다. GM 흡수제로부터 이득을 얻을 수 있는 다른 생체액은 여과액, 한외 여과액, 투석액, 세포 외액, 세포 내액, 간질액, 림프액, 세포 간액, 소변, 소변-유래 유체 또는 기타 생물학적으로 유래된 유체, 신장 또는 간 투석액을 포함하나 이에 한정되지 않는다. 그래핀-기재 물질의 사용은 탄소 기반 흡수제를 혼입하는 알려진 장치의 기능을 향상시킬 수 있다. 이러한 장치 및 시스템은 예를 들어, 바이오로직-DT®(BioLogic-DT®), 헤모클린스(Hemocleanse), 마스®(MARS®), 프로메테이우스®(Prometheius®), 레디 시스템(레날 솔루션즈), 프레제니우스 팍(Fresenius PAK)(휴대용 인공 신장) 및 고급 신장 대체 치료 시스템용 흡수제 관리(Management for Advanced Renal Replacement Therapy system)를 포함한다. GM은 휴대용 및/또는 착용식 인공 신장 또는 디아리솔브(Dialisorb)(레날 솔루션즈 인크.(Renal Solutions Inc.))와 같은 관련 제품 및 에이워크(AWAK), 블러드 퓨리피케이션 테크놀로지 인크.(Blood Purification Technologies Inc.) 및 기타 회사에서 개발한 것들과 함께 사용될 수도 있다. 마찬가지로 GM은 본원에서 전부 참조로 인용되는 문헌[Wearable Devices for Blood Purification: Principles, Miniaturization, and Technical Challenges", by Armignacco et al. (Seminars in Dialysis-2015, Wiley Periodicals Inc., pp. 1-6)]에서 언급한 임의의 추가 제품, 장치, 디자인의 일부로 또는 그와 함께 사용될 수 있다.
요소 흡수제에 대한 또 다른 적용은 증기상으로부터 요소를 포획하는 것이다. 요소는 대량의 산업용 화학 물질로서 전 세계적으로 제조된다. 그것은 고체 및 액체 형태로 판매된다. 고체 형태에서, 그것은 전형적으로 프릴(prill) 또는 과립으로 판매되는 반면, 액체 형태에서는 수용액으로 제공된다. 모든 경우에 유한 증기압, 예를 들어 25 ℃에서 1.2×10-5 mm 수은 (Hg)이 있다.
요소(고체 또는 수용액 중 하나)의 일부 적용은 비료의 성분; 동물 사료의 성분; 고정식 및 이동식(예: 자동차) 공급원으로부터 질소 산화물의 배출을 줄이기 위한 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템의 환원제; 전분 또는 카제인(casein)-기재 종이 코팅용 점도 개질제; 소비재의 한 성분; 폭약의 안정화제; 식품 첨가제; 곤충 방충제; 향료; 습윤제 및 탈수제; 접착제의 성분; 중합체의 성분; 및 방염제의 성분을 포함한다.
고성능 요소 흡수제는 고체 또는 액체(수성) 형태의 요소의 제조, 포장, 분배 또는 사용 동안 예를 들어 구강 노출, 흡입 노출 및/또는 피부 노출을 포함하는 작동장소(workplace) 노출을 방지하는데 매우 중요할 수 있다.
선택적 촉매 환원(SCR) 시스템에서, 요소는 환원제로서 고온의 연소 방출물에 도입되어 질소 산화물(NOx)과 반응한다. 엔진에서의 NOx 감소를 위한 환원제로서 요소의 사용이 널리 보급되어있다. 최소 부피, 또는 최소 질량, 또는 이 둘 모두에 최대 양의 요소를 저장(필요에 따라 방출)할 수 있는 것이 유리할 수 있다. SCR을 위한 고성능 고체 요소 흡수제는 요소 농도가 대략 32 %인 현재의 액체(수성) 저장소를 대신하는 역할을 할 수 있다. 고체 흡수제를 사용하면 임의의 필요한 수증기를 대기 또는 다른 공급원으로부터 직접 끌어올 수 있다.
실시예
실시예1:
시약:
요소(시그마 알드리치, ACS 시약 등급), 무수 에탄올(시그마 알드리치, 순도 200 프루프), 황산 (시그마 알드리치, 99.999 % 순도), 4-(디메틸아미노)벤즈알데히드(시그마 알드리치, 99 %), 17 MOhm 탈 이온수.
요소 적정 곡선
20 mM 요소 스톡 용액을 17 MOhm 탈 이온수를 사용하여 제조하였다. 1 mM, 2 mM, 3 mM, 4 mM 및 5 mM 농도를 갖는 일련의 요소 적정 표준을 17 MOhm로 제조하였다. 무수 에탄올에서 4 %(w:v)의 4-(디메틸아미노)벤즈알데히드 및 4 % (v:v) 황산을 함유하는 PAB 시약 용액을 분석을 위한 문헌에 따라 제조하였다. PAB 시약은 사용하지 않을 때는 어두운 공간에 보관했다. 이전에 준비된 요소 적정 표준을 사용하여 흡광도 대 요소 농도의 적정 곡선을 생성했다. 요소 포획 용량의 평가를 위한 샘플은 샘플 1 g을 함유하는 유리 바이알에 20 mM 요소 용액 25 mL를 피펫팅하여 제조하였다. 바이알을 회전 진탕기에서 밤새 진탕시켰다. 분산액을 주사기 및 0.45 ㎛ 크기의 밀리포어(Millipore) PVDF 주사기 필터를 사용하여 여과시켰다. 샘플 여과액(0.5 mL)의 분취액, PAB 시약(0.5 mL) 및 17 MOhm 물 (1.5 mL)을 일회용 플라스틱 큐벳으로 분배하고 완전히 혼합하였다. 큐벳에 뚜껑을 덮고 UV/Vis 분광 광도계 상의 기준 샘플에 대해 측정하기 전에 용액을 차광 용기에 두어 20 분 동안 인큐베이팅 하였다. 샘플을 이중으로 제조하였다. 422 nm에서 흡광도를 측정하고 기록했다. 기록된 흡광도를 사용하여 확립된 적정 곡선을 기준으로 여과액의 요소 농도를 결정했다.
요소 결합을 측정하기 위해, 일련의 탄소-기재 물질을 요소 수용액에 도입하고 상온에서 밤새 진탕시켰다. 상등액을 0.45 마이크로미터 크기의 밀리포어 PVDF 주사기 필터를 통해 여과시키고 용액 중의 잔류 요소를 상기한 바와 같이 UV-Vis 광도계로 정량화하였다. 아래 표 1은 데이터를 나타낸다. GCN™ 1240 플러스, 록스TM(ROXTM) 0.8 및 다코TM(DARCO™ ) 20x50은 모두 캐봇 노리트(Cabot Norit)에서 구입할 수 있는 활성탄이다.
<표 1>
Figure pct00001
실시예 2: (흑연 산화물 현탁액의 제조)
70 % 질산(19 mL)을 17 ℃로 설정된 순환 냉각기에 연결된 100 mL 재킷형 원통 플라스크에 넣었다. 자기 교반바(bar)를 사용하여 산을 섞었다. 96 % 황산(37 mL)을 조금씩 첨가하여 혼합물의 온도를 30 ℃ 미만으로 유지시켰다. 325 메쉬 흑연(2 g, 알파 에이사 제조)을 산 혼합물에 첨가하였다. 흑연을 완전하게 혼입시키기 위해서 혼합물을 적어도 10 분 동안 교반시켰다. 반응 혼합물 상의 헤드 스페이스를 0.5 L/분 유속의 질소로 퍼징하였다. 염소산 나트륨의 42 중량% 수용액 24 g을 60 mL 주사기에 넣고 0.32 mL/분으로 반응 플라스크에 주입하였다. 염소산 나트륨 용액의 첨가가 완료되면, 냉각기 온도를 20 ℃로 상승시킨다. 반응 혼합물의 섞음을 또 12 시간 동안 계속하였다. 생성된 현탁액을 오버 헤드 혼합기로 교반한 5 ℃의 냉수 600 mL를 함유하는 유리 비커에 첨가하였다. 이어서 흑연 산화물 조(crude) 생성물을 왓먼(Whatman) 등급 54 여과지를 통해 진공 여과시켜 분리시켰다. 수집된 필터 케이크를 300 mL의 탈 이온수로 세척하였다. 세척된 물질을 필터 깔때기에 두고 진공하에 30 분 동안 건조시켰다.
흑연 산화물(세척 및 건조된)을 시차 주사 열량계(DSC)와 조합된 열 중량 분석계(TGA)로 분석하였다. 조합된 스캔은 도 3에 도시되어 있는데, 흑연 산화물은 30 wt % 초과의 휘발성 물질을 함유하고, 이는 심하게 산화되었음을 나타낸다.
실시예 3: (pH 3 그래핀 산화물 현탁액의 제조). 실시예 2의 필터 케이크를 여과지에서 긁어내고 탈 이온수와 혼합하여 125 g의 현탁액을 제조하였다. 그 다음 현탁액을 팁 초음파 처리하여 흑연 산화물을 그래핀 산화물로 박리시켰다. pH 3의 박리된 GO 현탁액의 TEM 이미지가 도 4에 나타나있다. 박리된 GO 소판에는 두께의 분포가 있고 소판의 평균 측면 크기는 약 10 마이크로미터이다.
실시예 4: (pH 9 그래핀 산화물 현탁액의 제조) 실시예 2의 필터 케이크를 여과지에서 긁어내고 탈 이온수와 혼합하여 640 g의 현탁액을 제조하였다. 1 M 수산화 나트륨 용액을 첨가하여 pH를 9로 상승시켰다. 그 다음 현탁액을 팁 초음파 처리하여 흑연 산화물을 그래핀 산화물로 박리시켰다. pH 9의 그래핀 산화물 현탁액(도 5)의 TEM 이미지는 소판이 대부분 박리되고 10 마이크로미터 미만의 측면 크기를 갖는다는 것을 나타낸다.
실시예 5: 하기 표 2 및 표 3은 본원에 개시된 그래핀-기재 물질 뿐만 아니라 공지된 활성탄을 사용하여 수성 샘플로부터 제거된 요소의 양에 관한 데이터를 제공한다. 기록할만한 양의 요소 제거를 입증하기 위해서는 GM보다 많은 양의 대조군 물질(활성탄)이 필요하다는 점에 유의하라.
<표 2>
Figure pct00002
<표 3>
Figure pct00003
실시예 6:
임의의 인공물(artifact)이 제거 공정과 관련되어 있는지를 알아보기 위해 블랭크 샘플을 사용하여 추가 실험을 수행하였다. 결과는 우려하는 임의의 인공물이 없음을 보여준다. 그래핀-기재의 물질이 요소를 실제로 격리하고 다른 종으로 전환시키지 않는다는 것을 보여주기 위해 1H 및 13C 실험을 실시예 3에서 사용한 물질의 상등액에서 수행하였다. 가능한 분해 생성물에는 히드록시요소(산화에 의해 형성됨) 및 축합 생성물 뷰렛 및 이소시안산을 포함한다. NMR 결과는 도 6 및 도 7에 제공된다. 히드록시요소 (대략 7 ppm), 뷰렛(대략 8.3 ppm) 및 이소시안산(대략 9.1 ppm)에 대한 1H 케미칼 쉬프트에 대한 NMR 피크는 관찰되지 않았다; 관찰된 유일한 피크는 요소(약 5.9 ppm)의 것과 큰 물의 피크였다. 상류(upfield)에서 공명은 관찰되지 않았다. 요소의 것 이외의 피크가 얻어지지 않는 13C NMR 스펙트럼으로부터 일치하는 결과가 얻어졌다. 결과는 두 가지 방법 모두에 의해 요소 이외의 용액에서 측정 가능한 어떠한 종도 없음을 나타낸다. 용액으로부터의 요소의 사라짐은 탄소 물질로의 흡착에 기인한다는 것이 결론이다.
실시예 7:
(환원된 흑연 산화물의 제조) 상기 기술한 그래핀 산화물 필터 케이크를 여과지에서 긁어내고 60 ℃에서 밤새 진공 건조시켰다. 그 다음 건조 GO 분말을 분쇄하고 1000 ℃ 퍼네이스(질소로 퍼징)를 통과시켜 GO를 열적 환원시키고 이를 환원된 GO(rGO) 소판으로 전환시켰다. 열 환원 공정은 벌레 모양의 형태를 갖는 ~ 2 g/l의 큰 벌크 밀도의 물질을 만들어낸다.
ICP에 의해 생성된 환원된 GO의 원소 분석이 하기 표 4에 요약되어있다.
<표 4>
Figure pct00004
실시예 8:
그래핀 응집체를 분석하여 N2 BET에 의한 표면적(SA), 측면 도메인 및 두께 특성을 결정하였다. 결과는 하기 표 5에 열거되어있다. 그래핀 A는 캐봇 코포레이션에서 얻은 그래핀 응집체이다.
<표 5>
Figure pct00005
그래핀 응집체의 원소 조성을 ICP로 분석하였다. 그래핀 A에 대한 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
<표 6>
Figure pct00006
실시예 9:
추가의 격리 시험은 환원된 그래핀 산화물(RGO), 여과된 그래핀 산화물 및 원심분리된 그래핀 산화물을 사용하여 수행하였다. 또한 여과 및 원심분리된 활성탄(록스™ 캐봇 코포레이션) 및 활성탄과 그래핀 산화물의 혼합물을 사용하여 시험을 수행했다. 원심분리를 위한 샘플 제조는 여과 방법에서 기술한 것과 동일하지만 여과를 대신하여 분산액을 50 mL 원심분리 바이알에 옮기고 상온에서 8000 RPM으로 45 분, 10000 RPM으로 1 시간 동안 원심분리시켰다. 다음으로, 상등액의 일부를 주사기 및 크기 0.45 ㎛의 밀리포어 PVDF 주사기 필터를 사용하여 여과시켰다. 샘플 여과액(0.5 mL)의 분취액, PAB 시약(0.5 mL) 및 17 MOhm 물(1.5 mL)을 일회용 플라스틱 큐벳으로 분배하고 완전히 혼합하였다. 큐벳에 뚜껑을 덮고 UV/Vis 분광 광도계 상의 기준 샘플에 대해 측정하기 전에 용액을 차광 용기에 두어 20 분 동안 인큐베이팅하였다. 샘플을 이중으로 제조하였다. 422 nm에서 흡광도를 측정하고 기록했다. 기록된 흡광도를 사용하여 확립된 적정 곡선을 기준으로 여과액의 요소 농도를 결정했다.
<표 7>
Figure pct00007
실시예 10: 추가의 격리 실험을 그래핀 응집체를 사용하여 수행하였다. 그 결과를 표 8에 나타내었다.
<표 8>
Figure pct00008
실시예 11:
20 mM의 요소 용액의 25 ml에 밤새 노출된 그래핀 응집체(25 ㎎)의 샘플을 사용하여 탈착을 입증했다. 샘플 바이알의 바닥에서 물질을 방해하지 않으면서 요소 용액을 제거하여 대략 용액 1 ml를 남기고, 다시 물질에 대한 방해 없이 대략 17 MOhm DI 물 3 ml로 용액으로 대체한다. 이 용액을 제거하고 대략 17 MOhm DI 물 5 ml로 대체하였다. 1 ml 용액을 꺼내어 따로 보관하고 나머지 용액을 손으로 흔든 다음 상온에서 밤새 방치했다. 다음날, 샘플을 회수하고 두 샘플을 상기 기술한 바와 같이 분석하였다. 도 8은 두 샘플로부터 얻어진 UV-Vis 스펙트럼을 보여준다. 그래핀 샘플이 초기 요소 용액으로부터 완전히 분리되지 않았기 때문에 초기 샘플(비색 시약 첨가 후)은 요소의 존재를 나타내는 흡광도가 0이 아닌 값을 가진다. 중요하게도, 20 시간 노출 후의 시험된 샘플은 용액에서 요소 농도가 증가하는 것에 해당하는 더 큰 흡광을 나타낸다. 이 증가는 흡수제로부터의 탈착 때문일 뿐이며, 제어된 요소의 방출 및 GM 흡수제의 한 번, 두 번, 세 번, 네 번, 또는 다섯 번 이상의 재사용에 대한 이러한 탄소 물질의 유용성 입증한다.
도 9는 표 9의 데이터로부터 취한 요소 결합(mg/흡수제 그램) 대 측정된 BET 표면적(m2/g)의 플롯을 나타낸다. 데이터는 표면적이 결합 능력과 상관관계가 없다는 것을 보여준다: BET 표면적이 가장 작은 샘플(캐봇 그래핀 응집체)은 다른 다공성 물질에 비해 성능이 15 배 향상되었음을 나타낸다. 또한 성능은 입자 크기와 상관관계가 없다. YP-17D 활성탄은 0.3 내지 3 mm 범위인 표 내의 다른 물질과 다른, 캐봇 그래핀 응집체와 마찬가지인 입자 크기가 마이크로미터 범위이다. YP-17D는 또한 캐봇 그래핀 응집체보다 현저히 높은 표면적(4 배)을 가지지만 상온에서 흡수제 g 당 10 mg/요소 미만으로 결합한다. 이 데이터는 요소 결합에 대한 층상 2-D 탄소 물질의 특이하고, 예상치 못한 특별한 특성을 명확하게 보여준다.
<표 9>
Figure pct00009
본 발명의 몇몇 실시양태가 본원에서 기술되고 도시되었지만, 당업자는 기능을 수행하고/거나 결과 및/또는 본원에 기술된 하나 이상의 이점을 얻는 것에 대한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 용이하게 구상할 것이고, 이러한 다양함 및/또는 변형의 각각은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 보다 일반적으로, 당업자는 본원에 기술된 모든 파라미터, 치수, 물질 및 구성이 예시적인 것으로 의도하는 것을 쉽게 이해할 것이며, 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 특정 용도 또는 용도들에 달려있다. 당업자는 일상적인 실험만을 사용하여 본원에 기술된 본 발명의 특정 실시양태에 대한 다수의 균등물을 인식할 수 있거나 또는 확신할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시양태는 단지 예시로서 제시되고, 첨부된 청구범위 및 그와 동등한 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술되고 청구된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명은 본원에 기술된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한 그러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법이 상호 불일치하지 않는 경우 그러한 특징, 시스템, 물품, 물질, 키트 및/또는 방법의 두 개 이상의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.
본원에서 정의되고 사용되는 모든 정의는 사전 정의, 참조로 포함된 문헌에서의 정의 및/또는 정의된 용어의 통상적인 의미를 다루는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은, 불명확한 관사 "한" 및 "하나"는 명백하게 반대로 표시되어 있지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 "및/또는"이라는 문구는 이와 같이 결합 된 구성요소, 즉 어떤 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 구성요소의 "둘 중 어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 명백하게 반대로 표시되어 있지 않는 한, 구체적으로 확인된 구성요소와 관련이 있거나 관련되지 않거나, "및/또는" 절에 의해 구체적으로 확인되는 구성요소 이외의 다른 구성요소가 임의로 존재할 수 있다.
본 출원에서 인용되거나 언급된 모든 문헌, 특허 및 특허 출원 및 공보는 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.
청구범위는 다음과 같다:

Claims (54)

  1. 요소를 포함하는 유체를 그래핀-기재 물질 입자의 덩어리와 접촉시키고;
    그래핀-기재 물질 입자 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 만들고;
    그래핀-기재 물질/요소 복합체 중의 요소의 양이 그래핀-기재 물질 그램 당 25 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것을
    포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체는 수성 유체, 물, 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액, 헤마토크리트(hematocrit), 생체 여과액, 한외 여과액(ultrafiltrate), 투석액, 세포 외액, 세포 내액, 간질액, 림프액, 세포 횡단액, 소변 및 소변-유래 유체, 농지유출수, 및 하수 중 적어도 하나로부터 선택되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질/요소 복합체와 회합된 요소의 양은 그래핀-기재 물질 그램 당 50 초과, 100 초과, 250 초과, 500 초과 또는 700 mg 요소 초과인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 내의 요소 농도는 10, 25, 50, 75, 90, 99, 99.9, 99.99, 99.999, 99.9999 또는 99.99999 중량% 초과로 감소되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 내의 그래핀-기재 물질 입자의 현탁액을 섞음, 교반, 진탕, 초음파 처리, 유동화, 냉각 및/또는 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 그래핀-기재 물질 입자를 포함하는 베드를 통해 유체를 유동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질은 20:1 내지 1.5:1, 10:1 내지 1.5:1, 5:1 내지 1.5:1, 3:1 내지 1.5:1, 2:1 내지 1.5:1, 10:1 내지 2:1 또는 5:1 내지 2:1의 탄소 대 산소의 원자비를 갖는 그래핀 산화물인 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀-기재 물질, 활성탄 및/또는 개질된 활성탄으로 유체의 적어도 하나의 비요소 성분을 제거하는 것을 포함하는 것인 방법.
  10. 요소 대 그래핀-기재 물질의 중량비가 1:10 초과인, 그래핀-기재 물질 입자 및 그래핀-기재 물질에 흡수된 요소를 포함하는 조성물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 또는 그래핀-기재 물질 산화물인 조성물.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 조성물 중 질소 함량의 90 % 초과는 요소 형태인 조성물.
  13. 제10항에 있어서, 활성탄 또는 개질된 활성탄을 더 포함하는 조성물.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요소는 수소 결합된 요소 응집체, 2 량체, 3 량체 또는 n이 4 내지 50인 다량체(n-mer) 형태의 요소를 포함하는 것인 조성물.
  15. 요소를 포함하는 투석액을 그래핀-기재 물질과 접촉시키고;
    그래핀-기재 물질 상 또는 내에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 형성하고;
    그래핀-기재 물질/요소 복합체가 적어도 10 중량% 요소를 포함하도록, 투석액 중의 요소의 농도를 25 중량% 초과 감소시키는 것을
    포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 투석액을 활성탄과 접촉시키는 것을 더 포함하는 것인 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 투석액을 그래핀-기재 물질과 접촉시키는 것은 투석액에 그래핀-기재 물질 입자를 분산시키는 것, 투석액을 그래핀-기재 물질 입자를 포함하는 베드를 통해 통과시키는 것, 투석액을 그래핀-기재 물질을 포함하는 막을 통해 통과시키는 것, 및 투석액을 그래핀-기재 물질을 포함하는 컬럼을 통해 통과시키는 것으로부터 선택되는 것인 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 또는 그래핀 산화물인 방법.
  19. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀-기재 물질/요소 복합체의 적어도 일부는 인터칼레이션을 통해 형성되는 것인 방법.
  20. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀-기재 물질/요소 복합체로부터 요소를 제거하는 것을 더 포함하는 것인 방법.
  21. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 신장 기능장애를 나타내는 환자의 하나 이상의 조직으로부터 유래된 유체를 정제하는데 사용되는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 조직은 혈액인 방법.
  23. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수는 0 ℃ 내지 50 ℃, 23 ℃ 내지 37 ℃ 및/또는 pH 4 내지 8에서 발생하는 것인 방법.
  24. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀-기재 물질을 멸균하는 것을 포함하는 것인 방법.
  25. 그래핀-기재 물질을 포함하는 투석 카트리지.
  26. 제25항에 있어서, 활성탄을 포함하는 투석 카트리지.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 그래핀-기재 물질/요소 복합체를 포함하는 투석 카트리지.
  28. 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그래핀-기재 물질은 그래핀 응집체 및/또는 그래핀 산화물인 투석 카트리지.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카트리지는 유체로부터 고분자량 성분을 여과할 수 있는 필터를 포함하고, 상기 필터는 그래핀-기재 물질을 포함하는 투석 카트리지.
  30. 요소를 포함하는 유체를 2 내지 15 Å의 층간 간격을 갖는 인터칼레이션 호스트의 덩어리와 접촉시키고;
    인터칼레이션 호스트 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜, 인터칼레이션된 복합체를 만들고;
    인터칼레이션된 복합체 중의 요소의 양이 인터칼레이션 호스트 그램 당 25, 50, 100, 500 또는 700 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것
    을 포함하는 방법.
  31. 요소를 포함하는 유체를 요소 분자 크기와 동일하거나, +/- 20 %의 층간 간격을 갖는 인터칼레이션 호스트 덩어리와 접촉시키고
    인터칼레이션 호스트 내 또는 상에 요소의 적어도 일부를 흡수시켜 인터칼레이션된 복합체를 만들고,
    인터칼레이션된 복합체 중의 요소의 양이 인터칼레이션 호스트 그램 당 25, 50, 100, 500, 700 mg 요소 초과이도록 유체 내의 요소 수준을 감소시키는 것
    을 포함하는 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서, 상기 인터칼레이션 호스트는 2 내지 6 Å 사이의 층간 간격을 가지는 것인 방법.
  33. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터칼레이션 호스트는 그래핀, 그래핀 산화물, 흑연 산화물 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것인 방법.
  34. 제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터칼레이션 호스트는 2600 m2/g 초과, 1300 m2/g 초과, 850 m2/g 초과, 650 m2/g 초과, 530 m2/g 초과 또는 440 m2/g 초과의 질소 BET 표면적을 가지고, 수은 다공도 또는 질소 탈착을 사용하여 측정했을 때 0.01 cm3/g 미만, 0.1 cm3/g 미만, 0.5 cm3/g 미만, 1.0 cm3/g 미만 또는 2.0 cm3/g 미만의, 1 nm 크기를 초과하는 공극의 총 공극 체적을 가지는 것인 방법.
  35. 제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터칼레이션 호스트는 2 내지 15 Å, 4 내지 12 Å, 7 내지 11 Å, 8 내지 11 Å, 8 내지 10 Å, 6 내지 9 Å, 5 내지 8 Å, 4 내지 8 Å, 2 내지 8 Å, 2 내지 6 Å, 3 내지 6 Å, 8 내지 12 Å, 9 내지 12 Å 또는 10 내지 14 Å의 층간 간격을 가지는 것인 방법.
  36. 제30항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인터칼레이션 호스트는 sp2 혼성화 탄소 원자로 필수적으로 이루어지거나 이를 포함하는 하나 이상의 평면층인 방법.
  37. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 요소는 그래핀-기재 물질(GM) 또는 인터칼레이션 호스트의 박리를 일으키는 것인 방법.
  38. 요소를 포함하는 유체를 수용하도록 구성되는, 그래핀-기재 물질을 포함하는 장치.
  39. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 흡수 동안의 상기 유체의 온도는 0 ℃ 내지 50 ℃, 10 ℃ 내지 40 ℃, 20 ℃ 내지 40 ℃, 30 ℃ 내지 40 ℃, 40 ℃ 미만, 30 ℃ 미만, 20 ℃ 미만, 10 ℃ 미만, 0 ℃ 초과, 10 ℃ 초과, 20 ℃ 초과 또는 30 ℃ 초과의 범위인 방법.
  40. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 흡수 동안의 상기 유체의 pH는 3 내지 10, 4 내지 10, 5 내지 10, 5 내지 9, 6 내지 9, 6 내지 8, 7 내지 8, 9 미만, 8 미만, 7 미만, 6 미만, 3 초과, 5 초과, 7 초과 또는 8 초과의 범위인 방법.
  41. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액, 헤마토크리트, 투석액, 투석-유래 유체, 혈투석액, 복막 투석액, 혈장사혈-유래 유체, 정용 여과(diafiltration)-유래 유체, 한외 여과-유래 유체, 여과-유래 유체, 확산-기재 과정에 의해 생성된 유체, 대류-기재 과정에 의해 생성된 유체, 층류 하의 과정에 의해 생성된 유체, 난류 하의 과정에 의해 생성된 유체 또는 이들의 임의의 조합 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  42. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 GM 또는 인터칼레이션 호스트는 요소를 흡수하고 물의 통과를 허용하면서 물리적으로 더 큰 물질을 배제하는 것인 방법.
  43. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 환자에게 되돌려 보내지는 것인 방법.
  44. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과정은 투석을 필요로 하는 환자의 혈액을 처치하는 것을 포함하는 것인 방법.
  45. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과정은 신장 질환 또는 신부전증의 증상을 나타내는 환자와 관련된 유체를 처치하는 것을 포함하는 것인 방법.
  46. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 신장 질환 또는 신부전증의 증상을 나타내는 환자의 혈액 중 요소 농도를 감소시키는 것인 방법.
  47. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 전혈, 혈장, 가공된 혈액, 보존된 혈액, 혈청, 플라스마, 응고된 혈액, 항-응고된 혈액, 원심분리된 혈액 및 헤마토크리트 중 적어도 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  48. 제1항 내지 제9항 및 제15항 내지 제24항 및 제30항 내지 제37항 및 제39항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 투석액을 포함하는 것인 방법.
  49. 요소를 포함하는 분위기에 그래핀-기재 물질 흡수제를 노출시키고;
    GM 흡수제 내 또는 상에 요소를 흡수시키고;
    분위기 중의 요소 농도를 감소시키는 것을
    포함하는 방법.
  50. 적어도 10 중량%의 요소를 포함하는 그래핀-기재 물질/요소 복합체.
  51. 제50항의 그래핀-기재 물질/요소 복합체로부터 요소를 흡수 및/또는 탈착시키는 것을 포함하는 요소 저장 방법.
  52. 다층 그래핀-기재 물질을 요소와 접촉시키고;
    그래핀-기재 물질의 인접한 층들 사이에 요소를 인터칼레이팅시키고;
    그래핀-기재 물질을 박리하는 것을 포함하는,
    그래핀-기재 물질을 박리하는 방법.
  53. 제52항에 있어서, 상기 박리는 요소 외의 임의의 박리제 부재 하에 발생하는 것인 방법.
  54. 제52항 또는 제53항에 있어서, 그래핀-기재 물질은 수성 시스템에서 요소와 접촉되는 것인 방법.
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