スルホン酸基を有するビニルモノマーであるスチレンスルホン酸ナトリウム(SSS,CH₂＝CHC₆H₄SO₈Na)を、放射線グラフト重合法を適用して、汎用の高分子にグラフト重合する手法を提案し、用途に適した形状や材質をもつ強酸性カチオン交換材料を簡単に合成できることを示した。ポリエチレンを基材として用いる場合、まず親水性モノマーを一段目にグラフト重合して膜を親水化した後、SSSをグラフト重合する手法、すなわち二段グラフト重合法によってSSSを導入できた。これは、膜の親水性の向上により、マトリクスを押し広げるように水が侵入し、ポリエチレン結晶表面へのSSSモノマーの拡散が促進されたからである。さらに、この知見をもとに、アクリル酸やヒドロキシエチルメタクリレートのような親水性モノマーとSSSとを混合したモノマー中でグラフト重合反応をおこなう手法、すなわち共グラフト重合法を提案した。この手法によって、さまざまな形状(中空糸膜、不織布、フィルム)をもつポリエチレン、ポリプロピレンおよびテトラフルオロエチレンという高分子にスルホン酸基を容易に導入できることを示した。

　多孔性膜に導入されたグラフト鎖のコンフォメーションは、グラフト鎖の性質(内部パラメータ)と透過溶液の性質(外部パラメータ)によって決まる。内部パラメータとして、グラフト鎖の長さ、グラフト鎖密度および官能基密度がある。また、外部パラメータとして、溶媒の種類、pH、イオン強度および温度がある。放射線グラフト重合法を適用して、多孔性ポリエチレン膜にグリシジルメタクリレート(GMA)をグラフト重合し、続くジエチルアミンとの反応でグラフト鎖中のエポキシ基をジエチルアミノ(DEA)基(-NH(CH₂CH₈)₂)に変換した。このとき、グラフト鎖密度を一定に保ち、グラフト鎖中エポキシ基からDEA基への転化率を変えることによって、DEA基密度0〜6.7[mol/kg-基材]を有する膜を得た。グラフト鎖が形成する部位は、膜の細孔表面部およびアモルファス内部に分類できる。細孔表面部に形成したグラフト鎖の伸縮挙動を膜の透水性能から推察し、また、アモルファス部内に形成したグラフト鎖の伸縮挙動を膜の体積膨張から推察した。その結果、水中でDEA基が解離するために、細孔表面部のグラフト鎖が自身のもつ同種の正電荷の反発によって膨潤し、細孔を塞ぐことがわかった。一方、アセトン中ではグラフト鎖は収縮したままであった。さらに、グラフト鎖は放射線架橋によってその伸長が制限されること、およびグラフト鎖の伸縮は可逆的に起こることがわかった。

　放射線グラフト重合法を適用して、多孔性ポリエチレン膜に3通りの反応経路でスルホン酸基を導入し、それぞれの膜の物性(透水性能、比表面積およびイオン交換容量)、および金属イオン(銅イオン)とタンパク質(リゾチーム)の吸着特性を調べ、比較した。グリシジルメタクリレート(GMA)をグラフト重合し、プロパンスルトンおよび亜硫酸ナトリウムとの反応によって得られるスルホン酸基を有する膜をそれぞれSP膜およびSS膜とよぶ。SP膜の銅イオン吸着容量はスルホン酸基密度にほぼ比例したのに対し、リゾチーム吸着容量はスルホン酸基密度に依存せず、一定であった。これより、金属イオンに比べて分子量が高いタンパク質は、膜のアモルファス内部に侵入できないため、細孔表面部にあるグラフト鎖にのみ吸着し、その吸着容量は比表面積をタンパク質の占有面積で割りふって算出される単層吸着量に等しいことがわかった。これに対し、SS膜のリゾチーム吸着容量は、スルホン酸基密度の増加とともに増大し、多層吸着を起こすことがわかった。イオン交換基をもつ互いに架橋されていないポリマー鎖が、タンパク質に触毛(Tentacle)のようにからみついて吸着する形態を見いだした。

　放射線グラフト重合法を用いて、多孔性ポリエチレン製中空糸膜に、エポキシ基をもつ前駆体モノマーとしてグリシジルメタクリレート(GMA)をグラフト重合し、続くジエチルアミンとの反応でジエチルアミノ(DEA)基を、亜硫酸ナトリウム(SS)との反応でスルホン酸基をそれぞれ導入した。さらに、タンパク質の非選択的吸着を抑制するために、残存するエポキシ基に水酸基を導入し、親水化した。得られた膜をそれぞれSS-Diol膜およびDEA-EA膜とよぶ。それぞれの膜にリゾチームおよび牛血清アルブミン(BSA)溶液を透過させ、その吸着容量を調べた。膜の細孔表面にタンパク質が単層吸着したときの吸着量を基準にして、タンパク質の吸着層数(テンタクル結合度)を求めた。いずれの膜もグラフト鎖中のイオン交換基密度が大きいほどタンパク質のテンタクル結合度は増大することがわかった。SS-Diol膜のリゾチーム吸着容量は最大で200g/kg、DEA-EA膜のBSA吸着容量は最大で490g/kgであり、いずれも単層吸着量の約11倍の吸着容量をもつことがわかった。タンパク質の吸着にともなって細孔が埋められるために生じる膜の圧力損失をHagen-Poiseille式を用いて推算し、実測値と比較した。その結果、タンパク質が膜の細孔壁からグラフト鎖に沿って最密充填的に近い形で吸着しているというモデルが妥当であることを実証した。さらに、SS-Diol膜およびDEA-EA膜は、タンパク質の種類や分子量によらず、テンタクル吸着を起こすことを確認した。

　多孔性中空糸膜にジエチルアミノ(DEA)基を有するグラフト鎖を導入した膜(DEA-EA膜)に牛血清アルブミン(BSA)を含む溶液を透過させ、その吸着特性を調べるとともに、実用化の可能性について考察した。滞留時間33〜165sの範囲でBSAの破過曲線は滞留時間によらず一致し、BSAがDEA基に吸着されるまでの拡散移動抵抗が無視できることが示された。DEA-EA膜に吸着したBSAは100%回収することができ、グラフト鎖中の水酸基によってBSAの非選択的吸着が完全に抑制されていることがわかった。また、吸着と溶出操作を5回ずつ繰り返しても、膜の吸着性能は変化しなかった。BSA濃度0.2〜10mg/mLの範囲で、DEA-EA膜のBSA平衡吸着量はBSA濃度によらず一定であり、低濃度の溶液中からもBSAを効率よく捕集できることを示した。つぎに、膜に透過させる溶液の条件(外部パラメータ)を変えたときにグラフト鎖のコンフォメーションが膜の吸着性能に及ぼす影響について調べた。pHおよびNaCl濃度の増加とともにグラフト鎖は収縮し、BSAの吸着量は低下した。さらに、DEA-EA膜からなるモジュールと、従来のイオン交換ビーズを充填したカラムについて、タンパク質吸着分離の処理速度の比較をおこなった。モジュール容積1000cm³、操作圧力0.1MPaという条件で、DEA-EA膜モジュールによる吸着処理速度は200cm³/sであると推算された。一方、イオン交換ビーズ充填カラムを用いてこの膜モジュールと同じ処理速度を得るためには、直径1.4mのビーズを内径110cm、高さ0.10cmのカラムに充填する必要があり、工業化は困難であると判断した。