CN113316593A - 用于形成水凝胶的组合物、水凝胶、和用于形成水凝胶的组合物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供可形成机械强度高、且已灭菌的水凝胶的用于形成水凝胶的组合物。此外，本发明提供使用了前述用于形成水凝胶的组合物的水凝胶、和前述用于形成水凝胶的组合物的制备方法。用于形成水凝胶的组合物，其特征在于，其是包含具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物的用于形成水凝胶的组合物，前述烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%，且不存在利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法能够检测出的微生物。

Description

用于形成水凝胶的组合物、水凝胶、和用于形成水凝胶的组合 物的制备方法
技术领域
本发明涉及包含具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物的已灭菌的用于形成水凝胶的组合物。此外，本发明涉及使用了前述用于形成水凝胶的组合物的水凝胶、和前述用于形成水凝胶的组合物的制备方法。
背景技术
聚乙烯醇(以下有时简称为“PVA”)是具有亲水性、反应性、生物分解性、生物体适应性、和低毒性等优异的特长的水溶性合成聚合物，通过交联而形成柔软性和强度高的凝胶。包含聚乙烯醇的水凝胶材料通过使用3D打印机、模具而成形为各种各样的形状，由此可用于隐形眼镜(例如专利文献1)、器官模型(例如专利文献2)、药物传递载体(例如非专利文献1)、细胞、微生物的胶囊化载体(例如非专利文献2)等。此外，通过对医疗设备用PVA水凝胶进行涂布(例如专利文献3)，由此也可赋予血液适应性等物性。进而，提出了在现场注入至特定的场所而形成PVA水凝胶之类的用途、例如人工椎间盘核(例如专利文献4)、地基改良材料(例如专利文献5)、防污涂料(例如专利文献6)等多种用途。
以往，作为将PVA交联而得到凝胶的方法，已知例如利用含有2个以上的醛基的交联剂(戊二醛等)的交联方法。然而，近年来，作为可与戊二醛相比更高效率地交联的方法，提出在侧链上具有烯属不饱和基团的PVA大分子单体(专利文献1、4和非专利文献3)。该PVA大分子单体具有通过光、热等刺激而迅速固化这样的刺激固化性。
使用前述PVA大分子单体时，首先制备将在侧链具有烯属不饱和基团的PVA大分子单体溶于水系溶剂的油墨，但在通常的环境下制备的油墨存在因包括配送阶段在内的长时间储存而发霉的问题。并且，前述用途中，药物传递载体、细胞、微生物的胶囊化载体、人工髄核等在体内形成PVA水凝胶、或形成PVA水凝胶后直接导入体内，因此需要对油墨本身进行预先灭菌。
作为使将具有烯属不饱和基团的PVA大分子单体溶于水系溶剂的油墨灭菌的方法，例如非专利文献4和5中公开了通过在细孔直径0.22μm过滤器中通过PVA油墨而进行过滤灭菌的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1 : 日本特表平10-513408号公报
专利文献2 : 日本特开2011-008213号公报
专利文献3 : 日本特表2002-506813号公报
专利文献4 : 日本特表2008-510021号公报
专利文献5 : 日本特开2007-246770号公报
专利文献6 : 国际公开第2017/010459号
非专利文献
非专利文献1 : Acta Biomaterialia、2010年、第6卷、p.3899-3907
非专利文献2 : Journal of Chemical Technology and Biotechnology、2000年、第75卷、p.541-546
非专利文献3 : Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry、1997年、第35卷、p.3603-3611
非专利文献4 : Biomaterials、2002年、第23卷、p.4325-4332
非专利文献5 : Macromolecules、2004年、第37卷、p.6726-6733。
发明内容
发明要解决的问题
根据非专利文献4和5中记载的通过过滤器进行过滤灭菌，能制备已灭菌的PVA油墨，但因过滤时的压力损失的关系而存在仅能使用聚合度低于450的PVA的问题。并且，以聚合度低于450的PVA大分子单体作为原料的PVA水凝胶存在其机械强度脆弱的问题。
应予说明，作为过滤灭菌之外的灭菌法，可举出使用γ射线灭菌、电子射线灭菌等能量射线的方法，存在烯属不饱和基团反应而PVA大分子单体进行交联的问题。
另一方面，也有将PVA大分子单体的固体进行环氧乙烷气体灭菌、在隔离的无菌环境下溶于灭菌的水系溶剂而制备PVA油墨的方法，但该方法中操作极为复杂，包括装置在内花费大量成本。
进而，可举出通过压热釜灭菌的方法，非专利文献1等仅公开了对已交联的PVA水凝胶进行压热釜灭菌的方法，没有公开关于将PVA油墨灭菌的内容。非专利文献1等技术是将交联后的PVA水凝胶灭菌，例如对包含细胞、微生物的交联的PVA水凝胶进行压热釜灭菌时，所含有的细胞、微生物也被杀灭。进而在人工髄核中向体内注入PVA油墨而固化，因此需要预先在具有流动性的PVA油墨的状态下灭菌，但利用非专利文献1等技术无法对此进行处理。
本发明提供可形成机械强度高、且已灭菌的水凝胶的用于形成水凝胶的组合物的课题。此外，本发明提供使用了前述用于形成水凝胶的组合物的水凝胶、和前述用于形成水凝胶的组合物的制备方法。
用于解决课题的手段
本发明人进行深入研究，结果发现具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物，使用烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%的乙烯醇系聚合物时，烯属不饱和基团的密度低，因此可利用压热釜等灭菌。此外，发现由于使用聚合度为450以上的乙烯醇系聚合物，因此包含其的用于形成水凝胶的组合物进行交联而得到的水凝胶的机械强度优异，从而完成本发明。
即，本发明涉及下述[1]~[5]。
[1] 用于形成水凝胶的组合物，其特征在于，其是包含具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物的用于形成水凝胶的组合物，前述烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%，且不存在利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)能够检测出的微生物。
[2] 根据[1]所述的用于形成水凝胶的组合物，其中，前述烯属不饱和基团为选自乙烯基、(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰基氨基、乙烯基苯基、降冰片烯基和它们的衍生物中的至少1种。
[3] 用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其是[1]或[2]所述的用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其特征在于，对混合有前述乙烯醇系聚合物和溶剂的组合物调制液进行灭菌。
[4] 根据[3]所述的用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其中，前述灭菌是利用压热釜的灭菌。
[5] 水凝胶，其是对[1]或[2]所述的用于形成水凝胶的组合物进行交联而得的。
发明的效果
根据本发明，可提供可形成机械强度高、且被灭菌的水凝胶的用于形成水凝胶的组合物。此外，本发明可提供使用了前述用于形成水凝胶的组合物的水凝胶、和前述用于形成水凝胶的组合物的制备方法。
具体实施方式
以下，针对本发明，详细说明。
应予说明，本说明书中“(甲基)丙烯酸”是指“甲基丙烯酸”和“丙烯酸”的总称，“(甲基)丙烯酰基”是指“甲基丙烯酰基”与“丙烯酰基”的总称。
[用于形成水凝胶的组合物]
本发明的用于形成水凝胶的组合物为包含具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物的用于形成水凝胶的组合物，其特征在于，前述烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%，且不存在利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)能够检测出的微生物。
本发明的用于形成水凝胶的组合物由于使用具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物，因此可得到机械强度优异的水凝胶。此外，由于使用形成用组合物中的烯属不饱和基团的密度低的PVA大分子单体，因此可利用压热釜等灭菌。
＜具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物＞
本发明的水凝胶形成用组合物使用具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物(以下简称为“乙烯醇系聚合物”)。
作为本发明中使用的前述乙烯醇系聚合物，只要具有烯属不饱和基团、聚合度为450以上、在聚合物中含有大于50摩尔%源自乙烯醇的结构单元，则没有特别限制，可以含有源自乙烯基酯的结构单元。源自乙烯醇的结构单元和源自乙烯基酯的结构单元的总计量相对于构成前述乙烯醇系聚合物的全部结构单元优选为80摩尔%以上、更优选为90摩尔%以上、进一步优选为95摩尔%以上。
作为前述烯属不饱和基团，没有特别限制，可以自由选择，优选为以下所述的能够通过活性能量射线、热、氧化还原引发剂等而在乙烯醇系聚合物链间形成交联的基团。作为前述烯属不饱和基团，更优选使用自由基聚合性基团，可以举出例如乙烯基、(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰基氨基、乙烯基苯基、环己烯基、环戊烯基、降冰片烯基、二环戊烯基等环式不饱和烃基、和它们的衍生物。它们的烯属不饱和基团可以在乙烯醇系聚合物链的侧链、末端中任一者中存在。
应予说明，本发明中的“乙烯基”中，不仅包括乙烯基，还包括烯丙基、烯基等链式不饱和烃基、乙烯氧基羰基等。
前述自由基聚合性基团之中，从提高水凝胶的机械强度的观点出发，优选为选自乙烯基、(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰基氨基、乙烯基苯基、降冰片烯基和它们的衍生物中的至少1种。此外，从反应性的观点出发，优选为具有末端不饱和碳键的官能团，更优选为(甲基)丙烯酰氧基。
乙烯醇系聚合物的聚合度从抑制将用于形成水凝胶的组合物交联而得到的水凝胶的脆化的观点出发，要求450以上。其理由在于，如果聚合度低于450，则水凝胶的机械强度极度降低，如果聚合度为450以上，则示出良好的机械强度。从抑制用于形成水凝胶的组合物的高粘度化、改善加工容易性的观点出发，乙烯醇系聚合物的聚合度优选为10,000以下、更优选为5,000以下、进一步优选为3,000以下，优选为500以上、更优选为1,000以上、进一步优选为1,500以上。应予说明，乙烯醇系聚合物可以混合使用2种以上的不同聚合度的物质。
本说明书中的乙烯醇系聚合物的聚合度是指按照JIS K 6726：1994测定的聚合度。具体而言，乙烯醇系聚合物与后述成为原料的聚乙烯醇的聚合度视为相同，因此可以将成为原料的聚乙烯醇精制后，根据在30℃的水中测定的特性粘度求出。
＜乙烯醇系聚合物的制造方法＞
作为本发明中使用的乙烯醇系聚合物、即具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物的制造方法，可以举出经由成为原料的聚乙烯醇(以下也简称为“原料PVA”)的侧链、末端官能团等而导入烯属不饱和基团的方法；在原料PVA的制造过程中将乙烯基酯系单体、与除了乙烯基酯系单体之外的其他单体、即具有除了羟基之外的反应性取代基的单体共聚后，通过使该共聚物中的前述反应性取代基与具有烯属不饱和基团的化合物反应，导入烯属不饱和基团的方法等。
首先，原料PVA可以通过将乙烯基酯系单体聚合而得到的聚乙烯基酯皂化，将该聚乙烯基酯中的酯基转化为羟基，从而制造。
作为前述乙烯基酯系单体，可以举出例如甲酸乙烯酯、乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、正丁酸乙烯酯、异丁酸乙烯酯、特戊酸乙烯酯、叔碳酸乙烯酯、己酸乙烯酯、辛酸乙烯酯、癸酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯、肉豆蔻酸乙烯酯、棕榈酸乙烯酯、硬脂酸乙烯酯、和油酸乙烯酯等脂肪族乙烯基酯；苯甲酸乙烯酯等芳族乙烯基酯等。可以单独使用它们中的1种，或组合使用2种以上。
前述乙烯基酯系单体之中，优选为脂肪族乙烯基酯，从制造成本的观点出发，更优选为乙酸乙烯酯。即，前述聚乙烯基酯优选为将乙酸乙烯酯聚合得到的聚乙酸乙烯酯。
此外，前述聚乙烯基酯在不损害本发明的效果范围，根据需要，可以包含源自除了乙烯基酯系单体之外的其他单体的结构单元。作为该其他单体，可以举出例如乙烯、丙烯、正丁烯、异丁烯等α-烯烃；（甲基）丙烯酸或其盐；（甲基）丙烯酸甲酯、（甲基）丙烯酸乙酯、（甲基）丙烯酸正丙酯、（甲基）丙烯酸异丙酯、（甲基）丙烯酸正丁酯、（甲基）丙烯酸异丁酯、（甲基）丙烯酸叔丁酯、（甲基）丙烯酸2-乙基己基酯、（甲基）丙烯酸十二烷基酯、（甲基）丙烯酸十八烷基酯等（甲基）丙烯酸烷基酯类；（甲基）丙烯酰胺、N-甲基（甲基）丙烯酰胺、N-乙基（甲基）丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、（甲基）丙烯酰胺基丙磺酸或其盐、（甲基）丙烯酰胺基丙基二甲基胺或其盐或者季取代盐、N-羟甲基（甲基）丙烯酰胺或其衍生物等（甲基）丙烯酰胺衍生物；N-乙烯基甲酰胺、N-乙烯基乙酰胺等N-乙烯基酰胺衍生物；甲基乙烯基醚、乙基乙烯基醚、正丙基乙烯基醚、异丙基乙烯基醚、正丁基乙烯基醚、异丁基乙烯基醚、叔丁基乙烯基醚、十二烷基乙烯基醚、硬脂基乙烯基醚等乙烯基醚类；丙烯腈、甲基丙烯腈等腈类；氯乙烯、氟乙烯等卤乙烯；偏二氯乙烯、偏二氟乙烯等偏二卤乙烯；乙酸烯丙酯、烯丙基氯等烯丙基化合物；马来酸或其盐、酯或者酸酐；乙烯基三甲氧基硅烷等乙烯基甲硅烷基化合物；乙酸异丙烯基等。可以单独使用它们中的1种，或组合使用2种以上。
在前述聚乙烯基酯包含源自其他单体的结构单元的情况下，源自其他单体的结构单元的含量相对于构成该聚乙烯基酯的全部结构单元优选为低于20摩尔%、更优选为低于10摩尔%、进一步优选为低于5摩尔%。
将前述聚乙烯基酯皂化的方法没有特别限制，可以通过与以往相同的方法进行。例如，可以应用使用碱催化剂或酸催化剂的醇解法、水解法等。其中，以甲醇作为溶剂，使用苛性碱(NaOH)催化剂的皂化反应是简便的，故而优选。
原料PVA的聚合度为450以上，具体的适合范围与前述乙烯醇系聚合物的聚合度相同。此外，原料PVA可以混合使用2种以上的不同聚合度的物质。
应予说明，本说明书中的原料PVA的聚合度如前所述，是指按照JIS K 6726：1994测定的聚合度。具体而言，可以将原料PVA皂化，精制后，根据在30℃的水中测定的特性粘度求出。
原料PVA的皂化度从提高原料PVA的水溶性的观点出发，优选为50摩尔%以上、更优选为60摩尔%以上、进一步优选为65摩尔%以上。
此外，从抑制后述用于形成水凝胶的组合物的高粘度化、提高该用于形成水凝胶的组合物的保存稳定性的观点出发，原料PVA的皂化度优选为99摩尔%以下。
本说明书中，原料PVA的皂化度是指相对于构成原料PVA的能够通过皂化而转化为乙烯醇单元的结构单元(例如乙酸乙烯酯单元)与乙烯醇单元的总计摩尔数，该乙烯醇单元的摩尔数所占的比例(摩尔%)，可以按照JIS K 6726：1994测定。
原料PVA的20℃下的4质量%粘度优选为0.5~100mPa・s、更优选为1~80mPa・s、进一步优选为2~60mPa・s。如果前述粘度为前述范围内，则在使用于形成水凝胶的组合物的粘度抑制得低的同时，能够提高保存稳定性。
应予说明，本说明书中的粘度是指针对原料PVA为4质量%的水溶液，按照JIS K6726：1994的旋转粘度计法，使用B型粘度计(转速12rpm)在温度20℃下的粘度。
原料PVA中导入前述烯属不饱和基团优选经由原料PVA的侧链、末端官能团等而进行，更优选使原料PVA的侧链的羟基与含有烯属不饱和基团的化合物(以下也简称为“含烯属不饱和基团的化合物”)反应。
作为与作为原料PVA的侧链羟基反应的含烯属不饱和基团的化合物，可以举出例如(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸酐、(甲基)丙烯酸卤化物、(甲基)丙烯酸酯等(甲基)丙烯酸或其衍生物，将这些化合物在碱存在下，通过酯化反应或酯交换反应，可以导入(甲基)丙烯酰基。前述含烯属不饱和基团的化合物中，优选(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸酐、和(甲基)丙烯酸酯，更优选为(甲基)丙烯酸酯，进一步优选为(甲基)丙烯酸乙烯基酯。
此外，作为与作为原料PVA的侧链的羟基反应的含烯属不饱和基团的化合物，可以举出在分子内包含烯属不饱和基团和缩水甘油基的化合物，可以举出例如(甲基)丙烯酸缩水甘油基酯、烯丙基缩水甘油基醚等。通过使这些化合物在碱存在下进行醚化反应，可以对原料PVA导入(甲基)丙烯酰基、烯丙基。
进一步，作为与原料PVA的1,3-二醇基反应的含烯属不饱和基团的化合物，可以举出例如丙烯醛(丙烯醛)、甲基丙烯醛(甲基丙烯醛)、5-降冰片烯-2-甲醛、7-辛醛、3-乙烯基苯甲醛、和4-乙烯基苯甲醛等在分子内包含烯属不饱和基团和醛基的化合物。通过使这些化合物在酸催化剂存在下进行缩醛化反应，可以对原料PVA导入烯属不饱和基团。更具体而言，通过例如使5-降冰片烯-2-甲醛、3-乙烯基苯甲醛、4-乙烯基苯甲醛等进行缩醛化反应，能够对原料PVA导入降冰片烯基、乙烯基苯基。此外，通过使N-(2,2-二甲氧基乙基)(甲基)丙烯酰胺等反应，能够对原料PVA导入(甲基)丙烯酰基氨基。
使用原料PVA导入烯属不饱和基团的方法也可以使用除了例示的前述反应之外，也可以组合使用2种以上的反应。
作为导入前述烯属不饱和基团的其他方法，可以举出在原料PVA的制造过程中将乙烯基酯系单体、与除了乙烯基酯系单体之外的其他聚合性单体、即具有除了羟基之外的反应性取代基的单体共聚，然后通过皂化，得到共聚改性聚乙烯醇(以下也简称为“共聚改性PVA”)后，使共聚改性PVA中存在的羧基、共聚改性PVA中存在的氨基等与含烯属不饱和基团的化合物反应的方法。应予说明，有时将具有羧基的共聚改性PVA称为“羧酸改性PVA”、将具有氨基的共聚物称为“氨基改性PVA”。
作为构成羧酸改性PVA的单体，可以举出(甲基)丙烯酸、马来酸、富马酸、衣康酸等α,β-不饱和羧酸；(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯等(甲基)丙烯酸烷基酯类；马来酸酐、衣康酸酐等α,β-不饱和羧酸酐等和其衍生物等。羧酸改性PVA可以例如使乙烯基酯系单体与α,β-不饱和羧酸酐等或其衍生物共聚，其后皂化，对导入的羧基，使例如甲基丙烯酸缩水甘油基酯在酸性条件下反应，由此生成酯键，导入甲基丙烯酰基。
此外，氨基改性PVA可以使乙烯基酯系单体与N-乙烯基甲酰胺等共聚，其后皂化，使所导入的氨基与例如丙烯酸酐在碱存在下进行酰胺化反应，由此导入丙烯酰基氨基。此外，可以使前述氨基改性PVA的氨基与例如己二酸二乙烯酯进行酰胺化反应，由此导入乙烯氧基羰基。经过共聚改性PVA而导入烯属不饱和基团的方法还可以使用除了例示的前述反应之外，也可以组合使用2种以上的反应。
作为具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物，从制造容易性的观点出发，优选经由1,3-二醇基等原料PVA的侧链的羟基而导入烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物，更优选为使原料PVA的侧链的羟基与(甲基)丙烯酸或其衍生物进行酯化反应或酯交换反应而得到的乙烯醇系聚合物；使原料PVA的1,3-二醇基与在分子内包含烯属不饱和基团和醛基的化合物进行缩醛化反应而得到的乙烯醇系聚合物。
〔烯属不饱和基团的导入率〕
烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%。烯属不饱和基团的导入率为前述下限值以上时，可促进交联反应而迅速形成水凝胶。另一方面，烯属不饱和基团的导入率为前述上限值以下时，可提高所得水凝胶的弹性模量。从这些观点出发，烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中，优选为0.05摩尔%以上、更优选为0.1摩尔%以上、进一步优选为0.5摩尔%以上。并且从抑制水凝胶的脆化的观点出发，优选为8摩尔%以下、更优选为5摩尔%以下、进一步优选为3摩尔%以下、更进一步优选为2摩尔%以下、更进一步优选为1.5摩尔%以下。
＜用于形成水凝胶的组合物的制备方法＞
本发明的用于形成水凝胶的组合物的制备方法没有特别限制，例如可举出将灭菌的前述乙烯醇系聚合物和灭菌的溶剂在无菌下混合的方法(以下有时简称为“前灭菌法”)、将混合有前述乙烯醇系聚合物和溶剂的组合物制备液灭菌的方法(以下有时简称为“后灭菌法”)等。以下说明具体的方法。
前述乙烯醇系聚合物、溶剂、和组合物制备液等本发明中需要灭菌的化合物等的灭菌方法没有特别限制，只要是不存在利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)能够检测出的微生物这样的灭菌，则可以为任何方法。
作为具体的灭菌方法，能使用例如压热釜灭菌法、环氧乙烷气体灭菌法、过氧化氢低温等离子体灭菌法、干热灭菌法、基于戊二醛等的化学灭菌法、基于γ射线或电子射线的放射线灭菌法等。应予说明，本发明中，由于使用聚合度为450以上的乙烯醇系聚合物，难以采用过滤灭菌法，但作为将前述前灭菌法中使用的溶剂灭菌的方法，可采用过滤灭菌法。
其中，从操作的简便性、乙烯醇系聚合物的稳定性的观点出发，优选为后灭菌法，优选采用压热釜灭菌法。
压热釜灭菌的条件没有特别限制，例如优选在110~135℃、饱和水蒸气中进行10~40分钟。从乙烯醇系聚合物的稳定性的观点出发，压热釜灭菌的条件更优选在115~130℃下进行15~35分钟，进一步优选在120~130℃下进行15~30分钟，优选在120~125℃下进行15~20分钟。
应予说明，本发明的压热釜灭菌是指在高压蒸气灭菌器中通过加热蒸气进行灭菌处理的方法。通常，压热釜灭菌是在加热蒸气的温度为115℃的情况下进行30分钟、在121℃的情况下进行20分钟、或者在126℃的情况下进行15分钟，可根据高压蒸气灭菌器和制剂的规模而在适当前述条件下进行。
作为能够用于本发明的用于形成水凝胶的组合物的溶剂，优选为水，可以含有水溶性有机溶剂。作为水溶性有机溶剂，混合使用二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮等非质子性极性溶剂、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇等一元醇；乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、丙三醇等多元醇等水溶性有机溶剂。
前述用于形成水凝胶的组合物含有前述水溶性有机溶剂的情况下，其含量优选为30质量%以下、更优选为20质量%以下、进一步优选为10质量%以下。
前述用于形成水凝胶的组合物中的溶剂的含量优选为50质量%以上、更优选为55质量%以上、进一步优选为60质量%以上，并且，优选为99质量%以下、更优选为98质量%以下、进一步优选为95质量%以下。
此外，用于形成水凝胶的组合物中的前述乙烯醇系聚合物的含量优选为1质量%以上、更优选2质量%以上、进一步优选5质量%以上。此外，从抑制用于形成水凝胶的组合物的高粘度化、且得到良好的成形性的观点出发，优选为50质量%以下、更优选45质量%以下、进一步优选40质量%以下、更进一步优选30质量%以下。前述乙烯醇系聚合物的含量低于1质量%时，所得凝胶的强度低，大于50质量%时，用于形成水凝胶的组合物的粘度变高。
前述溶剂可以为缓冲液或培养基。作为上述缓冲液或培养基，只要是通常细胞培养中使用的物质，就没有特别限制，作为缓冲液，可举出例如柠檬酸缓冲液、邻苯二甲酸缓冲液、3,3-二甲基戊二酸缓冲液、乙酸缓冲液、卡可酸缓冲液、磷酸缓冲液、Tris缓冲液、N-乙基吗啉缓冲液、硼酸缓冲液、碳酸缓冲液等一般的缓冲液；磷酸缓冲生理食盐水、2-吗啉代乙烷磺酸(MES)缓冲液、2-[4-(2-羟基乙基)-1-哌嗪基]乙烷磺酸(HEPES)缓冲液、4-(2-羟基乙基)-1-哌嗪丙烷磺酸(HEPPS)缓冲液、Earle液、Hanks液等生物化学用缓冲液；作为培养基，可举出Eagle最低必需培养基 (E-MEM)、Dulbecco改良Eagle 培养基 (D-MEM)、HamF-12 培养基等动物细胞培养用培养基；植物・微生物用培养基等。
＜任意成分＞
本发明的用于形成水凝胶的组合物可根据水凝胶的用途而适当含有下述成分。
〔多硫醇〕
本发明的用于形成水凝胶的组合物可以包含多硫醇。作为前述烯属不饱和基团而使用具有乙烯基的乙烯醇系聚合物的情况下，从促进固化的观点出发，可以添加例如在分子内具有2个以上的硫醇基的多硫醇，利用硫醇-烯反应而交联。作为这样的多硫醇，优选为示出水溶性的物质，可以举出例如二硫苏糖醇等具有羟基的多硫醇；3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇、聚乙二醇二硫醇、多臂聚乙二醇等末端硫醇化物等含有醚键的多硫醇等。
硫醇-烯反应是乙烯基与硫醇基在原理上以1对1进行反应，因此优选以硫醇基不会相对于乙烯基大量过剩的方式添加前述多硫醇。具体而言，硫醇基相对于乙烯基1摩尔的量优选为0.1~5摩尔、更优选为0.3~2摩尔、进一步优选为0.5~1摩尔。如果硫醇基相对于乙烯基1摩尔的量为前述范围，则水凝胶的机械强度等提高。应予说明，利用硫醇-烯反应的固化可以针对作为烯属不饱和基团而具有乙烯氧基羰基的乙烯醇系聚合物来使用。
〔聚合物颗粒〕
本发明的用于形成水凝胶的组合物可以包含聚合物颗粒。聚合物颗粒可以使用可通过通常的乳液聚合而制备的硬质和软质的聚合物颗粒。若用于形成水凝胶的组合物含有聚合物颗粒，对水凝胶施加外在应力时，聚合物颗粒缓和应力、和/或崩解、将应力散逸，从而能够阻止在水凝胶颗粒中发生的微小裂纹的进展。因此，能够防止凝胶整体崩解，凝胶的强韧性增加。
构成聚合物颗粒的聚合物可以是包含一种单体单元的聚合物，也可以是包含多种单体单元的共聚物。此外，也可以是多种聚合物的混合物。
作为前述单体，可以举出丁二烯、异戊二烯等共轭二烯；苯乙烯、α-甲基苯乙烯、叔丁基苯乙烯等芳族乙烯基化合物；(甲基)丙烯酸和其盐；(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸正丙酯、(甲基)丙烯酸正丁酯、(甲基)丙烯酸异丙酯、(甲基)丙烯酸二环戊烷基酯、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸烯丙酯等(甲基)丙烯酸酯；(甲基)丙烯酰胺；N-甲基(甲基)丙烯酰胺、N-乙基(甲基)丙烯酰胺等(甲基)丙烯酰胺衍生物；(甲基)丙烯腈等腈；甲基乙烯基醚、乙基乙烯基醚、正丁基乙烯基醚、异丁基乙烯基醚等乙烯基醚；乙酸乙烯酯、正丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、特戊酸乙烯酯等乙烯基酯；马来酸酐、衣康酸酐等不饱和二羧酸酐；乙烯、丙烯、正丁烯、异丁烯等单烯烃；溴乙烯、偏二溴乙烯、氯乙烯、偏二氯乙烯、氟乙烯、偏二氟乙烯等卤乙烯；乙酸烯丙酯、烯丙基氯等烯丙基化合物；马来酸、富马酸、衣康酸等不饱和二羧酸和其盐；马来酸酯、衣康酸酯等不饱和二羧酸酯；三甲氧基硅烷等乙烯基甲硅烷基化合物；环戊二烯、降冰片二烯等环状二烯；茚、四氢茚等茚类；环氧乙烷、环氧丙烷、氧杂环丁烷、四氢呋喃等环状醚；硫杂环丙烷、硫杂环丁烷等环状硫醚；氮杂环丙烷、氮杂环丁烷等环状胺；1,3-二氧杂环戊烷、1,3,5-三氧杂环己烷、螺原酸酯等环状缩醛；2-噁唑啉、亚氨基醚等环状亚氨基醚；β-丙内酯、δ-戊内酯、ε-己内酯等内酯；碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯等环状碳酸酯；六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷等环状硅氧烷等。
这些之中，从生产率的观点出发，优选为选自共轭二烯、芳族乙烯基化合物和(甲基)丙烯酸酯中的至少1种单体，更优选为(甲基)丙烯酸正丁基酯、(甲基)丙烯酸二环戊基酯。
作为本发明的用于形成水凝胶的组合物中包含的聚合物颗粒，从水中的分散性的观点出发，优选为表面通过表面活性剂等而亲水化的聚合物。此外，聚合物颗粒的制造方法没有特别限定，可以通过例如乳液聚合、悬浮聚合、树脂的自乳化、机械乳化等而制造。
聚合物颗粒的平均粒径优选为0.01~10μm、更优选为0.02~1μm、进一步优选为0.04~0.5μm。平均粒径大的情况下，存在凝胶本身白浊而丧失透明性的倾向，且颗粒容易沉降，但即使少量的含量也能够期待凝胶强度的提高。另一方面，平均粒径小的情况下，为了提高凝胶强度而需要增加含量，但存在得到具有高透明性的凝胶的倾向。
应予说明，本发明中的平均粒径是指通过动态光散射测定装置测定的平均粒径。
聚合物颗粒的制造方法所涉及的乳液聚合中，通常使用表面活性剂。作为所述表面活性剂，可以使用例如烷基苯磺酸钠、月桂基硫酸钠、高级脂肪酸钠、松香系皂等阴离子系表面活性剂；烷基聚乙二醇、壬基酚乙氧基化物等非离子系表面活性剂；氯化二硬脂基二甲基铵、苯扎氯铵等阳离子系表面活性剂；椰油酰胺基丙基甜菜碱、椰油酰胺基丙基羟基亚磺内酯等两性表面活性剂等。此外，还可以使用部分皂化PVA(皂化度70~90摩尔%)、巯基改性PVA(皂化度70~90摩尔%)、β-萘磺酸甲醛缩合物盐、(甲基)丙烯酸乙酯共聚物等高分子表面活性剂。
前述制造方法所涉及的乳液聚合中，通常使用自由基聚合引发剂。作为所述自由基聚合引发剂，可以举出水溶性无机系聚合引发剂、水溶性偶氮系聚合引发剂、油溶性偶氮系聚合引发剂、有机过氧化物等。此外，作为自由基聚合引发剂，可以使用氧化还原系聚合引发剂。进一步，在乳液聚合的体系内，根据需要，可以添加金属离子螯合剂、作为增稠抑制剂的电解质、链转移剂。
此外，作为聚合物颗粒的制造方法，也可以通过预先制造天然橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚丁二烯、聚异戊二烯、异丁烯-异戊二烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯共聚物、苯乙烯-异戊二烯-丁二烯共聚物、卤代异丁烯-异戊二烯共聚物、亚乙基-丙烯-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物、丙烯腈-丁二烯共聚物的部分氢化物、聚氯丁二烯等橡胶等聚合物，将它们在水中乳化或悬浮，利用喷雾干燥等而提取的方法，从而制造。如果通过前述方法制造玻璃化转变温度为25℃以下的聚合物颗粒，则颗粒彼此融接而难以在水等中再分散，因此作为乳化剂而使用例如作为高分子表面活性剂的部分皂化PVA等进行乳化是优选的方法。
用于形成水凝胶的组合物含有聚合物颗粒时，其含量优选为2~20质量%，更优选为3~18质量%、进一步优选为5~15质量%。若聚合物颗粒的含量为前述范围内，则将用于形成水凝胶的组合物交联而成的水凝胶的机械强度提高。
〔无机颗粒〕
本发明的用于形成水凝胶的组合物可以含有水不溶性的无机颗粒。作为水不溶性的无机颗粒，可以举出例如沉降二氧化硅、凝胶状二氧化硅、气相法二氧化硅、胶体二氧化硅等二氧化硅；氧化铝、羟基磷灰石、氧化锆、氧化锌、钛酸钡等陶瓷；沸石、滑石、蒙脱石等矿物；硫酸钙等石膏；氧化钙、氧化铁等金属氧化物；碳酸钙、碳酸镁等金属碳酸盐；硅藻土、土壤、粘土、砂、砂砾等。这些无机颗粒可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。通过添加水不溶性的无机颗粒，能够对凝胶赋予高机械物性、磁性等功能。此外，通过将含有无机颗粒的成形的水凝胶干燥，进一步进行烧结等，也能够得到成形的无机烧结体。
用于形成水凝胶的组合物含有无机颗粒时，其含量优选为2~20质量%，更优选为3~18质量%、进一步优选为5~15质量%。若无机颗粒的含量为前述范围内，则将用于形成水凝胶的组合物交联而成的水凝胶的机械强度提高。
[含有羧基的水溶性聚合物(相互贯入凝胶)]
本发明的用于形成水凝胶的组合物可以包含含有羧基的水溶性聚合物，从而形成相互贯入凝胶。作为含有羧基的水溶性聚合物，特别是从安全性的观点出发，优选为源自天然的多糖类，可以举出藻酸、羧基甲基纤维素、LM果胶、羧基甲基淀粉和它们的衍生物等。
将包含含有羧基的水溶性聚合物的本发明的用于形成水凝胶的组合物通过前述方法固化，然后，可以通过镁、钙、钡、锶、铜、铁、锰、锌等多价金属离子而将具有羧基的水溶性聚合物交联。制成如上述通过自由基聚合引发剂而交联的具有烯属不饱和基团的PVA与通过多价金属离子而交联的具有羧基的水溶性聚合物的相互贯入型凝胶，由此能够显著提高水凝胶的机械强度。
用于形成水凝胶的组合物含有前述水溶性聚合物时，其含量优选为0.1~10质量%，更优选为0.5~8质量%、进一步优选为1~4质量%。若前述水溶性合成聚合物的含量为前述范围内，则将用于形成水凝胶的组合物交联而成的水凝胶的机械强度提高。
〔单体〕
前述用于形成水凝胶的组合物可进一步含有单体。作为该单体，可举出丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺等丙烯酰胺类；(甲基)丙烯酸、巴豆酸、衣康酸、马来酸、富马酸等α,β-不饱和羧酸；乙烯基吡啶；羟基乙基(甲基)丙烯酸酯；苯乙烯磺酸；聚乙二醇单(甲基)丙烯酸酯等水溶性自由基聚合性单体、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯等在分子内具有2个以上烯属不饱和基团的交联剂等。
前述用于形成水凝胶的组合物中的单体的含量从提高水凝胶的机械的强度的观点出发，优选为20质量%以下，更优选为10质量%以下，进一步优选为5质量%以下。
〔细胞、生理活性物质、酶〕
本发明的用于形成水凝胶的组合物可包含细胞、生理活性物质、酶。本说明书所涉及的术语“细胞”没有特别限定，优选为多能性干细胞、组织干细胞、体细胞、医药品等有用物质生产、治疗等中使用的来自哺乳动物的株化细胞和昆虫细胞。
细胞中包括粘附性细胞和浮游细胞，但不限定于它们。粘附性细胞是指在细胞培养时，在培养容器、载体等上粘附，由此增殖的细胞。浮游性细胞是指在细胞增殖中基本上不需要粘附于培养容器、载体等的细胞。浮游性细胞中，包括能够在培养容器、载体等上弱粘附的细胞。
上述多能性干细胞是指具有分化为任意组织的细胞的能力(分化多能性)的干细胞，例如为胚胎干细胞(ES细胞)、人工多能性干细胞(iPS细胞)、胚胎生殖干细胞(EG细胞)、生殖干细胞(GS细胞)等。
上述组织干细胞是指限定分化的组织，但具有能够分化为多种多样的细胞种类的能力(分化多能性)的干细胞，例如组织干细胞可以举出骨髄未分化间质系干细胞、骨骼肌干细胞、造血系统干细胞、神经干细胞、肝干细胞、脂肪组织干细胞、表皮干细胞、肠道干细胞、精子干细胞、胰腺干细胞(胰管上皮干细胞等)、白细胞系干细胞、淋巴细胞系干细胞、角膜系干细胞等。
上述体细胞是指构成多细胞生物的细胞，可以举出例如成骨细胞、软骨细胞、造血细胞、上皮细胞(乳腺上皮细胞等)、内皮细胞(血管内皮细胞等)、表皮细胞、成纤维细胞、间质来源细胞、心肌细胞、肌原细胞、平滑肌细胞、生物体来源骨骼肌细胞、人肿瘤细胞、纤维细胞、EB病毒变异细胞、肝细胞、肾细胞、骨髄细胞、巨噬细胞、肝实质细胞、小肠细胞、乳腺细胞、唾液腺细胞、甲状腺细胞、皮肤细胞、浆细胞、T细胞、B细胞、杀手细胞、淋巴母细胞、和胰β细胞等，但不限于此。
作为上述源自哺乳动物的株化细胞，可以举出CRFK细胞、3T3细胞、A549细胞、AH130细胞、B95-8细胞、BHK细胞、BOSC23细胞、BS-C-1细胞、C3H10T1/2细胞、C-6细胞、CHO细胞、COS细胞、CV-1细胞、F9细胞、FL细胞、FL5-1细胞、FM3A细胞、G-361细胞、GP＋E-86细胞、GP＋envAm12细胞、H4-II-E细胞、HEK293细胞、HeLa细胞、HE对2细胞、HL-60细胞、HTC细胞、HUVEC细胞、IMR-32细胞、IMR-90细胞、K562细胞、KB细胞、L细胞、L5178Y细胞、L-929细胞、MA104细胞、MDBK细胞、MDCK细胞、MIA PaCG-2细胞、N18细胞、Namalwa细胞、NG108-15细胞、NRK细胞、OC10细胞、OTT6050细胞、P388细胞、PA12细胞、PA317细胞、PC-12细胞、PER.C6细胞、PG13细胞、QGH细胞、Raji细胞、RPMI-1788细胞、SGE1细胞、Sp2/O-Ag14细胞、ST2细胞、THP-1细胞、U-937细胞、V79细胞、VERO细胞、WI-38细胞、ψ2细胞、和ψCRE细胞等{细胞培养的技术(日本组织培养学会编辑，株式会社朝仓书店发行，1999年)}。
作为上述昆虫细胞，可以举出家蚕细胞(BmN细胞和BoMo细胞等)、桑蚕细胞、天蚕细胞、蓖麻蚕细胞、甘蓝夜蛾细胞(Sf9细胞和Sf21细胞等)、奇特望灯蛾细胞、叶卷虫细胞、果蝇细胞、棕尾别麻蝇细胞、白纹伊蚊细胞、燕尾蝶细胞、美洲大蠊细胞和粉纹夜蛾细胞(Tn-5细胞、HIGH FIVE细胞和MG1细胞等)等{昆虫生物工厂(木村滋编著、株式会社工业調査会发行、2000年)}。
上述细胞可以彼此凝集，也可以分化。凝集的细胞可以具有作为器官的功能。细胞可以是刚从生物体采集后的物质，也可以是培养的物质。从生物体采集的细胞可以制成器官。
作为生理活性物质，可以举出例如明胶、胶原、层连蛋白、纤连蛋白、合成RGD肽等细胞粘接性蛋白质或肽；成纤维细胞生长因子(FGF)、上皮成长因子(EGF)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)等成长因子；肝素、透明质酸等酸性多糖类、各种医药品等。作为酶，可以举出例如蛋白酶、脂酶、淀粉酶、纤维素酶等。
前述用于形成水凝胶的组合物在不损害本发明的效果范围内可进一步包含光吸収剂、聚合禁止剂、链转移剂、着色剂、防腐剂等添加剂。它们可单独使用1种或组合使用2种以上。
＜用于形成水凝胶的组合物的固化＞
本发明的用于形成水凝胶的组合物可以在后述交联步骤中通过活性能量射线、热而使前述乙烯醇系聚合物交联，由此凝胶化，由此能够得到本发明的水凝胶。作为活性能量射线，可以举出例如γ射线、紫外线、可见光线、红外线(热射线)、无线电波、α射线、β射线、电子射线、等离子体流、电离射线、粒子射线等。
〔自由基聚合引发剂〕
前述活性能量射线之中，通过紫外线、可见光线、红外线(热射线)等、热而将前述乙烯醇系聚合物交联的情况下，优选用于形成水凝胶的组合物含有自由基聚合引发剂。作为自由基聚合引发剂，可以举出光自由基聚合引发剂、和热自由基聚合引发剂。
热自由基聚合引发剂会引起以热作为引发的自由基聚合，因此将具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物用压热釜灭菌而制备用于形成水凝胶的组合物后，需要添加热自由基聚合引发剂。此时，热自由基聚合引发剂优选利用前述灭菌方法中最适合的方法进行灭菌。作为热自由基聚合引发剂的灭菌方法，可举出例如对热自由基聚合引发剂的固体进行环氧乙烷气体灭菌的方法、对热自由基聚合引发剂的水溶液进行过滤灭菌的方法。
作为热自由基聚合引发剂，只要通过热而引发自由基聚合，则没有特别限制，可以举出在自由基聚合中常规使用的偶氮系引发剂、过氧化物系引发剂等。从提高前述水凝胶的透明性和物性的观点出发，优选为不产生气体的过氧化物系引发剂，从前述用于形成水凝胶的组合物为水系溶剂的观点出发，更优选为水溶性高的过氧化物系引发剂。具体而言，可以举出例如过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠等无机过氧化物，其中，优选为过硫酸钠，更优选为过氧二硫酸钠。
此外，可以使用与还原剂组合的氧化还原系引发剂。如果是氧化还原系引发剂，则可以通过过氧化物系引发剂与还原剂的混合这一刺激，形成第一聚合物网络，从而固化。作为当作氧化还原系引发剂而组合的还原剂，可以使用公知的还原剂，它们之中，优选为水溶性高的N,N,N',N'-四甲基乙二胺、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、连二亚硫酸钠等。
在不损害本发明的水凝胶的透明性、物性的范围内，可以使用水溶性的偶氮系引发剂。具体而言，可以举出例如2,2'-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐(商品名“VA-044”)、2,2'-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二硫酸盐二水合物(商品名“VA-044B”)、2,2'-偶氮双[2-甲基丙脒]二盐酸盐(商品名“V-50”)、2,2'-偶氮双[N-(2-羧基乙基)-2-甲基丙脒]四水合物(商品名“VA-057”)、2,2'-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷](商品名“VA-061”)、2,2'-偶氮双[2-甲基-N-(2-羟基乙基)丙酰胺](商品名“VA-086”)、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(商品名“V-501”)(以上、和光纯药工业(株)制)等。
本发明的用于形成水凝胶的组合物包含热自由基聚合引发剂时，优选在温度低于100℃下加热。加热温度可根据所使用的热自由基聚合引发剂的种类而适当调整，优选为30~90℃、更优选为35~80℃。
光自由基聚合引发剂会引起以光作为引发的自由基聚合，因此通常对热稳定的情况多。因此，可以将光自由基聚合引发剂与乙烯醇系聚合物和溶剂混合后，进行压热釜灭菌而制备用于形成水凝胶的组合物。当然与热自由基聚合引发剂同样地，对组合物制备液进行压热釜灭菌而制备用于形成水凝胶的组合物后，可对光自由基聚合引发剂适当地灭菌而添加。
作为光自由基聚合引发剂，只要通过紫外线、可见光等活性能量射线的照射等而引发自由基聚合，则没有特别限制，优选示出水溶性。具体而言，可以举出例如α-酮戊二酸、1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(商品名“IRGACURE2959”、BASFジャパン(株)制)、苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦酸锂盐(商品名“L0290”、东京化成工业(株)制)、2,2'-偶氮双[2-甲基-N-(2-羟基乙基)丙酰胺](商品名“VA-086”、和光纯药工业(株)制)、曙红Y等。
用于形成水凝胶的组合物包含光自由基聚合引发剂时，作为可在照射处理中使用的活性能量射线，可举出可见光线、紫外线等，优选为高压水银灯、低压水银灯、氙气灯、金卤灯等紫外线。
前述用于形成水凝胶的组合物中的自由基聚合引发剂的含量可根据自由基聚合引发剂的种类而适当调整，从促进交联反应、提高水凝胶的机械强度的观点出发，优选为5×10 -6质量%以上，更优选为1×10 -5质量%以上。并且该自由基聚合引发剂的含量从抑制凝胶中残留的自由基聚合引发剂的降低和水凝胶的脆化的观点出发，优选为3质量%以下，更优选为1质量%以下，进一步优选为0.5质量%以下。
[水凝胶]
本发明的水凝胶是将前述用于形成水凝胶的组合物交联而得的，更具体而言，通过使已灭菌的前述用于形成水凝胶的组合物固化，可得到任意的形状的水凝胶。
例如将已灭菌的用于形成水凝胶的组合物导入规定的模框等后，根据前述方法固化，由此可制备赋予了形状的水凝胶。此外，像3D打印机这样使用材料挤出沉积法、喷墨法的情况下，将已灭菌的用于形成水凝胶的组合物从注射器、打印机头中喷出后，通过光、热等刺激而固化，可成形为期望的形状。进一步通过在光造形法中将包含光聚合引发剂的已灭菌的用于形成水凝胶的组合物放入期望的模具的容器中进行光造形，可成形为期望的形状。此外，水凝胶也可通过公知的技术、例如悬浮聚合法、膜乳化法、微小流体法、喷嘴挤出法、喷雾干燥法(喷雾干燥)等而成形为颗粒状。
本发明的水凝胶、和用于形成水凝胶的组合物的亲水性、反应性、生物分解性、生物体适应性、低毒性等优异，被灭菌的同时，机械强度也高。因此，通过使用3D打印机、模具成形各种各样的形状，由此可在隐形眼镜；器官模型；药物传递载体；细胞、微生物的胶囊化载体；医疗器械涂料；人工椎间盘核；地基改良材料；防污涂料等各种各样的领域中适合地使用。
实施例
以下，通过实施例，进一步详细说明本发明，但本发明不因这些实施例而受到限定。
[使用原料]
合成例、实施例和比较例中使用的主要成分示于以下。
＜原料聚乙烯醇＞
・PVA117：聚乙烯醇(商品名“PVA117”、聚合度1700、皂化度约98~99摩尔%、粘度(4%,20℃)25~31mPa・s、(株)可乐丽制)
・PVA217：聚乙烯醇(商品名“PVA217”、聚合度1700、皂化度约87~89摩尔%、粘度(4%,20℃)20.5~24.5 mPa・s、(株)可乐丽制)
・PVA105：聚乙烯醇(商品名“PVA105”、聚合度500、皂化度约98~99mol%、粘度(4%,20℃)5.2~6 mPa・s、(株)可乐丽制)
・PVA103：聚乙烯醇(商品名“PVA103”、聚合度300、皂化度约98~99摩尔%、粘度(4%,20℃)3.2~3.8mPa・s、(株)可乐丽制)
应予说明，原料PVA的聚合度按照JIS K 6726：1994测定。
＜含烯属不饱和基团的化合物＞
・甲基丙烯酸乙烯酯：东京化成工业(株)制
・5-降冰片烯-2-甲醛：东京化成工业(株)制
＜具有羧基的水溶性聚合物＞
・藻酸钠(NSPLLR)(商品名“ダックアルギンNSPLLR”、1质量%水溶液的粘度(温度：20℃)40~50mPa・s、キッコーマンバイオケミファ(株)制)
＜光自由基聚合引发剂＞
・Irgacure2959：1-[4-(2-羟基乙氧基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(商品名“IRGACURE2959”、BASFジャパン(株)制)
・L0290：苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)膦酸锂盐(商品名“L0290”、东京化成工业(株)制)
＜热自由基聚合引发剂＞
・过氧二硫酸钠：和光纯薬工业(株)制
＜多硫醇＞
・3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇：东京化成工业(株)制
＜单体＞
・丙烯酸正丁基酯：日本触媒(株)制
・三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：商品名“ライトエステルTMP”、共栄公司化学(株)制
・烯丙基甲基丙烯酸酯：东京化成工业(株)制
・甲基丙烯酸二环戊基酯：商品名“ファンクリルFA-513M”、日立化成(株)制
＜乳化剂＞
・商品名“エレミノールJS-20”三洋化成工业(株)制
＜溶剂＞
・离子交换水：电导率0.08×10 -4S/m以下的离子交换水
[合成例中合成的化合物的测定方法]
＜具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物的聚合度＞
下述合成例中得到的具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物的聚合度按照JISK6726：1994测定。
＜烯属不饱和基团的导入率＞
下述合成例中得到的具有烯属不饱和基团的乙烯醇系聚合物的烯属不饱和基团的导入率通过质子NMR测定。根据烯属不饱和基团的信号与乙烯醇系聚合物的信号的积分值之比，求出导入率。
[质子NMR测定条件]
装置：日本电子株式会社制 核磁共振装置“JNM-ECX400”
温度：25℃
＜乳化液中的平均粒径＞
对聚合物颗粒的乳化液(0.1mL)与离子交换水(10mL)的混合液使用动态光散射测定装置(装置名：FPAR-1000、大塚电子(株)制)，以体积基准计测定聚合物颗粒的粒度分布，测定中值粒径作为平均粒径。
实施例和比较例中的操作和评价按照以下所示的方法进行。
(压热釜灭菌)
使用アルプ(株)制压热釜灭菌器(KTS-2322型)在121℃、20分钟下进行灭菌。
＜具有烯属不饱和基团的聚乙烯醇的合成＞
〔合成例1〕
＜具有烯属不饱和基团的聚乙烯醇的合成＞
[合成例1]
将40g(单体重复单元：908mmol)的PVA117加入1L的具有Dimroth冷却管的可分离烧瓶，添加350mL的二甲基亚砜(DMSO)，用机械搅拌机开始搅拌。通过水浴升温至80℃后，在80℃下继续搅拌4小时。目视确认前述原料PVA溶解后，在80℃下加热搅拌，同时添加甲基丙烯酸乙烯酯1.2g(10.8mmol)，进一步在80℃下搅拌3小时。放置冷却后，在2L的甲醇中在搅拌的同时注入反应溶液。停止搅拌，直接放置1小时。回收所得固体后，进一步在1L的甲醇中浸渍1小时洗涤。该洗涤作业总计进行3次。回收的固体在室温下真空干燥过夜，得到甲基丙烯酰基化PVA117。该甲基丙烯酰基化PVA117的烯属不饱和基团(甲基丙烯酰氧基)的导入率相对于PVA的重复单元为1.2摩尔%(以下简称为“MA-PVA117(1.2)”)。
〔合成例2~3〕
如表1所示，变更原料PVA或甲基丙烯酰基氧基的导入率，除此以外，与合成例1同样地，制备甲基丙烯酰基化PVA。
〔合成例4〕
将60g(单体重复单元：1.36mol)的“PVA117”加入1L的具有Dimroth冷却管的可分离烧瓶，添加540mL的离子交换水，用机械搅拌机开始搅拌。通过水浴升温至80℃后，继续搅拌4小时。目视确认前述原料PVA溶解后，降温直至40℃。在40℃下在搅拌的同时添加5-降冰片烯-2-甲醛2.5g(20.5mmol)、10体积%硫酸水溶液22mL，进一步在40℃下搅拌4小时。放置冷却后，添加1当量NaOH水溶液80mL而中和，加入分级分子量3,500的透析膜中，脱盐(相对于5L的离子交换水实施4次)。在2L的甲醇中在搅拌的同时注入脱盐后的水溶液，直接放置1小时。回收所得固体后，进一步在1L的甲醇中浸渍1小时洗涤。回收的固体在室温下真空干燥过夜，得到降冰片烯化PVA。该降冰片烯化导入率相对于PVA的单体重复单元为1.3摩尔%(以下简称为“Nor-PVA117(1.3)”)。
〔比较合成例1~2〕
如表1所示，变更原料PVA或甲基丙烯酰基氧基的导入率，除此以外，与合成例1同样地，制备MA-PVA103(2.0)和MA-PVA117(12)。
Figure 285259DEST_PATH_IMAGE001
＜聚合物颗粒的合成＞
〔合成例A；丙烯酸正丁基酯(BA)/甲基丙烯酸二环戊基酯(TCDMA)颗粒〕
(步骤1)
在干燥的2L的耐压聚合槽中添加离子交换水240g、“エレミノールJS-20”91.368g、过氧二硫酸钠1.08g后，用氮气鼓泡30分钟，由此进行脱氧处理，得到水溶液。
将该水溶液升温至60℃后，将形成聚合物颗粒的单体混合物(丙烯酸正丁基酯：三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯：烯丙基甲基丙烯酸酯=360：1.8：3.6(重量比))365.4g脱氧处理后，以10mL/分钟的速度连续地添加。
(步骤2)
在确认了总单体转化率大于99质量%的时刻，在前述步骤1中得到的乳化液中将甲基丙烯酸二环戊基酯45g进行脱氧处理后，以10mL/分钟的速度连续地添加。
(步骤3)
在确认了总单体转化率大于99质量%的时刻，将前述步骤2中得到的乳化液升温至100℃，搅拌2小时，由此进行残留聚合引发剂的分解处理。将聚合槽冷却至25℃，取出聚合物颗粒(BA/TCDMA颗粒)的乳化液。乳化液中的平均粒径为47.4nm，固体分浓度为28质量%。
[实施例1]
在10g的MA-PVA117(1.2)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，得到乙烯醇系聚合物的溶液。冷却至室温后，在该溶液中溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟、表2中记作“AC”)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
接着，在夹持1mm厚的隔片的玻璃板间倒入该溶液，使用GSユアサ制金卤灯在145mW/cm 2下照射30秒(照射能量量：1200mJ/cm 2)的紫外线(UV)后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。
[实施例2]
在20g的MA-PVA117(1.2)中加入80mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，得到乙烯醇系聚合物的溶液。在该溶液15g中加入合成例A的BA/TCDMA颗粒的乳化液(固体分浓度28质量%)9g、离子交换水6g并搅拌。接着，溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
对该溶液与实施例1同样地照射UV后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。
[实施例3]
在10g的MA-PVA117(1.2)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，得到乙烯醇系聚合物的溶液。冷却至室温后，在该溶液中溶解水溶性光聚合引发剂即“L0290”，以达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
接着，在夹持1mm厚的隔片的玻璃板间倒入该溶液，使用DWS公司制UV CuringUnit S2照射UV光4分钟后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。
[实施例4]
在10g的MA-PVA117(1.2)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，得到乙烯醇系聚合物的溶液。对该含烯属不饱和基团的PVA溶液进行压热釜灭菌(121℃、20分钟)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
接着，将0.2g的过氧二硫酸钠溶于2mL的离子交换水制作热自由基聚合引发剂溶液，将该溶液用0.22μm过滤器过滤灭菌，将1mL的已灭菌的热自由基聚合引发剂溶液添加至用于形成水凝胶的组合物。
接着，在夹持1mm厚的隔片的玻璃板间倒入该溶液，在80℃下固化30分钟后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。
[实施例5]
在10g的MA-PVA117(1.2)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，得到含烯属不饱和基团的PVA溶液。冷却至室温后，在该含烯属不饱和基团的PVA溶液中添加2g的藻酸钠(NSPLLR)，在室温下搅拌3小时。相对含藻酸的MA-PVA水溶液溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以使达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
接着，在夹持1mm厚的隔片的玻璃板间倒入该溶液，使用GSユアサ制金卤灯在145mW/cm 2下照射30秒(照射能量量：1200mJ/cm 2)的紫外线(UV)。将所得水凝胶浸渍于氯化钙水溶液(1g氯化钙/100mL水)30分钟，得到由相互贯入型凝胶形成的水凝胶。
[实施例6]
替代MA-PVA117(1.2)，使用MA-PVA217(2.0)，除此之外，与实施例1同样地制作用于形成水凝胶的组合物，照射UV后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。应予说明，对于前述用于形成水凝胶的组合物，利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
[实施例7]
替代MA-PVA117(1.2)，使用MA-PVA105(2.0)，除此之外，与实施例3同样地制作用于形成水凝胶的组合物，照射UV后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。应予说明，对于前述用于形成水凝胶的组合物，利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
[实施例8]
在10g的Nor-PVA117(1.3)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解，冷却至室温，进一步添加作为多硫醇的3,6-二氧杂-1,8-辛烷二硫醇0.26g，得到乙烯醇系聚合物溶液。相对该溶液溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以使达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
对该形成用组合物与实施例1同样地照射UV后充分固化，得到具有强韧的一体感的凝胶。
[比较例1]
在10g的MA-PVA103(2.0)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解。冷却至室温后，溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以达到0.1质量%。将该溶液用0.22μm过滤器过滤灭菌，制备用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
对该溶液与实施例1同样地照射UV后固化，但得到极脆弱的凝胶。
[比较例2]
在10g的MA-PVA103(2.0)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解。冷却至室温后，溶解水溶性光聚合引发剂即“L0290”，以达到0.1质量%。将该溶液用0.22μm过滤器过滤灭菌，制备用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
对该溶液与3同样地照射UV后固化，但得到极脆弱的凝胶。
[比较例3]
替代过滤灭菌，使用压热釜灭菌，除此以外，与比较例1同样地制作用于形成水凝胶的组合物。对其照射UV后固化，但得到极脆弱的凝胶。应予说明，对于前述用于形成水凝胶的组合物，利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
[比较例4]
在10g的MA-PVA117(12)中加入90mL的离子交换水，在80℃下搅拌4小时的同时溶解(未溶解的固体成分残留在溶液中)。冷却至室温后，在该溶液中溶解水溶性光聚合引发剂即“Irgacure2959”，以达到0.1质量%，进行压热釜灭菌(121℃、20分钟、表2中记作“AC”)，由此制作具有流动性的用于形成水凝胶的组合物。利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)观察微生物的存在，结果可确认不存在微生物。
对该溶液与实施例3同样地照射UV，结果未得到凝胶。
＜凝胶的拉伸断裂强度的评价＞
通过下述流程测定实施例1~8和比较例1~4中得到的凝胶的拉伸强度。取出实施例1~8和比较例1~4中制作的1mm厚的水凝胶，按照日本特开2015-004059号公报中记载的方法，使用JISK-6251：2017的3号标准的哑铃切割机，切出试验片。使用修正液，在试验片上标记2点标记点，用游标卡尺测定该标记点间距离。使用测微仪，测定试验片的宽度和厚度。在イーストン公司制拉伸试验机(5566型)中，安装试验片，在获取图像数据的同时测定断裂应力和断裂应变。本评价中，数值越大，则表示凝胶的机械强度越高。
Figure 530296DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，实施例1~8与比较例1~4相比，拉伸断裂强度高、且机械强度优异。实施例2和5中，分别添加聚合物颗粒和具有羧基的水溶性聚合物，特别地在实施例5中形成相互贯入型水凝胶，因此能大幅提高拉伸断裂强度。
比较例1~3均使用聚合度450以下的乙烯醇系聚合物，因此与实施例1~8相比拉伸断裂强度低、且机械强度极差。比较例4的烯属不饱和基团的导入率超过本发明的范围，因此不能形成凝胶本身。
产业上的可利用性
本发明的用于形成水凝胶的组合物的亲水性、反应性、生物分解性、生物体适应性、低毒性等优异，被灭菌的同时，机械强度也高。因此，通过使用3D打印机、模具成形各种各样的形状，由此可在隐形眼镜；器官模型；药物传递载体；细胞、微生物的胶囊化载体；医疗器械涂料；人工髓核；地基改良材料；防污涂料等各种各样的领域中适合地使用。

Claims (5)

1.用于形成水凝胶的组合物，其特征在于，其是包含具有烯属不饱和基团的聚合度450以上的乙烯醇系聚合物的用于形成水凝胶的组合物，前述烯属不饱和基团的导入率在构成乙烯醇系聚合物的全部结构单元中为0.01~10摩尔%，且不存在利用日本药典一般试验法中规定的无菌试验法(直接法)能够检测出的微生物。
2.根据权利要求1所述的用于形成水凝胶的组合物，其中，前述烯属不饱和基团为选自乙烯基、(甲基)丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰基氨基、乙烯基苯基、降冰片烯基和它们的衍生物中的至少1种。
3.用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其是权利要求1或2所述的用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其特征在于，对混合有前述乙烯醇系聚合物和溶剂的组合物调制液进行灭菌。
4.根据权利要求3所述的用于形成水凝胶的组合物的制备方法，其中，前述灭菌是利用压热釜的灭菌。
5.水凝胶，其是对权利要求1或2所述的用于形成水凝胶的组合物进行交联而得的。
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