JP2001524596A - 多孔構造の製造方法 - Google Patents
多孔構造の製造方法Info
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Abstract
Description
、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造の製造方法に関する。
下により凍結させ、次に凍結乾燥させることは知られている。この場合初期懸濁 液は金属シェルに充填され、金属シェルを下側から冷えた塩水で冷却し、その結
果初期懸濁液は硬化する。その際懸濁液はまず金属シェルの底部において硬化し 、その後シェル全体において硬化する。この場合氷の成長により硬化構造が生じ 、硬化構造は凍結乾燥後、密度分布と孔の方向がまちまちの非常に不規則な多孔
スポンジになる。
細胞質状に行なわれるからである。
い物質搬送抵抗を生じさせるので、凍結乾燥を阻害する。さらに、多くの技術的 応用および医療的応用にとって、多孔率が均一の生産物は価値が大きい。
生成できるように改善することである。 この課題は、冒頭で述べた種類の方法において、温度調整可能で、互いに間隔
を持って配置される、温度の異なる2つの面の間で混合物を冷却し、有利には、
硬化過程中に規則構造が生じるように冷却することによって解決される。
する。この場合、クリスタルフロントが一方の面から他方の面のほうへ連続的に 成長し、試料のなかに結晶構造と非結晶構造とを均一に分布させる。続いて行な われる凍結乾燥は均質な結晶構造により容易になり、結晶成分と液状成分の蒸発
または昇華により均一な多孔構造が露出する。温度勾配の調整或いは硬化前進速 度の調整により、発生する構造を最適に制御できる。
が有利である。温度差が一定であれば、両面の間でのアイスフロントの前進速度 がほぼ一定になるため、特に均一な多孔構造が得られる。
どの場合不可能である。これにより細胞破壊または変性が生じるからである。この
ような場合には、一方の面領域の温度を、他方の面領域が冷却されて所望の勾配
が形成されるまで、一定に保持するのが有意義である。これにより、細胞または たんぱく質を破壊するような混合物の温度が避けられる。
されている。これら平行に配置される面の間には混合物が供給され、一方の面か ら他方の面へ向けて結晶形成が促進するように冷却される。
成部を熱放射または対流により直接温度調整してもよい。 しかし、必要な多孔構造に応じては、前記面を互いに同心に配置するのも有利
である。この場合、外側の面或いは内側の面のいずれか一方がより熱い状態に保 持され、その結果結晶形成は内側から外側へ、或いは外側から内側へ促進する。
晶構造が生じる。このような結晶構造は両面の間の全領域にわたって延びるか、 この領域の一部分だけを充填する。 本発明の特に有利な構成によれば、混合物を、前記面の間の第1の側で導入し
、前記面の間の第2の側から放出し、その際互いに対向しあっいる面領域の温度
が第1の側から第2の側へ降下している。これにより、面を互いに平行に配置す る場合も互いに同心に配置する場合も、液状またはペースト状混合物を連続的に
硬化させることが可能になる。理想的なケースでは、装置の一箇所に液状または ペースト状混合物が充填され、他端において連続的に多孔構造が装置から取り出
される。
し、或いは案内するのが有利である。搬送ベルトまたはホースを互いに対向しあ っている面で案内することにより、これら面に対する混合物の連続的な搬送また
は間歇的な搬送が可能であり、これら面と混合物とが直接に接触するのを阻止す
る。この場合、試料を搬送ベルトまたはホースに対して相対移動させるか、ある いは資料を搬送ベルトまたはホースとともに前記面を通過させてもよい。
面を離間させ且つ他方の面を温度調整することにより凍結乾燥させることによっ
て可能になる。一方の面を離隔させた後、少なくとも部分的に硬化した生産物は 、昇華過程、脱着過程および拡散過程により氷相および他の非凍結水を濃縮相か
ら離隔させるような印加負圧を自在に受け入れる。
乾燥過程を制御するため凍結乾燥段階でも温度調整される。 本発明では、特に、液状またはペースト状混合物として水性の溶液または懸濁
液を使用する。水性相は凍結乾燥により容易に離隔することができ、特に医療技 術で多面的に使用可能なスポンジ等の多孔構造の製造を可能にする。
ければ、たとえば繊維等の懸濁性異相片が結晶成長により方向を変えたりずれた
りすることはない。したがって本発明による方法により非常に秩序だった構造を 生成することができ、異相片の分布は極めて均一になり、この分布は実質的に液
状またはペースト状混合物での分布に対応している。凍結乾燥後非常に微細な構 造が得られ、たとえば止血或いはやけどの治療の際に使用するスポンジとして、
または軟骨育成用の生体材料としても有利である。
添加するのが特に有利である。たとえば、結晶構造を制御するために塩または酸 を添加することができる。本発明による方法では、たとえば指状または樹木状( 樹状突起状の)氷晶が液状またはペースト状混合物を貫通するように成長し、懸
濁性異相片の方向を変化させる。次に凍結乾燥を行なうと、この指状の氷晶が昇 華して、均一な開口孔が残る。氷晶構造は、したがって後の多孔構造は冷却時の プロセス制御(試料に対する温度勾配およびアイスフロントの速度)によりおよ
び添加物の種類および濃度により制御することができる。
い。たとえばコラーゲン懸濁液の場合には、たとえばヒドロキシアパタイトの添 加により硬い構造を生成することができ、骨代替材料としてのスポンジの適正を
改善させる。さらに、たとえば医療用インプラントの場合には、すでに液状混合 物の段階で生体活性物質或いは生細胞を、多孔構造の導入時に役立つような凍結
防止添加剤とともに供給し、所望の生物学的プロセスを改善するのが有利である
。この場合、汚染予防を行なうために、たとえば抗生物質を添加してもよい。傷の
治療をたとえば細胞を持った構造を挿入することにより、或いは血管または神経
をなじませることにより促進させるため、生体活性物質として、たとえば構造内
の細胞癒合または細胞成長を促進させるペプチド、プロテイン或いは酵素を添加
してよい。たとえばコンドロイチン、繊維芽細胞、ケラチノサイトおよび内皮細 胞のような生体細胞は新たな細胞配列または単分子層または血管の形成を促進さ
せ、傷の治療にとって重要な物質を生産する。たとえば高分子のキロプロテクテ ィブのためのヒドロキシエチルの濃度は、場合によっては特定の糖の添加により
補助されて、凍結過程時の細胞破壊を制限し、また凍結乾燥に適している。この ようにして生成したスポンジは体液または溶液による再水化の後特別な生体機能
或いは医療機能を果たす。
結乾燥構造に添加してもよい。というのも、多孔構造はこれらの物質が構造内に 沈積するのを容易にするからである。
イオテクノロジーの分野である。なお、美容目的または医療目的のスポンジは特 に薄葉紙エンジニアリングの分野で有意義である。
合物を少なくとも部分的に硬化させ、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造
の製造方法において、混合物を予め過圧で冷却し、次に急激に除荷することにあ
る。
、過冷却された液状混合物を結晶化させる。この場合、混合物の全領域において 同時に均一に分布した氷晶が形成され、氷晶は温度と圧力制御によりさらに成長
し、或いは小さなままに留まり、凍結乾燥により除去されるので、均質な多孔構
造が生じる。温度と圧力制御により多数の小さな結晶か、少量の大きな結晶が生 じるため、微孔状または巨視孔状の構造が生じる。過圧は1と250Mpaの間 の範囲にあるのが有利である。
度および小密度を得るために結晶化を利用することができる。より大きな多孔度 を得るためには、圧力を降下させる実施形態でも、また上述したような圧力降下
のない実施形態でもよい。
硬化させた後、硬化温度付近で試料を再結晶させ、その後引き続いて凍結乾燥を
行なう。これにより小結晶領域が大結晶領域域へ成長し、大きな孔が生じる。
異物を液状またはペースト状混合物に挿入し、凍結乾燥後に異物を除去するよう
にしてよく、このようにすると多孔構造は付加的に異物の幾何学的形状および位
置によって決定される。
する。 図1に図示した装置1は、下部試料画成部2と上部試料画成部3とを有し、こ
れらの試料画成部の間にして絶縁性の試料フレーム4内には試料室5が配置され
ている。上部試料画成部3と下部試料画成部2とは構成が同一であり、これら試 料画成部の間にして試料室5内に配置される試料の硬化過程の間、および必要に
応じては凍結乾燥過程の間温度調整するために用いる。温度調整は、側部の熱絶 縁被覆部8と9に埋設されている銅ブロック6と7を介して行なう。銅ブロック 6または7と下部試料画成部2または上部試料画成部3との間には、それぞれ平
衡加熱用の電気的なフォイル形加熱要素10または11が設けられている。試料 画成部2と3は温度測定個所12と13を有しているので、冷却される銅ブロッ
ク6と7およびフォイル形加熱要素10と11を用いて精密な温度調整を行なう
ことができる。
スピンドル14(図では二重矢印で簡単に示した)を用いて空気圧または液圧で
持ち上げることができる。 この装置は凝縮器(図示せず)を備えた閉じた真空室のなかに設置できるので
、必要であれば凍結乾燥過程をすぐに引き続いて行なうことができる。凍結乾燥 時には真空室が排気され、凍結乾燥の間試料を温度調整するため、たとえば下部
フォイル形加熱要素10が使用される。
ている。両試料画成部は10mmの間隔で互いに離して配置されているので、下 の曲線15は「x=0mm」として表わされ、上の曲線16は「x=10mm」とし
て表わされる。
3は時間に依存して、グラフに示した温度に正確に保持される。その際アイスフ
ロント17が成長し、図示した例ではこのアイスフロント17は下部試料画成部
から上部試料画成部へ延びる細胞状の構造を有している。この場合温度は、下部 試料画成部2の温度と上部試料画成部3の温度との差が一定に保持されるように
調整される。しかし細胞状の構造の損傷を避けるために特定の最大温度を越えて はならない場合には、冷却の初期時期に温度差はいくぶん小さく保持される。こ れにより、アイスフロントがほぼ一定の速度で試料により成長するので、試料全
体では非常に規則的な氷構造が生じ、その幾何学的形状は、特に下部および上部
試料画成部の間の温度勾配の選定と両画成部の温度を降下させる銅ブロックとに
より制御することができる。
ベルト23と24はそれぞれ2つの駆動ローラ25,26または27,28により
駆動される。これらのローラの間には、ホース22の上面および下面にそれぞれ 冷却要素29または30が配置されている。これらの冷却要素29,30は、試料
室21に作用する温度勾配を該冷却要素の長手方向に生じさせるように構成され
ている。このため冷却要素29,30は、段階的な温度降下を生じさせるようセグ
メント状に構成されていてよい。しかし有利なのはほぼ連続的な温度降下であり 、これを図3の装置図の上方にグラフで示した。このグラフには、温度と冷却要 素29,30の長手方向の距離とが対比されている。直線31は試料室21の下面
の温度変化を示し、直線32は試料室21の上面の温度変化を示している。この グラフが示すように、冷却率が一定であると、冷却要素29と30の間の対向し
ている個所での温度差が一定に保持される。
状の混合物がホース22内に充填される。ホース22は搬送ベルト23と24に より連続的な速度で冷却要素29と30の間を通過するため、冷却によりホース
22の内部には上側から下側へ向けてアイスフロントが成長し、アイスフロント
は冷却要素29と30の端部において試料全体にわたるように成長する。その結 果、次に、冷凍された試料を真空室(図示せず)で凍結乾燥させることができる。
た特有の、棒状または板状等の成形部品を装置により連続的なプロセスで生成す
ることができる。 装置20は側部にも画成部を有していてよい。このようにすると、試料をホー スなしで冷却要素間で案内することができる。さらに、試料を2つの別個のフォ イルの間で案内するようにしてもよい。
を調整することができる。液状またはペースト状の媒体44を管43のホッパー 状の上面45から充填すると、試料は両冷却要素41と42の間の空間内へ達す
るため、管43を貫流するときに冷却要素の間にアイスフロントが形成される。 冷凍された試料は装置40のホッパー状の下面46から装置を離れて、次に凍結
乾燥される。
ホース内で或いはフォイル間で案内してよい。 連続装置の場合も、温度誘導を簡単に且つ正確に制御するため、冷却要素29
または31および41または42と試料の間にフォイル形加熱要素を配置してよ
い。
的に図示したコラーゲン懸濁液を例にとって示したものである。図の下部領域は 冷たい側で、上部領域が暖かい側である。したがって硬化フロントの成長方向は 下から上へ向く方向である。
たようなプロセス温度誘導により、平坦なフロント成長が達成できる。この場合 の繊維の位置および分布は、図5に示したようにほとんど変化しない。図では、 すでに結晶化した領域をハッチングで示した。
はエタノールを添加すると、硬化温度を適正に選択すれば、図6に図示したよう
な指状の氷晶構造が得られる。同様に氷晶構造をハッチングで示した。この場合コ
ラーゲン繊維はその方向性が変化し、アイスフィンガーの間のチャネルで網状化
する。凍結乾燥すると、アイスは昇華により除去され、所望の多孔構造が残る。
定、および両試料画成部の冷却率の選定により、氷晶形態を調整でき、よって孔
径を調整できる。 図7は、9K/minの冷却率と50K/cmの温度勾配で凍結させた、1.8 重量パーセントのコラーゲンを含む懸濁液の例において、孔径にたいする添加物
質(酢酸)の影響を示したものである。この場合孔径としては非円形の孔の最小 径が記載されている。横軸は添加物質の濃度を重量%で示し、縦軸には孔径がμ mで記載されている。
した図である。
Claims (19)
- 【請求項1】物質の液状またはペースト状混合物を少なくとも部分的に硬化
させ、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造の製造方法において、 温度調整可能で、互いに間隔を持って配置される、温度の異なる2つの面の間
で混合物を冷却し、有利には、硬化過程中に規則構造が生じるように冷却するこ
とを特徴とする製造方法。 - 【請求項2】互いに対向しあっている面領域の温度差を冷却中に実質的に一
定に保持することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。 - 【請求項3】一方の面領域の温度を、他方の面領域が冷却されて所望の勾配
が形成されるまで、一定に保持することを特徴とする、請求項1に記載の製造方
法。 - 【請求項4】前記面が互いに平行に配置されていることを特徴とする、請求
項1から3までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項5】前記面が互いに同心に配置されていることを特徴とする、請求
項1から3までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項6】混合物を、前記面の間の第1の側で導入し、前記面の間の第2
の側から放出し、その際互いに対向しあっいる面領域の温度が第1の側から第2
の側へ降下していることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか一つに記
載の製造方法。 - 【請求項7】混合物を熱伝導性搬送ベルトまたはホースにより誘導し、或い
は案内することを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一つに記載の製造
方法。 - 【請求項8】少なくとも部分的に硬化した生産物を、一方の面を離間させ且
つ他方の面を温度調整することにより凍結乾燥させることを特徴とする、請求項
1から7までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項9】液状またはペースト状混合物として水性の溶液または懸濁液を
使用することを特徴とする、請求項1から8までのいずれか一つに記載の製造方
法。 - 【請求項10】液状またはペースト混合物に作用物質または添加物質を添加
することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項11】液状またはペースト状混合物に生体活性剤、生細胞、および
(または)凍結防止剤を添加することを特徴とする、請求項1から10までのい
ずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項12】凍結乾燥させた構造物に作用物質または生体活性剤の添加物
または生細胞を添加することを特徴とする、請求項1から11までのいずれか一
つに記載の製造方法。 - 【請求項13】物質の液状またはペースト状混合物を少なくとも部分的に硬
化させ、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造の製造方法において、 混合物を予め過圧で冷却し、次に急激に除荷することを特徴とする製造方法。 - 【請求項14】過圧が1と250MPaの間の範囲であることを特徴とする
、請求項13に記載の製造方法。 - 【請求項15】付加的にガスを混合物に溶解させることを特徴とする、請求
項1から14までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項16】混合物を冷却終了後再結晶温度へ再加熱し、凍結乾燥させる
前に特定の時間保持することを特徴とする、請求項1から15までのいずれか一
つに記載の製造方法。 - 【請求項17】所望の幾何学的形状と方向性を持った異物を液状またはペー
スト状混合物に挿入し、凍結乾燥後に異物を除去することを特徴とする、請求項
1から16までのいずれか一つに記載の製造方法。 - 【請求項18】請求項1から17までのいずれか一つに記載の製造方法を、
医療品、薬品、または環境バイオテクノロジーの製品の製造に使用することを特
徴とする使用方法。 - 【請求項19】請求項1から17までのいずれか一つに記載の製造方法を、
美容目的または医療目的のスポンジの製造に使用することを特徴とする使用方法
。
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