JP2005264421A - Organic and inorganic composite nanofiber, organic and inorganic composite structure and methods for producing the same - Google Patents

Organic and inorganic composite nanofiber, organic and inorganic composite structure and methods for producing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide organic and inorganic composite nanofiber that can fix and concentrate a variety of substances in its structure and can highly be grouped, organic and inorganic composite structure comprising the organic and inorganic composite fiber and methods for simply producing the same. <P>SOLUTION: The organic and inorganic nanofiber comprises crystalline polymer filament of a polymer having straight-chain polyethyleneimine skeleton and silica covering the crystalline polymer filament. The process for producing the organic and inorganic nanofiber comprises a step where the organic and inorganic composite nanofiber are dissolved in the solvent and the solution is precipitated in the presence of water to obtain the crystalline polymer filament having the straight chain polyethyleneimine skeleton, and a step where the crystalline polymer filament is allowed to come into contact with an alkoxy silane in the presence of water thereby the polymer filament is covered with silica. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントと、前記結晶性ポリマーフィラメントを被覆するシリカとからなる有機無機複合ナノファイバ、該有機無機複合ナノファイバからなる構造体、およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an organic-inorganic composite nanofiber comprising a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and silica covering the crystalline polymer filament, a structure comprising the organic-inorganic composite nanofiber, and It relates to the manufacturing method.

ナノサイズの構造を持った材料は、バルク状態とは異なる特性が現れることが知られており、なかでも、ナノメートルの太さと、その太さの数十倍以上の長さとを有するナノファイバは、その高いアスペクト比によりファイバ形状特有のサイズ効果を発現するため、先端材料の一つとして注目されている。シリカナノファイバは、ナノファイバ特有の高いアスペクト比や大きな表面積を有すると共に、無機材料固有の半導体特性、導電性、表面物性、機械的強度などの諸物性を有することから、電子材料分野やバイオ・ライフサイエンス分野をはじめとする各種の先端材料分野において、その応用展開が有望視されている。また、一本のナノファイバ(一次元)を、そのナノファイバの特性を保持したまま、布状(二次元)やバルク状(三次元)に集合化して構造体とすることにより、飛躍的にシリカナノファイバの用途が拡大すると期待されている。   Nano-sized materials are known to exhibit different properties from the bulk state, and nanofibers with nanometer thickness and tens of times longer than that thickness Because of its high aspect ratio, it is attracting attention as one of the advanced materials because it exhibits a size effect peculiar to fiber shape. Silica nanofibers have a high aspect ratio and a large surface area that are unique to nanofibers, as well as various physical properties such as semiconductor properties, conductivity, surface properties, and mechanical strength that are unique to inorganic materials. The application development is promising in various advanced material fields including the science field. In addition, a single nanofiber (one-dimensional) is aggregated into a cloth-like (two-dimensional) or bulk-like (three-dimensional) structure while maintaining the properties of the nanofiber. The use of silica nanofibers is expected to expand.

特に、シリカナノファイバを有機材料と組み合わせたものは、広範な応用可能性を有しており、微生物を固定化できる材料と複合化すれば反応性や処理効率の高いバイオフィルタとしての応用が可能であるし、センサ分子を固定化できる材料と複合化すればバイオセンサとしての応用も期待される。また、有害物質を吸着できる材料であれば、シリカナノファイバ自体が有する多孔性や分子選択制とあわせて、効率の良いフィルタとしての応用が見込まれる。   In particular, silica nanofibers combined with organic materials have a wide range of applicability. When combined with materials that can immobilize microorganisms, they can be applied as biofilters with high reactivity and processing efficiency. If it is combined with a material that can immobilize sensor molecules, it can be expected to be applied as a biosensor. Moreover, if it is a material which can adsorb | suck a harmful substance, the application as an efficient filter is anticipated with the porosity and molecular selection system which silica nanofiber itself has.

このように特有の機能を有する有機材料を無機のナノファイバと複合化することにより、従来に無い新規な材料が得られると期待されているが、こうした試みは未だ研究段階にあるものが多い。有機材料と無機材料とが複合化されたナノファイバとしては、例えば、らせん状繊維構造を有する糖鎖やコレステロール誘導体などの低分子有機化合物とシリカとが複合化された有機無機ナノファイバが開示されている(特許文献1、2参照)。しかし、これら低分子有機化合物は、単にシリカナノファイバを作成するための鋳型として使用されているものであり、ナノファイバに特異な機能を発現させるものではなかった。   It is expected that a novel material that has never existed before can be obtained by combining an organic material having a specific function with an inorganic nanofiber. However, many of these attempts are still in the research stage. As the nanofiber in which an organic material and an inorganic material are combined, for example, an organic-inorganic nanofiber in which a low molecular weight organic compound such as a sugar chain having a helical fiber structure or a cholesterol derivative is combined with silica is disclosed. (See Patent Documents 1 and 2). However, these low-molecular-weight organic compounds are merely used as templates for producing silica nanofibers, and do not exhibit functions specific to nanofibers.

また、ナノメートルのサイズの複合材料として、非晶質の金属酸化物球状微粒子中に、分子中に複数個のアミノ基を有する有機化合物を均質に取り込んでなる金属酸化物系複合体微粒子が開示されている(特許文献3参照)。しかし、該複合体微粒子はアスペクト比が、ほぼ1:1の粒子形状であるため、該複合体微粒子のみで集合化、集積化することができないことは明らかであり、ナノ構造材料特有の性質を保持した構造体を形成することは困難であった。   Also disclosed is a metal oxide composite fine particle in which an organic compound having a plurality of amino groups in a molecule is homogeneously incorporated into an amorphous metal oxide spherical fine particle as a nanometer-sized composite material. (See Patent Document 3). However, since the composite fine particles have a particle shape with an aspect ratio of approximately 1: 1, it is clear that the composite fine particles cannot be aggregated and integrated only with the composite fine particles. It was difficult to form a retained structure.

一方、有機材料と無機材料とが複合化されたナノファイバの製造方法としては、上記した低分子有機材料を鋳型とし、該鋳型に沿ってシリカナノファイバを形成させる方法が開示されている。(特許文献1、2参照)。しかし、このような有機材料を使用した場合には工程が煩雑になるため、複合体の製造に長い時間が必要であった。このため、工業的な生産性を考えた場合、より短時間で容易に製造する方法が望まれていた。また、シリカナノファイバなどのナノ構造材料を、上記したようなフィルタ状などの構造体に制御する技術についても各種検討がなされているが、シリカのような無機材料を含むナノファイバの構造体を製造することは困難であった。   On the other hand, as a method for producing a nanofiber in which an organic material and an inorganic material are combined, a method is disclosed in which a silica nanofiber is formed along the template using the above-described low molecular organic material as a template. (See Patent Documents 1 and 2). However, when such an organic material is used, the process becomes complicated, and thus it takes a long time to manufacture the composite. For this reason, when industrial productivity was considered, the method of manufacturing easily in a shorter time was desired. In addition, various studies have been made on technologies for controlling nanostructured materials such as silica nanofibers into filter-like structures such as those described above, but they produce nanofiber structures containing inorganic materials such as silica. It was difficult to do.

特開2000−203826号公報JP 2000-203826 A 特開2001−253705号公報JP 2001-253705 A 特開平2−263707号公報JP-A-2-263707

本発明が解決しようとする課題は、構造中に各種物質の固定化や濃縮が可能であり、且つ高度に集合化が可能な有機無機複合ナノファイバ、該有機無機複合ナノファイバからなる有機無機複合構造体、およびこれらの簡便な製造方法を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is an organic-inorganic composite nanofiber that can fix and concentrate various substances in the structure and can be highly assembled, and an organic-inorganic composite comprising the organic-inorganic composite nanofiber The object is to provide a structure and a simple manufacturing method thereof.

シリカのナノファイバを作成するにあたっては、(i)ナノファイバ形状を誘導する鋳型、(ii)シリカを固定する足場、(iii)シリカソースを重合させる触媒が不可欠であると考えられる。   In preparing silica nanofibers, it is considered that (i) a template for inducing the nanofiber shape, (ii) a scaffold for fixing silica, and (iii) a catalyst for polymerizing the silica source are indispensable.

本発明においては、上記三つの要素を満たす有機材料として、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを使用することを特徴とする。直鎖状ポリエチレンイミンは水中可溶であるが、室温では水分子の存在により水不溶性の結晶体を形成できる。このような直鎖状ポリエチレンイミンを骨格に有するポリマーは、ポリマー相互の直鎖状ポリエチレンイミン骨格部分が結晶を形成することにより、結晶の性質を有するナノメートルの太さの結晶性ポリマーフィラメントを形成できる。この結晶性ポリマーフィラメントがテンプレートの働きをする。また、該結晶性ポリマーフィラメント表面には不可避的に結晶に関わりがないフリーなポリエチレンイミンの鎖が多数存在し、これらフリーな鎖は結晶性ポリマーフィラメント表面に垂れている状態である。これらの鎖は、その近傍で重合したシリカを固定する足場であり、同時にシリカソースを重合させる触媒の働きをする。   In the present invention, a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is used as the organic material satisfying the above three elements. Although linear polyethyleneimine is soluble in water, water-insoluble crystals can be formed at room temperature due to the presence of water molecules. Such a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton forms a crystalline polymer filament of nanometer thickness having crystal properties by forming a crystal between the linear polyethyleneimine skeleton portions of the polymers. it can. This crystalline polymer filament serves as a template. In addition, there are inevitably many free polyethyleneimine chains that are irrelevant to the crystal on the surface of the crystalline polymer filament, and these free chains are in a state of hanging on the surface of the crystalline polymer filament. These chains are scaffolds for fixing the polymerized silica in the vicinity thereof, and simultaneously serve as a catalyst for polymerizing the silica source.

直鎖状ポリエチレンイミン骨格中のエチレンイミン単位は、金属イオンをはじめとする各種イオン性物質を吸着させることができ、さらに該直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは、他のポリマーとのブロックやグラフト化が容易であることから、当該他のポリマー部分に由来する各種機能を付与することが可能である。本発明においては、このような直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを鋳型として使用し、化学的に安定なシリカで該結晶性ポリマーフィラメントを被覆することにより、従来の材料には無い優れた機能を有する有機無機ナノファイバを実現した。   The ethyleneimine unit in the linear polyethyleneimine skeleton can adsorb various ionic substances including metal ions, and the polymer having the linear polyethyleneimine skeleton can be blocked with other polymers. Since grafting is easy, various functions derived from the other polymer portion can be imparted. In the present invention, a crystalline polymer filament of a polymer having such a linear polyethyleneimine skeleton is used as a template, and the crystalline polymer filament is coated with chemically stable silica, whereby a conventional material is obtained. We realized organic / inorganic nanofibers with excellent functions.

また、本願発明においては、上記結晶性ポリマーフィラメントが、水の存在下で形状を容易に制御できるヒドロゲルを与えることを見出し、該ヒドロゲルを任意の形状に成形した後、ゾルゲル反応を行うことで、上記有機無機ナノファイバからなる有機無機複合構造体を実現した。   Further, in the present invention, the crystalline polymer filament is found to give a hydrogel whose shape can be easily controlled in the presence of water, and after forming the hydrogel into an arbitrary shape, a sol-gel reaction is performed. An organic-inorganic composite structure composed of the organic-inorganic nanofibers was realized.

さらに、上記結晶性ポリマーフィラメントは、溶媒中に溶解させた後に水の存在下で析出させることで容易に形成でき、また、該結晶性ポリマーフィラメントを鋳型とするシリカソースのゾルゲル反応も容易であることを見出し、有機無機複合ナノファイバの簡便な製造方法を実現した。   Furthermore, the crystalline polymer filament can be easily formed by dissolving it in a solvent and then precipitating it in the presence of water, and the sol-gel reaction of silica source using the crystalline polymer filament as a template is also easy. As a result, a simple method for producing an organic-inorganic composite nanofiber was realized.

すなわち本発明は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントと、前記結晶性ポリマーフィラメントを被覆するシリカとからなる有機無機複合ナノファイバ、及び該有機無機複合ナノファイバからなる有機無機複合構造体を提供するものである。   That is, the present invention relates to an organic-inorganic composite nanofiber comprising a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and silica covering the crystalline polymer filament, and an organic-inorganic composite comprising the organic-inorganic composite nanofiber. A composite structure is provided.

さらに本発明は、(1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶媒に溶解させた後に水の存在下で析出させ、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを得る工程、及び(2)前記結晶性ポリマーフィラメントとアルコキシシランとを接触させることにより、前記結晶性ポリマーフィラメントをシリカで被覆する工程、からなる有機無機ナノファイバの製造方法を提供するものである。   Furthermore, the present invention includes (1) a step of dissolving a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in a solvent and then precipitating it in the presence of water to obtain a crystalline polymer filament of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, And (2) providing a method for producing an organic-inorganic nanofiber comprising the step of coating the crystalline polymer filament with silica by bringing the crystalline polymer filament into contact with alkoxysilane.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、そのファイバの中心軸に、金属イオンを好適に濃縮可能な直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを包含することから、金属除去フィルタとして有用に使用できる。また、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー中のポリエチレンイミン骨格は容易にカチオン化できるため、各種イオン性物質の吸着や固定化が可能である。さらに直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは、他のポリマーとのブロックやグラフト化が容易であることから、当該他のポリマー部分に由来する各種機能を付与することができる。このように本発明の有機無機複合ナノファイバは、シリカが有する大きな表面積や優れた分子選択性に加え、上記各種機能を容易に付与可能であることから、電子材料分野やバイオ分野、さらには環境対応製品分野などの各種分野において有用である。   Since the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention includes a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton capable of suitably concentrating metal ions in the central axis of the fiber, it can be usefully used as a metal removal filter. Moreover, since the polyethyleneimine skeleton in the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton can be easily cationized, it is possible to adsorb and immobilize various ionic substances. Furthermore, since a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton can be easily blocked or grafted with another polymer, it can impart various functions derived from the other polymer portion. As described above, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can easily impart the above-mentioned various functions in addition to the large surface area and excellent molecular selectivity of silica. It is useful in various fields such as corresponding product fields.

また、本発明の有機無機複合構造体は、その前駆体である結晶性ポリマーフィラメントが分散した分散液、又は、結晶性ポリマーフィラメントからなるヒドロゲルを任意の形状にした後、シリカソースを加えてゾルゲル反応させることにより、その外形を容易に制御できる。この時、有機無機複合構造体中には、マイクロ〜ミリメートルの大きさの二次構造が存在し、さらに該二次構造中にはナノメートルの太さの有機無機複合ナノファイバが存在する。従って、本発明によれば、複合体の構造をナノメートルの太さの有機無機複合ナノファイバから、マイクロメートル及びミリメートル以上の大きさの有機無機複合構造体まで構造制御できる。   In addition, the organic-inorganic composite structure of the present invention is a sol-gel prepared by adding a silica source to a dispersion liquid in which crystalline polymer filaments, which are precursors, or a hydrogel composed of crystalline polymer filaments are formed into an arbitrary shape. By reacting, the outer shape can be easily controlled. At this time, a secondary structure having a size of micro to millimeter is present in the organic-inorganic composite structure, and further, an organic-inorganic composite nanofiber having a nanometer thickness is present in the secondary structure. Therefore, according to the present invention, the structure of the composite can be controlled from an organic-inorganic composite nanofiber having a nanometer thickness to an organic-inorganic composite structure having a size of micrometer and millimeter or more.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、ナノメートルの太さの結晶性ポリマーフィラメントの表面上だけで進行するシリカソースのゾルゲル反応により、一定の厚さのシリカが該結晶性ポリマーフィラメントを被覆することで容易に製造できる。該製造方法によれば、従来の方法に比べて短時間の反応時間で有機無機複合ナノファイバを得ることができる。   In the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention, a certain thickness of silica covers the crystalline polymer filament by a sol-gel reaction of a silica source that proceeds only on the surface of the nanometer-thick crystalline polymer filament. Can be easily manufactured. According to this manufacturing method, an organic-inorganic composite nanofiber can be obtained in a shorter reaction time than the conventional method.

更に、本発明の有機無機複合ナノファイバ中の結晶性ポリマーフィラメントは焼結により簡単に除去できるので、管状の空間が含まれるシリカナノチューブの製造にも応用できる。   Furthermore, since the crystalline polymer filament in the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can be easily removed by sintering, it can be applied to the production of silica nanotubes containing a tubular space.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントと、該結晶性ポリマーフィラメントを被覆するシリカ(酸化ケイ素)とからなるものである。   The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention comprises a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and silica (silicon oxide) covering the crystalline polymer filament.

[直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー]
本発明でいう直鎖状ポリエチレンイミン骨格とは、二級アミンのエチレンイミン単位を主たる構造単位とする直鎖状のポリマー骨格をいう。該骨格中においては、エチレンイミン単位以外の構造単位が存在していてもよいが結晶性ポリマーフィラメントを形成させるためには、ポリマー鎖の一定鎖長が連続的なエチレンイミン単位からなることが好ましい。該直鎖状ポリエチレンイミン骨格の長さは、該骨格を有するポリマーが結晶性ポリマーフィラメントを形成できる範囲であれば特に制限されないが、好適に結晶性ポリマーフィラメントを形成するためには、該骨格部分のエチレンイミン単位の繰り返し単位数が10以上であることが好ましく、20〜10000の範囲であることが特に好ましい。
[Polymer having linear polyethyleneimine skeleton]
The linear polyethyleneimine skeleton in the present invention refers to a linear polymer skeleton having an ethyleneimine unit of a secondary amine as a main structural unit. In the skeleton, structural units other than the ethyleneimine unit may exist, but in order to form a crystalline polymer filament, it is preferable that the constant chain length of the polymer chain consists of continuous ethyleneimine units. . The length of the linear polyethyleneimine skeleton is not particularly limited as long as the polymer having the skeleton can form a crystalline polymer filament, but in order to form a crystalline polymer filament suitably, the skeleton portion The number of repeating units of the ethyleneimine unit is preferably 10 or more, and particularly preferably in the range of 20 to 10,000.

本発明において使用するポリマーは、その構造中に上記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するものであればよく、その形状が線状、星状または櫛状であっても、水の存在下で結晶性ポリマーフィラメントを与えることができるものであればよい。   The polymer used in the present invention is not particularly limited as long as it has the linear polyethyleneimine skeleton in its structure. Even if the shape is linear, star-shaped or comb-like, it is crystalline in the presence of water. Any material capable of providing a polymer filament may be used.

また、これら線状、星状または櫛状のポリマーは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格のみからなるものであっても、直鎖状ポリエチレンイミン骨格からなるブロック(以下、ポリエチレンイミンブロックと略記する。)と他のポリマーブロックとのブロックコポリマーからなるものであってもよい。他のポリマーブロックとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリプロピオニルエチレンイミン、ポリアクリルアミドなどの水溶性のポリマーブロック、あるいは、ポリスチレン、ポリオキサゾリン類のポリフェニルオキサゾリン、ポリオクチルオキサゾリン、ポリドデシルオキサゾリン、ポリアクリレート類のポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレートなどの疎水性のポリマーブロックを使用できる。これら他のポリマーブロックとのブロックコポリマーとすることで、結晶性ポリマーフィラメントの形状や特性を調整することができる。   Further, these linear, star-shaped or comb-shaped polymers may be composed of only a linear polyethyleneimine skeleton or a block composed of a linear polyethyleneimine skeleton (hereinafter abbreviated as a polyethyleneimine block). And a block copolymer of the other polymer block. Other polymer blocks include, for example, water-soluble polymer blocks such as polyethylene glycol, polypropionylethyleneimine, polyacrylamide, or polystyrene, polyoxazoline polyphenyloxazoline, polyoctyloxazoline, polydodecyloxazoline, polyacrylates Hydrophobic polymer blocks such as polymethyl methacrylate and polybutyl methacrylate can be used. By using a block copolymer with these other polymer blocks, the shape and characteristics of the crystalline polymer filament can be adjusted.

直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが、他のポリマーブロック等を有する場合の該ポリマー中における直鎖状ポリエチレンイミン骨格の割合は結晶性ポリマーフィラメントを形成できる範囲であれば特に制限されないが、好適に結晶性ポリマーフィラメントを形成するためには、ポリマー中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格の割合が25モル%以上であることが好ましく、40モル%以上であることがより好ましく、50モル%以上であることがさらに好ましい。   When the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton has other polymer blocks or the like, the proportion of the linear polyethyleneimine skeleton in the polymer is not particularly limited as long as it can form a crystalline polymer filament. In order to form a crystalline polymer filament, the proportion of the linear polyethyleneimine skeleton in the polymer is preferably 25 mol% or more, more preferably 40 mol% or more, and more preferably 50 mol% or more. More preferably it is.

上記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは、その前駆体となるポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を有するポリマー(以下、前駆体ポリマーと略記する。)を、酸性条件下またはアルカリ条件下で加水分解することで容易に得ることができる。従って、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの線状、星状、または櫛状などの形状は、この前駆体ポリマーの形状を制御することで容易に設計することができる。また、重合度や末端構造も、前駆体ポリマーの重合度や末端機能団を制御することで容易に調整できる。さらに、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するブロックコポリマーを形成する場合には、前駆体ポリマーをブロックコポリマーとし、該前駆体中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を選択的に加水分解することで得ることができる。   The polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is a polymer having a linear skeleton composed of polyoxazolines serving as a precursor thereof (hereinafter abbreviated as a precursor polymer) under acidic conditions or alkaline conditions. It can be easily obtained by hydrolysis. Therefore, the shape of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton such as a linear shape, a star shape, or a comb shape can be easily designed by controlling the shape of the precursor polymer. Further, the degree of polymerization and the terminal structure can be easily adjusted by controlling the degree of polymerization and the terminal functional group of the precursor polymer. Furthermore, when forming a block copolymer having a linear polyethyleneimine skeleton, the precursor polymer is used as a block copolymer, and the linear skeleton composed of polyoxazolines in the precursor is selectively hydrolyzed. Can be obtained at

前駆体ポリマーは、オキサゾリン類のモノマーを使用して、カチオン型の重合法、あるいは、マクロモノマー法などの合成方法により合成が可能であり、合成方法や開始剤を適宜選択することにより、線状、星状、あるいは櫛状などの各種形状の前駆体ポリマーを合成できる。   The precursor polymer can be synthesized by a cationic polymerization method or a synthesis method such as a macromonomer method using an oxazoline monomer. By selecting an appropriate synthesis method and initiator, a linear polymer can be obtained. It is possible to synthesize precursor polymers having various shapes such as a star shape or a comb shape.

ポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格を形成するモノマーとしては、メチルオキサゾリン、エチルオキサゾリン、メチルビニルオキサゾリン、フェニルオキサゾリンなどのオキサゾリンモノマーを使用できる。   Oxazoline monomers such as methyl oxazoline, ethyl oxazoline, methyl vinyl oxazoline, and phenyl oxazoline can be used as the monomer that forms a linear skeleton composed of polyoxazolines.

重合開始剤としては、分子中に塩化アルキル基、臭化アルキル基、ヨウ化アルキル基、トルエンスルホニルオキシ基、あるいはトリフルオロメチルスルホニルオキシ基などの官能基を有する化合物を使用できる。これら重合開始剤は、多くのアルコール類化合物の水酸基を他の官能基に変換させることで得られる。なかでも、官能基変換として、臭素化、ヨウ素化、トルエンスルホン酸化、およびトリフルオロメチルスルホン酸化されたものは重合開始効率が高いため好ましく、特に臭化アルキル、トルエンスルホン酸アルキルが好ましい。   As the polymerization initiator, a compound having a functional group such as an alkyl chloride group, an alkyl bromide group, an alkyl iodide group, a toluenesulfonyloxy group, or a trifluoromethylsulfonyloxy group in the molecule can be used. These polymerization initiators can be obtained by converting the hydroxyl groups of many alcohol compounds into other functional groups. Of these, brominated, iodinated, toluene sulfonated and trifluoromethyl sulfonated functional groups are preferred because of high polymerization initiation efficiency, and alkyl bromide and toluene sulfonate alkyl are particularly preferred.

また、ポリ(エチレングリコール)の末端水酸基を臭素あるいはヨウ素に変換したもの、またはトルエンスルホニル基に変換したものを重合開始剤として使用することもできる。その場合、ポリ(エチレングリコール)の重合度は5〜100の範囲であることが好ましく、10〜50の範囲であれば特に好ましい。   Moreover, what converted the terminal hydroxyl group of poly (ethylene glycol) into bromine or iodine, or converted into a toluenesulfonyl group can also be used as a polymerization initiator. In that case, the degree of polymerization of poly (ethylene glycol) is preferably in the range of 5 to 100, particularly preferably in the range of 10 to 50.

また、カチオン開環リビング重合開始能を有する官能基を有し、かつ光による発光機能、エネルギー移動機能、電子移動機能を有するポルフィリン骨格、フタロシアニン骨格、またはピレン骨格のいずれかの骨格を有する色素類は、得られるポリマーに特殊な機能を付与することができる。   Also, dyes having a functional group having the ability to initiate cationic ring-opening living polymerization and having a skeleton of any of a porphyrin skeleton, a phthalocyanine skeleton, or a pyrene skeleton having a light emission function, an energy transfer function, and an electron transfer function by light Can impart a special function to the resulting polymer.

線状の前駆体ポリマーは、上記オキサゾリンモノマーを1価または2価の官能基を有する重合開始剤により重合することで得られる。このような重合開始剤としては、例えば、塩化メチルベンゼン、臭化メチルベンゼン、ヨウ化メチルベンゼン、トルエンスルホン酸メチルベンゼン、トリフルオロメチルスルホン酸メチルベンゼン、臭化メタン、ヨウ化メタン、トルエンスルホン酸メタンまたはトルエンスルホン酸無水物、トリフルオロメチルスルホン酸無水物、5−(4−ブロモメチルフェニル)−10,15,20−トリ(フェニル)ポルフィリン、またはブロモメチルピレンなどの1価のもの、ジブロモメチルベンゼン、ジヨウ化メチルベンゼン、ジブロモメチルビフェニレン、またはジブロモメチルアゾベンゼンなどの2価のものが挙げられる。また、ポリ(メチルオキサゾリン)、ポリ(エチルオキサゾリン)、または、ポリ(メチルビニルオキサゾリン)などの工業的に使用されている線状のポリオキサゾリンを、そのまま前駆体ポリマーとして使用することもできる。   The linear precursor polymer is obtained by polymerizing the oxazoline monomer with a polymerization initiator having a monovalent or divalent functional group. Examples of such a polymerization initiator include methyl benzene, methyl benzene bromide, methyl benzene iodide, methyl benzene toluene sulfonate, methyl benzene trifluoromethyl sulfonate, methane bromide, methane iodide, toluene sulfonic acid. Monovalent ones such as methane or toluenesulfonic anhydride, trifluoromethylsulfonic anhydride, 5- (4-bromomethylphenyl) -10,15,20-tri (phenyl) porphyrin, or bromomethylpyrene, dibromo Divalent ones such as methylbenzene, diiodomethylbenzene, dibromomethylbiphenylene, or dibromomethylazobenzene can be mentioned. In addition, linear polyoxazolines that are industrially used such as poly (methyloxazoline), poly (ethyloxazoline), or poly (methylvinyloxazoline) can be used as a precursor polymer as they are.

星状の前駆体ポリマーは、上記したようなオキサゾリンモノマーを3価以上の官能基を有する重合開始剤により重合することで得られる。3価以上の重合開始剤としては、例えば、トリブロモメチルベンゼン、などの3価のもの、テトラブロモメチルベンゼン、テトラ(4−クロロメチルフェニル)ポルフィリン、テトラブロモエトキシフタロシアニンなどの4価のもの、ヘキサブロモメチルベンゼン、テトラ(3,5−ジトシリルエチルオキシフェニル)ポルフィリンなどの5価以上のものが挙げられる。   The star-shaped precursor polymer is obtained by polymerizing the oxazoline monomer as described above with a polymerization initiator having a trivalent or higher functional group. Examples of the trivalent or higher polymerization initiator include trivalent compounds such as tribromomethylbenzene, tetravalent compounds such as tetrabromomethylbenzene, tetra (4-chloromethylphenyl) porphyrin, and tetrabromoethoxyphthalocyanine. A pentavalent or higher valent compound such as hexabromomethylbenzene and tetra (3,5-ditosilylethyloxyphenyl) porphyrin can be used.

櫛状の前駆体ポリマーを得るためには、多価の重合開始基を有する線状のポリマーを用いて、該重合開始基からオキサゾリンモノマーを重合させることができるが、例えば、通常のエポキシ樹脂やポリビニルアルコールなどの側鎖に水酸基を有するポリマーの水酸基を、臭素やヨウ素等でハロゲン化するか、あるいはトルエンスルホニル基に変換させた後、該変換部分を重合開始基として用いることでも得ることができる。   In order to obtain a comb-like precursor polymer, an oxazoline monomer can be polymerized from the polymerization initiating group using a linear polymer having a polyvalent polymerization initiating group. It can also be obtained by halogenating a hydroxyl group of a polymer having a hydroxyl group in a side chain such as polyvinyl alcohol with bromine or iodine, or converting it to a toluenesulfonyl group and then using the converted moiety as a polymerization initiating group. .

また、櫛状の前駆体ポリマーを得る方法として、ポリアミン型重合停止剤を用いることもできる。例えば、一価の重合開始剤を用い、オキサゾリンを重合させ、そのポリオキサゾリンの末端をポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリプロピルアミンなどのポリアミンのアミノ基に結合させることで、櫛状のポリオキサゾリンを得ることができる。   As a method for obtaining a comb-like precursor polymer, a polyamine type polymerization terminator can also be used. For example, a monovalent polymerization initiator is used to polymerize oxazoline, and the end of the polyoxazoline is bonded to the amino group of a polyamine such as polyethyleneimine, polyvinylamine, or polypropylamine to obtain a comb-shaped polyoxazoline. Can do.

上記により得られる前駆体ポリマーのポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格の加水分解は、酸性条件下またはアルカリ条件下のいずれの条件下でもよい。   Hydrolysis of the linear skeleton composed of the polyoxazolines of the precursor polymer obtained as described above may be carried out under either acidic conditions or alkaline conditions.

酸性条件下での加水分解は、例えば、塩酸水溶液中でポリオキサゾリンを加熱下で攪拌することにより、ポリエチレンイミンの塩酸塩を得ることができる。得られた塩酸塩を過剰のアンモニウム水で処理することで、塩基性のポリエチレンイミンの結晶粉末を得ることができる。用いる塩酸水溶液は、濃塩酸でも、1mol/L程度の水溶液でもよいが、加水分解を効率的に行うには、5mol/Lの塩酸水溶液を用いることが望ましい。また、反応温度は80℃前後が望ましい。   Hydrolysis under acidic conditions can obtain polyethyleneimine hydrochloride, for example, by stirring polyoxazoline under heating in an aqueous hydrochloric acid solution. By treating the obtained hydrochloride with excess ammonium water, a basic polyethyleneimine crystal powder can be obtained. The hydrochloric acid aqueous solution used may be concentrated hydrochloric acid or an aqueous solution of about 1 mol / L, but it is desirable to use a 5 mol / L aqueous hydrochloric acid solution for efficient hydrolysis. The reaction temperature is preferably around 80 ° C.

アルカリ条件下での加水分解は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液を用いることで、ポリオキサゾリンをポリエチレンイミンに変換させることができる。アルカリ条件下で反応させた後、反応液を透析膜にて洗浄することで、過剰な水酸化ナトリウムを除去し、ポリエチレンイミンの結晶粉末を得ることができる。用いる水酸化ナトリウムの濃度は1〜10mol/Lの範囲であればよく、より効率的な反応を行うには3〜5mol/Lの範囲であることが好ましい。また、反応温度は80℃前後が好ましい。   For hydrolysis under alkaline conditions, for example, polyoxazoline can be converted to polyethyleneimine by using an aqueous sodium hydroxide solution. After reacting under alkaline conditions, the reaction solution is washed with a dialysis membrane to remove excess sodium hydroxide and to obtain polyethyleneimine crystal powder. The concentration of sodium hydroxide to be used may be in the range of 1 to 10 mol / L, and is preferably in the range of 3 to 5 mol / L in order to perform a more efficient reaction. The reaction temperature is preferably around 80 ° C.

酸性条件下またはアルカリ条件下での加水分解における、酸またはアルカリの使用量は、ポリマー中のオキサゾリン単位に対し、1〜10当量でよく、反応効率の向上と後処理の簡便化のためには、3当量程度とすることが好ましい。   In the hydrolysis under acidic conditions or alkaline conditions, the amount of acid or alkali used may be 1 to 10 equivalents relative to the oxazoline unit in the polymer. In order to improve reaction efficiency and simplify post-treatment. About 3 equivalents are preferred.

上記加水分解により、前駆体ポリマー中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状の骨格が、直鎖状ポリエチレンイミン骨格となり、該ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが得られる。   By the hydrolysis, a linear skeleton composed of polyoxazolines in the precursor polymer becomes a linear polyethyleneimine skeleton, and a polymer having the polyethyleneimine skeleton is obtained.

また、直鎖状ポリエチレンイミンブロックと他のポリマーブロックとのブロックコポリマーを形成する場合には、前駆体ポリマーをポリオキサゾリン類からなる直鎖状のポリマーブロックと、他のポリマーブロックとからなるブロックコポリマーとし、該前駆体ポリマー中のポリオキサゾリン類からなる直鎖状のブロックを選択的に加水分解することで得ることができる。   In the case of forming a block copolymer of a linear polyethyleneimine block and another polymer block, the precursor polymer is a block copolymer composed of a linear polymer block composed of polyoxazolines and another polymer block. And a linear block composed of polyoxazolines in the precursor polymer can be selectively hydrolyzed.

他のポリマーブロックが、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)などの水溶性ポリマーブロックである場合には、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)が、ポリ(N−ホルミルエチレンイミン)やポリ(N−アセチルエチレンイミン)に比べて、有機溶剤への溶解性が高いことを利用してブロックコポリマーを形成することができる。即ち、2−オキサゾリンまたは2−メチル−2−オキサゾリンを、前記した重合開始化合物の存在下でカチオン開環リビング重合した後、得られたリビングポリマーに、さらに2−エチル−2−オキサゾリンを重合させることによって、ポリ(N−ホルミルエチレンイミン)ブロックまたはポリ(N−アセチルエチレンイミン)ブロックと、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックとからなる前駆体ポリマーを得る。該前駆体ポリマーを水に溶解させ、該水溶液にポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックを溶解する水とは非相溶の有機溶剤を混合して攪拌することによりエマルジョンを形成する。該エマルジョンの水相に、酸またはアルカリを添加することによりポリ(N−ホルミルエチレンイミン)ブロックまたはポリ(N−アセチルエチレンイミン)ブロックを優先的に加水分解させることにより、直鎖状ポリエチレンイミンブロックと、ポリ(N−プロピオニルエチレンイミン)ブロックとを有するブロックコポリマーを形成できる。   When the other polymer block is a water-soluble polymer block such as poly (N-propionylethyleneimine), poly (N-propionylethyleneimine) is converted to poly (N-formylethyleneimine) or poly (N-acetyl). A block copolymer can be formed by taking advantage of its high solubility in organic solvents compared to (ethyleneimine). That is, 2-oxazoline or 2-methyl-2-oxazoline is subjected to cationic ring-opening living polymerization in the presence of the above-described polymerization initiating compound, and then 2-ethyl-2-oxazoline is further polymerized to the obtained living polymer. Thus, a precursor polymer composed of a poly (N-formylethyleneimine) block or a poly (N-acetylethyleneimine) block and a poly (N-propionylethyleneimine) block is obtained. The precursor polymer is dissolved in water, and an emulsion is formed by mixing and stirring an organic solvent incompatible with water in which the poly (N-propionylethyleneimine) block is dissolved in the aqueous solution. A linear polyethyleneimine block is obtained by preferentially hydrolyzing a poly (N-formylethyleneimine) block or a poly (N-acetylethyleneimine) block by adding an acid or an alkali to the aqueous phase of the emulsion. And a block copolymer having a poly (N-propionylethyleneimine) block.

ここで使用する重合開始化合物の価数が1および2の場合には、直鎖状のブロックコポリマーとなり、それ以上の価数であれば星型のブロックコポリマーが得られる。また、前駆体ポリマーを多段のブロックコポリマーとすることで、得られるポリマーも多段のブロック構造とすることも可能である。   When the valence of the polymerization initiating compound used here is 1 or 2, a linear block copolymer is obtained. When the valence is higher than that, a star-shaped block copolymer is obtained. Further, by making the precursor polymer a multistage block copolymer, the resulting polymer can also have a multistage block structure.

[結晶性ポリマーフィラメント]
本発明の結晶性ポリマーフィラメントは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの一次構造中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格の複数が水分子の存在化で結晶化することにより、ポリマーが相互に会合して繊維状に成長したものであり、結晶の性質を構造中に有するものである。
[Crystalline polymer filament]
In the crystalline polymer filament of the present invention, a plurality of linear polyethyleneimine skeletons in the primary structure of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton are crystallized in the presence of water molecules, so that the polymers associate with each other. It grows in the form of fibers and has crystal properties in its structure.

該結晶性ポリマーフィラメントは、1〜100nm程度、好ましくは2〜30nm、より好ましくは2〜10nmの範囲の太さを有し、長さが太さの10倍以上、好ましくは100倍以上の繊維形状(以下、該繊維形状を一次形状と言う場合がある。)のものである。   The crystalline polymer filament has a thickness in the range of about 1 to 100 nm, preferably 2 to 30 nm, more preferably 2 to 10 nm, and a length of 10 times or more, preferably 100 times or more of the thickness. The shape (hereinafter, the fiber shape may be referred to as a primary shape).

従来広く使用されてきたポリエチレンイミンは、環状エチレンイミンの開環重合により得られる分岐状ポリマーであり、その一次構造には一級アミン、二級アミン、三級アミンが存在する。従って、分岐状ポリエチレンイミンは水溶性であるが、結晶性は持たないため、分岐状ポリエチレンイミンを用いてヒドロゲルを作るためには、架橋剤による共有結合により網目構造を与えなくてはならない。しかしながら本発明に使用するポリマーが骨格として有する直鎖状ポリエチレンイミンは、二級アミンだけで構成されており、該二級アミン型の直鎖状ポリエチレンイミンは水溶性でありながら、結晶化が可能である。   Polyethyleneimine that has been widely used heretofore is a branched polymer obtained by ring-opening polymerization of cyclic ethyleneimine, and has primary amine, secondary amine, and tertiary amine in its primary structure. Therefore, branched polyethyleneimine is water-soluble, but has no crystallinity. Therefore, in order to make a hydrogel using branched polyethyleneimine, a network structure must be provided by covalent bonding with a crosslinking agent. However, the linear polyethyleneimine that the polymer used in the present invention has as a skeleton is composed only of secondary amines, and the secondary amine type linear polyethyleneimines can be crystallized while being water-soluble. It is.

このような、直鎖状ポリエチレンイミンの結晶は、そのポリマーのエチレンイミン単位に含まれる結晶水数により、ポリマー結晶構造が大きく異なることが知られている(Y.Chatani et al.、Macromolecules、1981年、第14巻、p.315−321)。無水のポリエチレンイミンは二重螺旋構造を特徴とする結晶構造を優先するが、モノマー単位に2分子の水が含まれると、ポリマーはzigzag構造を特徴とする結晶体に成長することが知られている。実際、水中から得られる直鎖状ポリエチレンイミンの結晶は一つのモノマー単位に2分子水を含む結晶であり、その結晶は室温状態では水中不溶である。   Such linear polyethyleneimine crystals are known to vary greatly in polymer crystal structure depending on the number of water of crystallization contained in the ethyleneimine unit of the polymer (Y. Chatani et al., Macromolecules, 1981). Year, Vol. 14, pp. 315-321). Anhydrous polyethylenimine prefers a crystal structure characterized by a double helix structure, but if the monomer unit contains two molecules of water, the polymer is known to grow into a crystal characterized by a zigzag structure. Yes. Actually, the crystal of linear polyethyleneimine obtained from water is a crystal containing bimolecular water in one monomer unit, and the crystal is insoluble in water at room temperature.

本発明における直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントは、上記の場合と同様に直鎖状ポリエチレンイミン骨格の結晶発現により形成されるものであり、ポリマー形状が線状、星状、または櫛状などの形状であっても、一次構造に直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーであれば、結晶性ポリマーフィラメントが得られる。   The crystalline polymer filament of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in the present invention is formed by crystal expression of the linear polyethyleneimine skeleton in the same manner as described above, and the polymer shape is linear, star-shaped. Even in the shape of a comb or the like, a crystalline polymer filament can be obtained if the polymer has a linear polyethyleneimine skeleton in the primary structure.

結晶性ポリマーフィラメントの存在はX線散乱により確認でき、広角X線回折計(WAXS)における2θ角度値で20°,27°,28°近傍の結晶性ヒドロゲル中の直鎖状ポリエチレンイミン骨格に由来するピーク値により確認される。   The presence of crystalline polymer filaments can be confirmed by X-ray scattering, and is derived from a linear polyethyleneimine skeleton in a crystalline hydrogel in the vicinity of 20 °, 27 °, and 28 ° as 2θ angle values in a wide angle X-ray diffractometer (WAXS). The peak value is confirmed.

また、結晶性ポリマーフィラメントの示差走査熱量計(DSC)における融点は、ポリエチレンイミン骨格のポリマーの一次構造にも依存するが、概ねその融点が45〜90℃で現れる。   Moreover, although the melting point in the differential scanning calorimeter (DSC) of a crystalline polymer filament is dependent also on the primary structure of the polymer of a polyethyleneimine frame | skeleton, the melting | fusing point appears at 45-90 degreeC in general.

結晶性ポリマーフィラメントは、水の存在下で結晶性ポリマーフィラメント同士の物理的な結合により三次元網目構造を有するヒドロゲルを形成することもでき、さらに結晶性ポリマーフィラメント同士を架橋剤で架橋することにより化学的な架橋結合を有する架橋ヒドロゲルを形成することもできる。   Crystalline polymer filaments can form a hydrogel having a three-dimensional network structure by physical bonding between the crystalline polymer filaments in the presence of water, and further by crosslinking the crystalline polymer filaments with a crosslinking agent. Crosslinked hydrogels with chemical crosslinks can also be formed.

結晶性ポリマーフィラメントのヒドロゲル中では、結晶性ポリマーフィラメント同士が、水の存在下で相互に会合して、マイクロ〜ミリメートルの大きさの三次元形状(以下、該微細な三次元形状を二次形状と言う場合がある。)を形成している。これら二次形状を有する会合体間において、会合体中の結晶性ポリマーフィラメントがさらに物理的に会合して架橋構造を形成し、全体として結晶性ポリマーフィラメントからなる三次元網目構造を形成する。これらは水の存在下で生じるため、該三次元網目構造中に水を包含したヒドロゲルが形成される。架橋剤を使用した場合には、結晶性ポリマーフィラメント間が化学的に架橋し、該三次元網目構造が化学的な架橋により固定化された架橋ヒドロゲルとなる。   In the hydrogel of crystalline polymer filaments, the crystalline polymer filaments associate with each other in the presence of water to form a micro to millimeter size three-dimensional shape (hereinafter, the fine three-dimensional shape is a secondary shape). May form). Between the aggregates having these secondary shapes, the crystalline polymer filaments in the aggregate further physically associate to form a crosslinked structure, and a three-dimensional network structure composed of the crystalline polymer filaments as a whole is formed. Since these occur in the presence of water, a hydrogel containing water is formed in the three-dimensional network structure. When a cross-linking agent is used, the crystalline polymer filaments are chemically cross-linked to form a cross-linked hydrogel in which the three-dimensional network structure is fixed by chemical cross-linking.

ここでいう三次元網目構造とは、通常の高分子ヒドロゲルと異なり、ナノスケールの結晶性ポリマーフィラメント同士が、その表面に存在するフリーなエチレンイミン鎖の水素結合により、物理的な架橋により形成された網目構造である。従って、その結晶の融点以上の温度では、結晶が水中溶解されてしまい、三次元網目構造も解体される。ところが、それが室温に戻ると結晶性ポリマーフィラメントが成長し、その結晶間では水素結合による物理的な架橋が形成するため、再び、三次元網目構造が現れる。   The three-dimensional network structure here is different from ordinary polymer hydrogel, and nanoscale crystalline polymer filaments are formed by physical cross-linking by hydrogen bonds of free ethyleneimine chains existing on the surface. The net structure. Therefore, at a temperature higher than the melting point of the crystal, the crystal is dissolved in water, and the three-dimensional network structure is also dismantled. However, when it returns to room temperature, a crystalline polymer filament grows, and physical crosslinks due to hydrogen bonds are formed between the crystals, so that a three-dimensional network structure appears again.

ヒドロゲル中で、結晶性ポリマーフィラメントが形成する二次形状は、ポリマー構造の幾何学的な形状や、分子量、一次構造中に導入できる非エチレンイミン部分、さらには結晶性ポリマーフィラメントの形成条件などを調整することにより、例えばファイバ状、ブラシ状、星状などの各種形状に制御可能である。また、ヒドロゲルは、概ねの外形(以下、該ヒドロゲルの外形形状を三次形状と言う場合がある。)を保持できるが、外力により任意に変形させることができるため、その形状を容易に制御できるものである。   The secondary shape formed by the crystalline polymer filament in the hydrogel depends on the geometric shape of the polymer structure, the molecular weight, the non-ethyleneimine moiety that can be introduced into the primary structure, and the conditions for forming the crystalline polymer filament. By adjusting, it can be controlled to various shapes such as a fiber shape, a brush shape, and a star shape. In addition, the hydrogel can maintain a general outer shape (hereinafter, the outer shape of the hydrogel may be referred to as a tertiary shape), but can be arbitrarily deformed by an external force, so that the shape can be easily controlled. It is.

上記結晶性ポリマーフィラメントは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが室温の水に不溶である性質を利用し、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶媒に溶解させた後、水の存在下で析出させることで得られる。   The crystalline polymer filament utilizes the property that a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is insoluble in water at room temperature, and after the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is dissolved in a solvent, It is obtained by precipitating.

具体的な方法としては、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを水又は水と親水性有機溶剤の混合溶媒(以下、これらを水性媒体という。)に溶解し、該溶液を加熱した後冷却する方法や、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを親水性有機溶剤に溶解し、該溶液に水を加える方法などが例として挙げられる。   As a specific method, a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is dissolved in water or a mixed solvent of water and a hydrophilic organic solvent (hereinafter referred to as an aqueous medium), and the solution is heated and then cooled. Examples thereof include a method and a method of dissolving a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in a hydrophilic organic solvent and adding water to the solution.

直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶解する溶媒は、水性媒体又は親水性有機溶剤を好ましく使用できる。該該親水性有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、アセトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォンオキシド、ジオキシラン、ピロリドンなどの親水性有機溶剤が挙げられる。   As the solvent for dissolving the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, an aqueous medium or a hydrophilic organic solvent can be preferably used. Examples of the hydrophilic organic solvent include hydrophilic organic solvents such as methanol, ethanol, tetrahydrofuran, acetone, dimethylacetamide, dimethylsulfone oxide, dioxirane, and pyrrolidone.

直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの溶液から結晶性ポリマーフィラメントを析出させるには、水の存在が不可欠であるため、析出は水性媒体中で生じる。   Precipitation occurs in an aqueous medium because the presence of water is essential to precipitate crystalline polymer filaments from a solution of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton.

また、上記方法において、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの量を調整することで、結晶性ポリマーフィラメントからなるヒドロゲルを得ることができる。例えば、該ヒドロゲルは、まず直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを一定量水中に分散し、該分散液を加熱することにより、ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの透明な水溶液を得る。次いで、加熱状態のポリマーの水溶液を室温に冷やすことにより得られる。該ヒドロゲルは、剪断力等の外力により変形を生じるが、概ねの形状を保持できるアイスクリームのような状態を有し、多様な形状に変形させることが可能である。   Moreover, in the said method, the hydrogel which consists of a crystalline polymer filament can be obtained by adjusting the quantity of the polymer which has a linear polyethyleneimine frame | skeleton. For example, in the hydrogel, a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is first dispersed in water, and the dispersion is heated to obtain a transparent aqueous solution of the polymer having a polyethyleneimine skeleton. Subsequently, it is obtained by cooling the heated polymer aqueous solution to room temperature. The hydrogel is deformed by an external force such as a shearing force, but has a state like an ice cream capable of maintaining a general shape, and can be deformed into various shapes.

上記方法において、加熱温度は100℃以下が好ましく、90〜95℃の範囲であることがより好ましい。また、ポリマー分散液中のポリマー含有量は、ヒドロゲルが得られる範囲であれば特に限定されないが、0.01〜20質量%の範囲であることが好ましく、形状の安定したヒドロゲルを得るためには0.1〜10質量%の範囲がさらに好ましい。このように、本発明においては、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを使用すると、ごく少量のポリマー濃度でもヒドロゲルを形成することができる。   In the above method, the heating temperature is preferably 100 ° C. or less, and more preferably in the range of 90 to 95 ° C. Further, the polymer content in the polymer dispersion is not particularly limited as long as the hydrogel is obtained, but is preferably in the range of 0.01 to 20% by mass, and in order to obtain a hydrogel having a stable shape. The range of 0.1-10 mass% is further more preferable. Thus, in the present invention, when a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is used, a hydrogel can be formed even with a very small polymer concentration.

上記ポリマー水溶液の温度を室温まで低下させる過程により、得られるヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントの二次形状を調整することができる。温度を低下させる方法を例示すると、ポリマー水溶液を80℃に1時間保持した後、1時間かけて60℃にし、該温度でさらに1時間保持する。その後1時間かけて40℃まで低下させた後、自然に室温まで下げる方法、上記ポリマー水溶液を一気に氷点の氷り水、または氷点下のメタノール/ドライアイス、あるいはアセトン/ドライアイスの冷媒液にて冷却させた後、その状態のものを室温のワータバスにて保持する方法、あるいは、上記のポリマー水溶液を室温のワータバスまたは室温空気環境にて、室温まで温度を低下させる方法などが挙げられる。   The secondary shape of the crystalline polymer filament in the resulting hydrogel can be adjusted by the process of lowering the temperature of the aqueous polymer solution to room temperature. As an example of a method for lowering the temperature, the polymer aqueous solution is kept at 80 ° C. for 1 hour, then brought to 60 ° C. over 1 hour, and kept at the temperature for another 1 hour. Thereafter, the temperature is lowered to 40 ° C. over 1 hour, and then the solution is naturally lowered to room temperature. The polymer aqueous solution is cooled at once with freezing water at a freezing point, methanol / dry ice at a freezing point, or a refrigerant liquid of acetone / dry ice. After that, there are a method of holding the state in a room temperature water bath or a method of lowering the temperature of the polymer aqueous solution to room temperature in a room temperature water bath or a room temperature air environment.

上記ポリマー水溶液の温度を低下させる過程は、得られるヒドロゲル中において結晶性ポリマーフィラメント同士の会合に強く影響を与えるため、上記異なる方法により得られるヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントが形成する二次形状は同一ではない。   Since the process of lowering the temperature of the polymer aqueous solution strongly affects the association between the crystalline polymer filaments in the resulting hydrogel, the secondary shape formed by the crystalline polymer filaments in the hydrogel obtained by the different methods is Not the same.

上記のポリマー水溶液の温度を、濃度を一定として多段階的に低下させた場合、ヒドロゲル中における結晶性ポリマーフィラメントが形成する二次形状を、ファイバ状の形状とすることができる。これを急冷した後、室温に戻した場合には、花弁状の形態とすることができ。また、これをドライアイス状のアセトンで再度急冷して、室温に戻した場合、波状の形態とすることができる。このように、本発明のヒドロゲル中における結晶性ポリマーフィラメントが形成する二次形状の形態を、各種形状に設定することができる。   When the temperature of the aqueous polymer solution is lowered in a multistage manner with a constant concentration, the secondary shape formed by the crystalline polymer filaments in the hydrogel can be made into a fiber shape. When this is rapidly cooled and then returned to room temperature, it can be in the form of a petal. Moreover, when this is rapidly cooled again with dry ice-like acetone and returned to room temperature, it can be made into a wavy form. Thus, the shape of the secondary shape formed by the crystalline polymer filament in the hydrogel of the present invention can be set to various shapes.

上記により得られるヒドロゲルは、不透明なゲルであり、ゲル中にはポリエチレンイミン骨格を有するポリマーからなる結晶性ポリマーフィラメントが形成され、その結晶性ポリマーフィラメント同士は水素結合により物理的に架橋化され、三次元の物理的な網目構造を形成している。一旦形成したヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントは室温中では不溶状態を保つが、加熱すると結晶性ポリマーフィラメントが解離し、ヒドロゲルはゾル状態に変化してしまう。従って、本発明の物理的なヒドロゲルは、熱処理を行うことでゾルからゲル、またゲルからゾルへと可逆的な変化が可能である。   The hydrogel obtained by the above is an opaque gel in which crystalline polymer filaments made of a polymer having a polyethyleneimine skeleton are formed, and the crystalline polymer filaments are physically cross-linked by hydrogen bonding, A three-dimensional physical network structure is formed. The crystalline polymer filaments in the hydrogel once formed remain insoluble at room temperature, but when heated, the crystalline polymer filaments dissociate and the hydrogel changes to a sol state. Therefore, the physical hydrogel of the present invention can be reversibly changed from sol to gel and from gel to sol by heat treatment.

本発明でいうヒドロゲルは三次元網目構造中に少なくとも水を含有するが、該ヒドロゲルの調製時に、親水性有機溶剤を加えることで、有機溶剤を含有したヒドロゲルが得られる。該親水性有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、アセトン、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフォンオキシド、ジオキシラン、ピロリドンなどの親水性有機溶剤が挙げられる。   The hydrogel referred to in the present invention contains at least water in the three-dimensional network structure, and a hydrogel containing an organic solvent can be obtained by adding a hydrophilic organic solvent during the preparation of the hydrogel. Examples of the hydrophilic organic solvent include hydrophilic organic solvents such as methanol, ethanol, tetrahydrofuran, acetone, dimethylacetamide, dimethylsulfone oxide, dioxirane, and pyrrolidone.

有機溶剤の含有量は、水の体積に対し、0.1〜5倍の範囲であることが好ましく、1〜3倍の範囲であればより好ましい。   The content of the organic solvent is preferably in the range of 0.1 to 5 times, more preferably in the range of 1 to 3 times the volume of water.

上記親水性有機溶剤を含有させることにより結晶性ポリマーフィラメントの形態を変えることができ、単純な水系と異なる形態の結晶を与えることができる。例えば、水中では繊維状の広がりを有する分岐状の二次形状であっても、その調製に一定量のエタノールが含まれた場合、繊維が収縮したような鞠状の二次形状を得ることができる。   By containing the hydrophilic organic solvent, the form of the crystalline polymer filament can be changed, and crystals having a form different from that of a simple aqueous system can be provided. For example, even in the case of a branched secondary shape having a fibrous spread in water, when a certain amount of ethanol is included in the preparation, it is possible to obtain a cocoon-like secondary shape in which the fibers contract. it can.

本発明でいうヒドロゲル調製時に、他の水溶性ポリマーを加えることで、水溶性ポリマーを含有するヒドロゲルが得られる。該水溶性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、ポリヒドロキシエチルアクリレート、ポリメチルオキサゾリン、ポリエチルオキサゾリンなどを取りあげることができる。   The hydrogel containing a water-soluble polymer can be obtained by adding another water-soluble polymer during the preparation of the hydrogel in the present invention. Examples of the water-soluble polymer include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide, poly (N-isopropylacrylamide), polyhydroxyethyl acrylate, polymethyloxazoline, polyethyloxazoline, and the like.

水溶性ポリマーの含有量は、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの質量に対し、0.1〜5倍の範囲であることが好ましく、0.5〜2倍の範囲であればより好ましい。   The content of the water-soluble polymer is preferably in the range of 0.1 to 5 times, more preferably in the range of 0.5 to 2 times the mass of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton.

上記水溶性ポリマーを含有させることによっても結晶性ポリマーフィラメントの形態を変えることができ、単純な水系と異なる形態の二次形状を与えることができる。また、ヒドロゲルの粘性を増大させ、ヒドロゲルの安定性を向上させることに有効である。   The form of the crystalline polymer filament can also be changed by containing the water-soluble polymer, and a secondary shape different from a simple aqueous system can be provided. It is also effective in increasing the viscosity of the hydrogel and improving the stability of the hydrogel.

また、上記方法で得られたヒドロゲルを、ポリエチレンイミンのアミノ基と反応する2官能基以上を含む化合物で処理することで、ヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメント表面同士を化学結合でリンクさせた架橋ヒドロゲルを得ることができる。   In addition, the hydrogel obtained by the above method is treated with a compound containing two or more functional groups that react with the amino group of polyethyleneimine, so that the crystalline polymer filament surfaces in the hydrogel are linked by chemical bonds. Can be obtained.

前記アミノ基と室温状態で反応できる2官能基以上を含む化合物としては、アルデヒド類架橋剤、エポキシ類架橋剤、酸クロリド類、酸無水物、エステル類架橋剤を用いることができる。アルデヒド類架橋剤としては、例えば、マロニルアルデヒド、スクシニルアルデヒド、グルタリルアルデヒド、アジホイルアルデヒド、フタロイルアルデヒド、イソフタロイルアルデヒド、テレフタロイルアルデヒドなどがあげられる。また、エポキシ類架橋剤としては、例えば、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、グリシジルクロライド、グリシジルブロマイドなどがあげられる。酸クロリド類としては、例えば、マロニル酸クロリド、スクシニル酸クロリド、グルタリル酸クロリド、アジホイル酸クロリド、フタロイル酸クロリド、イソフタロイル酸クロリド、テレフタロイル酸クロリドなどがあげられる。また、酸無水物としては、例えば、フタル酸無水物、スクシニル酸無水物、グルタリル酸無水物などがあげられる。また、エステル類架橋剤としては、マロニル酸メチルエステル、スクシニル酸メチルエステル、グルタリル酸メチルエステル、フタロイル酸メチルエステル、ポリエチレングリコールカルボン酸メチルエステルなどがあげられる。   As the compound containing at least two functional groups capable of reacting with the amino group at room temperature, aldehyde crosslinking agents, epoxy crosslinking agents, acid chlorides, acid anhydrides, and ester crosslinking agents can be used. Examples of the aldehyde crosslinking agent include malonyl aldehyde, succinyl aldehyde, glutaryl aldehyde, adifoyl aldehyde, phthaloyl aldehyde, isophthaloyl aldehyde, terephthaloyl aldehyde, and the like. Examples of the epoxy crosslinking agent include polyethylene glycol diglycidyl ether, bisphenol A diglycidyl ether, glycidyl chloride, and glycidyl bromide. Examples of the acid chlorides include malonyl chloride, succinyl chloride, glutaryl chloride, adifoyl chloride, phthaloyl chloride, isophthaloyl chloride, terephthaloyl chloride, and the like. Examples of the acid anhydride include phthalic anhydride, succinic anhydride, and glutaric anhydride. Examples of the ester crosslinking agent include malonic acid methyl ester, succinic acid methyl ester, glutaric acid methyl ester, phthaloyl acid methyl ester, and polyethylene glycol carboxylic acid methyl ester.

架橋反応は、得られたヒドロゲルを架橋剤の溶液に浸す方法でも、架橋剤溶液をヒドロゲル中に加える方法でも可能である。この際、架橋剤は系内での浸透圧変化と共に、ヒドロゲル内部へ浸透し、そこで結晶性ポリマーフィラメント同士を水素結合で繋いでエチレンイミンの窒素原子との化学反応を引き起こす。   The cross-linking reaction can be performed by immersing the obtained hydrogel in a solution of the cross-linking agent or by adding the cross-linking agent solution into the hydrogel. At this time, the cross-linking agent permeates into the hydrogel as the osmotic pressure changes in the system, where the crystalline polymer filaments are connected to each other by hydrogen bonds to cause a chemical reaction with the nitrogen atom of ethyleneimine.

架橋反応は、結晶性ポリマーフィラメント表面のフリーなエチレンイミンとの反応により進行するが、その反応を結晶性ポリマーフィラメント内部では起こらないようにするためには、ヒドロゲルを形成する結晶性ポリマーフィラメントの融点以下の温度で反応を行うことが望ましく、さらには架橋反応を室温で行うことが最も望ましい。   The crosslinking reaction proceeds by reaction with free ethyleneimine on the surface of the crystalline polymer filament, but in order to prevent the reaction from occurring inside the crystalline polymer filament, the melting point of the crystalline polymer filament forming the hydrogel It is desirable to perform the reaction at the following temperature, and it is most desirable to perform the crosslinking reaction at room temperature.

架橋反応を室温で進行させる場合には、ヒドロゲルを架橋剤溶液と混合した状態で放置しておくことで、架橋ヒドロゲルを得ることができる。架橋反応させる時間は、数分から数日でよく、概ね一晩放置することで好適に架橋が進行する。   When the crosslinking reaction proceeds at room temperature, the crosslinked hydrogel can be obtained by leaving the hydrogel mixed with the crosslinking agent solution. The time for the crosslinking reaction may be from a few minutes to a few days, and the crosslinking proceeds suitably by leaving it to stand overnight.

架橋剤量はヒドロゲル形成に用いるポリエチレンイミン骨格を有するポリマー中のエチレンイミンユニットのモル数に対し、0.05〜20%であればよく、それが1〜10%であればもっと好適である。   The amount of the crosslinking agent may be 0.05 to 20% with respect to the number of moles of ethyleneimine units in the polymer having a polyethyleneimine skeleton used for hydrogel formation, and more preferably 1 to 10%.

上記ヒドロゲルは、ゲル化剤が結晶性ポリマーフィラメントであるため多様なモルフォロジーのゲル構造を発現できる。また少量の結晶性ポリマーフィラメントであっても水中で好適に三次元網目構造を形成するため高い水保持性を有する。さらに、使用する直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは構造設計や合成が容易であり、かつヒドロゲルの調整が簡便である。また、該ヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメント間を架橋剤により架橋することにより、ヒドロゲルの形状を固定化できる。   The hydrogel can express gel structures having various morphologies because the gelling agent is a crystalline polymer filament. Even a small amount of crystalline polymer filament has a high water retention property because it suitably forms a three-dimensional network structure in water. Furthermore, the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton to be used is easy to design and synthesize, and easy to adjust the hydrogel. Further, the shape of the hydrogel can be fixed by crosslinking the crystalline polymer filaments in the hydrogel with a crosslinking agent.

[有機無機複合ナノファイバ、有機無機複合構造体]
本発明の有機無機複合ナノファイバは、上記した結晶性ポリマーフィラメントと、結晶性ポリマーフィラメントを被覆するシリカとからなるものである。該有機無機複合ナノファイバは、結晶性ポリマーフィラメント表面でシリカソースをゾルゲル反応させて得ることができる。
[Organic inorganic composite nanofiber, organic inorganic composite structure]
The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention comprises the above-described crystalline polymer filament and silica that covers the crystalline polymer filament. The organic-inorganic composite nanofiber can be obtained by sol-gel reaction of a silica source on the surface of a crystalline polymer filament.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、その太さが10〜1000nm、好ましくは15〜100nmのものであり、長さが太さの10倍以上、好ましくは100倍以上の長さを有するものである。このような形状を有する本発明の有機無機複合ナノファイバは、そのアスペクト比が非常に高いため、他の材料に添加すると添加された材料の強度を、粒子を添加した場合に比べて飛躍的に向上させることができる。また、ナノファイバ同士の集合化や階層化により不織布状等の形状にすることも可能である。   The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention has a thickness of 10 to 1000 nm, preferably 15 to 100 nm, and has a length of 10 times or more, preferably 100 times or more of the thickness. is there. Since the aspect ratio of the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention having such a shape is very high, when added to other materials, the strength of the added material is dramatically higher than when particles are added. Can be improved. Moreover, it is also possible to make a shape such as a nonwoven fabric by assembling or hierarchizing nanofibers.

有機無機複合ナノファイバ中のシリカの含有量は、反応条件などにより一定の幅で変化するが、有機無機複合ナノファイバ全体の30〜90質量%の範囲とすることができる。シリカの含有量はゾルゲル反応の際に用いたポリマーの量の増加に伴って増加する。また、ゾルゲル反応時間を長くすることにより増大する。   The content of silica in the organic-inorganic composite nanofiber varies within a certain range depending on reaction conditions and the like, but can be in the range of 30 to 90% by mass of the entire organic-inorganic composite nanofiber. The silica content increases with increasing amount of polymer used in the sol-gel reaction. Moreover, it increases by lengthening the sol-gel reaction time.

本発明の有機無機複合ナノファイバには、直鎖ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを芯として有し、該結晶性ポリマーフィラメントがシリカで被覆された複合体である。従って、本発明の有機無機複合ナノファイバは、該結晶性ポリマーフィラメント中に存在するエチレンイミン単位により、金属イオンを高度に濃縮して吸着することができる。また、該エチレンイミン単位は容易にカチオン化できるため、本発明の有機無機複合ナノファイバは、アニオン性の生体材料などの各種イオン性物質の吸着や固定化も可能である。さらに該直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーは他のポリマーとのブロックやグラフト化が容易であり、ポリマー側鎖や末端構造などの構造制御も容易であることから、各種の機能性ポリマーとのブロック化や末端構造の制御により有機無機複合ナノファイバに各種機能を付与することが可能である。   The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention is a composite having a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton as a core, and the crystalline polymer filament coated with silica. Therefore, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can highly concentrate and adsorb metal ions by the ethyleneimine unit present in the crystalline polymer filament. Further, since the ethyleneimine unit can be easily cationized, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can adsorb and immobilize various ionic substances such as anionic biomaterials. Furthermore, the polymer having the linear polyethyleneimine skeleton is easy to block and graft with other polymers, and the structure side chain and terminal structure are easy to control. Various functions can be imparted to the organic-inorganic composite nanofiber by blocking or controlling the terminal structure.

機能の付与としては、例えば蛍光性物質の固定化などが挙げられる。例えば、ポルフィリンを中心にした星状ポリエチレンイミンを用いることで、ポルフィリンの残基を有機無機複合ナノファイバ中に取り込むことができる。また、直鎖状ポリエチレンイミン骨格の側鎖に少量のピレン類、例えば、ピレンアルデヒド(好ましくは、イミンに対し10モル%以下)を反応させたポリマーを用いることで、ピレン残基を有機無機複合ナノファイバに取り込むことができる。さらに、直鎖状ポリエチレンイミン骨格の塩基に酸性基、例えば、カルボン酸基、スルホン酸基を有するポルフィリン類、フタロシアニン類、ピレン類など蛍光性染料を(好ましくは、イミンのモル数に対し0.1モル%以下)少量混合させたものを使用することで有機無機複合ナノファイバ中に、これらの蛍光性物質を取り込むことができる。   Examples of the function addition include immobilization of a fluorescent substance. For example, by using a star-shaped polyethyleneimine centered on porphyrin, a porphyrin residue can be incorporated into the organic-inorganic composite nanofiber. Further, by using a polymer obtained by reacting a small amount of pyrenes, for example, pyrene aldehyde (preferably, 10 mol% or less with respect to imine) on the side chain of the linear polyethyleneimine skeleton, the pyrene residue is combined with an organic-inorganic composite. Can be incorporated into nanofibers. Furthermore, fluorescent dyes such as porphyrins, phthalocyanines, pyrenes having an acidic group, for example, a carboxylic acid group or a sulfonic acid group, are added to the base of the linear polyethyleneimine skeleton (preferably with respect to the number of moles of imine. (1 mol% or less) These fluorescent substances can be incorporated into the organic-inorganic composite nanofiber by using a mixture of a small amount.

また、本発明の有機無機複合ナノファイバは、相互に会合させることにより多様な形状を有する有機無機複合構造体を形成できることが大きな特徴である。該有機無機複合構造体は、結晶性ポリマーフィラメントが架橋剤で架橋された状態や結晶性ポリマーフィラメントがヒドロゲルを形成した状態、あるいは該ヒドロゲルを架橋剤で架橋させた状態でシリカソースを接触させることで、有機無機複合ナノファイバからなる有機無機複合構造体を得ることができる。従って、該有機無機複合体は、上記した結晶性ポリマーフィラメントのヒドロゲルや架橋ヒドロゲルなどが形成する形状に由来した形状を有する。   In addition, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention is characterized in that an organic-inorganic composite structure having various shapes can be formed by associating with each other. In the organic-inorganic composite structure, the silica source is brought into contact with the crystalline polymer filament in a state in which the crystalline polymer filament is crosslinked with a crosslinking agent, in a state in which the crystalline polymer filament forms a hydrogel, or in a state in which the hydrogel is crosslinked with a crosslinking agent. Thus, an organic-inorganic composite structure composed of organic-inorganic composite nanofibers can be obtained. Therefore, the organic-inorganic composite has a shape derived from the shape formed by the hydrogel or the crosslinked hydrogel of the crystalline polymer filament described above.

本発明の有機無機複合構造体は、結晶性ポリマーフィラメントが形成したヒドロゲル又は架橋ヒドロゲルの三次形状を任意に成型した後、該ヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントをシリカで被覆することにより、任意の外形形状に成型された構造体である。また、該有機無機複合構造体中では、上記ヒドロゲル中に形成された会合体の二次形状も複写されるため、結晶性ポリマーフィラメントが形成した二次形状に由来した、有機無機複合ナノファイバの会合体が形成する形状(以下、会合体形状という。)が存在する。   The organic-inorganic composite structure of the present invention has an arbitrary outer shape by arbitrarily forming a tertiary shape of a hydrogel or a crosslinked hydrogel formed by a crystalline polymer filament, and then coating the crystalline polymer filament in the hydrogel with silica. A structure molded into a shape. In addition, since the secondary shape of the aggregate formed in the hydrogel is also copied in the organic-inorganic composite structure, the organic-inorganic composite nanofiber derived from the secondary shape formed by the crystalline polymer filament is used. There are shapes formed by aggregates (hereinafter referred to as aggregate shapes).

このように、本発明の有機無機複合構造体の外形は、上記結晶性ポリマーフィラメントから形成される三次形状を固定できるため任意に成形することが可能である。また、有機無機複合構造体が、その内部に有する会合体形状は、使用するポリマーのポリマー構造の幾何学的な形状や、分子量、一次構造中に導入できる非エチレンイミン部分、さらにはシリカソースの使用量などにより、ファイバ状、ブラシ状、星状、レタス状、スポンジ状、アスター状、サボテン状、タンポポ状などの様々な形状を有することができる。これら会合体形状の大きさは3μm〜1mm程度の大きさとすることができる。この大きさの形状は、基本ユニットである有機無機複合ナノファイバの会合と空間配置から形成された三次元形状である。この基本ユニットとなる有機無機複合ナノファイバには結晶性ポリマーフィラメントの芯が含まれる。即ち、本発明の有機無機複合構造体は、結晶性ポリマーフィラメント同士が、水中で水素結合による物理的な結合で繋がれて空間に配置されて各種形状の三次元形状のテンプレートとなり、このテンプレートに沿ってシリカが固定化されることにより、有機無機複合ナノファイバが相互に会合して空間に配置された形態を形成したものであると考えられる。   Thus, since the tertiary shape formed from the crystalline polymer filament can be fixed, the outer shape of the organic-inorganic composite structure of the present invention can be arbitrarily shaped. The aggregate shape of the organic-inorganic composite structure is the geometric shape of the polymer structure used, the molecular weight, the non-ethyleneimine moiety that can be introduced into the primary structure, and the silica source. Depending on the amount used, it can have various shapes such as a fiber shape, a brush shape, a star shape, a lettuce shape, a sponge shape, an aster shape, a cactus shape, and a dandelion shape. The size of these aggregate shapes can be about 3 μm to 1 mm. The shape of this size is a three-dimensional shape formed from the association and spatial arrangement of organic-inorganic composite nanofibers that are basic units. The organic-inorganic composite nanofiber as the basic unit includes a crystalline polymer filament core. That is, in the organic-inorganic composite structure of the present invention, crystalline polymer filaments are connected to each other by a physical bond by hydrogen bonding in water to form a three-dimensional template of various shapes. It is considered that the silica is fixed along the surface, and the organic-inorganic composite nanofibers are associated with each other to form a form arranged in the space.

本発明の有機無機複合構造体は、結晶性ポリマーフィラメントが会合した会合体同士が、さらに会合して物理的に架橋したヒドロゲルをシリカで固定したものであるが、使用するポリマー構造やポリマー濃度、あるいはシリカソースの量等を調整することにより、シリカで固定する際に該会合体同士の物理的な架橋を切断して、結晶性ポリマーフィラメントの会合体又は該会合体の複数の集合体をシリカで固定化することにより、有機無機複合ナノファイバの会合体を取り出すことも可能である。   The organic-inorganic composite structure of the present invention is an assembly in which crystalline polymer filaments are associated with each other, and a hydrogel obtained by further associating and physically cross-linking is fixed with silica. Alternatively, by adjusting the amount of silica source, etc., when the silica is fixed with silica, the physical cross-linking between the aggregates is cut, and the aggregate of crystalline polymer filaments or a plurality of aggregates of the aggregates are silica. It is also possible to take out an aggregate of organic-inorganic composite nanofibers by fixing with.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、
(1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶媒に溶解させた後、水の存在下で析出させ、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを得る工程、及び(2)水の存在下で、前記結晶性ポリマーフィラメントとアルコキシシランとを接触させることにより、前記結晶性ポリマーフィラメントをシリカで被覆する工程、
からなる製造方法により製造できる。
The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention is
(1) A step of dissolving a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in a solvent and then precipitating it in the presence of water to obtain a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and (2) Coating the crystalline polymer filament with silica by contacting the crystalline polymer filament with an alkoxysilane in the presence of water;
It can manufacture with the manufacturing method which consists of.

上記(1)の工程は、上述したとおりであり、結晶性ポリマーフィラメントはヒドロゲルの状態や架橋ヒドロゲル状態であってもよい。   The step (1) is as described above, and the crystalline polymer filament may be in a hydrogel state or a crosslinked hydrogel state.

本発明の有機無機複合ナノファイバは、上記(2)の工程により水の存在下で、結晶性ポリマーフィラメントと、シリカソースとを接触させることにより得られる。また、結晶性ポリマーフィラメントが架橋剤で架橋された状態や結晶性ポリマーフィラメントがヒドロゲルを形成した状態、あるいは該ヒドロゲルを架橋剤で架橋させた状態でシリカソースを接触させることで、有機無機複合ナノファイバからなる有機無機複合構造体を得ることができる。   The organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can be obtained by bringing a crystalline polymer filament and a silica source into contact with each other in the presence of water by the step (2). In addition, when the crystalline polymer filament is crosslinked with a crosslinking agent, the crystalline polymer filament is in the form of a hydrogel, or the hydrogel is crosslinked with a crosslinking agent, the silica source is brought into contact with An organic-inorganic composite structure composed of fibers can be obtained.

結晶性ポリマーフィラメントとシリカソースとを接触させる方法としては、結晶性ポリマーフィラメントの水中分散液または結晶性ポリマーフィラメントのヒドロゲル又は架橋ヒドロゲル中に、通常のゾルゲル反応において使用できる溶媒にシリカソースを溶解した溶液を加えて、室温下でゾルゲル反応させる方法が挙げられる。該方法により有機無機複合ナノファイバ、有機無機複合構造体を容易に得ることができる。   As a method of bringing the crystalline polymer filament into contact with the silica source, the silica source was dissolved in a solvent that can be used in a normal sol-gel reaction in a dispersion of the crystalline polymer filament in water or a hydrogel or a crosslinked hydrogel of the crystalline polymer filament. The method of adding a solution and making it sol-gel react at room temperature is mentioned. By this method, an organic-inorganic composite nanofiber and an organic-inorganic composite structure can be easily obtained.

シリカソースとして用いる化合物としては、テトラアルコキシシラン類、アルキルトリアルコキシシラン類などが挙げられる。   Examples of the compound used as the silica source include tetraalkoxysilanes and alkyltrialkoxysilanes.

テトラアルコキシシラン類としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラ−t−ブトキシシランなどを挙げられる。   Examples of tetraalkoxysilanes include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, and tetra-t-butoxysilane.

アルキルトリアルコキシシラン類としては、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン、iso−プロピルトリメトキシシラン、iso−プロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシトキシプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−メルカプトプロピルトメトキシシラン、3−メルカプトトリエトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリメトキシシラン、3,3,3−トリフロロプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリメトキシシラン、p−クロロメチルフェニルトリエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシランなどを挙げられる。   Examples of alkyltrialkoxysilanes include methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, n-propyltrimethoxysilane, n-propyltriethoxysilane, iso-propyltrimethoxysilane, iso -Propyltriethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltriethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 3-glycitoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycitoxypropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-mercaptopropyltomethoxysilane, 3-mercaptotriethoxysilane, 3,3,3-trifluoro Propyltrimethoxysilane, 3,3,3-trifluoropropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p-chloromethyl Examples thereof include phenyltrimethoxysilane, p-chloromethylphenyltriethoxysilane, dimethyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, diethyldimethoxysilane, and diethyldiethoxysilane.

有機無機複合ナノファイバを与える上記ゾルゲル反応は、水、あるいは水と親水性有機溶剤の混合溶液などの水性媒体中、結晶性ポリマーフィラメントの存在下で進行するが、その反応は水性液体相では起こらず、結晶性ポリマーフィラメントの表面で進行する。従って、複合化反応条件では結晶性ポリマーフィラメントが溶解することがなければ、反応条件は任意である。   The sol-gel reaction that gives organic-inorganic composite nanofibers proceeds in the presence of crystalline polymer filaments in an aqueous medium such as water or a mixed solution of water and a hydrophilic organic solvent, but the reaction does not occur in the aqueous liquid phase. Instead, it proceeds on the surface of the crystalline polymer filament. Accordingly, the reaction conditions are arbitrary as long as the crystalline polymer filaments do not dissolve under the complexing reaction conditions.

結晶性ポリマーフィラメントを不溶とするためには、ゾルゲル反応の際、親水性有機溶剤を含む水性液体中、水の存在が20%以上とすることが好ましく、それが40%以上であればさらに好ましい。   In order to make the crystalline polymer filament insoluble, in the sol-gel reaction, the presence of water in the aqueous liquid containing the hydrophilic organic solvent is preferably 20% or more, and more preferably 40% or more. .

ゾルゲル反応においては、ポリエチレンイミンのモノマー単位であるエチレンイミンに対し、シリカソースであるアルコキシシランの量を過剰とすれば好適に有機無機ナノファイバを形成できる。過剰の度合いとしては、エチレンイミンに対し2〜1000倍等量の範囲であることが好ましい。   In the sol-gel reaction, an organic-inorganic nanofiber can be suitably formed by making the amount of alkoxysilane, which is a silica source, excessive with respect to ethyleneimine, which is a monomer unit of polyethyleneimine. The degree of excess is preferably in the range of 2 to 1000 times equivalent to ethyleneimine.

また、結晶性ポリマーフィラメントを形成する際の水性媒体中のポリマー濃度はそのポリマー中に含まれるポリエチレンイミンの量を基準に、0.1〜30%にすることが好ましい。また、水性媒体中のポリエチレンイミン量は、結晶性ポリマーフィラメントの結晶形態が保持された状態で濃縮することにより30%を越える濃度にすることも可能である。この際の濃縮方法としては、上記結晶性ポリマーフィラメントの水中分散液や結晶性ポリマーフィラメントのヒドロゲルを常温で常圧濾過又は減圧濾過する方法等が使用できる。   The polymer concentration in the aqueous medium when forming the crystalline polymer filament is preferably 0.1 to 30% based on the amount of polyethyleneimine contained in the polymer. In addition, the amount of polyethyleneimine in the aqueous medium can be increased to a concentration exceeding 30% by concentrating in a state where the crystalline form of the crystalline polymer filament is maintained. As a concentration method at this time, a method of filtering the crystalline polymer filament dispersion in water or the crystalline polymer filament hydrogel at atmospheric pressure or under reduced pressure can be used.

ゾルゲル反応の時間は1分から数日まで様々であるが、アルコキシシランの反応活性が高いメトキシシラン類の場合は、反応時間は1分〜24時間でよく、反応効率を上げることから、反応時間を30分〜5時間に設定すればさらに好適である。また、反応活性が低い、エトキシシラン類、ブトキシシラン類の場合は、ゾルゲル反応時間が24時間以上が好ましく、その時間を一週間程度とすることも望ましい。   The sol-gel reaction time varies from 1 minute to several days. In the case of methoxysilanes having a high alkoxysilane reaction activity, the reaction time may be from 1 minute to 24 hours. It is more preferable to set it to 30 minutes to 5 hours. In the case of ethoxysilanes and butoxysilanes having low reaction activity, the sol-gel reaction time is preferably 24 hours or longer, and it is also desirable to set the time to about one week.

有機無機複合体を作成する際に、ポリマー構造の幾何学的な形状や、分子量、一次構造中に導入できる非エチレンイミン部分、さらには有機無機複合構造体の形成条件等を調整することにより、有機無機複合構造体中の会合体形状を調整できる。該会合体形状は、使用するポリマーの分子構造、重合度、組成、及び有機無機複合構造体調製時の温度低下の方法によく依存する。   By adjusting the geometric shape of the polymer structure, the molecular weight, the non-ethyleneimine moiety that can be introduced into the primary structure, and the formation conditions of the organic-inorganic composite structure when creating the organic-inorganic composite, The aggregate shape in the organic-inorganic composite structure can be adjusted. The aggregate shape is highly dependent on the molecular structure of the polymer used, the degree of polymerization, the composition, and the method for lowering the temperature when preparing the organic-inorganic composite structure.

例えば、直鎖ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーとして、重合度が300以上の線状ポリエチレンイミンを使用し、80℃以上のところから自然に常温まで低下させてヒドロゲルを得た後、該ヒドロゲルを用いてゾルゲル反応することにより、レタス状の二次的形状を有する有機無機複合構造体を得ることができる。レタス状の会合体形状において葉を形成する部分の厚みはポリマーを結晶化させる際のポリマー溶液中のポリマー濃度が低下するにつれて厚くなるが、濃度が2%以上では、葉の部分の厚みは100nm前後であり、濃度が1%以下では葉の部分の厚みは500nm前後となる。   For example, as a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, a linear polyethyleneimine having a degree of polymerization of 300 or more is used, and a hydrogel is obtained by naturally lowering the temperature from 80 ° C. or higher to room temperature, and then using the hydrogel. By performing the sol-gel reaction, an organic-inorganic composite structure having a lettuce-like secondary shape can be obtained. In the lettuce-like aggregate shape, the thickness of the leaf-forming portion increases as the polymer concentration in the polymer solution decreases when the polymer is crystallized, but at a concentration of 2% or more, the thickness of the leaf portion is 100 nm. When the concentration is 1% or less, the thickness of the leaf portion is around 500 nm.

また、星型ポリエチレンイミンを使用する場合には、その核となる中心残基の構造を変えることでも、得られる二次的形状を制御することができる。例えば、中心残基がポルフィリンのような大きなパイ平面を持つものである場合、得られる有機無機複合構造体中の二次的形状はアスター状であり、一つのアスター形状の結晶大きさは2〜6μm程度である。濃度が1%以上ではアスターのアーム数は少なく、各々のアームは結束する傾向があり、それ以下の濃度では、アーム数が多く、各々のアームは別れる傾向がある。また、中心残基がベンゼン環のような小さい構造の場合、得られる有機無機複合構造体中の会合体形状は多くの糸が結束されたファイバ状であり、そのファイバが相互に絡み合い、全体としてスポンジ状の有機無機複合構造体を形成する。一つのファイバ形状の太さは150nm前後である。   Moreover, when using star-shaped polyethyleneimine, the secondary shape obtained can be controlled also by changing the structure of the central residue which becomes the nucleus. For example, when the central residue has a large pie plane such as porphyrin, the secondary shape in the obtained organic-inorganic composite structure is an aster shape, and the crystal size of one aster shape is 2 to 2. It is about 6 μm. When the concentration is 1% or more, the number of aster arms is small and each arm tends to bind, and when the concentration is less than that, the number of arms is large and each arm tends to separate. In addition, when the central residue is a small structure such as a benzene ring, the aggregate shape in the resulting organic-inorganic composite structure is a fiber shape in which many yarns are bound, and the fibers are entangled with each other, and as a whole A sponge-like organic-inorganic composite structure is formed. The thickness of one fiber shape is around 150 nm.

さらに、結晶性ポリマーフィラメント間が化学結合で架橋された架橋ヒドロゲルを用いることにより、各種形状の有機無機複合構造体を得ることもできる。その形状や大きさは、架橋ヒドロゲル調製時に用いた容器の大きさ及び形状と同一なものにすることができ、例えば、円盤状、円柱状、プレート状、球状などの任意の形状に調製できる。さらに、架橋ヒドロゲルを切断したり、削ったりすることにより、目的の形に成形することもできる。このように成形した架橋ヒドロゲルをシリカソースの溶液に浸せきさせることにより、任意の形状の有機無機複合構造体が簡単に得られる。シリカソースの溶液に浸せきする時間としては、使用するシリカソースの種類により1時間〜1週間と様々であるため適宜調製する必要があるが、メトキシシラン類の溶液中では1〜48時間程度であればよく、エトキシシラン類の溶液中では、1〜7日間程度が好適である。   Furthermore, organic-inorganic composite structures of various shapes can be obtained by using a crosslinked hydrogel in which crystalline polymer filaments are crosslinked by chemical bonds. The shape and size can be made the same as the size and shape of the container used at the time of preparing the crosslinked hydrogel, and for example, it can be prepared in any shape such as a disk shape, a cylindrical shape, a plate shape, and a spherical shape. Further, the crosslinked hydrogel can be cut or scraped to be formed into a desired shape. An organic-inorganic composite structure having an arbitrary shape can be easily obtained by immersing the crosslinked hydrogel thus formed in a silica source solution. The time for immersing in the silica source solution varies from 1 hour to 1 week depending on the type of silica source to be used. In the solution of ethoxysilanes, about 1 to 7 days is preferable.

このように、本発明の有機無機複合ナノファイバは、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶解し、水の存在下で析出させて結晶性ポリマーフィラメントを得た後、水の存在下で該結晶性ポリマーフィラメントとアルコキシシランを接触させることにより容易に製造することができる。該製造方法においては、結晶性ポリマーフィラメントを得る工程、シリカのゾルゲル反応工程を短時間で行うことが可能である。また、結晶性ポリマーフィラメントの分散液や結晶性ポリマーフィラメントのヒドロゲルを容易に調整でき、該分散液又はヒドロゲルとアルコキシシランとを接触させることで本発明の有機無機複合構造体を容易に製造できる。   As described above, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention dissolves a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, precipitates it in the presence of water to obtain a crystalline polymer filament, and then in the presence of water, It can be easily produced by bringing a crystalline polymer filament into contact with an alkoxysilane. In this production method, it is possible to perform the step of obtaining crystalline polymer filaments and the silica sol-gel reaction step in a short time. Moreover, the dispersion liquid of a crystalline polymer filament and the hydrogel of a crystalline polymer filament can be easily adjusted, and the organic-inorganic composite structure of the present invention can be easily produced by bringing the dispersion liquid or hydrogel into contact with an alkoxysilane.

以上記載したように、本発明の有機無機複合ナノファイバは、シリカナノファイバの有する大きな表面積や、被覆するシリカに由来する優れた分子選択性や化学的な安定性に加え、内部に有する直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーにより各種物質の固定化や濃縮が可能である。このように本願発明の有機無機複合ナノファイバは、ナノサイズのファイバ形状中に金属や生体材料の固定化、濃縮が可能であることから、電子材料分野、バイオ分野、環境対応製品分野などの各種分野において有用な材料である。   As described above, the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention has a linear surface shape in addition to the large surface area of the silica nanofiber and the excellent molecular selectivity and chemical stability derived from the silica to be coated. Various substances can be immobilized and concentrated by a polymer having a polyethyleneimine skeleton. As described above, since the organic-inorganic composite nanofiber of the present invention can fix and concentrate metals and biomaterials in the shape of nano-sized fibers, it can be used in various fields such as the electronic materials field, the bio field, and the environment-friendly product field. It is a useful material in the field.

本発明の有機無機複合構造体は、水の存在下で結晶性ポリマーフィラメントが形成した二次形状がさらに会合することにより架橋構造を形成して得られる、物理的な結合で繋がれたテンプレートに沿ってシリカが固定化されることにより、ナノサイズの太さの有機無機複合ナノファイバが相互に会合したものである。従って、該有機無機複合構造体は上記した有機無機複合ナノファイバの特性を保持した状態で、有機無機複合ナノファイバが高度に集合化された三次元網目構造を形成したものであり、その外形はミリメートル以上の大きさで任意に成形可能なものである。該有機無機複合構造体は、内部に三次元網目構造を有することから、バイオフィルタ、エアフィルタなどの高機能フィルタ、ファイバ構造内部に金属を固定することにより高比表面積の触媒などに有用に使用できる。また、該有機無機複合構造体はその外形構造の制御が容易であり、さらにその構造体中には各種の微細な二次形状を実現できることから、上記用途にとどまらず、各種分野の先端機能材料として有望な材料である。   The organic-inorganic composite structure of the present invention is a template linked by physical bonds, obtained by forming a crosslinked structure by further associating secondary shapes formed by crystalline polymer filaments in the presence of water. As the silica is immobilized along the organic nano-composite nanofibers, nano-sized organic-inorganic composite nanofibers are associated with each other. Therefore, the organic-inorganic composite structure is a state in which the organic-inorganic composite nanofiber is highly assembled to form a three-dimensional network structure while maintaining the characteristics of the organic-inorganic composite nanofiber. It can be arbitrarily molded with a size of millimeter or more. Since the organic-inorganic composite structure has a three-dimensional network structure inside, it is useful for high-functional filters such as biofilters and air filters, and for catalysts with a high specific surface area by fixing metal inside the fiber structure. it can. In addition, the organic-inorganic composite structure can be easily controlled in its external structure, and various fine secondary shapes can be realized in the structure. As a promising material.

従って、本発明の有機無機複合ナノファイバ及び有機無機複合構造体は従来のシリカ材料作成時における形状制御の困難さを完全にクリアーした斬新な複合体であり、製造も容易であることから、その応用には業種、領域を問わず、大きな期待が寄せられる。また、本発明の有機無機複合ナノファイバ及び有機無機複合構造体は、内部に直鎖ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーからなる結晶性ポリマーフィラメントが含まれるので、シリカ材料の全般応用領域にはもちろんのこと、ポリエチレンイミンが応用される領域においても有用な材料である。   Therefore, the organic-inorganic composite nanofiber and the organic-inorganic composite structure of the present invention are novel composites that completely clear the difficulty of shape control during the production of conventional silica materials, and are easy to manufacture. High expectations are placed on applications regardless of industry or domain. In addition, since the organic-inorganic composite nanofiber and the organic-inorganic composite structure of the present invention include a crystalline polymer filament made of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton inside, of course, it is a general application area of silica materials. It is also a useful material in the area where polyethyleneimine is applied.

以下、実施例および参考例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を表す。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a reference example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited to these. Unless otherwise specified, “%” represents “mass%”.

[X線回折法による分析]
単離乾燥した試料を測定試料用ホルダーにのせ、それを株式会社リガク製広角X線回折装置「Rint−Ultma」にセットし、Cu/Kα線、40kV/30mA、スキャンスピード1.0°/分、走査範囲10〜40°の条件で測定を行った。
[Analysis by X-ray diffraction method]
Place the isolated and dried sample on the holder for the measurement sample, set it on the wide-angle X-ray diffractometer “Rint-Ultma” manufactured by Rigaku Corporation, Cu / Kα ray, 40 kV / 30 mA, scan speed 1.0 ° / min. The measurement was performed under conditions of a scanning range of 10 to 40 °.

[示差熱走査熱量法による分析]
単離乾燥した試料を測定パッチにより秤量し、それをPerkin Elmer製熱分析装置「DSC−7」にセットし、昇温速度を10℃/分として、20℃から90℃の温度範囲にて測定を行った。
[Analysis by differential thermal scanning calorimetry]
The isolated and dried sample was weighed with a measurement patch, set in a thermal analysis device “DSC-7” manufactured by Perkin Elmer, and measured in a temperature range of 20 ° C. to 90 ° C. with a temperature increase rate of 10 ° C./min Went.

[走査電子顕微鏡による形状分析]
単離乾燥した試料をガラススライドに乗せ、それをキーエンス製表面観察装置VE−7800にて観察した。
[Shape analysis by scanning electron microscope]
The isolated and dried sample was placed on a glass slide and observed with a surface observation device VE-7800 manufactured by Keyence.

[透過電子顕微鏡による観察]
単離乾燥した試料を炭素蒸着された銅グリッドに乗せ、それを(株)トプコン、ノーランインスツルメント社製EM−002B、VOYAGER M3055高分解能電子顕微鏡にて観察した。
[Observation with transmission electron microscope]
The isolated and dried sample was placed on a carbon-deposited copper grid, and observed with a Topcon Co., Ltd., EM-002B manufactured by Nolan Instruments, VOYAGER M3055 high-resolution electron microscope.

(合成例1)
<線状のポリエチレンイミン(L−PEI)の合成>
市販のポリエチルオキサゾリン(数平均分子量500000,平均重合度5000,Aldrich社製)5gを、5Mの塩酸水溶液20mLに溶解させた。その溶液をオイルバスにて90℃に加熱し、その温度で10時間攪拌した。反応液にアセトン50mLを加え、ポリマーを完全に沈殿させ、それを濾過し、メタノールで3回洗浄し、白色のポリエチレンイミンの粉末を得た。得られた粉末をH−NMR(重水)にて同定したところ、ポリエチルオキサゾリンの側鎖エチル基に由来したピーク1.2ppm(CH)と2.3ppm(CH)が完全に消失していることが確認された。即ち、ポリエチルオキサゾリンが完全に加水分解され、ポリエチレンイミンに変換されたことが示された。
(Synthesis Example 1)
<Synthesis of linear polyethyleneimine (L-PEI)>
5 g of commercially available polyethyloxazoline (number average molecular weight 500000, average polymerization degree 5000, manufactured by Aldrich) was dissolved in 20 mL of 5M aqueous hydrochloric acid. The solution was heated to 90 ° C. in an oil bath and stirred at that temperature for 10 hours. Acetone 50 mL was added to the reaction solution to completely precipitate the polymer, which was filtered and washed three times with methanol to obtain a white polyethyleneimine powder. When the obtained powder was identified by 1 H-NMR (heavy water), peaks 1.2 ppm (CH 3 ) and 2.3 ppm (CH 2 ) derived from the side chain ethyl group of polyethyloxazoline completely disappeared. It was confirmed that That is, it was shown that polyethyloxazoline was completely hydrolyzed and converted to polyethyleneimine.

その粉末を5mLの蒸留水に溶解し、攪拌しながら、その溶液に15%のアンモニア水50mLを滴下した。その混合液を一晩放置した後、沈殿した粉末を濾過し、その粉末を冷水で3回洗浄した。洗浄後の粉末をデシケータ中で室温乾燥し、線状のポリエチレンイミン(L−PEI)を得た。収量は4.2g(結晶水含有)であった。ポリオキサゾリンの加水分解により得られるポリエチレンイミンは、側鎖だけが反応し、主鎖には変化がない。従って、L−PEIの重合度は加水分解前の5000と同様である。   The powder was dissolved in 5 mL of distilled water, and 50 mL of 15% aqueous ammonia was added dropwise to the solution while stirring. The mixture was allowed to stand overnight, the precipitated powder was filtered, and the powder was washed 3 times with cold water. The washed powder was dried in a desiccator at room temperature to obtain linear polyethyleneimine (L-PEI). The yield was 4.2 g (including crystal water). In polyethyleneimine obtained by hydrolysis of polyoxazoline, only the side chain reacts and the main chain does not change. Therefore, the polymerization degree of L-PEI is the same as 5000 before hydrolysis.

(合成例2)
<ポルフィリン中心の星状ポリエチレンイミン(P−PEI)合成>
Jin et al.,J.Porphyrin&Phthalocyanine,3,60−64(1999);Jin、Macromol.Chem.Phys.,204,403−409(2003)に示された方法により、前駆体ポリマーであるポルフィリン中心星型ポリメチルオキサゾリンの合成を次の通り行った。
(Synthesis Example 2)
<Synthesis of Porphyrin-Centered Star Polyethylenimine (P-PEI)>
Jin et al. , J .; Porphyrin & Phthalocyanine, 3, 60-64 (1999); Jin, Macromol. Chem. Phys. , 204, 403-409 (2003), a precursor polymer, a porphyrin-centered star-type polymethyloxazoline, was synthesized as follows.

三方コック付の50mlの二口フラスコをアルゴンガスで置換した後、0.0352gのテトラ(p−ヨードメチルフェニル)ポルフィリン(TIMPP)、8.0mlのN,N−ジメチルアセトアミドを加えて、室温で撹拌し、TIMPPを完全に溶解させた。この溶液にポルフィリンに対し、1280倍モル数に相当する2−メチル−2−オキサゾリン3.4ml(3.27g)を加えてから、反応液の温度を100℃にし、24時間撹拌した。反応液温度を室温に下げてから、10mlのメタノールを加えた後、混合液を減圧濃縮した。残留物を15mlのメタノール中に溶解し、その溶液を100mlのテトラヒドロフランに注ぎ、重合体を沈殿させた。同一方法で、重合体を再沈殿させ、吸引ろ過後、得られた重合体をPが置かれたデシケータに入れ、1時間アスピレータで吸引乾燥した。さらに、真空ポンプにて減圧し、真空下24時間乾燥して前駆体ポリマー(TPMO−P)を得た。収量は3.05g、収率は92.3%であった。 After replacing a 50 ml two-necked flask equipped with a three-way cock with argon gas, 0.0352 g of tetra (p-iodomethylphenyl) porphyrin (TIMPP) and 8.0 ml of N, N-dimethylacetamide were added at room temperature. Stir to dissolve TIMPP completely. To this solution, 3.4 ml (3.27 g) of 2-methyl-2-oxazoline corresponding to 1280 times the number of moles of porphyrin was added, and then the temperature of the reaction solution was brought to 100 ° C. and stirred for 24 hours. The reaction solution temperature was lowered to room temperature, 10 ml of methanol was added, and the mixture solution was concentrated under reduced pressure. The residue was dissolved in 15 ml of methanol and the solution was poured into 100 ml of tetrahydrofuran to precipitate the polymer. In the same manner, the polymer was re-precipitated, and after suction filtration, the obtained polymer was put into a desiccator in which P 2 O 5 was placed and sucked and dried with an aspirator for 1 hour. Furthermore, the pressure was reduced with a vacuum pump, and the precursor polymer (TPMO-P) was obtained by drying under vacuum for 24 hours. The yield was 3.05 g, and the yield was 92.3%.

得られた前駆体ポリマー(TPMO−P)のGPCによる数平均分子量は28000で、分子量分布は1.56であった。また、H−NMRにより、重合体アームにおけるエチレンプロトンと重合体中心におけるポルフィリンのピロル環プロトンとの積分比を計算した処、各アームの平均重合度は290であった。従って、H−NMRによる数平均分子量は99900と推定された。H−NMRによる数平均分子量値がGPCでの数平均分子量値を大きく上回ることは、星型高分子における一般的特徴であることに一致する。 The number average molecular weight by GPC of the obtained precursor polymer (TPMO-P) was 28000, and molecular weight distribution was 1.56. Moreover, the average polymerization degree of each arm was 290 when the integral ratio of the ethylene proton in the polymer arm and the pyrrole ring proton of porphyrin at the polymer center was calculated by 1 H-NMR. Therefore, the number average molecular weight by 1 H-NMR was estimated to be 99900. The fact that the number average molecular weight value by 1 H-NMR greatly exceeds the number average molecular weight value by GPC is consistent with a general feature in star polymers.

この前駆体ポリマーを用い、上記合成例1と同様の方法によりポリメチルオキサゾリンを加水分解し、4本のポリエチレンイミンがポルフィリン中心に結合された星状ポリエチレンイミン(P−PEI)を得た。H−NMR(TMS外部標準、重水中)測定の結果、加水分解前の前駆体ポリマーの側鎖メチルに由来した1.98ppmのピークは完全に消失した。 Using this precursor polymer, polymethyloxazoline was hydrolyzed in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain star-shaped polyethyleneimine (P-PEI) in which four polyethyleneimines were bonded to the porphyrin center. As a result of 1 H-NMR (TMS external standard, heavy water) measurement, the 1.98 ppm peak derived from the side chain methyl of the precursor polymer before hydrolysis completely disappeared.

(合成例3)
<ベンゼン環中心の星状ポリエチレンイミン(B−PEI)合成>
Jin,J.Mater.Chem.,13,672−675(2003)に示された方法に従い、前駆体ポリマーであるベンゼン環中心に6本のポリメチルオキサゾリンのアームが結合した星状ポリメチルオキサゾリンを次の通り行った。
(Synthesis Example 3)
<Synthesis of star-shaped polyethyleneimine (B-PEI) centered on benzene ring>
Jin, J .; Mater. Chem. , 13, 672-675 (2003), a star-shaped polymethyloxazoline having 6 polymethyloxazoline arms bonded to the center of the benzene ring as the precursor polymer was performed as follows.

磁気攪拌子がセットされたスリ口試験管中に、重合開始剤としてヘキサキス(ブロモメチル)ベンゼン0.021g(0.033mmol)を入れ、試験管の口に三方コックをつけた後、真空状態にしてから窒素置換を行った。窒素気流下で三方コックの導入口からシリンジを用いて2−メチル−2−オキサゾリン2.0ml(24mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド4.0mlを順次加えた。試験管をオイルバス上で60℃まで加熱し、30分間保ったところ、混合液は透明になった。透明混合液をさらに100℃まで加熱し、その温度で20時間攪拌して、前駆体ポリマーを得た。この混合液のH−NMR測定から、モノマーの転化率は98%であった。この転化率によりポリマーの平均重合度を見積もったところ、各アームの平均重合度は115であった。また、GPCによる分子量測定では、ポリマーの質量平均分子量は22700であり、分子量分布は1.6であった。 Put 0.021 g (0.033 mmol) of hexakis (bromomethyl) benzene as a polymerization initiator in a test tube set with a magnetic stirrer, attach a three-way cock to the test tube, and then put it in a vacuum state. Was replaced with nitrogen. Under a nitrogen stream, 2.0 ml (24 mmol) of 2-methyl-2-oxazoline and 4.0 ml of N, N-dimethylacetamide were sequentially added from the inlet of the three-way cock using a syringe. When the test tube was heated to 60 ° C. on an oil bath and kept for 30 minutes, the mixture became transparent. The transparent mixture was further heated to 100 ° C. and stirred at that temperature for 20 hours to obtain a precursor polymer. From the 1 H-NMR measurement of this mixed liquid, the conversion rate of the monomer was 98%. When the average degree of polymerization of the polymer was estimated based on this conversion, the average degree of polymerization of each arm was 115. Moreover, in the molecular weight measurement by GPC, the mass average molecular weight of the polymer was 22700, and the molecular weight distribution was 1.6.

この前駆体ポリマーを用い、上記合成例1と同様な方法によりポリメチルオキサゾリンを加水分解し、6本のポリエチレンイミンがベンゼン環コアに結合した星状ポリエチレンイミンB−PEIを得た。H−NMR(TMS外部標準、重水中)測定の結果、加水分解前の前駆体ポリマーの側鎖メチルに由来した1.98ppmのピークは完全に消失した。 Using this precursor polymer, polymethyloxazoline was hydrolyzed in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain star-shaped polyethyleneimine B-PEI in which 6 polyethyleneimines were bonded to the benzene ring core. As a result of 1 H-NMR (TMS external standard, heavy water) measurement, the 1.98 ppm peak derived from the side chain methyl of the precursor polymer before hydrolysis completely disappeared.

得られた星状ポリメチルオキサゾリンを、上記合成例1と同様な方法により加水分解し、6本のポリエチレンイミンがベンゼン環コアに結合した星状ポリエチレンイミン(B−PEI)を得た。   The obtained star-shaped polymethyloxazoline was hydrolyzed by the same method as in Synthesis Example 1 to obtain star-shaped polyethyleneimine (B-PEI) in which six polyethyleneimines were bonded to the benzene ring core.

(合成例4)
<ブロック共重合体PEG−b−PEIの合成>
数平均分子量が4000のポリエチレングリコールの方末端にトシレートが結合したポリマーを重合開始剤(PEG−I)として用い、前駆体ブロックポリマーであるポリエチレングリコールとポリオキサゾリンのブロック共重合体を次の通り行った。
(Synthesis Example 4)
<Synthesis of block copolymer PEG-b-PEI>
A block copolymer of polyethylene glycol and polyoxazoline, which is a precursor block polymer, is performed as follows using a polymer in which tosylate is bonded to the end of polyethylene glycol having a number average molecular weight of 4000 as a polymerization initiator (PEG-I). It was.

磁気攪拌子がセットされたスリ口試験管中に、重合開始剤としてPEG−Iを1.5g(0.033mmol)取り入れ、試験管の口に三方コックをつけた後、真空状態にしてから窒素置換を行った。窒素気流下で三方コックの導入口からシリンジを用いて2−メチル−2−オキサゾリン6.0ml(72mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド20.0mlを順次加えた。試験管をオイルバス上で100℃まで加熱し、その温度で24時間攪拌して前駆体ブロックポリマーを得た。得られた混合液のH−NMR測定から、モノマーの転化率は100%であることがわかった。 PEG-I 1.5 g (0.033 mmol) as a polymerization initiator is introduced into a test tube set with a magnetic stirrer, a three-way cock is attached to the test tube port, and then the state is evacuated before nitrogen. Replacement was performed. Under a nitrogen stream, 6.0 ml (72 mmol) of 2-methyl-2-oxazoline and 20.0 ml of N, N-dimethylacetamide were sequentially added from the inlet of the three-way cock using a syringe. The test tube was heated to 100 ° C. on an oil bath and stirred at that temperature for 24 hours to obtain a precursor block polymer. From the 1 H-NMR measurement of the obtained liquid mixture, it was found that the monomer conversion was 100%.

精製後の前駆体ブロックポリマーの収率は93%であった。また、H−NMR測定において、ポリマー末端トシル基を基準とした各積分比を求めたが、PEGの重合度は45、ポリオキサゾリンの重合度は93であった。即ち、ブロックポリマーの平均重合度は138であった。また、GPCによる分子量測定では、ポリマーの数平均分子量は12000であり、分子量分布は1.27であった。 The yield of the precursor block polymer after purification was 93%. Further, in the 1 H-NMR measurement, each integration ratio based on the polymer terminal tosyl group was determined, and the degree of polymerization of PEG was 45 and the degree of polymerization of polyoxazoline was 93. That is, the average degree of polymerization of the block polymer was 138. Moreover, in the molecular weight measurement by GPC, the number average molecular weight of the polymer was 12000 and the molecular weight distribution was 1.27.

この前駆体ブロックポリマーを用い、上記合成例1と同様の方法によりポリオキサゾリンを加水分解し、PEGにポリエチレンイミンが結合したブロック共重合体(PEG−b−PEI)を得た。H−NMR(TMS外部標準、重水中)測定の結果、加水分解前の前駆体ポリマーの側鎖メチルに由来した1.98ppmのピークは完全に消失した。 Using this precursor block polymer, polyoxazoline was hydrolyzed in the same manner as in Synthesis Example 1 to obtain a block copolymer (PEG-b-PEI) in which polyethyleneimine was bonded to PEG. As a result of 1 H-NMR (TMS external standard, heavy water) measurement, the 1.98 ppm peak derived from the side chain methyl of the precursor polymer before hydrolysis completely disappeared.

(実施例1)
<線状ポリエチレンイミン系からの有機無機複合構造体>
合成例1で得られたL−PEI粉末を一定量秤量し、それを蒸留水中に分散させて表1に示した各種濃度のL−PEI分散液を作成した。これら分散液をオイルバスにて、90℃に加熱し、濃度が異なる完全透明な水溶液を得た。その水溶液を室温に放置し、自然に室温までに冷やし、不透明なL−PEIヒドロゲル(11)〜(15)を得た。得られたヒドロゲルは、剪断力を加えると変形を生じるが、概ねの形状を保持できるアイスクリーム状態のヒドロゲルであった。
(Example 1)
<Organic-inorganic composite structure from linear polyethyleneimine system>
A certain amount of L-PEI powder obtained in Synthesis Example 1 was weighed and dispersed in distilled water to prepare L-PEI dispersions having various concentrations shown in Table 1. These dispersions were heated to 90 ° C. in an oil bath to obtain completely transparent aqueous solutions having different concentrations. The aqueous solution was allowed to stand at room temperature and naturally cooled to room temperature to obtain opaque L-PEI hydrogels (11) to (15). The obtained hydrogel was deformed when a shearing force was applied, but was an ice cream-like hydrogel capable of maintaining a general shape.

得られたヒドロゲル(15)につき、X線回折測定を行った結果、20.7°、27.6°、28.4°に散乱強度のピークが表れることが確認された。また、熱量分析装置による吸熱状態変化の測定結果により、64.7℃で吸熱のピークが確認された。これら測定結果より、ヒドロゲル中におけるL−PEIの結晶の存在が確認された。   As a result of X-ray diffraction measurement of the obtained hydrogel (15), it was confirmed that peaks of scattering intensity appeared at 20.7 °, 27.6 °, and 28.4 °. Moreover, the endothermic peak was confirmed at 64.7 ° C. from the measurement result of the endothermic state change by the calorimeter. From these measurement results, the presence of L-PEI crystals in the hydrogel was confirmed.

これで得られたヒドロゲル1mL中に、表1に示したように、テトラメトキシシラン(TMSO)とエタノールの1/1(体積比)の混合液を1mLまたは2mL加え、アイスクリーム状態のものを軽く一分間かき混ぜた後、そのまま40分放置した。その後、過剰なアセトンで洗浄し、それを円心分離器にて3回洗浄を行った。得られた固形物を回収し、室温で乾燥し、有機無機複合構造体11〜15を得た。有機無機複合構造体14のX線回折測定から、20.5°、27.2°、28.2°に散乱強度のピークが表れた。   As shown in Table 1, 1 mL or 2 mL of a mixture solution of tetramethoxysilane (TMSO) and ethanol (volume ratio) of 1 mL or 2 mL was added to 1 mL of the hydrogel thus obtained. After stirring for 1 minute, it was left as it was for 40 minutes. Then, it wash | cleaned with excess acetone, and it wash | cleaned 3 times with the concentric separator. The obtained solid was collected and dried at room temperature to obtain organic-inorganic composite structures 11-15. From the X-ray diffraction measurement of the organic-inorganic composite structure 14, peaks of scattering intensity appeared at 20.5 °, 27.2 °, and 28.2 °.

得られた有機無機複合構造体を走査型顕微鏡により観察したところ、有機無機複合構造体11〜15中には、いずれもレタス状の会合体形状が確認された。得られた有機無機複合構造体14の走査型顕微鏡写真を図1に示した。また、該有機無機複合構造体14を透過型電子顕微鏡により観察したところ、図2に示したように太さが約5nmの結晶性ポリマーフィラメント表面にシリカが被覆されていることが確認された。   When the obtained organic-inorganic composite structure was observed with a scanning microscope, a lettuce-like aggregate shape was confirmed in each of the organic-inorganic composite structures 11-15. A scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 14 is shown in FIG. Further, when the organic-inorganic composite structure 14 was observed with a transmission electron microscope, it was confirmed that the surface of the crystalline polymer filament having a thickness of about 5 nm was coated with silica as shown in FIG.

(実施例2)
<ポルフィリン含有星状ポリエチレンイミンを用いた有機無機複合構造体>
実施例1において、L−PEI粉末を用いる代わりに合成例2で合成したP−PEIを使用し、実施例1と同様な方法により、表2に示した各濃度のP−PEIヒドロゲル(21)〜(25)を得た。得られたヒドロゲルは、剪断力を加えると変形を生じるが、概ねの形状を保持できるアイスクリーム状態のヒドロゲルであった。
(Example 2)
<Organic-inorganic composite structure using porphyrin-containing star-shaped polyethyleneimine>
In Example 1, instead of using L-PEI powder, P-PEI synthesized in Synthesis Example 2 was used, and P-PEI hydrogels (21) having various concentrations shown in Table 2 were prepared in the same manner as in Example 1. To (25) were obtained. The obtained hydrogel was deformed when a shearing force was applied, but was an ice cream-like hydrogel capable of maintaining a general shape.

得られたヒドロゲル(25)につき、X線回折測定を行った結果、20.4°、27.3°、28.1°に散乱強度のピークが表れることが確認された。また、熱量分析装置による吸熱状態変化の測定結果により、64.1℃で吸熱のピークが確認された。これら測定結果より、ヒドロゲル中におけるP−PEIの結晶の存在が確認された。   As a result of X-ray diffraction measurement of the obtained hydrogel (25), it was confirmed that peaks of scattering intensity appeared at 20.4 °, 27.3 °, and 28.1 °. Moreover, the endothermic peak was confirmed at 64.1 degreeC by the measurement result of the endothermic state change by a calorimeter. From these measurement results, the presence of P-PEI crystals in the hydrogel was confirmed.

これで得られたヒドロゲル1mL中に、表2に示したように、テトラメトキシシラン(TMSO)とエタノールの1/1(体積比)の混合液を1mLまたは2mL加え、アイスクリーム状態のものを軽く一分間かき混ぜた後、そのまま40分放置した。その後、過剰なアセトンで洗浄し、それを円心分離器にて3回洗浄を行った。得られた固形物を回収し、室温で乾燥し、有機無機複合構造体21〜25を得た。有機無機複合構造体24のX線回折測定を行った結果、シリカ被覆前と同様な散乱ピークが20.5°、27.4°、28.1°に表れた。   As shown in Table 2, 1 mL or 2 mL of a mixture of tetramethoxysilane (TMSO) and ethanol (volume ratio) of 1 mL or 2 mL was added to 1 mL of the hydrogel thus obtained. After stirring for 1 minute, it was left as it was for 40 minutes. Then, it wash | cleaned with excess acetone, and it wash | cleaned 3 times with the concentric separator. The obtained solid was collected and dried at room temperature to obtain organic-inorganic composite structures 21 to 25. As a result of X-ray diffraction measurement of the organic-inorganic composite structure 24, the same scattering peaks as before silica coating appeared at 20.5 °, 27.4 °, and 28.1 °.

得られた有機無機複合構造体を走査型顕微鏡により観察したところ、有機無機複合構造体21〜25中には、いずれもアスター形状の会合体形状が確認された。得られた有機無機複合構造体24の走査型顕微鏡写真を図3に示した。   When the obtained organic-inorganic composite structure was observed with a scanning microscope, all of the organic-inorganic composite structures 21 to 25 were confirmed to have an aster-like aggregate shape. A scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 24 is shown in FIG.

(実施例3)
<ベンゼン環中心のポリエチレンイミンを用いた有機無機複合構造体>
実施例1において、L−PEI粉末を用いる代わりに合成例3で合成したB−PEIを使用し、実施例1と同様な方法により、表3に示した各濃度のB−PEIヒドロゲル(31)〜(35)を得た。得られたヒドロゲルは、剪断力を加えると変形を生じるが、概ねの形状を保持できるアイスクリーム状態のヒドロゲルであった。得られたヒドロゲルのゲル化温度を表3に示した。
(Example 3)
<Organic inorganic composite structure using polyethyleneimine with benzene ring center>
In Example 1, instead of using L-PEI powder, B-PEI synthesized in Synthesis Example 3 was used, and B-PEI hydrogels (31) having various concentrations shown in Table 3 were prepared in the same manner as in Example 1. To (35) was obtained. The obtained hydrogel was deformed when a shearing force was applied, but was an ice cream-like hydrogel capable of maintaining a general shape. The gelation temperature of the resulting hydrogel is shown in Table 3.

得られたヒドロゲル(34)につき、X線回折測定を行った結果、20.3°、27.3°、28.2°に散乱強度のピークが表れることが確認された。また、熱量分析装置による吸熱状態変化の測定結果により、55.3°に吸熱のピークが確認された。これら測定結果より、ヒドロゲル中におけるB−PEIの結晶の存在が確認された。   The obtained hydrogel (34) was subjected to X-ray diffraction measurement, and as a result, it was confirmed that peaks of scattering intensity appeared at 20.3 °, 27.3 °, and 28.2 °. Moreover, the endothermic peak was confirmed at 55.3 ° from the measurement result of the endothermic state change by the calorimeter. From these measurement results, the presence of B-PEI crystals in the hydrogel was confirmed.

これで得られたヒドロゲル1mL中に、表3に示したように、テトラメトキシシラン(TMSO)とエタノールの1/1(体積比)の混合液を1mLまたは2mL加え、アイスクリーム状態のものを軽く一分間かき混ぜた後、そのまま40分放置した。その後、過剰なアセトンで洗浄し、それを円心分離器にて3回洗浄を行った。得られた固形物を回収し、室温で乾燥し、有機無機複合構造体31〜35を得た。有機無機複合構造体34のX線回折測定から、20.5°、27.5°、28.3°に散乱強度のピークが表れた。   As shown in Table 3, 1 mL or 2 mL of a mixture of tetramethoxysilane (TMSO) and ethanol (volume ratio) of 1 mL or 2 mL was added to 1 mL of the hydrogel thus obtained. After stirring for 1 minute, it was left as it was for 40 minutes. Then, it wash | cleaned with excess acetone, and it wash | cleaned 3 times with the concentric separator. The obtained solid was collected and dried at room temperature to obtain organic-inorganic composite structures 31-35. From the X-ray diffraction measurement of the organic-inorganic composite structure 34, peaks of scattering intensity appeared at 20.5 °, 27.5 °, and 28.3 °.

得られた有機無機複合構造体を走査型顕微鏡により観察したところ、有機無機複合構造体31〜35は、いずれもファイバ状の会合体形状が寄り集まったスポンジ状であった。得られた有機無機複合構造体34の走査型顕微鏡写真を図4に示す。   When the obtained organic-inorganic composite structure was observed with a scanning microscope, all of the organic-inorganic composite structures 31-35 were in the form of sponges in which fiber-like aggregate shapes gathered together. A scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 34 is shown in FIG.

(実施例4)
<ブロックポリマーを用いたヒドロゲル>
実施例1において、L−PEI粉末を用いる代わりに合成例4で合成したPEG−b−PEIを使用し、実施例1と同様な方法により、濃度が5%のPEG−b−PEIヒドロゲル41を得た。
Example 4
<Hydrogel using block polymer>
In Example 1, the PEG-b-PEI hydrogel 41 having a concentration of 5% was prepared in the same manner as in Example 1 except that the PEG-b-PEI synthesized in Synthesis Example 4 was used instead of the L-PEI powder. Obtained.

これで得られたヒドロゲル1mL中に、テトラメトキシシラン(TMSO)とエタノールの1/1(体積比)の混合液を1.5mL加え、アイスクリーム状態のものを軽く一分間かき混ぜた後、そのまま40分放置した。その後、過剰なアセトンで洗浄し、それを円心分離器にて3回洗浄を行った。得られた固形物を回収し、室温で乾燥し、実施例1と同様な方法で有機無機複合構造体41を得た。   To 1 mL of the hydrogel thus obtained, 1.5 mL of a mixed solution of tetramethoxysilane (TMSO) and ethanol (volume ratio) 1/1 (volume ratio) was added, and the ice cream state was lightly stirred for 1 minute, and then directly 40 Left for a minute. Then, it wash | cleaned with excess acetone, and it wash | cleaned 3 times with the concentric separator. The obtained solid was collected and dried at room temperature, and an organic-inorganic composite structure 41 was obtained in the same manner as in Example 1.

得られた有機無機複合構造体を走査型顕微鏡により観察したところ、有機無機複合構造体41中には、サボテン状の会合体形状が確認された。得られた有機無機複合構造体34の走査型顕微鏡写真を図5に示す。   When the obtained organic-inorganic composite structure was observed with a scanning microscope, a cactus-like aggregate shape was confirmed in the organic-inorganic composite structure 41. A scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 34 is shown in FIG.

(実施例5)
<有機溶剤が含まれるポリエチレンイミンヒドロゲルからの有機無機複合構造体>
実施例1における蒸留水の代わりに、蒸留水に表5に示した有機溶剤が含まれた、水と親水性有機溶剤の混合溶液を使用した以外は実施例1における(14)と同様にして、有機溶剤含有ヒドロゲル(51)〜(53)を得た。得られたヒドロゲルは、剪断力を加えると変形を生じるが、概ねの形状を保持できるアイスクリーム状態のヒドロゲルであった。
(Example 5)
<Organic-inorganic composite structure from polyethyleneimine hydrogel containing organic solvent>
Instead of distilled water in Example 1, the same procedure as in (14) in Example 1 was used except that a mixed solution of water and a hydrophilic organic solvent in which the organic solvent shown in Table 5 was contained in distilled water was used. Organic solvent-containing hydrogels (51) to (53) were obtained. The obtained hydrogel was deformed when a shearing force was applied, but was an ice cream-like hydrogel capable of maintaining a general shape.

これで得られたヒドロゲル1mL中に、表5に示したように、テトラメトキシシラン(TMSO)とエタノールの1/1(体積比)の混合液を1mLまたは2mLを加え、アイスクリーム状態のものを軽く一分間かき混ぜた後、そのまま40分放置した。その後、過剰なアセトンで洗浄し、それを円心分離器にて3回洗浄を行った。得られた固形物を回収し、室温で乾燥し、有機無機複合構造体51〜53を得た。   As shown in Table 5, add 1 mL or 2 mL of a 1/1 (volume ratio) mixture of tetramethoxysilane (TMSO) and ethanol to 1 mL of the hydrogel thus obtained. After lightly stirring for 1 minute, it was left as it was for 40 minutes. Then, it wash | cleaned with excess acetone, and it wash | cleaned 3 times with the concentric separator. The obtained solid was collected and dried at room temperature to obtain organic-inorganic composite structures 51-53.

得られた有機無機複合構造体を走査型顕微鏡により観察したところ、有機無機複合構造体51〜53はいずれも異なる会合体形状を有していた。得られた有機無機複合構造体51の走査型顕微鏡写真を図6に、有機無機複合構造体52の走査型顕微鏡写真を図7に、有機無機複合構造体53の走査型顕微鏡写真を図8にそれぞれ示した。   When the obtained organic-inorganic composite structure was observed with a scanning microscope, the organic-inorganic composite structures 51-53 all had different aggregate shapes. The scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 51 is shown in FIG. 6, the scanning micrograph of the organic-inorganic composite structure 52 is shown in FIG. 7, and the scanning micrograph of the organic-inorganic composite structure 53 is shown in FIG. Shown respectively.

(実施例6)
<ジアルデヒドで架橋化されたポリエチレンイミンヒドロゲルからの有機無機複合構造体>
実施例1で示されたように、L−PEI濃度が3%のヒドロゲル1mLに:20mg)をプレート状に調製し、それを10mLのグルタリルアルデヒドの水溶液(5%)中に加え、室温下24時間放置した。化学架橋化前のヒドロゲルはアイスクリーム状態であり、剪断力により任意に形を変えたが、化学架橋化処理により得られたヒドロゲルは剪断力による形の変化は起こらなかった。
(Example 6)
<Organic-inorganic composite structure from polyethyleneimine hydrogel cross-linked with dialdehyde>
As shown in Example 1, 1 mg of hydrogel with 3% L-PEI concentration: 20 mg) was prepared into a plate and added to 10 mL of an aqueous solution of glutarylaldehyde (5%) at room temperature. Left for 24 hours. The hydrogel before chemical crosslinking was in an ice cream state, and the shape was arbitrarily changed by shearing force, but the shape of the hydrogel obtained by chemical crosslinking treatment did not change due to shearing force.

このプレートをTMOS/EtOH(1/1)の混合液2mL中、24時間浸せきした。このプレートを繰り返しアセトン中に浸せきし、洗浄した。これにより有機無機複合構造体61を得た。   The plate was immersed in 2 mL of a TMOS / EtOH (1/1) mixture for 24 hours. The plate was repeatedly immersed in acetone and washed. Thereby, an organic-inorganic composite structure 61 was obtained.

得られた有機無機複合構造体61のプレートの走査型顕微鏡写真を図9に、該有機無機複合構造体プレートの表面の走査型顕微鏡写真を図10に示した。   A scanning micrograph of the obtained organic-inorganic composite structure 61 plate is shown in FIG. 9, and a scanning micrograph of the surface of the organic-inorganic composite structure plate is shown in FIG.

本発明の実施例1におけるレタス状の会合体形状を有する有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic-inorganic composite structure having a lettuce-like aggregate shape in Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1における有機無機複合構造体中のシリカで被覆された結晶性ポリマーフィラメントの透過電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of the crystalline polymer filament coat | covered with the silica in the organic inorganic composite structure in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2におけるアスター状の会合体形状を有する有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure which has an aster-like aggregated body shape in Example 2 of this invention. 本発明の実施例3におけるファイバ状の会合体形状を有する有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure which has a fiber-like aggregated body shape in Example 3 of this invention. 本発明の実施例4におけるサボテン状の会合体形状を有する有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure which has a cactus-like aggregated body shape in Example 4 of this invention. 本発明の実施例5におけるアセトンを含む系からを有する有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure which has from the system containing acetone in Example 5 of this invention. 本発明の実施例5におけるDMFを含む系からの有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure from the system containing DMF in Example 5 of the present invention. 本発明の実施例5におけるエタノールを含む系からの有機無機複合構造体の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure from the system containing ethanol in Example 5 of the present invention. 本発明の実施例6における化学結合により架橋した系からの有機無機複合構造体プレートの走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure plate from the system bridge | crosslinked by the chemical bond in Example 6 of this invention. 本発明の実施例6における化学結合により架橋した系からの有機無機複合構造体プレート表面の走査型顕微鏡写真である。It is a scanning microscope picture of the organic inorganic composite structure plate surface from the system bridge | crosslinked by the chemical bond in Example 6 of this invention.

Claims (16)

直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントと、前記結晶性ポリマーフィラメントを被覆するシリカとからなる有機無機複合ナノファイバ。 An organic-inorganic composite nanofiber comprising a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and silica covering the crystalline polymer filament. 前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが線状、星状、又は櫛状のいずれかである請求項1記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to claim 1, wherein the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is any one of a linear shape, a star shape, and a comb shape. 前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーが、直鎖状ポリエチレンイミンブロックと、他のポリマーブロックとのブロックコポリマーからなるものである請求項1又は2のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to claim 1 or 2, wherein the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is composed of a block copolymer of a linear polyethyleneimine block and another polymer block. 前記直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマー中のポリエチレンイミン骨格の割合が25モル%以上である請求項1〜3のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio of the polyethyleneimine skeleton in the polymer having the linear polyethyleneimine skeleton is 25 mol% or more. シリカの含有量が30〜90質量%の範囲にある請求項1〜4のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to any one of claims 1 to 4, wherein the silica content is in the range of 30 to 90 mass%. 太さが10〜1000nmの範囲にある請求項1〜5のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to any one of claims 1 to 5, wherein the thickness is in the range of 10 to 1000 nm. 前記結晶性ポリマーフィラメントの太さが1〜100nmの範囲にある請求項1〜6のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバ。 The organic-inorganic composite nanofiber according to any one of claims 1 to 6, wherein a thickness of the crystalline polymer filament is in a range of 1 to 100 nm. 請求項1〜7のいずれかに記載の有機無機複合ナノファイバが、該有機無機ナノファイバ中の結晶性ポリマーフィラメント同士の会合により相互に会合してなる有機無機複合構造体。 An organic-inorganic composite structure in which the organic-inorganic composite nanofibers according to any one of claims 1 to 7 are associated with each other by association of crystalline polymer filaments in the organic-inorganic nanofibers. 前記結晶性ポリマーフィラメント同士が架橋剤により架橋されてなる請求項8に記載の有機無機複合構造体。 The organic-inorganic composite structure according to claim 8, wherein the crystalline polymer filaments are crosslinked with a crosslinking agent. (1)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶媒に溶解させた後、水の存在下で析出させ、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを得る工程、及び(2)水の存在下で、前記結晶性ポリマーフィラメントとアルコキシシランとを接触させることにより、前記結晶性ポリマーフィラメントをシリカで被覆する工程、
からなる有機無機ナノファイバの製造方法。
(1) A step of dissolving a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton in a solvent and then precipitating it in the presence of water to obtain a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and (2) Coating the crystalline polymer filament with silica by contacting the crystalline polymer filament with an alkoxysilane in the presence of water;
The manufacturing method of the organic inorganic nanofiber which consists of.
前記アルコキシシランが、3価以上のアルコキシシランである請求項10に記載の有機無機複合ナノファイバの製造方法。 The method for producing an organic-inorganic composite nanofiber according to claim 10, wherein the alkoxysilane is a trivalent or higher-valent alkoxysilane. 前記工程(2)において結晶性ポリマーフィラメントと接触させるアルコキシシランの量が、結晶性ポリマーフィラメントを形成する直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーのエチレンイミン単位に対して2〜1000倍等量の範囲にある請求項10又は11に記載の有機無機複合ナノファイバの製造方法。 The amount of alkoxysilane brought into contact with the crystalline polymer filament in the step (2) is in the range of 2 to 1000 times equivalent to the ethyleneimine unit of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton that forms the crystalline polymer filament. The method for producing an organic-inorganic composite nanofiber according to claim 10 or 11. (1’)直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーを溶媒に溶解させた後、水の存在下で析出させ、直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーの結晶性ポリマーフィラメントを得ると共に、前記結晶性ポリマーフィラメントからなるヒドロゲルを得る工程、
(2’)水の存在下で、前記結晶性ポリマーフィラメントからなるヒドロゲルとアルコキシシランとを接触させることにより、前記ヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントをシリカで被覆する工程、
からなる有機無機複合構造体の製造方法。
(1 ′) A polymer having a linear polyethyleneimine skeleton is dissolved in a solvent, and then precipitated in the presence of water to obtain a crystalline polymer filament of a polymer having a linear polyethyleneimine skeleton, and the crystalline property Obtaining a hydrogel comprising polymer filaments;
(2 ′) a step of coating the crystalline polymer filament in the hydrogel with silica by bringing the hydrogel composed of the crystalline polymer filament into contact with an alkoxysilane in the presence of water;
A method for producing an organic-inorganic composite structure comprising:
前記(1’)の工程の後に、前記ヒドロゲルを架橋剤で架橋させる請求項13に記載の有機無機複合構造体の製造方法。 The method for producing an organic-inorganic composite structure according to claim 13, wherein the hydrogel is crosslinked with a crosslinking agent after the step (1 '). 前記アルコキシシランが、3価以上のアルコキシシランである請求項13又は14に記載の有機無機複合構造体の製造方法。 The method for producing an organic-inorganic composite structure according to claim 13 or 14, wherein the alkoxysilane is a trivalent or higher-valent alkoxysilane. 前記工程(2’)において前記ヒドロゲルと接触させるアルコキシシランの量が、前記ヒドロゲル中の結晶性ポリマーフィラメントを形成する直鎖状ポリエチレンイミン骨格を有するポリマーのエチレンイミン単位に対して2〜1000倍等量の範囲にある請求項13〜15のいずれかに記載の有機無機複合構造体の製造方法。 The amount of alkoxysilane to be contacted with the hydrogel in the step (2 ′) is 2 to 1000 times the ethyleneimine unit of the polymer having a linear polyethyleneimine skeleton that forms a crystalline polymer filament in the hydrogel. The method for producing an organic-inorganic composite structure according to any one of claims 13 to 15, which is in an amount range.
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