JP2006312794A - Method for producing polymer fiber - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、高分子ファイバーの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a polymer fiber.
近年、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として生分解性、生体適合性の高い高分子材料のナノファイバーの作製が望まれている。高分子ファイバーの作製方法としては、従来より、エレクトロスピニング法が知られている。この方法は、高電圧によって紡糸を行う方法である。具体的には、高分子溶液に高電圧を印加すると溶液表面に電荷が誘発、蓄積され、表面張力が電荷の反発力を超えると荷電した溶液のジェットが噴射される。噴射したジェットは溶媒の蒸発によりさらに細かいジェットとなって、最終的にコレクタと呼ばれる部分に高分子ファイバーを得るものであり、外径が数百ナノメートルレベルのナノファイバーの作製が可能である。しかしながら、細胞の足場材料として適用するためには、細胞外マトリクスとほぼ同径の数十ナノメートルレベルのナノファイバーとすることが必要であり、そのための製造方法の開発が求められている。 In recent years, as a scaffold material suitable for angiogenesis, cell adhesion for nerve regeneration, and cell proliferation, it is desired to produce a nanofiber of a polymer material having high biodegradability and high biocompatibility. As a method for producing a polymer fiber, an electrospinning method has been conventionally known. This method is a method of spinning by a high voltage. Specifically, when a high voltage is applied to the polymer solution, charges are induced and accumulated on the solution surface, and when the surface tension exceeds the repulsive force of the charge, a jet of the charged solution is jetted. The jet that is jetted becomes a finer jet due to evaporation of the solvent, and finally a polymer fiber is obtained in a portion called a collector, and it is possible to produce a nanofiber with an outer diameter of several hundred nanometers. However, in order to be applied as a scaffold material for cells, it is necessary to form nanofibers of the order of several tens of nanometers having the same diameter as that of the extracellular matrix, and development of a manufacturing method therefor is required.
ところで、たとえば、絹フィブロインまたは絹様材料を特定の溶媒に溶解させてエレクトロスピニングすることで、数十nm〜数百nmの極細繊維による不織布を得る方法が報告されてもいる(たとえば、特許文献1参照)。この方法は、絹フィブロインまたは絹様材料については有効であるが、他の高分子材料については検討されておらず、より最適な高分子ファイバーの製造方法の開発が望まれているのが実情である。
そこで、本願発明は、以上のとおりの背景よりなされたものであって、外径が数十ナノメートルレベルまで可能な高分子ファイバーを簡便に製造することができ、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として適用可能な高分子ファイバーの製造方法を提供することを課題としている。 Therefore, the present invention has been made based on the background as described above, and can easily produce a polymer fiber having an outer diameter of up to several tens of nanometers, for angiogenesis and nerve regeneration. It is an object to provide a method for producing a polymer fiber that can be applied as a scaffold material suitable for cell adhesion and cell growth.
本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第1には、高分子溶液に電圧を印加し、高分子溶液のジェットを噴射して高分子ファイバーを形成させるエレクトロスピニング法による高分子ファイバーの製造方法において、前記高分子溶液のジェットをこの高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させ、貧溶媒液面に高分子ファイバーを形成させることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。 The present invention solves the above-mentioned problems. First, a polymer fiber by an electrospinning method in which a voltage is applied to a polymer solution and a jet of the polymer solution is jetted to form a polymer fiber. In the production method, there is provided a method for producing a polymer fiber, characterized in that a jet of the polymer solution is jetted into a poor solvent of the polymer to cause a coagulation bath to form a polymer fiber on the liquid surface of the poor solvent.
本願発明は、第2には、上記第1の発明において、高分子の貧溶媒は、高分子溶液の溶媒の良溶媒であることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。 The present invention secondly provides the method for producing a polymer fiber according to the first invention, wherein the polymer poor solvent is a good solvent of the polymer solution.
本願発明は、第3には、上記第1、第2の発明において、高分子の貧溶媒は、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。 The third aspect of the present invention is characterized in that, in the first and second aspects of the invention, the poor solvent for the polymer is an organic compound, an inorganic compound, or a metal dissolved or partially dissolved. A method for producing a molecular fiber is provided.
そして、第4には、上記第1から第3のいずれかの発明において、ポリグリコール酸の溶液のジェットを水に噴射して高分子ファイバーを形成させることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。 Fourthly, in any one of the first to third inventions, a method for producing a polymer fiber, wherein a polymer fiber is formed by jetting a jet of a polyglycolic acid solution into water. I will provide a.
上記第1の発明によれば、高分子溶液のジェットをこの高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させることにより、外径が数十ナノメートルレベルまで可能な高分子ファイバーを簡便に製造することができる。 According to the first aspect of the present invention, a polymer fiber capable of having an outer diameter of up to several tens of nanometers can be easily produced by injecting a jet of a polymer solution into a poor solvent of the polymer to cause a coagulation bath. Can do.
上記第2の発明によれば、高分子の貧溶媒が高分子溶液の溶媒の良溶媒であることにより、高分子溶液のジェットを凝固浴させた後の高分子溶液の溶媒除去操作を省くことができ、効率良く高分子ファイバーを製造することができる。 According to the second aspect of the invention, since the poor solvent for the polymer is a good solvent for the polymer solution, the solvent removal operation of the polymer solution after the coagulation bath of the polymer solution jet is omitted. The polymer fiber can be produced efficiently.
上記第3の発明によれば、高分子の貧溶媒は、有機化合物、無機化合物が溶解もしくは部分溶解されたものであることにより、有機化合物あるいは無機化合物の様々な溶液を高分子の貧溶媒(貧溶液)とすることができる。また、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることにより、これら各種化合物をその構成の一部とする高分子ファイバーを製造することができる。 According to the third aspect of the invention, the high molecular poor solvent is a solution in which an organic compound or an inorganic compound is dissolved or partially dissolved. Poor solution). Moreover, the polymer fiber which makes these various compounds a part of the structure can be manufactured by what an organic compound, an inorganic compound, or a metal melt | dissolved or partially dissolved.
上記第4の発明によれば、ポリグリコール酸の溶液のジェットを水に噴射することにより、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として適用可能な生分解性高分子のナノファイバーを製造することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, a highly biodegradable material that can be applied as a scaffold material suitable for angiogenesis, cell adhesion for nerve regeneration, and cell proliferation by jetting a jet of a polyglycolic acid solution into water. Molecular nanofibers can be produced.
本願発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。 The present invention has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
本願発明の高分子ファイバーの製造方法は、高分子溶液に電圧を印加し、溶液のジェットを噴射させて高分子ファイバーを形成させるエレクトロスピニング法を利用している。 The polymer fiber manufacturing method of the present invention utilizes an electrospinning method in which a polymer fiber is formed by applying a voltage to a polymer solution and ejecting a jet of the solution.
エレクトロスピニング法は、上述の通り、高分子溶液に電圧を印加すると溶液表面に電荷が誘発、蓄積され、表面張力が電荷の反発力を超えると荷電した溶液のジェットが噴射される。そして、噴射したジェットは溶媒の蒸発によりさらに細かいジェットとなって、最終的にコレクタと呼ばれる部分に高分子ファイバーを得るものである。ここで、印加する電圧は一般的には10kVから30kV程度であるが、これに限定されるものではない。 In the electrospinning method, as described above, when a voltage is applied to the polymer solution, charges are induced and accumulated on the solution surface, and when the surface tension exceeds the repulsive force of the charge, a jet of the charged solution is jetted. The jet thus jetted becomes a finer jet due to evaporation of the solvent, and finally a polymer fiber is obtained in a portion called a collector. Here, the voltage to be applied is generally about 10 kV to 30 kV, but is not limited thereto.
本願発明において何よりも特徴的なことは、上記のエレクトロスピニング法において、前記高分子溶液のジェットをその高分子の貧溶媒に噴射して凝固浴させていることである。従来のエレクトロスピニング法では、噴射したジェットがコレクタに集積されるまでの過程でファイバーが膨張し、そのためにファイバー径が数百ナノメートルに達してしまうことが考えられていた。そこで、本願発明は、高分子溶液のジェットをその高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させ、この貧溶媒のナノファイバーに対する外圧によって膨張を防ぎ、貧溶媒液面に外径が数十ナノメートルレベルの高分子ファイバーの形成を可能にしている。 The most characteristic feature of the present invention is that, in the electrospinning method, a jet of the polymer solution is jetted into a poor solvent of the polymer to cause a coagulation bath. In the conventional electrospinning method, it has been considered that the fiber expands in the process until the jet jet is accumulated in the collector, and the fiber diameter reaches several hundred nanometers. Therefore, the present invention jets a polymer solution jet into a poor solvent of the polymer to cause a coagulation bath, prevents expansion by the external pressure of the poor solvent against the nanofiber, and the outer diameter of the poor solvent liquid surface is several tens of nanometers. This makes it possible to form high-level polymer fibers.
本願発明における高分子溶液の高分子としては任意のものであってよく、好適には、たとえばポリグリコール酸、ポリ乳酸などに代表される脂肪族ポリエステルやキトサン、ポリビニルアルコールなどの生分解性高分子を例示することができる。そして、この高分子溶液の溶媒については、高分子を溶解させるものであればよく特に限定されるものではない。 The polymer of the polymer solution in the present invention may be any polymer, and is preferably a biodegradable polymer such as aliphatic polyester represented by polyglycolic acid, polylactic acid, chitosan, polyvinyl alcohol, and the like. Can be illustrated. The solvent of the polymer solution is not particularly limited as long as it dissolves the polymer.
本願発明における貧溶媒は、使用する高分子溶液における高分子に対して溶解度の低い溶媒のことを指しており、使用する高分子の種類によって貧溶媒の種類を適宜に選択する
ようにしている。高分子と貧溶媒の組み合わせについては特に限定されるものではない。
The poor solvent in the present invention refers to a solvent having low solubility with respect to the polymer in the polymer solution to be used, and the type of the poor solvent is appropriately selected according to the type of polymer to be used. The combination of the polymer and the poor solvent is not particularly limited.
この貧溶媒は、使用する高分子溶液の溶媒の良溶媒であることが好ましい。これによって、高分子溶液のジェットを貧溶媒に凝固浴させて高分子ファイバーを形成させる際にはこの貧溶媒と高分子溶液の溶媒が相溶することになり、高分子ファイバー形成後の高分子溶液の溶媒除去操作を省くことができ、効率良く高分子ファイバーを製造することができる。 This poor solvent is preferably a good solvent for the polymer solution used. As a result, when forming a polymer fiber by coagulating a polymer solution jet in a poor solvent, the poor solvent and the polymer solution solvent are compatible with each other. The solvent removal operation of the solution can be omitted, and the polymer fiber can be produced efficiently.
また、本願発明における貧溶媒は、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであってもよい。高分子の貧溶媒が、有機化合物、無機化合物が溶解もしくは部分溶解されたものであることによって、有機化合物あるいは無機化合物の様々な溶液を高分子の貧溶媒(貧溶液)とすることができる。この場合には、たとえば水−アルコールの混合溶液など様々な溶媒との組み合わせを考慮することができる。また、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることによって、これら各種化合物をその構成の一部とする高分子ファイバーを製造することができる。たとえば、有機化合物としては、蛋白質、ペプチド、糖などを挙げることができ、無機化合物としては、塩化カルシウム、リン酸、金属としてはアルミニウム、金などを挙げることができ、これらを単独もしくは組み合わせて使用してもよい。これによって生体親和性に富んだ高分子ファイバーや導電性に優れた高分子ファイバーの創製が可能となる。 The poor solvent in the present invention may be an organic compound, an inorganic compound, or a metal in which a metal is dissolved or partially dissolved. Since the polymer poor solvent is a solution in which an organic compound or an inorganic compound is dissolved or partially dissolved, various solutions of the organic compound or the inorganic compound can be used as the polymer poor solvent (poor solution). In this case, combinations with various solvents such as a mixed solution of water-alcohol can be considered. Moreover, the polymer fiber which makes these various compounds a part of the structure can be manufactured by what an organic compound, an inorganic compound, or a metal melt | dissolved or was melt | dissolved. For example, organic compounds can include proteins, peptides, sugars, etc., inorganic compounds can include calcium chloride, phosphoric acid, metals include aluminum, gold, etc., which can be used alone or in combination. May be. This makes it possible to create a polymer fiber rich in biocompatibility and a polymer fiber excellent in conductivity.
使用する具体的な貧溶媒としては、たとえば高分子としてポリグリコール酸を用いる場合には、水、あるいはフルオロ系以外のアルコール類などの有機溶媒が考慮される。また、コラーゲンを高分子として用いた場合には貧溶媒としてエタノールを、ポリビニルアルコールを高分子として用いた場合には貧溶媒としてヘキサンが考慮される。 As a specific poor solvent to be used, for example, when polyglycolic acid is used as a polymer, water or organic solvents such as alcohols other than fluoro-based ones are considered. Further, when collagen is used as a polymer, ethanol is considered as a poor solvent, and when polyvinyl alcohol is used as a polymer, hexane is considered as a poor solvent.
血管新生や神経再生のための足場材料としての適用を考慮すると生分解性高分子を用いることが好ましい。この場合の高分子と貧溶媒の組み合わせはポリグリコール酸と水の組み合わせが好適であり、たとえば後述の実施例のように、ポリグリコール酸をその良溶媒であるヘキサフルオロイソプロパノールに溶解して高分子溶液とし、この高分子溶液のジェットをポリグリコール酸の貧溶媒である水に噴射し凝固浴させて数十ナノメートルレベルの高分子ファイバーを貧溶媒液面に形成させるようにしてもよい。このポリグリコール酸の貧溶媒である水は、高分子溶液の溶媒であるヘキサフルオロイソプロパノールの良溶媒であるために効率よく高分子ファイバーを製造することができる。 In consideration of application as a scaffold material for angiogenesis and nerve regeneration, it is preferable to use a biodegradable polymer. In this case, the combination of the polymer and the poor solvent is preferably a combination of polyglycolic acid and water. For example, as in the examples described later, the polymer is dissolved in hexafluoroisopropanol which is a good solvent. The polymer solution may be jetted into water, which is a poor solvent for polyglycolic acid, and coagulated to form a polymer fiber having a level of several tens of nanometers on the poor solvent liquid surface. Since water, which is a poor solvent for polyglycolic acid, is a good solvent for hexafluoroisopropanol, which is a solvent for the polymer solution, polymer fibers can be produced efficiently.
形成される高分子ファイバーの太さ(外径)は、高分子溶液の濃度、貧溶媒の種類、印加電圧、高分子溶液濃度、ジェットの飛散距離などによって調整することができ、数十ナノメートルから数十マイクロメートル程度の範囲の外径のものを作製することができる。また、高分子ファイバーの長さにつきましても、用いる貧溶媒を適宜に選択することで調整することが可能である。 The thickness (outer diameter) of the formed polymer fiber can be adjusted by the concentration of the polymer solution, the type of poor solvent, the applied voltage, the concentration of the polymer solution, the scattering distance of the jet, etc. To an outer diameter in the range of about several tens of micrometers. Also, the length of the polymer fiber can be adjusted by appropriately selecting the poor solvent to be used.
以上の方法は、高分子ファイバーからなる不織布を作製することも可能で、血管新生や神経再生のための足場材料などの再生医工学への利用のみならず、各種産業分野への利用も期待できる。 The above method can also produce a nonwoven fabric made of polymer fibers, and can be expected not only for use in regenerative medical engineering such as scaffolding materials for angiogenesis and nerve regeneration, but also in various industrial fields. .
以下に、本願発明による実施例を示す。もちろん、本願発明は前述の実施の形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。 Examples according to the present invention are shown below. Of course, the present invention is not limited to the above-described embodiment and the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
<ポリグリコール酸の高分子ナノファイバーからなる不織布の製造>
不織布の製造装置は、Khilらの文献(Khil M-S. et al J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater 72B 117-124 (2005))を参考に作製した。図1にその製造装置の模
式図を示す。
<Manufacture of nonwoven fabric made of polymer nanofibers of polyglycolic acid>
An apparatus for producing a nonwoven fabric was prepared with reference to Khil et al. (Khil MS. Et al J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater 72B 117-124 (2005)). FIG. 1 shows a schematic diagram of the manufacturing apparatus.
図1によれば、不織布の製造装置は、高電圧発生装置、シリンジポンプ、シリンジ、凝固浴槽、コレクタ、ステンレスニードルから構成される。高分子溶液は、シリンジポンプによりシリンジから塩化ビニールを通じてステンレスニードルに導入され、コレクタ上に配設した凝固浴槽に噴射される。ここで、導入された高分子溶液は、高電圧発生装置により高電圧が印加されてジェットになるようにしている。 According to FIG. 1, the nonwoven fabric manufacturing apparatus is composed of a high voltage generator, a syringe pump, a syringe, a coagulation bath, a collector, and a stainless needle. The polymer solution is introduced from the syringe into the stainless needle through the vinyl chloride by the syringe pump, and is injected into the coagulation bath disposed on the collector. Here, the introduced polymer solution is applied with a high voltage by a high voltage generator so as to become a jet.
高分子溶液としては、ポリグリコール酸をヘキサフルオロイソプロパノールに溶解して、溶液の濃度が50mg/mL、100mg/mLのものをそれぞれ調製した。また、送液速度10mL/h、印加電圧23kV、紡糸開始点とコレクタ間の距離を25cmに設定した。コレクタにはアルミホイルを用い、凝固浴槽には、ポリグリコール酸の貧溶媒でヘキサフルオロイソプロパノールの良溶媒である蒸留水を満たした。 As the polymer solution, polyglycolic acid was dissolved in hexafluoroisopropanol to prepare solutions having concentration of 50 mg / mL and 100 mg / mL, respectively. Further, the liquid feeding speed was 10 mL / h, the applied voltage was 23 kV, and the distance between the spinning start point and the collector was set to 25 cm. Aluminum foil was used for the collector, and the coagulation bath was filled with distilled water which was a poor solvent for polyglycolic acid and a good solvent for hexafluoroisopropanol.
以上の条件でエレクトロスピニングによる高分子ナノファイバーからなる不織布の作製を行ったところ、液面に膜が形成された。その膜を慎重に回収し一晩真空乾燥を施した後、走査型電子顕微鏡で微細な構造の観察を行った。その結果、50mg/mLの高分子溶液で作製した高分子ファイバーの平均直径は193nmであり、100mg/mLの高分子溶液で作製した高分子ファイバーの平均直径は1.27μmであった。また、100mg/mLの高分子溶液について、本願発明の方法で作製した高分子ファイバーは、従来のエレクトロスピニング方法(貧溶媒の凝固浴槽を用いない方法)で作製した高分子ファイバーに比べて、およそ1/3ほどの細さであった。 When a nonwoven fabric made of polymer nanofibers was produced by electrospinning under the above conditions, a film was formed on the liquid surface. The film was carefully collected and vacuum dried overnight, and then the fine structure was observed with a scanning electron microscope. As a result, the average diameter of the polymer fiber prepared with the 50 mg / mL polymer solution was 193 nm, and the average diameter of the polymer fiber prepared with the 100 mg / mL polymer solution was 1.27 μm. In addition, for a 100 mg / mL polymer solution, the polymer fiber produced by the method of the present invention is approximately compared to the polymer fiber produced by a conventional electrospinning method (a method not using a poor solvent coagulation bath). The thickness was about 1/3.
この観察結果を図2に示す。 The observation results are shown in FIG.
図2(a)は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー(100mg/mLの高分子溶液)で、図2(b)は従来の方法で作製した高分子ファイバー(100mg/mLの高分子溶液)である。 2 (a) is a polymer fiber (100 mg / mL polymer solution) produced by the method of the present invention, and FIG. 2 (b) is a polymer fiber (100 mg / mL polymer produced by a conventional method). Solution).
また、本願発明の方法と従来のエレクトロスピニング方法で作製した高分子ファイバーについて、ファイバー径とその分布率の関係を図3に示す。 FIG. 3 shows the relationship between the fiber diameter and the distribution ratio of the polymer fiber produced by the method of the present invention and the conventional electrospinning method.
図3(a)は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー(100mg/mLの高分子溶液)のファイバー径とその分布率の関係を示す図で、図3(b)は、従来の方法で作製した高分子ファイバー(100mg/mLの高分子溶液)に関する図である。図3(c)は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー(50mg/mLの高分子溶液)の直径とその分布率の関係を示す図で、図3(d)は、従来の方法で作製した高分子ファイバー(50mg/mLの高分子溶液)に関する図である。 FIG. 3 (a) is a diagram showing the relationship between the fiber diameter of a polymer fiber (100 mg / mL polymer solution) produced by the method of the present invention and its distribution rate, and FIG. 3 (b) is a conventional method. It is a figure regarding the polymer fiber (100 mg / mL polymer solution) produced by (1). FIG. 3 (c) is a diagram showing the relationship between the diameter of the polymer fiber (50 mg / mL polymer solution) produced by the method of the present invention and its distribution rate, and FIG. 3 (d) is a conventional method. It is a figure regarding the produced polymer fiber (50 mg / mL polymer solution).
図3の結果から、本願発明の方法で作製した高分子ファイバーは、従来の方法で作製した高分子ファイバーに比べて、ファイバー径の分布が細い径にシフトしており、本願発明の方法が高分子ファイバーの作製技術として優れていることが確認された。 From the results of FIG. 3, the polymer fiber produced by the method of the present invention has a fiber diameter distribution shifted to a narrower diameter than the polymer fiber produced by the conventional method, and the method of the present invention is highly effective. It was confirmed that it is excellent as a technique for producing molecular fibers.
Claims (4)
The method for producing a polymer fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein a polymer fiber is formed by jetting a jet of a polyglycolic acid solution into water.
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