JP2007291185A

JP2007291185A - ハニカム状多孔質体及びその製造方法。

Info

Publication number: JP2007291185A
Application number: JP2006118376A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yabu; 浩藪; Yasushi Miki; 康史三木; Masatsugu Shimomura; 政嗣下村; Yukako Fukuhira; 由佳子福平; Hiroaki Kaneko; 博章兼子; Yoshihiko Washimi; 芳彦鷲見
Original assignee: Hokkaido University NUC; Teijin Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Teijin Ltd
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】生体適合性の高いハニカム状多孔質体とその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、１）レシチンと非水溶性ポリマーからなるハニカム状多孔質体、２）水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液を、ガラス製もしくは金属製の基板に塗布して該溶液の薄膜を調製する工程、および該基板上の薄膜から有機溶媒を蒸発させる工程を含む、非水溶性ポリマー物質からなるハニカム状多孔質体の製造方法を提供する。本発明のハニカム状多孔質体は植物由来のレシチンを含み、高い生体適合性を有する。また、水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液において、該溶液の界面張力を調節することで、高品質なハニカム状多孔質体を製造することができる。
【選択図】なし

Description

微細な周期構造を持つ構造体は、電子工学、光学およびバイオテクノロジーなどの様々な分野において有用な材料である。電子工学の分野では、電界トランジスタのチャネルの微細化技術に伴って、１００ｎｍ以下の微細な周期構造を持つ電子材料の作製プロセスが実用化されている（非特許文献１）。光学の分野では、回折格子やフォトニック結晶などの微細な周期構造を持つ構造体が、次世代の光機能素子として注目されている（非特許文献２）。また、光の波長以下の周期構造を有する微細な周期構造を持つ薄膜は、可視光領域で透明であり、光の散乱などを防止する効果が期待される。さらに、近年、再生医療分野においても、微細な周期構造を持つ構造体表面の微細構造が培養細胞の増殖に影響を与えるなどの報告がなされている（非特許文献３）。

微細な周期構造を持つ構造体を作製する従来技術としては、フォトリソグラフィーやソフトリソグラフィー（非特許文献４）などが知られている。この様な方法は、原料となる物質を細かく切断することによって微細な周期構造を持つ構造体を作製するものであり、トップダウン型の作製プロセスと呼ばれる。一般的に、トップダウン型の作製プロセスは分子間結合を切断することを基本としているため、本質的に高エネルギーを必要とする。そのため、このプロセスは多段階の工程を必要とする高コストなプロセスであり、また回折限界など、単純な周期構造を有する構造体を作製する方法としては、解決すべき問題が多い。

これに対して、材料を分子レベルから積み上げることで微細な周期構造を有する構造体を作製する試みがなされている。例えば、１０ｎｍスケールの微細構造を有する構造体の作製プロセスとして、ブロックコポリマーの相分離が知られている（非特許文献５）。相溶性の異なる２種以上の高分子の末端を共有結合でつなげたブロックコポリマーは、相溶性と各セグメントの長さによって、相分離構造の周期を変化させることができる。しかしながら、この方法も複雑な有機合成プロセスを必要とし、さらに合成できるブロックコポリマーの種類も限られている。

他にも、サブミクロンのコロイド微粒子を集積することで２次元、３次元の周期構造を有する構造体を作製する方法（非特許文献６）、これを鋳型にすることでインバースドオパール構造を有する構造体を作製する方法（非特許文献７）が報告されているが、これらの方法には、単一粒径の微粒子を調製しなくてはならず、また、型を取った後に鋳型を分解しなくてはならないなど、様々なプロセス上の問題がある。

これらの方法とは異なる原理に基づく方法として、水滴を鋳型として簡便にハニカム状の微細な周期構造を有する構造体（ハニカム状多孔質体）を作製する方法が報告されている（特許文献１）。具体的には、高分子の非水性有機溶媒溶液の表面上に水滴を結露させ、該水滴を鋳型としてハニカム状多孔質体を調製するものである。
ゲルジンゲら、ＩＥＥＥスペクトラム（ＩＥＥＥＳｐｅｃｔｒｕｍ）１９８９年、第８９巻、第４３頁。ノダら、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、２０００年、第４０７巻、第６０８頁。チェンら、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、１９９７年、第２７６巻、１４２５頁ホワイトサイズら、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．，１９９８年、第３７巻、第５５０−５７５頁アルブレヒトら，マクロモレキュール（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）、２００２年、第３５巻、第８１０６−８１１０頁グら、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）、第１７巻、第６７５１−６７５３頁。カルソら、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）、１９９９年、第１５巻、第８２７６−８２８１頁特開平８−３１１２３１

本発明の目的は、水滴を鋳型として微細な周期構造を持つ構造体であるハニカム状多孔質体を製造する方法において、生体適合性に優れるハニカム状多孔質体を提供することにある。

本発明者らは、水滴を鋳型とするハニカム状多孔質体の作製方法において、非水溶性ポリマーの水不溶性有機溶媒溶液にレシチンを存在させることによって、生体適合性の高いハニカム状多孔質体を製造できることを見出し、下記の各発明を完成した。

（１）レシチンと非水溶性ポリマーからなるハニカム状多孔質体。

（２）レシチンと非水溶性ポリマーとの量比が１：１０００〜１：１である、（１）に記載のハニカム状多孔質体。

（３）水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液を、ガラス製もしくは金属製の基板に塗布して該溶液の薄膜を調製する工程、および該基板上の薄膜から有機溶媒を蒸発させる工程を含む、非水溶性ポリマー物質からなるハニカム状多孔質体の製造方法。

（４）水不溶性有機溶媒溶液におけるレシチンの配合量が１×１０^−６重量％〜１０重量％である、（３）に記載の製造方法。

（５）水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不
溶性有機溶媒溶液の界面張力が１０〜２０ｍＮ／ｍである、（３）に記載の製造方法。

（６）レシチンが、式（Ｉ）ないし式（III）で表される化合物の混合物である、（３）に記載の製造方法。

式（Ｉ）

式（II）

式（III）

（７）相対湿度３０％以上の湿度を有する流速０．１〜１００Ｌ／分の気流下に薄膜を置いて溶媒の蒸発を行う、（３）に記載の製造方法。

本発明によれば、植物由来のレシチンをハニカム状多孔質体に含ませることで、高い生体適合性を有し、細胞培養基板として好適に利用することができるハニカム状多孔質体を得ることができる。

また、水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液においてレシチンの配合量を調節し、該溶液の界面張力を１０〜２０ｍＮ／ｍとすることで、１００μｍ四方のハニカム状多孔質体における孔径の標準偏差が１０％以下の、高品質なハニカム状多孔質体を製造することができる。

さらに、溶媒の蒸発を一定の気流下で行うことにより、０．００１〜１００μｍという微細な孔径を有し、かつその孔径の標準偏差が１０％以下の、高品質なハニカム状多孔質体を製造することができる。

本発明は、レシチンと非水溶性ポリマーからなるハニカム状多孔質体に関する。また、本発明は、水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液を、ガラス製もしくは金属製の基板に塗布して該溶液の薄膜を調製する工程、および該基板上の薄膜から有機溶媒を蒸発させる工程を含む、非水溶性ポリマー物質からなるハニカム状多孔質体の製造方法に関する。この方法は、高分子の非水性有機溶媒溶液の表面上に水滴を結露させ、該水滴を鋳型としてハニカム状多孔質体を調製することをその基本とする方法である。

本発明におけるハニカム状多孔質体（ハニカム構造体あるいはハニカムシートとも呼ばれる）とは、非水溶性の高分子（ポリマー）でできた多孔性の薄膜であって、膜の垂直方向に向けられたサブミクロンスケールないしミクロンスケールの微少な孔（くぼみを含む）が膜の平面方向に蜂の巣状に（ハニカム状に）設けられているものをいう。孔は膜を垂直方向に貫通していてもよく、また平面方向に存在する周囲の孔と膜の内部で連通していてもよい。この様なハニカム状という規則的な配置で孔が設けられている多孔質の薄膜は、孔の口径、形状あるいは深さなどがまちまちである不規則な孔を有する通常の多孔質体とは全く異なる構造体として理解される。

本発明におけるハニカム状多孔質体の形状としては、膜厚が０．０１μｍ〜１００μｍ、好ましくは０．１μｍ〜５０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２０μｍであり、孔径が０．００１μｍ〜１００μｍ、好ましくは０．１μｍ〜５０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２０μｍ、特に好ましくは５μｍ〜１０μｍである。

以下、本発明のハニカム状多孔質体を、その製造方法と共に詳細に説明する。

本発明のハニカム状多孔質体を製造する方法の工程の一つは、水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液を調製する工程である。

本発明で利用することのできる水不溶性有機溶媒としては、溶媒表面に結露した水滴を保持し得る程度の水不溶性を有し、大気圧下の沸点が０〜１５０℃、好ましくは１０〜５０℃であれば、何れも利用可能である。具体的には、四塩化炭素、ジクロロメタン、クロロホルム等のハロゲン化炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素、酢酸エチル、酢酸ブチル等のエステル類、メチルイソブチルケトン等の非水溶性のケトン類、二硫化炭素などを挙げることができる。

これらの中から、具体的に使用するポリマー（次項で述べる）に対する溶解性を考慮して、適宜選択して使用することができる。

本発明で使用する非水溶性ポリマーは、水に不溶性でかつ上記の水不溶性有機溶媒に可溶な、あるいは後述する本願発明で使用される界面活性剤の存在下で同有機溶媒に溶解し得るポリマーであればいずれも使用することができ、製造されるハニカム状多孔質体に期待される機能あるいは特性を与え得るポリマーを、適宜選択して使用することができる。

例えば、ポリ乳酸やポリヒドロキシ酪酸のような生分解性ポリマー、脂肪族ポリカーボネート、両親媒性ポリマー、光機能性ポリマー、電子機能性ポリマーなどを挙げることができる。

上記の水不溶性有機溶媒と非水溶性ポリマーとの具体的な組み合わせの例としては、例えばポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアルキルシロキサン、ポリメタクリル酸メチルなどのポリアルキルメタクリレートまたはポリアルキルアクリレート、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリ（Ｎ−ビニルカルバゾール）、ポリ乳酸、ポリ（ε−カプロラクトン）、ポリアルキルアクリルアミド、ポリグリコール酸およびこれらの共重合体よりなる群から選ばれるポリマーに対しては、四塩化炭素、ジクロロメタン、クロロホルム、ベンゼン、トルエン、キシレン、二硫化炭素などの有機溶媒を組み合わせて使用することができる。

本発明では、非水溶性ポリマーを、水不溶性有機溶媒に対して０．０１ｇ／Ｌ〜５０ｇ／Ｌ、好ましくは０．１ｇ／Ｌ〜１０ｇ／Ｌとなる様に溶解して使用すればよく、このポリマー濃度は、製造されるハニカム状多孔質体に求める特性、物性並びに使用する溶媒に応じて、適宜定めることができる。

本発明で利用可能なレシチンは、食品や医薬添加剤として広く市販され、また利用可能であるレシチンであればいずれでもよいが、好ましくは式（Ｉ）の化合物（レシチン）、式（II）の化合物（ケファリン）及び式（III）の化合物（リポシトール）の混合物であるレシチンを使用する。

式（Ｉ）

式（II）

式（III）

化式（Ｉ）、化式（II）及び化式（III）の各化合物の混合物全体に対する量比は、それぞれ最低１％〜最大９８％、より好ましくは最低１０％〜最大８０％であればよい。

本発明は、水不溶性有機溶媒に上記の非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解させ、水に対する界面張力が１０〜２０ｍＮ／ｍである水不溶性有機溶媒溶液を使用することが好ましい。

本発明における界面張力は、懸滴法と呼ばれる液体の界面張力を測定する方法によって測定される表面張力を意味する。この方法において、表面張力に関する一般的な教科書、例えばドゥジェンヌ・ブロシャールーヴィアール・ケレ著「表面張力の物理学」（吉岡書店）第５７頁に示されるように、その原理と具体的な手法は周知である。より簡便には、協和界面科学株式会社（http://www.face-kyowa.co.jp/j/interface_chemistry/005.html）製の界面張力測定装置ＰＤ−Ｗを用いて測定することができる。

本発明の溶液の界面張力に関しては、非水溶性ポリマーそれ自体は溶液の界面張力にほとんど影響を与えず、従って使用される水不溶性有機溶媒とレシチンとの組み合わせならびに溶液中のレシチンの濃度によって設定することができる。その組み合わせと濃度は、レシチンを水不溶性有機溶媒に溶解して水不溶性溶液を調製し、その界面張力を懸滴法で測定して決定すればよい。

非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液におけるレシチンの含有量は、同溶液重量当たり１×１０^−６重量％〜１０重量％、好ましくは１×１０^−３重量％〜５重量％、より好ましくは１×１０^−２重量％〜１重量％である。また、レシチンの含有量を０．１ｍｇ／ｍｌ〜１ｍｇ／ｍｌとすることによって、同溶液の水に対する界面張力を１０〜２０ｍＮ／ｍとすることができる。

また、ハニカム状多孔質体に生体適合性を付与するためには、レシチンと非水溶性ポリマーとの配合比を１：１０００〜１：１、好ましくは１：５００〜１：１００、特に１：２００とすることが好ましい。

本発明のハニカム状多孔質体を製造する方法の工程のもう一つは、前記水不溶性有機溶媒溶液を、ガラス製もしくは金属製の基板に塗布して該溶液の薄膜を調製する工程である。

本発明で利用可能な基板の材料としては、ガラスやシリコンなどを挙げることができる。この場合、用いられる水不溶性有機溶媒に対する基板自体の濡れ性が、基板上に形成される薄膜の厚みに影響を与え得る。

そのため、水不溶性有機溶媒溶液との親和性が高い基板、あるいは表面に水不溶性有機溶媒溶液との親和性を高めることのできる加工を施した基板の使用が好ましい。この様な基板の濡れ性の改良は、基板材料と使用する水不溶性有機溶媒との組み合わせに合わせて、自体公知の方法、例えばガラス製や金属製の基板に対するアルキル化シランカップリング処理やチオール化合物による単分子膜形成処理などを利用することができる。

例えば、クロロホルムなどの疎水性有機溶媒を用いる場合の基板としては、十分に洗浄されたＳｉ基板や、アルキル化シランカップリング剤などで表面を修飾したガラス基板などの使用が好ましい。

本発明では、上記に例示したような非水溶性ポリマーとレシチンとを含む水不溶性有機溶媒溶液を基板に塗付して、同溶液の薄膜を形成させるが、その際の塗付厚としては、１０μｍ〜５ｍｍであればよい。薄すぎては製造後のハニカム状多孔質体の強度の点で、厚すぎては孔の形成効率の点で、それぞれ支障となり得る。

基板に水不溶性有機溶媒溶液を塗付する方法としては、基板に上記の水不溶性有機溶媒溶液を滴下する方法の他、バーコート、ディップコート、スピンコート法などを挙げることができ、バッチ式、連続式の何れも利用することができる。

また、基板に塗布した溶媒の蒸発速度を調節することで、ハニカム状多孔質体の孔径を１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で調節することができる。特に、相対湿度３０％以上の湿度を有する流速０．１〜１００Ｌ／分、好ましくは１〜５０Ｌ／分の気流下に上記の基板上の薄膜を置いて水不溶性有機溶媒を蒸発させることで、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の均一な孔径を有する高品質なハニカム状多孔質体を製造することもできる。かかる方法における気流の流速は、用いる溶媒の揮発度や基板上の薄膜の厚さに応じて適宜調製すればよいが、概ね０．１〜１００Ｌ／分、好ましくは１．０〜５０Ｌ／分とすればよい。また、気流方向に対する薄膜の配置の仕方としては、基板上の薄膜に対して斜め上方向から、あるいは垂直方向から気流を当たるような配置では、気流による風圧によって薄膜に歪みや亀裂が発生することもあり得る。その様な場合には、薄膜は、気流に対して基板上の有機溶媒溶液の薄膜を平行に、あるいは上方向に生じさせることが好ましい。この場合、気流はその上流からの陽圧あるいは下流からの負圧の何れによって発生させても構わない。例えば、基板に向けて設置したノズルから所定の空気を噴射しても、基板上部の空気を一方向から吸引しても、何れでも良い。

以下に実施例を示し、本発明の詳細を説明する。ただし、これらの実施例は何ら本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
ポリ（ε−カプロラクトン）（和光純薬、分子量７万〜１０万）１９９ｍｇと、レシチン（和光純薬工業社製）１．０ｍｇを、８０ｍＬのクロロホルムに溶解した溶液を調製した。

クロロホルム溶液４０ｍＬをアルミニウム板にキャストし、加湿した空気（相対湿度８０％、流量２Ｌ/分）を吹き付けて溶媒を蒸発させ、製膜した（図１）。

＜実施例２＞
ポリスチレン（アルドリッチ製、分子量約２８万）１８０ｍｇと大豆レシチン（和光純薬製）２０ｍｇをクロロホルムに溶解させた溶液１００ｍＬを調製した。この溶液における界面活性剤の濃度は約０．２ｍｇ／ｍＬであり、懸滴法を用いて測定した測定した界面張力は１０〜２０ｍＮ／の間であった。

この溶液４０ｍLをガラス基板上にキャストし、加湿した空気（相対湿度８０％、流量２Ｌ/分）を吹き付けて溶媒を蒸発させ、製膜した（図２）。

＜試験例＞
レシチン（和光純薬工業製）をクロロホルムに溶解させたときの界面張力を確認した。０．０１０ｍｇ／ｍＬ〜１．０ｍｇ／ｍＬのレシチン／クロロホルム溶液の水に対する界面張力を懸滴法を用いて測定したところ、図３に示すように、０．１０〜１．０ｍｇ／ｍＬの場合に界面張力が１０ｍＮ／ｍ〜２０ｍＮ／ｍとなった。

実施例１で得られた本発明のハニカム多孔質体の光学顕微鏡像を示す。図中のバーはスケールバー（１０μｍ）である。実施例２で得られた本発明のハニカム多孔質体の光学顕微鏡像を示す。レシチン／クロロホルム溶液の水に対する界面張力を示す。

Claims

レシチンと非水溶性ポリマーからなるハニカム状多孔質体。
レシチンと非水溶性ポリマーとの量比が１：１０００〜１：１である、請求項１に記載のハニカム状多孔質体。
水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解した水不溶性有機溶媒溶液を、ガラス製もしくは金属製の基板に塗布して該溶液の薄膜を調製する工程、および該基板上の薄膜から有機溶媒を蒸発させる工程を含む、非水溶性ポリマー物質からなるハニカム状多孔質体の製造方法。
水不溶性有機溶媒溶液におけるレシチンの含有量が１×１０^−６重量％〜１０重量％である、請求項３に記載の製造方法。
水不溶性有機溶媒に非水溶性ポリマーとレシチンとを溶解
した水不溶性有機溶媒溶液の界面張力が１０〜２０ｍＮ／ｍである、請求項３に記載の製造方法。
レシチンが、式（Ｉ）ないし式（III）で表される化合物の混合物である、請求項３に記載の製造方法。
式（Ｉ）
式（II）
式（III）
相対湿度３０％以上の湿度を有する流速０．１〜１００Ｌ／分
の気流下に薄膜を置いて溶媒の蒸発を行う、請求項３に記載の製造方法。