JP2010163485A - カルボキシ多糖類の溶液 - Google Patents

Abstract

【課題】カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の有機溶媒溶液を提供すること、およびかかる有機溶媒溶液の調製方法を提供すること。
【解決手段】カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を、ジメチルスルホキシドと、ｐＫａが４以下の酸化合物との混合溶媒に溶解したカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液、ならびにカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体をジメチルスルホキシド中に分散させ、そこにカルボキシル基１．０モル当量に対して酸化合物のプロトンを０．１〜１０．０モル当量となるよう加えることにより、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液を得る方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、カルボキシル基を側鎖に有する多糖類（すなわちカルボキシ多糖類）等が有機溶媒に溶解した溶液に関する。さらに詳しくは、成型加工、繊維、フィルム、シート、スポンジ、多孔体、中空糸、粒状体、粉体等への成型加工に有用なカルボキシ多糖類等の溶液に関する。

カルボキシメチルセルロースやヒアルロン酸に代表されるカルボキシ多糖類は、その優れた水への溶解性、適度な粘性、粘着性、保湿性や生体適合性を示すことから、食品添加剤、医療材料、化粧品や日用品の添加剤、とりわけ増粘材として幅広く用いられている。

これらカルボキシ多糖類の中で、一般に広く利用されている化合物として、カルボキシメチルセルロースがあるが、カルボキシメチルセルロースを溶解する溶媒については水が最も広く活用されている。しかし、その水溶液は高粘度である場合が多く、繊維やフィルムなどへの成型加工に用いるには適さない欠点がある。また、水を含む溶液では、カルボキシメチルセルロースの化学修飾を行うには利用できる反応に制限がある。

有機溶媒にカルボキシメチルセルロースを溶解させる方法についてはすでに開示がなされている。
特許文献１には、カルボキシメチルセルロースなどの酸性多糖類の４級アンモニウム塩がジメチルスルホキシドなどの非プロトン性溶媒に溶解することが記載されており、この酸性多糖類の４級アンモニウム塩は、エステル結合の生成など、カルボキシル基の化学修飾に有用であることが記載されている。

しかしながら、該４級アンモニウム塩を得るには、酸性多糖類をイオン交換樹脂などで処理してから４級アンモニウム塩のヒドロキシドを加えて中和する必要がある。この方法だと、医療材料など高純度が要求される用途に用いるには、４級アンモニウム塩の残存や、イオン交換樹脂からの不純物混入など懸念すべき問題点がある。さらには高純度の４級アンモニウムヒドロキシドは工業原料としてみても高価である。

特許文献２には、ジメチルスルホキシドなど、水と相溶する有機溶媒を用いてカルボキシメチルセルロースを溶解させ反応に用いた例として、カルボキシメチルセルロースのポリアルキレンオキシド誘導体を製造するにあたり、水および水と相溶する有機溶媒からなる混合溶媒で反応させる製造方法が記載されている。
しかしながら、本発明のような実質的に水を含まない有機溶媒にカルボキシメチルセルロースを溶解させる方法や、溶解した溶液については開示も示唆もない。

特許文献３には、水難溶性化した可溶性セルロース誘導体の用途およびその製造方法が記載されている。すなわち、カルボキシメチルセルロースの酸性水溶液を凍結・解凍することで、水に対して難溶性を示すカルボキシメチルセルロースが得られることが記載されている。しかしながら本発明のような、有機溶媒の溶液については開示も示唆もない。

国際公開ＷＯ０１／０３４２１４号明細書 特開２００７−２０６３号公報 特表平２−５０４１６４号公報

本発明が解決しようとする課題は、例えば成型加工や化学修飾に有用な、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の有機溶媒溶液を提供することである。また、本発明の課題は、かかるカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の有機溶媒溶液を調製する方法を提供することである。

取り扱い性に優れたカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶媒について鋭意研究した結果、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）と少量の酸化合物を組み合わせることで、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を簡単に温和な条件で溶解できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を、ジメチルスルホキシドと、ｐＫａが４以下の酸化合物との混合溶媒に溶解したことを特徴とするカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液である。

また、本発明はカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体をジメチルスルホキシド中に分散させ、そこにカルボキシル基１．０モル当量に対して酸化合物のプロトンを０．１〜１０．０モル当量となるよう加えることにより、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液を得る方法である。

本発明によれば、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の有機溶媒溶液が提供される。かかる溶液は、各種成型加工や化学修飾などに活用しうる。
本発明の溶液は、４級アンモニウム塩やイオン交換樹脂などを用いることなく簡単に調製できる。また、原料のカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体中に含まれるミクロゲルを取り除くにも好都合であるため、高純度が要求される医療材料や日用品などに好ましく利用できる。

さらに、本発明の溶液は、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を化学修飾することによる流動性や粘弾性の改質、生体適合性や生分解性の制御、各種の有機官能基との結合による機能性付与にも活用することができる。該溶液から成型加工された成型体や、化学修飾して得られる誘導体は、生体材料、医薬品、医療材料、日用品、化粧品、食品、飼料、その他の産業用資材分野に広く供することができる。

一方、本発明方法によれば、イオン交換や中和といった作業は必要でなく、１段階で簡単に溶解させることができるため、操作が簡単であり、作業の効率化が可能である。さらに、温和な条件で溶解できるため、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の分子量低下が起こりにくい特徴を有する。また、水に溶解するよりも溶液の粘度を低くでき、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を高濃度で溶解させることができるため、繊維やフィルム、中空糸や多孔体などの成型加工にも好ましく用いられる。さらに、実質的に水を含まないため、各種の有機反応に供することができる。

本発明における「カルボキシ多糖類」とは、側鎖にカルボキシル基を有する多糖類をいう。具体的には、ヒアルロン酸、アルギン酸、ペクチン、ポリガラクチュロン酸などの天然多糖類、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロースなどのカルボキシアルキルセルロース、カルボキシメチルプルラン、カルボキシメチルキチン、カルボキシメチルキトサン、カルボキシメチルマンナン、カルボキシメチルスターチ、カルボキシメチルデキストランなどのカルボキシアルキル多糖類、酸化セルロースや酸化でんぷんなどの酸化多糖類などを挙げることができる。

上記「カルボキシアルキルセルロース」とは、セルロース骨格上のＣ−２位、Ｃ−３位、Ｃ−６位に存在する３つの水酸基のいずれかが、−Ｘ−ＣＯＯＹで表されるカルボキシアルキル基とエーテル結合で結合した化合物をいう。
ここで、Ｘは炭素数１〜１０の２価のアルキレン基を表す。具体的には、メチレン基、エチレン基、ｎ−プロピレン基、イソプロピレン基、ｎ−ブチレン基、イソブチレン基などが挙げられるが、好ましくはメチレン基である。置換位置については上記Ｃ−２位、Ｃ−３位、Ｃ−６位いずれでもよいが、好ましくはＣ−６位である。

Ｙは水素原子、アルカリ金属、またはアルカリ土類金属であるが、アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、リチウムなどが挙げられ、アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。好ましくはナトリウムである。
カルボキシアルキルセルロースの金属塩は、カルボキシル基のすべてが塩を形成していてもよく、一部が−ＣＯＯＨの状態で存在していてもよい。

−Ｘ−ＣＯＯＹで表されるカルボキシアルキル基の置換度は、特に制限はないが、好ましくは０．４〜２．０であり、より好ましくは０．５〜１．８であり、さらに好ましくは０．６〜１．２である。
上記カルボキシアルキルセルロースのカルボキシル基や水酸基は、さらに他の官能基で置換されていてもよい。この場合の該官能基の置換度は、０．４以下が好ましい。

上記カルボキシアルキルセルロースは、セルロースから調製しうる。セルロースとしては、植物由来のセルロースであっても発酵法により製造されたバクテリアセルロースであってもよい。例えば、セルロースを水酸化ナトリウムなどの強アルカリ水溶液にてアルカリセルロースとし、これにモノクロロ酢酸やそのナトリウム塩と反応させることにより、カルボキシメチルセルロースが得られる。

本発明におけるカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の重量平均分子量は５×１０^３〜５×１０^６であり、好ましくは５×１０^４〜５×１０^６であり、より好ましくは５×１０^４〜１×１０^６である。
また、本発明で用いる「カルボキシ多糖類の金属塩」における金属は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属であるが、アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、リチウムなどが挙げられ、アルカリ土類金属としては、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。好ましくはナトリウムである。

さらに、本発明における「カルボキシ多糖類の誘導体」とは、側鎖カルボキシル基の一部、または多糖類上の水酸基の一部が化学的に修飾された化合物をいう。カルボキシル基の一部が化学修飾された化合物としては、エステル結合やアミド結合によって修飾された化合物が好ましく、水酸基の一部が修飾された化合物としては、エーテル結合やエステル結合、ウレタン結合、カーボネート結合、またはリン酸エステル結合や硫酸エステル結合により修飾された化合物が好ましい。

具体的には、側鎖のカルボキシル基が、−ＣＯＯＲ^１で表されるエステル誘導体、−ＣＯＮＨ−Ｒ^２で表されるアミド誘導体を挙げることができる。ここで、Ｒ^１およびＲ^２は、炭素数１〜２０の置換されていてもよい炭化水素基であり、具体例として、メチル基、エチル基、ブチル基、ヘキシル基、フェニル基、ベンジル基、オクチル基、パルミチル基、ステアリル基などを挙げることができ、さらにはヒドロキシエチル基やヒドロキシプロピル基など水酸基で置換されている官能基を例示することができる。

本発明で用いるジメチルスルホキシドは、特に限定はなく、市販の試薬や工業原料であれば問題なく用いることができるが、高純度のものを用いるのが好ましい。
このジメチルスルホキシドに酸化合物を添加することにより、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶解が可能となる。本発明における酸化合物はプロトン酸であり、そのｐＫａは4以下である。これよりも大きい値の酸ではカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶解性が低い。ここでｐＫａとは、２５℃での酸解離指数であり、水溶液中での酸化合物の解離定数の逆数の対数値に等しい。酸化合物のｐＫａ値については、化学便覧などで参照できる。ｐＫａは好ましくは３以下、より好ましくは２以下である。

好ましい酸化合物の例としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、亜リン酸などの無機酸化合物、蟻酸、トリフルオロ酢酸、メタンスルホン酸、ｐ−トルエンスルホン酸などの有機酸化合物を挙げることができる。これらの中では、塩酸、リン酸、トリフルオロ酢酸が好ましく用いられる。また複数のプロトンを有する化合物においては、最初の酸解離定数が４以下であればよく、クエン酸や乳酸、りんご酸も好ましく用いることができる。また、複数の酸化合物を混合して用いてもよい。

これらの酸化合物は、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体のカルボキシル基１．０モル当量に対して、０．１〜１０．０モル当量用いることが好ましい。これよりも酸化合物が少ないと、多糖の溶解性が悪く、これよりも多いと多糖の分子量低下が起こりやすくなり、好ましくない。より好ましくは０．３〜５．０モル当量であり、さらに好ましくは０．５〜２．０モル当量である。

なお、本発明においては、溶解速度や溶解度を向上するため、溶解を加熱したり、超音波などのエネルギーを加えたり、攪拌を加えたりしてもよい。本発明の溶液は、透明性が良好で、溶解後も安定である。

また、所望により、上記多糖のジメチルスルホキシド溶液に、ジメチルスルホキシドと相溶する有機溶媒を添加してもよい。相溶する有機溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、クロロホルム、ジエチルエーテルなどを挙げることができる。

本発明の溶液は、同じポリマー濃度の水溶液と比較して、その粘度が低い特徴を有する。これにより溶液中のポリマーの濃度を上げることができるため、繊維やフィルム、多孔体などの成型加工がより実施しやすくなる。

また、本発明の溶液は、原料であるカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体中に含まれるミクロゲルを取り除くのにも好ましく用いられる。ここでミクロゲルとは、原料であるカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を水に溶解した際に散見される水に不溶性の小さなゲル状異物のことであり、医療用途など高純度が要求される用途においては取り除くことが好ましい。該溶液は、同じポリマー濃度の水溶液と比較して、ミクロゲルを取り除く際のフィルターの目詰まりがおこりにくく、効率よく作業ができるというメリットを有する。

本発明の溶液を利用する態様の一例としては、繊維やフィルム、中空糸や多孔膜などを作製するために、適当な凝固溶液と混ぜることである。これにより、その成型加工が可能となる。成型加工されたカルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体は、医用材料を含めた医療用途、ヘアケア製品や肌の保湿剤などの日用品用途、化粧品用途などに使用できる。特に、再生医療のための細胞の担体、成長因子などの液性因子を保持・徐放する担体、医薬品として利用できる低分子化合物を保持・徐放する担体、癒着防止材やシーラントなどの医用材料やその原料として好ましく利用できる。

以下、実施例により本発明の実施の形態を説明するが、これらは本発明の範囲を制限するものではない。
カルボキシメチルセルロースナトリウム塩（ＣＭＣ−Ｎａ）として、日本製紙ケミカル製のセロゲンＦ−３０ＭＣ（カルボキシメチル化度、０．６９）を用いた。その他の試薬は和光純薬製のものを用いた。

［実施例１］
１００ｍｌのサンプル瓶に、室温でＣＭＣ−Ｎａを０．２ｇ、ジメチルスルホキシド２０ｍｌを入れ、数分間攪拌した。ＣＭＣ−Ｎａが分散したら、室温で表１に記載の酸化合物を、ＣＭＣ−Ｎａのカルボキシル基１．０モル当量に対して、それぞれ１．０モル当量加え、そのまま室温で一晩攪拌した。得られた結果を表１に示す。

いずれの酸化合物を用いても、無色透明の溶液が得られた。

［比較例１］
酸化合物を加えなかった以外は、実施例１と同様に、ＣＭＣ−Ｎａをジメチルスルホキシド中にて攪拌した。一夜攪拌したが、ＣＭＣ−Ｎａは溶解しなかった。

［比較例２］
酸化合物として、酢酸（ｐＫａ＝４．５６）を用いた以外は、実施例１と同様に行った。一夜攪拌したが、ＣＭＣ−Ｎａは溶解しなかった。

［実施例２］
ＣＭＣ−Ｎａに代えてヒアルロン酸ナトリウム（紀文フードケミファ製、ＦＣＨ−８０）を０．２ｇ用い、トリフルオロ酢酸を、ヒアルロン酸ナトリウムのカルボキシル基１．０モル当量に対して１０．０モル当量加えた以外は、実施例１と同様に行った。室温にて一夜攪拌すると、ヒアルロン酸ナトリウムは溶解し、無色透明の溶液が得られた。

［実施例３］
ＣＭＣ−Ｎａに代えてカルボキシメチルデキストランナトリウム（Ｆｌｕｋａ製、置換度１．１）を０．２ｇ用い、トリフルオロ酢酸を、カルボキシメチルデキストランナトリウムのカルボキシル基１．０モル当量に対してそれぞれ０．５、１．０、２．０モル当量加えた以外は、実施例１と同様に行った。室温にて一夜攪拌すると、添加した酸の量が異なる３つの水準すべてにおいてカルボキシメチルデキストランは溶解し、無色透明の溶液が得られた。

［実施例４］
実施例１の方法と同様に、１００ｍｌのガラス製のサンプル瓶に、室温でＣＭＣ−Ｎａを０．２ｇ、ジメチルスルホキシド２０ｍｌを入れ、数分間攪拌した。ＣＭＣ−Ｎａが分散したら、室温でトリフルオロ酢酸を、ＣＭＣ−Ｎａのカルボキシル基１．０モル当量に対して１．０モル当量加え、そのまま室温で一晩攪拌し、カルボキシメチルセルロースの溶液を得た。溶液を傾けると、ガラスのサンプル瓶の内部に不溶性のミクロゲルの存在を目視で確認した。
得られた溶液を孔径１．５μｍのメンブレンフィルター（National Scientific社製のTarget Syringe Filters（Nylon Membrane）、直径３０ｍｍΦ）にてろ過したところ、１０ｍｌ透過した時点でフィルターが目詰まりをおこした。フィルターを交換してろ過を続け、ろ液をガラス製のサンプル瓶に回収した。ろ液を傾けてもミクロゲルの存在は確認できなかった。

［比較例３］
実施例４の方法と同様に、１００ｍｌのガラス製のサンプル瓶に、室温でＣＭＣ−Ｎａを０．２ｇ、脱イオン水２０ｍｌを入れ、そのまま室温で一晩攪拌し、カルボキシメチルセルロースの水溶液を得た。溶液を傾けるとガラスのサンプル瓶の内部に、不溶性のミクロゲルの存在を目視で確認した。
得られた溶液を孔径１．５μｍのメンブレンフィルター（National Scientific社製のTarget Syringe Filters （Nylon Membrane））にてろ過したところ、５ｍｌ透過した時点でフィルターが目詰まりをおこした。フィルターを交換してろ過を続け、ろ液をガラス製のサンプル瓶に回収した。ろ液を傾けてもミクロゲルの存在は確認できなかった。

以上の結果、ＣＭＣ−Ｎａの水溶液よりも、本発明の溶液の方が、原料中に含まれるミクロゲルを取り除く操作がしやすく、フィルターの目詰まりを起こしにくいことが明らかになり、工業生産上取り扱いやすい溶液であることが示された。

本発明の溶液は、例えばそれを成型加工や化学修飾することで、生体材料、医薬品、医療材料、日用品、化粧品、食品、飼料、その他の産業用資材分野で広く利用することができる。

Claims (6)

1. カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体を、ジメチルスルホキシドと、ｐＫａが４以下の酸化合物との混合溶媒に溶解したことを特徴とする、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液。
2. カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体のカルボキシル基１．０モル当量に対して、酸化合物のプロトンが０．１〜１０．０モル当量である請求項１に記載の溶液。
3. カルボキシ多糖類が、カルボキシアルキル多糖類またはヒアルロン酸である請求項２に記載の溶液。
4. カルボキシ多糖類が、カルボキシメチルセルロースである請求項２に記載の溶液。
5. カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体をジメチルスルホキシド中に分散させ、そこにカルボキシル基１．０モル当量に対して酸化合物のプロトンを０．１〜１０．０モル当量となるよう加えることにより、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の溶液を得る方法。
6. 請求項５の方法で得られる溶液をフィルター濾過することにより、該溶液中に含まれるミクロゲルを取り除くことを特徴とする、カルボキシ多糖類、その金属塩、またはそれらの誘導体の精製方法。