JP2013060554A - ゲル製造装置及びゲル製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】所定の硬さを有するゲルを製造すること。
【解決手段】０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成させる液体噴射装置を備えるゲル製造装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、ゲル製造装置及びゲル製造方法に関する。
アルギン酸ナトリウム水溶液を塩化カルシウム水溶液に滴下してゲル状の物質を製造する方法が知られている。このとき、インクジェットプリンターからアルギン酸ナトリウム水溶液を塩化カルシウム水溶液に噴射することによって、マイクロスフィアと呼ばれる小さなゲルを製造することができる。特許文献１には、インクジェット装置を用いてマイクロビーズを製造することが示されている。
特開２００７−１１１５９１号公報
ところで、製造されるゲルに所定の硬さが要求される場合がある。例えば、ゲルを模擬赤血球とした場合、そのゲルの硬さを実際の赤血球の硬さに調整する必要があるが、このときゲルに所定の硬さが要求される場合がある。また、ゲルを所望の硬さに調整することでゲルにおける架橋度を調整でき、ゲル中の薬剤の徐放性を制御することができるが、このときもゲルに所定の硬さが要求される場合がある。よって、所定の硬さを有するゲルを製造できることが望ましい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所定の硬さを有するゲルを製造することを目的とする。
上記目的を達成するための主たる発明は、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成させる液体噴射装置を備えるゲル製造装置である。
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
ゲル製造装置を示す概略側面図である。 ゲル製造装置を示す概略平面図である。 噴射ヘッド１２の構造を説明する図である。 グリセリン添加量とゲル粒子の硬さとの関係を示す表である。 グリセリン添加量とゲル強度との関係を示すグラフである。 グリセリン添加量と吐出ノズル率との関係を表すグラフである。 アルギン酸ナトリウムの説明図である。 アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへと変化する中間の様子を示す説明図である。 アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。 ゲルの硬さ調整方法のフローチャートである。 ディスペンサーを用いたゲル製造装置の概略図である。 スプレー方式を採用したゲル製造装置の概略図である。 多孔質膜を用いたゲル製造装置の概略図である。 ホモジナイザー方式によるゲル製造装置の概略図である。
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成させる液体噴射装置を備えるゲル製造装置。
このようにすることで、所定の硬さを有するゲルを製造することができる。
かかるゲル製造装置であって、前記ゲル形成性溶液は、前記グリセリンを４０〜５０重量％含むことが望ましい。
このようにすることで、より硬いゲルに調整することができるようになる。
また、前記液体噴射装置は、前記ゲル形成性溶液が充填される容積室であって、容積が変化させられる容積室と、前記容積室から前記ゲル形成性溶液を噴射するノズルと、を備えることが望ましい。
このようにすることで、ノズルからゲル形成性溶液を断続的に噴射してサイズの小さいゲルを製造することができる。また、このように適切な量のグリセリンを添加することで、ノズルにおけるゲル形成性溶液の乾燥及び固化を抑制して、適切にゲル形成性溶液を噴射することができる。
また、前記液体噴射装置は、前記容積室の容積を変化させるダイアフラムと該ダイアフラムに接する圧電素子とを備えることが望ましい。
このようにすることで、圧電素子を伸縮させることで容積室の容積を変化させ、ゲル形成性溶液を断続的に噴射することができる。
また、前記圧電素子にはパルス状の電圧が印加されることが望ましい。
このようにすることで、ゲル形成性溶液を断続的に噴射してゲルを量産することができる。
また、前記ゲル形成性溶液は脱気処理がされていることが望ましい。
このようにすることで、容積室の容積変化によってゲル形成性溶液に気泡を生じないようにして、適切にゲル形成性溶液を噴射することができる。
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
形成した前記ゲルの硬さを測定することと、
前記ゲルの硬さに応じて、前記ゲル形成性溶液に含まれるグリセリンの重量％を調整することと、
調整した前記ゲル形成性溶液を前記塩化カルシウム水溶液及び前記酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
を含むゲル製造方法。
このようにすることで、所定の硬さに調整したゲルを製造することができる。
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
形成した前記ゲル内の薬剤の徐放時間を測定することと、
前記薬剤の徐放時間に応じて、前記ゲル形成性溶液に含まれるグリセリンの重量％を調整することと、
調整した前記ゲル形成性溶液を前記塩化カルシウム水溶液及び前記酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
を含むゲル製造方法。
このようにすることで、適切に徐放時間を調整したゲルを製造することができる。
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成すること
を含むゲル製造方法。
このようにすることで、ゲル形成性溶液の固化を防ぎ、間歇性を向上させることができる。
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に供給してゲルを形成させる液体供給装置を備えるゲル製造装置。
このようにすることで、所定の硬さを有するゲルを製造することができる。
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に供給してゲルを形成させること
を含むゲル製造方法。
このようにすることで、ゲル形成性溶液の固化を防ぐことができる。
＝＝＝実施形態＝＝＝
図１は、ゲル製造装置を示す概略側面図であり、図２は、ゲル製造装置を示す概略平面図である。ゲル製造装置１０は、噴射機構１と、流動機構２と、ゲル回収機構３と、噴射計測機構４と、ゲル計量機構５と、観察機構６とを備えている。
ゲル製造装置１０は、流動機構２を流動する塩化カルシウム水溶液（以下、「第２溶剤Ｌ２」ともいう）に向けて、噴射機構１からゲル形成性溶液（以下、「第１溶剤Ｌ１」ともいう）を噴射させることで、排出部２２において、第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２とが化学反応して生成されたゲルＧを得る。本実施形態では、第１溶剤Ｌ１としてアルギン酸ナトリウムとグリセリンを含む水溶液を用いる。これにより、アルギン酸ナトリウムと塩化カルシウムとが化学反応し、アルギン酸カルシウムゲルが生成される。尚、これらの濃度については後述する。
噴射機構１は、第１溶剤Ｌ１を収納する第１タンク１１と、噴射ヘッド１２と、第１タンク１１から噴射ヘッド１２へ第１溶剤Ｌ１を供給する供給配管１４と、ギャッププレート１６と、補強プレート１９と、固定柱１５と、固定治具１５ａとを備えている。
噴射ヘッド１２には、ノズル１３が形成されたノズルプレート１３ａを備えている。ノズル１３は、例えば直径２０μｍであり、噴射周波数１０Ｈｚ以上で第１溶剤Ｌ１はノズル１３から噴射される。ノズル１３は、噴射ヘッド１２に１つ形成されている様子を図示したが、これに限られず、複数形成されていてもよい。また、噴射ヘッド１２は、噴射機構１に１個配置していると図示したが、これに限るものではなく、噴射機構１に複数配置している構成としてもよい。
ギャッププレート１６は、貫通孔１７と溝１８とを備えている。ギャッププレート１６は、たとえば透明なアクリルからなる。透明なギャッププレート１６を用いることにより、顕微鏡などを用いて、目視により確認してノズル１３と貫通孔１７との位置合わせを容易にする。貫通孔１７とノズル１３とは連通されるように配置されている。これにより、ノズル１３から噴射される第１溶剤Ｌ１が、貫通孔１７を通り抜ける構成となっている。貫通孔１７には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。同様に、ギャッププレート１６には、フッ素系やシリコン系などの撥水コーティングが施されている。ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径は、ノズル１３の直径と同等またはそれ以上とする。そして、貫通孔１７のもう一方側の直径は、ノズル１３と面する側の貫通孔１７の直径と同等またはそれ以上とする。つまり、貫通孔１７は、同一直径または、ノズル１３と面する側からもう一方側へ大きくなるテーパー形状である。このテーパー形状の角度は、９０度から１８０度の範囲で適宜決定される。そして、貫通孔１７の流動部２１側は、Ｒ形状に加工されている。
ギャッププレート１６は、枠状に形成された補強プレート１９に、接着剤などにより固定されている。補強プレート１９により、ギャッププレート１６の機械的強度を補強させる。ギャッププレート１６及び補強プレート１９の外径は、補強プレート１９からギャッププレート１６にかけて、細く形成されている。
流動機構２は、第２溶剤Ｌ２を収納する第２タンク２０と、第２溶剤Ｌ２が流動される流動部２１および排出部２２と、溶剤循環部２３とを備えている。第２タンク２０は、フィルター２５および流動部２１に連通されている。排出部２２は、流動部２１と連通されている。第２タンク２０に収納された第２溶剤Ｌ２は、フィルター２５で濾過され、流動部２１及び排出部２２へ流動される。そして、排出部２２は、流動部２１を流動した第２溶剤Ｌ２及び生成されたゲルＧを通過させる。溶剤循環部２３は、例えば、ポンプ２４を備えている。排出部２２を通過した第２溶剤Ｌ２は、溶剤循環部２３により回収され、ポンプ２４により第２タンク２０へ循環される。
第２タンク２０は、例えば透明又は半透明なポリエチレンなどからなる。流動部２１及び排出部２２は、例えば透明なアクリルなどからなり、管状に形成されている。排出部２２は、Ｌ字形に形成されており、流動部２１から流動した第２溶剤Ｌ２が、排出部２２から飛散しないようにされている。
流動部２１とギャッププレート１６との間に、第２溶剤Ｌ２を流動させることにより、ギャッププレート１６の貫通孔１７内部は負圧になるため、これを生かして、溝１８から貫通孔１７へ空気（気体）の流れを生じさせる。これにより、第２溶剤Ｌ２が、流動機構２からギャッププレート１６の貫通孔１７へ流入することを防止することができる。さらには、噴射ヘッド１２のノズル１３から噴射される第１溶剤Ｌ１の噴射速度を維持又は補助させることができる。
また、噴射機構１において、貫通孔１７の流動部１２側は、Ｒ形状に加工されているので、第２溶剤Ｌ２が、ギャッププレート１６の貫通孔１７から、噴射ヘッド１２のノズル１３へ入り込んでしまうことを抑制し、第２溶剤Ｌ２によりノズル１３が塞がれることを防ぐ。
溶剤循環部２３は、流動部２１、排出部２２、及び後述するゲル回収機構３を流動した第２溶剤Ｌ２を回収し、第２タンク２０へ循環させる。
ゲル回収機構３は、流動された第２溶剤Ｌ２に第１溶剤Ｌ１を噴射させることにより生成されるゲルＧを回収する。
噴射測定機構４は、噴射機構１の第１タンク１１の重量を計測する。第１溶剤Ｌ１を収納する第１タンク１１の重量を計測することにより、噴射される前後の重量差から、ノズル１３から噴射される第１溶剤Ｌ１の重さを計測する。
ゲル計量機構５は、レーザー光源５１と光電検出器５２とを備えている。レーザー光源５１から投射された投射光を、第２溶剤Ｌ２及びゲルＧが流動される流動部２１に照射する。そして、流動部２１において、投射光が反射された反射光を光電検出器５２により受光することにより、生成されたゲルＧの数量、形状、及び大きさを計量する。
観察機構６は、ゲル回収機構３で回収されたゲルＧの状態、例えば形状及び大きさなどを観察する、又は計測する。観察機構６は、カメラ６１を備えている。カメラ６１を用いて、回収ネット３１でとらえられたゲルＧを撮像することにより、生成されたゲルＧの状態、例えば形状及び大きさなどを観察する、または計測する。
図３は、噴射ヘッド１２の構造を説明する図である。図には、ノズル１３、ピエゾ素子ＰＺＴ、液体供給路４０２、ノズル連通路４０４（容積室に相当する）、及び、弾性板４０６（ダイアフラムに相当する）が示されている。
液体供給路４０２には、第１タンクから第１溶剤Ｌ１が供給される。そして、これらの液体等は、ノズル連通路４０４に供給される。ピエゾ素子ＰＺＴには、駆動信号として複数のパルスが印加される。駆動信号が印加されると、駆動信号に従ってピエゾ素子ＰＺＴが伸縮し、弾性板４０６を振動させる。そして、ノズル連通路４０４の容積を変化させ、駆動信号の振幅に対応するように液体を移動させる。
上記の液体の移動を具体的に説明する。本願実施形態のピエゾ素子ＰＺＴは、電圧を印加すると図３の上下方向に収縮する特性を有する。駆動信号としてある電圧からより大きい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に収縮してノズル連通路４０４の容積を拡大する方向に弾性板４０６を変形させる。このとき、ノズル１３における液体表面はノズル１３の内側（図３の上側）方向に移動する。逆に、ある電圧からより小さい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図３の上下方向に伸長し、ノズル連通路４０４の容積を縮小する方向に弾性板４０６を変形させる。このとき、ノズル１３の液体表面はノズル１３の外側（図３の下側）方向に移動する。このようにすることにより、ノズル連通路４０４に充填された液体をノズル１３から噴射することができる。噴射された液体は、その表面張力により球形となり第２溶剤Ｌ２に着弾する。
このように、ノズル連通路４０４の容積を変化させるとノズル連通路４０４における圧力が変動する。第１溶剤Ｌ１に酸素分子が溶け込んでいると、この圧力変動の際、ノズル連通路４０４において気泡が生じてしまう。よって、本実施形態において使用される第１溶剤Ｌ１は予め中空糸などを用いて脱気されていることが望ましい。
図４は、グリセリン添加量とゲル粒子の硬さとの関係を示す表である。表には、第１溶剤に添加したグリセリンの重量％と、ゲルの状態と、ゲルの強度が示されている。ここで「強度」は、硬さの意味で用いている。また、後に説明を行う間歇性が示されている。図５は、グリセリン添加量とゲル強度との関係を示すグラフである。ここでは、これらの図を参照しつつ、グリセリンの添加量に対するゲルの強度について説明を行う。
本実施形態で用いられる第１溶剤は、前述の通り、グリセリンをアルギン酸ナトリウム水溶液に添加したものである。ここでは、グリセリンの添加量を変化させたアルギン酸ナトリウム水溶液を塩化カルシウム水溶液においてゲル化させた。生成されるゲルは球形であり、１個の直径は１．５ｍｍである。ゲル製造装置１０を用いて製造するゲルの大きさは、これよりも小さいものであるが、少なくとも直径を１．５ｍｍとしてゲルの強度が確認できれば、これよりも小さいゲルに関してもその強度が確保できると考えられるため、１．５ｍｍの直径のゲルを製造して評価を行ったものである。
また、第１溶剤Ｌ１におけるアルギン酸ナトリウムの濃度であるが、アルギン酸ナトリウムが０．３重量％〜１０重量％のいずれの水溶液においても図４の結果が得られている。尚、この中でも、アルギン酸ナトリウムの濃度は、０．５重量％〜１．５重量％であることが望ましい。
ゲルの硬さは、生成されたゲルを電子天秤に載せ、秤上のゲルに、秤の反対側から秤の方向へ指などで押圧し、ゲルが破壊された際の荷重を記録する手順により測定した。図４における「強度」は、このときの荷重を示す。
また、図４において、「軟らかい」と示されているのは、球形を維持できない程度の硬さであることを示す。つまり、自重により変形してしまう程度の硬さであることを示している。「硬い」と示されているのは、球形を維持できる程度の硬さであることを示す。すなわち、自重により球形が変形しない硬さを有していることを示している。「非常に硬い」は、球形で強固なゲルの状態であることを示している。
図４に示すように、グリセリンを添加することで、生成されたゲルの硬さが増加することがわかる。つまり、グリセリンの添加量を調整することにより、ゲルを所望の硬さに調整することができることになる。表を参照すると、球形を維持できる程度の硬さのゲルを生成するためのグリセリン濃度は、４重量％以上６０重量％以下である。また、非常に硬いゲルを製造するためのグリセリン濃度は、４０重量％以上５０重量％以下である。つまり、安定的なゲルを製造するには、４重量％以上６０重量％以下のグリセリン濃度とすることが望ましく、特に安定的なゲルを製造するには、４０重量％以上５０重量％以下のグリセリン濃度とすることが望ましいことが分かる。
このようにグリセリンを添加することによりゲルの強度が増加する理由については、後述する。
尚、上記のゲル形成において用いられる第２溶剤としての塩化カルシウム水溶液の濃度であるが、１．０重量％〜１０重量％の塩化カルシウムを含むいずれの塩化カルシウム水溶液においても図４の結果が得られる。
後述するようにゲル生成過程では、塩化カルシウムのカルシウムイオンにより２つのアルギン酸間が橋架けされる架橋凝縮が生ずる。よって、塩化カルシウムの濃度は高い方がゲルを生成しやすい。その一方で、塩化カルシウム濃度が高すぎるとゲル製造装置を錆させるなどの影響があるため、塩化カルシウム濃度を低くすることが望ましい。そこで、ゲルを適切に形成できる塩化カルシウム濃度を検証するために、異なる濃度の塩化カルシウム水溶液の中に前述の第１溶剤を吐出させてゲルを形成する試験を行った。前述のように、塩化カルシウム濃度を高くするほどゲル化は起こりやすいため、ここでは塩化カルシウム濃度の下限値が以下のような試験で検証された。
試験では、塩化カルシウムが１．０重量％、３．０重量％、５．０重量％、及び、７．０重量％の塩化カルシウム水溶液に上記の第１溶剤を吐出してゲルが形成されるかどうか、及び、形成されたゲル形状が変化するかどうかを粒度分布の測定も含めて検証した。
その結果、これらの塩化カルシウムの濃度の全てにおいてゲル化することが確認された。また、７．０重量％の塩化カルシウム水溶液における粒度分布の標準偏差は０．０６４であった。これに対し、塩化カルシウムが５．０重量％のときにおける標準偏差は０．０５８であり、塩化カルシウムが３．０重量％のときにおける標準偏差は０．０６２であり、塩化カルシウムが１．０重量％のときにおける標準偏差は０．０６８であった。すなわち、塩化カルシウム濃度を変化させた場合であっても粒度分布にほとんど変化は見られなかった。つまり、塩化カルシウムが１．０重量％のときにおいても、濃度の高い７．０重量％のときと同様に、粒度等にも問題なく適切にゲルを形成することが確認されたことになる。
上記検証を踏まえて本実施形態では、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液が用いられる。尚、前述のように錆等の諸問題のため、塩化カルシウム濃度は１．０重量％〜１０重量％であることが望ましい。
図６は、グリセリン添加量と吐出ノズル率との関係を表すグラフである。以下、図６に加え前述の図４も参照しつつグリセリン添加量と吐出ノズル率との関係について説明する。
まず、図４を参照すると、間歇３０秒時とした間歇性が示されている。ここで、「間歇３０秒時とした間歇性」は、第１溶剤Ｌ１をノズルから噴射した後３０秒経過したときにおいて、適切に再度、第１溶剤Ｌ１を噴射できたノズルの割合を示している。例えば、１００個のノズルから第１溶剤Ｌ１を噴射させる。噴射完了後、さらに３０秒経過時に第１溶剤Ｌ１を噴射させる。このとき、５０個のノズルから適切に噴射ができたとすれば、間歇性として５０％の吐出ノズル率を有することになる。
図を参照すると分かるように、グリセリンを添加しない場合だと、間歇性は０％である。すなわち、噴射完了後３０秒経過時には、第１溶剤Ｌ１を噴射できなくなっている。これは、乾燥などの要因により、第１溶剤Ｌ１が固化してしまうためである。
これに対し、グリセリンの濃度を上げると間歇性が改善される。例えばグリセリン添加量を４重量％以上とした場合、間歇３０秒時の間歇性は１００％（すなわち、全てのノズルから再度適切に第１溶剤Ｌ１を噴射できる）となっている。
図６には、グリセリン濃度を０重量％、１重量％、３重量％、４重量％、５重量％、１０重量％、２０重量％、及び、３０重量％としたときの吐出ノズル率が示されている。図を参照すると、０重量％のものは間歇時間が３０秒において吐出ノズル率が０％となっている。１重量％のものは間歇時間が３０秒で吐出ノズル率が５０％にまで低下し、６０秒にて吐出ノズル率が０％となっている。３重量％のものは間歇時間が３０秒で吐出ノズル率が８０％にまで低下し、９０秒にて吐出ノズル率が０％となっている。
一方、４重量％以上のものは間歇時間３０秒を超えても吐出ノズル率１００％を維持している。このグラフからも分かるように、間歇時間が３０秒を超えても吐出ノズル率が１００％を維持できれば、間歇時間がこれよりも長くなっても吐出ノズル率１００％を維持できるものと考えられる。すなわち、図４及び図６から導き出せる結果として、グリセリンを４重量％以上添加すると、ゲルの硬さ改善のみならず、吐出ノズル率に関しても改善できることがわかる。
次に、グリセリンを添加した場合において、アルギン酸カルシウムゲルの硬さが増加する理由について説明する。
図７は、アルギン酸ナトリウムの説明図である。図８は、アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへ変化する中間の様子を示す説明図である。図９は、アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。
図７に示されるように、アルギン酸ナトリウム（Ｃ６Ｈ７Ｏ６Ｎａ）はアルギン酸に１価のナトリウムイオンが結合している。このアルギン酸ナトリウムが塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）水溶液に噴射され、２価のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が、アルギン酸ナトリウムのナトリウムイオン（Ｎａ＋）と置換されることで、ゲル化が進行する（図８）。このとき、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は１価であり、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）は２価であるので、２個のナトリウムイオン（Ｎａ＋）に対して、１個のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が置換される。このとき、アルギン酸ナトリウムは、２つのアルギン酸ナトリウム間において、２つのナトリウムイオン（Ｎａ＋）が脱離して、２価の金属イオンである１つのカルシウムイオン（Ｃａ２＋）に置換される（図９）。そして、２つのアルギン酸間を橋架けする架橋凝縮が生じ、ゲル化する。このときの反応式は次のようであると考えられる。

２Ｃ６Ｈ７Ｏ６Ｎａ＋ＣａＣｌ２＝（Ｃ６Ｈ７Ｏ６−Ｃａ−Ｃ６Ｈ７Ｏ６）＋２ＮａＣｌ
ところで、図９には、破線で囲われた領域が示されている。グリセリンが添加されていない場合には、この破線で囲われた領域を通じてゲルの内部から外部へ水分子が移動したり、外部から内部へと水分子が移動したりする。このように破線で囲われた領域に水分子が存在することにより、弾力性のあるゲルが実現されている。そして、ゲルにおける水分子の流入量と流出量は均衡している。
一方、グリセリンが添加されている場合には、水分子の流入量と流出量との均衡が崩れ、より水分子が外部に流出しやすくなる。破線で囲われた領域にグリセリンも存在するのであるが、このグリセリンが外部に流出する際、この破線で囲われた領域の網目が収縮する。そうすると、アルギン酸カルシウムの密度が高まることから、ゲルが硬くなる。また、グリセリンはゲル化の反応速度を速くすることに貢献していると考えられ、このためゲルが硬くなるとも考えられる。
尚、グリセリンは人体に与える影響が少ないため薬剤を含むゲルを製造する際の添加剤として有利であるとともに、グリセリンは密度が高く水の中では沈みやすいという性質をもつ。そのため、グリセリンを含むゲルを製造した場合には、短時間でゲルが沈降し、第２溶剤Ｌ２の液面上でゲル同士が結びつくことが少なくなり、形状の安定したゲルを製造することができるとともに、連続して第１溶剤Ｌ１を第２溶剤Ｌ２に噴射することができるため、生産性も向上する。また、沈降するのに時間が短くなるため、第２溶剤Ｌ２とゲルとの分離が容易になり、回収がしやすくなるという利点もある。
図１０は、ゲルの硬さ調整方法のフローチャートである。以下、本図を参照しつつ、硬さを調整したゲルの製造方法について説明を行う。
まず、前述のゲル製造装置１０に第１溶剤Ｌ１と第２溶剤Ｌ２をセットする。そして、第１溶剤Ｌ１を第２溶剤Ｌ２に噴射してゲルを製造する（Ｓ１０２）。最初に製造する際の第１溶剤Ｌ１に対するグリセリンの添加量は４重量％とする。
次に、製造したゲルの硬さを測定する（Ｓ１０４）。ゲルの硬さの測定は、前述の説明と同様の手法を用いることができる。次に、ゲルの硬さに応じてグリセリンの添加量を調整する（Ｓ１０６）。具体的には、グリセリンの添加量を少しずつ増やすことになる。そして、グリセリンの添加量を増やした第１溶剤Ｌ１を第２溶剤Ｌ２に再度噴射してゲルを生成する（Ｓ１０８）。ここで、生成したゲルが所望の硬さを得られない場合には、ステップＳ１０６に戻り、グリセリンの添加量を再度調整することとしてもよい。
アルギン酸は高分子であるため、分子量を正確に調整することが困難であり、実際にゲルを製造してみないと、どの程度の硬さでゲルを製造できるのかかが予想できない。このため、上述のように一度ゲルを製造し、製造したゲルの硬さを測定してからグリセリンの添加量を調整して硬さを調整する。このように、アルギン酸の分子量を正確に調整できない場合であっても、本実施形態ではグリセリンの添加量によりゲルの硬さを調整することができる。
このようにゲルの硬さを調整できるようになると、例えば、模擬赤血球としてのゲルの硬さを実際の赤血球の硬さに近づけるように調整することができる。また、硬さを調整することは、アルギン酸カルシウムによる高分子の網目の密度を調整することでもある。すると、グリセリンの濃度を調整することで薬剤の徐放性を調整することができるようにもなる。薬剤の徐放性を調整する場合には、前述のステップＳ１０４においてゲルの硬さを測定する代わりにゲルに含まれる薬剤の徐放性を測定する。そして、ステップＳ１０６において、薬剤の徐放性に応じてグリセリンの添加量を調整する。このようにすることで、薬剤の徐放性を調整することができるようになる。
尚、上述の第２溶剤は、塩化カルシウム水溶液が用いられていたが第２溶剤として酢酸カルシウム水溶液を用いることとしてもよい。酢酸カルシウム水溶液の場合であっても、酢酸カルシウム濃度は１．０重量％以上の酢酸カルシウム水溶液であれば適切にゲルを製造することができることが、上記塩化カルシウム水溶液の濃度の検証と同様の方法によって確かめられる。よって、第２溶剤としては、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方とすることができる。
上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
＜別のゲル製造装置１（ディスペンサー）＞
前述の実施形態によれば、ピエゾ素子を用いた噴射ヘッドから第１溶剤Ｌ１を噴射することによって、ゲルが形成されていた。但し、ピエゾ素子を用いた噴射ヘッドの代わりに、シリンジを用いたディスペンサーを採用することも可能である。
図１１は、別のゲル製造装置の一部分の概略図である。このゲル製造装置は、第１溶剤Ｌ１を吐出する装置として、シリンジを用いたディスペンサーを備えている。
図中のディスペンサーコントローラーは、シリンジに供給する圧力を制御する。ディスペンサーコントローラーには、レギュレータを介して、圧力源であるエア源が接続されている。ディスペンサーコントローラーは、シリンジに供給する圧力やその時間を制御することによって、シリンジからの吐出量を制御する。これにより、ゲルの粒子径を制御することが可能となる。
なおディスペンサー方式では水頭差によって発生したシリンジ内部の空間容積の増大により圧縮エアを送り込んだ際にタイムラグが吐出量をばらつかせるという現象がある。この現象を抑制し一定の吐出量を確保するため、吐出時間補正方式、圧力補正方式のいずれか一方の方式をコントローラー内に備えている。
吐出時間補正方式は、毎回の吐出ごとに吐出時間を調整して材料の吐出量を一定にする方式である。補正手法としては、事前に吐出回数と吐出量のデータを測定しておき、そのデータを吐出時間に反映させるものである。
また圧力補正方式は、シリンジ内の材料が少なくなった際に吐出圧力を高めることで吐出量を一定にする方式である。補正手法としては、吐出時間補正方式と同様に、事前に吐出回数と吐出量のデータを測定しておき、そのデータを吐出圧力に反映させるものである。
なおディスペンサーにはノズルから液体材料の漏れを防止する手段を備えている。ディスペンサーから吐出する材料によっては、ノズルから液だれが発生し吐出量のバラツキを誘発する可能性がある。それを防止するためノズル部に液だれ防止弁を設け、吐出時に発生する圧力を感知することで弁が開閉し、非吐出時における液だれを防止する機構を有している。
なお、図１１では不図示であるが、シリンジから吐出された第１溶剤Ｌ１は、前述の実施形態と同様に、第２溶剤Ｌ２に供給される。また、第２溶剤Ｌ２に第１溶剤Ｌ１を供給することにより生成されたゲルは、前述の実施形態と同様に、ゲル回収機構によって回収される。このように、ピエゾ素子を用いた噴射ヘッドを用いずに、シリンジを用いたディスペンサーを採用しても、ゲルを製造することが可能である。
シリンジを用いたゲル製造装置の場合においても、前述の実施形態のゲルの硬さ調整方法と同様に、製造したゲルの硬さの測定結果に応じてグリセリンの添加量を調整することによって、ゲルの硬さを調整することが可能である。また、前述の実施形態と同様に、グリセリンの添加によって、シリンジの中の溶液が乾きにくくなり、シリンジの目詰まりが生じ難くなり、間歇性が向上するという利点がある。
＜別のゲル製造装置２（スプレー方式）＞
図１２は、スプレー方式を採用したゲル製造装置を示す概略図である。このゲル製造装置は、スプレーとチャンバーを備えている。スプレーは、チャンバー内に設けられており、前述の第１溶剤Ｌ１を噴霧する。チャンバー内には前述の第２溶剤Ｌ２が貯留されており、スプレーから噴霧された第１溶剤Ｌ１が、チャンバー内の第２溶剤Ｌ２に供給されることになる。その後、ゲルを含んだ第２溶剤がチャンバーの底部から排出され、前述の実施形態と同様に、ゲル回収機構によってゲルが回収される。
スプレー方式として主に遠心分離方式とノズル噴霧方式を設けている。
遠心分離方式では、図１２のスプレー内部に高速回転円盤が設けてあり、遠心力によりスプレー上方に設置された容器から材料を高速回転円盤内に導入すると同時に空気も引き込み、高速回転円盤内部の高速回転翼により材料を霧化した液滴として放出する。液滴大きさは高速回転円盤の機種を変えること、もしくは遠心力の調整で制御する。
一方、ノズル方式は、図１２のスプレー内部にノズル口が設けてあり、スプレー上方に設置された容器から材料を導入し、ノズル口近傍に設けた加圧機により気体（空気、窒素）を圧搾し、材料を霧化した液滴として放出する。液滴の大きさはノズル口のサイズ、気体の圧力、流量の調整で制御する。
スプレー方式を採用したゲル製造装置の場合においても、前述の実施形態のゲルの硬さ調整方法と同様に、製造したゲルの硬さの測定結果に応じてグリセリンの添加量を調整することによって、ゲルの硬さを調整することが可能である。また、前述の実施形態と同様に、グリセリンの添加によって、スプレーの中の溶液が乾きにくくなり、スプレーの目詰まりが生じ難くなるという利点がある。
ところで、図１２では、チャンバーに第２溶剤Ｌ２を貯留し、第２溶剤Ｌ２の液面よりも上方でスプレーから第１溶剤Ｌ１を噴霧している。但し、第２溶剤Ｌ２をチャンバーの中に噴霧して、チャンバーの中を第２溶剤Ｌ２の雰囲気にし、その雰囲気中にスプレーから第１溶剤Ｌ１を噴霧しても良い。このようにしても、チャンバー内でゲルを製造することが可能である。
＜別のゲル製造装置３（多孔質膜方式）＞
図１３は、多孔質膜を用いたゲル製造装置を示す概略図である。図中では、ゲル化する前の粒子が白丸で示され、ゲル化した粒子が黒丸で示されている。
第１チャンバーには、前述の第１溶剤Ｌ１よりも粘度の低い液体（例えば水）が貯留されている。また、第１チャンバー内の液体の中には、多孔質膜が配置されている。多孔質膜として、例えばＳＰＧ（Shirasu Porous Glass：火山灰シラスを主原料にした多孔質ガラス）による膜がある。但し、他の材質の多孔質膜が用いられても良い。
前述の第１溶剤Ｌ１が多孔質膜を介して所定圧力で押し出されることによって、第１溶剤Ｌ１の粒子が第１チャンバー内の液体中に分散する。第１チャンバー内の液体は第１溶剤Ｌ１の粒子が液体粒子として分散状態を保持できる組成にする。例えば、水と油が分離する性質を利用して、第１溶剤Ｌ１の粒子が水系粒子であれば、第１チャンバー内の液体は油系の液体を満たしており、逆に第１溶剤Ｌ１の粒子が油系粒子であれば、第１チャンバー内の液体は水系の液体を満たしている。また同じ水系と水系のように同じ組成でも材料の物性に差異をつけることで分散状態を保持する。例えば、第１チャンバー内の溶液と第１溶剤Ｌ１の粒子に密度差をつける方法がある。第１チャンバー内の溶液は低密度の液体、第１溶剤Ｌ１の粒子は高密度の液体というように密度差つけることで、密度高いものは混ざり合う前に沈降するという性質を用いて、同じ水系の材料であっても短時間であれば分散状態を保つことが出来る。次に、第１チャンバー内の液体を第２チャンバーに供給する。第２チャンバーには前述の第２溶剤Ｌ２が貯留されており、第１チャンバー内の液体中に分散していた第１溶剤Ｌ１の粒子がゲル化する。その後、第２チャンバーの底部からゲルを含む第２溶剤が排出され、前述の実施形態と同様に、ゲル回収機構によってゲルが回収される。
多孔質膜を用いたゲル製造装置の場合においても、前述の実施形態のゲルの硬さ調整方法と同様に、製造したゲルの硬さの測定結果に応じてグリセリンの添加量を調整することによって、ゲルの硬さを調整することが可能である。また、前述の実施形態と同様に、グリセリンの添加によって、多孔質膜の中の溶液が乾きにくくなり、多孔質膜の目詰まりが生じ難くなるという利点がある。
＜別のゲル製造装置４（ホモジナイザー）＞
前述の実施形態によれば、第１溶剤Ｌ１を第２溶剤に噴射することによって、ゲルが形成されていた。但し、ゲル製造装置は、液体噴射装置を備えるものに限られるものではない。液体を噴射せずにゲルを製造することも可能である。
図１４は、別のゲル製造装置を示す概略図である。このゲル製造装置は、円筒状の容器であるチャンバーと、チャンバー内で回転する攪拌羽根とを備えており、ホモジナイザーと同様の構成になっている。
第１タンク１１には、前述の第１溶剤Ｌ１が収納されている。第２タンク２０には、前述の第２溶剤Ｌ２が収納されている。チャンバーの中に第２溶剤Ｌ２を供給し、その第２溶剤Ｌ２の中に第１溶剤Ｌ１を供給した後、チャンバーの中で攪拌羽根を高速回転させる。第２タンク内の液体は第１溶剤Ｌ１の粒子が液体粒子として分散状態を保持できる組成にする。例えば、水と油が分離する性質を利用して、第１溶剤Ｌ１の粒子が水系粒子であれば、第２タンク内の液体は油系の液体を満たしており、逆に第１溶剤Ｌ１の粒子が油系粒子であれば、第２タンク内の液体は水系の液体を満たしている。また同じ水系と水系のように同じ組成でも材料の物性に差異をつけることで分散状態を保持する。例えば、第２タンク内の溶液と第１溶剤Ｌ１の粒子に密度差をつける方法がある。第２タンク内の溶液は低密度の液体、第１溶剤Ｌ１の粒子は高密度の液体というように密度差つけることで、密度高いものは混ざり合う前に沈降するという性質を用いて、同じ水系の材料であっても短時間であれば分散状態を保つことが出来る。若しくは、第２溶剤Ｌ２の入ったチャンバー内で攪拌羽根を高速回転させながら、第１溶剤Ｌ１を供給しても良い。このゲル製造装置においても、所定の粒子径の球形のゲルを製造することができる。攪拌後にチャンバー内に分散しているゲルは、前述の実施形態と同様のゲル回収機構（図１４では不図示）によって回収される。
図１４のゲル製造装置の場合においても、前述の実施形態のゲルの硬さ調整方法と同様に、製造したゲルの硬さの測定結果に応じてグリセリンの添加量を調整することによって、ゲルの硬さを調整することが可能である。
１ 噴射機構、２ 流動機構、３ ゲル回収機構、
４ 噴射計測機構、５ ゲル計量機構、６ 観察機構、
１０ ゲル製造装置、１１ 第１タンク、
１２ 噴射ヘッド、１３ ノズル、
１４ 供給配管、１６ ギャッププレート、１７ 貫通孔、１８ 溝、
１９ 補強プレート、２０ 第２タンク、
２１ 流動部、２２ 排出部、２３ 溶剤循環部、２４ ポンプ、２５ フィルター、
３１ 回収ネット、
６０ コントローラー、
６１ カメラ、
４０２ 液体供給路、４０４ ノズル連通路、４０６ 弾性板、
Ｇ ゲル、Ｌ１ 第１溶剤、Ｌ２ 第２溶剤、
ＰＺＴ ピエゾ素子

Claims (11)

  1. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成させる液体噴射装置を備えるゲル製造装置。
  2. 前記ゲル形成性溶液は、前記グリセリンを４０〜５０重量％含む、請求項１に記載のゲル製造装置。
  3. 前記液体噴射装置は、
    前記ゲル形成性溶液が充填される容積室であって、容積が変化させられる容積室と、
    前記容積室から前記ゲル形成性溶液を噴射するノズルと、
    を備える、請求項１又は２に記載のゲル製造装置。
  4. 前記液体噴射装置は、前記容積室の容積を変化させるダイアフラムと該ダイアフラムに接する圧電素子とを備える、請求項３に記載のゲル製造装置。
  5. 前記圧電素子にはパルス状の電圧が印加される、請求項４に記載のゲル製造装置。
  6. 前記ゲル形成性溶液は脱気処理がされている、請求項１〜５のいずれかに記載のゲル製造装置。
  7. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
    形成した前記ゲルの硬さを測定することと、
    前記ゲルの硬さに応じて、前記ゲル形成性溶液に含まれるグリセリンの重量％を調整することと、
    調整した前記ゲル形成性溶液を前記塩化カルシウム水溶液及び前記酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
    を含むゲル製造方法。
  8. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
    形成した前記ゲル内の薬剤の徐放時間を測定することと、
    前記薬剤の徐放時間に応じて、前記ゲル形成性溶液に含まれるグリセリンの重量％を調整することと、
    調整した前記ゲル形成性溶液を前記塩化カルシウム水溶液及び前記酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成することと、
    を含むゲル製造方法。
  9. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に噴射してゲルを形成すること
    を含むゲル製造方法。
  10. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に供給してゲルを形成させる液体供給装置を備えるゲル製造装置。
  11. ０．３〜１０重量％のアルギン酸ナトリウムと、４〜６０重量％のグリセリンと、を含むゲル形成性溶液を、１．０重量％以上の塩化カルシウムを含む塩化カルシウム水溶液及び１．０重量％以上の酢酸カルシウムを含む酢酸カルシウム水溶液のいずれか一方に供給してゲルを形成させること
    を含むゲル製造方法。
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