JP2015149980A - 培養装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基材と、少なくとも微細化セルロース繊維を含む被覆層と、を含む培養装置であって、前記基材の少なくとも一部が、前記被覆層により被覆されていることを特徴とする。製造に際しては、水性媒体に分散させた微細化セルロース繊維を基材に塗布することにより被覆層を形成し、前記被覆膜を乾燥後、放射線を照射する放射線照射工程を経る。
【選択図】なし
Description
本発明は、基材と、少なくとも微細化セルロース繊維を含む被覆層と、を含む培養装置であって、前記基材の少なくとも一部が、前記被覆層により被覆されていることを特徴とする。
本発明の培養装置は各種プラスチック基材あるいは容器の表面にミクロフィブリル単位まで微細化されたセルロース繊維、好ましくはCSNFを含有する層を設けたことを最大の特徴とする。
CSNFの数平均長軸径は、200nm以上であり且つ前記数平均短軸径の100倍以上であることがより好ましい。
CSNFの数平均長軸径の上限は、膜凝集力の点では特に限定されないが、製造し易さ等の点では、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。
TEMPOをはじめとするN−オキシル化合物を用いた酸化反応では、結晶表面のセルロース分子鎖が持つグルコピラノース単位の第6位の−CH2OHが高い選択性で酸化され、アルデヒド基を経てカルボキシ基に変換される。
このように結晶表面に導入されたカルボキシ基を有するCSNF間には静電的な反発力が働くため、水性媒体中で再凝集しにくく、分散安定性が良好である。
N−オキシル化合物を用いた酸化反応については後で詳しく説明する。
水性媒体としては、水、または水と有機溶剤との混合液が好ましい。該有機溶剤としては、水に溶解あるいは均一に混合し、かつ変性CSNFの分散性を損なわないものであれば特に限定されず、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコール、テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、等が挙げられる。これらの中でもアルコールが好ましい。水性媒体としては、水が特に好ましい。
水性分散液中のCSNFの含有量は特に限定されないが、通常、水性分散液の総質量に対し、0.01質量%以上5質量%以下が好ましい。0.01質量%未満であると、成形体形成用組成物としては溶媒過多となってしまい、均一な被覆層をある程度の厚みまで厚くするのに手間がかかる。5質量%を超えると、CSNF同士の絡み合いで粘度が上昇し、均一な被覆層を形成するのが難しくなる。
該他の成分としては、例えばCSNFの水性分散液の調製時にpH調整に用いられた成分を含有してもよい。CSNFの水性分散液の調製方法は後で詳しく説明する。
また、該他の成分として、各種添加剤を含有してもよい。添加剤としては、当該被膜層形成材料の用途等に応じて、公知の添加剤のなかから適宜選択できる。具体的には、アルコキシシラン等の有機金属化合物またはその加水分解物、無機層状化合物、無機針状鉱物、レベリング剤、消泡剤、水溶性高分子、合成高分子、無機系粒子、有機系粒子、潤滑剤、帯電防止剤、紫外線吸収剤、染料、顔料、安定剤、磁性粉、配向促進剤、可塑剤、架橋剤等が挙げられる。
以下、木材系天然セルロースから、N−オキシル化合物を用いた酸化反応により導入されたカルボキシ基を有するCSNFの分散液を調製する方法の一例を説明する。
この例の調製方法は、木材系天然セルロースを、N−オキシル化合物を用いて酸化して酸化セルロースを得る工程(酸化工程)と、該酸化セルロースを水性媒体中で微細化してCSNF分散液を調製する工程(微細化工程)とを含む。
木材系天然セルロースとしては、特に限定されず、針葉樹パルプや広葉樹パルプ、古紙パルプ、など、一般的にセルロースナノファイバーの製造に用いられるものを用いることができる。精製および微細化のしやすさから、針葉樹パルプが好ましい。
N−オキシル化合物としては、TEMPO(2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル−1−オキシラジカル)、2,2,6,6−テトラメチル−4−ヒドロキシピペリジン−1−オキシル、4−メトキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、4−エトキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、4−アセトアミド−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシル、等が挙げられる。その中でも、TEMPOが好ましい。
N−オキシル化合物の使用量は、触媒としての量でよく、特に限定されない。通常、酸化処理する木材系天然セルロースの固形分に対して0.01〜5.0質量%程度である。
このとき、N−オキシル化合物とともに、共酸化剤を併用することが好ましい。この場合、反応系内において、N−オキシル化合物が順次共酸化剤により酸化されてオキソアンモニウム塩が生成し、該オキソアンモニウム塩によりセルロースが酸化される。かかる酸化処理によれば、温和な条件でも酸化反応が円滑に進行し、カルボキシ基の導入効率が向上する。酸化処理を温和な条件で行うと、セルロースの結晶構造を維持しやすい。
前記共酸化剤としては、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸や過ハロゲン酸、またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、窒素酸化物、過酸化物など、酸化反応を推進することが可能であれば、いずれの酸化剤も用いることができる。入手の容易さや反応性から、次亜塩素酸ナトリウムが好ましい。
前記共酸化剤の使用量は、酸化反応を促進することができる量でよく、特に限定されない。通常、酸化処理する木材系天然セルロースの固形分に対して1〜200質量%程度である。
該化合物としては、臭化ナトリウムまたは臭化リチウムが好ましく、コストや安定性から、臭化ナトリウムがより好ましい。
該化合物の使用量は、酸化反応を促進することができる量でよく、特に限定されない。通常、酸化処理する木材系天然セルロースの固形分に対して1〜50質量%程度である。
4℃以下であると、試薬の反応性が低下し反応時間が長くなってしまう。50℃以上であると副反応が促進して試料が低分子化し、被覆層を形成した際の層内の膜凝集力を損なってしまう。
前記酸化処理の反応時間は、反応温度、所望のカルボキシ基量等を考慮して適宜設定でき、特に限定されないが、通常、10分〜5時間程度である。
前記酸化処理においては、酸化が進行するにつれて、カルボキシ基が生成することにより系内のpHが低下してしまう。酸化処理中、反応系のpHを9〜11に保つことが好ましい。反応系のpHを9〜11に保つ方法としては、pHの低下に応じてアルカリ水溶液を添加する方法が挙げられる。アルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、アンモニア水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、水酸化テトラエチルアンモニウム水溶液、水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液、水酸化ベンジルトリメチルアンモニウム水溶液などの有機アルカリなどが挙げられる。コストなどの面から水酸化ナトリウム水溶液が好ましい。
添加するアルコールとしては、反応をすばやく終了させるためメタノール、エタノール、プロパノールなどの低分子量のアルコールが好ましく、反応により生成される副産物の安全性などから、エタノールが特に好ましい。
酸化セルロースの回収は、ガラスフィルターや20μm孔径のナイロンメッシュを用いたろ過等の公知の方法により実施できる。
酸化セルロースの洗浄に用いる洗浄液としては蒸留水が好ましい。
酸化セルロースを微細化する方法としてはまず、酸化セルロースに水性媒体を加えて懸濁させる。
水性媒体としては、前記と同様のものが挙げられ、水が特に好ましい。
必要に応じて、酸化セルロースや生成するCSNFの分散性を上げるために、懸濁液のpH調整を行ってもよい。pH調整に用いられるアルカリ水溶液としては、前記酸化工程の説明で挙げたアルカリ水溶液と同様のものが挙げられる。
物理的解繊処理としては、高圧ホモジナイザー、超高圧ホモジナイザー、ボールミル、ロールミル、カッターミル、遊星ミル、ジェットミル、アトライター、グラインダー、ジューサーミキサー、ホモミキサー、超音波ホモジナイザー、ナノジナイザー、水中対向衝突などの機械的処理が挙げられる。
このような物理的解繊処理を行うことで、懸濁液中の酸化セルロースが微細化され、繊維表面にカルボキシ基を有するCSNFの分散液を得ることができる。このときの物理的解繊処理の時間や回数により、得られるCSNF分散液に含まれるCSNFの数平均短軸径および数平均長軸径を調整できる。
得られた分散液は、そのまま、または希釈、濃縮等を行って、基材へ塗布し被覆層を形成するためのコーティング組成物に用いることができる。また、該コーティング組成物中に含まれるCSNFを回収し、これを分散媒に分散させたものをコーティング組成物として用いてもよい。このコーティング組成物を使用して、基材にCSNFを含有する被覆層を設けることで、生体材料の非吸着性に優れ、試料汚染の恐れがない、環境配慮型の被覆層を形成することが出来る。
たとえば上記方法で原料として用いるセルロースの種類は木材系天然セルロースに限定されず、例えばコットンリンター、竹、麻、バガス、ケナフ、バクテリアセルロース、ホヤセルロース、バロニアセルロースといった非木材系天然セルロースを用いてもよい。材料調達の容易さおよび安定供給の面から、木材系天然セルロースが好ましい。
CSNFは、前述のN−オキシル化合物による酸化処理および物理的解繊処理の組み合わせにより得られるものに限定されず、該酸化処理、希酸加水分解処理等による化学処理、物理的解繊処理、酵素処理等の公知の方法のいずれか1種を単独で用いて得られたものでも、2種以上を組合せて得られたものでもよい。また、バクテリアセルロースも、カルボキシ基が導入されるCSNFとして用いることが出来る。積層体を形成した時の透明性や親水性を考慮すると、各種セルロース系材料を、前述のN−オキシル化合物による酸化処理および物理的解繊処理の組み合わせにより微細化したCSNFを用いることが好ましい。
本発明の培養装置は、基材と、前記基材の少なくとも一部の面に生体材料の吸着性低減を目的とした被覆層と、を有し、前記被覆層が、前記CSNFを含有する層であることを特徴とする。
プラスチックフィルムを構成するプラスチック材料としては、例えば、ポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン等)、ポリエステル系(ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等)、セルロース系(トリアセチルセルロース、ジアセチルセルロース、セロファン等)、ポリアミド系(6−ナイロン、6,6−ナイロン等)、アクリル系(ポリメチルメタクリレート等)、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリカーボネート、エチレンビニルアルコール等の有機高分子化合物が挙げられる。また、前述の有機高分子化合物の中から、少なくとも1種以上の成分を持つ、或いは共重合成分に持つ、或いはそれらの化学修飾体を成分に有する有機高分子材料も可能である。また、ポリ乳酸、バイオポリオレフィンなど植物から化学合成されるバイオプラスチック、ヒドロキシアルカノエートなど微生物が生産するプラスチック等を用いることも可能である。
セルロース系基材は、セルロース系材料から構成される基材であり、セルロース系材料としては、紙、セロハン、アセチル化セルロース、セルロース誘導体、微細化セルロース繊維等が挙げられる。
環境等への配慮から基材にも環境負荷の少ないものが求められる場合、基材としては、上記のうち、植物から化学合成されるバイオプラスチックを含む基材、微生物が生産するプラスチックを含む基材、セルロース系基材等が好ましい。
基材は、可塑剤、酸化防止剤、難燃剤、充填剤、帯電防止剤、結晶化促進剤、発泡剤、光沢剤、濡れ性改良剤等の添加剤を含有してもよい。
基材は、コロナ放電、プラズマ処理、酸化処理等の表面処理が施されていてもよい。
基材の厚さは、当該培養装置の用途等に応じて適宜設定でき特に限定されないが、通常、1μm〜1cm程度である。
前記水性分散液の乾燥は、熱風乾燥、熱ロール乾燥、赤外線照射など、公知の乾燥方法を用いて実施できる。乾燥条件としては、特に限定しないが、乾燥温度としては20℃以上200℃以下が好ましく、30℃以上150℃以下がより好ましい。20℃以下では水性媒体の除去に時間がかかりすぎてしまい、200度以上ではCSNFが熱分解し黄変してしまうおそれがある。
被覆層の厚み(乾燥後の厚み)は、用途に応じて適宜設定でき特に限定されないが、0.1〜1000μmが好ましく、0.2 〜500μmがより好ましい。該厚みが0.1μm以上であると、被覆層を均一に設けることができ、生体材料の吸着抑制効果が充分に得られ、1000μm以下であると、透明性および生産性が良好である。
被覆層は、基材表面の一部のみに設けてもよく、全面に設けてもよい。
アンカー層は、基材と被覆層の間の密着性を改善するために設けられるものである。アンカー層の形成方法としては公知のものを用いることができ、2液硬化型ウレタン樹脂などを用いるのが一般的であるが、これに限定されず、公知の方法により積層することができる。
アンカー層の厚さは、目的に応じて決められるが、一般的には0.01〜100μmの範囲である。
放射線照射による被覆層の構造の変化について、より詳細に説明する。
まず、CSNFに放射線が照射されると、CSNFの繊維表面で、CSNFを構成するセルロース分子の原子間の結合が切断されてラジカルが生成する。ラジカルは反応性が高く、瞬時に再結合して共有結合を形成する。隣接するCSNFの表面に生じたラジカル同士の再結合により、CSNF同士が架橋する。すなわち、微細化セルロース繊維が架橋構造を持つことになる。
電子線の照射方法として、カーテン型、スキャン型、プラズマ放電型等、いずれも適用可能である。電子線の加速電圧としては1keVから10MeVが適用可能である。
放射線を照射する環境中に酸素が存在すると共有結合の生成が阻害されるため、酸素が存在しない環境で放射線を照射することが好ましい。例えば放射線照射中は、窒素パージなどを行い、酸素濃度が500ppm以下となるように保つことが好ましい。
照射線量が1kGy以上であると、充分な量の共有結合が生成し、被覆層の膜凝集力の改善効果が充分に得られ、CSNF同士の架橋によってCSNFが生体材料に含まれる溶媒中に溶出することがなくなり、生体材料に対する汚染防止効果が期待できる。10mGy未満であると、放射線による基材やCSNFの損傷を抑制できる。
以下の各例において、「%」は、特に断りのない限り、質量%(w/w%)を示す。
(木材セルロースのTEMPO酸化)
針葉樹クラフトパルプ70gを蒸留水3500gに懸濁し、蒸留水350gにTEMPOを0.7g、臭化ナトリウムを7g溶解させた溶液を加え、20℃まで冷却した。ここに2mol/L、密度1.15g/mLの次亜塩素酸ナトリウム水溶液450gを滴下により添加し、酸化反応を開始した。系内の温度は常に20℃に保ち、反応中のpHの低下は0.5Nの水酸化ナトリウム水溶液を添加することでpH10に保ち続けた。セルロースの質量に対して、水酸化ナトリウムが3.00mmol/gになったと時点で、過剰量のエタノールを添加し反応を停止させた。その後、ガラスフィルターを用いて蒸留水によるろ過洗浄を繰り返し、酸化パルプを得た。
上記TEMPO酸化で得た酸化パルプを固形分重量で0.1g量りとり、1%濃度で水に分散させ、塩酸を加えてpHを2.5とした。その後0.5N水酸化ナトリウム水溶液を用いた電導度滴定法により、酸化パルプ1g当たりのカルボキシル基量(mmol/g)を求めた。結果は1.6mmol/gであった。
前記TEMPO酸化で得た酸化パルプ1gを99gの蒸留水に分散させ、ジューサーミキサーで30分間微細化処理し、CSNF濃度1%のCSNF水分散液を得た。該CSNF水分散液は本発明におけるコーティング組成物として用いることが可能である。
該CSNF水分散液に含まれるCSNFの数平均短軸径は3nm、数平均長軸径は1035nmであった。
基材容器として、遠心分離用コニカルチューブ(日本BD社製、15mL/ポリプロピレン)を用いた。前記コニカルチューブに対し、プラズマ処理装置 (MicroLabo−PS、(株)ニッシン製)を用いてプラズマ処理を行った。
前記チューブに前記CSNF水分散液を分注して、10分間の間チューブ内壁にCSNF水分散液を接触させた。10分経過後に、CSNF水分散液を排出し、チューブをさかさまに返した状態で、30℃で50分間一次乾燥した後、大型基盤対応電子線照射装置(型式LB4008、(株)アイ・エレクトロンビーム)を用いて、吸収線量が400kGyとなるように電子線照射処理を行った。吸収線量はビーム電流値とラインスピードにより制御した。また、加速電圧は120keVに固定した。
こうして得られたチューブの表面には、CSNFが緻密に積層した被覆層が厚さ約1μmで形成されていた。なお、被覆層の厚さは液体窒素中でチューブを破断させた破断面を走査型電子顕微鏡(S−4800、(株)日立ハイテクノロジー社製)で観察することにより確認した。
基材容器として、遠心分離用コニカルチューブ(日本BD社製、15mL/ポリスチレン)を用いた以外は実施例1と同様の方法でチューブを作製した。
CSNF分散液の代わりに1%PVA水溶液を用いた以外は実施例1と同様の方法でチューブを作製した。
CSNF分散液を用いた被覆層の形成を行わなかったこと以外は実施例1と同様の方法でチューブを作製した。
ラット胎児大脳皮質神経細胞を含む培養液を各実施例及び比較例で得られたチューブに各々10mLずつ分注し、高速冷却遠心機を用いて、1,200rpmで10分の条件で遠心分離した。遠心分離後各チューブから上清を捨て、10mLの培養液で再分散してから血球計算版を用いて細胞数をカウントした。
・ウシ血清アルブミン吸着性
タンパク質は,ベリタス社製の動物血清アルブミン(BSAStandard Grade (pH 7.0) LyophilizedPowder /10 kg Container)を用いた。前記BSAをクロラミンT法で125Iラベル化した前記BSAをリン酸バッファー中にて分散させ1μg/mLに希釈した。各実施例および比較例で獲られた容器に5mLずつ分注し、37℃ で2時間ゲルに吸着させた後、125Iの放射能を測定することにより吸着量を求めた。
各実施例及び比較例で得られた容器を60℃の恒温槽に入れ、30日間保存後に前記生体材料吸着性評価をおこない生体材料非吸着特性について劣化の有無を確認した。
各実施例及び各比較例で得られたチューブに各々に蒸留水:エタノールを1:1で混合した溶媒を10.0mLずつ分注し、10分間放置した後、影響の有無を目視で判断した。
遠心強度は、高速冷却遠心機を用いて、25,000rpmで10分遠心した後で、目視により各チューブの変形、割れを確認した。
一方、本発明を用いなかった比較例1および2においては細胞回収率が低く、生体由来物質の吸着性も認められ、比較例2はとくに吸着が顕著であった。比較例1では保存安定性試験において劣化が確認され試料汚染の可能性が示された。特に耐溶媒性に問題があった。
Claims (10)
- 基材と、少なくとも微細化セルロース繊維を含む被覆層と、を含み、前記基材の少なくとも一部が、前記被覆層により被覆されていることを特徴とする培養装置。
- 前記微細化セルロース繊維の数平均短軸径が1nm以上100nm以下であり、数平均長軸径が100nm以上であり且つ前記数平均短軸径の10倍以上である請求項1に記載の培養装置。
- 前記微細化セルロース繊維の表面にカルボキシ基が導入されていることを特徴とする請求項1乃至2のいずれかに記載の培養装置。
- 前記微細化セルロース繊維のカルボキシ基が、N−オキシル化合物を用いた酸化反応によって導入されていることを特徴とする請求項3に記載の培養装置。
- 前記カルボキシ基の含有量が、前記微細化セルロース繊維1g当たり0.1mmol以上5.0mmol以下の範囲内であることを特徴とする請求項3または4に記載の培養装置。
- 前記微細化セルロース繊維の結晶構造がセルロースI型であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の培養装置。
- 前記微細化セルロース繊維が架橋構造を形成していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の培養装置。
- 水性媒体に分散させた微細化セルロース繊維を基材に塗布し、被覆膜を形成する被覆膜塗布工程と、
前記被覆膜を乾燥させる被覆膜乾燥工程と、
前記被覆膜に放射線を照射する放射線照射工程と、
を含むことを特徴とする培養装置の製造方法。 - 前記放射線の照射線量が1kGy以上10mGy以下であることを特徴とする、請求項8に記載の培養装置の製造方法。
- 前記放射線が電子線であることを特徴とする請求項8乃至9のいずれかに記載の培養装置の製造方法。
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JP2014029944A JP6369044B2 (ja) | 2014-02-19 | 2014-02-19 | 培養装置およびその製造方法 |
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