JP2017521205A - 繭を用いた人工生体膜及びその製造方法 - Google Patents

繭を用いた人工生体膜及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

繭を用いた人工生体膜及びその製造方法が開示する。本発明の繭を用いた人工生体膜は、第1厚さの殻を有する繭を所定の形態の二つ以上に平面分割することにより繭片に製造されることが特徴である。本発明によって、製造過程が比較的簡単で、通常の人工生体膜の単価と対比して一層削減でき、細胞培養能に優れるうえ、生体適合性を有する、繭を用いた人工生体膜及びその製造方法が提供される。また、人工生体膜としての優れた引張強度及び延伸率を有する、繭を用いた人工生体膜及びその製造方法が提供される。

Description

本発明は、繭を用いた人工生体膜及びその製造方法に係り、より詳しくは、生体適合性を有しながら細胞培養能に優れた、繭を用いた生体膜及びその製造方法に関する。
また、本発明は、生体膜としての優れた引張強度と延伸率を有する、繭を用いた生体膜及びその製造方法に関する。
医療用材料として使用される各種素材の中で、動物由来のコラーゲンは、生体親和性及び組織適合性に優れている。さらに、前記コラーゲンは、止血作用を有し、生体内で完全に分解吸収される特性を有している。
このようなコラーゲンは、動物の皮膚、骨、軟骨、腱、臓器などの様々な器官の結合組織から酸可溶化法、アルカリ可溶化法、中性可溶化法または酵素可溶化法などにより抽出及び精製されたものである。
従来使用されている医療用抽出コラーゲンは、分子レベルではモノマーまたはオリゴマー程度にまで分解されたものであり、粉末状または液状として保存される。
これらの抽出コラーゲンは、コラーゲン分子がモノマーまたはオリゴマー程度に分解された状態であるため、水、体液または血液などと接触すると、非常に速やかにゾル化してしまう。
このため、これらのコラーゲンは、医療用材料として成形して使用する際に生体に適するようにするために、ある程度の硬さを有するようにナイロンやシリコンなどの合成高分子材料の表面をコラーゲンで被覆して使用する。また、生体に適用した場合、所定の期間にその形状を保持するために、抽出コラーゲンの成形物を架橋剤による化学的架橋処理、または放射線、電子線、紫外線、熱などによる物理的架橋処理に付して使用している。
このようにコラーゲンを合成高分子材料と組み合わせた材料の場合、合成高分子材料が生体内に異物として残存して肉芽形成、炎症などの障害を引き起こし易いので、このような材料を全ての細胞または臓器に適用することはできない。
また、コラーゲン材料に架橋処理を行っても、コラーゲン材料の物性、特に引張強度はほとんど上昇しないため、これを加工して、縫合を必要とする医療用材料として使用することは不可能である。
また、グルタルアルデヒドまたはエポキシなどの架橋剤を用いると、架橋剤自体の生体に対する毒性が問題になるばかりでなく、コラーゲンが本来有する生化学的特性、特に、細胞増殖に対する促進効果が失われるという欠点もある。
また、物理的架橋処理では、十分な物性を付与することができず、また生体内での吸収速度をコントロールすることができるよう架橋処理することも困難である。
また、各種疾患または外傷などのため、脳や各種臓器の外科手術を行い、術創を閉じる際に、切開した脳硬膜、心膜、胸膜、腹膜または漿膜などを再縫合して閉鎖する必要があるが、縫いしろによる短縮分が生じるか膜が部分的に切除されるので、術創を完全に閉鎖しきれず、膜に欠損部が生じることが多い。
このような欠損部をそのまま放置すると、膜の欠損した箇所から脳、心臓、肺、腸などの臓器が脱出して重大な障害を起こし、或いは臓器または臓器周辺から水または空気が漏出して術創が治癒しない。
このため、従来は、この欠損部分の補填材として使用できる医療用代替膜として、死体から採取した凍結乾燥ヒト脳硬膜や、多孔性の延伸ポリテトラフルオロエチレンフィルム材(EPTFE)、ポリプロピレンメッシュ、テフロンシートまたはダクロンシートなどが使用されている。
しかし、前記ヒト脳硬膜は、補填したヒト脳硬膜と脳実質組織とが癒着を生じ、術後にテンカンの発作を引き起こすおそれがあり、特に、前記EPTFEは生体内で分解されず異物として残存するため、感染を起こし易い。また、生体組織と接触すると、組織細胞が脂肪変性を起こしてしまうなど、術後合併症を起こすことが多いと知られている。
よって、生化学的特性を維持しながら縫合可能な程度の物性を有し、生体への適用後も所定の期間にその形状を保持することができる生体膜用素材の様々な開発が現在行われている。
関連先行技術としては、韓国公開特許第10−2002−0036225号(公開日:2002年5月16日、名称:皮膚疾患保護−治療用生体膜)と韓国登録特許第10−1280722号(登録日:2013年6月25日、名称:コラーゲンからなる薄フィルム多房状構造体、それを含む組織再生用部材、及びそれらの製造方法)などがある。
本発明の目的は、製造過程が比較的簡単で、通常の人工生体膜の単価と対比して一層削減でき、細胞培養能に優れるうえ、生体適合性を有する、繭を用いた人工生体膜及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、生体膜としての優れた引張強度及び延伸率を有する、繭を用いた人工生体膜及びその製造方法を提供することにある。
本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように詳細に説明される。本発明の多様な実施形態は、互いに異なるが、相互排他的である必要はないことを理解しなければならない。例えば、本発明の実施形態に記載している特定の形状、構造及び特性は、一実施形態と関連して、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく他の実施形態に実現できる。また、それぞれの開示された実施形態内の個別構成要素の位置又は配置は、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく変更可能であることを理解しなければならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味を有するものと解釈されてはならない。さらに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義される。
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、第1厚さの殻を有する繭を所定の形態の二つ以上に平面分割して繭片に製造される、繭を用いた人工生体膜を提供する。
本発明の一つの例示的な実施形態において、前記第1厚さの前記繭片を2つ以上にデラミネートすることにより、前記第1厚さよりも薄い第2厚さの繭片に製造されることを特徴とする。
本発明の他の例示的な実施形態において、前記デラミネートされた前記第2厚さの繭片は内皮、中皮または外皮であることを特徴とする。
本発明の別の例示的な実施形態において、前記繭片は滅菌処理またはパッキングされることを特徴とする。
本発明の他の態様によれば、第1厚さの殻を有する繭を所定の形態の二つ以上に平面分割して前記第1厚さの繭片を製造する第1段階を含む、繭を用いた人工生体膜の製造方法を提供する。
本発明の一つの例示的な実施形態において、前記第1段階で製造された前記第1厚さの繭片を1つ以上にデラミネートすることにより、前記第1厚さよりも薄い第2厚さの繭片を製造する第2段階を含む。
本発明の他の例示的な実施形態において、前記第2段階で製造された前記第2厚さの繭片をパッキングする第3段階を含む。
本発明の別の例示的な実施形態において、前記各段階の前または後に滅菌処理を少なくとも1回行う段階をさらに含む。
本発明の別の例示的な実施形態において、前記第2厚さの繭片は内皮、中皮または外皮である。
本発明の人工生体膜は、生体膜が必要とする物性である優れた引張強度及び延伸率を有し、細胞培養能に優れるうえ、生体適合性を有する。さらに、製造過程が容易であることにより、通常の人工生体膜に比べて生産単価の低減が可能である。
本発明の一実施形態に係る繭を用いた人工生体膜の製造過程を示す図である。 本発明の変形例に係る繭を用いた人工生体膜の製造過程を示す図である。 本発明の人工生体膜に使用された繭のモフォロジーを示す図である。 本発明の繭を用いた人工生体膜の機械的物性(引張強度)を示す図である。 本発明の繭を用いた人工生体膜の細胞培養能を示す図である。
本明細書に記載された用語、技術などは、特別な限定がない限り、本発明の属する技術分野における一般的に使用される意味で使用される。
特に他に定義しない限り、ここで使われるすべての用語は本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を持っている。一般的に使われる辞典に定義されている用語は、関連技術の文脈上で持つ意味と一致する意味を持つものと解釈されなければならず、本明細書で明らかに定義しない限り、理想的な意味または過度に形式的な意味に解釈されない。
本明細書において、生体膜とは、細胞膜または細胞小器官を構成する膜をいう。すなわち、外界との境界であって、核酸、タンパク質、その他の生体物質が外部に散らばることを防止し、独立した環境を形成して生命活動を営むようにする。また、細胞を囲んで外部環境から細胞を保護し、細胞質と外部環境との間の物質輸送の通路としても働く。
このため、生体膜は、縫合可能な程度の物性を有し、更に生体への適用後も所定の期間その形状を保持することができなければならない。また、術後の術創の癒着を防止する、感染のおそれがない、組織変性を起こさない、かつ再生促進作用もするとの特性を有する素材を使用することが重要である。
人工生体膜として、一般的に人工神経管、人工脊髄、人工食道、人工器官、人工血管、人工弁、代替脳硬膜、人工鼓膜などの人工医療用代替膜が使用される。
しかし、現在まで知られて使われている人工生体膜は、上述したような特性を有するために、様々な物理的架橋処理を行うなどの前処理過程を経たので、長期着用の際に、これによる生体に対する毒性が問題になったり生体内に異物として残存したりするなどの問題点を持っている。また、上述したような特性を持つために取り入れた前処理及び薬品処理などを経て高価な材料として使用されるので、容易に使用するには困難であるという欠点がある。
そこで、本発明者らは、前記人工生体膜の使用を比較的簡単にして、通常の人工生体膜の単価と対比して一層削減できるとともに、細胞培養能に優れるうえ、生体適合性を有し、優れた引張強度及び延伸率を有する、繭を用いた人工生体膜を製造するに至った。
以下、本発明の繭を用いた人工生体膜の製造方法を図1に基づいて具体的に説明する。
1.第1段階:第1厚さの繭片の製造
図1(A)に示すように、第1厚さの殻を有する繭10を準備する。
繭は、カイコが吐糸して自分の体を包み込んで作った家を意味するもので、絹糸の原料として使用されるのが一般的である。本発明は、このような遊休資源である繭をリサイクルすることにより、新しい高付加価値の創出が可能となって養蚕農家の所得増大効果をもたらす。
このような繭は、カイコがきれいな桑の葉だけを食べながら自然に作ったものなので、毒性がなく、環境にやさしい素材としての使用に非常に適している。
このため、人工生体膜の素材として繭10を使用するようになった。このように準備された前記繭10は、図1(B)〜図1(E)のような製造段階を経て所定の形態の二つ以上に平面分割して前記第1厚さの繭片を製造する。
詳しくは、準備された楕円形の繭10を半分に分割することができるよう、図1(B)の如く第1切開線111に沿って切開する。半分に切開された繭は半楕円形の形状をし、前記切開された繭は内面13を見ることができるよう図1(C)の如く開口する。
次いで、前記開口した繭の内面13を図1(D)の如く平面に展開することができるよう、半楕円形の繭の縁部を切り取って図1(E)の如き第1厚さの繭片20を製造する。
本発明では、製造される人工生体膜は必ずしも平らに面が形成される必要はない。つまり、切断された繭の形状が元々丸い形状であるから、必要に応じてはその丸い形状を活用して人工生体膜を製造することもできる。実際に人工生体膜を小さいサイズに製造するために狭い面積の繭片が採取される場合には、繭片が相対的に平らに形成されるが、人工生体膜が広く繭から切開される場合には、ある程度曲面の形状を有することもできる。
本発明において、第1厚さの殻を有する繭片を製造するための他の方法は、図2の変形例に示されている。詳しく説明すると、準備された楕円形の繭10の内面13を見ることができるよう、図2(B)、図2(C)の如く第2切開線15と第3切開線17に沿って切開した後、開口する。その後、図2(D)の如く曲線形状そのままに展開した後、図2Eの如き第1厚さの繭片20を製造する。
図1および図2に示された繭片の製造方法は一実施形態を示すものであって、これは繭から繭片を切断して製造する方法を限定するものではない。つまり、採取された繭を、図1と図2の方法で切断して第1厚さの繭片を製造することもできるが、他の方法や順序で適切に切断して製造することもできる。
2.第2段階:第2厚さの繭片(人工生体膜)の製造
前記第1段階で製造された前記第1厚さの繭片20は、複数の層から構成されているので、いずれの層を用いても人工生体膜としての使用が可能である。
このため、前記第1段階で製造された前記第1厚さの繭片20を、人工生体膜として使用することができるよう、所定の厚さにデラミネートすることにより、第2厚さを有する繭片30を製造する。この際、前記第2厚さはデラミネートによって第1厚さよりも薄くなるのが特徴である。
このように製造した繭片30は、その状態のままで人工生体膜としての如何なる用途にもすべて使用可能である。必要に応じては殺菌処理および薬品処理をさらに行うこともできる。
詳しくは、繭の殻の厚さ(第1厚さ)は品種によって0.3〜1.0mmの厚さで多様に存在する。
本発明では、原則として全種類の繭が使用可能である。ところが、本発明の実施形態のために殻厚さ0.5〜0.8mmの繭を使用する。本発明のために、繭の内皮、中皮および外皮の区分は次のとおり定義する。まず、繭の外側表面から繭の殻厚さの25%程度までを外皮として定義する。繭の内部表面から繭の殻厚さの15%程度までを内皮として定義する。そして、残りの60%に該当する部分、すなわち、外部表面からの外皮と内部表面からの内皮を除去した部分を中皮として定義する。前記殻厚さの数値は、図3に示すように、各部分(内皮、中皮、外皮)の特徴を維持する境界値として確認された。つまり、繭の外部からの殻厚さが約25%程度までの繭片は外皮であって高い延伸率を有することが特徴であり、外皮の次に殻厚さが約60%程度までは中皮であって空隙率が高いため高い細胞成長能を有することが特徴であり、最終的に残った殻厚さである約15%程度は、内皮として滑らかな表面を有し、高い引張強度を有することが特徴であることが確認された。
繭の殻厚さによって差はあるが、繭片は、多くは16重程度まで容易にデラミネートすることができた。人工生体膜の種類や用途に応じて適切な強度や延伸率に合わせて厚さを調節することができる。実際に殻厚さ0.5〜0.8mmの繭を用いて最終分割された人工生体膜は0.01mm〜0.7mmの厚さにデラミネートして製作することができる。こうして生成された前記繭片30は、人工生体膜としての用途別に各特性に応じて選択して使用するのが良い。
図4に示すように、外皮35の場合には、内皮31および中皮33に比べて延伸率が高いため、弾力を必要とする用途の生体膜として使用するのに適している。延伸率の場合、外皮が最も高く、内皮が最も低かった。
また、内皮31の場合には、表面が滑らかであってよくべたつかず、引張強度が一番高いため、強度が要求される用途の生体膜として使用するのに適している。引張強度の場合、内皮が最も高く、外皮が最も低かった。
また、中皮33の場合には、空隙率が大きいため、優れた細胞成長能を示すので、欠損部位に迅速な治癒を必要とする用途の生体膜としての使用が適している。
以下、実施例及び実験例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。ところが、これらの実施例および実験例は、説明の目的のためのもので、本発明の保護範囲を制限しようとするものではない。
<実施例1>本発明の第1人工生体膜の製造
繭10を準備し、準備された前記繭の適正な部分を切開した後、分割して内部を開口した。
その後、これを平らにして、曲線からなっていた内部を平面となるように製造した。
その次、長方形の形状に切断して繭片20を製造した。
前記切断された繭片20は、前記繭の最内側面13に該当する部分、すなわち内皮を0.07mmの厚さにデラミネートした。
その後、デラミネートした内皮部分を滅菌して本発明の第1人工生体膜を製造した。
<実施例2>本発明の第2人工生体膜の製造
実施例1で内皮をデラミネートして残った繭片を準備した。
前記準備された繭片から、前記内皮をデラミネートした部分の反対部分である最外側部分、すなわち外皮を0.07mmの厚さにデラミネートした。
その後、このデラミネートした外皮部分を滅菌して本発明の第2人工生体膜を製造した。
<実施例3>本発明の第3人工生体膜の製造
実施例2で外皮、内皮を全てデラミネートして残った残部、すなわち中皮を0.07mmの厚さに一枚ずつデラミネートした後、滅菌して本発明の第3人工生体膜を製造した。
<実験例1>本発明の人工生体膜に使用された繭のモフォロジー確認
1.実験方法
実施例1〜3によって得た本発明の人工生体膜に使用された繭の絹層別モフォロジーを観察するために、走査電子顕微鏡(SEM)で拡大撮影し、肉眼でも観察したところ、図3のとおりであった。
2.実験結果
図3から分かるように、内皮(実施例1、A)、中皮(実施例3、B)、外皮(実施例2、C)を構成している糸の厚さや空隙形態など、繭層によって形態的差異があった。内皮は、肉眼による観察の際にも、さらに滑らかな表面を持っていることが確認された。これは、内皮、中皮、外皮が生体膜それぞれの用途に合わせて使用可能であることを意味する。
言い換えれば、図3に示すように、内皮は、表面が滑らかなので防水効果があり、比較的べたつかない特性が必要な生体膜として使用するのに適しており、中皮は、空隙率が大きくて優れた細胞成長能を示すので、欠損部位に迅速な治癒を必要とする用途の生体膜としての使用が適していることが分かる。
<実験例2>本発明の繭を用いた人工生体膜の繭層別機械的物性の測定
1.実験方法
実施例1〜3による本発明の繭を用いた人工生体膜の繭層別機械的物性を測定するために、万能試験機(universal testing machine、DAEYEONG、韓国)を用いて引張試験を行った。
分析のための試験片は、2.5×0.07(横×縦)mmのサイズに製作したとともに、10mmの標点距離、10mm/分の速度で製作された膜を引っ張って測定した。
その測定結果は、図4(圧力あたり(strain、mm)の引張強度(stress、MPa)を測定)および下記表1のとおりである。
2.実験結果

図4及び表1から分かるように、繭層による引張強度と延伸率も互いに異なり、引張強度は内皮が、延伸率は外皮がそれぞれ最も優れることを確認した。
言い換えれば、引張強度が高い内皮の場合は、強度に影響を多く受ける人工生体膜の用途として使用するのに適しており、延伸率が高い外皮の場合は、よく伸びる特性を重視して弾力を必要とする用途の生体膜に使用するのに適していることが分かる。
<実験例3>本発明の中皮を用いた人工生体膜の厚さによる機械的物性の測定
1.実験方法
本発明の中皮を用いた人工生体膜の厚さによる機械的物性を測定するために、万能試験機(universal testing machine、DAEYEONG、韓国)を用いて引張試験を行った。乾いた状態の試料、及び生理食塩水に1時間浸漬して濡れた状態の試料に対する機械的物性を分析した。対照群として市販されているコラーゲン膜を用いて分析した。分析のための試験片は、20×2.5(横×縦)mmに製作したとともに、20mmの標点距離、10mm/分の速度で製作された膜を引っ張って測定した。その結果は下記表2のとおりである。
2.実験結果
表2から分かるように、繭の厚さによって引張強度と延伸率の差があるので、引張強度と延伸率は、厚さが増加すればするほど、かつ、乾いた状態よりは濡れた状態でより優れている。これに対し、市販の人工生体膜であるコラーゲン膜は湿った状態で引張強度が16倍減少した。これは、濡れた状態のコラーゲン膜よりも繭から得られた生体膜の物性が長期間保持されることを示す。
<実験例4>本発明の人工生体膜の細胞培養能の測定
1.実験方法
人工生体膜の細胞培養能を測定するために、マウス由来線維芽細胞L929を人工生体膜上で37℃、5%COの条件下に培養した。細胞培養のための培地は、10%(v/v)FBS(fetal bovine serum、GIBCO)と100Uストレプトマイシンと100μg/mlのペニシリン(GIBCO)とが含有されたDMEM培地(Dulbeccos modified Eagles medium−high glucose、WelGENE、韓国)を使用した。人工生体膜に対する細胞培養能をMTT法を用いて測定した。
その測定結果は、図5(内皮、中皮、外皮ごとに現れる細胞成長活性度(relative activity)を測定)のとおりである。
2.実験結果
図5から分かるように、全層の繭人工生体膜で細胞成長が優れていたが、特に中皮の場合は内皮に比べて4倍まで細胞成長が増加した。
言い換えれば、細胞成長能を必要とする用途には内皮よりは中皮を使用することが適することが分かる。また、対照群として市販されているコラーゲン膜と比較してみたところ、コラーゲン膜の細胞成長能よりも、本発明の繭人工生体膜の細胞成長能がさらに優れることを確認した。
以上、本発明の好適な実施形態について説明の目的で開示したが、当業者であれば、添付した請求の範囲に開示された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変形、追加および置換を加え得ることを理解するであろう。
10 繭
11 第1切開線
13 内面
15 第2切開線
17 第3切開線
20 第1厚さの繭片
30 第2厚さの繭片
31 内皮
33 中皮
35 外皮

Claims (16)

  1. 第1厚さの殻を有する繭を所定の形態の二つ以上に平面分割することにより繭片に製造される、繭を用いた人工生体膜。
  2. 前記第1厚さの前記繭片を2つ以上にデラミネートすることにより、前記第1厚さよりも薄い第2厚さの繭片に製造される、請求項1に記載の繭を用いた人工生体膜。
  3. 前記デラミネートされた前記第2厚さの繭片は内皮であることを特徴とする、請求項2に記載の繭を用いた人工生体膜。
  4. 前記デラミネートされた前記第2厚さの繭片は中皮であることを特徴とする、請求項2に記載の繭を用いた人工生体膜。
  5. 前記デラミネートされた前記第2厚さの繭片は外皮であることを特徴とする、請求項2に記載の繭を用いた人工生体膜。
  6. 前記繭片は滅菌処理されることを特徴とする、請求項3に記載の繭を用いた人工生体膜。
  7. 前記繭片は滅菌処理されることを特徴とする、請求項4に記載の繭を用いた人工生体膜。
  8. 前記繭片は滅菌処理されることを特徴とする、請求項5に記載の繭を用いた人工生体膜。
  9. 前記繭片はパッキングされることを特徴とする、請求項6〜8のいずれか一項に記載の繭を用いた人工生体膜。
  10. 第1厚さの殻を有する繭を所定の形態の二つ以上に平面分割して前記第1厚さの繭片を製造する第1段階を含む、繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  11. 前記第1段階で製造された前記第1厚さの繭片を1つ以上にデラミネートすることにより、前記第1厚さよりも薄い第2厚さの繭片を製造する第2段階を含む、請求項10に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  12. 前記第2段階で製造された前記第2厚さの繭片をパッキングする第3段階を含む、請求項10または11に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  13. 前記各段階の前または後に滅菌処理を少なくとも1回行う段階をさらに含む、請求項10または11に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  14. 前記第2厚さの繭片は内皮であることを特徴とする、請求項12に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  15. 前記第2厚さの繭片は中皮であることを特徴とする、請求項12に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
  16. 前記第2厚さの繭片は外皮であることを特徴とする、請求項12に記載の繭を用いた人工生体膜の製造方法。
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