JP2018526433A - シリカベースのカプセル内における物質のカプセル化方法、及びそれにより得られる製品 - Google Patents

シリカベースのカプセル内における物質のカプセル化方法、及びそれにより得られる製品 Download PDF

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Abstract

本発明は、エマルション法を介して疎水性物質又は親水性物質のいずれかをシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセル内に封入する方法に関する。より詳細には、本発明は、シリカ源としてだけでなく乳化剤としても作用するシリカ前駆体ポリマーであるポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）、好ましくはポリアルキルアルコキシシロキサン（Ｒ−ＰＡＯＳ）を用いた最大９９％（ｗ／ｗ）のペイロードを含有する０．０１μｍ〜１００μｍ、特に０．０１μｍ〜１０μｍのシリカベースのマイクロカプセルを製造する方法に関する。機械的に安定なカプセルを得るために、ＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳの変換は、有機相の固化を伴う。疎水性物質をカプセル化するために、水中油型エマルションが形成される。親水性化合物をカプセル化するためには水中油中水型二重エマルションが必要とされる。
【選択図】なし

Description

本発明は、エマルション法を介して疎水性物質又は親水性物質のいずれかをシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセル内に封入する方法に関する。より詳細には、本発明は、シリカ源としてだけでなく乳化剤としても作用するシリカ前駆体ポリマーであるポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）、好ましくはポリアルキルアルコキシシロキサン（Ｒ−ＰＡＯＳ）を用いた最大９９％（ｗ／ｗ）のペイロード（payload：最大充填量）を含有する０．０１μｍ〜１００μｍ、特に０．０１μｍ〜１０μｍのシリカベースのマイクロカプセルを製造する方法に関する。機械的により安定なカプセルを得るために、ＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳの変換は、有機相の固化を伴う。疎水性物質をカプセル化するために、水中油型エマルションが形成される。親水性化合物をカプセル化するためには水中油中水型二重エマルションの形成が必要とされる。
マイクロカプセルは、物質を取り込むのに有効なコアを形成する空間を取り囲む固体シェルからなる中空微粒子である。マイクロカプセル化は、有効物質の保護及び制御放出を実践する食品及び化粧品から薬学及び医学までの範囲の様々な分野における多数の用途に応用される。
有機ポリマーは最も広範に使用されるシェル材料であり、有効物質をポリマーマイクロカプセル内にカプセル化する工業プロセスとしては、界面重合、押出、コアセルベーション、噴霧乾燥等が挙げられる（より詳細には非特許文献１を参照されたい）。
シリカは、その化学的不活性、機械的安定性、生体適合性、光透過性及び容易な機能化に起因して、有機カプセル材料に取って代わることが期待されるものである。分子レベルにおける組成物及び微細構造の制御と、中程度のエネルギー条件及び低エネルギー条件下で材料を粒子、繊維及び薄膜へと成形する能力とを併せ持つゾル−ゲル法は、種々の物質をシリカシェル内にカプセル化する確立された方法である（より詳細には非特許文献２、非特許文献３を参照されたい）。実際のところ、ゾル−ゲル法の始めにドーパント分子を単に添加することにより、有機分子はシリカベースのマトリックスの内孔（inner porosity）に取り込まれる。テトラアルコキシシラン及びアルキルトリアルコキシシランのような低分子シランは、シリカベースのマトリックスへと縮合されるモノマーとして使用される。
物質をシリカマイクロカプセル内に取り込むために、ゾル−ゲル法は一般的に、カプセル構造体を生成する軟質のテンプレートとして、ミニエマルション及びマイクロエマルションを含むエマルションと組み合わされる。この場合、シリカが油相と水相との界面に形成し、分散した水性相又は油相をカプセル化することができる。エマルションの安定化のために、通常、界面活性剤が添加される。例えば、特許文献１は、界面活性剤の存在下で水中油型エマルションとゾル−ゲル法とを組み合わせることによる、有機物質を含有するシリカカプセルの形成を記載している。シリカベースのマイクロカプセルを生成するための界面活性剤で安定化した油中水型エマルションの使用は、例えば非特許文献４に記載されている。ナノサイズのエマルション液滴及び続いてナノカプセルを形成するために、界面活性剤濃度は極めて高くなければならないが、それらの完全な除去は往々にして問題となる。固体粒子は、それらの界面活性に起因して、エマルションを安定させるのに従来の界面活性剤分子の代わりに使用することもできる（非特許文献５、非特許文献６）。これらのいわゆるピッケリングエマルションは、安定化用コロイド粒子を界面に固定することによって、コロイドサム（colloidosomes）と称される中空構造体を生成するのに使用することができる。水性相又は油相を封入するミクロサイズの全シリカコロイドサムは、油中水型又は水中油型ピッケリングエマルションの各々においてＰＡＯＳを用いてシリカナノ粒子を水−油界面に付着させることによって得られた（非特許文献７、非特許文献８）。特許文献２では、ＰＡＯＳをシリカ前駆体として用いて水中油型エマルションにおけるシリカナノカプセルを製造する方法が開示されており、該エマルションは、ＰＡＯＳ、及びＰＡＯＳのシリカへの変換も触媒するシリカナノ粒子によって安定化される。シリカマイクロカプセルも、界面活性剤を用いることなく、乳化混合物中における二段階ゾル−ゲル法（酸で触媒される加水分解及び塩基で触媒される縮合）を用いることによってエマルションから生成することができる（非特許文献９）。この方法では、有効物質を含有するテトラエトキシシランから生成される水性シリカゾルが、疎水性液体中で乳化するため、親水性の水分散性物質に対してのみ適する。得られるシリカ粒子のサイズは主に１０μｍを超え、これは主に乳化中の撹拌速度に応じて決まる。さらに、これらの粒子の内部形態に関する利用可能な情報もない。物質はシリカマトリックス内にカプセル化され、すなわち、コア−シェル構造体は形成されていない可能性が高い。
ＰＡＯＳはこれまで、ゾル−ゲルシリカを生成するためのシリカ前駆体としてのみ使用されてきた。例えば、特許文献３は、重合性ビニルモノマーに由来するポリマー成分とシリカ成分とを含む、シリカを組み合わせたポリマー粒子を開示しており、該シリカ成分は、重合性ビニルモノマーに不活性なＰＡＯＳオリゴマーに由来する縮合体である。特許文献４は、コア材料とカプセル壁とを含有するマイクロカプセルを開示しており、該マイクロカプセルのカプセル壁は、ヒドロキシル基を含有するオルガノシランの加水分解縮合体から形成されるオルガノシリコーン樹脂（organosilicone resin）を含む。特許文献５は、ヒドロキシル基を含有するオルガノシランの加水分解縮合体から形成される膜壁を開示している。
米国特許第６，３０３，１４９号 欧州特許出願公開第２８３２６９１号 国際公開第２００７／０３７２０２号 米国特許第６，３３７，０８９号 特開２０００−２２５３３２号
Lakkis, J. M.,Encapsulation and Controlled Release Technologies in Food Systems. 1st ed.; Blackwell: Ames, 2007 Pagliaro, M., Silica-Based Materials for Advanced Chemical Applications, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2009 Ciriminna, R.; Sciortino, M.; Alonzo, G.; de Schrijver, A.; Pagliaro, M., From Molecules to Systems: Sol-Gel Microencapsulation in Silica-Based Materials. Chem. Rev. 2011, 111, 765-789 Barbe, C. J.; Kong, L.; Finnie, K. S.; Calleja, S.; Hanna, J. V.; Drabarek, E.; Cassidy, D. T.; Blackford, M. G., Sol-Gel Matrices for Controlled Release: From Macro to Nano Using EmulsionPolymerization. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2008, 46, 393-410 Pickering, S. U., J. Chem. Soc., Trans. 1907, 91, 2001-2021 Ramsden, W., Proc. R. Soc. Lond. 1903, 72, 156-164 Wang, H. L.; Zhu, X. M.; Tsarkova, L.; Pich, A.; Moeller, M., All-SillicaColloidosomes with a Particle-Bilayer Shell. ACS Nano 2011, 5, 3937-3942 Zhao, Y. L.; Li, Y. Q.; Demco, D. E.; Zhu, X. M.; Moeller, M., Microcapsulationof HydrophobicLiquids in Closed All-Sillica Colloidosomes. Langmuir 2014, 30, 4253-4261 Radin, S.; Chen, T.; Ducheyne, P., The Controlled Release of Drugs from Emulsified, Sol Gel Processed Silica Microspheres. Biomaterials 2009, 30, 850-858
本発明の基礎をなす課題は、シリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルの製造のための改良された単純方法を提供することである。
この課題及びその他は、以下の開示から明らかとなり、添付の特許請求の範囲において特徴づけられる以下の実施の形態によって実現される。
第１の実施の形態において、本発明は、疎水性有機液体化合物が最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
（ｉ）ＰＡＯＳ、又は親水性基で部分的に置換される両親媒性ＰＡＯＳと、（ｉｉ）疎水性有機液体とを含む、疎水性の水不溶性液体を、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、剪断力の下、シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、水溶液中に乳化する工程を含む、方法に関する。
上記第１の実施の形態において使用され得る疎水性有機液体の例は、アルカン（実施例１を参照されたい）、アルケン、アルキン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物、ポリマー（実施例２を参照されたい）等である。
上述した特許文献４及び特許文献５はともに、少なくとも１つの非加水分解性有機基を含有するオルガノシリコーン（シリコーン樹脂）からカプセルを製造する方法を開示しているが、本発明は無機ＳｉＯ２カプセルに関するものである。その上、樹脂前駆体は水中で合成及び分散されるものである。それとは異なり、本発明で使用されるＰＡＯＳは疎水性であり、有機相により施される。
機械的により安定なカプセルを得るために、ＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳの変換は、有機相の固化を伴う。
第２の実施の形態において、本発明は、疎水性の水不溶性ポリマーが最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
ａ）（ｉ）ＰＡＯＳと、（ｉｉ）ラジカル重合性の疎水性有機モノマーと、（ｉｉｉ）開始剤とを含む、疎水性の水不溶性溶液を、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
ｂ）得られるエマルションを、重合を誘起させるより高い温度に、シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間加熱する工程と、
ｃ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
ｄ）こうして得られたポリマー内包ＳｉＯ２（polymer@SiO2）カプセルを単離する工程と、
を含む、方法に関する。
かかるコア−シェル粒子が、反射防止コーティングの製造のための重要成分として使用されてきたことから（国際公開第２００８／０２８６４０号）、本実施の形態（第２の実施の形態）はコーティング産業にとって特に興味深いものとなり得る。
この第２の実施の形態では、任意に、乳化温度で液体形態となり得る非（共）重合性の疎水性有機化合物を、工程ａ）に更に添加してもよい。スチレンをラジカル重合性の疎水性有機モノマーとして使用する場合、シリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを得ることができ、この際、非（共）重合性の疎水性有機化合物が、ポリスチレン内包ＳｉＯ２コア−シェルマイクロカプセル及びナノカプセル内にカプセル化される（実施例６を参照されたい）。非（共）重合性の疎水性化合物は、アルカン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物、ポリマー等から選択される。
特許文献３は、重合性ビニルモノマーに由来するポリマー成分とシリカ成分とを含む、シリカを組み合わせたポリマー粒子を開示しているが、各製造方法には、エマルションを安定化させる事前形成された粒子が必要であることが記載されている。それとは異なり、本発明では、エマルションがＰＡＯＳのみによって安定化される。本発明によれば、シリカ前駆体ポリマーであるＰＡＯＳは、その水不溶性と同時に、油／水界面における加水分解により誘起される顕著な両親媒性に起因して単独のエマルション安定化剤として利用される。
第３の実施の形態において、本発明は、室温において結晶性で疎水性の水不溶性物質が最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
ａ）（ｉ）ＰＡＯＳと、（ｉｉ）室温において結晶性の疎水性有機化合物とを含む、疎水性の水不溶性混合物を、剪断力の下、結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
ｂ）続いて、工程ａ）において得られるエマルションを、シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、加熱する工程と、
ｃ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
ｄ）こうして得られた結晶性の疎水性有機化合物内包ＳｉＯ２カプセルを単離する工程と、
を含む、方法に関する。
高温で溶融可能な、室温（すなわち約２３℃）において結晶性の疎水性有機化合物（固体）としては、蝋、例えば、アルカン、アルキルアルコールとアルキルカルボン酸とのエステル、又はそれらの混合物が挙げられる。本実施の形態（第２の実施の形態）は、蝋が重要な化粧品成分として広く使用される化粧品産業にとって特に興味深いものである。この技法を用いて、疎水性蝋を親水性とすることができるため、配合の可能性が大いに広がり得る。さらに、蝋は有機系相転移材料であるため、マイクロカプセル化によってそれらの加工性、例えば、ポリマーマトリックスと複合材料を形成する能力、及び再利用性が改善される。例えば、ドコサン及びミリスチルミリステートをここでは挙げることができる（実施例８及び実施例９を参照されたい）。この場合、カプセル化反応は、固体の融点を超える温度で起こる。縮合反応が終わったら系を室温まで冷却させる。
任意に、疎水性有機化合物、例えば、乳化温度で液体形態であるアルカン、アルケン、アルキン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物、例えばポリ（ジメチルシロキサン）ＰＤＭＳのようなポリマー等を、工程ａ）に、すなわち、室温において結晶性の疎水性有機化合物（固体）との混合物の形態で更に添加してもよい（実施例１０を参照されたい）。疎水性有機化合物はオーガニックフレグランス及びオーガニックフレーバーとし得ることから、本選択肢は化粧品産業にとって特に興味深いものである。
任意に、ＰＡＯＳ及び室温において結晶性の疎水性有機化合物に加えてＰＤＭＳ等のポリマーを工程ａ）に添加して、ＰＤＭＳ内包結晶性の疎水性有機化合物内包ＳｉＯ２カプセルをもたらすこともできる（実施例１１を参照されたい）。ＰＤＭＳは、例えば皮膚の保護用の化粧品において広く使用される。
第４の実施の形態において、本発明は、親水性の水溶性物質が最大９５％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
ａ）親水性の水溶性物質を含有する水溶液を、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、（ｉ）ＰＡＯＳと、（ｉｉ）ラジカル重合性の疎水性有機モノマーと、（ｉｉｉ）開始剤とを含む、疎水性の水不溶性溶液中に乳化する工程と、
ｂ）工程ａ）の油中水型エマルションを、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
ｃ）工程ｂ）のエマルションを、重合を誘起させるより高い温度に、シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間加熱する工程と、
ｄ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
ｅ）こうして得られたシリカベースのカプセルを単離する工程と、
を含む、方法に関する。
この第４の実施の形態では、親水性の水溶性物質を含有する水溶液を、純水、すなわち、Ｈ２Ｏ自体（実施例１３を参照されたい）、又は例えば過酸化物、塩、ビタミン、ペプチド、染料、炭水化物を含有する任意の水溶液（実施例１４を参照されたい）等とすることもできる。
任意に、乳化温度で液体形態となり得る非（共）重合性の疎水性有機化合物を、この第４の実施の形態の工程ａ）又は工程ｂ）に更に添加してもよい。これにより、これらの物質は、カプセルのポリマー層内に組み込まれる。非（共）重合性の疎水性化合物は、アルカン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマー等とすることができる。
第５の実施の形態において、本発明は、親水性の水溶性物質が最大９５％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
ａ）親水性の水溶性物質を含有する水溶液を、剪断力の下、結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、（ｉ）ＰＡＯＳと、（ｉｉ）室温で結晶化する溶融有機化合物とを含む、疎水性の水不溶性混合物中に乳化する工程と、
ｂ）工程ａ）の油中水型エマルションを、結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、またシリカナノ粒子のような任意の事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
ｃ）続いて、工程ｂ）において得られるエマルションを、シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、加熱する工程と、
ｄ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
ｅ）こうして得られたシリカベースのカプセルを単離する工程と、
を含む、方法に関する。
任意に、乳化温度で液体形態となり得る１種以上の疎水性有機化合物を、工程ａ）又は工程ｂ）に更に添加してもよい。これにより、これらの物質は、カプセルの蝋層内に組み込まれる。疎水性化合物は、アルカン、アルケン、アルキン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマー等とすることができる。
本発明の方法は、シリカ前駆体ポリマーであるＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳを、シリカ源として、同時にエマルションの安定化剤として用いて、いずれの付加的な界面活性剤も事前形成された（ナノ）粒子も用いることなく、有機相の（部分）固化を伴って、疎水性又は親水性いずれかの物質を封入する、機械的に安定な０．０１μｍ〜１００μｍのシリカベースのマイクロカプセルを得ることができる。
好ましくは、本発明は、直径が１０μｍ未満、好ましくは０．６μｍ未満であり、サイズ変化が２０％未満であり、最大１００％のカプセル化効率及び最大９９％（ｗ／ｗ）のペイロードを有するカプセルの製造を可能にする。疎水性物質のペイロードのカプセル化は、好ましくは疎水性有機相の固化プロセスを伴って、ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）、好ましくはポリアルキルアルコキシシロキサン（Ｒ−ＰＡＯＳ）をシリカ前駆体として活用するものである。第１の工程では、ＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳが、有効な乳化剤として、また有機微小液滴の周りにシリカシェルを形成するための供給源として作用する。或る特定の温度及び水性相の好適なｐＨ値における得られる分散液系のエージングは、コア−シェル構造を安定化させる。固化プロセスは、重合、ガラス化又は結晶化によって引き起こされ得る。得られるマイクロカプセルは、水中に安定な形態で分散し、粉末形態で単離された後、水に再分散することができる。
親水性化合物のカプセル化のために、それらの水溶液を初めにＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳを含有する有機相中で乳化し、得られる水中油型エマルションをその後、水に分散させて、水中油中水型二重エマルションとする。エージング後、親水性化合物の水溶液が、シリカベースのカプセル内に取り込まれる。加えて、疎水性有機物質は同時に、カプセルの有機相内にカプセル化され得る。
本発明の方法は、水溶液中におけるＰＡＯＳ若しくはＲ−ＰＡＯＳと、充填される疎水性物質と、好ましくは重合性若しくは結晶性の疎水性化合物とで構成される疎水性混合物の水中油型エマルション、又は、内部水性相に充填される水溶性物質及びＰＡＯＳ若しくはＲ−ＰＡＯＳ、好ましくは重合性若しくは結晶性の疎水性化合物と、充填される任意に疎水性の物質とで構成される疎水性混合物を含有する水中油中水型エマルションの形成に基づくものである。機械的に安定なカプセルを得るために、シリカへのＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳの変換に加えて、油相が重合又は結晶化によって（部分的に）固化することが好ましいとされる。
通常、外側の連続的な水溶液のｐＨは、１〜１２、より好ましくは３〜１１、更に好ましくは４〜１０の範囲をとる。
ＰＡＯＳは、テトラアルコキシシランの部分縮合体であり、ポリメトキシシロキサン、ポリエトキシシロキサン、ポリプロポキシシロキサン、ポリブトキシシロキサン等、又は混合アルコキシ基を有するものであってもよい。それらの幾つか、例えばシリカ含有率４０％（ｗ／ｗ）のポリエトキシシロキサン（ＳＥ４０）、シリカ含有率４８％（ｗ／ｗ）のポリエトキシシロキサン（ＳＥ４８）及びシリカ含有率５３％（ｗ／ｗ）のポリメトキシシロキサン（ＭＥ５３）は、市販されている。ＰＡＯＳは、文献の手順に従って合成することもできる（Abe, Y.; Shimano, R.; Arimitsu, K.; Gunji, T.,Preparation and Properties of High MolecularWeight Polyethoxysiloxanes Stable to Self-Condensationby Acid-Catalyzed Hydrolytic Polycondensationof Tetraethoxysilane. J. Polym. Sci.,Part A: Polym. Chem. 2003, 41, 2250-2255、独国特許出願公開第１０２６１２８９号、又はZhu, X. M.; Jaumann, M.; Peter, K.; Moeller, M.; Melian, C.; Adams-Buda, A.; Demco, D. E.; Bluemich, B.,One-Pot Synthesis of Hyperbranched Polyethoxysiloxanes. Macromolecules 2006, 39, 1701-1708）。ＰＡＯＳは、２種以上のアルコキシ基を含有していてもよく、例えばWang, H.; Agrawal, G.; Tsarkova, L.; Zhu, X.M.; Moeller, M.,Self-Templating Amphiphilic Polymer Precursors for Fabricating Mesostructured Silica Particles: A Water-Based Facile and Universal Method. Adv. Mater. 2013, 25, 1017-1021に記載されるポリ（エチレングリコール）モノメチルエーテルで部分的に置換されるポリエトキシシロキサンであってもよい。
Ｒ−ＰＡＯＳは、テトラアルコキシシランと、アルキルトリアルコキシシラン及び／又はジアルキルジアルコキシシランとの共縮合によって調製される。
本発明で使用されるＰＡＯＳ又はＲ−ＰＡＯＳは好ましくは、５００〜２００００の範囲の分子量及び４０％（ｗ／ｗ）〜６０％（ｗ／ｗ）の範囲のシリカ含有率を有する。
種々の水中油型又は水中油中水型エマルションは、両親媒性ＰＡＯＳ若しくはＲ−ＰＡＯＳ、例えば親水性基で部分的に置換されるポリエトキシシロキサン、例えばポリ（エチレングリコール）モノメチルエーテル、又は乳化プロセス中に部分的に加水分解されるＰＡＯＳ若しくはＲ−ＰＡＯＳのいずれかによって安定化される。
両親媒性ＰＡＯＳ、すなわち親水性基で部分的に置換されるＰＡＯＳの置換度は、得られる分子の親水性−親油性バランス（ＨＬＢ）が１〜１６、より正確には２〜１２、更に正確には３〜１０の範囲をとるように調節されるものとする。ＨＬＢ値は下記のように算出することができる。
ＨＬＢ＝２０Ｍｈ／Ｍ
（式中、Ｍｈは分子の親水性部分の分子質量であり、Ｍは分子全体の分子質量である）
エマルションは、装置、例えば超音波発生装置、マイクロフルイダイザ、（高圧）ホモジナイザ、撹拌器等を用いて適切な剪断力の下で生成される。
カプセル化される物質は、任意の疎水性液体及び高温で疎水性液体中に溶ける任意の固体を含む広範な疎水性物質とすることができる。疎水性物質は、純粋な化合物であっても混合物であってもよい。封入される物質は、水溶性の液体又は固体である広範な親水性化合物とすることができ、純粋な化合物であっても混合物であってもよい。親水性化合物は水に溶解して水溶液を形成してから、カプセル化される。
重合性の疎水性モノマーは、ラジカル重合することができる任意の疎水性モノマーである。これらのモノマーは、スチレン、メチルスチレン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル等又はそれらの混合物とすることができる。２つ以上の炭素−炭素二重結合を有するモノマー、例えばジビニルベンゼン、ジ（メタ）アクリレート又はトリ（メタ）アクリレートをモノマー混合物に添加してもよい。
ラジカル重合では、開始剤をモノマー混合物に添加する。開始剤は、油溶性のものでなければならず、熱開始剤、例えば、２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオニトリル）（ＡＩＢＮ）、２，２’−アゾビス−（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２’−アゾビス−（２−メチルブチロニトリル）、過酸化ベンゾイル等；又はアセトフェノン、アニソイン、ベンゾインアルキルエーテル等のような光開始剤とすることができる。ラジカル重合を開始するために、エマルションを加熱又はＵＶ光により照射する必要がある。
本発明による方法では、１時間〜３日間加熱し続けてもよい。
充填されたシリカカプセルは、遠心分離又は濾過及びその後の乾燥によって単離することができる。
述べたように、最終生成物の粒径は、０．０１μｍ〜１００μｍ、より好ましくは０．０１μｍ〜１０μｍ、更に好ましくは０．０１μｍ〜０．６μｍの範囲に制御することができる。本方法により得られる粒子は良好な機械強度を有する。これらの粒子は、例えば超音波処理の下で高剪断力を保持して、カプセル化特性及び粒径分布を維持することができる。粒子は、有機コアを除去して中空シリカ粒子を得るように５００℃を超える温度でか焼してもよい。これにより、シリカカプセルにおけるカプセル化された物質のペイロードは、０から最大９９重量％となり、二重エマルションに関する場合には（第４及び第５の実施の形態を参照されたい）最大９５重量％となり得る。
実施例１で調製した乾燥させたヘキサン内包ＳｉＯ２ナノカプセルのＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例１で調製した乾燥させたヘキサン内包ＳｉＯ２ナノカプセルのＴＥＭ顕微鏡写真である。 実施例２で調製したポリ（ジメチルシロキサン）内包ＳｉＯ２カプセルのＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例３で調製したポリスチレン内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。差込み図はこれらの粒子のＴＥＭ画像である。 実施例３においてか焼後に調製したシリカ中空ナノカプセルのＴＥＭ顕微鏡写真である。 実施例４で調製したポリメチルメタクリレート内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例５で調製したポリ（メチルメタクリレート−ｃｏ−スチレン）内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例６で調製したヘキサデカン内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２ナノカプセルのＴＥＭ画像である。 実施例７で調製した酢酸ヘキシル内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２ナノカプセルのＦＥ−ＳＥＭ画像である。 ３０℃で測定した酢酸ヘキシル内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２ナノカプセルの等温における重量損失を示す図である。 実施例８で調製したドコサン内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例８で調製したドコサン内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。 実施例９で調製したミリスチルミリステート内包ＳｉＯ２コア−シェル粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例１１で調製したポリ（ジメチルシロキサン）内包ドコサン内包ＳｉＯ２コア−シェル粒子のＦＥ−ＳＥＭ顕微鏡写真である。 実施例１１で調製したポリ（ジメチルシロキサン）内包ドコサン内包ＳｉＯ２コア−シェル粒子のＴＥＭ顕微鏡写真である。 実施例１２で調製した水溶液内包ＳｉＯ２内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２カプセルのＴＥＭ顕微鏡写真である。
ここで本発明を以下の実施例を用いて説明するが、これらに限定されるものではない。
Zhu, X. M.; Jaumann, M.; Peter, K.; Moeller, M.; Melian, C.; Adams-Buda, A.; Demco, D. E.; Bluemich, B.,One-Pot Synthesis of Hyperbranched Polyethoxysiloxanes. Macromolecules 2006, 39, 1701-1708に従ってＰＡＯＳを合成すると、得られるポリエトキシシロキサンは、ポリスチレン標準物質により較正したＧＰＣにより、４９．２％（ｗ／ｗ）のシリカ含有率及び１７４０ｇ／ｍｏｌのＭｎを有するものであった。他の化合物は全てSigma-Aldrichから入手した。
実施例１
エトキシ基を７％、分子量３５０のポリ（エチレングリコール）モノメチルエーテルで置換した１．２ｇのポリエトキシシロキサンを、１．２ｇのｎ−ヘキサンに溶解させた。この溶液は水中にエマルションを自然に形成した。水溶液のｐＨを１０に調節した後、ヘキサンを含有するシリカナノカプセルの水性分散液が得られた。
実施例２
１０ｃＳｔの粘度を有する１５．０ｇのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を、６０℃に加熱したｐＨ７の水に添加した。その後、１５．０ｇのポリエトキシシロキサンを添加し、混合物を、６０℃において５分間１８０００ｒｐｍで動作するＵｌｔｒａ−Ｔｕｒｒａｘにより乳化した。得られるエマルションを６０℃で２４時間撹拌した。乳白色の分散液を１１０００ｒｐｍで遠心分離した。得られた白色固体を水で数回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、得られるＰＤＭＳ内包ＳｉＯ２コア−シェル粒子のサイズは約１μｍであり、狭分散性のものであった。
実施例３
０．０３ｇのＡＩＢＮ及び１．２ｇのポリエトキシシロキサンを１．２ｇのスチレンに溶解させた。この溶液を、音波処理によりｐＨ７の３０ｇの水中に乳化した。得られるエマルションをその後、窒素雰囲気下において７０℃で２４時間加熱した。その後、乳白色の分散液を１１０００ｒｐｍで遠心分離した。得られた白色固体を水で数回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、コア−シェルナノ粒子のサイズは約１５０ｎｍであり、狭分散性のものであった。シリカシェルの厚みは約１５ｎｍであった。
実施例４
０．０２ｇのＡＩＢＮ及び１．２ｇのポリエトキシシロキサンを１．２ｇのメチルメタクリレートに溶解させた。この溶液を、音波処理によりｐＨ４の３０ｇの水中に乳化した。得られるエマルションをその後、窒素雰囲気下において６５℃で２４時間加熱した。乳白色の分散液を１１０００ｒｐｍで遠心分離した。得られた白色固体を水で数回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、コア−シェルナノ粒子のサイズは約３００ｎｍであり、狭分散性のものであった。シリカシェルの厚みは約３０ｎｍであった。
実施例５
合成経路は、１．２ｇのメチルメタクリレートの代わりに、０．４ｇのスチレンと０．８ｇのメチルメタクリレートとの混合物を使用した以外、実施例２に記載したものと同様のものとした。ポリ（メチルメタクリレート−ｃｏ−スチレン）内包ＳｉＯ２コア−シェルナノ粒子が得られた。電子顕微鏡データによると、コア−シェルナノ粒子のサイズは約２００ｎｍであり、狭分散性のものであった。シリカシェルの厚みは約２０ｎｍであった。
実施例６
合成経路は、１．２ｇのスチレンの代わりに、１．２ｇのスチレンと０．６ｇのヘキサデカンとの混合物を使用した以外、実施例１に記載したものと同様のものとした。その後、ヘキサデカンをポリスチレン内包ＳｉＯ２コア−シェルカプセル内にカプセル化した。電子顕微鏡データによると、カプセルのサイズは約１００ｎｍであった。
実施例７
合成経路は、１．２ｇのスチレンの代わりに、１．２ｇのスチレンと０．６ｇの酢酸ヘキシルとの混合物を使用した以外、実施例１に記載したものと同様のものとした。その後、酢酸ヘキシルをポリスチレン内包ＳｉＯ２コア−シェルナノカプセル内にカプセル化した。電子顕微鏡データによると、コア−シェルナノカプセルのサイズは約１５０ｎｍであった。
実施例８
１．２ｇのドコサン粉末を、６０℃においてｐＨ７の３０ｇの水中に添加した。ドコサンが完全に溶けたら、１．２ｇのポリエトキシシロキサンを添加した。その後、混合物を６０℃における音波処理により乳化させた。得られる乳白色のエマルションを６０℃で１日穏やかに撹拌した。得られた粒子は、１１０００ｒｐｍにおける遠心分離により単離し、水で３回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、コア−シェルナノ粒子及びナノカプセルのサイズは約４８０ｎｍであり、狭分散性のものであった。シリカシェルの厚みは約２０ｎｍであった。
実施例９
１．２ｇのミリスチルミリステートを、６０℃においてｐＨ７の３０ｇの水中に添加した。ミリスチルミリステートが完全に溶けたら、１．２ｇのポリエトキシシロキサンを添加した。その後、混合物を、Ｔ２５ ｄｉｇｉｔａｌ ＵＬＴＲＡ−ＴＵＲＲＡＸ（商標）分散装置（IKA）を用いて６０℃で乳化させた。得られる乳白色のエマルションを６０℃で１日穏やかに撹拌した。得られる粒子は、１１０００ｒｐｍにおける遠心分離により単離し、水で３回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、コア−シェル粒子のサイズは４μｍ〜８μｍの範囲であった。
実施例１０
合成経路は、１．２ｇのミリスチルミリステートの代わりに、ミリスチルミリステートと酢酸オクチルとの１．２ｇの混合物（重量比１：１）を使用した以外、実施例７に記載したものと同様のものとした。この混合物をその後、４μｍ〜８μｍの範囲のサイズを有するＳｉＯ２カプセル内にカプセル化した。
実施例１１
１．５ｇのドコサンを、６０℃におけるｐＨ７の３０ｇの水中に添加した。ドコサンが完全に溶けたら、１．５ｇのポリエトキシシロキサン及び１０ｃＳｔの粘度を有する０．７５ｇのＰＤＭＳを添加した。その後、混合物を６０℃における音波処理により乳化させた。得られる乳白色のエマルションを６０℃で１日穏やかに撹拌した。得られるカプセルは、１１０００ｒｐｍにおける遠心分離により単離し、脱イオン水で３回濯いだ後、乾燥させた。電子顕微鏡データによると、ＰＤＭＳ内包ドコサン内包ＳｉＯ２カプセルのサイズは約９６０ｎｍであり、狭分散性のものであった。シリカシェルの厚みは２０ｎｍであった。
実施例１２
１．２ｇのポリエトキシシロキサン、１．２ｇのスチレン及び０．０３ｇのＡＩＢＮを混合して、均一で透明な油相を形成した。その後、０．２４ｇの純水を油相中に添加し、音波処理により乳化させた。得られる乳白色の油中水型エマルションをその後、音波処理を用いてｐＨ７の３０ｇの水中に乳化させた。得られた水中油中水型二重エマルションは、窒素雰囲気下において７０℃で２４時間加熱した。乳白色の分散液を１１０００ｒｐｍで遠心分離した。得られた白色固体を水で数回濯ぐと、水内包ＳｉＯ２内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２カプセル粒子が得られた。電子顕微鏡データによると、ナノ粒子のサイズは約２００ｎｍであり、狭分散性のものであった。
実施例１３
合成経路は、カプセル化された純水０．２４ｇをグルコースの５％（ｗ／ｗ）水溶液０．２４ｇで置き換えた以外、実施例１１に記載したものと同様のものとした。これにより、約２００ｎｍのグルコース溶液内包ＳｉＯ２内包ポリスチレン内包ＳｉＯ２カプセルが得られた。
実施例１４
６ｇのドコサン及び４ｇのポリエトキシシロキサンを混ぜ合わせ、６０℃に加熱した。ドコサンが完全に溶けたら、グルコースの５％（ｗ／ｗ）水溶液２ｇを添加した。この系を６０℃において音波処理により乳化させた。得られる油中水型エマルションは、Ｔ２５ ｄｉｇｉｔａｌ ＵＬＴＲＡ−ＴＵＲＲＡＸ（商標）分散装置（IKA）を用いて６０℃でｐＨ７の６０ｇの水中に乳化させた。得られた水中油中水型二重エマルションは６０℃で２４時間加熱した。乳白色の分散液は室温まで冷却し、１１０００ｒｐｍで遠心分離した。得られた白色固体を水で数回濯ぐと、１μｍ〜５μｍの範囲のサイズを有するグルコース溶液内包ＳｉＯ２内包ドコサン内包ＳｉＯ２カプセルが得られた。

Claims (15)

  1. 疎水性有機化合物が最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
    （ｉ）ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）、又は親水性基で部分的に置換される両親媒性ＰＡＯＳと、（ｉｉ）疎水性有機液体とを含む、疎水性の水不溶性液体を、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、剪断力の下、前記シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、水溶液中に乳化する工程を含む、方法。
  2. 前記疎水性有機液体が、アルカン、アルケン、アルキン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物、ポリマー等から選択される、請求項６に記載の方法。
  3. ＰＥＯＳを、種々の分子量及び種々の置換度のポリ（エチレングリコール）モノアルキルエステルで置換することができる、請求項６又は７に記載の方法。
  4. 疎水性の水不溶性ポリマーが最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
    ａ）（ｉ）ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）と、（ｉｉ）ラジカル重合性の疎水性有機モノマーと、（ｉｉｉ）開始剤とを含む、疎水性の水不溶性溶液を、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
    ｂ）得られるエマルションを、重合を誘起させるより高い温度に、前記シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間加熱する工程と、
    ｃ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
    ｄ）こうして得られたポリマー内包ＳｉＯ２カプセルを単離する工程と、
    を含む、方法。
  5. 工程ａ）における乳化温度で液体形態となり得るアルカン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマーから選択されることが好ましい１種以上の非（共）重合性の疎水性有機化合物を、工程ａ）における反応系に更に添加して、疎水性有機化合物内包ポリマー内包ＳｉＯ２カプセルを得る、請求項１に記載の方法。
  6. 室温において結晶性で疎水性の水不溶性物質が最大９９％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
    ａ）（ｉ）ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）と、（ｂ）室温において結晶性の疎水性有機化合物とを含む、疎水性の水不溶性溶液を、剪断力の下、結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
    ｂ）続いて、工程ａ）において得られるエマルションを、前記シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、加熱する工程と、
    ｃ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
    ｄ）こうして得られた結晶性の疎水性有機化合物内包ＳｉＯ２カプセルを単離する工程と、
    を含む、方法。
  7. 前記室温において結晶性の疎水性有機化合物が、アルカン、アルキルアルコールとアルキルカルボン酸とのエステル、又はそれらの混合物を含む蝋から選択される、請求項３に記載の方法。
  8. 工程ａ）における乳化温度で液体形態となり得るアルカン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマーから選択されることが好ましい疎水性有機化合物を、工程ａ）における反応系に更に添加して、疎水性有機化合物内包有機固体内包ＳｉＯ２カプセルを得る、請求項３又は４に記載の方法。
  9. 親水性の水溶性物質が最大９５％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
    ａ）親水性の水溶性物質を含有する水溶液を、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、（ｉ）ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）と、（ｉｉ）ラジカル重合性の疎水性有機モノマーと、（ｉｉｉ）開始剤とを含む、疎水性の水不溶性溶液中に乳化する工程と、
    ｂ）工程ａ）の油中水型エマルションを、剪断力の下、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
    ｃ）前記エマルションを、重合を誘起させるより高い温度に、前記シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間加熱する工程と、
    ｄ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
    ｅ）こうして得られたシリカベースのカプセルを単離する工程と、
    を含む、方法。
  10. 工程ａ）及び工程ｂ）における乳化温度で液体形態となり得るアルカン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマーから選択されることが好ましい１種以上の非重合性の疎水性有機化合物を、工程ａ）又は工程ｂ）における反応系に更に添加して、それらを前記カプセルの有機相内に組み込む、請求項９に記載の方法。
  11. 親水性の水溶性物質が最大９５％（ｗ／ｗ）充填されるシリカベースのマイクロカプセル及びナノカプセルを製造する方法であって、
    ａ）親水性の水溶性物質を含有する水溶液を、剪断力の下、結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、（ｉ）ポリアルコキシシロキサン（ＰＡＯＳ）と、（ｉｉ）室温で結晶化する溶融有機化合物とを含む、疎水性の水不溶性溶液中に乳化する工程と、
    ｂ）工程ａ）の油中水型エマルションを、前記結晶性有機材料の融点を超える温度で、付加的な界面活性剤を用いることなく、また事前形成された（ナノ）粒子も用いずに、水溶液中に乳化する工程と、
    ｃ）続いて、工程ｂ）において得られるエマルションを、前記シリカベースのカプセルを形成するのに十分な時間、加熱する工程と、
    ｄ）混合物を室温まで冷却させる工程と、
    ｅ）こうして得られたシリカベースのカプセルを単離する工程と、
    を含む、方法。
  12. 工程ａ）及び工程ｂ）における乳化温度で液体形態となり得るアルカン、アルケン、アルキン、エステル、エーテル、ケトン、アルデヒド、芳香族化合物又はポリマーから選択されることが好ましい１種以上の疎水性有機化合物を、工程ａ）又は工程ｂ）における反応系に更に添加して、それらを前記カプセルの有機相内に組み込む、請求項１１に記載の方法。
  13. ポリエトキシシロキサンをＰＡＯＳとして使用する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記ラジカル重合性の疎水性有機モノマーが、スチレン、メチルスチレン、アルキルメタクリレート、アルキルアクリレート、アクリロニトリル又はそれらの混合物から選択される、請求項４、５、９又は１０のいずれか一項に記載の方法。
  15. 前記ラジカル開始剤が、
    ２，２’−アゾビス（２−メチルプロピオニトリル）、２，２’−アゾビス−（２，４−ジメチルバレロニトリル）、２，２’−アゾビス−（２−メチルブチロニトリル）、過酸化ベンゾイルを含む熱開始剤であるか、あるいは、
    光開始剤である、
    請求項４、５、９、１０又は１４のいずれか一項に記載の方法。
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