JP2021122557A - 生体適合部材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】生体適合性が高く取り扱いが容易である生体適合部材及びその製造方法を提供する。【解決手段】生体適合部材は、生体適合材料を含む繊維同士が結合した集積体と、前記繊維間に含まれる水と、を備える。前記生体適合部材における前記水の含有率は４０質量％以上９０質量％以下である。【選択図】図１
Description
実施形態は、生体適合部材及びその製造方法に関する。
医療分野において、生体内で使用されたり、細胞増殖の土台となる材料として、生体適合部材が開発されている。生体適合部材には、高い生体適合性を有すると共に、取り扱いが容易であることが要求されている。例えば、生体適合部材は、ピンセット等で保持しても形状を維持できる程度に強度があり、且つ、ハサミやメスで切断できる程度に軟らかいことが要望されている。
実施形態の目的は、生体適合性が高く取り扱いが容易である生体適合部材及びその製造方法を提供することである。
実施形態に係る生体適合部材は、生体適合材料を含む繊維同士が結合した集積体と、前記繊維間に含まれる水と、を備える。前記生体適合部材における前記水の含有率は４０質量％以上９０質量％以下である。
実施形態に係る生体適合部材の製造方法は、生体適合材料を含む繊維を堆積させることにより、積層シートを形成する工程と、前記積層シートに揮発性の液体を浸透させる工程と、前記積層シートに浸透した前記液体を揮発させる工程と、前記液体を揮発させた前記積層シートに含水処理を施す工程と、を備える。
＜第１の実施形態＞
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る生体適合部材を示す図である。
以下、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る生体適合部材を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る生体適合部材１においては、複数の繊維１１同士が結合した集積体１２と、繊維１１間に含まれる水１３が設けられている。生体適合部材１における水１３の含有率は、４０質量％以上９０質量％以下である。
繊維１１は生体適合材料を含む。生体適合材料は、例えば生体由来材料である。生体由来材料とは、生命活動によって生成された材料、又は、それを加工して得られた材料である。生体適合材料は、生体由来材料でなくてもよく、例えば、合成高分子、人工合成で得られた機能性タンパク質や合成ポリペプチド等であってもよい。
生体適合材料は、例えば、コラーゲン、ラミニン、ゼラチンなどのタンパク質、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ），リボ核酸（ＲＮＡ）等の核酸、及び、キトサン、キチン、キトサン、ヒアルロン酸、アルギン酸、ヘパリンなどの多糖類等である。合成高分子は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリ（メタクリル酸２−ヒドロキシエチル）（ＰＨＥＭＡ）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）（ＰＮＩＰＡＡｍ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリシアノアクリル酸エステル、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ナイロン６６、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトンなどのポリヒドロキシ酸類、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコーンである。
例えば、繊維１１は、高次元、すなわち、立体構造のコラーゲンからなる。本来のコラーゲン分子の構造は３重らせん構造であり、繊維１１を構成するコラーゲンも、その構造を維持している。集積体１２においては、繊維１１同士が例えば非共有結合的相互作用によって部分的に溶着することにより、結合されている。非共有結合的相互作用の例としては、分子間力、疎水性相互作用、水素結合などが挙げられる。繊維１１の直径は、例えば、６０ｎｍ〜３μｍ程度である。
生体適合部材の形状は、例えばシート状である。生体適合部材１においては、厚さ方向に積層された複数の層１０が設けられている。層１０は、例えば、２〜１００層程度積層されており、各層１０の厚さは、例えば、５〜５００μｍ程度である。生体適合部材１全体の厚さは、例えば、０．０３〜５０ｍｍ程度である。
各層１０内において、繊維１１は例えば一方向に配向している。隣り合う２つの層１０における繊維１１の配向方向は、相互に交差しており、例えば、相互に略直交している。図１に示すように、ＸＹＺ直交座標系において、生体適合部材１の厚さ方向、すなわち、層１０の積層方向をＺ方向としたときに、配向方向がＸ方向である層１０と、配向方向がＹ方向である層１０が、交互に積層されている。各層１０内においては、隣り合う繊維１１同士が直線状に結合されている。層１０同士の結合力は、層１０内における繊維１１同士の結合力よりも弱い。生体適合部材１の表面には、直径が１０μｍ以上のボイド１５が、１個／ｍｍ２以上の密度で形成されている。
なお、図１は、生体適合部材１の構成を概念的に現した模式図であり、実際の構成とは必ずしも一致していない。例えば、上述の如く、繊維１１の直径は層１０の厚さの１０００分の１程度であるが、図１においては、図を見やすくするために、繊維１１を実際よりも大きく描いている。また、繊維１１同士は結合されているため、生体適合部材１を顕微鏡で観察しても、それぞれの繊維１１が識別できるとは限らない。更に、層１０間の境界も、明瞭に観察できるとは限らない。後述する他の図についても、同様である。
生体適合部材１の圧縮弾性率は５ｋＰａ以上である。また、生体適合部材１は弾性体であり、動的粘弾法により粘弾性−周波数曲線を測定すると、貯蔵弾性率が損失弾性率よりも高い。生体適合部材１は、全体として固体であり、軟質な弾性体であり、流動性はない。また、生体適合部材１は透明又は半透明である。
次に、本実施形態に係る生体適合部材１の製造方法について説明する。
図２（ａ）及び（ｂ）、図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る生体適合部材１の製造方法を示す図である。
図２（ａ）及び（ｂ）、図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る生体適合部材１の製造方法を示す図である。
先ず、図２（ａ）に示すように、エレクトロスピニング法により、繊維１１を形成する。繊維１１の製造装置１０１には、ノズル１０２、ローラ１０３、及び電源１０４が設けられている。ローラ１０３は高速で回転している。電源１０４は、ノズル１０２に電圧を印加する。
この状態で、ノズル１０２から、帯電した原料液１１０を吐出する。原料液１１０は生体適合材料を含み、例えば、コラーゲンを含む。原料液１１０はノズル１０２から吐出した直後に、静電反発によって引き延ばされ、繊維１１となってローラ１０３の外周面に到達し、ローラ１０３によって高速で巻き取られる。これにより、繊維１１は、ローラ１０３の外周方向に配向した状態で堆積され、堆積層１０ａが形成される。堆積層１０ａは、繊維１１が配向した状態で堆積された層である。
次に、図２（ｂ）に示すように、基材１１２上に複数の堆積層１０ａを積層させる。このとき、隣り合う堆積層１０ａ間で、配向方向を交差、例えば直交させる。積層された複数の堆積層１０ａにより、積層シート１０ｂが形成される。
基材１１２の組成及び形状は特に限定されないが、堆積層１０ａとの密着性が可及的に良好になるような組成及び形状が好ましい。基材１１２の材料としては、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン（ＰＵ）、シリコーンなどの合成高分子、コラーゲン、ゼラチン、ラミニン、キトサン、キチンなどの天然高分子、脱細胞化組織、ヒトの皮膚、臓器などの生体組織であってもよい。また、基材１１２には、既に製造した生体適合部材１を用いてもよく、又は、生体適合部材１を成形して形成した基板、布、球体、棒、チューブ等の部材を用いてもよく、人工血管、人工弁、人工関節、人工歯などの人工生体構造物を用いてもよい。さらに、基材１１２には、薬剤、細胞、血液、体液などが含まれていてもよい。
次に、図３（ａ）に示すように、積層シート１０ｂに、揮発性の液体を浸透させる。揮発性の液体は特に限定されないが、繊維１１がなるべく溶解しないものとすることが好ましい。例えば、水、アルコール類（エタノール、メタノール、イソプロピルアルコールなど）、アルコール水溶液などを用いる。例えば、基材１１２上に載置された積層シート１０ｂ上に、エタノールを含ませたウエス１１３を載置する。これにより、ウエス１１３中のエタノールが積層シート１０ｂ中に浸透する。
次に、図３（ｂ）に示すように、積層シート１０ｂ内に浸透した揮発性の液体を揮発させることにより、積層シート１０ｂ内から除去する。これにより、液体の毛管力が働くことで繊維１１の一部同士が溶着し、繊維１１同士が結合する。この結果、集積体１２が基材１１２上に形成される。集積体１２は、繊維１１が三次元的に集積した構造体である。また、積層シート１０ｂ内に揮発性の液体が充填されない空間（気泡）を形成すれば、揮発性の液体が除去されたあとに、集積体１２にボイド１５（図１参照）が形成される。集積体１２の厚さは、揮発性の液体を浸透させる前の積層シート１０ｂの（１／３）〜（１／５）倍程度に薄くなる。また、集積体１２は透明又は半透明になる。
基材１１２上に形成された集積体１２は、基材１１２から剥離して単独で用いてもよく、基材１１２と一体のまま使用してもよい。
次に、図３（ｃ）に示すように、集積体１２に含水処理を施す。含水処理の方法は、容器１１５内で水１１６に浸漬してもよく、水１１６を流し込んでもよく、水１１６を浸み込ませた布と接触させてもよく、水１１６を霧状にして噴きつけてもよい。また、水１１６は、純水であってもよく、生理食塩水であってもよい。また、水１１６は、ウシ胎児血清（ＦＢＳ）などの血清、各種液体培地、タンパク質やＲＮＡ、ＤＮＡ、基質を含む水溶液であってもよく、細胞などの懸濁液、体液、血液であってもよい。これにより、繊維１１間に水が浸透し、繊維１１が水を吸収して膨潤し、生体適合部材１が製造される。これらの含水処理により、生体適合部材１は室温の環境下で２〜５倍に膨潤する。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態に係る生体適合部材１は、繊維１１が生体適合材料からなるため、生体適合性が高い。例えば、生体適合部材１を生体内に配置しても、毒性を示すことがない。また、生体による炎症等の拒絶反応を抑制できる。特に、劣化が進行していない高次元のコラーゲンによって繊維１１を形成することにより、拒絶反応をより効果的に抑制できる。また、繊維１１を生体由来材料によって形成し、生体適合部材１を生体内に配置すると、生体の代謝に伴って生体由来材料が消費され、繊維１１同士がほぐれていく。このため、繊維１１間に細胞が進入しやすくなる。
本実施形態に係る生体適合部材１は、繊維１１が生体適合材料からなるため、生体適合性が高い。例えば、生体適合部材１を生体内に配置しても、毒性を示すことがない。また、生体による炎症等の拒絶反応を抑制できる。特に、劣化が進行していない高次元のコラーゲンによって繊維１１を形成することにより、拒絶反応をより効果的に抑制できる。また、繊維１１を生体由来材料によって形成し、生体適合部材１を生体内に配置すると、生体の代謝に伴って生体由来材料が消費され、繊維１１同士がほぐれていく。このため、繊維１１間に細胞が進入しやすくなる。
また、生体適合部材１には、水１３が４０質量％以上９０質量％以下の含有率で含有されている。この水の含有率は生体における水の含有率に近い。これによっても、生体適合部材１は生体適合性が高い。
更に、生体適合部材１の表面には、直径が１０μｍ以上のボイド１５が、１個／ｍｍ２以上の密度で形成されている。これにより、生体適合部材１を生体内に配置したときに、生体の細胞がボイド１５内に進入しやすい。ボイド１５内に進入した細胞を足場にして、さらに生体適合部材１内に細胞が進入していく。
また、生体適合部材１には複数の層１０が設けられており、層１０同士の結合力は層１０内における繊維１１同士の結合力よりも弱い。このため、生体適合部材１を生体内に配置し、生体適合部材１に周囲の生体組織から圧力や熱が加わると、層１０同士が剥離して、隙間が形成されやすい。これにより、層１０間の隙間に細胞が進入し、細胞組織の形成をより一層促進することができる。
更に、生体適合部材１の繊維１１は配向性を持つため、繊維１１の配向方向と生体組織の方向に合わせることにより、生体適合部材１の生体適合性をより一層向上させることができる。
このように、生体適合部材１は、周辺の細胞組織との適合性が高い。したがって、例えば、組織損傷部や腫瘍切除後の空間に生体適合部材１を配置すれば、生体適合部材１が細胞増殖の足場となり、傷口の治癒や組織再構築を促進することが期待できる。また、人工物や薬物を体内に埋め込む際の被覆材として使用すれば、体内での炎症を抑える効果が期待できる。さらに、生体外において細胞・組織を増殖させる際に、生体適合部材１を足場材として使用すれば、細胞・組織を効率的又は三次元的に増殖・培養させることが期待できる。
生体適合部材１は生体適合材料からなる繊維１１と水１３によって形成されているため、生体適合部材１を生体内に配置すると、生体内の反応によって生体適合部材１は徐々に消失する。これにより、役割を終えた生体適合部材１が生体内に残留することがなく、細胞の増殖や組織の再生を妨害することがない。
また、生体適合部材１においては、繊維１１は相互に結合、例えば溶着して、集積体１２となっている。このため、集積体１２中の繊維１１内に水１３を含有させても、生体適合部材１全体の強度を維持することができる。例えば、生体適合部材１は、圧縮弾性率が５ｋＰａ以上であり、貯蔵弾性率が損失弾性率よりも高い。このため、生体適合部材１は、ピンセット等でつまんで持ち上げても形状を維持できる程度に剛性が高い。
一方、生体適合部材１は、ハサミやメスで切断できる程度に軟らかい。このため、例えば医療現場において、生体適合部材１をピンセットでつまみつつ、ハサミやメスで切断したり、傷口の形状に合わせて折り曲げたりして加工することができる。このように、生体適合部材１は取り扱いが容易である。また、生体適合部材１は透明又は半透明であるため、組織損傷部や腫瘍切除後の空間に合わせて配置することが容易である。
なお、仮に、繊維１１同士が結合していないと、水を含有させたときにシート全体が脆弱化し、形状を維持できない。このため、水の含有率を生体組織に近い値に調整すると、ジェル状になるなどして、シートの取り扱いが困難になる。また、繊維１１同士が結合していても、繊維１１間に適度な量の水が含有されていないと、シート全体の柔軟性が低くなり、ハサミやメスで切断することが困難になる。また、生体適合部材１の柔軟性が低いと、生体内に配置したときに、周囲の細胞組織が損傷する可能性がある。
なお、繊維１１同士を加熱または化学架橋によって結合することも考えられるが、この場合は、生体由来材料が熱で変性したり毒性をもったりすることで、生体親和性が低下する可能性がある。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態における含水処理を静水圧処理とした例である。
以下、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法について説明する。
図４は、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法のうち、静水圧処理を示す図である。
次に、第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態における含水処理を静水圧処理とした例である。
以下、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法について説明する。
図４は、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法のうち、静水圧処理を示す図である。
先ず、図２（ａ）〜図３（ｂ）に示す工程を実施する。
次に、図４に示すように、揮発性の液体を含有させて除去した後の集積体１２を、水１１６と共に密閉袋１１７に封入する。水１１６としては、第１の実施形態で説明したように、種々の形態の水を利用可能であり、例えば、生理食塩水を利用可能である。そして、密閉袋１１７を、ポンプ１１８に接続されたチャンバ１１９内に載置する。チャンバ１１９における密閉袋１１７の外部には空気１２０を導入する。
次に、図４に示すように、揮発性の液体を含有させて除去した後の集積体１２を、水１１６と共に密閉袋１１７に封入する。水１１６としては、第１の実施形態で説明したように、種々の形態の水を利用可能であり、例えば、生理食塩水を利用可能である。そして、密閉袋１１７を、ポンプ１１８に接続されたチャンバ１１９内に載置する。チャンバ１１９における密閉袋１１７の外部には空気１２０を導入する。
そして、ポンプ１１８により、空気１２０、密閉袋１１７を介して、水１１６及び集積体１２を加圧する。圧力は大気圧（１気圧）よりも高い圧力とし、好ましくは、５ＭＰａ以上１ＧＰａ以下とし、より好ましくは、１００ＭＰａ以上１ＧＰａ以下とし、例えば、５００ＭＰａとする。これにより、集積体１２内の繊維１１間及び繊維１１内に水が浸透する。また、ボイド１５内に存在していた空気が集積体１２から除去される。静水圧処理を行った後の密閉袋１１７内には、ボイド１５から放出された空気が蓄積されることがある。このようにして、本実施形態に係る生体適合部材が製造される。
本実施形態によれば、含水処理として静水圧処理を施すことにより、集積体１２に効率的に水を含有させることができる。また、静水圧処理により、生体適合部材１を滅菌することができる。これによっても、生体適合部材１の生体適合性が向上する。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第１の実施形態と同様である。
＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態における含水処理を減圧処理とした例である。
以下、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法について説明する。
図５は、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法のうち、減圧処理を示す図である。
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態における含水処理を減圧処理とした例である。
以下、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法について説明する。
図５は、本実施形態に係る生体適合部材の製造方法のうち、減圧処理を示す図である。
先ず、図２（ａ）〜図３（ｂ）に示す工程を実施する。
次に、図５に示すように、積層シート１０ｂに減圧処理を施す。具体的には、チャンバ１２１内に積層シート１０ｂを装入し、水１２２に浸漬する。この状態で、チャンバ１２１内を減圧する。チャンバ１２１内の圧力は１気圧未満とする。なお、減圧処理を施した後に、第２の実施形態で説明したような静水圧処理を施してもよい。
次に、図５に示すように、積層シート１０ｂに減圧処理を施す。具体的には、チャンバ１２１内に積層シート１０ｂを装入し、水１２２に浸漬する。この状態で、チャンバ１２１内を減圧する。チャンバ１２１内の圧力は１気圧未満とする。なお、減圧処理を施した後に、第２の実施形態で説明したような静水圧処理を施してもよい。
これによっても、集積体１２の繊維１１間に、水１３を含有させることができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び効果は、第１の実施形態と同様である。
＜試験例＞
次に、第１の実施形態の試験例について説明する。
本試験例においては、第１の実施形態に係る製造方法により、生体適合部材１を実際に製造した。本試験例においては、生体適合材料として生体由来材料であるコラーゲンを使用した。また、揮発性の液体としてエタノール溶液を使用した。
次に、第１の実施形態の試験例について説明する。
本試験例においては、第１の実施形態に係る製造方法により、生体適合部材１を実際に製造した。本試験例においては、生体適合材料として生体由来材料であるコラーゲンを使用した。また、揮発性の液体としてエタノール溶液を使用した。
すなわち、本試験例においては、エレクトロスピニング法により繊維１１を堆積することにより堆積層１０ａを形成し、複数の堆積層１０ａを配向方向が交互に交差するように積層することにより積層シート１０ｂを形成し、わずかに気泡が残る程度にエタノール溶液を浸透させ揮発させるエタノール処理を施し、その後、生理食塩水に浸漬させることにより含水処理を施した。このようにして、シート状の生体適合部材１を製造した。そして、生体適合部材１の特性を、以下の方法により評価した。
（外観観察）
生体適合部材１の製造工程における各段階の試料を、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）によって観察した。
生体適合部材１の製造工程における各段階の試料を、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）によって観察した。
図６（ａ）は、エレクトロスピニング法により形成された堆積層１０ａの表面ＳＥＭ写真であり、（ｂ）は、エタノール処理後の積層シート１０ｂの表面ＳＥＭ写真である。
図６（ａ）に示すように、エレクトロスピニング法により形成され、エタノール処理前の堆積層１０ａにおいては、多数の繊維１１が概ね一方向に延びていた。これにより、堆積層１０ａには配向性があることが確認された。また、図６（ｂ）に示すように、エタノールを浸透・揮発させる処理により、繊維１１同士の一部が溶着して一体化し、表面が滑らかになった。
図７（ａ）及び（ｂ）は、本試験例に係る生体適合部材１をグルタールアルデヒドでコラーゲンを架橋し、凍結させた試料の表面を冷却ＳＥＭにより氷を昇華させて観察したＳＥＭ写真である。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、生体適合部材１の表面には、直径が１０μｍ以上のボイド１５が１個／ｍｍ２以上の密度で形成されていた。
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、生体適合部材１の表面には、直径が１０μｍ以上のボイド１５が１個／ｍｍ２以上の密度で形成されていた。
（偏光ＦＴ−ＩＲ−ＡＴＲ法）
延伸された高分子材料においては、分子の長軸が延びる方向（分子軸）が、高分子材料（繊維）が延びる方向となる傾向がある。そのため、生体適合部材１の表面における分子の長軸が延びる方向を調べれば、繊維１１が延びる方向が推定され、ひいては、繊維１１が配向されているか否かを判定できる。
延伸された高分子材料においては、分子の長軸が延びる方向（分子軸）が、高分子材料（繊維）が延びる方向となる傾向がある。そのため、生体適合部材１の表面における分子の長軸が延びる方向を調べれば、繊維１１が延びる方向が推定され、ひいては、繊維１１が配向されているか否かを判定できる。
分子の長軸が延びる方向は、高分子材料の種類に応じた構造決定手段により知ることができる。例えば、ポリスチレンなどの場合にはラマン分光法を用いることができ、ポリイミドなどの場合には偏光吸光度分析法を用いることができる。本試験例においては、一例として、高分子材料がコラーゲンなどのアミド基を有する有機化合物である場合を説明する。アミド基を有する有機化合物の場合には、例えば、赤外分光法の一種である偏光ＦＴ−ＩＲ−ＡＴＲ法（Fourier Transform-Infrared Spectroscopy- Attenuated Total Reflectance：フーリエ変換赤外分光全反射測定法）を用いて分子の長軸が延びる方向を知ることができる。
以下、偏光ＦＴ−ＩＲ−ＡＴＲ法による分析方法について説明する。
波数が１６４０ｃｍ−１の光の吸収強度をＴ１とし、波数が１５４０ｃｍ−１の光の吸収強度をＴ２とする。吸収強度Ｔ１は、分子の長軸が延びる方向と直交する方向における吸収強度である。吸収強度Ｔ２は、分子の長軸が延びる方向における吸収強度である。このため、所定の偏光方向における吸光度比（Ｔ１／Ｔ２）が小さくなれば、その偏光方向に延びている分子が多いことが分かる。
波数が１６４０ｃｍ−１の光の吸収強度をＴ１とし、波数が１５４０ｃｍ−１の光の吸収強度をＴ２とする。吸収強度Ｔ１は、分子の長軸が延びる方向と直交する方向における吸収強度である。吸収強度Ｔ２は、分子の長軸が延びる方向における吸収強度である。このため、所定の偏光方向における吸光度比（Ｔ１／Ｔ２）が小さくなれば、その偏光方向に延びている分子が多いことが分かる。
そして、含水処理後の生体適合部材１を凍結乾燥させた試料について、偏光方向とのなす角度を変更しつつ、吸光度比（Ｔ１／Ｔ２）を測定する。値が最大となる吸光度比をＲ１とし、値が最小となる吸光度比をＲ２とする。例えば、吸光度比Ｒ２が得られる生体適合部材１の向きは、吸光度比Ｒ１が得られる生体適合部材１の向きに対して９０°回転している。そして、比（Ｒ１／Ｒ２）を配向度パラメータとする。配向度パラメータ（Ｒ１／Ｒ２）が大きいほど、配向の程度が高い。
含水処理後の生体適合部材１を凍結乾燥させた試料においては、配向度パラ−メータ（Ｒ１／Ｒ２）の値は約１．１０であった。このように、含水処理後の生体適合部材１においては、繊維１１が配向していることが確認された。
（示差走査熱量測定）
含水処理前の積層シート１０ｂ、及び、含水処理後の生体適合部材１を凍結乾燥させた試料について、示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry：ＤＳＣ）を行った。
含水処理前の積層シート１０ｂ、及び、含水処理後の生体適合部材１を凍結乾燥させた試料について、示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry：ＤＳＣ）を行った。
図８は、横軸に温度をとり、縦軸に熱流をとって、本試験例に係る積層シート及び生体適合部材の示差走査熱量測定結果を示すグラフである。
図９は、示差走査熱量測定結果を示す表である。
なお、図９には、比較として、未処理のコラーゲンパウダーの測定結果も示している。コラーゲンパウダーは、本来のコラーゲン分子の構造である３重らせん構造を有している。
図９は、示差走査熱量測定結果を示す表である。
なお、図９には、比較として、未処理のコラーゲンパウダーの測定結果も示している。コラーゲンパウダーは、本来のコラーゲン分子の構造である３重らせん構造を有している。
図８及び図９に示すように、積層シート１０ｂ及び生体適合部材１には、２０℃以上１００℃以下の温度範囲において第１の吸熱ピークＰ１が出現し、２００℃以上２４０℃以下の温度範囲において第２の吸熱ピークＰ２が出現した。これは、高次元、すなわち、立体的な分子構造を持つコラーゲン分子が加熱により分解される際の吸熱反応に起因していると推定される。したがって、吸熱ピークＰ１及びＰ２の存在により、加熱前の積層シート１０ｂ及び生体適合部材１において、コラーゲン分子の分子構造が、本来の高次元構造であることが推定される。
また、積層シート１０ｂの吸熱ピークＰ１の熱量よりも、生体適合部材１の吸熱ピークＰ１の熱量の方が大きかった。具体的には、積層シート１０ｂの吸熱ピークＰ１は１６〜１９Ｊ／ｇ程度であり、試料１ｓの吸熱ピークＰ１は２７Ｊ／ｇ程度であった。これは、コラーゲン分子の３重らせん構造が維持されていることを示唆している。
（圧縮弾性率）
生体適合部材１について、圧縮弾性率を測定した。生体適合部材１の厚さは、０．３ｍｍ、０．９ｍｍ、１．３ｍｍ、１．９ｍｍの４水準とし、各水準について、３つの試料を作製し、測定した。
生体適合部材１について、圧縮弾性率を測定した。生体適合部材１の厚さは、０．３ｍｍ、０．９ｍｍ、１．３ｍｍ、１．９ｍｍの４水準とし、各水準について、３つの試料を作製し、測定した。
図１０は、本試験例に係る生体適合部材の圧縮弾性率の測定結果を示す表である。
図１０に示すように、１２個の試料の測定結果において、圧縮弾性率は７．５〜７４．８ｋＰａであった。
図１０に示すように、１２個の試料の測定結果において、圧縮弾性率は７．５〜７４．８ｋＰａであった。
（動的粘弾性測定）
生体適合部材１について、動的粘弾法により粘弾性−周波数曲線を測定した。生体適合部材１の厚さは、０．３ｍｍ、０．９ｍｍ、１．３ｍｍ、１．９ｍｍの４水準とし、温度は室温とした。生体適合部材１に正弦波力を印加し、弾性率を測定した。正弦波力の周波数は１〜１００Ｈｚとした。
生体適合部材１について、動的粘弾法により粘弾性−周波数曲線を測定した。生体適合部材１の厚さは、０．３ｍｍ、０．９ｍｍ、１．３ｍｍ、１．９ｍｍの４水準とし、温度は室温とした。生体適合部材１に正弦波力を印加し、弾性率を測定した。正弦波力の周波数は１〜１００Ｈｚとした。
図１１（ａ）は、横軸に周波数をとり縦軸に貯蔵弾性率をとって、本試験例に係る生体適合部材の貯蔵弾性率−周波数曲線を示すグラフであり、（ｂ）は、横軸に周波数をとり縦軸に損失弾性率をとって、本試験例に係る生体適合部材の損失弾性率−周波数曲線を示すグラフである。
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、測定した周波数範囲の全域において、貯蔵弾性率が損失弾性率よりも高かった。このため、生体適合部材１は弾性体としての性質が強いといえる。
（生体内における構造変化）
生体適合部材１を生体内に配置した場合に、生体から受ける応力による生体適合部材１の構造変化をシミュレートした。具体的には、生体適合部材１について、グルタールアルデヒドでコラーゲンを架橋し、未凍結状態においてカミソリで切断した。カミソリから受ける剪断力は、生体適合部材１が生体内で受ける応力を模擬している。次に、冷却ＳＥＭにより、氷を昇華させ、切断面の表面をＳＥＭで観察した。
生体適合部材１を生体内に配置した場合に、生体から受ける応力による生体適合部材１の構造変化をシミュレートした。具体的には、生体適合部材１について、グルタールアルデヒドでコラーゲンを架橋し、未凍結状態においてカミソリで切断した。カミソリから受ける剪断力は、生体適合部材１が生体内で受ける応力を模擬している。次に、冷却ＳＥＭにより、氷を昇華させ、切断面の表面をＳＥＭで観察した。
図１２は、上述の処理後の生体適合部材１の切断面を示す表面ＳＥＭ写真である。
図１２に示すように、生体適合部材１の切断面には、層１０間の隙間１６が観察された。これは、カミソリによる切断により、生体適合部材１に厚さ方向（Ｚ方向）の剪断力を印加されたため、層１０同士がずれたためと考えられる。一方、凍結・高真空状態においてナイフで割断して形成される断面においては、層１０間の隙間１６が観察されることはなかった。
図１２に示すように、生体適合部材１の切断面には、層１０間の隙間１６が観察された。これは、カミソリによる切断により、生体適合部材１に厚さ方向（Ｚ方向）の剪断力を印加されたため、層１０同士がずれたためと考えられる。一方、凍結・高真空状態においてナイフで割断して形成される断面においては、層１０間の隙間１６が観察されることはなかった。
次に、シート状の生体適合部材１を直径５ｍｍの試験片に打ち抜いた。この試験片を、４つのグループに分けてＰＳ培養シャーレに入れ、以下の４条件において保管した。そして、保管の前後で試験片の変化を観察した。
条件１：試験片を生理食塩水に浸漬させて５℃の温度で保管
条件２：試験片を生理食塩水に浸漬させて３７℃の温度で保管
条件３：試験片をＦＢＳ（Fetal bovine serum：ウシ胎児血清）に浸漬させて５℃の温度で保管
条件４：試験片をＦＢＳに浸漬させて３７℃の温度で保管
条件２：試験片を生理食塩水に浸漬させて３７℃の温度で保管
条件３：試験片をＦＢＳ（Fetal bovine serum：ウシ胎児血清）に浸漬させて５℃の温度で保管
条件４：試験片をＦＢＳに浸漬させて３７℃の温度で保管
その結果、浸漬液の種類に関わらず３７℃の高温環境において層１０間の剥離が観察された。一方、５℃の低温環境において、層１０間の剥離は観察されなかった。
これらの結果により、生体適合部材１においては、層１０同士の結合力が層１０内における繊維１１同士の結合力よりも弱いことが示された。また、生体内において、生体適合部材１に応力や熱が加わると、層１０間に隙間１６が形成されることが推定された。上述の如く、この隙間１６内に細胞が進入すると、生体適合部材１と生体との融合性が向上する。
（ラットの皮下移植）
生体適合部材１をラットの皮下に移植し、その後の状態を目視で観察した。その結果、移植して１〜２日後には、生体適合部材１はゲル状となり、弾性が喪失した。移植して７日後には、生体適合部材１は消失した。この間、炎症等の拒絶反応は観察されなかった。
生体適合部材１をラットの皮下に移植し、その後の状態を目視で観察した。その結果、移植して１〜２日後には、生体適合部材１はゲル状となり、弾性が喪失した。移植して７日後には、生体適合部材１は消失した。この間、炎症等の拒絶反応は観察されなかった。
以上説明した実施形態によれば、生体適合性が高く取り扱いが容易である生体適合材料及びその製造方法を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
１：生体適合部材
１０：層
１０ａ：堆積層
１０ｂ：積層シート
１１：繊維
１２：集積体
１３：水
１５：ボイド
１６：隙間
１０１：製造装置
１０２：ノズル
１０３：ローラ
１０４：電源
１１０：原料液
１１２：基材
１１３：ウエス
１１５：容器
１１６：水
１１７：密閉袋
１１８：ポンプ
１１９：チャンバ
１２０：空気
１２１：チャンバ
１２２：水
Ｐ１、Ｐ２：吸熱ピーク
１０：層
１０ａ：堆積層
１０ｂ：積層シート
１１：繊維
１２：集積体
１３：水
１５：ボイド
１６：隙間
１０１：製造装置
１０２：ノズル
１０３：ローラ
１０４：電源
１１０：原料液
１１２：基材
１１３：ウエス
１１５：容器
１１６：水
１１７：密閉袋
１１８：ポンプ
１１９：チャンバ
１２０：空気
１２１：チャンバ
１２２：水
Ｐ１、Ｐ２：吸熱ピーク
Claims (16)
- 生体適合材料を含む繊維同士が結合した集積体と、
前記繊維間に含まれる水と、
を備え、
前記水の含有率が４０質量％以上９０質量％以下である生体適合部材。 - 表面に直径が１０μｍ以上のボイドが１個／ｍｍ２以上の密度で形成された請求項１記載の生体適合部材。
- 前記生体適合材料はコラーゲンである請求項１または２に記載の生体適合部材。
- 凍結乾燥後に示差走査熱量測定法によって分析したときに、２０℃以上１００℃以下の温度範囲において第１の吸熱ピークが出現し、２００℃以上２４０℃以下の温度範囲において第２の吸熱ピークが出現し、前記第１の吸熱ピークの吸熱量が前記第２の吸熱ピークの吸熱量の１０倍以上である請求項３記載の生体適合部材。
- 複数の層を有し、
前記層同士の結合力は前記層内における前記繊維同士の結合力よりも弱い請求項１〜４のいずれか１つに記載の生体適合部材。 - 各前記層内において、前記繊維は配向しており、隣り合う繊維同士が直線状に結合している請求項５記載の生体適合部材。
- 各前記層内において、前記繊維は配向しており、
隣り合う２つの前記層における前記繊維の配向方向は相互に交差している請求項５記載の生体適合部材。 - 圧縮弾性率が５ｋＰａ以上である請求項１〜７のいずれか１つに記載の生体適合部材。
- 貯蔵弾性率が損失弾性率よりも高い請求項１〜８のいずれか１つに記載の生体適合部材。
- 波数が１６４０ｃｍ−１である光の吸収強度をＴ１とし、波数が１５４０ｃｍ−１である光の吸収強度をＴ２とし、吸光度比をＴ１／Ｔ２とし、偏光方向とのなす角度を変更し測定した場合に得られる最大の前記吸光度比をＲ１とし、偏光方向とのなす角度を変更し測定した場合に得られる最小の前記吸光度比をＲ２とし、配向度パラメータをＲ１／Ｒ２とし、凍結乾燥後に表面を偏光ＦＴ−ＩＲ−ＡＴＲ法により分析した場合に、前記配向度パラメータが１．０５以上である請求項１〜９のいずれか１つに記載の生体適合部材。
- 生体適合材料を含む繊維を堆積させることにより、積層シートを形成する工程と、
前記積層シートに揮発性の液体を浸透させる工程と、
前記積層シートに浸透した前記液体を揮発させる工程と、
前記液体を揮発させた前記積層シートに含水処理を施す工程と、
を備えた生体適合部材の製造方法。 - 積層シートを形成する工程は、エレクトロスピニング法により前記繊維を形成する工程を有する請求項１１記載の生体適合部材の製造方法。
- 前記積層シートを形成する工程において、前記繊維を一方向に引っ張り、堆積された前記繊維が延びる方向を揃える請求項１１または１２に記載の生体適合部材の製造方法。
- 前記揮発性の液体を浸透させる工程において、揮発性の液体が充填されない空間を形成する請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の生体適合部材の製造方法。
- 前記揮発性の液体はエタノール水溶液である請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の生体適合部材の製造方法。
- 前記生体適合材料はコラーゲンである請求項１１〜１５のいずれか１つに記載の生体適合部材の製造方法。
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