JP4046172B2 - 多孔構造の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、物質の液状またはペースト状混合物を少なくとも部分的に固化させ、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造体の製造方法に関する。
【０００２】
美容目的および医療目的のスポンジを製造するため、水性初期懸濁液を温度降下により凍結させ、次に凍結乾燥させることは知られている。この場合初期懸濁液は金属シェルに充填され、金属シェルを下側から冷えた塩水で冷却し、その結果初期懸濁液は固化する。その際懸濁液はまず金属シェルの底部において固化し、その後シェル全体において固化する。この場合氷の成長により固化構造が生じ、固化構造は凍結乾燥後、密度分布と孔の方向がまちまちの非常に不規則な多孔スポンジになる。
【０００３】
ビンの中で生成物を凍結乾燥することも知られている。この場合ビンの内部に、非常に異なる固化構造が半径方向に発生する。これはビンの外側領域では過冷却が生じて球状の氷晶になり、他方ビンの内側領域では固化が樹状突起状または細胞質状に行なわれるからである。
【０００４】
生成物内部でこのように多孔率が異なっていると、多孔構造の少ない領域が強い物質搬送抵抗を生じさせるので、凍結乾燥を阻害する。さらに、多くの技術的応用および医療的応用にとって、多孔率が均一の生成物は価値が大きい。
【０００５】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた種類の方法を、均質構造の生成物を生成できるように改善することである。 この課題は、冒頭で述べた種類の方法において、温度調整可能で、互いに間隔を持って配置される、温度の異なる２つの面の間で混合物を冷却し、有利には、固化過程中に規則構造が生じるように冷却することによって解決される。
【０００６】
この特徴的な温度誘導により、結晶構造は冷えた面から暖かい面のほうへ成長する。この場合、クリスタルフロントが一方の面から他方の面のほうへ連続的に成長し、試料のなかに結晶構造と非結晶構造とを均一に分布させる。続いて行なわれる凍結乾燥は均質な結晶構造により容易になり、結晶成分と液状成分の蒸発または昇華により均一な多孔構造が露出する。温度勾配の調整或いは固化前進速度の調整により、発生する構造を最適に制御できる。
【０００７】
互いに対向しあっている面領域の温度差を冷却中に実質的に一定に保持するのが有利である。温度差が一定であれば、両面の間でのアイスフロントの前進速度がほぼ一定になるため、特に均一な多孔構造が得られる。
【０００８】
試料が生物学的素材の場合は、温度を３７−４０℃以上に上げることはほとんどの場合不可能である。これにより細胞破壊または変性が生じるからである。このような場合には、一方の面領域の温度を、他方の面領域が冷却されて所望の勾配が形成されるまで、一定に保持するのが有意義である。これにより、細胞またはたんぱく質を破壊するような混合物の温度が避けられる。
【０００９】
本発明による方法を実施する簡単な方式によれば、前記面は互いに平行に配置されている。これら平行に配置される面の間には混合物が供給され、一方の面から他方の面へ向けて結晶形成が促進するように冷却される。
【００１０】
本発明による方法の実施をさらに簡単にするため、混合物の暖かいほうの面画成部を熱放射または対流により直接温度調整してもよい。 しかし、必要な多孔構造に応じては、前記面を互いに同心に配置するのも有利である。この場合、外側の面或いは内側の面のいずれか一方がより熱い状態に保持され、その結果結晶形成は内側から外側へ、或いは外側から内側へ促進する。
【００１１】
面の配置によっては、半径方向に延びる結晶構造或いは互いに平行に延びる結晶構造が生じる。このような結晶構造は両面の間の全領域にわたって延びるか、この領域の一部分だけを充填する。 本発明の特に有利な構成によれば、混合物を、前記面の間の第１の側で導入し、前記面の間の第２の側から放出し、その際互いに対向しあっいる面領域の温度が第１の側から第２の側へ降下している。これにより、面を互いに平行に配置する場合も互いに同心に配置する場合も、液状またはペースト状混合物を連続的に固化させることが可能になる。理想的なケースでは、装置の一箇所に液状またはペースト状混合物が充填され、他端において連続的に多孔構造体が装置から取り出される。
【００１２】
特に連続的な方法では、混合物を熱伝導性搬送ベルトまたはホースにより誘導し、或いは案内するのが有利である。搬送ベルトまたはホースを互いに対向しあっている面で案内することにより、これら面に対する混合物の連続的な搬送または間歇的な搬送が可能であり、これら面と混合物とが直接に接触するのを阻止する。この場合、試料を搬送ベルトまたはホースに対して相対移動させるか、あるいは資料を搬送ベルトまたはホースとともに前記面を通過させてもよい。
【００１３】
凍結乾燥の特に簡単な方式は、少なくとも部分的に固化した生成物を、一方の面を離間させ且つ他方の面を温度調整することにより凍結乾燥させることによって可能になる。一方の面を離隔させた後、少なくとも部分的に固化した生成物は、昇華過程、脱着過程および拡散過程により氷相および他の非凍結水を濃縮相から離隔させるような印加負圧を自在に受け入れる。
【００１４】
すでに固化過程の段階で温度勾配を調整するために温度調整される面は、凍結乾燥過程を制御するため凍結乾燥段階でも温度調整される。 本発明では、特に、液状またはペースト状混合物として水性の溶液または懸濁液を使用する。水性相は凍結乾燥により容易に離隔することができ、特に医療技術で多面的に使用可能なスポンジ等の多孔構造体の製造を可能にする。
【００１５】
液状またはペースト状混合物に結晶構造を制御するための添加剤を添加しなければ、たとえば繊維等の懸濁性異相片が結晶成長により方向を変えたりずれたりすることはない。したがって本発明による方法により非常に秩序だった構造を生成することができ、異相片の分布は極めて均一になり、この分布は実質的に液状またはペースト状混合物での分布に対応している。凍結乾燥後非常に微細な構造が得られ、たとえば止血或いはやけどの治療の際に使用するスポンジとして、または軟骨育成用の生体材料としても有利である。
【００１６】
他の応用に対しては、液状またはペースト混合物に活性物質または添加剤を添加するのが特に有利である。たとえば、結晶構造を制御するために塩または酸を添加することができる。本発明による方法では、たとえば指状または樹木状（樹状突起状の）氷晶が液状またはペースト状混合物を貫通するように成長し、懸濁性異相片の方向を変化させる。次に凍結乾燥を行なうと、この指状の氷晶が昇華して、均一な開口孔が残る。氷晶構造は、したがって後の多孔構造は冷却時のプロセス制御（試料に対する温度勾配およびアイスフロントの速度）によりおよび添加物の種類および濃度により制御することができる。
【００１７】
生成した構造の固体的性質を制御するため、他の添加物を補助的に使用してよい。たとえばコラーゲン懸濁液の場合には、たとえばヒドロキシアパタイトの添加により硬い構造を生成することができ、骨代替材料としてのスポンジの適正を改善させる。さらに、たとえば医療用インプラントの場合には、すでに液状混合物の段階で生理活性物質或いは生細胞を、多孔構造の導入時に役立つような凍結防止添加剤とともに供給し、所望の生物学的プロセスを改善するのが有利である。この場合、汚染予防を行なうために、たとえば抗生物質を添加してもよい。傷の治療をたとえば細胞を持った構造を挿入することにより、或いは血管または神経をなじませることにより促進させるため、生理活性物質として、たとえば構造内の細胞癒合または細胞成長を促進させるペプチド、プロテイン或いは酵素を添加してよい。たとえばコンドロイチン、繊維芽細胞、ケラチノサイトおよび内皮細胞のような生体細胞は新たな細胞配列または単分子層または血管の形成を促進させ、傷の治療にとって重要な物質を生産する。たとえば高分子のキロプロテクティブのためのヒドロキシエチルの濃度は、場合によっては特定の糖の添加により補助されて、凍結過程時の細胞破壊を制限し、また凍結乾燥に適している。このようにして生成したスポンジは体液または溶液による再水化の後特別な生体機能或いは医療機能を果たす。
【００１８】
上述した活性物質または添加物、生理活性材料または生細胞は、生成された凍結乾燥構造に添加してもよい。というのも、多孔構造はこれらの物質が構造内に沈積するのを容易にするからである。
【００１９】
本発明による方法の特に有利な使用分野は、医療品或いは薬品または環境・バイオテクノロジーの分野である。なお、美容目的または医療目的のスポンジは特に薄葉紙エンジニアリングの分野で有意義である。
【００２０】
本発明の課題を解決するための他の可能性は、物質の液状またはペースト状混合物を少なくとも部分的に固化させ、次に凍結乾燥させるようにした、多孔構造体の製造方法において、混合物を予め加圧下で冷却し、次に急激に除圧することにある。
【００２１】
混合物は固化点直前まで増圧して冷却するのが有利であり、急激な除圧により、過冷却された液状混合物を結晶化させる。この場合、混合物の全領域において同時に均一に分布した氷晶が形成され、氷晶は温度と圧力制御によりさらに成長し、或いは小さなままに留まり、凍結乾燥により除去されるので、均質な多孔構造が生じる。温度と圧力制御により多数の小さな結晶か、少量の大きな結晶が生じるため、微孔状または巨視孔状の構造が生じる。加圧は１と２５０Ｍｐａの間の範囲にあるのが有利である。
【００２２】
付加的にガスを混合物に溶解させると、ガス泡核形成により構造の大きな多孔度および小密度を得るために結晶化を利用することができる。より大きな多孔度を得るためには、圧力を降下させる実施形態でも、また上述したような圧力降下のない実施形態でもよい。
【００２３】
より大きな多孔度を得るための他の有利な実施形態によれば、本発明に従って固化させた後、固化温度付近で試料を再結晶させ、その後引き続いて凍結乾燥を行なう。これにより小結晶領域が大結晶領域域へ成長し、大きな孔が生じる。
【００２４】
すべての実施形態に対し、所望の幾何学的形状（たとえば糸のような形状）で異物を液状またはペースト状混合物に挿入し、凍結乾燥後に異物を除去するようにしてよく、このようにすると多孔構造は付加的に異物の幾何学的形状および位置によって決定される。
【００２５】
本発明による方法の実施形態が図面に図示されており、次にこれを詳細に説明する。 図１に図示した装置１は、下部試料画成部２と上部試料画成部３とを有し、これらの試料画成部の間にして絶縁性の試料フレーム４内には試料室５が配置されている。上部試料画成部３と下部試料画成部２とは構成が同一であり、これら試料画成部の間にして試料室５内に配置される試料の固化過程の間、および必要に応じては凍結乾燥過程の間温度調整するために用いる。温度調整は、側部の熱絶縁被覆部８と９に埋設されている銅ブロック６と７を介して行なう。銅ブロック６または７と下部試料画成部２または上部試料画成部３との間には、それぞれ平衡加熱用の電気的なフォイル形加熱要素１０または１１が設けられている。試料画成部２と３は温度測定個所１２と１３を有しているので、冷却される銅ブロック６と７およびフォイル形加熱要素１０と１１を用いて精密な温度調整を行なうことができる。
【００２６】
試料を試料室５に充填し、取り出すことができるように、上部試料画成部３はスピンドル１４（図では二重矢印で簡単に示した）を用いて空気圧または液圧で持ち上げることができる。 この装置は凝縮器（図示せず）を備えた閉じた真空室のなかに設置できるので、必要であれば凍結乾燥過程をすぐに引き続いて行なうことができる。凍結乾燥時には真空室が排気され、凍結乾燥の間試料を温度調整するため、たとえば下部フォイル形加熱要素１０が使用される。
【００２７】
図２には、時間に対する温度変化が図示されている。下の曲線１５は下部試料画成部２の温度変化を示し、上の曲線１６は上部試料画成部３の温度変化を示している。両試料画成部は１０ｍｍの間隔で互いに離して配置されているので、下の曲線１５は「ｘ＝０ｍｍ」として表わされ、上の曲線１６は「ｘ＝１０ｍｍ」として表わされる。
【００２８】
銅ブロック６または７と加熱要素１０または１１を用いて試料画成部２または３は時間に依存して、グラフに示した温度に正確に保持される。その際アイスフロント１７が成長し、図示した例ではこのアイスフロント１７は下部試料画成部から上部試料画成部へ延びる細胞状の構造を有している。この場合温度は、下部試料画成部２の温度と上部試料画成部３の温度との差が一定に保持されるように調整される。しかし細胞状の構造の損傷を避けるために特定の最大温度を越えてはならない場合には、冷却の初期時期に温度差はいくぶん小さく保持される。これにより、アイスフロントがほぼ一定の速度で試料により成長するので、試料全体では非常に規則的な氷構造が生じ、その幾何学的形状は、特に下部および上部試料画成部の間の温度勾配の選定と両画成部の温度を降下させる銅ブロックとにより制御することができる。
【００２９】
図３は連続装置２０を示すものである。このケースでは、試料室２１として、２つの搬送ベルト２３,２４の間で案内されているホース２２が用いられる。搬送ベルト２３と２４はそれぞれ２つの駆動ローラ２５,２６または２７,２８により駆動される。これらのローラの間には、ホース２２の上面および下面にそれぞれ冷却要素２９または３０が配置されている。これらの冷却要素２９,３０は、試料室２１に作用する温度勾配を該冷却要素の長手方向に生じさせるように構成されている。このため冷却要素２９,３０は、段階的な温度降下を生じさせるようセグメント状に構成されていてよい。しかし有利なのはほぼ連続的な温度降下であり、これを図３の装置図の上方にグラフで示した。このグラフには、温度と冷却要素２９,３０の長手方向の距離とが対比されている。直線３１は試料室２１の下面の温度変化を示し、直線３２は試料室２１の上面の温度変化を示している。このグラフが示すように、冷却率が一定であると、冷却要素２９と３０の間の対向している個所での温度差が一定に保持される。
【００３０】
この装置２０を使用する場合、試料室２１にはその左側に液状またはペースト状の混合物がホース２２内に充填される。ホース２２は搬送ベルト２３と２４により連続的な速度で冷却要素２９と３０の間を通過するため、冷却によりホース２２の内部には上側から下側へ向けてアイスフロントが成長し、アイスフロントは冷却要素２９と３０の端部において試料全体にわたるように成長する。その結果、次に、冷凍された試料を真空室（図示せず）で凍結乾燥させることができる。
【００３１】
ホース２２は丸形、矩形またはその他の形状を有していてよく、適用例に応じた特有の、棒状または板状等の成形部品を装置により連続的なプロセスで生成することができる。 装置２０は側部にも画成部を有していてよい。このようにすると、試料をホースなしで冷却要素間で案内することができる。さらに、試料を２つの別個のフォイルの間で案内するようにしてもよい。
【００３２】
他の連続装置４０を図４に示す。この装置では、互いに間隔を持って配置されている２つの冷却要素４１と４２の間を流体が管４３内で案内される。冷却要素４１と４２の間隔ｄによりそれらの間に空間が生じ、この空間において温度勾配を調整することができる。液状またはペースト状の媒体４４を管４３のホッパー状の上面４５から充填すると、試料は両冷却要素４１と４２の間の空間内へ達するため、管４３を貫流するときに冷却要素の間にアイスフロントが形成される。冷凍された試料は装置４０のホッパー状の下面４６から装置を離れて、次に凍結乾燥される。
【００３３】
前述の装置２０の場合と同様に、装置４０による側方配置構成の場合も試料をホース内で或いはフォイル間で案内してよい。 連続装置の場合も、温度誘導を簡単に且つ正確に制御するため、冷却要素２９または３１および４１または４２と試料の間にフォイル形加熱要素を配置してよい。
【００３４】
図５と図６は、本発明に従って冷却する際に可能な均質構造の典型例を、概略的に図示したコラーゲン懸濁液を例にとって示したものである。図の下部領域は冷たい側で、上部領域が暖かい側である。したがって固化フロントの成長方向は下から上へ向く方向である。
【００３５】
固化を開始する前に、コラーゲン繊維は比較的均一に配分されている。ほぼ２重量パーセントのコラーゲン懸濁液に添加剤を添加しなければ、図２で説明したようなプロセス温度誘導により、平坦なフロント成長が達成できる。この場合の繊維の位置および分布は、図５に示したようにほとんど変化しない。図では、すでに結晶化した領域をハッチングで示した。
【００３６】
コラーゲン懸濁液に、凍結点を低下させるような添加剤、たとえば酢酸またはエタノールを添加すると、固化温度を適正に選択すれば、図６に図示したような指状の氷晶構造が得られる。同様に氷晶構造をハッチングで示した。この場合コラーゲン繊維はその方向性が変化し、アイスフィンガーの間のチャネルで網状化する。凍結乾燥すると、アイスは昇華により除去され、所望の多孔構造体が残る。
【００３７】
添加剤の種類および濃度、コラーゲンの濃度、混合物に対する温度勾配の設定、および両試料画成部の冷却率の選定により、氷晶形態を調整でき、よって孔径を調整できる。 図７は、９Ｋ／minの冷却率と５０Ｋ／ｃｍの温度勾配で凍結させた、１．８重量パーセントのコラーゲンを含む懸濁液の例において、孔径にたいする添加剤（酢酸）の影響を示したものである。この場合孔径としては非円形の孔の最小径が記載されている。横軸は添加剤の濃度を重量％で示し、縦軸には孔径がμｍで記載されている。
【００３８】
最適なパラメータ範囲は次の通りである：
発生させた温度勾配 １Ｋ／ｃｍないし１００Ｋ／ｃｍ
好ましくは１０Ｋ／ｃｍないし６０Ｋ／ｃｍ
添加剤の濃度 ０．１重量％ないし２５重量％
好ましくは１重量％ないし１０重量％
冷却率 ０．１Ｋ／ｍｉｎないし５００Ｋ／ｍｉｎ
好ましくは１Ｋ／ｍｉｎないし５０Ｋ／ｍｉｎ
【図面の簡単な説明】
【図１】バッチ式プロセスで多孔構造体を製造するための装置を示す図である。
【図２】試料の異なる個所での温度制御と時間の関係の一例を示す図である。
【図３】連続プロセスで多孔構造体を製造するための装置と、その上に温度制御グラフを示した図である。
【図４】連続プロセスで多孔構造体を製造するための他の装置を示す図である。
【図５】水性コラーゲン懸濁液の均質構造を示す図である。
【図６】水性コラーゲン懸濁液の均質指状氷晶構造を示す図である。
【図７】孔径と酢酸の濃度との関係を示す図である。

Claims (20)

1. 物質の液状またはペースト状混合物を冷却して該混合物の一部もしくは全部を固化させ、次いで、得られる固化した生成物を凍結乾燥させることからなる、多孔構造体の製造方法において、 該混合物の冷却を、温度調整可能で、互いに間隔を持って配置される、温度の異なる２つの面の間で行なうことを特徴とする製造方法。
2. 前記固化過程において、前記２つの面の一方を離間させ且つ他方の面を温度調整して面の間隔および温度を調整することによって、規則的な多孔構造を形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 互いに対向しあっている面領域の温度差を冷却中に実質的に一定に保持することを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 一方の面領域の温度を、他方の面領域が冷却されて所望の勾配が形成されるまで、一定に保持することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の製造方法。
5. 前記面が、互いに平行に、又は互いに同心に配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の製造方法。
6. 前記混合物を、前記面の間の第１の側で導入し、前記面の間の第２の側から放出し、その際互いに対向しあっいる面領域の温度が第１の側から第２の側へ降下していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の製造方法。
7. 前記混合物を熱伝導性の搬送ベルトもしくはホースにより誘導または案内することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の製造方法。
8. 前記固化した生成物を、一方の面を離間させ且つ他方の面を温度調整することにより凍結乾燥させることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の製造方法。
9. 前記液状またはペースト状混合物として水性の溶液または懸濁液を使用することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一つに記載の製造方法。
10. 前記液状またはペースト混合物に活性物質または添加剤が加えられることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一つに記載の製造方法。
11. 前記液状またはペースト状混合物に生理活性物質、生細胞、および（または）凍結防止剤が加えられることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の製造方法。
12. 凍結乾燥させた構造物に活性物質、生理活性物質または生細胞が加えられることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の製造方法。
13. 物質の液状またはペースト状混合物を冷却して該混合物の一部もしくは全部を固化させ、次いで、得られる固化した生成物を凍結乾燥させることからなる、多孔構造体の製造方法において、 該混合物を加圧下で予備冷却し、次いで急激に除圧することを特徴とする製造方法。
14. １〜２５０ＭＰａの範囲の加圧下で予備冷却を行なうことを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
15. 付加的にガスを前記混合物に溶解させることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一つに記載の製造方法。
16. 前記混合物の冷却の終了後、前記固化した生成物の凍結乾燥に先立って、前記固化した生成物を再結晶温度に再加熱し、再結晶を起こさせるに充分な時間保持することによって前記固化した生成物を再結晶させることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一つに記載の製造方法。
17. 所望の幾何学的形状と方向性を持った異物を前記液状またはペースト状混合物中に導入し、凍結乾燥後に異物を除去することを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一つに記載の製造方法。
18. 請求項１から１７までのいずれか一つに記載の製造方法で製造されたことを特徴とする、多孔構造体。
19. 医療品、薬品、環境テクノロジーの製品もしくはバイオテクノロジーの製品の製造用であることを特徴とする、請求項１８に記載の多孔構造体。
20. 美容目的もしくは医療目的のスポンジの製造用であることを特徴とする、請求項１８に記載の多孔構造体。

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