JP4841985B2 - ポリアミド多孔質膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表層にハニカム多孔構造を発現させ、スカホールド機能（scaffold function）を持たせたポリアミド多孔質膜の製造方法に関するものである。

ポリアミド多孔質膜は、ポリアミドのメタルハライド・アルコール溶液から、吸湿を伴う溶液凝固をとおして容易に調製することができる。
また、このような多孔質膜として、ハニカム状多孔性高分子薄膜とその構造制御、並びにこのハニカム状多孔性高分子薄膜を使用した生体組織工学への応用展開が紹介されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１によると、テンプレート法により多孔質膜を作製することで、規則的にマイクロメーターサイズの孔の開いた高分子薄膜が形成することができることが開示されている。また、上記方法により作製したハニカム状多孔性高分子薄膜を細胞培養基板として使用することで、細胞に組織形成を促し、秩序構造を持った細胞集合体を作らせることができることが開示されている。
社団法人高分子学会行事委員会企画、株式会社エヌ・ティー・エス編集企画部編集製作、「ポリマーフロンティア２１シリーズ１７ スペシャリティポリマー −要求特性を満たすナノレベルの材料設計−」、初版第一刷、株式会社エヌ・ティー・エス、２００３年５月２９日発行、ｐ．１１３〜１４８

しかしながら非特許文献１に示される多孔性高分子薄膜では、その表面に孔径１〜１０μｍの範囲にある多孔を持つハニカム構造の膜しか紹介されておらず、この孔径にあわない大きな細胞や微生物飼育、触媒等のスカホールドとしての機能に欠けていた。

本発明の目的は、多孔質膜表層により大きな孔径を有するハニカム多孔構造を発現させることにより、大きな細胞や微生物飼育、触媒等のスカホールドとしての機能を持たせた、ポリアミド多孔質膜の製造方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、比較的短時間に製造することができるポリアミド多孔質膜の製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解してポリアミド溶解液を調製する工程と、上部に開口部を有する容器に調製したポリアミド溶解液を注入する工程と、ポリアミド溶解液を注入した開口部を有する容器を、０〜４０℃の温度、６０〜１００％の相対湿度下で、３〜５日間静置することにより、ポリアミド溶解液中に含まれる溶媒を蒸発させ、かつポリアミド溶解液を吸湿させることにより、ポリアミド溶解液表面にゲル状の薄膜を形成する工程と、容器内部のポリアミド溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から水を添加して、添加した水と接するゲル状の薄膜部分に固体相−ゲル相−溶液相の三相構造を出現させる工程と、容器内部のポリアミド溶解液上部に出現させたゲル相のみを容器外に取出す工程と、取出したゲル相を基材に塗布する工程と、ゲル相を塗布した基材を水中に浸漬して塗布した膜部分を凝固させる工程とを含むポリアミド多孔質膜の製造方法である。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、溶解液の調製が、塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解した後、２４時間以上１００日以下の期間熟成することにより行われるポリアミド多孔質膜の製造方法である。
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、溶解液表面の上から添加する水が純水、アルコール系水溶液又は金属塩化物系水溶液であるポリアミド多孔質膜の製造方法である。
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ポリアミドがポリカプロラクタム、ポリヘキサメチレンアジポアミド又はポリヘキサメチレンセバカミドであるポリアミド多孔質膜の製造方法である。

本願請求項１に係る製造方法は、塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解してポリアミド溶解液を調製する工程と、上部に開口部を有する容器に調製したポリアミド溶解液を注入する工程と、ポリアミド溶解液を注入した開口部を有する容器を、０〜４０℃の温度、６０〜１００％の相対湿度下で、３〜５日間静置することにより、ポリアミド溶解液中に含まれる溶媒を蒸発させ、かつポリアミド溶解液を吸湿させることにより、ポリアミド溶解液表面にゲル状の薄膜を形成する工程と、容器内部のポリアミド溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から水を添加して、添加した水と接するゲル状の薄膜部分に固体相−ゲル相−溶液相の三相構造を出現させる工程と、容器内部のポリアミド溶解液上部に出現させたゲル相のみを容器外に取出す工程と、取出したゲル相を基材に塗布する工程と、ゲル相を塗布した基材を水中に浸漬して塗布した膜部分を凝固させる工程とを含む。

本発明のポリアミド多孔質膜の表層に形成されたハニカム多孔構造が、孔径５〜５０μｍの範囲内に制御されているため、この孔径にあった大きな細胞や微生物飼育、触媒などのスカホールドとしての機能を持たせることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について説明する。
本発明のポリアミドは、ポリカプロラクタム（ナイロン６）、ポリヘキサメチレンアジポアミド（ナイロン６６）又はポリヘキサメチレンセバカミド（ナイロン６１０）のいずれかである。ポリアミドとしては粒子状もしくは綿状のものが用いられる。先ず、このポリアミドを塩化カルシウムのアルコール溶液に溶解してポリアミド溶解液を調製する。アルコール溶液は、メチルアルコール又はエチルアルコール１００重量％に対して塩化カルシウム１５〜３０重量％、好ましくは１９〜２５重量％を添加混合して調製される。１９〜２５重量％の濃度にすると、ポリカプロラクタムがよく溶けて排除体積のない理想的な形態をとることができる。ポリアミドはアルコール１００重量％に対して６〜９重量％添加する。ポリアミドの添加量が下限値未満では膜にならずに豆腐状になってしまう不具合があり、上限値（２５重量％）を越えるほど膜が脆くなる不具合がある。ポリアミド溶解液は、塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解した後、直ちにポリアミド多孔質膜の製造に使用してもよいが、２４時間以上１００日以下の期間熟成すると、アルコール、カルシウムイオン、そしてポリアミドのアミド基との間の相互作用が安定し、好ましい。

次いで、上記調製したポリアミド溶解液を上部に開口部を有する容器（例えばガラスシリンダー）に所定量注入する。ポリアミド溶解液を注入した開口部を有する容器を、０〜４０℃の温度、６０〜１００％の相対湿度下で、３〜５日間静置する。静置する容器の開口部には蓋等はせず、そのまま容器上部を開放した状態にしておく。上記静置は恒温恒湿に保たれたデシケータ中に容器を収容することが好ましい。温度が下限値未満ではデシケータ中の調湿水が凍結してしまう不具合があり、上限値を越えるとポリアミド溶解液中に気泡が生じる不具合がある。また相対湿度が下限値未満では吸湿に時間がかかる不具合がある。好ましい温度は１０〜３０℃、より好ましい温度は２５℃である。また好ましい相対湿度は８０〜１００％、より好ましい相対湿度は１００％である。ポリアミド溶解液を容器内で静置することにより、溶解液表面から溶媒であるアルコールの蒸発とともに、吸湿が始まる。ポリアミド溶解液を注入した容器の静置は、上記温度条件並びに上記湿度条件によって、溶媒であるアルコールの蒸発や吸湿度合いが変化するため、静置時間も多少前後するが、３〜５日間程度静置することが好ましい。上記期間ポリアミド溶解液を注入した容器を静置することにより、ポリアミド溶解液表面にゲル状の薄膜が形成される。

次に、図１に示すように、容器１１内部のポリアミド溶解液１２表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から水１３を添加する。ここでゲル状薄膜に添加する水１３は、純水に限らず、アルコール系水溶液又は金属塩化物系水溶液でもよい。これらの水溶液を用いると得られる多孔質体の独立孔のサイズや表面層のメッシュ数に影響を及ぼす効果がある。ゲル状の薄膜表面の上から水１３を添加して、しばらくすると、添加した水１３と接するゲル状の薄膜部分に固体相１６−ゲル相１７−溶液相１２の三相構造が出現する。図１の符号１４は水と三相構造との界面である。出現した三相構造を構成するゲル相１７では、スピノーダル分解（Spinodal Decomposition）と相分離がゲル相の下部と上部でそれぞれ生じ、上部で多孔が形作られる。なお、容器内部のポリアミド溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から水を添加せず、１００％の相対湿度に保たれたデシケータ中に容器を収容し、この状態を長時間保つことによって、ポリアミド溶解液のほとんどをゲル相にすることもできる。このように出現させたゲル相を用いても本発明のポリアミド多孔質膜を製造することができる。

次に、容器内部のポリアミド溶解液上部に出現させたゲル相のみを容器外に取出す。取出したゲル相には添加した水と溶解液とが含まれている。続いて、容器外に取出したゲル相をゲルの流動を利用して所望の厚さ、例えば０.０２〜０.５ｍｍ、好ましくは０.０２〜０.１ｍｍの厚さで基材表面に塗布する。使用する基材としては、表面が平滑であり、後に続く工程で形成した膜を基材表面から剥離し易い材料が選ばれる。具体的にはスライドガラスのような取扱いが容易な材料が好適である。基材に塗布するゲル相の厚さは、特に制限されず、多孔質膜の用途に応じて、塗布する厚さを調整することができる。基材表面にゲル相を塗布した後は、１０秒〜１０分間、好ましくは１０秒〜１分間、室温下、相対湿度４０〜６０％で、ゲル相を塗布した基材を放置する。ここでゲル相を塗布した基材を放置したのは、ゲル成分間相互作用の準安定化のためである。

放置した後は、ゲル相を塗布した基材を室温の水中に浸漬する。基材を水中に浸漬すると塗布したゲル相が凝固して、ゲル相の表層にハニカム多孔構造が形成される。基材の水中への浸漬は、５〜３０分間、好ましくは１０〜３０分間が好適である。浸漬時間が下限値未満ではゲル相の凝固が十分に進まず、上限値を越えても得られる多孔質膜の性質は変わらない。塗布したゲル相が凝固したら、水中で、ゲル相が凝固して形成した膜を基材から剥離する。剥離した凝固膜を水洗した後に、乾燥することにより、本発明のポリアミド多孔質膜が得られる。

得られた本発明のポリアミド多孔質膜は、表層が孔径５〜５０μｍのハニカム多孔構造を有し、内部が三次元網目状に形成され、かつ網目内部の空孔が連続気孔構造を有し、ハニカム多孔構造と網目状構造が連通して形成される。表層のハニカム多孔構造が孔径５〜５０μｍの範囲内に制御されているため、この孔径にあった大きな細胞や微生物飼育、触媒などのスカホールドとしての機能を持たせることができる。

次に本発明の実施例を詳しく説明する。
＜実施例１＞
メチルアルコール１００ｃｃに塩化カルシウム２０ｇを溶解して塩化カルシウムのメタノール溶液を得た。この溶液に綿状のポリヘキサメチレンアジポアミド６.７ｇを加えて溶解してポリヘキサメチレンアジポアミド溶解液を調製した。内径３０ｍｍ、高さ６０ｍｍのガラスシリンダーの中に、上記調製したポリヘキサメチレンアジポアミド溶解液を３２ｃｃ注入した。この溶解液の入ったガラスシリンダーを温度３０℃、相対湿度１００％のデシケータ内に収容し、約５日間静置した。静置後のガラスシリンダー内のポリヘキサメチレンアジポアミド溶解液を観察したところ、シリンダー内の溶解液の容量が約２０ｃｃに減少し、溶解液表面にはゲル状の薄膜が形成されていた。
次いで、ガラスシリンダー内部のポリヘキサメチレンアジポアミド溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から３０℃の純水を約１０ｃｃ添加した。ゲル状の薄膜表面の上から水を添加した後、しばらくすると、添加した水と接するゲル状の薄膜部分に固体相−ゲル相−溶液相の三相構造が出現した。

次に、ガラスシリンダー内部のポリヘキサメチレンアジポアミド溶解液上部に出現させたゲル相のみを容器外に取出した。続いて、容器外に取出したゲル相を平均厚さ約０.０５ｍｍでスライドガラス表面に塗布した。スライドガラス表面にゲル相を塗布した後は、１０〜３０秒間、室温下、相対湿度約５０％で、ゲル相を塗布したスライドガラスを放置した。
放置した後は、ゲル相を塗布したスライドガラスを室温の水中に浸漬し、約１０分間保持することにより、塗布したゲル相を凝固させ、ゲル相の表層にハニカム多孔構造を形成させた。塗布したゲル相が凝固したら、水中で、ゲル相が凝固して形成した膜をスライドガラスから剥離した。剥離した凝固膜を水洗した後に、乾燥することにより、ポリヘキサメチレンアジポアミド多孔質膜を得た。

得られたポリヘキサメチレンアジポアミド多孔質膜の走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope；ＳＥＭ）写真を図２及び図３に示す。図３は図２の部分拡大図である。図２及び図３から明らかなように、得られた膜の表層にはハニカム多孔構造が形成されていることが確認された。また、このハニカム多孔構造の孔径は約１０〜２０μｍの範囲内であった。また、表層のハニカム多孔構造の孔からは、膜内部の構造が三次元網目状になっていることが確認され、このハニカム多孔構造と三次元網目状構造とは連通して形成されていた。

＜実施例２＞
メチルアルコール１００ｃｃに塩化カルシウム２０ｇを溶解して塩化カルシウムのメタノール溶液を得た。この溶液にポリカプロラクタム６.７ｇを加えて溶解してポリカプロラクタム溶解液を調製した。内径３０ｍｍ、高さ６０ｍｍのガラスシリンダーの中に、上記調製したポリカプロラクタム溶解液を３２ｃｃ注入した。この溶解液の入ったガラスシリンダーを温度３０℃、相対湿度１００％のデシケータ内に収容し、約５日間静置した。静置後のガラスシリンダー内のポリカプロラクタム溶解液を観察したところ、シリンダー内の溶解液の容量が約２０ｃｃに減少し、溶解液表面にはゲル状の薄膜が形成されていた。
次いで、ガラスシリンダー内部のポリカプロラクタム溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から３０℃の純水を約１０ｃｃ添加した。ゲル状の薄膜表面の上から水を添加した後、しばらくすると、添加した水と接するゲル状の薄膜部分に固体相−ゲル相−溶液相の三相構造が出現した。

次に、ガラスシリンダー内部のポリカプロラクタム溶解液上部に出現させたゲル相のみを容器外に取出した。続いて、容器外に取出したゲル相を平均厚さ約０.０５ｍｍでスライドガラス表面に塗布した。スライドガラス表面にゲル相を塗布した後は、１０〜３０秒間、室温下、相対湿度約５０％で、ゲル相を塗布したスライドガラスを放置した。
放置した後は、ゲル相を塗布したスライドガラスを室温の水中に浸漬し、約１０分間保持することにより、塗布したゲル相を凝固させ、ゲル相の表層にハニカム多孔構造を形成させた。塗布したゲル相が凝固したら、水中で、ゲル相が凝固して形成した膜をスライドガラスから剥離した。剥離した凝固膜を水洗した後に、乾燥することにより、ポリカプロラクタム多孔質膜を得た。

得られたポリカプロラクタム多孔質膜の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図４及び図５に示す。図５は図４の部分拡大図である。図４及び図５から明らかなように、得られた膜の表層にはハニカム多孔構造が形成されていることが確認された。また、このハニカム多孔構造の孔径は約２０〜５０μｍの範囲内であった。また、表層のハニカム多孔構造の孔からは、膜内部の構造が三次元網目状になっていることが確認され、このハニカム多孔構造と三次元網目状構造とは連通して形成されていた。実施例１の図２と比べて表層のハニカム多孔構造の孔径は大きく、内部の三次元網目状構造は細かい傾向が見られた。

本発明のポリアミド多孔質膜の製造方法における固体相−ゲル相−溶液相の三相構造を示す図である。 実施例１における多孔質膜の走査電子顕微鏡写真図である。 図２の部分拡大写真図である。 実施例２における多孔質膜の走査電子顕微鏡写真図である。 図４の部分拡大写真図である。

１１ 容器
１２ ポリアミド溶解液
１３ 水
１４ 水と三相構造との界面
１６ 固体相
１７ ゲル相

Claims (4)

1. 塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解してポリアミド溶解液(12)を調製する工程と、
   上部に開口部を有する容器(11)に前記調製したポリアミド溶解液(12)を注入する工程と、
   前記ポリアミド溶解液(12)を注入した開口部を有する容器(11)を、０〜４０℃の温度、６０〜１００％の相対湿度下で、３〜５日間静置することにより、前記ポリアミド溶解液中に含まれる溶媒を蒸発させ、かつ前記ポリアミド溶解液を吸湿させることにより、前記ポリアミド溶解液表面にゲル状の薄膜を形成する工程と、
   前記容器(11)内部のポリアミド溶解液表面に形成されたゲル状の薄膜の表面の上から水(13)を添加して、添加した水(13)と接するゲル状の薄膜部分に固体相(16)−ゲル相(17)−溶液相の三相構造を出現させる工程と、
   前記容器(11)内部のポリアミド溶解液上部に出現させたゲル相(17)のみを容器外に取出す工程と、
   前記取出したゲル相(17)を基材に塗布する工程と、
   前記ゲル相(17)を塗布した基材を水中に浸漬して塗布した膜部分を凝固させる工程と
   を含むポリアミド多孔質膜の製造方法。
2. 溶解液の調製が、塩化カルシウムのアルコール溶液にポリアミドを溶解した後、２４時間以上１００日以下の期間熟成することにより行われる請求項１記載のポリアミド多孔質膜の製造方法。
3. 溶解液表面の上から添加する水が純水、アルコール系水溶液又は金属塩化物系水溶液である請求項１記載のポリアミド多孔質膜の製造方法。
4. ポリアミドがポリカプロラクタム、ポリヘキサメチレンアジポアミド又はポリヘキサメチレンセバカミドである請求項１記載のポリアミド多孔質膜の製造方法。