JP4883498B2 - マイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療用デバイスや細胞の三次元培養、あるいは多層培養系の基材等として有用な、マイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布とその製造方法に関するものである。

近年、簡便にサブミクロンスケールの直径を持つファイバーを作製できる技術として、エレクトロスピニング法が注目されている。この手法は高分子溶液に高電圧を印加することによって溶液をスプレーし、ファイバーを形成させるものである。ファイバーの太さは印加電圧、溶液濃度、スプレーの飛散距離に依存する。

近年では、このエレクトロスピニング法について、たとえば、各種形状の穴を有する電極を回転させてファイバーの配向をそろえるようにすること（非特許文献１）や、糸巻き状のものをコレクタに、もしくは紡糸開始点とコレクタとの間に配置してナノファイバーを巻き取り配向性の不織布を得ること（非特許文献２，３）、紡糸開始点を２つ設定し、２層構造や混合したファイバーを作製すること（非特許文献４）等が報告されている。

このような進展が見られるエレクトロスピニング法によれば、基板上に連続的にファイバーを作製することによって、立体的な網目をもつ３次元構造の薄膜が得られることや、機能性薄膜を３次元構造にすることで、新しい特性の発見や機能の向上が期待できる。また、この手法では膜を布のように厚くすることが可能で、サブミクロンの網目をもつ不織布を作製することができる。この不織布は様々な新機能を有する布として、宇宙服や防護服などへの応用のほか、人工皮膚や人工臓器などへの応用が研究されている。

しかしながら、高分子からなるナノファイバーはエレクトロスピニング法により比較的容易に作製することができるものの、得られたナノファイバー不織布は材料となった高分子の特性のみを反映するものでそれ以上の機能は望めないのが実情であった。
Nano Lett.,5,913−916(2005) Nano Lett.,4,2215−2218(2004) Nanotechnology,12,384−390(2001) Biomaterials,26,37−46(2005)

本発明は、以上のような背景から、従来技術の問題点を解消し、材料となった高分子の特性のみを反映するものでなく、エレクトロスピニング法により作製されるナノファイバー、あるいはマイクロファイバーの不織布に形状特異性を付与することで、これまでにない機能性を持たせることのできる新しいナノ・マイクロファイバー不織布とその製造方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明者は血管新生、神経再生のための細胞の足場材料として生分解性、生体適合性の高い高分子材料を用いたナノ・マイクロファイバーの作製とそのデザインについて検討を進め、ナノ・マイクロファイバーからなる不織布のさらなる高機能化のため、凹凸構造を付加した不織布とその作製方法を創案した。この凹凸のデザインにより形状特異性が発現されて細胞の接着性や培養性が向上することが考えられ、
医療用デバイスへの応用が加速される。また、より物質透過性に優れた材料の創製が期待できるため、細胞の三次元培養や二層培養系の培養基材としての用途が展開されることになる。

本発明の不織布とその製造方法は以下のとおりの特徴を有している。

第１：ナノファイバー並びにマイクロファイバーの少くともいずれかの高分子ファイバーのエレクトロスピニングでの集積により構成されている不織布であって、その平面の所定位置に凹凸微小パターンを有しており、前記凹凸微小パターンは、その凹部または凸部の最大径もしくは最大長さが３００μｍ以下であって、その深さまたは高さは１００μｍ以下であるマイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布。

第２：高分子ファイバーは、その直径が５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲のナノファイバー並びにその直径が１μｍ〜１０μｍの範囲のマイクロファイバーの少くともいずれかである上記のナノ・マイクロファイバー不織布。

第３：上記いずれかのナノ・マイクロファイバー不織布のエレクトロスピニングによる製造方法であって、対極板のコレクタ部において微小凹凸パターン構造を有する基材を鋳型としてエレクトロスピニングを行い、生成された高分子ナノ・マイクロファイバー不織布より鋳型を脱離させるマイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。

第４：鋳型となる基材は、導電性の高分子、金属、無機物、もしくはそれらの１種以上の複合体からなり、コレクタとして用いる上記のナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。

第５：鋳型としての基材は、高分子、金属、無機物、もしくはそれらの１種以上の複合体からなり、コレクタと紡糸開始点の間に設置する上記のナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。

上記のとおりの本発明のマイクロパターン構造をもつナノ・マイクロファイバー不織布によれば、その微小パターン構造による形状特異性によって機能高度化が図られ、細胞親和性や物質構造性等を向上させ、生体機能性の調整も可能となる。また、その作製も容易である。

そして、本発明の製造方法によれば、エレクトロスピニング装置の一部分であるコレクタ部にたとえば規則的な凹凸を持った鋳型を用いることで不織布に凹凸の形状のパターンを付与することができる。不織布の形成の際に各ファイバーの形状が変化せず、作製後に型を押し込む方法などとも比較すると簡便で形状の変化もきわめて起こりにくい。また鋳型となる基材のプロファイルを多様化することで、作製される凹凸構造の形状を容易にコントロールすることができ、その正確性や再現性も高く、汎用性と生産性に優れている。

本発明においては、基本的には従来より知られているエレクトロスピニングの方法が採用される。

このエレクトロスピニング法では高分子溶液に高電圧を印加することによって溶液をスプレーし、ファイバーを形成させる。エレクトロスピニングのための装置は、従来の知見から各種の構成とすることができる。基本的には、高分子溶液を供給するシリンジポンプ等の手段と、供給された高分子溶液をスプレーする単一もしくは複数のニードル部（紡糸開始点）と、生成されたファイバーを捕集するコレクタ部、そして、ニードル部とコレクタ部との間に高電圧を印加する高電圧発生装置とを備えたものとする。

このエレクトロスピニングの場合のファイバーの太さは印加電圧、溶液濃度、スプレーの飛散距離に依存する。基板上に連続的にファイバーを作製することによって、立体的な網目をもつ３次元構造の薄膜が得られる。この膜を布のように厚くすることが可能で、サブミクロンの網目をもつ不織布を作製することができる。

本発明の製造方法では、直径がナノスケール（＜１０００ｎｍ）のナノファイバーやマイクロスケール（＜１００μｍ）のマイクロファイバー、あるいはその両者混合の高分子ナノ・マイクロファイバーが集積された不織布とする。この場合の高分子は各種であってよく、たとえば生体適合性、生分解性等の特徴のあるポリマーを用いることができる。ポリグリコール酸もその代表例の一つである。

エレクトロスピニングにおける対極板のコレクタ部には、本発明において前記のとおりの微小凹凸パターンを１個ないし複数個、規則的に、あるいはランダムに所定の平面位置に有する基材が鋳型として用いられる。

鋳型となる基材は、各種の材料、たとえば高分子、金属、無機物、あるいはそれらの複合体によって構成されてよい。このような基材は、導電性のものとしてコレクタ部に用いられてもよいし、コレクタ部と紡糸開始点の間に設置されてもよい。

エレクトロスピニングの後には、この鋳型は不織布より脱離（脱型）されることになる。鋳型における凹凸微小パターンが不織布の形状特異性として反映されることになる。

鋳型となる基材のプロファイルを多様化することで、作製される凹凸構造の形状を容易にコントロールすることができる。その正確性や再現性も高く、汎用性と生産性に優れており、今後の再生医工学に用いる材料づくりの基本技術として期待できる。

また、元来の生分解性、生体親和性に加え、物質透過性と三次元培養や二層培養を可能にするため、作製された不織布は再生医工学の分野において普及していくものと期待できる。また、用途に応じて様々なパターンの材料が必要となるため、その経済的効果は高い。

これらの応用への観点からは、本発明における高分子ファイバーは、たとえば、ナノファイバーは、その直径が５０〜５００ｎｍ、マイクロファイバーは、その直径が１〜１０μｍの範囲に、凹凸微小パターンについては、たとえばパターンの最大径もしくは最大長さが５０μｍ〜３００μｍ以下、その深さまたは高さは１０μｍ〜１００μｍ以下とすることが好適に考慮される。ファイバーの直径や、ナノファイバーとマイクロファイバーとの混合比率、集積密度、空隙率、凹凸部の微小容積等の制御が可能とされて、不織布の特性、応用面への多様な展開が可能とされる。

そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

実施例としてポリグリコール酸からなるナノファイバー不織布の作製を行なった。

図１は、実施例に用いたエレクトロスピニング装置の構成概要図である。

まず、ポリグリコール酸溶液の濃度を６７ｍｇ／ｍＬに調製し、送液速度１０ｍＬ／ｈ、印加電圧２８ｋＶ、紡糸開始点とコレクタ間の距離を２５ｃｍと設定し、エレクトロスピニングの条件とした。コレクタにはアルミホイルを用い、その上に直径約２００μｍ、高さが約４０μｍの突起が約２５０μｍの間隔で規則正しく並んでいるアクリル樹脂製の鋳型を設置した。この鋳型は金属（オス型）のパターンの上にアクリル樹脂を加熱して流しこみ、加圧して作製するキャスティングにより成形されたものであって、通電性が向上するようにスパッタリン装置を用い白金コートを事前に行なっている。このような条件でエレクトロスピニングによるナノファイバーの作製を行い、作製された不織布を鋳型とともに一晩、真空乾燥した。

乾燥後、鋳型から剥し、走査型電子顕微鏡で微細な構造、レーザー顕微鏡により作製された凹凸の解析を行なった。その結果、均等にナノファイバー不織布に直径約２００μｍのくぼみが約２５０μｍの間隔をもって形成されていることを確認した（図２）。また解析の結果、その凹凸部分が直径２００μｍ、くぼみの深さが３６μｍであって（図３）、用いた鋳型の形状（直径１８３．５μｍ、高さ３８．４μｍ）（図４）とほぼ一致していることを確認した。さらに異なる形状の鋳型を用いて同様の操作を行なったところ、鋳型の形状とほぼ一致していることを確認した。

実施例でのエレクトロスピニング装置の構成を例示した概要図である。 凹凸を有するナノファイバー不織布の走査型電子顕微鏡写真図である。 凹凸を有するナノファイバー不織布のレーザー顕微鏡による解析図であって、上面図と断面図である。 用いた鋳型のレーザー顕微鏡による凹凸解析上面図と側面図である。

Claims (5)

1. ナノファイバー並びにマイクロファイバーの少くともいずれかの高分子ファイバーのエレクトロスピニングでの集積により構成されている不織布であって、その平面の所定位置に凹凸微小パターンを有しており、前記凹凸微小パターンは、その凹部または凸部の最大径もしくは最大長さが３００μｍ以下であって、その深さまたは高さは１００μｍ以下であることを特徴とするマイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布。
2. 高分子ファイバーは、その直径が５０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲のナノファイバー並びにその直径が１μｍ〜１０μｍの範囲のマイクロファイバーの少くともいずれかであることを特徴とする請求項１のナノ・マイクロファイバー不織布。
3. 請求項１又は２のナノ・マイクロファイバー不織布のエレクトロスピニングによる製造方法であって、対極板のコレクタ部において微小凹凸パターン構造を有する基材を鋳型としてエレクトロスピニングを行い、生成された高分子ナノ・マイクロファイバー不織布より鋳型を脱離させることを特徴とするマイクロパターン構造を持つナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。
4. 鋳型となる基材は、導電性の高分子、金属、無機物、もしくはそれらの１種以上の複合体からなり、コレクタとして用いることを特徴とする請求項３のナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。
5. 鋳型としての基材は、高分子、金属、無機物、もしくはそれらの１種以上の複合体からなり、コレクタと紡糸開始点の間に設置することを特徴とする請求項３のナノ・マイクロファイバー不織布の製造方法。