JP5077935B2 - 高連通性多孔体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィルターの基材や細胞や組織を保持する為の気孔率に比して高い連通性を持つ多孔体の製造方法に関する。

水溶性の気孔源を樹脂に混連し、水に浸漬することで多孔体を得る方法は気孔源に食塩などの水溶性無機化合物粒子やオリゴ糖、砂糖などの水溶性有機高分子を用いる方法が知られているが、これらは、気孔源が球状に近い形状であるため、たとえば、特開平6-184349で見られるように、気孔源の体積比は50%以上を必要としていた。その結果、気孔率の増加とともに得られる多孔体の強度が大幅に低下していた。一方、特開平5-96640では気孔源として球状あるいは繊維状に成形したアルコール可溶性樹脂をモールドに入れ、樹脂の末端をモールドと接触させ固定した後、多孔体を形成する樹脂を射出成形した後重合させるなどによる多孔体の作成法が述べられているが、この方法では、モールド内に射出する樹脂の粘性が低くなければ繊維状気孔源を破壊し、連通気孔を壊してしまうことから、あらゆる材料への応用は難しい。
また、セラミックススラリーあるいはセラミックス粉体に有機高分子からなるビーズや繊維を混ぜ、これを焼成することでセラミックス多孔体を得るという方法が広く知られているが、この方法では焼成時に有機高分子が膨張し、また燃焼時に発生するガスのためにセラミックスからなる気孔壁へひずみや亀裂が入る。それによって多孔体の強度が大幅に低下する。これを解決するために、特許第3400740号、特許第3470759号、特許第3718708号、特許第3873085号、特許第3897220号のように、スラリーを起泡し、泡を固定化した後に焼結する方法や、特許第3940770号のように、氷晶の成長を利用して、氷晶を除去後焼結する方法が知られている。しかし前者では、気孔連通部は気孔本体と比較して小さくなるため、連通孔としての有効断面積は気孔径に比して小さくなる。また、後者では一軸に連通した多孔体を作成することは可能であるが、気孔径や気孔率の制御が比較的難しい。
特開平6-184349 特開平5-96640

本発明は、このような実情に鑑み、気孔率が低いものでも確実に連通性を有し、かつ、その気孔形状が所期したもの通りに得られる多孔体の製造方法を提供することを目的とする。

発明１の高連通性多孔体の製造方法は、気孔率が２８％以上であり、上面と下面を連通する気孔を有する多孔体の製造方法であって、熱可塑性樹脂と水溶性高分子繊維を熱混練してから、加熱圧縮により成形して、非水溶性材料中に水溶性高分子繊維が混合されてなる複合体を生成する工程と、前記複合体を水あるいは水を含んだ溶媒(リン酸緩衝生理食塩水、生理食塩水、海水又は体液の群から選択されるいずれかのイオンを含んだ水溶液を含む)に浸漬して、前記水溶性高分子繊維のみを溶出させて多孔質化する工程と、を有することを特徴とする。

発明２は、発明１の高連通性多孔体の製造方法において、前記非水溶性材料が生体適合性材料よりなるマトリクスであることを特徴とする。

発明３は、発明１の高連通性多孔体の製造方法において、前記非水溶性材料がセラミックスを含むマトリクスであることを特徴とする。

発明４は、発明３の高連通性多孔体の製造方法において、前記セラミックスを含むマトリクスからなる非水溶性材料から前記水溶性高分子繊維のみを溶出させてから、前記非水溶性材料を焼結することによりセラミックス多孔体としたことを特徴とする。

発明５は、発明４に記載の高連通性多孔体の製造方法において、前記セラミックスが生体適合性セラミックスであることを特徴とする。

本発明により、水溶性高分子からなる繊維は水溶液あるいはそれに類した極性溶媒中で溶出し、非水溶性材料からなる多孔体となる。繊維状の気孔源を使用し、それを均一に非水溶性材料に均一に混ぜることで、低い気孔率の範囲から、高い連通性を持った材料を得ることができる。
このとき、非水溶性材料を接着剤あるいはエポキシ樹脂などとし、その中に水溶性繊維を分散することで極性溶媒のフィルターなど気孔を必要とする材料の欠損部などの補修用材料とすることができる。すなわち、補修すべき箇所に水溶性繊維を分散させた接着剤あるいはエポキシ樹脂などを充填し、接着剤あるいは樹脂硬化後に補修箇所に水などを通すことで水溶性繊維を溶出させ、補修箇所に気孔が形成されるため、補修後の多孔性を維持したままの補修が可能になる。
また、前記非水溶性材料を生体適合性材料とすることで、生体用多孔体を得ることができる。このとき、水溶性繊維を生体適合性材料とすれば、生体内で水溶性繊維が速やかに溶出して、生体内で気孔が速やかに形成されるような材料を得ることができる。この特性を用いれば、パテ状の生体適合性非水溶性材料と組み合わせることで、生体の欠損部への適合時には緻密体であり、そのときに与えられる外力によって孔が壊れるような恐れは無く、かつ埋入後には水溶性繊維が速やかに溶出することで細胞や組織が侵入可能な多孔体となる生体材料を得ることができる。
さらに、使用する非水溶性材料に適度なセラミックスを加えることで、水溶性繊維溶出後にセラミックスを焼結することにより、従来の方法では制御が難しかった、連通性、気孔径、気孔間径（連通径）、気孔率の制御が簡便に行えるようになり、必要な多孔体を簡便に製造する事が可能になる。

本発明の水溶性高分子繊維としては、生体適合性の有無に関係なく、あらゆる水溶性高分子繊維を使用することが出来る。しかし、得られた多孔体を生体用に用いる場合は溶出が不十分な場合を考慮した場合は、例えば、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルキチン、カルボキシメチルキトサン、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなど、あるいはそれらの混合物をはじめとする生体適合性の高い水溶性高分子を使用することが好ましい。

非水溶性生体適合性材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を含むあらゆる樹脂で、重合前あるいは重合後に加熱、非極性溶媒（アセトン、ジクロロメタンなど）への溶解等の手段により前記生体適合性水溶性高分子と混練する事が可能な材料を含む。たとえば、ポリ乳酸、その共重合体及びそれを含む生体適合性生分解性ポリエステル、ポリメチルメタクリレートなどである。また、それ以外にも生体適合性セラミックスの粒子が前記樹脂あるいは非極性溶液に分散したものを含む。たとえば、エタノールやアセトンでパテ状にしたアパタイト／コラーゲン複合体、ポリ乳酸／リン酸カルシウム複合体、ポリエチレン／アパタイト複合体、ポリ乳酸／粘土複合体等である。

これらから水溶性高分子線維を溶出させた多孔体はそのまま用いても良いし、気孔形成後にセラミックスや金属を焼結することで、壁を焼結させた多孔体として用いることもできる。この場合、従来の方法(繊維を含んだ成形体を直接焼成することで、気孔源を焼きとばす方法)と比較して、気孔源が焼きとばされる前後の気孔部分の膨張(気孔源とセラミックスなどの熱膨張率の違いによる)による、多孔体形成部分(壁部分)へのひずみの蓄積やクラックの生成を起こさないため、より理論強度に近い材料を得ることができる。
水あるいは水を含んだ溶媒(各種イオンを含んだ水溶液を含む)とは、水道水、純水、精製水、蒸留水、リン酸緩衝生理食塩水、生理食塩水、海水等のイオンを含んだ水溶液、体液などを含む。

熱可塑性樹脂であり生体許容性のあるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）と、水溶性高分子であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）からなる繊維（繊維径１００〜１５０μｍ）を表１の通りの体積比でラボプラストミル（東洋精機製）にて１８０℃で３０分混練した後、１６５℃、３０ＭＰａの加熱圧縮によって厚さ３ｍｍ、５ｃｍ角の板状に成形した。これらを５×１０ｍｍに切り出し、純水中に７２時間浸漬した後、１０２℃で一晩乾燥して５種類のサンプルを作成した。これの圧縮面および横断面（図１から２６）に食品用着色料を滴下し、気孔への侵入状態を色によって連通性を確認した（カメラにより撮影）。

サンプル1については、食品用着色料溶液が60分経っても上面から下面まで気孔を通じて浸透していないが、途中までは浸透していることから、不完全連通と判断した。サンプル２については、60分静置後にどちらの面から色素液を滴下した場合でも上面から下面まで色素液が浸透しているため、連通していると判断した。以下、静置時間は異なるものの、同一基準で判定した。これらを見ると、水溶性繊維添加量が多い方が連通性が高い（浸透時間が早い）と結論づけられ、また、最低添加量（気孔率）は18体積％（28体積％）28体積％で十分に連通する事が結論づけられる。

純水中に静置後、水溶性繊維が肉眼的に内部に至るまで溶出していることを確認し、試料の重量mを測定した。また、試料の外形から見かけの体積Vaを求め、見かけの密度Daを計算した。この密度と使用したPMMA緻密体の実測密度1.16から、下記の計算にて気孔率Pを求めた。（計算式は以下に示す）
Da = m/Va (g/cm³)
P = (1.16-Da)/1.16 × 100 (%)

粘弾性を持つポリマーであるポリ乳酸-グリコール酸-εカプロラクトン共重合体（以下PLGC）と水溶性高分子であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）からなる繊維（繊維径１００〜１５０μｍ）を表２の通りの体積比でラボプラストミル（東洋精機製）にて１２０℃で３０分混練した後、１２０℃、３０ＭＰａの加熱圧縮によって厚さ１０ｍｍ、直径１２ｍｍの円筒に成形した。これらを、純水中に７２時間浸漬した後、−５℃で一晩乾燥して３種類のサンプルを作成した。これの圧縮面に食品用着色料を滴下し、気孔への侵入状態を色によって連通性を確認した（カメラにより撮影）。

サンプル６については、食品用着色料溶液が20分経っても上面から下面まで気孔を通じて浸透していないが、途中までは浸透していることから、不完全連通と判断した。サンプル７については、20分静置後に上面から下面まで色素液が浸透しているため、連通していると判断した。サンプル8についても、静置時間は異なるものの、同一基準で判定した。これらを見ると、水溶性繊維添加量が多い方が連通性が高い（浸透時間が早い）と結論づけられ、また、添加量（気孔率）は少なくとも25体積％（38.6体積％）で十分に連通する事が結論づけられる。

純水中に静置後、水溶性繊維が肉眼的に内部に至るまで溶出していることを確認し、試料の重量mを測定した。また、試料の外形から見かけの体積Vaを求め、見かけの密度Daを計算した。この密度と使用したPLGC緻密体の密度1.2から、下記の計算にて気孔率Pを求めた。（計算式は以下に示す）
Da = m/Va (g/cm³)
P = (1.2-Da)/1.2 × 100 (%)

PLGCは元々粘弾性があるが、多孔体とすることで、指で押さえれば半分程度の体積になるほどに変形（図36）するが、開放すると直ちに元の大きさに復元した（図37参照）

特許第3379088号に記載の水酸アパタイトとコラーゲンの自己組織化線維からなる骨類似のナノ構造を持ったHAp/Col複合体の短繊維を合成し、凍結乾燥した。その後、このHAp/Col複合体とCMC繊維（体積比が複合体：線維で6:4）をエタノール中で混連の後、圧縮脱エタノール成形した。得られた成型物を0.5%グルタールアルデヒド溶液中で脱CMC繊維とコラーゲンへの架橋を同時に行った。得られた多孔体の写真は図38に示す

高い連通性を必要とするすべての材料に応用が可能である。たとえば、フィルター基材、医療用細胞/組織足場材料、触媒、吸着材、吸音材、断熱材等である。

サンプル１の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル１の横断面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル１の横断面からの食品用色素溶液浸透時間６０分での状態を示す写真 サンプル１の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル１の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル１の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間６０分での状態を示す写真 サンプル２の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル２の横断面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル２の横断面からの食品用色素溶液浸透時間６０分での状態を示す写真 サンプル２の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル２の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル２の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間６０分での状態を示す写真 サンプル３の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル３の横断面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル３の横断面からの食品用色素溶液浸透時間３０分での状態を示す写真 サンプル３の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル３の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間１分での状態を示す写真 サンプル３の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間３０分での状態を示す写真 サンプル４の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル４の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０．５分での状態を示す写真 サンプル４の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル４の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０．５分での状態を示す写真 サンプル５の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル５の横断面からの食品用色素溶液浸透時間０．５分での状態を示す写真 サンプル５の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル５の圧縮面からの食品用色素溶液浸透時間０．５分での状態を示す写真 サンプル6の食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル6の食品用色素溶液浸透時間1分での状態を示す写真 サンプル6の食品用色素溶液浸透時間2０分での状態を示す写真 サンプル7の食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル7の食品用色素溶液浸透時間1分での状態を示す写真 サンプル7の食品用色素溶液浸透時間2０分での状態を示す写真 サンプル8の食品用色素溶液浸透時間０分での状態を示す写真 サンプル8の食品用色素溶液浸透時間1分での状態を示す写真 サンプル8の食品用色素溶液浸透時間3分での状態を示す写真 実施例2の足場材を指にて押し潰した写真 図36の状態から指を離し、自力で復元した状態を示す写真 実施例3の足場材を示す写真

Claims (5)

1. 気孔率が２８％以上であり、上面と下面を連通する気孔を有する多孔体の製造方法であって、
   熱可塑性樹脂と水溶性高分子繊維を熱混練してから、加熱圧縮により成形して、非水溶性材料中に水溶性高分子繊維が混合されてなる複合体を生成する工程と、
   前記複合体を水あるいは水を含んだ溶媒(リン酸緩衝生理食塩水、生理食塩水、海水又は体液の群から選択されるいずれかのイオンを含んだ水溶液を含む)に浸漬して、前記水溶性高分子繊維のみを溶出させて多孔質化する工程と、を有することを特徴とする高連通性多孔体の製造方法。
2. 請求項１に記載の高連通性多孔体の製造方法において、前記非水溶性材料が生体適合性材料よりなるマトリクスであることを特徴とする高連通性生体用多孔体の製造方法。
3. 請求項１に記載の高連通性多孔体の製造方法において、前記非水溶性材料がセラミックスを含むマトリクスであることを特徴とする高連通性多孔体の製造方法。
4. 請求項３に記載の高連通性多孔体の製造方法において、前記セラミックスを含むマトリクスからなる非水溶性材料から前記水溶性高分子繊維のみを溶出させてから、前記非水溶性材料を焼結することによりセラミックス多孔体としたことを特徴とする高連通性多孔体の製造方法。
5. 請求項４に記載の高連通性多孔体の製造方法において、前記セラミックスが生体適合性セラミックスであることを特徴とする高連通性生体用多孔体の製造方法。