JP5126841B2 - 非結晶性フィブロインフィルムの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、非結晶性フィブロインフィルムの製造方法に関するものである。更に詳しくは、絹糸腺中での存在形態であるフィブロインの超分子構造を破壊することなく非結晶性フィブロインフィルムを製造する方法に関するものである。

蚕が作る絹糸はフィブロインとセリシンの２種のタンパク質から構成される。絹糸中のセリシンを高温水洗浄等により除去して得られる絹フィブロインは、塩化カルシウムの高濃度水溶液等に溶解することが知られており（例えば、特許文献１参照。）、このようにして得られた絹フィブロイン溶液から、再生絹フィブロインフィルムが製造されている。

また、絹フィブロインフィルムは、結晶化させることにより強度を増すため、例えば、コンタクトレンズ、人工皮膚、かつら、発汗用衣料等への利用も検討されている（例えば、特許文献２〜４参照。）。

絹フィブロインフィルムを結晶化させる方法としては、例えば、(I)エタノール処理する方法（例えば、非特許文献１参照。）、(II)熱処理する方法（例えば、非特許文献２参照。）が知られている。

しかしながら、上記(I)の方法では、結晶化が急激に進行するため、フィルムの結晶化度の調節は不可能であった。また、局所的な結晶化によってフィルムに歪が生じ、均質な力学特性をもつフィルムの大量供給が困難であった。

上記(II)の方法は、フィルムをガラス転移点（約１７５℃）まで加熱する必要があるため、絹フィブロインの分解及びフィルムの劣化が同時に進行するという欠点を有していた。

ところで、結晶化させた絹フィブロインフィルムは、柔軟性を失って、硬く脆いという欠点を有している。かかる欠点を解消する方法として、(i)エタノールや水をフィルムに添加して、柔軟性を得る方法、(ii)絹フィブロイン溶液にグリセリンを添加した後に、製膜、結晶化して、柔軟性を得る方法（例えば、非特許文献３参照。）が知られている。
特開平７−１７３１９２号公報 特開昭６３−２４６１６９号公報 特開平１−１１８５４５号公報 特開平１１−７０１６０号公報 馬越淳、「絹フィブロインの転移機構」、高分子論文集、Vol.31、765-770、1974 J. Magoshi and Y. Magoshi, "Physical properties and structure of silk", J.Polym.Sci., Vol.15, 1675-1682, 1977 平出真一郎、「絹フィブロインフィルムの柔軟化」、日本蚕糸学雑誌、Vol.66、138-140, 1997 陸旋ら、「積層絹シートの柔軟性」、日本蚕糸学雑誌、Vol.65、81-85, 1996

しかしながら、上記(i)の方法で得られるフィルムは、添加したエタノールや水が容易に揮発し、かえって柔軟性を失って脆性なものとなってしまい、長期間柔軟性を確保することが困難となっていた。

上記(ii)の方法で得られるフィルムは、グリセリンが絹フィブロインの結晶化を阻害するため（例えば、非特許文献４参照。）、絹フィブロインフィルムを２０％以上結晶化させることが困難であり、十分な強度が得られない。

また、絹フィブロイン溶液に添加したグリセリンは、相分離して液滴状となり、光を散乱させるため、このような溶液から製造したフィルムは白濁し透明感を失ってしまう。

更に、グリセリンの添加量を１０％以上に増やすとシート状のＳｉｌｋII型結晶（β型
結晶）に加え、ＳｉｌｋＩ型結晶（α型結晶）が生成するため（例えば、非特許文献４参照。）、この溶液から製造された絹フィブロインフィルムの力学特性は低下すると考えられる。

本発明の目的は、主として、柔軟性と十分な強度を併せ持つ、新規な非結晶性フィブロインフィルムを製造するための方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、蚕の体内から摘出した絹糸腺のうち、絹糸腺から切り出した中部絹糸腺を１０℃以下の温度に維持された純水に浸漬し、純水に浸漬した状態で中部絹糸腺から絹糸腺細胞を取り除くことで腺内の液状絹を得る工程と、液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に浸して、この浸した状態を保持し、液状絹を浸した純水を捨て、再び１０℃以下の温度に維持された純水を供給する、純水の交換を一定の間隔で行うことにより、液状絹からセリシンの水溶性成分の溶出分離をするとともに、液状絹からセリシンの難水溶性成分を分離させ、分離して沈澱した沈澱物を取り除く工程と、セリシンを分離した液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に溶解させて透明なフィブロイン水溶液を調製する工程と、フィブロイン水溶液をその底部が平滑なフィルム形成容器に入れて水溶液を容器底部に展開し、水溶液を展開した形成容器を０〜１０℃の乾燥雰囲気に保持し、展開した水溶液中の水分を蒸発除去して乾燥固化させて容器底部にフィルムを形成する工程とを含むことを特徴とする非結晶性フィブロインフィルムの製造方法である。

本発明によって製造された非結晶性フィブロインフィルムは、主として、柔軟性と十分な強度を併せ持ち、極めて優れた力学特性を示すという利点がある。

次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、製糸後の絹糸を中性塩等で溶解したものをフィルム原料とするのではなく、蚕の体内から摘出した絹糸腺から直接、分離される液状絹フィブロインをフィルム原料とし、製膜時にフィブロインの超分子構造を保存しながら結晶性のＨ鎖の結晶化を抑え、非晶質とすることで、従来の方法により得られる中性塩を使用して製造されるフィルムに比べて飛躍的に力学特性を高めることができ、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の製造方法により得られた非結晶性フィブロインフィルムは、蚕の絹糸腺に含まれる液状絹から分離されたフィブロインを主成分原料とし、フィルムが結晶部分と非晶部分とから構成され、フィルム中の結晶化度が１０％未満であり、フィルム中に含まれる結晶部分の結晶構造が液状絹中での存在形態であるＳｉｌｋＩ型構造からなることを特徴とする。このような特徴を有する非結晶性フィブロインフィルムは、主として、柔軟性と十分な強度を併せ持ち、極めて優れた力学特性を示すという利点がある。

ここで、超分子構造は、超分子を構成する各ユニット（共有結合からなる分子）が共有結合のような強い結合ではなく、弱い分子間相互作用（例えば疎水性相互作用、水素結合、配位結合、静電相互作用など）によって形成する構造であり、超分子全体として機能を発現する。例えば、ＤＮＡの二重らせん構造、酵素などが挙げられる。絹フィブロインの場合は、フィブロインＨ鎖とＰ２５の間に分子間相互作用が生じて超分子構造が形成される。

また、結晶化度は、次の方法により求められる。作製したフィブロインフィルムを数枚積層して積層体を形成し、この積層体のフィルム面にＸ線（線源：ＣｕＫα線）を入射させ、回折強度分布曲線を２θ＝５〜３０°の範囲で測定する。そしてピーク分離法により、強度曲線を２θ＝１５〜３０°の範囲で結晶部分と非晶部分のピークとに分離した後、その面積比から結晶化度を求めるものである。

また、本発明の非結晶性フィブロインフィルムの製造方法は、蚕の体内から摘出した絹糸腺のうち、絹糸腺から切り出した中部絹糸腺を１０℃以下の温度に維持された純水に浸漬し、純水に浸漬した状態で中部絹糸腺から絹糸腺細胞を取り除くことで腺内の液状絹を得る工程と、液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に浸して、この浸した状態を保持し、液状絹を浸した純水を捨て、再び１０℃以下の温度に維持された純水を供給する、純水の交換を一定の間隔で行うことにより、液状絹からセリシンの水溶性成分の溶出分離をするとともに、液状絹からセリシンの難水溶性成分を分離させ、分離して沈澱した沈澱物を取り除く工程と、セリシンを分離した液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に溶解させて透明なフィブロイン水溶液を調製する工程と、フィブロイン水溶液をその底部が平滑なフィルム形成容器に入れて水溶液を容器底部に展開し、水溶液を展開した形成容器を０〜１０℃の乾燥雰囲気に保持し、展開した水溶液中の水分を蒸発除去して乾燥固化させて容器底部にフィルムを形成する工程とを含むことを特徴とする。

腺内の液状絹を得る際、液状絹からセリシンの水溶性成分の溶出分離する際、セリシンを分離した液状絹からフィブロイン水溶液を調製する際にそれぞれ使用する純水の温度は、１０℃以下の温度、好ましくは０〜５℃に維持された純水を用いる。純水の温度を規定したのは、１０℃を越える温度の水を使用すると、液状絹中に存在するフィブロインの結晶化が起こってしまう不具合を生じるためである。

また、乾燥固化させる際の、乾燥雰囲気を０〜１０℃としたのは、上記範囲であれば、力学性能の優れたフィルムを得ることができるためである。上記範囲内のうち、乾燥雰囲気の温度が低いとそのぶん乾燥処理時間がかかるため、乾燥雰囲気を減圧することで、乾燥処理時間の短縮を図ってもよい。上限値である１０℃を越えると、乾燥固化中に結晶化が生じるため、結晶化度の高いフィルムとなって、力学性能に劣るフィルムが得られてしまう不具合を生じる。下限値である０℃未満では、乾燥固化が進まず、生産能率に劣る。

上記工程を経ることにより、柔軟性と十分な強度を併せ持つ、新規な非結晶性フィブロインフィルムを得ることができる。

なお、調製したフィブロイン水溶液を用いてフィブロインフィルムを形成する前に、フィブロイン水溶液を一定時間保存する場合には、凍結とフィブロインの結晶化を防ぐため、０〜４℃程度の低温に維持し、保存中に、液に振動、振盪、攪拌を加えず、長時間の保存は、フィブロインの析出を生じるため、１２〜２４時間程度とすることが好ましい。

次に本発明の実施例を詳しく説明する。

＜実施例１＞
先ず、熟蚕５齢の蚕を用意し、この蚕の後頭部にピンセットで裂け目を入れ、蚕の体内から絹糸腺の一部を自然に露出させた。露出させた絹糸腺にできるだけ力を加えないようにして、絹糸腺のうち、中部絹糸腺の部位をハサミで分離し摘出した。絹糸腺を摘出する際に力を加えないように行ったのは、絹糸腺に力を加えてしまうとフィブロインの結晶化が起こってしまうためである。続いて、摘出した中部絹糸腺を、超純水中に数分間浸漬した後、超純水に浸漬した状態で注意深く中部絹糸腺から絹糸腺細胞を取り除くことで、腺内のゲル状の液状絹を得た。中部絹糸腺を超純水中に浸漬した状態を保持したのは、絹糸腺細胞をふやけさせ、液状絹から除去し易くするためである。なお、ここまでの作業は、４℃程度に維持された超純水を使用したが、水の状態を維持しているのであれば、１０℃以下であればよいことを確認している。水温が１０℃を越えると、フィブロインの結晶化が起こってしまう不具合を生じる。

次いで、液状絹からセリシンを分離した。具体的には、ゲル状の液状絹を４℃以下の温度に維持された超純水に浴比１：１００程度の割合で浸し、この浸した状態を保持し、セリシンの水溶性成分がフィブロインに比べて水溶性が高いことを利用して、セリシンの水溶性成分を溶出させつつ、超純水の交換を一定の間隔で行うことにより、液状絹からセリシンの水溶性成分を溶出分離した。

具体的には、液状絹を一定の時間超純水に浸し、この浸した超純水を捨て、再び同程度の温度に維持された超純水を同程度の浴比で供給することを繰り返した。また、溶出分離中に、液状絹に振動や振盪、攪拌を加えると、液状絹が結晶化を起こしてしまうため、１秒間に１回程度の緩やかなシーソー運動による緩やかな流動を処理中の液に加える程度で、溶出を行った。なお、この例では溶出分離処理を４時間ほど行ったが、少なくとも３０分間以上、好ましくは３〜４時間程度であれば液状絹から殆ど全てのセリシンを溶出分離することができることを確認している。また、溶出分離では、４℃以下に維持された超純水を使用したが、水の状態を維持しているのであれば、１０℃以下であればよいことを確認している。水温が１０℃を越えると、フィブロインの結晶化が起こってしまう不具合を生じる。また、液状絹にはフィブロインを層状に取り巻くセリシンのうち難水溶性成分が第４層（最もフィブロインに近い側の層）を形成するが、このセリシンの難水溶性成分は、上記溶出分離処理の際にフィブロインから徐々に分離し、液中に沈澱するため、沈澱物を適時、ピンセット等により取り除いた。

次に、セリシンを分離した液状絹を４℃以下の温度に維持された超純水に溶解させて１〜２質量％の透明なフィブロイン水溶液を調製した。

更に、フィブロイン水溶液をスチレンシャーレに入れて水溶液をシャーレに展開し、この水溶液を展開したシャーレを、内部が４℃に保たれ、底部にシリカゲルが敷かれて乾燥雰囲気に保たれたデシケータ中に４日間保持し、展開した水溶液中の水分を蒸発除去して乾燥固化させることで、透明なフィブロインフィルムを得た。得られたフィブロインフィルムの厚さは１０μｍ程度であった。

＜評価試験１＞
得られたフィブロインフィルムを数枚用意し、これらフィルムを積層して積層体とし、積層体のフィルム面にＸ線（線源：ＣｕＫα線）を入射させ、回折強度分布曲線を２θ＝５〜３０°の範囲で測定した。ピーク分離法により、強度曲線を２θ＝１５〜３０°の範囲で結晶部分と非晶部分のピークに分離した後、その面積比から結晶化度を測定した。図１に強度曲線を示す。

図１から明らかなように、２θ＝１９．８°にＳｉｌｋＩ型結晶構造の特徴を示す小さなピークが認められた。これは形成したフィルムに液状絹にのみ存在する超分子構造が破壊されずに維持されていることを裏付ける結果ではないかと推察される。

２θ＝１５〜３０°の範囲でピーク分離法により結晶化度を評価したところ、その結晶化度は８．７％であった。

＜評価試験２＞
得られたフィブロインフィルムから、幅５ｍｍのテープを切り出し、ゲージ長２５ｍｍ、引っ張り速度４０ｍｍ／分の条件下で、室温において強伸度試験を行った。その結果、破断応力４１．９ＭＰａ、破断伸度７．４％と、高い柔軟性と十分な強度を併せ持ったフィルムとなっていることが確認された。

同様な測定方法によって市販のオブラートフィルムやポリヒドロキシブタン（ＰＨＢ）フィルム、市販の生分解性フィルムとその力学特性を比較した。図２にその結果を示す。なお、図２中の長方形で表され、内部に（Ａ）と表示している領域は、ＮＯＶＯＮの力学特性を示す。

図２から明らかなように、このフィブロインフィルムの力学特性は極めて優れていることが判った。

なお、本実施例において調製したフィブロイン水溶液の濃度は１〜２質量％であるが、フィブロイン水溶液の濃度が０．５〜５質量％の範囲であれば、本発明の効果を奏するフィブロインフィルムを得ることができることを確認している。

本発明の製造方法により得られた非結晶性フィブロインフィルムは、医療用として創傷被覆材、衣料用として特殊繊維の用途に適用できる。

評価試験１の回折強度分布曲線を示す図。 評価試験２の力学特性結果を示す図。

Claims (1)

1. 蚕の体内から摘出した絹糸腺のうち、前記絹糸腺から切り出した中部絹糸腺を１０℃以下の温度に維持された純水に浸漬し、前記純水に浸漬した状態で中部絹糸腺から絹糸腺細胞を取り除くことで腺内の液状絹を得る工程と、
   前記液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に浸して、この浸した状態を保持し、前記液状絹を浸した純水を捨て、再び１０℃以下の温度に維持された純水を供給する、純水の交換を一定の間隔で行うことにより、前記液状絹からセリシンの水溶性成分の溶出分離をするとともに、前記液状絹からセリシンの難水溶性成分を分離させ、前記分離して沈澱した沈澱物を取り除く工程と、
   前記セリシンを分離した液状絹を１０℃以下の温度に維持された純水に溶解させて透明なフィブロイン水溶液を調製する工程と、
   前記フィブロイン水溶液をその底部が平滑なフィルム形成容器に入れて前記水溶液を前記容器底部に展開し、前記水溶液を展開した形成容器を０〜１０℃の乾燥雰囲気に保持し、前記展開した水溶液中の水分を蒸発除去して乾燥固化させて前記容器底部にフィルムを形成する工程と
   を含むことを特徴とする非結晶性フィブロインフィルムの製造方法。