JP6108657B2

JP6108657B2 - 構造体及びその製造方法

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Publication number: JP6108657B2
Application number: JP2011287094A
Authority: JP
Inventors: 理恵渡邊; 卓哉岩佐; 川部　雅章; 雅章川部
Original assignee: Japan Vilene Co Ltd
Current assignee: Japan Vilene Co Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013137198A

Description

本発明は構造体及びその製造方法に関する。本発明の構造体は、例えば、細胞培養担体、スキャフォールド、液体又は気体用濾過材、マイクロリアクター、バイオセンサー、バイオチップ、液体クロマトグラフィー又はガスクロマトグラフィーなどのカラムに用いられる分離用担体などに使用することができる。

金属アルコキシドを縮重合して得た縮合物を含む構造体が水酸基を含む場合には、水酸基量を調節することにより、細胞の接着性を調節できることが知られている。例えば、特開２００７−３１９０７４号公報（特許文献１）には、ゾルゲル法を応用して作製したシリカナノファイバーの表面にはＳｉ−ＯＨ基が存在しているため、未焼成のシリカファイバーの表面は親水性を呈するが、焼成することにより、表面のＳｉ−ＯＨ基をＳｉ−Ｏ−Ｓｉとして疎水性とすることができるなど、表面状態を調節して、細胞の接着性を調節できることが開示されている。この特許文献１においては、その焼成方法について具体的に開示するものではないが、焼成炉で行なうのが一般的である。このように焼成炉によって焼成すると、シリカナノファイバー全体が焼成される。近年、細胞を基板上に配列する細胞パターニング技術が知られており、この細胞パターニング技術によれば、細胞分布（基板上への細胞接着部位）を目的に応じて調整でき、細胞を所望通りに配列させることができるといった利点が見出され、創薬スクリーニングや再生医療などの細胞アッセイ分野への利用が期待されているが、上述のような焼成方法によっては、細胞を所望通りに配列することが困難であった。

特開２００７−３１９０７４号公報

本発明はこのような状況下においてなされたものであり、細胞を所望通りに配列させることができるなど、表面状態の異なる構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる発明は、「金属アルコキシドが縮重合した縮合物のみからなる前駆構造体、又は金属アルコキシドの縮重合物のみからなるコーティング膜とガラス基板からなる前駆構造体を形成した後、前駆構造体の縮重合物の１箇所以上の領域に対して、エネルギーを照射することにより水酸基量を減らすことを特徴とする、細胞培養担体、スキャフォールド、液体又は気体用濾過材、マイクロリアクター、バイオセンサー、バイオチップ又は分離用担体として用いる構造体の製造方法。」である。

本発明の請求項１にかかる発明は、金属アルコキシドを縮重合して得た縮合物を含む構造体であり、水酸基量の異なる領域を１箇所以上有する、表面状態の異なる構造体である。そのため、この構造体を培養担体として使用すれば、所望通りに細胞を配列させることができる。また、この構造体をマイクロリアクターにおける流路として使用すれば、液体を分離することができる。

本発明の請求項２にかかる発明は、培養担体として用いるため、細胞分布（基板上への細胞接着部位）を目的に応じて調整でき、細胞を所望通りに配列させることができる。

本発明の請求項３にかかる発明は、金属アルコキシドが縮重合した縮合物を含む前駆構造体を形成した後、前駆構造体の１箇所以上の領域に対して、エネルギーを照射することにより水酸基量を減らす方法であり、照射した領域の水酸基量を減らすことにより、水酸基量の異なる領域を１箇所以上有する、表面状態の異なる構造体を製造できる。

以下、本発明の構造体の製造方法について説明し、その後、本発明の構造体について説明する。

本発明の構造体は、（１）金属アルコキシドが縮重合した縮合物を含む前駆構造体を形成する工程、（２）前駆構造体の１箇所以上の領域に対してエネルギーを照射することにより水酸基量を減らすことにより製造することができる。

まず、（１）金属アルコキシドが縮重合した縮合物を含む前駆構造体を形成する工程により、表面に水酸基を有する縮合物を含む前駆構造体を形成する。この金属アルコキシドは一般式ＭＲ^２ _ｍ（ＯＲ^１）_ｎ−ｍで表され、Ｍは酸化数ｎの金属、Ｒ^１、Ｒ^２はそれぞれ独立したアルキル基を表し、ｍは０〜（ｎ−１）の整数をそれぞれ表す。

金属（Ｍ）としては、例えば、リチウム、ベリリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、カリウム、カルシウム、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、テルル、セシウム、バリウム、ランタン、ハフニウム、タンタル、タングステン、水銀、タリウム、鉛、ビスマス、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、又はルテチウムなどを挙げることができる。

また、アルキル基Ｒ^１、Ｒ^２は同一でも異なっていても良く、Ｒ^１、Ｒ^２は炭素数４以下のアルキル基であるのが好ましく、例えば、メチル基ＣＨ_３（以下、Ｍｅで表す）、エチル基Ｃ_２Ｈ_５（以下、Ｅｔで表す）、プロピル基Ｃ_３Ｈ_７（以下、Ｐｒで表す）、イソプロピル基ｉ−Ｃ_３Ｈ_７（以下、Ｐｒ−ｉで表す）、ブチル基Ｃ_４Ｈ_９（以下、Ｂｕで表す）、イソブチル基ｉ−Ｃ_４Ｈ_９（以下、Ｂｕ−ｉで表す）等の低級アルキル基を例示できる。

より具体的には、金属アルコキシドとして、リチウムエトキシドＬｉＯＥｔ、ニオブエトキシドＮｂ（ＯＥｔ）_５、マグネシウムイソプロポキシドＭｇ（ＯＰｒ−ｉ）_２、アルミニウムイソプロポキシドＡｌ（ＯＰｒ−ｉ）_３、亜鉛プロポキシドＺｎ（ＯＰｒ）_２、テトラエトキシシランＳｉ（ＯＥｔ）_４、チタンイソプロポキシドＴｉ（ＯＰｒ−ｉ）_４、バリウムエトキシドＢａ（ＯＥｔ）_２、バリウムイソプロポキシドＢａ（ＯＰｒ−ｉ）_２、トリエトキシボランＢ（ＯＥｔ）_３、ジルコニウムプロポキシドＺｎ（ＯＰｒ）_４、ランタンプロポキシドＬａ（ＯＰｒ）_３、イットリウムプロポキシドＹ（ＯＰｒ）_３、鉛イソプロポキシドＰｂ（ＯＰｒ−ｉ）_２などを挙げることができる。このような金属アルコキシドは２種類以上を併用することもできる。また、加水分解反応及び縮重合反応が起こりうる部位を有する限り、このような金属アルコキシドはメチル基やエポキシ基で有機修飾されていても良い。

本発明における金属アルコキシドは安定化するために、溶媒で希釈することができる。このような安定化のための溶媒としては、金属アルコキシドを溶解することができ、かつ水と均一に混合できるものであれば良く、特に限定するものではないが、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの脂肪族の低級アルコール、ジメチルホルムアミド、水などを挙げることができる。なお、これらの混合溶媒とすることもできる。

本発明における、金属アルコキシドが縮重合した縮合物を形成するための反応液には、加水分解のための水を含有している。なお、金属アルコキシドの構造、目的とする構造体の態様（フィルム、繊維、粒子、多孔体など）によって、最適な水の量が異なるため、反応液における水の含有量は特に限定されるものではないが、例えば、金属アルコキシドとしてテトラエトキシシランを用いて、繊維を得たい場合には、水の量がアルコキシドの４倍（モル比）を超えると、曳糸性のゾル溶液を得ることが困難になるため、アルコキシドの４倍（モル比）以下であるのが好ましい。

また、金属アルコキシドが縮重合した縮合物を形成するための反応液には、加水分解反応が円滑に進行するように、触媒を含んでいることができる。この触媒としては、目的とする構造体の態様（フィルム、繊維、粒子、多孔体など）によって、最適な触媒が異なるため、特に限定するものではないが、例えば、塩酸、硝酸、水酸化ナトリウム、アンモニアなどを挙げることができる。より具体的には、曳糸性の特性を有するゾル溶液を得るためには、酸性の触媒を用いるのが好ましい。

更に、反応液は、例えば、金属アルコキシドを安定化させるキレート剤、シランカップリング剤、圧電性などの各種機能を付与することができる化合物、接着性改善、柔軟性、硬度（もろさ）調整のための有機化合物（例えば、ポリメチルメタクリレート）、あるいは染料などの添加剤を含んでいることができる。なお、これらの添加剤は、加水分解を行う際、又は加水分解後に添加することもできる。

更に、反応液は無機系又は有機系の微粒子を含んでいることができる。無機系微粒子としては、例えば、酸化チタン、二酸化マンガン、酸化銅、二酸化珪素、活性炭、金属（例えば、白金）を挙げることができ、有機系微粒子として、色素又は顔料などを挙げることができる。微粒子の粒径や形状は目的とする構造体の形やサイズなどによるため、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選定することができる。このような微粒子を含んでいることによって、光学機能、多孔性、触媒機能、吸着機能、或いはイオン交換機能などを付与することができる。

金属アルコキシドが縮重合した縮合物は、前述のような反応液を加熱し、加水分解反応を進行させることによって得ることができる。なお、加熱は反応液を構成する溶媒の沸点以下の温度で行なうのが好ましい。例えば、溶媒が水の場合には、１００℃未満の温度で加熱して加水分解反応を進行させることができる。なお、あまり温度が低すぎても加水分解反応が進行しにくいため、１０℃以上であるのが好ましい。

このようにして形成した縮合物を、例えば後述のように紡糸して繊維化する場合には、紡糸できるように、粘度が０．１ポイズ以上であるのが好ましく、０．５ポイズ以上であるのがより好ましく、１ポイズ以上であるのが更に好ましい。なお、繊維径が３μｍ以下の細繊維を紡糸する場合には、細径化できるように、１００ポイズ以下であるのが好ましく、２０ポイズ以下であるのがより好ましく、１０ポイズ以下であるのが更に好ましく、５ポイズ以下であるのが更に好ましい。なお、ノズルを使用する場合には、ノズル先端部分における雰囲気を反応液の溶媒と同様の溶媒ガス雰囲気とすることにより、１００ポイズを超える場合であっても紡糸可能な場合がある。

このように形成した縮合物を含む前駆構造体の形態は、例えば、粒子、繊維、繊維シート（織物、編物、不織布など）、フィルム、コーティング膜、多孔体、ブロックなどであることができる。

例えば、粒子の場合には、塩基触媒を用いた系（反応液）で縮重合反応を行ったり、縮重合物をスプレーすると同時に溶媒を揮発させて得ることができ、繊維の場合には、乾式紡糸法により縮重合物を紡糸する際に溶媒を揮発させて得ることができ、繊維シートの場合には、乾式紡糸法により縮重合物を紡糸した繊維を用いて常法により繊維シートとすることができ、フィルムやコーティング膜の場合には、縮重合物をキャスト法やディップコーティング法によりフィルムとすることができる。また、多孔体の場合には、縮重合物より得た粒子や繊維を押し固めたり、後加工によって除去可能な物質を含んだ縮重合物を用いて、粒子、繊維、フィルム、ブロックなどを形成した後に、前記除去可能な物質を除去することにより、多孔体とすることができる。更に、ブロックの場合には、縮重合物を任意の大きさの形に成形した後に、溶媒を揮発させ、除去することにより得ることができる。

なお、不織布形態とする場合には、乾式紡糸法により縮重合物を紡糸した繊維を用いて不織布を形成する必要はなく、直接、不織布とすることもできる。例えば、口金から吐出して形成した繊維を支持体上に直接集積して不織布とすることができるし、口金から吐出して形成した繊維に対して気体を作用させながら支持体上に直接集積して不織布とすることができるし、電界の作用を利用して口金から縮合物を吐出し、繊維化させながら支持体上に直接集積して不織布とする（いわゆる静電紡糸法）ことができる。

更に、静電紡糸法により不織布を製造する際に、吐出された繊維とは反対極性のイオンを照射し、繊維の飛翔力を弱めた上で支持体上に集積して不織布とする（中和紡糸法）こともできる。このように反対極性のイオンを照射した場合、繊維の飛翔力が弱まるため空隙率が高く、比較的嵩高な不織布とすることができ、不織布の内部空隙を有効に利用できるため好適な場合がある。例えば、培養担体として使用した場合には、３次元に培養でき、細胞が組織環境に近い状態で培養されるため、細胞機能を発現しやすく、また、細胞に必要不可欠な栄養素や酸素などの供給効率を向上させることができ、かつ、細胞培養に必要な足場が多いため、高密度培養できるという特徴がある。なお、この中和紡糸法は特開２００５−２６４３７４号公報に開示されている方法により実施することができる。

このように形成した前駆構造体はそのままの状態で、前駆構造体の１箇所以上の領域に対して、エネルギーを照射することにより水酸基量を減らす（照射工程）ことができるし、前駆構造体にエネルギーを照射する前に、前駆構造体全体に熱処理を実施することができる。このような熱処理によって、一般的にシラノール基の縮合反応が進み、構造体全体の強度を高める効果を奏するためである。例えば、前駆構造体が繊維シート（特に不織布）からなる場合には、熱処理によって、強度が向上するとともに保形性に優れる構造体とすることができる。なお、熱処理条件によっては水酸基量が低下するため、熱処理温度、時間は目的に応じて適宜選定することが望ましい。

この熱処理は、例えばシリカ繊維の場合、オーブン、焼結炉等を用いて実施することができ、その温度は２００℃以上であるのが好ましく、３００℃以上であるのが好ましい。このような温度で熱処理をすると、前駆構造体の構造が安定化し、強度が増す。他方で、この熱処理の温度が５００℃を超えるような温度であると、前駆構造体全体の水酸基量が減少し、後述のエネルギー照射によっても、照射領域と非照射領域との間の水酸基量の差が小さく、コントラストが小さくなる傾向があるため、５００℃以下で熱処理するのが好ましい。このように５００℃以下の温度で熱処理を実施することによって、前駆構造体の単位重量あたりの水酸基量を５０μｍｏｌ／ｇ以上とすることができ、親水性の状態にある。

なお、粒子、フィルム、ブロックなど比較的構造が安定している場合には、熱処理は必ずしも必要ない。このように熱処理をしない場合は、水酸基が豊富にあるため、エネルギーを照射することにより水酸基量が減った領域とのコントラストを大きくできる。

次いで、前駆構造体を形成したままの、又は前駆構造体に熱処理を実施した熱処理前駆構造体の、１箇所以上の領域に対して、エネルギーを照射することにより水酸基量を減らす工程を実施して、本発明の構造体を製造することができる。つまり、エネルギー照射領域においては、脱水縮合が進行するか、水酸基と金属との結合自体が切断されてしまうなど、水酸基が減少するため、エネルギーを照射しておらず、水酸基量に変化のない非照射領域よりも水酸基量が少ない領域が形成され、本発明の水酸基量の異なる領域（照射領域）を有する構造体を製造することができる。

このエネルギー照射領域においては、水酸基の脱水縮合が進み、水酸基量が少なくなり、疎水性が高まるため、この点を考慮して所望領域にエネルギーを照射すれば良い。例えば、１つのエネルギー照射領域が長方形などの矩形、円形、楕円形、長円形などの丸形がドット状に配置されるように照射することができるし、直線、曲線などのライン状に配置されるように照射することができる。なお、このような照射領域は１箇所である必要はなく、構造体の使用用途に応じて、２箇所以上に対して照射する。

このようなエネルギーは部分的に水酸基量を減らすことのできるエネルギーである限り、特に限定するものではないが、例えば、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波などの電磁波及びこれらのレーザー、或いは熱プラズマなどを挙げることができる。これらの中でもレーザーはエネルギーが広範囲に広がらず、所望の微細領域のみの水酸基量を減らすのが容易であり、また、瞬時に伝送し、投下することが可能であるため好適である。尚、電磁波エネルギーは直接分子の化学結合を切断する作用もあるが、吸収された電磁波が熱に変換され、縮合反応を引き起こして水酸基量を減少させる場合もある。

なお、照射エネルギー量は照射領域の所望状態、また、触媒の存在などによっても異なるため、特に限定するものではないが、例えば、シリカ繊維のようにシラノール型の水酸基の場合、熱により簡単に縮合反応を起こすことができるので、照射領域が１０００℃程度以下になるように設定することで、十分目的を達成できる。例えば、赤外線レーザーを用いれば、シラノール基やシロキサン結合による吸収のために、簡単に局所的に表面温度を高めて縮合反応を進行させ、水酸基量を減らすことができる。また、パルス化されたレーザーを用いれば、熱拡散を防ぎ目的領域のみを改質しやすい。一方、紫外線などは高エネルギー光のため、直接化学結合を切断し、水酸基量を減らすことができる。

本発明の構造体は、金属アルコキシドを縮重合して得た縮合物を含む、水酸基量の異なる領域を１箇所以上有するものである。このような本発明の構造体は、例えば、前述のような製造方法により作製することができる。

本発明の構造体に含まれる縮合物は前述の製造方法で説明したような金属アルコキシドを縮重合して得たものであり、本発明の構造体は縮合物以外に、前述の製造方法で説明したような、無機系又は有機系の微粒子を含んでいることができる。

なお、本発明の構造体の形態は、例えば、粒子、繊維、繊維シート（織物、編物、不織布など）、フィルム、コーティング膜、多孔体、ブロックなどの形態であることができる。また、これらを中空円筒形、円筒形など三次元的に成形した形態であっても良い。

なお、構造体構成材料（粒子、繊維、フィルムなど）は、ゲル状、乾燥ゲル状、焼結状であることができる。

ゲル状とは、溶媒を含む状態であり、例えば、反応液がテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、エタノール、水、塩酸からなる場合、最も沸点の高い溶媒が水であるため、１００℃未満の温度で熱処理をした、又は熱処理をしていない状態である。

また、乾燥ゲル状とは、ゲル状の構造体構成材料に含まれる溶媒などが抜けた状態であり、例えば、反応液がテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、エタノール、水、塩酸からなる場合、最も沸点の高い溶媒が水であるため、１００℃以上の温度で熱処理をした状態である。

更に、焼結状とは、乾燥ゲル状の構造体構成材料（多孔質）が、焼結（無孔質）した状態である。例えば、乾燥ゲル状の構造体構成材料がシリカ系の場合は、８００℃以上で熱処理をした状態である。

なお、構造体が繊維を含む場合、その平均繊維径は表面積が広く、機能性に優れるように３μｍ以下であるのが好ましい。好ましくは２μｍ以下であり、より好ましくは１μｍ以下である。例えば、平均繊維径が３μｍ以下であると、表面積が広いため、細胞と、細胞との足場となる繊維との接着効率が向上するという効果がある。このような平均繊維径をもつ繊維は、例えば、静電紡糸法、中和紡糸法により得ることができる。なお、「平均繊維径」は５０点における繊維径の算術平均値をいい、「繊維径」は繊維を撮影した５０００倍の電子顕微鏡写真をもとに測定した繊維の直径をいう。繊維の断面形状が非円形である場合には、断面積と同じ面積の円の直径を繊維径とみなす。

また、繊維を構成材料とする構造体は空隙率が９０％以上の高い空隙率（嵩高）を有するのが好ましい。繊維密度が低いため、構造体の内部を有効に利用することができ、例えば、断熱材の用途、液体又は気体用濾過用途、細胞等の培養担体用途、スキャフォールド用途、抗菌材料用途など、嵩高であるのが好ましい用途に適用することができる。特に、培養担体として使用した場合、細胞が培養担体（構造体）の内部まで広がりやすく、また、細胞に必要不可欠な栄養素や酸素などの供給効率が向上するため、細胞増殖能に優れ、高密度培養できるという特長がある。好ましい空隙率は９１％以上であり、より好ましくは９２％以上であり、更に好ましくは９３％以上であり、更に好ましくは９４％以上である。上限は特に限定するものではないが、形態安定性の点から９９．９％以下であるのが好ましい。

なお、「空隙率」は次の式から算出することができる。
Ｐ＝［１−Ｗｆ／（Ｖ×ＳＧ）］×１００
ここで、Ｐは空隙率（％）、Ｗｆは繊維重量（ｇ）、Ｖは体積（ｃｍ^３）、ＳＧは繊維の比重（ｇ／ｃｍ^３）をそれぞれ表す。

例えば、不織布のように厚さが均一な場合、次の式から算出することができる。
Ｐ＝［１−Ｗｎ／（ｔ×ＳＧ）］×１００
ここで、Ｐは空隙率（％）、Ｗｎは目付（ｇ／ｍ^２）、ｔは厚さ（μｍ）、ＳＧは繊維の比重（ｇ／ｃｍ^３）をそれぞれ表す。

なお、目付は、最も面積の広い面の面積と重量を測定し、１ｍ^２当たりの重量に換算した値であり、厚さは、最も面積の広い面における荷重が３０ｇ／ｃｍ^２となるように設定したマイクロメーターで測定した値である。

本発明の構造体は水酸基量の異なる領域を１箇所以上有するため、水酸基量の多い領域と水酸基量の少ない領域によって性質が異なる。そのため、この性質を利用して各種用途に使用することができる。例えば、水酸基量の多い領域は親水性であるのに対して、水酸基量の少ない領域は水酸基量の多い領域よりも疎水性であることから、培養担体として使用した場合、水酸基量の少ない領域には、より多くの細胞をシート状に接着させることができる。これに対して、水酸基量の多い領域には、細胞のスフェロイドを形成することができる。また、水酸基量の多い領域における水酸基を介して、特定のたんぱく質を認識する物質で修飾することができる。

また、マイクロリアクターにおける流路を水酸基量の多い親水性の領域とすれば、水溶液と有機液体との混合液から有機液体のみを得ることができ、マイクロリアクターにおける流路を水酸基量の少ない疎水性の領域とすれば、水溶液と有機液体との混合液から水溶液のみを得ることができる。

この水酸基量の違いは用途によって異なり、特に限定するものではない。例えば、細胞培養担体として不織布状の構造体を使用した場合、接着性細胞を用いた場合に水酸基が多い領域に細胞のスフェロイドを形成し、水酸基の少ない領域にシート状に細胞の広がった構造を形成する。また、構造体を人工体液につけた場合、水酸基が多い領域にはアパタイトが形成されやすく、水酸基が少ない領域にはアパタイトが形成されにくい。このような特徴をもつ水酸基量の差のある領域を形成させるためには、構造体の使用目的により異なるが、水酸基量の多い領域の水酸基量と水酸基量の少ない領域の水酸基量の比が２以上であることが好ましい。

なお、領域ごとの水酸基量は、例えば、特開２００７−１４７３６５号公報の方法により実施することができる。つまり、水酸基と選択的に反応するフッ素含有化合物（例えば、フッ素化酸無水物、フッ素化アルコール、フッ素化ベンズアルデヒド、フッ素化ヒドラジンなど）とを気相で反応させた後、原子間力顕微鏡により観察することにより、隆起領域を有する画像を得る。その後、この画像を二値化処理し、単位面積当たりの隆起領域により官能基密度を算出して得ることができる。また、水酸基と選択的に反応するフッ素含有化合物（例えば、フッ素化酸無水物、フッ素化アルコール、フッ素化ベンズアルデヒド、フッ素化ヒドラジンなど）とを反応させた後、Ｘ線光電子分析することにより、前記フッ素含有化合物に由来する結合エネルギーのピークを検出し、このピーク強度から水酸基の定量を行うこともできる。

本発明の構造体が不織布形態からなる場合、無機系接着剤で接着されているのが好ましい。保形性に優れているためである。特に、構造体の内部を含む全体において、繊維間に被膜を形成することなく、無機系接着剤で接着されていると、構造体の内部構造を損なうことなく、保形性に優れているため好適である。例えば、培養担体として使用した場合、細胞に必要不可欠な栄養素や酸素などの供給効率を向上させることができ、かつ、細胞培養に必要な足場が多いため、高密度培養できる。

本発明の構造体は培養担体として好適に使用できる。培養担体として使用する場合の構造体の形態は特に限定するものではないが、不織布形態、フィルム形態であることができ、特に、三次元構造を採ることのできる不織布形態であるのが好ましい。不織布形態の中でも、平均繊維径が３μｍ以下であると、表面積が広く、細胞と、細胞との足場となる繊維との接着効率が高く、細胞増殖能が高いため好適である。更に、空隙率が９０％以上であると、三次元に培養でき、細胞を組織環境に近い状態で培養でき、細胞機能を発現しやすいため、細胞に必要不可欠な栄養素や酸素などの供給効率を向上させることができ、高密度培養できるため、更には嵩高で培養状態を観察しやすいため、好適である。

以下、具体例によって本発明を説明するが、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。

（実施例１）
金属化合物としてのテトラエトキシシラン、溶媒としてのエタノール、加水分解のための水、及び触媒として１規定の塩酸を、１：５：２：０．００３のモル比で混合し、温度７８℃で１０時間の還流操作を行い、次いで、溶媒をロータリーエバポレーターにより除去して濃縮した後、温度６０℃に加熱して、粘度が２ポイズのゾル溶液を形成する。得られたゾル溶液を紡糸用無機系ゾル溶液として用い、中和紡糸法によりゲル状シリカ繊維ウエブを作製できる。

なお、中和紡糸法は、特開２００５−２６４３７４号公報の実施例８と同じ紡糸条件で実施できる。つまり、図１の対向電極５として、図４の対向電極（沿面放電素子２５）を紡糸容器室内に収納した紡糸装置を使用し、次の条件で紡糸できる。

紡糸ノズル：内径０．４ｍｍの金属製注射針（先端カット）
紡糸ノズルと対向電極との距離：２００ｍｍ
対向電極及びイオン発生電極（両電極を兼ねる）：ステンレス板（誘起電極）上に厚さ１ｍｍのアルミナ膜（誘電体基板）を溶射し、その上に直径３０μｍのタングステンワイヤ（放電電極）を１０ｍｍの等間隔で張った沿面放電素子（タングステンワイヤ面を紡糸ノズルと対向させると共に接地し、ステンレス板とタングステンワイヤ間に交流高電圧電源により５０Ｈｚの交流高電圧を印加）
第１高電圧電源：−１６ｋＶ
第２高電圧電源：±５ｋＶ（交流沿面のピーク電圧：５ｋＶ、５０Ｈｚ）
気流：水平方向２５ｃｍ／ｓｅｃ、鉛直方向１５ｃｍ／ｓｅｃ
紡糸容器内の雰囲気：温度２５℃、湿度４０％ＲＨ以下
連続紡糸時間：３０分以上

次に、前記工程で得られたゲル状シリカ繊維ウエブを、５００℃で３時間の熱処理をすることにより、乾燥ゲル状シリカ繊維ウエブを作製できる。

他方、繊維間接着のために用いる接着用無機系ゾル溶液として、金属化合物としてテトラエトキシシラン、溶媒としてエタノール、加水分解のための水、及び触媒として硝酸を、１：７．２：７：０．００３９のモル比で混合し、温度２５℃、攪拌条件３００ｒｐｍで１５時間反応させる。反応後、酸化ケイ素の固形分濃度が０．２５％となるようにエタノールで希釈し、シリカゾル希薄溶液（接着用無機系ゾル溶液）とする。

次いで、前記乾燥ゲル状シリカ繊維ウエブを前記シリカゾル希薄溶液に浸漬した後、吸引により余剰のシリカゾル希薄溶液を除去することにより、シリカゾル希薄溶液含有ウエブを作製する。

次いで、無機系接着剤（シリカゾル希薄溶液）に含まれる溶媒の乾燥除去のために、シリカゾル希薄溶液含有ウエブを１１０℃の雰囲気中に３０分保持し、その後、５００℃で３時間焼成して、シリカで接着したシリカ繊維不織布を作製する。なお、シリカ繊維不織布は目付８ｇ／ｍ^２、厚さ１００μｍ、平均繊維径１μｍ、空隙率９６％であることができる。

次いで、前記シリカ繊維不織布に対して、炭酸ガスレーザー（シリカ繊維不織布１ｃｍ^２あたりのエネルギー：１Ｊ以下）を照射し、照射領域の水酸基量を減らすことにより、水酸基量の少ない領域をドット状に有する不織布状構造体を作製できる。この不織布状構造体はドット状に水酸基量が少なく、また、所望細胞１個あたりの大きさ（一般的に１〜１００μｍ）よりも広い間隔で炭酸ガスレーザーを照射した場合には、細胞を配列することを目的とした培養基材として好適である。

（実施例２）
金属化合物としてテトラエトキシシラン、溶媒としてエタノール、加水分解のための水、及び触媒として硝酸を、１：７．２：７：０．００３９のモル比で混合し、温度２５℃、攪拌条件３００ｒｐｍで１５時間反応させ、ゾル溶液を調製する。

反応後のゾル溶液を用い、ディップコーティング法によって、ガラス基板上にコーティング膜を製膜した後、温度１１０℃の雰囲気中に３０分保持し、乾燥ゲル状コーティング膜−ガラス基板前駆構造体を作製できる。なお、乾燥ゲル状コーティング膜は厚さ１μｍであることができる。

次いで、前記乾燥ゲル状コーティング膜−ガラス基板前駆構造体の乾燥ゲル状コーティング膜に対して、炭酸ガスレーザー（コーティング膜１ｃｍ^２あたりのエネルギー：１Ｊ以下）を部分的に照射し、照射領域の水酸基量を減らすことにより、水酸基量の少ない領域をドット状に有する乾燥ゲル状コーティング膜−ガラス基板構造体を作製できる。この乾燥ゲル状コーティング膜−ガラス基板構造体はドット状に水酸基量が少ないため、バイオセンサーとして好適である。例えば、溶液中において、特定物質を電気的な力で吸着させたい場合、溶液のｐＨや吸着させたい特定物質の特性にもよるが、コーティング膜上の水酸基が多いほど、電気的な偏りを示すため（水酸基の乖離）、特定物質を吸着しやすい。このように、電気的な偏りを大きくするために、水酸基が多い方が好ましいため、炭酸ガスレーザーの照射間隔を広くするのが好ましい。なお、炭酸ガスレーザーの照射間隔を等間隔にすると、コーティング膜面全体に対して、均一に特定物質を吸着させることができる。

本発明の構造体は、例えば、細胞培養担体、スキャフォールド、液体又は気体用濾過材、マイクロリアクター、バイオセンサー、バイオチップ、液体クロマトグラフィー又はガスクロマトグラフィーなどのカラムに用いられる分離用担体などに使用することができる。なお、細胞培養担体は、細胞培養を用いたあらゆる分野に適用することができる。例えば、細胞培養を用いた分析ツール、再生医療、有用物質生産などが挙げられる。

Claims

金属アルコキシドが縮重合した縮合物のみからなる前駆構造体、又は金属アルコキシドの縮重合物のみからなるコーティング膜とガラス基板からなる前駆構造体を形成した後、前駆構造体の縮重合物の１箇所以上の領域に対して、エネルギーを照射することにより水酸基量を減らすことを特徴とする、細胞培養担体、スキャフォールド、液体又は気体用濾過材、マイクロリアクター、バイオセンサー、バイオチップ又は分離用担体として用いる構造体の製造方法。