JP6454125B2 - Method for producing collagen gel - Google Patents

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Description

本発明は、コラーゲンゲルの作製方法及びコラーゲンゲルに関する。   The present invention relates to a method for producing a collagen gel and a collagen gel.

従来、コラーゲン線維を配向させる技術として、せん断、液晶化、磁場、又は電場を用いた技術が知られている(例えば、特許文献1及び非特許文献1〜4参照)。これらの技術のうち、生体が配向構造を認識するのに十分な配向性が得られ、かつ医療機器として量産するためのスケールアップや効率化が可能な方法はせん断のみである。   Conventionally, as a technique for orienting collagen fibers, techniques using shearing, liquid crystallizing, a magnetic field, or an electric field are known (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 4). Among these techniques, shearing is the only method that can provide sufficient orientation for the living body to recognize the orientation structure and can be scaled up and made efficient for mass production as a medical device.

せん断を用いた従来のコラーゲン線維配向技術としては、例えば、特許文献2〜3及び非特許文献5〜7に記載の技術が知られている。特許文献2では、コラーゲン濃度が0.2%の高pHコラーゲン溶液をノズルから基板上に押し出し、ノズルの移動方向とは逆の方向に基板を動かす技術が開示されている。特許文献3では、”ナノ織機”を用い、内径わずか数10μmの孔からコラーゲン溶液を押し出し、孔の周囲が温められることで、線維化及び配向化が生じる技術が開示されている。   As conventional collagen fiber orientation techniques using shearing, for example, techniques described in Patent Documents 2 to 3 and Non-Patent Documents 5 to 7 are known. Patent Document 2 discloses a technique in which a high pH collagen solution having a collagen concentration of 0.2% is extruded from a nozzle onto a substrate and the substrate is moved in a direction opposite to the moving direction of the nozzle. Patent Document 3 discloses a technique in which a “nano loom” is used to extrude a collagen solution from a hole having an inner diameter of only several tens of μm, and the periphery of the hole is heated, thereby causing fibrosis and orientation.

また、非特許文献5では、コラーゲン濃度が0.08%以下のコラーゲン溶液をマイクロ流路に導入し、その途中で線維化させ、基板上に配向コラーゲン線維を付着させる技術が開示されている。非特許文献6では、コラーゲン濃度が0.6%のコラーゲン溶液をノズルから凝固液へと押し出し、ファイバーを成形する湿式紡糸の技術が開示されており、凝固液には、コラーゲンの線維化を促進するためにポリエチレングリコールを添加することが記載されている。そして、非特許文献7では、コラーゲン濃度が0.3%以下のコラーゲン溶液を、ガラス平板間に設けたマイクロサイズ(100〜750μm)の径を有する流路に導入し、その途中で線維化させ、基板上に配向コラーゲン線維を付着させる技術が開示されている。   Non-Patent Document 5 discloses a technique in which a collagen solution having a collagen concentration of 0.08% or less is introduced into a microchannel, and is fibrillated in the middle to attach oriented collagen fibers on a substrate. Non-Patent Document 6 discloses a wet spinning technique in which a collagen solution having a collagen concentration of 0.6% is extruded from a nozzle into a coagulation liquid to form a fiber. The coagulation liquid promotes collagen fibrosis. In order to do so, it is described that polyethylene glycol is added. In Non-Patent Document 7, a collagen solution having a collagen concentration of 0.3% or less is introduced into a channel having a micro-sized (100 to 750 μm) diameter provided between glass plates, and is made to fibrosis in the middle. A technique for attaching oriented collagen fibers on a substrate is disclosed.

国際公開第2009/064437号International Publication No. 2009/064437 特表2012−519537号公報Special table 2012-519537 gazette 国際公開第2007/038601号International Publication No. 2007/038601

Giraud-Guille et al., Liquid crystalline assemblies of collagen in bone and in vitro systems. J. Biomechanics 36, 1571-1579 (2003)Giraud-Guille et al., Liquid crystalline assemblies of collagen in bone and in vitro systems.J. Biomechanics 36, 1571-1579 (2003) Guo and Kaufman, Flow and magnetic field induced collagen alignment, Biomaterials 28, 1105-1114 (2007)Guo and Kaufman, Flow and magnetic field induced collagen alignment, Biomaterials 28, 1105-1114 (2007) Torbet and Ronziere, Magnetic alignment of collagen during self-assembly, Biochem. J. 219, 1057-1059 (1984)Torbet and Ronziere, Magnetic alignment of collagen during self-assembly, Biochem. J. 219, 1057-1059 (1984) Cheng et al., An electrochemical fabrication process for the assembly of anisotropically oriented collagen bundles, Biomaterials 29, 3278-3288 (2008)Cheng et al., An electrochemical fabrication process for the assembly of anisotropically oriented collagen bundles, Biomaterials 29, 3278-3288 (2008) Lanfer et al., Aligned fibrillar collagen matrices obtained by shear flow deposition, Biomatrials 29, 3888-3895 (2008)Lanfer et al., Aligned fibrillar collagen matrices obtained by shear flow deposition, Biomatrials 29, 3888-3895 (2008) Zeugolis et al., Engineering extruded collagen fibers for biomedical applications, J. Appl. Polym. Sci. 108, 2886-2894 (2008)Zeugolis et al., Engineering extruded collagen fibers for biomedical applications, J. Appl. Polym. Sci. 108, 2886-2894 (2008) Saeidi et al., Dynamic shear-influenced collagen self-assembly, Biomaterials 30, 6581-6592 (2009)Saeidi et al., Dynamic shear-influenced collagen self-assembly, Biomaterials 30, 6581-6592 (2009)

しかしながら、特許文献2〜3及び非特許文献5〜7に記載された従来のせん断を用いたコラーゲン線維の配向化技術は、以下(1)〜(3)に列挙する理由により、人工腱のようなインプラントの作製方法としては不十分である。
(1)インプラントを作製するためには、配向コラーゲン線維体をmm〜cmスケールのサイズで立体的に成形された“線維束”とする必要がある。ところが、特許文献3並びに非特許文献5、7及び8に記載されているような、基板等に付着した配向線維を作製する従来の技術では、極めて薄い平面的な配向コラーゲン線維のシートが得られるにすぎない。このため、mm〜cmスケールのサイズで立体的に成形された“線維束”を製造するためには、多数の平面的な配向コラーゲン線維シートを、その配向軸を揃えて積層・複合化しなければインプラントを成形できないという問題がある。
(2)非特許文献6に記載されたような湿式紡糸の技術は、量産性が高いものの、コラーゲン線維の配向度が不十分である。
(3)特許文献3に記載されたような”ナノ織機”の技術も量産性が高いが、得られるコラーゲンゲルは極めて細く力学的に脆弱であるため、それらを複合化して線維束を作製することが困難である。
However, the conventional collagen fiber orientation techniques described in Patent Documents 2 to 3 and Non-Patent Documents 5 to 7 are similar to artificial tendons for the reasons listed in (1) to (3) below. It is not sufficient as a method for producing such an implant.
(1) In order to produce an implant, it is necessary to make oriented collagen fiber bodies into “fiber bundles” that are three-dimensionally shaped in a size of mm to cm. However, the conventional technique for producing oriented fibers attached to a substrate or the like, as described in Patent Document 3 and Non-Patent Documents 5, 7, and 8, provides an extremely thin planar oriented collagen fiber sheet. Only. Therefore, in order to manufacture a three-dimensionally shaped “fiber bundle” with a size of mm to cm scale, a large number of planar oriented collagen fiber sheets must be laminated and combined with their orientation axes aligned. There is a problem that an implant cannot be formed.
(2) Although the wet spinning technique described in Non-Patent Document 6 has high mass productivity, the degree of orientation of collagen fibers is insufficient.
(3) Although the technology of “nano loom” as described in Patent Document 3 is also high in mass productivity, the resulting collagen gel is extremely thin and mechanically fragile, so they are combined to produce a fiber bundle Is difficult.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、大きなスケールで立体的に成形された“線維束”を非破壊的に製造することができるコラーゲンゲルの作製方法及びそのコラーゲンゲルを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for producing a collagen gel that can non-destructively produce a “fiber bundle” that is three-dimensionally shaped on a large scale, and a collagen gel thereof. For the purpose.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、特定の濃度のコラーゲン水溶液にせん断を付与する工程において、コラーゲンの線維化に伴うせん断応力の増加速度が特定の範囲にある時期に、せん断速度を特定の範囲にすることで、大きなスケールで立体的に成形された配向コラーゲン線維束を非破壊的に得られることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that the rate of increase in shear stress accompanying collagen fibrillation is in a specific range in the step of applying shear to a collagen aqueous solution having a specific concentration. At that time, it was found that by setting the shear rate within a specific range, an oriented collagen fiber bundle three-dimensionally shaped on a large scale can be obtained non-destructively, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は下記のとおりである。
[1]コラーゲンを0.50質量%〜3.0質量%の濃度で含むコラーゲン水溶液に対しせん断速度0.20s-1〜30s-1の範囲のせん断を付与することによってコラーゲン線維を配向させる工程を有するコラーゲンゲルの作製方法であって、その工程が、コラーゲン線維の形成によってせん断応力が1秒あたり1%〜30%の速度で増加している2秒間〜120秒間の工程を含むことにより前記コラーゲン線維を配向させる、コラーゲンゲルの作製方法。
[2]前記コラーゲン水溶液を25℃以下の温度から32〜42℃へ加温することによって、前記コラーゲン線維を形成する、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
[3]前記コラーゲン水溶液は無機塩を含み、その無機塩のイオン強度が0.40〜1.0である、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
[4]前記無機塩がリン酸水素ナトリウムと塩化ナトリウムとを含有する、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
[5]前記コラーゲン水溶液は、架橋剤を含む、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
[6]前記コラーゲン水溶液のpHが6.0〜9.0である、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
[7]前記コラーゲンが、哺乳類由来のテロペプチド除去型コラーゲンを含有する、上記のコラーゲンゲルの作製方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] A step of orienting collagen fibers by applying a shear rate in the range of 0.20 s −1 to 30 s −1 to an aqueous collagen solution containing collagen at a concentration of 0.50 mass% to 3.0 mass%. A method for producing a collagen gel comprising the steps of 2 to 120 seconds wherein the shear stress is increased at a rate of 1% to 30% per second due to the formation of collagen fibers. A method for producing a collagen gel, wherein collagen fibers are oriented.
[2] The method for producing the collagen gel described above, wherein the collagen fibers are formed by heating the collagen aqueous solution from a temperature of 25 ° C. or lower to 32 to 42 ° C.
[3] The method for producing a collagen gel as described above, wherein the collagen aqueous solution contains an inorganic salt, and the ionic strength of the inorganic salt is 0.40 to 1.0.
[4] The method for producing a collagen gel as described above, wherein the inorganic salt contains sodium hydrogen phosphate and sodium chloride.
[5] The method for producing a collagen gel as described above, wherein the collagen aqueous solution contains a crosslinking agent.
[6] The method for producing a collagen gel as described above, wherein the aqueous collagen solution has a pH of 6.0 to 9.0.
[7] The method for producing a collagen gel as described above, wherein the collagen contains mammal-derived telopeptide-removed collagen.

本発明によれば、大きなスケールで立体的に成形された“線維束”を非破壊的に製造することができるコラーゲンゲルの作製方法及びそのコラーゲンゲルを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a collagen gel that can non-destructively produce a “fiber bundle” that is three-dimensionally shaped on a large scale, and the collagen gel.

実施例及び比較例で用いた動的粘弾性測定装置のセンサー部及びセンサー間で得られた円盤状ゲルの外観写真、並びに円盤状ゲルから各種試験片を切り出す位置と試験片の形状とを模式的に示す図である。Schematic illustration of the appearance of the disc-shaped gel obtained between the sensor part and the sensor part of the dynamic viscoelasticity measuring device used in the examples and comparative examples, and the positions of various test pieces cut out from the disc-shaped gel and the shapes of the test pieces FIG. 実施例におけるコラーゲン水溶液の加温プロファイル及びせん断条件を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the heating profile and shear condition of collagen aqueous solution in an Example. せん断応力の時間変化曲線から式(1)を用いてせん断応力増加率を算出する方法を、模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the method of calculating a shear stress increase rate using Formula (1) from the time change curve of a shear stress. 実施例において、37℃に到達した後のコラーゲン水溶液に回転せん断を付与した時間の経過に伴うコラーゲン水溶液(コラーゲンゲル)のせん断応力変化を示すチャートである。In an Example, it is a chart which shows the shear stress change of the collagen aqueous solution (collagen gel) with progress of the time which gave the rotational shear to the collagen aqueous solution after reaching 37 degreeC. 実施例及び比較例において、コラーゲン水溶液に回転せん断を付与した期間(37℃に到達してからの時間)に対してコラーゲンゲルの複屈折位相差をプロットしたグラフである。In an Example and a comparative example, it is the graph which plotted the birefringent phase difference of collagen gel with respect to the period (time after reaching | attaining 37 degreeC) which provided the rotation shear to the collagen aqueous solution. 実施例及び比較例において、コラーゲン水溶液に回転せん断を付与した期間(37℃に到達してからの時間)が20秒である場合に、そのせん断速度に対してコラーゲンゲルの複屈折位相差をプロットしたグラフである。In Examples and Comparative Examples, when the period during which rotational shear was applied to the collagen aqueous solution (time after reaching 37 ° C.) was 20 seconds, the birefringence phase difference of the collagen gel was plotted against the shear rate. It is a graph. 実施例及びランダムコラーゲン線維ゲル(回転せん断を付与しないで作製したゲル)における、ゲル内部の走査型電子顕微鏡像である。It is a scanning electron microscope image inside a gel in an Example and random collagen fiber gel (gel produced without giving rotation shear). 実施例及びランダムコラーゲン線維ゲル(回転せん断を付与しないで作製したゲル)についての、引っ張り試験から得られる代表的な応力−ひずみ曲線を示した図である。It is the figure which showed the typical stress-strain curve obtained from a tension test about an Example and a random collagen fiber gel (gel produced without giving rotational shear). 実施例及びランダムコラーゲン線維ゲル(回転せん断を付与しないで作製したゲル)における、引っ張り試験から得られる各種物性値を比較した図である。It is the figure which compared the various physical-property values obtained from a tension test in an Example and a random collagen fiber gel (gel produced without providing rotational shear). コラーゲン/ゲニピン水溶液の温度を23℃から37℃に上昇させたときの水溶液のゲル化を、動的粘弾性測定装置を用いた微小振動試験により追跡した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having tracked the gelatinization of the aqueous solution when raising the temperature of collagen / genipin aqueous solution from 23 degreeC to 37 degreeC by the micro vibration test using a dynamic viscoelasticity measuring apparatus.

以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明を実施するための形態(以下、単に「本実施形態」という。)について詳細に説明するが、本発明は下記本実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as “the present embodiment”) will be described in detail with reference to the drawings as necessary. However, the present invention is limited to the following embodiment. It is not a thing. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

本実施形態のコラーゲンゲルの作製方法は、コラーゲンを0.50質量%〜3.0質量%の濃度で含むコラーゲン水溶液に対しせん断速度0.20s-1〜30s-1の範囲のせん断を付与することによってコラーゲン線維を配向させる工程を有するコラーゲンゲルの作製方法であって、その工程が、コラーゲン線維の形成によってせん断応力が1秒あたり1%〜30%の速度で増加している2秒間〜120秒間の工程を含むものである。本実施形態のコラーゲンゲルの作製方法は、コラーゲン水溶液を準備する工程を有していてもよい。 In the method for producing a collagen gel according to this embodiment, a shear rate in the range of 0.20 s −1 to 30 s −1 is applied to an aqueous collagen solution containing collagen at a concentration of 0.50 mass% to 3.0 mass%. A method for producing a collagen gel comprising a step of orienting collagen fibers, wherein the step increases shear stress at a rate of 1% to 30% per second due to the formation of collagen fibers for 2 seconds to 120 It includes a process of seconds. The method for producing a collagen gel of this embodiment may include a step of preparing an aqueous collagen solution.

コラーゲン水溶液は、コラーゲンを0.50質量%〜3.0質量%の濃度で含むものである。コラーゲンは水溶性であるが、室温付近での線維化が進み難いテロペプチド除去型コラーゲンを含むことが好ましく、実質的にテロペプチド除去型コラーゲンからなることがより好ましい。テロペプチド除去型コラーゲンは、コラーゲン分子が両末端に有するテロペプチドを、タンパク質分解酵素により酵素的に分解除去したものであり、例えば、コラーゲン分子が両末端に有するテロペプチドをペプシン消化により分解除去されたものである。また、テロペプチド除去型コラーゲンの中でも、医療機器の原料として承認されている哺乳類由来のテロペプチド除去型コラーゲンが好ましく、既に臨床応用され、熱安定性に優れるブタ皮由来のテロペプチド除去型コラーゲンがより好ましく用いられる。   The collagen aqueous solution contains collagen at a concentration of 0.50 mass% to 3.0 mass%. Collagen is water-soluble, but preferably contains telopeptide-removed collagen that hardly progresses to fibrosis around room temperature, and more preferably substantially comprises telopeptide-removed collagen. Telopeptide-removed collagen is a telopeptide that collagen molecules have at both ends enzymatically decomposed and removed by proteolytic enzymes. For example, telopeptide that collagen molecules have at both ends is decomposed and removed by pepsin digestion. It is a thing. Among telopeptide-removable collagens, mammalian-derived telopeptide-removable collagen that is approved as a raw material for medical devices is preferable, and telopeptide-removable collagen derived from pig skin that has already been clinically applied and has excellent thermal stability. More preferably used.

コラーゲンは、線維形成能を有するコラーゲン(線維形成コラーゲン)であれば特に限定されない。線維形成コラーゲンの中でも、骨、皮膚、腱、および靭帯を構成するコラーゲンであるタイプI、軟骨を構成するコラーゲンであるタイプII、タイプIコラーゲンで構成される生体組織に含まれるタイプIIIなどが、入手のしやすさ、研究実績の豊富さ、あるいは製造したゲルを適用する生体組織との類似性の観点から好ましく用いられる。コラーゲンは常法により生体組織から抽出・精製して得てもよく、市販品を入手してもよい。コラーゲンは各タイプが精製されたものでも、複数のタイプの混合物でもよい。   Collagen is not particularly limited as long as it has collagen-forming ability (fibrogenic collagen). Among fibrogenic collagens, type I which is collagen constituting bone, skin, tendon and ligament, type II which is collagen constituting cartilage, type III contained in living tissue composed of type I collagen, etc. It is preferably used from the viewpoints of availability, abundant research results, and similarity to the biological tissue to which the produced gel is applied. Collagen may be obtained by extraction and purification from a living tissue by a conventional method, or a commercially available product may be obtained. Collagen may be purified from each type or a mixture of multiple types.

コラーゲンの変性温度は、32℃以上であると好ましく、35℃以上であるとより好ましく、37℃以上であると更に好ましい。変性温度が32℃以上であることにより、コラーゲン水溶液の室温での流動性をより長く維持することが可能になると共に、生体内でのコラーゲンの変性が起こりにくくなる。コラーゲンの変性温度の上限は特に限定されないが、50℃以下であると好ましく、45℃以下であるとより好ましく、41℃であると更に好ましい。変性温度が上記上限値以下であることにより、温度上昇によるコラーゲンの線維化が速くなり、せん断によるコラーゲン線維の配向がより生じやすくなると共に、コラーゲンの生体吸収性が一層良好に保持される。コラーゲンの変性温度は、常法、すなわちコラーゲン水溶液の温度上昇に伴う円二色性、旋光度、又は粘度の変化によって測定される。コラーゲンの変性温度は、上記数値範囲内の変性温度を有するコラーゲンを選択することにより調整してもよい。   The denaturation temperature of collagen is preferably 32 ° C. or higher, more preferably 35 ° C. or higher, and further preferably 37 ° C. or higher. When the denaturation temperature is 32 ° C. or higher, the fluidity of the collagen aqueous solution at room temperature can be maintained for a longer time, and collagen denaturation is less likely to occur in vivo. The upper limit of the denaturation temperature of collagen is not particularly limited, but is preferably 50 ° C. or lower, more preferably 45 ° C. or lower, and further preferably 41 ° C. When the denaturation temperature is not more than the above upper limit value, collagen fibrillation due to temperature rise is accelerated, collagen fibers are more easily oriented due to shearing, and the bioabsorbability of collagen is better maintained. The denaturation temperature of collagen is measured by a conventional method, that is, a change in circular dichroism, optical rotation, or viscosity with an increase in temperature of the collagen aqueous solution. The denaturation temperature of collagen may be adjusted by selecting collagen having a denaturation temperature within the above numerical range.

本実施形態のコラーゲン水溶液において、コラーゲンの濃度は、コラーゲン水溶液の全量を基準として、0.50質量%〜3.0質量%であると好ましく、0.75質量%〜2.0質量%であるとより好ましい。コラーゲンの濃度が0.50質量%以上であることにより、コラーゲンゲルの作製工程においてゲルの破壊が抑制され、また、得られるゲルの機械強度を更に高めることができると共に、コラーゲン線維の配向度も高めることができる。一方、コラーゲンの濃度が3.0質量%以下であることにより、コラーゲン水溶液の室温での流動性をより良好にすることができ、せん断の付与がより容易になる。   In the collagen aqueous solution of the present embodiment, the collagen concentration is preferably 0.50% by mass to 3.0% by mass, and 0.75% by mass to 2.0% by mass based on the total amount of the collagen aqueous solution. And more preferred. When the collagen concentration is 0.50% by mass or more, gel breakage is suppressed in the collagen gel production process, the mechanical strength of the resulting gel can be further increased, and the degree of orientation of the collagen fibers is also improved. Can be increased. On the other hand, when the collagen concentration is 3.0% by mass or less, the fluidity of the collagen aqueous solution at room temperature can be improved, and shearing can be more easily performed.

本実施形態のコラーゲン水溶液は、後述の好適な範囲のイオン強度及びpHを得る観点から、無機塩を含むと好ましい。無機塩としては特に限定されず、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム(リン酸二水素ナトリウム及びリン酸水素ニナトリウムの総称)、及び、リン酸水素カリウム(リン酸二水素カリウム及びリン酸水素二カリウムの総称)が挙げられる。無機塩は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。これらの無機塩のうち、コラーゲン水溶液のpHを後述の好適な範囲に容易に調整でき、かつ、生体に無害である観点から、コラーゲン水溶液がリン酸水素ナトリウム及び塩化ナトリウム(食塩)を含むことが好ましい。   The aqueous collagen solution of the present embodiment preferably contains an inorganic salt from the viewpoint of obtaining ionic strength and pH in the preferred ranges described below. The inorganic salt is not particularly limited. For example, sodium chloride, potassium chloride, sodium phosphate, sodium hydrogen phosphate (generic name for sodium dihydrogen phosphate and disodium hydrogen phosphate), and potassium hydrogen phosphate (phosphoric acid) For example, potassium dihydrogen and dipotassium hydrogen phosphate). An inorganic salt is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Of these inorganic salts, the pH of the aqueous collagen solution can be easily adjusted to the preferred range described below, and the aqueous collagen solution contains sodium hydrogen phosphate and sodium chloride (salt) from the viewpoint of being harmless to the living body. preferable.

また、コラーゲン水溶液は、その溶媒として、細胞や生体組織への障害を最小化する、及びコラーゲンの線維化を生じさせるという2つの効果を発揮するため、中性の等張液を含んでもよい。中性の等張液としては、細胞の洗浄操作に用いられ、コラーゲンを活発に線維化させることができるリン酸緩衝生理食塩水(PBS)であってもよい。   In addition, the aqueous collagen solution may contain a neutral isotonic solution as a solvent in order to exert two effects of minimizing damage to cells and living tissue and causing collagen fibrosis. The neutral isotonic solution may be phosphate buffered saline (PBS) that is used in cell washing operations and can actively fibrillate collagen.

コラーゲン水溶液に含まれる無機塩のイオン強度は、0.40〜1.0であると好ましく、0.60〜0.80であるとより好ましい。なお、本実施形態における無機塩のイオン強度は、コラーゲン水溶液が複数の無機塩を含む場合、それら複数の無機塩全体でのイオン強度を指す。コラーゲンの線維化の温度に対する応答性は、イオン強度が高くなると増大するが、無機塩のイオン強度が0.40以上であることにより、その応答性が更に向上する。また、無機塩のイオン強度が1.0以下であることにより、低温での線維化が抑制され、また、室温でのコラーゲン水溶液の安定性が高くなる(すなわち、線維化せずに溶液の状態をより長時間保持することができる。)。なお、本明細書において、無機塩のイオン強度は、コラーゲン水溶液に含まれる全ての無機塩由来のイオン種について、それぞれのイオンのモル濃度と電荷の二乗との積を加算し、さらにそれに1/2を乗じて算出されるものである。   The ionic strength of the inorganic salt contained in the collagen aqueous solution is preferably 0.40 to 1.0, and more preferably 0.60 to 0.80. In addition, the ionic strength of the inorganic salt in the present embodiment refers to the ionic strength of the plurality of inorganic salts as a whole when the collagen aqueous solution includes a plurality of inorganic salts. The responsiveness to the temperature of collagen fibrillation increases as the ionic strength increases, but the responsiveness is further improved when the ionic strength of the inorganic salt is 0.40 or more. In addition, when the ionic strength of the inorganic salt is 1.0 or less, fibrosis at a low temperature is suppressed, and the stability of the aqueous collagen solution at room temperature increases (that is, the state of the solution without fibrosis). Can be held for a longer time.) In this specification, the ionic strength of the inorganic salt is obtained by adding the product of the molar concentration of each ion and the square of the charge for all ionic species derived from the inorganic salt contained in the collagen aqueous solution. It is calculated by multiplying by 2.

本実施形態のコラーゲン水溶液のpH(23℃におけるpH。本明細書において同様。)は、6.0〜9.0であると好ましく、6.5〜8.0であるとより好ましい。コラーゲンの線維化は中性付近で活発に生じることが知られている。pHが6.0以上であることにより、コラーゲンの線維化をより促進することができる。また、pHが9.0以下であることにより、コラーゲンの線維化をより促進することができる。pHの調整は、常法により可能であり、例えば、コラーゲン水溶液に含まれる無機塩の濃度、好ましくは塩化ナトリウム及びリン酸水素ナトリウムの濃度を制御したり、塩酸や水酸化ナトリウムなどの強酸、及び/又は強アルカリを添加したりして、pHを調整することが可能である。なお、本明細書において、pHはpHメータ(例えば、HORIBA社製、商品名「NAVIh F−71」)により測定される。   The pH of the aqueous collagen solution of the present embodiment (pH at 23 ° C., the same in the present specification) is preferably 6.0 to 9.0, and more preferably 6.5 to 8.0. It is known that collagen fibrosis occurs actively near neutrality. When the pH is 6.0 or more, the fibrosis of collagen can be further promoted. Moreover, when the pH is 9.0 or lower, collagen fibrosis can be further promoted. The pH can be adjusted by a conventional method. For example, the concentration of inorganic salt contained in the aqueous collagen solution, preferably the concentration of sodium chloride and sodium hydrogen phosphate, or a strong acid such as hydrochloric acid or sodium hydroxide, and It is possible to adjust the pH by adding a strong alkali. In the present specification, pH is measured with a pH meter (for example, trade name “NAVIh F-71” manufactured by HORIBA).

コラーゲン水溶液が塩化ナトリウム(食塩)を含む場合のその塩化ナトリウムの濃度は、コラーゲン水溶液のpH及びイオン強度が所望の範囲になる濃度であれば特に限定されない。例えば、塩化ナトリウムの濃度が、コラーゲン水溶液の全量に対して、200mM〜400mMであると好ましく、250mM〜350mMであるとより好ましい。塩化ナトリウムの濃度をこのような範囲にすることにより、コラーゲン水溶液のpHを6.0〜9.0の範囲内にしつつ、無機塩のイオン強度を0.40〜1.0の範囲内にすることがより容易となる。   The concentration of sodium chloride when the aqueous collagen solution contains sodium chloride (salt) is not particularly limited as long as the pH and ionic strength of the aqueous collagen solution are in a desired range. For example, the concentration of sodium chloride is preferably 200 mM to 400 mM and more preferably 250 mM to 350 mM with respect to the total amount of the collagen aqueous solution. By setting the concentration of sodium chloride within such a range, the ionic strength of the inorganic salt is set within the range of 0.40 to 1.0 while the pH of the collagen aqueous solution is within the range of 6.0 to 9.0. It becomes easier.

また、コラーゲン水溶液がリン酸水素ナトリウムを含む場合のそのリン酸水素ナトリウムの濃度も、コラーゲン水溶液のpH及びイオン強度が所望の範囲になる濃度であれば特に限定されない。例えば、リン酸水素ナトリウムの濃度が、コラーゲン水溶液の全量に対して、70mM〜180mMであると好ましく、90mM〜140mMであるとより好ましい。リン酸水素ナトリウムの濃度をこのような範囲にすることにより、コラーゲン水溶液のpHを6.0〜9.0の範囲内にしつつ、無機塩のイオン強度を0.40〜1.0の範囲内にすることがより容易となる。   Further, the concentration of sodium hydrogen phosphate in the case where the collagen aqueous solution contains sodium hydrogen phosphate is not particularly limited as long as the pH and ionic strength of the collagen aqueous solution are within a desired range. For example, the concentration of sodium hydrogen phosphate is preferably 70 mM to 180 mM and more preferably 90 mM to 140 mM with respect to the total amount of the collagen aqueous solution. By setting the concentration of sodium hydrogen phosphate in such a range, the pH of the collagen aqueous solution is in the range of 6.0 to 9.0, and the ionic strength of the inorganic salt is in the range of 0.40 to 1.0. It will be easier.

コラーゲン水溶液からのコラーゲン線維の形成は、数時間以上を要して徐々に進行し、ゲルの強度を高めるため、コラーゲンゲルの回収を急ぐとそのゲルが破壊されやすくなる。そこで、コラーゲンゲルの強度を早期に高め、より短時間でコラーゲンゲルを回収する観点から、コラーゲン水溶液が架橋剤を含むと好ましい。架橋剤は特に限定されず、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることもできるが、架橋剤そのものの細胞毒性が低いとされている植物由来のゲニピン、あるいは架橋剤がコラーゲン分子間に挿入されないため水洗で除去される1−(3−ジメチルアミノプロピル)−3−エチルカルボジイミド(以下、「EDC」と表記する。)とその架橋助剤であるN−ヒドロキシスクシンイミド(NHS)などが好ましく用いられる。ゲニピンはゲニポシドのアグリコンであり、例えば、ゲニポシドの酸化、還元及び加水分解により得られ、あるいは、ゲニポシドの酵素加水分解によって得られる。ゲニポシドは、アカネ科のクチナシに含まれるイリドイド配糖体であり、クチナシから抽出して得られる。ゲニピンは、C11145の分子式で表され、常法により合成してもよく、市販品を入手してもよい。また、ゲニピンは、本発明による目的達成を阻害しない程度に、その架橋効果を確保する範囲で、誘導体化されていてもよい。EDCは水溶性カルボジイミドの一種であり、水溶性カルボジイミドであればその種類を問わず架橋剤として用いることができるが、その中でも、安価かつ安全性が高いEDCが特に好ましく用いられる。水溶性カルボジイミドは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。また、EDCは単独で用いてもよいし、NHSと混合して用いてもよい。EDCの架橋活性はNHSの混合によって向上することが知られている。 Formation of collagen fibers from an aqueous collagen solution gradually takes several hours or more and increases the strength of the gel. Therefore, if the recovery of the collagen gel is accelerated, the gel tends to be broken. Therefore, from the viewpoint of increasing the strength of the collagen gel early and recovering the collagen gel in a shorter time, the aqueous collagen solution preferably contains a crosslinking agent. The crosslinking agent is not particularly limited, and one kind can be used alone or two or more kinds can be used in combination. However, the plant-derived genipin, which is considered to have low cytotoxicity of the crosslinking agent itself, or a crosslinking agent between collagen molecules. 1- (3-dimethylaminopropyl) -3-ethylcarbodiimide (hereinafter referred to as “EDC”) which is removed by washing with water and N-hydroxysuccinimide (NHS) which is a crosslinking aid thereof Preferably used. Genipin is an aglycone of geniposide, and can be obtained, for example, by oxidation, reduction and hydrolysis of geniposide or by enzymatic hydrolysis of geniposide. Geniposide is an iridoid glycoside contained in Rubiaceae gardenia and is obtained by extraction from gardenia. Genipin is represented by a molecular formula of C 11 H 14 O 5 , and may be synthesized by a conventional method or a commercially available product may be obtained. Further, genipin may be derivatized to the extent that the crosslinking effect is ensured to such an extent that the achievement of the object of the present invention is not hindered. EDC is a kind of water-soluble carbodiimide, and any water-soluble carbodiimide can be used as a cross-linking agent regardless of its type. Among them, EDC is particularly preferably used because it is inexpensive and highly safe. A water-soluble carbodiimide is used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. EDC may be used alone or in combination with NHS. It is known that the crosslinking activity of EDC is improved by mixing NHS.

本実施形態のコラーゲン水溶液が架橋剤を含み、その架橋剤がゲニピンである場合、ゲニピンの濃度は、コラーゲン水溶液の全量を基準として、0.5mM〜5.0mMであると好ましく、1.0mM〜4.0mMであるとより好ましく、2.0mM〜3.0mMであると更に好ましい。ゲニピンの濃度が0.5mM以上であることにより、コラーゲンゲルの強度をより早期に高めることができ、コラーゲンゲルを回収する際の破壊が生じにくくなり歩留まりが向上する。一方、ゲニピンの濃度が5.0mM以下であることにより、コラーゲン水溶液の室温での流動性をより良好に維持することが可能になると共に、ゲニピンによる細胞毒性の影響をより抑制することができる。   When the collagen aqueous solution of the present embodiment contains a crosslinking agent and the crosslinking agent is genipin, the concentration of genipin is preferably 0.5 mM to 5.0 mM, based on the total amount of the collagen aqueous solution, It is more preferable that it is 4.0 mM, and it is still more preferable that it is 2.0 mM-3.0 mM. When the concentration of genipin is 0.5 mM or more, the strength of the collagen gel can be increased earlier, and it is difficult for the collagen gel to be destroyed during recovery, thereby improving the yield. On the other hand, when the concentration of genipin is 5.0 mM or less, the fluidity of the collagen aqueous solution at room temperature can be better maintained, and the cytotoxic effect of genipin can be further suppressed.

本実施形態のコラーゲン水溶液が架橋剤を含み、その架橋剤がEDCである場合、EDCの濃度は、コラーゲン水溶液の全量を基準として、1.0mM〜20mMであると好ましく、2.0mM〜10mMであるとより好ましく、3.0mM〜8.0mMであると更に好ましい。EDCの濃度が1.0mM〜20mMの範囲にあることによる効果は、ゲニピンと同様である。EDCにNHSを混合すると、架橋活性が高くなるので好ましい。EDCに対するNHSのモル比(EDC:NHS)は、10:1〜1:1の範囲が好ましい。この範囲にあることにより、EDCの架橋活性が高まるとともに、NHSの残存による細胞毒性の影響をより抑制することができる。   When the collagen aqueous solution of this embodiment contains a crosslinking agent and the crosslinking agent is EDC, the concentration of EDC is preferably 1.0 mM to 20 mM, based on the total amount of the collagen aqueous solution, and is 2.0 mM to 10 mM. More preferably, it is 3.0 mM to 8.0 mM. The effect of having an EDC concentration in the range of 1.0 mM to 20 mM is the same as that of genipin. It is preferable to mix NHS with EDC since the crosslinking activity is increased. The molar ratio of NHS to EDC (EDC: NHS) is preferably in the range of 10: 1 to 1: 1. By being in this range, the crosslinking activity of EDC is enhanced, and the influence of cytotoxicity due to the remaining NHS can be further suppressed.

また、本実施形態のコラーゲン水溶液には、従来のコラーゲン水溶液に用いられる各種の溶媒及び添加剤が更に含まれてもよい。そのような溶媒及び添加剤としては、希塩酸、クエン酸、酢酸などの酸、HEPESやトリスなどの緩衝剤が挙げられる。   In addition, the collagen aqueous solution of the present embodiment may further contain various solvents and additives used in conventional collagen aqueous solutions. Examples of such solvents and additives include acids such as dilute hydrochloric acid, citric acid, and acetic acid, and buffers such as HEPES and Tris.

上記添加剤及び溶媒は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。また、コラーゲン水溶液における上記添加剤及び溶媒の含有割合は、本発明の目的達成を阻害しない範囲であれば特に限定されない。   The said additive and solvent are used individually by 1 type or in combination of 2 or more types. Moreover, the content rate of the said additive and solvent in collagen aqueous solution will not be specifically limited if it is a range which does not inhibit achievement of the objective of this invention.

本実施形態のコラーゲンゲルの作製方法は、コラーゲン水溶液にせん断を与えた際に発生するせん断応力を、コラーゲン線維の形成によって増加させる工程(以下、「線維形成工程」ともいう。)を有する。この線維形成工程の少なくとも一部において、コラーゲン水溶液に対して、せん断速度0.20s-1〜30s-1の範囲のせん断を与える。そして、そのようなせん断速度のせん断を与える間、コラーゲン水溶液のせん断応力を増加させる速度(割合)が1秒あたり1%〜30%の範囲となる工程を、2秒〜120秒間有する。ここで、1秒あたりのせん断応力の増加割合(以下、「せん断応力増加率」という。)は、下記式(1)によって算出される。
せん断応力増加率(%)=(τ1−τ0)/τ0/T×100 (1)
式(1)中、τ0は、せん断応力増加率を算出する期間の始点でのせん断応力を示し、τ1は、せん断応力増加率を算出する期間の終点でのせん断応力を示し、「T」はせん断応力増加率を算出する期間の長さ(単位:秒)を示し、5.0≦T≦120の任意の範囲で算出される。せん断応力の増加は、ある時期のみ瞬間的に高くなってもコラーゲンの配向化に十分でないので、5.0秒以上の期間でせん断応力増加率を算出する。一方、せん断は120秒以下の期間で付与されるため、せん断応力増加率を算出する期間も同じく120秒以下である。
The method for producing a collagen gel according to the present embodiment includes a step of increasing the shear stress generated when shearing the aqueous collagen solution by forming collagen fibers (hereinafter also referred to as “fiber formation step”). In at least a part of the fibril formation process, shearing in a range of a shear rate of 0.20 s −1 to 30 s −1 is given to the collagen aqueous solution. And while giving the shear of such a shear rate, it has the process for which the speed | rate (ratio) which increases the shear stress of collagen aqueous solution becomes the range of 1-30% per second for 2 second-120 second. Here, the increase rate of shear stress per second (hereinafter referred to as “shear stress increase rate”) is calculated by the following equation (1).
Shear stress increase rate (%) = (τ1-τ0) / τ0 / T × 100 (1)
In Equation (1), τ0 represents the shear stress at the start point of the period for calculating the shear stress increase rate, τ1 represents the shear stress at the end point of the period for calculating the shear stress increase rate, and “T” is Indicates the length (unit: second) of the period for calculating the shear stress increase rate, and is calculated in an arbitrary range of 5.0 ≦ T ≦ 120. Even if the increase in shear stress increases momentarily only at a certain time, it is not sufficient for the orientation of collagen, so the rate of increase in shear stress is calculated over a period of 5.0 seconds or more. On the other hand, since shear is applied in a period of 120 seconds or less, the period for calculating the shear stress increase rate is also 120 seconds or less.

本実施形態に係る線維形成工程において、コラーゲン線維の形成は、例えば、コラーゲン水溶液の加温によって行われる。無機塩を含有したコラーゲン水溶液のpHが6.0〜9.0で、イオン強度が0.40〜1.0である場合、コラーゲン分子は加温によって疎水的かつ静電的相互作用により自己組織化し、線維を形成する。コラーゲン水溶液を加温する場合、その水溶液を25℃以下の温度から32〜42℃へ加温することによって、コラーゲン線維を形成することが好ましい。コラーゲン水溶液を25℃以下の温度から加温することによって、加温を開始する前にコラーゲン線維が形成することを一層抑制することができる。一方、コラーゲン水溶液を32℃以上の温度まで加温することによって、コラーゲン線維の形成速度をより高めることができ、42℃以下の温度まで加温することによって、コラーゲンの熱変性を更に有効かつ確実に防止することができる。なお、加温によってコラーゲン線維を形成させる場合、せん断応力の増加は温度の上昇よりも遅れて始まってもよく、加温の目的温度(例えば32〜42℃)に達した後、その温度に維持している間にせん断応力が増加してもよい。   In the fiber formation step according to this embodiment, the formation of collagen fibers is performed, for example, by heating a collagen aqueous solution. When the pH of an aqueous collagen solution containing an inorganic salt is 6.0 to 9.0 and the ionic strength is 0.40 to 1.0, the collagen molecules are self-organized by hydrophobic and electrostatic interactions by heating. To form fibers. When the collagen aqueous solution is heated, it is preferable to form collagen fibers by heating the aqueous solution from a temperature of 25 ° C. or lower to 32 to 42 ° C. By heating the collagen aqueous solution from a temperature of 25 ° C. or lower, it is possible to further suppress the formation of collagen fibers before starting the heating. On the other hand, by heating the collagen aqueous solution to a temperature of 32 ° C. or higher, the formation rate of collagen fibers can be further increased, and by heating to a temperature of 42 ° C. or lower, the thermal denaturation of collagen is more effective and reliable. Can be prevented. When collagen fibers are formed by heating, the increase in shear stress may start later than the increase in temperature, and after reaching the target temperature for heating (for example, 32 to 42 ° C.), the temperature is maintained at that temperature. Shear stress may increase during the process.

本実施形態のコラーゲンゲルの作製方法は、せん断応力増加率が1%以上30%以下の範囲にあるコラーゲン水溶液にせん断を付与して、コラーゲン線維を配向させる。せん断応力増加率が1%以上の期間でせん断を付与することにより、コラーゲン線維の一軸方向への配列とコラーゲンゲルの固定化を連続的に生じさせることができ、コラーゲンゲルの破壊を抑えながらコラーゲン線維の配向性をより高めることが可能となる。一方、せん断応力増加率が30%以下の期間でせん断を付与することにより、せん断を付与されるコラーゲン水溶液が局所的に線維化することを抑制でき、また、コラーゲン線維の一軸方向への配列が十分に生じる前にコラーゲンゲルが固定化されてしまうことを防ぐことができる。例えば、せん断下にあるコラーゲン水溶液を加温することでそのせん断応力を増加させる場合であっても、せん断応力増加率が30%以下である期間でせん断を付与することにより、加温する熱源に近い部分と遠い部分との間で線維化の程度に差異が生じ難くなる。   In the method for producing a collagen gel according to this embodiment, shearing is applied to a collagen aqueous solution having a shear stress increase rate in the range of 1% to 30% to orient collagen fibers. By applying shear in a period in which the rate of increase in shear stress is 1% or more, collagen fibers can be arranged in a uniaxial direction and collagen gel can be immobilized continuously, and collagen collagen can be prevented while breaking down. It becomes possible to further increase the orientation of the fibers. On the other hand, by applying shear in a period in which the rate of increase in shear stress is 30% or less, it is possible to suppress local fibrillation of the collagen aqueous solution to which shear is applied. It is possible to prevent the collagen gel from being fixed before it is sufficiently generated. For example, even when the shear stress is increased by heating a collagen aqueous solution under shear, by applying shear during a period in which the shear stress increase rate is 30% or less, the heat source to be heated A difference in the degree of fibrosis between the near part and the far part becomes difficult to occur.

コラーゲン水溶液にせん断を付与する際のせん断速度は、少なくとも一部で0.20s-1〜30s-1であり、好ましくは、0.50s-1〜10s-1である。このせん断速度が0.20s-1以上であることにより、コラーゲン線維の配向を十分に高くすることができる。一方、上記せん断速度が30s-1以下であることにより、ゲル化の過程にあるコラーゲン水溶液に対して効果的にせん断応力を伝えることができ、コラーゲン水溶液の流れが乱れてコラーゲン線維の配向度が低下することを防ぎ、また、ゲルの破壊をより有効かつ確実に防止することが可能となる。 The shear rate at the time of imparting shear to the collagen aqueous solution is at least partially 0.20 s −1 to 30 s −1 , preferably 0.50 s −1 to 10 s −1 . When the shear rate is 0.20 s −1 or more, the orientation of the collagen fibers can be made sufficiently high. On the other hand, when the shear rate is 30 s -1 or less, the shear stress can be effectively transmitted to the collagen aqueous solution in the process of gelation, and the flow of the collagen aqueous solution is disturbed and the degree of orientation of the collagen fibers is reduced. It is possible to prevent lowering, and to prevent gel breakage more effectively and reliably.

コラーゲン水溶液にせん断を付与することによりせん断応力が1秒あたり1%〜30%の速度で増加している時間は、2秒〜120秒であり、好ましくは5秒〜60秒である。この時間を2秒以上にすることにより、コラーゲン線維の配向を十分に高くすることができる。一方、せん断応力が上記の速度で増加している時間を120秒以内にすることにより、ゲル化が進んだ配向コラーゲン線維の破壊を防止することができる。   The time during which the shear stress is increased at a rate of 1% to 30% per second by applying shear to the collagen aqueous solution is 2 seconds to 120 seconds, preferably 5 seconds to 60 seconds. By setting this time to 2 seconds or more, the orientation of collagen fibers can be made sufficiently high. On the other hand, by setting the time during which the shear stress increases at the above-mentioned speed within 120 seconds, it is possible to prevent destruction of oriented collagen fibers that have progressed to gelation.

コラーゲン水溶液にせん断を付与する際のせん断の方法は、特に限定されず、例えば、回転する平行板の間でせん断を生じさせる方法、一軸方向にずれる平行板の間でせん断を生じさせる方法、及び、シリンダー内で円柱を共軸回転させ、シリンダーと円柱との間隙でせん断を生じさせる方法が挙げられる。これらの中では、コラーゲンゲルを回収しやすく、せん断付与を連続的に行える観点から、回転する平行板の間でせん断を生じさせる方法(回転せん断)が好ましい。   The method of shearing when applying shear to the collagen aqueous solution is not particularly limited, for example, a method of generating shear between rotating parallel plates, a method of generating shear between parallel plates shifted in a uniaxial direction, and in a cylinder There is a method in which a cylinder is rotated coaxially and shear is generated in the gap between the cylinder and the cylinder. Among these, a method of causing shear between rotating parallel plates (rotational shearing) is preferable from the viewpoint that collagen gel can be easily collected and shearing can be continuously applied.

コラーゲン水溶液に各種のせん断を付与する際に用いる装置としては、溶液やゲルにせん断を付与する公知の装置を用いることができる。コラーゲン水溶液の温度をコラーゲンが線維化する温度まで速やかに高め、高い配向度を得るためには、コラーゲン水溶液が接触する部位を加温する熱源を有することが好ましい。そのような装置としては、例えば、ペルチェコントローラを装備した温度制御型のレオメータを用いることができる。   As a device used for applying various kinds of shear to the aqueous collagen solution, a known device for applying shear to the solution or gel can be used. In order to quickly increase the temperature of the collagen aqueous solution to the temperature at which collagen fibrillates and to obtain a high degree of orientation, it is preferable to have a heat source that heats the portion in contact with the collagen aqueous solution. As such an apparatus, for example, a temperature control type rheometer equipped with a Peltier controller can be used.

本実施形態のコラーゲンゲルは、上記本実施形態のコラーゲンゲルの作製方法により作製されるものである。このコラーゲンゲルは、配向したコラーゲン線維を含む。より具体的には、本実施形態のコラーゲンゲルは、光路長1mmあたりかつコラーゲン濃度1質量%あたりの複屈折位相差が30°〜90°のものである。かかる複屈折位相差を示すコラーゲンゲルは、コラーゲン線維が十分に配向したものといえ、例えばmm〜cmスケールの線維束として配向したものと認められる。完全に一軸配向したコラーゲン線維の複屈折位相差は、上記のように標準化した値として90°を超えず、その上限値は好ましくは80°、より好ましくは70°、更に好ましくは60°である。コラーゲンゲルの複屈折位相差は、下記実施例に記載の方法により測定される。   The collagen gel of this embodiment is produced by the method for producing a collagen gel of this embodiment. This collagen gel contains oriented collagen fibers. More specifically, the collagen gel of this embodiment has a birefringence phase difference of 30 ° to 90 ° per 1 mm optical path length and 1 mass% collagen concentration. A collagen gel exhibiting such a birefringence phase difference can be regarded as one in which collagen fibers are sufficiently oriented, for example, oriented as a fiber bundle of mm to cm scale. The birefringence phase difference of fully uniaxially oriented collagen fibers does not exceed 90 ° as a standardized value as described above, and the upper limit is preferably 80 °, more preferably 70 °, and even more preferably 60 °. . The birefringence phase difference of the collagen gel is measured by the method described in the examples below.

上述の本実施形態の作製方法を用いてコラーゲンゲルを作製することにより、得られたコラーゲンゲルの厚みを、その厚み方向の全層に亘ってコラーゲン線維が配向した状態で、0.2mm〜5mmの範囲にすることが可能である。コラーゲンゲルの厚みが0.2mm以上であることにより、動物もしくはヒトに利用可能なインプラントを作製することが可能になり、5mm以下であることにより、ゲル内部のコラーゲン線維配向の均一性を高めることができる。同様の観点から、コラーゲンゲルの厚みは、0.5mm〜3mmであるとより好ましい。なお、コラーゲンゲル線維が、コラーゲンゲルの「厚み方向の全層に亘って配向」していることは、コラーゲンゲルをその厚み方向の任意の位置で厚み方向に垂直に切断して現れる面において、コラーゲンゲル線維が配向していることにより確認することができる。   By producing a collagen gel using the production method of the present embodiment described above, the thickness of the obtained collagen gel is 0.2 mm to 5 mm in a state where collagen fibers are oriented over the entire layer in the thickness direction. It is possible to be in the range. When the thickness of the collagen gel is 0.2 mm or more, it becomes possible to produce an implant that can be used for animals or humans, and when it is 5 mm or less, the uniformity of collagen fiber orientation inside the gel is improved. Can do. From the same viewpoint, the thickness of the collagen gel is more preferably 0.5 mm to 3 mm. In addition, the collagen gel fibers are “orientated over all layers in the thickness direction” of the collagen gel, on the surface that appears by cutting the collagen gel perpendicularly to the thickness direction at any position in the thickness direction, This can be confirmed by the orientation of the collagen gel fibers.

本実施形態のコラーゲンゲルにおいて、コラーゲンの濃度は、コラーゲンゲルの全量を基準として、0.50質量%〜3.0質量%であると好ましく、0.75質量%〜2.0質量%であるとより好ましい。コラーゲンの濃度が0.50質量%以上であることにより、コラーゲンゲルの機械強度を更に高めることができると共に、コラーゲン線維の配向度も高めることができる。一方、コラーゲンの濃度が3.0質量%以下であることにより、本実施形態のコラーゲンゲルをより均一かつ、より容易に得ることが可能となる。   In the collagen gel of this embodiment, the concentration of collagen is preferably 0.50% by mass to 3.0% by mass, and 0.75% by mass to 2.0% by mass, based on the total amount of the collagen gel. And more preferred. When the collagen concentration is 0.50% by mass or more, the mechanical strength of the collagen gel can be further increased, and the degree of orientation of the collagen fibers can be increased. On the other hand, when the collagen concentration is 3.0% by mass or less, the collagen gel of the present embodiment can be obtained more uniformly and more easily.

本実施形態のコラーゲンゲルの用途は特に限定されないが、生体用のインプラント、特に、mm〜cmスケールの線維束として配向したコラーゲン線維を得ることができるので、そのサイズから、人工腱として有用となることが期待される。また、本実施形態によると、そのような配向したコラーゲン線維を非破壊的かつ効率的(例えば20分以内)に形成することができる点でも有用である。なお、本実施形態のコラーゲンゲルを人工腱などの生体用のインプラントとして用いる場合、複数の作製方法で得られた複数のコラーゲンゲルを必要に応じて積層・複合化してもよい。また、複数のコラーゲンゲルを縒り合わせて複合化してもよい。   Although the use of the collagen gel of the present embodiment is not particularly limited, it can be used as an artificial tendon because of its size, because it can obtain a biological implant, particularly collagen fibers oriented as a fiber bundle of mm to cm scale. It is expected. Moreover, according to the present embodiment, such an oriented collagen fiber can be formed nondestructively and efficiently (for example, within 20 minutes). In addition, when using the collagen gel of this embodiment as implants for living bodies such as artificial tendons, a plurality of collagen gels obtained by a plurality of production methods may be laminated and combined as necessary. A plurality of collagen gels may be combined to form a composite.

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1〜13、比較例1〜8)
〔コラーゲン溶液の準備〕
濃度1.0質量%のブタ皮膚製コラーゲン溶液(テロペプチド除去型コラーゲン、日本ハム株式会社製、コラーゲンの変性温度:40℃)をコラーゲン原液として準備した。エバポレーター(水溶温度:29℃)を用いてコラーゲン溶液を濃縮し、濃度1.2質量%及び2.4質量%のコラーゲン溶液を得た。濃度0.6質量%のコラーゲン溶液は、コラーゲン原液を希塩酸水溶液(pH=3)で希釈して得た。
(Examples 1-13, Comparative Examples 1-8)
[Preparation of collagen solution]
A collagen solution made of pig skin having a concentration of 1.0% by mass (telopeptide-removable collagen, Nippon Ham Co., Ltd., collagen denaturation temperature: 40 ° C.) was prepared as a collagen stock solution. The collagen solution was concentrated using an evaporator (water temperature: 29 ° C.) to obtain collagen solutions having concentrations of 1.2% by mass and 2.4% by mass. A collagen solution having a concentration of 0.6% by mass was obtained by diluting a collagen stock solution with a dilute hydrochloric acid aqueous solution (pH = 3).

〔ゲニピン水溶液の準備〕
リン酸水素ナトリウム及び塩化ナトリウムを含む緩衝液を溶媒として、そこに、ゲニピン(和光純薬工業株式会社製)を溶解し、ゲニピン水溶液を調製した。リン酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、及びゲニピンの濃度は、最終的に得られるコラーゲン水溶液中のそれらの濃度が表1に示す濃度となるように調節した。
[Preparation of genipin aqueous solution]
Using a buffer solution containing sodium hydrogen phosphate and sodium chloride as a solvent, genipin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved therein to prepare a genipin aqueous solution. The concentrations of sodium hydrogen phosphate, sodium chloride, and genipin were adjusted so that their concentrations in the finally obtained collagen aqueous solution were as shown in Table 1.

〔EDC/NHS水溶液の準備〕
リン酸水素ナトリウム及び塩化ナトリウムを含む緩衝液を溶媒として、そこに、EDC(同仁化学研究所製)及びNHS(和光純薬工業株式会社製)を溶解し、EDC/NHS水溶液を調製した。リン酸水素ナトリウム、塩化ナトリウム、及びEDC/NHSの濃度は、最終的に得られるコラーゲン水溶液中のそれらの濃度が表1に示す濃度となるように調節した。
[Preparation of EDC / NHS aqueous solution]
Using a buffer solution containing sodium hydrogen phosphate and sodium chloride as a solvent, EDC (manufactured by Dojindo Laboratories) and NHS (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were dissolved therein to prepare an EDC / NHS aqueous solution. The concentrations of sodium hydrogen phosphate, sodium chloride, and EDC / NHS were adjusted so that their concentrations in the finally obtained collagen aqueous solution were as shown in Table 1.

〔コラーゲン水溶液の調製〕
上記のようにして準備したコラーゲン溶液を、15mL遠心チューブに6gずつ入れ、庫内温度を4℃に調整した冷蔵庫内に静置した。チューブ内には撹拌を促進するためのマグネティックスターラー(10.8g、内径10mm×39mm)を収容した。次いで、室温のゲニピン水溶液又はEDC/NHS水溶液2mLをマイクロピペットで吸い上げ、コラーゲン溶液の入った遠心チューブに添加して、その遠心チューブを激しく振り混ぜて撹拌した。およそ30秒間で撹拌の後の遠心チューブを遠心分離機の所定位置にセットして、3200rpm、1.5分間の条件で遠心分離を行い、気泡を液上面に集め、架橋剤を含有するコラーゲン水溶液を得た。このコラーゲン水溶液の調製作業は室温にて4分以内に終えた。なお、コラーゲン水溶液のpHを、pHメータ(HORIBA社製、商品名「NAVIh F−71」)により測定した結果、及びコラーゲン水溶液における無機塩のイオン強度を表1に示す。
[Preparation of aqueous collagen solution]
6 g of the collagen solution prepared as described above was placed in a 15 mL centrifuge tube, and allowed to stand in a refrigerator whose internal temperature was adjusted to 4 ° C. A magnetic stirrer (10.8 g, inner diameter 10 mm × 39 mm) for promoting stirring was accommodated in the tube. Then, 2 mL of room temperature genipin aqueous solution or EDC / NHS aqueous solution was sucked up with a micropipette, added to a centrifuge tube containing a collagen solution, and the centrifuge tube was vigorously shaken and stirred. The centrifuge tube after stirring for about 30 seconds is set in a predetermined position of the centrifuge, centrifuged at 3200 rpm for 1.5 minutes, air bubbles are collected on the liquid surface, and an aqueous collagen solution containing a crosslinking agent Got. This collagen aqueous solution preparation work was completed within 4 minutes at room temperature. Table 1 shows the results of measuring the pH of the collagen aqueous solution with a pH meter (trade name “NAVIh F-71” manufactured by HORIBA) and the ionic strength of the inorganic salt in the collagen aqueous solution.

〔微小振動によるコラーゲンゲルの作製〕
上記のようにして調製したコラーゲン水溶液を、内径60mmのパラレルプレート型センサーを取り付けた動的粘弾性測定装置(Thermofisher Scientific社製、商品名「HAAKE MarsIII」)のボトムプレート上(23℃)に流し、ボトム及びアッパープレートの間(ギャップ=1mm)にコラーゲン水溶液を挟み込んだ(図1の(A)を参照)。次いで、そのコラーゲン水溶液に対し、一定のせん断ひずみ0.005を周波数1Hzで付与することで、微小振動をさせながら温度調節を行い、貯蔵弾性率(G’)の時間変化を追跡した。図2の(A)において、実線は、測定開始後180秒までのG’の時間変化を示し、破線は、測定開始後180秒までのコラーゲン水溶液の加温プロファイルを示す。また、図2の(B)は、測定開始後180秒までに微小振動及び回転せん断を付与した期間を示す。回転せん断のせん断速度は0.10s-1〜50s-1の範囲で変化させた。図2の(A)に示す結果は、図2の(B)の条件Iによるものである。加温プロファイルは、まず、23℃にて60秒経過した後、30秒間に37℃まで昇温し、その後、37℃に一定に保持した。温度が37℃に到達した直後からG’が急激に増加し、60秒以内に1000Paを超えた。図2の(B)に示すように180秒の微小振動を継続した後、さらに37℃の微小振動を14分間継続し、プレート間に作製された円盤状コラーゲンゲルを回収した。得られたコラーゲンゲルは、本発明の作製方法に基づく回転せん断を付与しないで作製したサンプルとして分析に供した。このようなコラーゲンゲルを「ランダムコラーゲン線維ゲル」と呼ぶ。
[Preparation of collagen gel by micro vibration]
The aqueous collagen solution prepared as described above is allowed to flow on a bottom plate (23 ° C.) of a dynamic viscoelasticity measuring apparatus (product name “HAAKE MarsIII”, manufactured by Thermo Fisher Scientific, Inc.) equipped with a parallel plate type sensor having an inner diameter of 60 mm. The collagen aqueous solution was sandwiched between the bottom and the upper plate (gap = 1 mm) (see FIG. 1A). Next, by applying a constant shear strain of 0.005 to the collagen aqueous solution at a frequency of 1 Hz, the temperature was adjusted while microvibrating, and the time change of the storage elastic modulus (G ′) was followed. In FIG. 2A, the solid line shows the time change of G ′ up to 180 seconds after the start of measurement, and the broken line shows the heating profile of the collagen aqueous solution up to 180 seconds after the start of measurement. Moreover, (B) of FIG. 2 shows the period which provided the minute vibration and the rotation shear by 180 seconds after the measurement start. The shear rate of the rotational shear was changed in the range of 0.10 s −1 to 50 s −1 . The result shown in FIG. 2A is based on the condition I in FIG. First, after 60 seconds at 23 ° C., the heating profile was raised to 37 ° C. in 30 seconds, and then kept constant at 37 ° C. Immediately after the temperature reached 37 ° C., G ′ increased rapidly and exceeded 1000 Pa within 60 seconds. As shown in FIG. 2 (B), after the minute vibration for 180 seconds was continued, the minute vibration at 37 ° C. was further continued for 14 minutes, and the discotic collagen gel produced between the plates was collected. The obtained collagen gel was subjected to analysis as a sample prepared without applying rotational shear based on the preparation method of the present invention. Such a collagen gel is called a “random collagen fiber gel”.

〔回転せん断によるコラーゲンゲルの作製〕
上記の微小振動によるコラーゲンゲルの作製と同様にして、コラーゲン水溶液をボトム及びアッパープレートの間(ギャップ=1mm)に挟み込み、図2の(A)に示す温度プロファイルを用いて、図2の(B)に示す条件II、III、IV、V及びVIにて回転せん断を加えた。回転せん断を終了した後、微小振動に移行した。回転せん断を行っても、微小振動の場合と同様に、プレート間に円盤状コラーゲンゲルが非破壊的に作製された(図1の(B)を参照)。加温及び回転せん断の条件を表2に示す。
[Production of collagen gel by rotational shearing]
In the same manner as the preparation of the collagen gel by the above minute vibration, the collagen aqueous solution is sandwiched between the bottom and the upper plate (gap = 1 mm), and the temperature profile shown in FIG. ) Rotational shear was applied under the conditions II, III, IV, V, and VI shown in FIG. After completing the rotational shear, it shifted to micro vibration. Even when rotational shearing was performed, a disk-shaped collagen gel was produced non-destructively between the plates as in the case of microvibration (see FIG. 1B). Table 2 shows the conditions for heating and rotational shearing.

このように、図2の(B)に示した回転せん断条件をII、III、IV、V及びVIと変更し、回転せん断を付与する期間を変えた。2.5mMのゲニピン及びイオン強度0.65の無機塩を含む1.8質量%コラーゲン水溶液に対し、条件III、IV、V及びVIのせん断を与えて得られる典型的なせん断応力変化を図4に示す。条件II、すなわち23℃から37℃までの昇温が完了するまで回転せん断を与えた場合、せん断応力の有意な上昇は見られず、粘度がわずかに低下する場合もあった(表2を参照。)。条件IIIの場合、37℃到達後わずか10秒の間にせん断応力の上昇が観察された。回転せん断を与える期間を更に長くするとせん断応力の上昇速度は急激に高まり、条件IVからVの間にせん断応力増加率は極大値をむかえた。ところが、更に回転せん断を与える期間を長くした条件VIの場合、条件Vの場合と比較して、せん断応力増加率の低下が観察された。   As described above, the rotational shear condition shown in FIG. 2B was changed to II, III, IV, V, and VI, and the period for applying the rotational shear was changed. FIG. 4 shows typical shear stress changes obtained by applying shear under conditions III, IV, V and VI to a 1.8 mass% collagen aqueous solution containing 2.5 mM genipin and an inorganic salt having an ionic strength of 0.65. Shown in When rotational shear was applied until condition II, that is, until the temperature was raised from 23 ° C. to 37 ° C., no significant increase in shear stress was observed, and the viscosity sometimes decreased slightly (see Table 2). .) In condition III, an increase in shear stress was observed in only 10 seconds after reaching 37 ° C. When the period for applying rotational shear was further increased, the rate of increase in shear stress increased rapidly, and the rate of increase in shear stress reached a maximum between conditions IV and V. However, in the case of the condition VI in which the period for giving the rotational shear is further increased, a decrease in the shear stress increase rate was observed as compared with the case of the condition V.

ここで、応力の時間変化曲線から式(1)を用いてせん断応力増加率を算出する際に用いる、T、τ0及びτ1を、図3に示す。また、各例におけるせん断応力増加率を算出する期間(算出期間T、5.0≦T≦120)を表2に示す。条件IIの場合は、23℃から37℃まで30秒かけて昇温した期間を算出期間Tとした。条件III、IV、V及びVIの場合は、37℃に到達してからの、せん断応力の上昇が特に著しい任意の期間を算出期間Tとした。せん断速度増加率を算出する期間の始点、始点及び終点におけるせん断応力τ0及びτ1、並びにせん断速度増加率の結果も表2に示す。   Here, FIG. 3 shows T, τ0, and τ1 that are used when the shear stress increase rate is calculated using the equation (1) from the time change curve of the stress. In addition, Table 2 shows the period for calculating the shear stress increase rate in each example (calculation period T, 5.0 ≦ T ≦ 120). In the case of Condition II, a period during which the temperature was raised from 23 ° C. to 37 ° C. over 30 seconds was defined as a calculation period T. In the case of conditions III, IV, V, and VI, a calculation period T was defined as an arbitrary period in which the increase in shear stress was particularly significant after reaching 37 ° C. Table 2 also shows the results of the shear stress τ0 and τ1 at the start point, start point, and end point of the period for calculating the shear rate increase rate, and the shear rate increase rate.

得られたコラーゲンゲル中のコラーゲン線維の配向度を比較するため、ゲルの複屈折位相差を測定した。波長633nmのヘリウム−ネオンレーザー光を偏光素子によって変調させて既知の偏光状態の光を作製し、それをコラーゲンゲル試料の厚み方向に入射し、偏光素子を介して得られた透過光強度を解析する偏光変調法によりコラーゲンゲルの複屈折位相差求めた(これを「複屈折位相差(A)」とする。)。コラーゲン濃度が高くなるほど、光路長が大きくなるほど複屈折位相差(A)は大きくなるので、複屈折位相差(A)をコラーゲン濃度及び試料の厚みで除して標準化した値を「複屈折位相差(B)」とした。それぞれの値を表3に示す。   In order to compare the degree of orientation of collagen fibers in the obtained collagen gel, the birefringence phase difference of the gel was measured. A helium-neon laser beam having a wavelength of 633 nm is modulated by a polarizing element to produce light of a known polarization state, which is incident in the thickness direction of the collagen gel sample, and the transmitted light intensity obtained through the polarizing element is analyzed. The birefringence phase difference of the collagen gel was determined by the polarization modulation method (this is referred to as “birefringence phase difference (A)”). Since the birefringence phase difference (A) increases as the collagen concentration increases and the optical path length increases, the standardized value obtained by dividing the birefringence phase difference (A) by the collagen concentration and the thickness of the sample is expressed as “birefringence phase difference”. (B) ". The respective values are shown in Table 3.

コラーゲン線維が配向したゲルの力学特性を評価するため、実施例2のコラーゲンゲルの引っ張り試験を行った。対照には、ランダムコラーゲン線維ゲルを用いた。以下にサンプル作製法及び試験法を述べる。まず、動的粘弾性測定装置のプレート間に作製された円盤状コラーゲンゲルの辺縁部から、図1の(C)に示したようにダンベル状の試験片(平行部位が4mm×10mm、全長16mm)を切り出した。せん断の向きは円盤状ゲルにおいて同心円状になるため、位置xとyから切り出した試験片は、その長軸方向に対してコラーゲン線維の配向方向がそれぞれほぼ平行及び垂直となる。得られた試験片を10mm×10mmのろ紙の枠(枠の幅4mm)に載置し、試験片の両端部とろ紙を瞬間接着剤(商品名「アロンアルファ」、東亞合成株式会社製)で接着した。そのままプラスチック容器に収容して4℃で1時間静置し、ゲルの乾燥が起こらないような湿潤環境のもと接着を完了させた。その後、試験片の両端部をろ紙ごと強度試験機(製品名「TA.XTplus」、Stable Micro Systems製)のチャックにチャック間距離14mmで固定し、試験片の長軸に平行な(引っ張り方向の)ろ紙の枠をハサミで切断した。引っ張り試験は変形速度0.2mm/秒で行い、得られた応力−ひずみ曲線からヤング率(ひずみ0.01〜0.04の直線領域の傾き)、破断応力、及び破断ひずみを算出した。全ての物性値は、試験片の断面積が一定(4mm2)として算出した。 In order to evaluate the mechanical properties of the gel with collagen fibers oriented, a tensile test of the collagen gel of Example 2 was performed. As a control, a random collagen fiber gel was used. The sample preparation method and test method are described below. First, from the edge of the disc-shaped collagen gel produced between the plates of the dynamic viscoelasticity measuring device, as shown in FIG. 16 mm). Since the shearing direction is concentric in the disc-shaped gel, the specimen cut out from the positions x and y has collagen fibers oriented substantially parallel and perpendicular to the major axis direction, respectively. The obtained test piece is placed on a frame of 10 mm × 10 mm filter paper (frame width 4 mm), and both ends of the test piece and the filter paper are bonded with an instantaneous adhesive (trade name “Aron Alpha”, manufactured by Toagosei Co., Ltd.). did. It was housed in a plastic container as it was and allowed to stand at 4 ° C. for 1 hour to complete the adhesion under a moist environment where gel drying did not occur. After that, both ends of the test piece are fixed to the chuck of the strength tester (product name “TA.XTplus”, manufactured by Stable Micro Systems) together with the filter paper at a distance of 14 mm between the chucks and parallel to the long axis of the test piece ) The filter paper frame was cut with scissors. The tensile test was performed at a deformation rate of 0.2 mm / sec, and Young's modulus (inclination of a linear region of strain 0.01 to 0.04), breaking stress, and breaking strain were calculated from the obtained stress-strain curve. All physical property values were calculated assuming that the cross-sectional area of the test piece was constant (4 mm 2 ).

架橋によるゲルの力学特性の向上を評価するため、実施例2のコラーゲンゲルにEDC/NHS架橋を追加した試験片についても同様の引っ張り試験を実施した。動的粘弾性測定装置のプレート間に作製された円盤状コラーゲンゲルを、PBSを溶媒としたEDC/NHS水溶液(50mM/10mM)に室温で3時間浸漬し、架橋を追加した。ゲルをPBSで十分に洗浄し、未反応の架橋剤を洗浄・除去した後、上記と同様に試験片を作製して引っ張り試験を実施した。   In order to evaluate the improvement in the mechanical properties of the gel due to crosslinking, a similar tensile test was performed on the test piece obtained by adding EDC / NHS crosslinking to the collagen gel of Example 2. The disk-shaped collagen gel produced between the plates of the dynamic viscoelasticity measuring apparatus was immersed in an EDC / NHS aqueous solution (50 mM / 10 mM) using PBS as a solvent at room temperature for 3 hours to add cross-linking. The gel was thoroughly washed with PBS, and unreacted cross-linking agent was washed and removed. Then, a test piece was prepared in the same manner as described above, and a tensile test was performed.

各試験片のコラーゲンゲル作製条件、切り出し部位及び架橋の内容を表4に示す。各物性値は平均値±標準偏差(試験数=6)で表記した。群間の有意差を多重比較法の1つであるTukey法で決定し、p値が0.05未満の場合を有意差とした。   Table 4 shows the collagen gel preparation conditions, cut-out sites, and cross-linking contents of each test piece. Each physical property value was expressed as an average value ± standard deviation (number of tests = 6). A significant difference between groups was determined by Tukey method, which is one of multiple comparison methods, and a case where p value was less than 0.05 was regarded as significant difference.

コラーゲン線維が配向したゲルのナノ構造を観察するため、実施例2のコラーゲンゲルの走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行った。対照として、ランダムコラーゲン線維ゲルを用いた。以下にサンプル作製法及び試験法を述べる。まず、動的粘弾性測定装置のプレート間に作製された円盤状コラーゲンゲルの辺縁部から、図1の(C)のように矩形状のサンプル(7mm×12mm)を切り出した。グルタルアルデヒド水溶液で固定化した後、20%、50%、70%、80%、90%、および99.5%エタノール水溶液に逐次浸漬し、脱水した。更に99.5%エタノール水溶液への浸漬を3回繰り返した後、t−ブチルアルコールに3回浸漬した。これをt−ブチルアルコール凍結乾燥用の真空乾燥機(型番「VFD−21S」;真空デバイス社製)で乾燥した。乾燥サンプルの一部をピンセットで剥離し、サンプル内部を露出させ、金蒸着してSEM観察用試料とした。この試料に対し、Miniscope TM3000(商品名、日立ハイテクノロジーズ社製)を用いて、加速電圧15kVでSEM観察を行った。   In order to observe the nanostructure of the gel in which collagen fibers are oriented, the collagen gel of Example 2 was observed with a scanning electron microscope (SEM). A random collagen fiber gel was used as a control. The sample preparation method and test method are described below. First, a rectangular sample (7 mm × 12 mm) was cut out from the edge of the disc-shaped collagen gel produced between the plates of the dynamic viscoelasticity measuring apparatus as shown in FIG. After immobilization with glutaraldehyde aqueous solution, it was successively immersed in 20%, 50%, 70%, 80%, 90%, and 99.5% ethanol aqueous solution for dehydration. Furthermore, after being immersed in a 99.5% ethanol aqueous solution three times, it was immersed in t-butyl alcohol three times. This was dried with a vacuum dryer (model number “VFD-21S”; manufactured by Vacuum Device Inc.) for freeze-drying t-butyl alcohol. A part of the dried sample was peeled off with tweezers, the inside of the sample was exposed, and gold was deposited to obtain a sample for SEM observation. This sample was subjected to SEM observation at an accelerating voltage of 15 kV using a Miniscope TM3000 (trade name, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).

※条件IIでは、37℃に到達した時点で回転せん断を停止したので、23℃から37℃に昇温した30秒間を算出期間とした。 * In condition II, the rotational shearing was stopped when the temperature reached 37 ° C., so the calculation period was 30 seconds when the temperature was raised from 23 ° C. to 37 ° C.

なお、ランダムコラーゲン線維ゲルの複屈折位相差(A)は2.0°±0.8°であった。 The birefringence phase difference (A) of the random collagen fiber gel was 2.0 ° ± 0.8 °.

※ゲニピンを含むコラーゲン水溶液から動的粘弾性装置を用いて作製したコラーゲンゲルには、ゲニピンによる架橋が導入されている。 * Collagen gel produced from a collagen aqueous solution containing genipin using a dynamic viscoelastic device is introduced with genipin cross-linking.

実施例1〜13では、コラーゲンを0.50質量%〜3.0質量%の濃度で含むコラーゲン水溶液に対し、コラーゲン線維の形成によってせん断応力が1秒あたり1%〜30%の速度で増加している2秒〜120秒の間に、せん断速度0.20s-1〜30s-1の範囲のせん断を付与した。その結果、高い配向度(複屈折位相差(B))のコラーゲン線維を有するコラーゲンゲルを非破壊的に得ることができた。一方、比較例1〜4では、せん断応力の増加が起こらないか、あるいは増加が小さいときにせん断を停止したため、コラーゲン線維の配向度は十分でなく、複屈折位相差(B)が30°を超えなかった。さらに、比較例5では、せん断速度が0.20s-1未満であったため、コラーゲン線維の配向度が高くならず、複屈折位相差(B)が30°を超えなかった。また、比較例6では、せん断速度が30s-1を超えた結果、コラーゲン水溶液のせん断応力増加率が1%未満となり、コラーゲン線維の配向度が高くならず、複屈折位相差(B)が30°を超えなかった。そして、比較例7及び8では、コラーゲン濃度が0.50質量%未満であったため、コラーゲン線維の配向度が高くならず、複屈折位相差(B)が30°を超えなかった。 In Examples 1 to 13, the shear stress increased at a rate of 1% to 30% per second due to the formation of collagen fibers with respect to the collagen aqueous solution containing collagen at a concentration of 0.50% by mass to 3.0% by mass. The shear rate in the range of 0.20 s -1 to 30 s -1 was applied during 2 seconds to 120 seconds. As a result, a collagen gel having collagen fibers with a high degree of orientation (birefringence phase difference (B)) could be obtained non-destructively. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4, since the shear stress was not increased or the shear was stopped when the increase was small, the degree of orientation of the collagen fibers was not sufficient, and the birefringence phase difference (B) was 30 °. It did not exceed. Furthermore, in Comparative Example 5, since the shear rate was less than 0.20 s −1 , the degree of orientation of the collagen fibers did not increase, and the birefringence phase difference (B) did not exceed 30 °. In Comparative Example 6, as a result of the shear rate exceeding 30 s −1 , the shear stress increase rate of the collagen aqueous solution was less than 1%, the degree of orientation of the collagen fibers was not increased, and the birefringence phase difference (B) was 30. It did not exceed °. In Comparative Examples 7 and 8, since the collagen concentration was less than 0.50 mass%, the degree of orientation of the collagen fibers did not increase, and the birefringence phase difference (B) did not exceed 30 °.

得られた結果のうち、実施例(実)2、6、8及び9について、37℃に到達した後の回転せん断を付与した時間の経過に伴うコラーゲン水溶液(コラーゲンゲル)のせん断応力変化を図4に示す。また、実施例(実)2、6、8及び9並びに比較例(比)1の結果に基づいて、37℃に到達してからの回転せん断付与時間に対して複屈折位相差(A)をプロットした図を図5に示す。これらの結果から明らかなように、コラーゲン線維の配向度は、せん断応力増加時に回転せん断を付与することによって高くなっていた。23℃から37℃への温度上昇時にはせん断応力の増加はほとんど生じず、37℃に到達した時点で回転せん断を停止すると、せん断応力増加率が低いためにコラーゲン線維の配向度はあまり高くならなかった(表2の比較例1〜4も参照。)。また、せん断応力が低下し始めてからの回転せん断の付与は、コラーゲン線維の配向度に影響を与えないことが分かった。   Of the obtained results, Examples 2, 6, 8 and 9 show changes in the shear stress of the aqueous collagen solution (collagen gel) with the passage of time after applying rotational shear after reaching 37 ° C. 4 shows. Further, based on the results of Examples (Actual) 2, 6, 8, and 9 and Comparative Example (Ratio) 1, the birefringence phase difference (A) is determined with respect to the rotational shearing application time after reaching 37 ° C. The plotted figure is shown in FIG. As is apparent from these results, the degree of orientation of the collagen fibers was increased by applying rotational shear when the shear stress was increased. When the temperature rises from 23 ° C. to 37 ° C., the shear stress hardly increases, and when the rotational shear is stopped when the temperature reaches 37 ° C., the degree of orientation of the collagen fibers is not so high because the shear stress increase rate is low. (See also Comparative Examples 1 to 4 in Table 2.) It was also found that the application of rotational shear after the shear stress began to decrease did not affect the degree of collagen fiber orientation.

さらに、実施例(実)1〜5及び比較例(比)5、6について、せん断速度に対して、複屈折位相差(A)をプロットした図(片対数グラフ)を図6に示す。この図から、せん断速度が0.20s-1〜30s-1であると、コラーゲン線維の配向度が特に高くなることが分かった。 Further, for Examples (actual) 1 to 5 and Comparative Examples (ratio) 5 and 6, a diagram (a semilogarithmic graph) in which the birefringence phase difference (A) is plotted against the shear rate is shown in FIG. From this figure, it was found that the degree of orientation of the collagen fibers is particularly high when the shear rate is 0.20 s −1 to 30 s −1 .

実施例2により得られたコラーゲンゲルのSEM像を図7の(A)に示す。また、回転せん断を与えないで作製したランダムコラーゲン線維ゲルのSEM像を図7の(B)に示す。そのランダムコラーゲン線維ゲルにはコラーゲンナノ線維の無定形の絡み合いが観察されたのに対し、実施例2により得られたコラーゲンゲルでは、回転せん断の方向(図7の(A)において矢印で示す方向)と平行にコラーゲンナノ線維が配向している様子が観察された。   An SEM image of the collagen gel obtained in Example 2 is shown in FIG. Moreover, the SEM image of the random collagen fiber gel produced without giving rotational shear is shown in FIG. In the random collagen fiber gel, amorphous entanglement of collagen nanofibers was observed, whereas in the collagen gel obtained in Example 2, the direction of rotational shear (the direction indicated by the arrow in FIG. 7A) ) In parallel with the collagen nanofibers was observed.

実施例2のコラーゲンゲル、その実施例2のコラーゲンゲルに追加の架橋を施したコラーゲンゲル、及びランダムコラーゲン線維ゲルの引っ張り試験から得られた代表的な応力−ひずみ曲線を図8に示す。また、各試験片のコラーゲンゲル作製条件、切り出し部位及び架橋の内容を表4に示す。実施例2のコラーゲンゲル、及びその実施例2のコラーゲンゲルに追加の架橋を施したコラーゲンゲルは、回転せん断の方向(すなわちコラーゲン線維の配向方向)に平行な引っ張りに対し、垂直な引っ張りよりも高い応力を示した。すなわち、コラーゲン線維の配向により力学的な異方性が生じ、その異方性により、ランダムコラーゲン線維ゲルよりも高い力学特性が得られたことが分かった。また、ゲニピンによってのみ架橋されたコラーゲンゲルにEDC/NHSで追加の架橋を施すと、どちらの切り出し部位の試験片においても応力が高くなると共に、破断に至るまでのひずみが低下した。このことから、本発明のコラーゲンゲルは公知の架橋剤により力学特性を調節できることが分かった。   FIG. 8 shows representative stress-strain curves obtained from the tensile test of the collagen gel of Example 2, the collagen gel obtained by subjecting the collagen gel of Example 2 to additional crosslinking, and the random collagen fiber gel. In addition, Table 4 shows the collagen gel preparation conditions, cut-out sites, and cross-linking contents of each test piece. The collagen gel of Example 2 and the collagen gel obtained by subjecting the collagen gel of Example 2 to additional cross-linking have a tension parallel to the direction of rotational shear (i.e., the orientation direction of collagen fibers) rather than a perpendicular tension. High stress was shown. That is, it was found that mechanical anisotropy was generated by the orientation of the collagen fibers, and the mechanical properties higher than that of the random collagen fiber gel were obtained by the anisotropy. Moreover, when additional cross-linking was performed with EDC / NHS on a collagen gel cross-linked only with genipin, the stress increased in both test pieces at the cut-out site and the strain until breakage decreased. From this, it was found that the mechanical properties of the collagen gel of the present invention can be adjusted by a known crosslinking agent.

応力−ひずみ曲線から算出されたヤング率、破断ひずみ及び破断応力の各物性値を図9に示す。Rot−Gxのヤング率及び破断応力は、Osc−G及びRot−Gyよりも高かった。同様の結果が、Rot−ENx、Rot−ENy、及びOsc−ENの比較から得られた。このことから、図8に基づいた上記の力学的な異方性は、統計的にも有意であることが分かった。また、破断ひずみについては、図8に基づいた力学的な異方性とは異なる傾向が見られた(Rot−Gy>Rot−Gx=Osc−G)。このことから、コラーゲン線維の配向は、配向方向と垂直な方向への引っ張り変形に高い柔軟性を示すことがわかった。ただし、この柔軟性の優位性はEDC/NHS架橋によって失われた。すなわち、配向したコラーゲン線維からなるコラーゲンゲルの弾性率や強度を高めるのにEDC/NHS架橋は有効であるが、ゲルの柔軟性を低下させることが分かった。   FIG. 9 shows physical property values of Young's modulus, breaking strain, and breaking stress calculated from the stress-strain curve. The Young's modulus and rupture stress of Rot-Gx were higher than those of Osc-G and Rot-Gy. Similar results were obtained from a comparison of Rot-ENx, Rot-ENy, and Osc-EN. From this, it was found that the above-mentioned mechanical anisotropy based on FIG. 8 is statistically significant. Moreover, about the fracture | rupture distortion, the tendency different from the mechanical anisotropy based on FIG. 8 was seen (Rot-Gy> Rot-Gx = Osc-G). From this, it was found that the orientation of collagen fibers shows high flexibility in tensile deformation in the direction perpendicular to the orientation direction. However, this flexibility advantage was lost due to EDC / NHS crosslinking. That is, it was found that EDC / NHS cross-linking is effective in increasing the elastic modulus and strength of a collagen gel composed of oriented collagen fibers, but reduces the flexibility of the gel.

〔ゲニピン濃度がコラーゲンゲルの硬化に及ぼす影響〕
ゲニピンの濃度を2.5mMから0mM、1.25mM、3.75mM又は5.0mMに変更した以外は実施例1と同様にして、ゲニピンを含むコラーゲン水溶液を得た。得られたコラーゲン水溶液について、動的粘弾性測定装置(商品名「HAAKE MARS III」、Thermofisher Scientific社製)を用いて、条件Iでの貯蔵弾性率G’の変化を追跡した。得られたゲル化曲線を図10に示す。図10中、「1」の曲線は0mM、「2」の曲線は1.25mM、「3」の曲線は2.5mM、「4」の曲線は3.75mM、「5」の曲線は5.0mMのゲニピン濃度のコラーゲン水溶液によるゲル化曲線である。本発明に係るコラーゲン水溶液にゲニピンを添加すると、貯蔵弾性率G’の増加速度が速くなり、短時間に高強度のコラーゲンゲルを得ることが可能であると分かった。かかる高強度のコラーゲンゲルは、そのゲルを回収する際の破壊を抑制することができるので、製造効率向上の点から好ましい。
[Effect of genipin concentration on collagen gel hardening]
A collagen aqueous solution containing genipin was obtained in the same manner as in Example 1 except that the concentration of genipin was changed from 2.5 mM to 0 mM, 1.25 mM, 3.75 mM or 5.0 mM. About the obtained collagen aqueous solution, the change of the storage elastic modulus G 'on the conditions I was tracked using the dynamic viscoelasticity measuring apparatus (Brand name "HAAKE MARS III", the product made from Thermo Fisher Scientific). The obtained gelation curve is shown in FIG. In FIG. 10, the curve “1” is 0 mM, the curve “2” is 1.25 mM, the curve “3” is 2.5 mM, the curve “4” is 3.75 mM, and the curve “5” is 5. It is a gelation curve by the collagen aqueous solution of 0 mM genipin concentration. It has been found that when genipin is added to the collagen aqueous solution according to the present invention, the increase rate of the storage elastic modulus G ′ is increased, and a high-strength collagen gel can be obtained in a short time. Such a high-strength collagen gel is preferable from the viewpoint of improving production efficiency because it can suppress breakage when the gel is recovered.

本発明によれば、mm〜cmスケールの立体的な線維束として配向したコラーゲン線維を非破壊的に製造することができるので、人工腱などの生体用のインプラント材料として特に産業上の利用可能性がある。   According to the present invention, it is possible to non-destructively produce collagen fibers oriented as a three-dimensional fiber bundle of mm to cm scale, so that the present invention can be used industrially as an implant material for living bodies such as artificial tendons. There is.

Claims (7)

コラーゲンを0.50質量%〜3.0質量%の濃度で含むコラーゲン水溶液に対しせん断速度0.20s-1〜30s-1の範囲のせん断を付与することによってコラーゲン線維を配向させる工程を有するコラーゲンゲルの作製方法であって、
その工程が、コラーゲン線維の形成によってせん断応力が1秒あたり1%〜30%の速度で増加している2秒間〜120秒間の工程を含むことにより前記コラーゲン線維を配向させる、コラーゲンゲルの作製方法。
Collagen having a step of orienting collagen fibers by applying a shear rate in the range of 0.20 s -1 to 30 s -1 to an aqueous collagen solution containing collagen at a concentration of 0.50 mass% to 3.0 mass% A method for producing a gel comprising:
A method for producing a collagen gel, wherein the step includes a step of 2 to 120 seconds in which the shear stress increases at a rate of 1% to 30% per second due to the formation of collagen fibers, thereby orienting the collagen fibers. .
前記コラーゲン水溶液を25℃以下の温度から32〜42℃へ加温することによって、前記コラーゲン線維を形成する、請求項1記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The method for producing a collagen gel according to claim 1, wherein the collagen fibers are formed by heating the collagen aqueous solution from a temperature of 25 ° C or lower to 32 to 42 ° C. 前記コラーゲン水溶液は無機塩を含み、その無機塩のイオン強度が0.40〜1.0である、請求項1又は2に記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The method for producing a collagen gel according to claim 1 or 2, wherein the aqueous collagen solution contains an inorganic salt, and the ionic strength of the inorganic salt is 0.40 to 1.0. 前記無機塩がリン酸水素ナトリウムと塩化ナトリウムとを含有する、請求項3記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The method for producing a collagen gel according to claim 3, wherein the inorganic salt contains sodium hydrogen phosphate and sodium chloride. 前記コラーゲン水溶液は、架橋剤を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The said collagen aqueous solution is a preparation method of the collagen gel of any one of Claims 1-4 containing a crosslinking agent. 前記コラーゲン水溶液のpHが6.0〜9.0である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The method for producing a collagen gel according to any one of claims 1 to 5, wherein a pH of the collagen aqueous solution is 6.0 to 9.0. 前記コラーゲンが、哺乳類由来のテロペプチド除去型コラーゲンを含有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のコラーゲンゲルの作製方法。   The method for producing a collagen gel according to any one of claims 1 to 6, wherein the collagen contains a mammal-derived telopeptide-removed collagen.
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