JP6477475B2 - 繊維形成用組成物及びその繊維を用いた生体適合材料 - Google Patents
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Description
本発明は、側鎖にヒドロキシ基を有する特定の単位構造を含む高分子化合物を、架橋剤及び酸化合物とともに紡糸することから、ヒドロキシ基同士が架橋剤を介して架橋反応することにより、高分子化合物同士が架橋する結果、有機溶剤耐性を有する繊維となる。
また、本発明者らは、本発明の繊維形成用組成物を紡糸して製造した繊維は、加熱処理を施すことより、より優れた有機溶剤耐性を発現することを見出した。
(B)架橋剤、
(C)酸化合物、及び
(D)溶剤
を含有する繊維形成用組成物。
R1は、水素原子又はメチル基を示し、
Q1は、エステル結合又はアミド結合を示し、
R2は、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基を示す。〕
[2]上記高分子化合物の重量平均分子量が、1,000〜1,000,000である、上記[1]記載の組成物。
[3]上記溶剤が、極性溶剤である、上記[1]又は[2]記載の組成物。
[4]上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載の組成物を紡糸する工程を含む、繊維の製造方法。
[5]上記紡糸が、電界紡糸である、上記[4]記載の方法。
[6]紡糸した繊維を、70〜300℃の範囲で加熱する工程を含む、上記[4]又は[5]記載の方法。
[7]上記[4]〜[6]のいずれか1つに記載の方法で製造される繊維。
[8]上記[7]記載の繊維を含む、生体適合材料。
[9](A)一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物、
(B)架橋剤、及び
(C)酸化合物
を含有する繊維。
R1は、水素原子又はメチル基を示し、
Q1は、エステル結合又はアミド結合を示し、
R2は、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基を示す。〕
また、本発明の繊維形成用組成物は、1週間以上、室温で保存した後に紡糸した場合であっても、有機溶剤耐性を有する繊維が得られる。従って、本発明によれば、室温保存安定性に優れた繊維形成用組成物も提供できる。
さらに、細胞培養足場として十分な機能を有する繊維の製造のための繊維形成用組成物、該組成物を紡糸して得られる繊維、及び該繊維を含む生体適合材料を提供できる。
本発明の繊維形成用組成物(以下、「本発明の組成物」とも称する)は、(A)一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物、(B)架橋剤、(C)酸化合物、及び(D)溶剤を含有することを、主たる特徴とする。
本発明の組成物は成分Aとして、一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物(以下、「成分Aの高分子化合物」又は単に「成分A」とも称する)を含有する。成分Aに含まれる一般式(1)で表される単位構造は、側鎖にヒドロキシ基を有するため、成分Aを架橋剤及び酸化合物とともに紡糸することにより、ヒドロキシ基同士が架橋剤を介して架橋反応することにより高分子化合物同士が架橋し、有機溶剤耐性を有する繊維が得られる。また、成分Aの高分子化合物は、ヒドロキシ基が主鎖に直結しているポリビニルアルコール等に比べ、高分子化合物の製造が容易である。
R1は、水素原子又はメチル基を示し、
Q1は、エステル結合又はアミド結合を示し、
R2は、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基を示す。〕
また、R2における炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基としては、例えば、フェニル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基等が挙げられる。
R2は、繊維形成時における架橋反応効率や、製造された繊維の生体適合性の観点から、好ましくは、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10(より好ましくは1〜6、特に好ましくは1〜4)のアルキル基又は少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されているフェニル基である。
なお、本発明において(メタ)アクリレート化合物とは、アクリレート化合物とメタクリレート化合物の両方をいう。例えば、(メタ)アクリル酸は、アクリル酸とメタクリル酸の両方をいう。
本発明の組成物は成分Bとして、架橋剤(以下、「成分Bの架橋剤」又は単に「成分B」とも称する)を含有する。成分Bは、後述の成分Cと併用することにより、成分Aのヒドロキシ基同士を、成分B自身を介して架橋させることで、繊維に有機溶剤耐性を付与することができる。
本発明の組成物は成分Cとして、酸化合物(以下、「成分Cの酸化合物」又は単に「成分C」とも称する)を含有する。当該酸化合物は塩の態様であってもよく、即ち、本発明における「酸化合物」なる用語は、塩をも包含する概念である。成分Cは、成分Bと併用することにより、成分Aのヒドロキシ基同士が成分Bを介して架橋反応する際にその架橋反応を促進させることができる。
本発明の組成物は成分Dとして、溶剤(以下、「成分Dの溶剤」又は単に「成分D」とも称する)を含有する。
当該極性溶剤としては、例えば、水、メタノール、エタノール、2−プロパノール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、アセトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン等が挙げられ、組成物の紡糸し易さのため、好ましくはアセトンとジメチルアセトアミドの混合溶剤であり、その好ましい混合比率(重量%)は、アセトン/ジメチルアセトアミド=(90重量%〜60重量%)/(10重量%〜40重量%)である。
本発明の繊維の製造方法(以下、「本発明の方法」とも称する)は、本発明の組成物を紡糸する工程を含むことを、主たる特徴とする。
本発明の繊維の長さは、上記繊維の直径に対し1000倍以上であることが望ましい。
繊維の合計の重さは、例えば10μg/cm2以上である。
本発明の生体適合材料は、本発明の繊維を含むことを、主たる特徴とする。本発明において「生体適合材料」とは、生体に対して悪影響を及ぼさず、医療用材料、化粧用材料等として利用可能な材料をいう。
下記の高分子化合物1〜3の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。測定に用いた装置、測定条件は次の通りである。
装置:TOSOH HLC−8320GPC system
カラム:Shodex(登録商標)KF−803L、KF−802及びKF−801
カラム温度:40℃
溶離液:DMF
流量:0.6ml/分
検出器:RI
標準試料:ポリスチレン
(高分子化合物1)
2−ヒドロキシプロピルメタクリレート(東京化成工業株式会社製)50.0g、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル(和光純薬工業株式会社製)3.0gを2−ブタノン123.7gに溶解させ、窒素雰囲気下、加熱還流させた2−ブタノン88.4g中へ滴下した。滴下終了後、加熱還流を保ちながら、17時間反応させた。その後、この反応混合液を100ml程度の量まで濃縮し、ジエチルエーテルを加えてポリマーを析出させた。ポリマーをろ取した後、減圧下で乾燥することで、高分子化合物1を47.3g得た。重量平均分子量は、ポリスチレン換算で11,800であった。
2−ヒドロキシプロピルメタクリレート(東京化成工業株式会社製)50.0g、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル(和光純薬工業株式会社製)0.5gを2−ブタノン117.8gに溶解させ、窒素雰囲気下、加熱還流させた2−ブタノン84.2g中へ滴下した。滴下終了後、加熱還流を保ちながら、17時間反応させた。その後、この反応混合液を100ml程度の量まで濃縮し、ジエチルエーテルを加えてポリマーを析出させた。ポリマーをろ取した後、減圧下で乾燥することで、高分子化合物2を48.8g得た。重量平均分子量は、ポリスチレン換算で35,600であった。
2−ヒドロキシプロピルメタクリレート(東京化成工業株式会社製)50.0g、及び2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル(和光純薬工業株式会社製)0.05gを2−ブタノン116.8gに溶解させ、窒素雰囲気下、加熱還流させた2−ブタノン83.4g中へ滴下した。滴下終了後、加熱還流を保ちながら、17時間反応させた。その後、この反応混合液を150ml程度の量まで濃縮し、ジエチルエーテルを加えてポリマーを析出させた。ポリマーをろ取した後、減圧下で乾燥することで、高分子化合物3を31.6g得た。重量平均分子量は、ポリスチレン換算で153,000であった。
(実施例1)
高分子化合物1 0.80g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.04g、p−トルエンスルホン酸0.008g、ジメチルアセトアミド0.360g、及びアセトン1.08gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例1の繊維形成用組成物を得た。実施例1の繊維形成用組成物における高分子化合物1の含有割合は、約35重量%である。
高分子化合物2 0.70g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.035g、p−トルエンスルホン酸0.007g、ジメチルアセトアミド0.400g、及びアセトン1.19gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例2の繊維形成用組成物を得た。実施例2の繊維形成用組成物における高分子化合物2の含有割合は、約30重量%である。
高分子化合物3 0.70g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.035g、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート0.007g、ジメチルアセトアミド0.40g、及びアセトン1.2gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例3の繊維形成用組成物を得た。実施例3の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約30重量%である。
高分子化合物3 0.70g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.035g、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート0.007g、ジメチルアセトアミド0.60g、及びアセトン1.8gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例4の繊維形成用組成物を得た。実施例4の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約22重量%である。
高分子化合物3 0.35g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.018g、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート0.004g、ジメチルアセトアミド0.49g、及びアセトン1.5gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例5の繊維形成用組成物を得た。実施例5の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約15重量%である。
高分子化合物3 0.60g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.030g、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート0.006g、ジメチルアセトアミド0.46g、及びアセトン1.39gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、実施例6の繊維形成用組成物を得た。実施例6の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約24重量%である。
高分子化合物3 0.50g、p−トルエンスルホン酸0.005g、ジメチルアセトアミド0.440g、及びアセトン1.32gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、比較例1の繊維形成用組成物を得た。比較例1の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約22重量%である。
高分子化合物3 0.50g、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル0.025g、ジメチルアセトアミド0.434g、及びアセトン1.30gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、比較例2の繊維形成用組成物を得た。比較例2の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約22重量%である。
高分子化合物3 0.50g、ジメチルアセトアミド0.443g、及びアセトン1.33gを混合した後、ミックスローターVMR−5(アズワン株式会社製)にて溶解するまで100rpmで攪拌し、比較例3の繊維形成用組成物を得た。比較例3の繊維形成用組成物における高分子化合物3の含有割合は、約22重量%である。
下記の試験例1〜3において、電界紡糸法による繊維の製造は、エスプレイヤーES−2000(株式会社フューエンス製)を用いて実施した。繊維形成用組成物は、1mlのロック式ガラス注射筒(アズワン株式会社製)に注入し、針長13mmのロック式金属製ニードル24G(武蔵エンジニアリング株式会社製)を取り付けた。ニードル先端から繊維を受け取る基板までの距離(吐出距離)は20cmとした。印加電圧は25kVとし、吐出速度は10μl/minとした。
下記の試験例1〜3において、繊維形状の確認は、イオンスパッター(E−1030、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)にてPt−Pdを繊維に1分間蒸着した後、走査型電子顕微鏡(SEM)(S−4800、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を使用して、拡大倍率10,000倍で観察することにより行った。
繊維形状が維持されている場合は「良好」とし、繊維形状が維持されない場合は「不良」とした。
下記の試験例1〜3において、繊維径(繊維の太さ)の測定は、走査型電子顕微鏡(SEM)(S−4800、株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を使用して、拡大倍率10,000倍の画像を撮影及び保存した後、付属の測長ツールにより行った。
実施例1〜5及び比較例1〜3の繊維形成用組成物を、調製後すぐに、電界紡糸法により紡糸した後、得られた繊維に、表2に示す条件で加熱処理を施し、加熱処理後の繊維形状を確認した。
加熱処理を施した繊維をアセトンに10秒間浸漬した後、再び繊維形状を確認し、繊維径を測定した。
結果を表2(加熱処理後の繊維形状)及び表3(アセトン浸漬後の繊維形状及び繊維径)に示す。
また、実施例1及び実施例5の結果より、本発明の繊維形成用組成物を電界紡糸して製造した繊維は、加熱処理が低温短時間(例えば、110℃10分)であっても、有機溶剤耐性を保持することが示された。
つまり、本発明の繊維形成用組成物を電界紡糸法により紡糸して繊維を製造する場合、有機溶剤耐性に優れた繊維とするためには、110℃以上で加熱処理することがより望ましい。
また、上記条件にて電界紡糸を行なった場合、製造される繊維の繊維径は、成分Aの高分子化合物の重量平均分子量と、繊維形成用組成物における成分Aの高分子化合物の含有割合とに依存することが示唆された。従って、成分Aの高分子化合物の重量平均分子量、及び繊維形成用組成物における成分Aの高分子化合物の含有割合を調整することで、所望の繊維径の繊維を得ることが可能である。
実施例1、2、4及び比較例1の繊維形成用組成物を、23℃で3週間保管した後、電界紡糸法により紡糸し、得られた繊維に、表4に示す条件で加熱処理を施し、加熱処理後の繊維形状を確認した。
加熱処理を施した繊維をアセトンに10秒間浸漬した後、再び繊維形状を確認し、繊維径を測定した。
結果を表4(加熱処理後の繊維形状)及び表5(アセトン浸漬後の繊維形状及び繊維径)に示す。
一方、比較例1の繊維形成用組成物から得られた繊維は、110℃加熱後の繊維形状は良好であったが、180℃加熱後では良好な繊維形状を維持できなかった。
このことから、比較例1の繊維形成用組成物は、保存条件や加熱処理条件によって、繊維形成が不安定になることが推測された。
その原因としては、比較例1の繊維形成用組成物は架橋剤を含まないため、180℃で加熱処理すると架橋反応が十分に進行する前に、繊維が加熱に耐えられずに溶解したことが考えられる。
実施例6の繊維形成用組成物を電界紡糸法により紡糸した後、得られた繊維上にて細胞培養評価を行った。なお、以下において、CO2インキュベーターにおけるCO2の濃度(%)は、雰囲気中のCO2の体積%で示した。また、PBSはリン酸緩衝生理食塩水(シグマアルドリッチジャパン社製)を意味し、FBSは牛胎児血清(Biological Industries社製)を意味する。
細胞は、ヒト胎児腎細胞株Hek293(DSファーマバイオメディカル株式会社製)を用いた。細胞の培養に用いた培地は、10%(v/v)FBS及び1%(v/v)NEAA(Non−Essential Amino Acids)(GIBCO社製)を含むEMEM(Eagle’s Minimum Essential Medium)培地(和光純薬工業株式会社製)を用いた。細胞は、37℃CO2インキュベーター内にて5%二酸化炭素濃度を保った状態で、直径10cmシャーレ(培地10mL)を用いて2日間以上静置培養した。引き続き、本細胞をPBS10mLで洗浄した後、トリプシン−EDTA(エチレンジアミン四酢酸)溶液(和光純薬工業株式会社製)1mLを添加して細胞を剥がし、上記の培地10mLにて懸濁した。本懸濁液を遠心分離(株式会社トミー精工製、LC−200、1000rpm/3分、室温)後、上清を除き、上記の培地を添加して細胞懸濁液を調製した。
実施例6の繊維形成用組成物を電界紡糸法により紡糸し、ガラス基板上に10分間吹付けた後、180℃30分間加熱処理した。ガラス基板には、TEMPAX Float(登録商標)(Φ12mm、厚さ1mm)を使用した。得られた繊維をエタノールで洗浄して風乾した後、繊維形状を走査型電子顕微鏡(SEM)で確認した。実施例6の繊維形成用組成物から得られた繊維の繊維径は約500nmであった。
尚、以下において、実施例6の繊維形成用組成物を紡糸して繊維を形成したガラス基板を、便宜上「実施例6の繊維基板」と称する。
24穴平底マイクロプレート(コーニング社製)に、実施例6の繊維基板、及び対照として未処理のガラス基板を配置し、1%(v/v)ペニシリン/ストレプトマイシン溶液(GIBCO社製)を含むEMEM培地(和光純薬工業株式会社製)に15分浸漬した。この培地を除いた後、1.0×105cells/wellに調製したHek293(ヒト胎児腎細胞)の細胞懸濁液を各1mL加えた。その後、5%二酸化炭素濃度を保った状態で、37℃で24時間CO2インキュベーター内にて静置した。
24時間の細胞培養の後、細胞培養を行った実施例6の繊維基板、及びガラス基板の上清を除き、PBS2mLで洗浄した。PBSを除いた後、トリプシン−EDTA溶液(和光純薬工業株式会社製)300μLを添加した。37℃で5分CO2インキュベーター内にて静置した後、10%(v/v)FBSを含むEMEM培地を1mL添加し、ピペッティングにて細胞を剥がした。剥がした細胞を1.5mLマイクロテストチューブ(エッペンドルフ社製)に移し、培養液の一部にトリパンブルー染色液(GIBCO社製)を同量添加後、セルカウンター(Bio−Rad社製、TC20)にて生細胞数を計測した。
24時間の細胞培養の後、細胞培養を行った実施例6の繊維基板、及びガラス基板の上清を除き、PBS2mLで洗浄した。PBSを除いた後、10%(v/v)FBS及び1%(v/v)NEAA(GIBCO社製)を含むEMEM培地を1mL添加し、さらに100μLのWST−8試薬(キシダ化学株式会社製)を添加した。37℃で100分CO2インキュベーター内にて静置した後、反応溶液100μLを96穴平底マイクロプレートに移し、吸光度計(モレキュラーデバイス社製、SpectraMax)にて450nmの吸光度を測定した。
また、本発明によれば、室温保存安定性に優れた繊維形成用組成物も提供できる。
さらに、細胞培養足場として十分な機能を有する繊維の製造のための繊維形成用組成物、該組成物を紡糸して得られる繊維、及び該繊維を含む生体適合材料を提供できる。
Claims (9)
- (A)一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物、
(B)架橋剤、
(C)酸化合物、及び
(D)溶剤
を含有する繊維形成用組成物。
〔式中、
R1は、水素原子又はメチル基を示し、
Q1は、エステル結合又はアミド結合を示し、
R2は、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基を示す。〕 - 上記高分子化合物の重量平均分子量が、1,000〜1,000,000である、請求項1記載の組成物。
- 上記溶剤が、極性溶剤である、請求項1又は2記載の組成物。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の組成物を紡糸する工程を含む、繊維の製造方法。
- 上記紡糸が、電界紡糸である、請求項4記載の方法。
- 紡糸した繊維を、70〜300℃の範囲で加熱する工程を含む、請求項4又は5記載の方法。
- 請求項4又は5記載の方法で製造される繊維。
- 請求項7記載の繊維を含む、生体適合材料。
- (A)一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物、
(B)架橋剤、及び
(C)酸化合物
を、少なくとも繊維中に含有する繊維。
〔式中、
R1は、水素原子又はメチル基を示し、
Q1は、エステル結合又はアミド結合を示し、
R2は、少なくとも1個の水素原子がヒドロキシ基で置換されている炭素原子数1〜10のアルキル基又は炭素原子数6〜10の芳香族炭化水素基を示す。〕
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