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、架橋剤、酸化合物、及び溶剤を含有する繊維形成用組成物、該組成物を紡糸して(好ましくは、更に加熱して)得られる、有機溶剤耐性に優れた繊維、並びに該繊維を含む生体適合材料に関する。
近年、ナノメートルオーダーの直径を持つ極細繊維が注目されており、電池・情報、環境・エネルギー、医療(例、生体適合材料等)・福祉のようなさまざまな分野に活用されることが期待されている。
その極細繊維を形成する素材として、ナイロン等の有機高分子、TiOやSiO等の無機物質、セルロースやコラーゲン等の生物由来の高分子等のように、多岐にわたる素材が検討されている。
ナノメートルオーダーの直径を持つ極細繊維を紡糸する技術として、メルトブロー法、複合溶融紡糸法、電界紡糸法等が知られているが、特に電界紡糸法は、今まで扱えなかった素材も繊維化可能な方法として注目されている。例えば、前記したセルロースやコラーゲン等の生物由来の高分子に加えて、ポリ乳酸等の医療用高分子、ポリビニルアルコール等の水溶性高分子も数多く検討されている(特許文献1〜8、非特許文献1)。
一方、細胞培養足場材料等の生体適合材料は、近年、安全性の問題から、生物由来の素材(特に、ウシ由来のゼラチン等)の使用は避けられる傾向にあり、非生物由来の素材(例、合成ポリマー等)を使用して製造されることが求められている。
また、細胞培養足場材料等の生体適合材料は、滅菌処理としてエタノール等の有機溶剤が使用される。そのため、上記の極細繊維を生体適合材料へ適用する場合、有機溶剤への耐性も必要である。上記特許文献及び非特許文献においては、繊維の耐久性を向上させる手段として、ポリマー同士を架橋剤により架橋させる方法等が用いられているが、ポリマーの種類が異なると架橋条件が異なり、UV照射や塩化水素ガス処理等の煩雑な処理が必要となる場合もある(例えば、特許文献3、7及び非特許文献1)。そのため、簡易な処理のみ(例えば、加熱処理のみ、好ましくは、低温短時間の加熱処理のみ)で有機溶剤耐性を有する繊維を製造できる方法が求められている。
US2002/0192468A1 CN101718004A 特開2013−49927号公報 特表2008−514341号公報 WO2007/102606A1 特開2009−100号公報 US2011/0275154A1 特開2012−67432号公報
Macromolecular Research(2010),18(2),137−143
本発明の目的は、簡便に製造可能であり、有機溶剤耐性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することである。
本発明者らが鋭意検討した結果、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、架橋剤、酸化合物、及び溶剤を含有する繊維形成用組成物を紡糸して製造した繊維は、十分な有機溶媒耐性を有し、更には優れた生体適合性、具体的な一例としては細胞培養足場としての機能を有するため、生体適合材料として有用であることを見出し、本発明を完成するに至った。
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。
即ち、本発明は以下の通りである。
[1](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、
は、水素原子又はメチル基を示し、
は、エステル結合又はアミド結合を示し、
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。
〔式中、
は、水素原子又はメチル基を示し、
は、エステル結合又はアミド結合を示し、
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。〕
本発明によれば、簡便に製造可能であり、有機溶剤耐性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。
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。
実施例1の繊維形成用組成物から得られた繊維を、110℃で24時間加熱処理した後のSEM写真である。 実施例1の繊維形成用組成物から得られた繊維を、110℃で24時間加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 実施例2の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理した後のSEM写真である。 実施例2の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 実施例3の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で30分加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 実施例4の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で30分加熱処理した後のSEM写真である。 実施例4の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で30分加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 実施例5の繊維形成用組成物から得られた繊維を、110℃で10分加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 比較例1の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理した後のSEM写真である。 比較例1の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理して、アセトンに浸漬した後のSEM写真である。 比較例2の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理した後のSEM写真である。 比較例3の繊維形成用組成物から得られた繊維を、180℃で10分加熱処理した後のSEM写真である。
1.繊維形成用組成物
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。
[成分A]
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。
〔式中、
は、水素原子又はメチル基を示し、
は、エステル結合又はアミド結合を示し、
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。〕
一般式(1)における各基の定義について、以下に詳述する。
は、水素原子又はメチル基を示す。
は、エステル結合又はアミド結合を示し、成分Aの高分子化合物の溶剤に対する溶解性の観点から、好ましくはエステル結合である。
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。該炭素原子数1〜10のアルキル基は直鎖状又は分岐鎖状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、tert−ペンチル基、1−エチルプロピル基、ヘキシル基、イソヘキシル基、1,1−ジメチルブチル基、2,2−ジメチルブチル基、3,3−ジメチルブチル基、2−エチルブチル基、ヘキシル基、ペンチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等が挙げられる。該アルキル基の炭素原子数は、好ましくは1〜6であり、より好ましくは1〜4である。
また、R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。
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。
一般式(1)で表される単位構造は、Rが、水素原子又はメチル基であり、Qが、エステル結合であり、Rが、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)のアルキル基であることが好ましい。
一般式(1)で表される単位構造は、好ましくは、一般式(2)で表される単位構造である。
〔式中、Rは上記Rと同義であり、Rは上記Rと同義である。〕
成分Aの高分子化合物は、一般式(1)で表される単位構造を1種単独で含んでもよいし、2種以上含んでもよい。
成分Aの高分子化合物は、本発明の目的を著しく損なわない限り、一般式(1)で表される単位構造以外の単位構造を含んでもよいが、成分Aの高分子化合物における全単位構造に対する、一般式(1)で表される単位構造の含有割合は、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、20モル%以上が好ましく、40モル%以上がより好ましい。
成分Aの重量平均分子量は、上記組成物を使用した繊維の有機溶媒耐性の観点から、好ましくは1,000〜1,000,000の範囲であり、より好ましくは5,000〜500,000の範囲であり、特に好ましくは10,000〜200,000の範囲である。本発明において「重量平均分子量」とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)にて測定される、ポリスチレン換算の分子量をいう。
成分Aは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
成分Aは、自体公知の方法又はそれに準ずる方法によって製造することができる。例えば、単位構造に対応する単量体を、適当な溶媒(例、2−ブタノン等)中で、適当な重合開始剤(例、2,2’−アゾビス(イソ酪酸)ジメチル等)を使用して重合すること等により製造できるが、これに限定されない。市販品を使用してもよい。
一般式(1)で表される単位構造に対応する単量体としては、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート(例えば、CAS番号:868−77−9の化合物)、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート(例えば、CAS番号:923−26−2の化合物)、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート(例えば、CAS番号:2478−10−6の化合物)、N−ヒドロキシメチル(メタ)アクリルアミド(例えば、CAS番号:923−02−4の化合物)、N−(2−ヒドロキシエチル)(メタ)アクリルアミド(例えば、CAS番号:5238−56−2の化合物)、N−(2−ヒドロキシプロピル)(メタ)アクリルアミド(例えば、CAS番号:26099−09−2の化合物)、p−ヒドロキシ(メタ)アクリルアニリド(例えば、CAS番号:19243−95−9の化合物)等が挙げられ、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート又は2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレートが好ましく、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレートが最も好ましい。
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。
本発明の組成物における成分Aの含有割合は、適度な太さを有する繊維製造や、本発明の組成物の保存安定性の観点から、5〜50重量%が好ましく、10〜40重量%がより好ましく、14〜35重量%が特に好ましい。
[成分B]
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。
成分Bの架橋剤としては、例えば、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル、1,3,4,6−テトラキス(ブトキシメチル)グリコールウリル等のアミノプラスト架橋剤;2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジヒドロキシメチルフェニル)プロパン等のフェノプラスト架橋剤;ヘキサメチレンジイソシアネート等のイソシアネート架橋剤;1,4−ビス(ビニルオキシ)ブタン等のビニルエーテル架橋剤;等が挙げられる。
成分Bは、好ましくはアミノプラスト架橋剤であり、好ましくは1,3,4,6−テトラキス(ヒドロキシメチル)グリコールウリル(CAS番号:5395−50−6)、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル(CAS番号:17464−88−9)、1,3,4,6−テトラキス(エトキシメチル)グリコールウリル(CAS番号:65952−06−9)、1,3,4,6−テトラキス(1−メチルエトキシ)グリコールウリル(CAS番号:508220−69−7)、1,3,4,6−テトラキス(1,1−ジメチルエトキシ)グリコールウリル(CAS番号:547744−08−1)又は1,3,4,6−テトラキス(ブトキシメチル)グリコールウリル(CAS番号:15968−37−3)であり、より好ましくは1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリルである。
成分Bは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
成分Bの架橋剤は、自体公知の方法又はそれに準ずる方法によって製造することができる。また、市販品を用いてもよい。
本発明の組成物における成分Bの含有割合は、成分Aとの反応効率の観点から、0.1〜5重量%が好ましく、0.5〜3重量%がより好ましく、0.7〜2重量%が特に好ましい。
本発明の組成物に含まれる成分Aと成分Bの重量比(成分Aの重量/成分Bの重量)は、繊維製造時の反応効率の観点から、5〜65が好ましく、15〜25がより好ましい。
[成分C]
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。
成分Cの酸化合物としては、例えば、スルホン酸化合物、カルボン酸化合物等の有機酸化合物;塩酸、リン酸、硫酸、硝酸、臭化水素酸等の無機酸化合物等が挙げられる。
成分Cは、好ましくは有機酸化合物であり、より好ましくはスルホン酸化合物である。スルホン酸化合物としては、例えば、p−トルエンスルホン酸、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート、トリフルオロメタンスルホン酸等が挙げられ、好ましくはp−トルエンスルホン酸又はピリジニウム−p−トルエンスルホナートである。
成分Cは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
成分Cの酸化合物は、自体公知の方法又はそれに準ずる方法によって製造することができる。また、市販品を用いてもよい。
本発明の組成物における成分Cの含有割合は、架橋反応速度、架橋反応効率の観点から、0.01〜1.0重量%が好ましく、0.05〜0.5重量%がより好ましく、0.1〜0.3重量%が特に好ましい。
本発明の組成物に含まれる成分Aと成分Cの重量比(成分Aの重量/成分Cの重量)は、架橋反応速度、架橋反応効率の観点から、20〜120が好ましく、80〜110がより好ましい。
[成分D]
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。
成分Dの溶剤は、少なくとも上記成分A〜Cを均一に溶解又は分散し得、且つ、各成分と反応しないものであれば特に制限されないが、成分A〜Cの溶解性の観点から、極性溶剤が好ましい。
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。
成分Dは単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
本発明の組成物における成分Dの含有割合は、本発明の組成物の濃度や、本発明の組成物の保存安定性の観点から、50〜95重量%が好ましく、55〜90重量%がより好ましく、60〜85重量%が特に好ましい。
本発明の組成物は、本発明の目的を著しく損なわない限り、成分A〜D以外に、繊維形成用組成物に通常使用される添加剤を必要に応じて含んでもよい。当該添加剤としては、例えば、界面活性剤、レオロジー調整剤、薬剤、微粒子等が挙げられる。
本発明の組成物は、上記の成分A〜Dを、あるいは、成分A〜D及び上記の添加剤を、混合することにより調製できる。混合方法は特に制限されず、自体公知の方法又はそれに準ずる方法によって混合すればよい。
本発明の組成物は、繊維形成のために用いられる。本発明の組成物を用いて形成される繊維の種類は特に制限されないが、例えば、生体適合材料等に使用する場合は、ナノ繊維、マイクロ繊維等が好ましく、ナノ繊維がより好ましい。本発明において「ナノ繊維」とは、ナノメートルオーダー(例、1〜1000nm)の直径を持つ繊維をいい、また「マイクロ繊維」とは、マイクロメートルオーダー(例、1〜1000μm)の直径を持つ繊維をいう。
本発明の組成物を用いて形成される繊維の直径は、繊維の用途等に応じて適宜調整すればよいが、本発明の組成物の濃度、及び紡糸のし易さの観点から、1〜1000nmが好ましく、10〜1000nmがより好ましい。本発明において、繊維の直径は、走査型電子顕微鏡(SEM)にて測定される。
2.繊維の製造方法
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。
本発明の組成物の紡糸方法は繊維を形成できるものであれば特に制限されないが、例えば、メルトブロー法、複合溶融紡糸法、電界紡糸法等が挙げられ、繊維形成能の観点から、電界紡糸法が好ましい。
電界紡糸法は、公知の紡糸方法であり、公知の電界紡糸装置を用いて行うことができる。本発明の組成物をノズル(例、ニードル等)の先端から吐出する速度(吐出速度);印加電圧;本発明の組成物を吐出するノズルの先端から、これを受け取る基板までの距離(吐出距離)等の各種条件は、製造する繊維の直径等に応じて適宜設定できる。吐出速度は、通常0.1〜100μl/minであり、好ましくは0.5〜50μl/minであり、より好ましくは1〜20μl/minである。印加電圧は、通常0.5〜80kVであり、好ましくは1〜60kVであり、より好ましくは3〜40kVである。吐出距離は、通常1〜60cmであり、好ましくは2〜40cmであり、より好ましくは3〜30cmである。
本発明の方法は、本発明の組成物を紡糸した後に、該紡糸した繊維を、特定の温度で加熱する工程を更に含むことが好ましい。紡糸した繊維を特定の温度で加熱することにより、より優れた有機溶剤耐性を発現させることができる。
紡糸した繊維を加熱する温度は、通常70〜300℃の範囲であり、成分Bの架橋剤の反応性、及び成分Aの高分子化合物の耐熱性の観点から、好ましくは80〜250℃であり、より好ましくは90〜200℃である。当該温度が70℃未満であると、成分A同士の架橋反応が不十分であり、製造した繊維の有機溶媒耐性が低くなる傾向があり、300℃を超えると、成分Aの高分子化合物自体が熱による分解又は溶解等を起こし繊維が形成できない。
紡糸した繊維の加熱方法は、上記の加熱温度で加熱し得るものであれば特に制限されず、自体公知の方法又はそれに準ずる方法で適宜加熱することができる。該加熱方法の具体例としては、大気下にてホットプレート又はオーブン等を使用する方法等が挙げられる。
紡糸した繊維を加熱する時間は、加熱温度等に応じて適宜設定し得るが、架橋反応速度、生産効率の観点から、1分〜48時間が好ましく、5分〜36時間がより好ましく、10分〜24時間が特に好ましい。
本発明の方法で製造される繊維(以下、「本発明の繊維」とも称する)の種類は特に制限されないが、例えば、生体適合材料等に使用する場合は、ナノ繊維、マイクロ繊維等が好ましく、ナノ繊維がより好ましい。
本発明の繊維は、(A)一般式(1)で表される単位構造を含む高分子化合物、(B)架橋剤及び(C)酸化合物を含有する。本発明の繊維に含まれる成分A〜Cは、いずれも本発明の組成物に関して説明したものと同様のものであり、その好適な態様も同様である。
本発明の繊維の直径は、繊維の用途等に応じて適宜調整すればよいが、例えば、細胞培養足場材料として使用する場合は、細胞培養効率の観点から、1〜1000nmが好ましく、10〜1000nmがより好ましい。
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/cm以上である。
本発明の繊維の用途は特に制限されないが、後述の実施例に示されるように、本発明の繊維は優れた有機溶剤耐性を有していることから、生体適合材料に適している。また、本発明の繊維は、細胞培養足場として十分な機能を有することから、細胞培養足場材料に適している。
3.生体適合材料
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。
本発明の生体適合材料の種類は特に制限されないが、例えば、細胞培養足場材料、創傷被覆材料、フェイスマスク(美容用、衛生管理用)等が挙げられる。中でも、本発明の繊維は細胞培養足場として十分な機能を有することから、細胞培養足場材料が好ましい。
本発明の生体適合材料は、本発明の繊維を原材料の一つとして使用し、自体公知の方法又はそれに準ずる方法によって製造することができる。
以下、本発明に係る具体例を説明するが、これによって本発明は何ら限定されるものではない。
[高分子化合物1〜3の重量平均分子量の測定]
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1〜3の合成>
(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。
(高分子化合物2)
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。
(高分子化合物3)
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。
<繊維形成用組成物(溶液)の調製>
(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。
(実施例2)
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。
(実施例3)
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。
(実施例4)
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。
(実施例5)
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。
(実施例6)
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。
(比較例1)
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。
(比較例2)
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。
(比較例3)
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。
註)PL−LI:1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル、PTSA:p−トルエンスルホン酸、PyPTS:ピリジニウム−p−トルエンスルホナート、DMAc:ジメチルアセトアミド
[電界紡糸法による繊維の製造方法]
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。
[繊維形状の確認方法]
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。
[繊維径の測定方法]
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。
<試験例1:加熱処理及び溶剤耐性試験>
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。
実施例1〜5の繊維形成用組成物を用いて製造した繊維は、高分子化合物の分子量及び高分子化合物の含有量にかかわらず、良好な形状であった。
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。
<試験例2:室温保存安定性試験>
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。
実施例1、2及び4の繊維形成用組成物は、23℃で3週間保管した後でも良好な形状の繊維を形成でき、室温保存安定性に優れることが確認された。
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。
<試験例3:細胞培養評価>
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、COインキュベーターにおけるCOの濃度(%)は、雰囲気中のCO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。
[細胞の調製]
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℃CO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の繊維の製造]
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。
[細胞培養]
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、1.0×10cells/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COインキュベーター内にて静置した。
[トリパンブルーを用いた細胞数計測]
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CO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。
[WST−8を用いた細胞数計測]
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CO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。
各細胞数計測の結果(n=3の平均値)を表6に示す。
表6の結果から、実施例6の繊維基板上で細胞増殖することが分かり、実施例6の繊維形成用組成物により形成した繊維は、生体に対して無害であることが示された。さらに、実施例6の繊維基板上で培養した場合、ガラス基板上に比べて、細胞数の増加を示した。特に、WST−8による細胞数計測では、50%の細胞数増加が認められた。トリパンブルーによる細胞数計測では、全ての細胞を回収して細胞数を測定できた訳ではないが、約30%の細胞数増加が認められた。
本発明によれば、簡便に製造可能であり、有機溶剤耐性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。
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。
本出願は、日本で出願された特願2013-180382(出願日:2013年8月30日)を基礎としており、その内容は本明細書に全て包含されるものである。

Claims (9)

  1. (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、
    は、水素原子又はメチル基を示し、
    は、エステル結合又はアミド結合を示し、
    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、請求項1記載の組成物。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 上記紡糸が、電界紡糸である、請求項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、請求項4又は5記載の方法。
  7. 請求項4又は5記載の方法で製造される繊維。
  8. 請求項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
    、少なくとも繊維中に含有する繊維。

    〔式中、
    は、水素原子又はメチル基を示し、
    は、エステル結合又はアミド結合を示し、
    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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