JP6510656B2 - ゼラチン構造体製造方法、及びゼラチン構造体製造システム - Google Patents

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Description

本発明はゼラチン構造体製造方法、及びゼラチン構造体製造システムに係り、特に立体構造体を製造する際の形状維持が困難なゼラチンを用いたゼラチン構造体の形成に関する。
再生医療を目的として生体適合性材料を用いた三次元細胞培養技術の開発が進んでいる。これらの多くは１９９０年代から急速に発展してきた３Ｄプリンター技術を利用して実現され始めている。
なお、３Ｄプリンターは、スリーディプリンターを表している。以下、本明細書ではスリーディプリンターを３Ｄプリンターと記載する。
ゼラチンやコラーゲンは、細胞の足場材として有効な材料である。特に、特開２０１２−２０６９９５号公報、又は国際公開ＷＯ２０１２／１３３６１０Ａ１号に記載の遺伝子組み換えにより製造されたゼラチンについては、患者の体内に埋め込まれる臨床実験が開始されつつある。
特許文献１は、細胞の足場となるスキャホールドなどに利用することができる三次元構造体であり、任意の三次元形状を有する中空部を備えた三次元構造体の製造方法が記載されている。
特許文献１に記載の三次元構造体の製造方法は、温度により固体にも液体にも変化する材料である、いわゆる温度感受性を有するポリマーとゼラチンとを用いて、静電インクジェット方式により直接、立体的にパターニングを行うことにより三次元構造体が形成される。
特許文献１に記載の三次元構造体の製造方法では、最終的に取り除かれる擬製部材にゼラチンが利用されている。ゼラチンの形状の維持が可能な低温条件下において、温度感受性ポリマーの中に擬製部材であるゼラチンが埋め込まれ、その後、ゼラチンの融点以上、温度感受性を有するポリマーの融点以下に温度を調整することで、ゼラチンのみが除去された、中空部を有する温度感受性を有するポリマーの三次元構造体が形成される。
なお、本明細書における擬製部材の用語は、特許文献１における擬製部の用語に対応している。
特許文献２は、紫外線硬化型接着剤を用いて三次元構造体を形成する際に、水溶性樹脂であるポリエチレングリコールをサポート部として利用する三次元構造体製造装置が記載されている。
特許文献２に記載の三次元構造体製造装置では、光硬化型接着剤を吐出させ、硬化用の光の照射により光硬化型接着剤を硬化させ、吐出、硬化を交互に繰り返すことで所望の形状を有する三次元構造体の型を形成し、型の中に樹脂を充填することで所望の形状を有する三次元構造体を形成している。
すなわち、特許文献２に記載の三次元構造体製造装置は、各層で紫外線硬化型接着剤に対し、紫外線をスポット的に照射し、紫外線硬化型接着剤を硬化させて、三次元構造体の型を形成している。
三次元構造体の型の形成と独立し、かつ、三次元構造体の型の形成と並行して、ポリエチレングリコールを用いた三次元構造体の外側をサポートするサポート部の形成を行っている。
特許文献２には、三次元構造体が得られた後は、水等の溶媒により、サポート部であるポリエチレングリコールを除去できることが記載されている。
なお、本明細書における三次元構造体の用語は、特許文献２における三次元物体に対応している。
特許文献３は、生きている被験者に提供される三次元構造体の製造方法が記載されている。特許文献３に記載の三次元構造体の製造方法では、現在、一般的な３Ｄプリンター方式である溶融物堆積法により、非水溶性のシリコン樹脂とゼラチン等を組み合わせて、三次元構造体が形成される。
溶融物堆積法は、樹脂などの造形材料を熱で溶融させ、一層部分の形状断面の形に延ばして固める方法、細いノズル部から糸状の造形材料を射出させる方法、インクジェット方式と同様に造形材料の液滴をノズル部から吐出させる方法によって一層を形成し、一層の表面の凹凸を整形し、一層の上に次の層を同様に延ばして固めていく方法である。
溶融物堆積法は、サポート部を必要とするが、造形材料と異なる材料をサポート部の材料として、造形後にサポート部のみを溶解させる工夫がなされている。溶融物堆積法は、溶融積層造形法、ＦＤＭと呼ばれることがある。ＦＤＭはfused deposition modelingの略語である。
なお、本明細書におけるノズル部、及び三次元構造体の用語は、特許文献３におけるノズル、及び三次元組織に対応している。
特許文献４は、高分子材料の直接造形法、及び直接造形装置が記載されている。特許文献４に記載の高分子材料の直接造形法は、加圧式のディスペンサーを用いて、溶融物堆積法により、生体適合性のある熱可塑性樹脂の三次元構造体を形成している。
なお、本明細書における熱可塑性樹脂の用語は、特許文献４における熱可塑性ポリマー材料の用語に対応している。
特開２０１４−１５１５２４号公報 特開平６−１４３４３８号公報 特表２００２−５１１２８４号公報 特開２００８−１９４９６８号公報
しかしながら、細胞の足場として優れているゼラチン構造体の形成では、ゼラチン自体の形状を単独で維持することが困難であり、ゼラチン構造体の形成の実用的なプロセスが確立できていない。
また、擬製部材を用いたゼラチン構造体の形成では、擬製部材として非水溶性材料が用いられる場合、擬製部材が完全に除去されるか否かの確認が難しく、体内に埋め込まれることに対して確実に対応できているとは言い難い。
特許文献１に記載の三次元構造体の製造方法は、擬製部材にゼラチンが用いられる温度感受性を有するポリマーを用いた三次元構造体の形成技術を開示するものであり、特許文献１はゼラチンを用いた三次元構造体の形成技術を開示するものではない。
特許文献２に記載の三次元構造体製造装置では、三次元構造体の型の外側を支持するサポート部を形成する材料としてポリエチレングリコールが用いられている。ポリエチレングリコールからなるサポート部は、ポリエチレングリコールの吐出、及び冷却を繰り返すことで形成されている。
一方、特許文献２は、ポリエチレングリコールの吐出条件等の諸条件についての具体的な開示はない。
特許文献３には、シリコン樹脂の具体的な除去方法の記載がされていない。また、特許文献３に記載の三次元構造体の製造方法では、水溶性の材料を擬製部材として利用する場合は、ゼラチンの水分によって擬製部材が溶解してしまうために、擬製部材の構造を維持できないと予想される。
特許文献４に記載の高分子材料の直接造形法は、フィラメント状の熱可塑性ポリマーが用いられているので、比較的融点の高い材料に対しては有効であるが、ポリエチレングリコールのように、温度によって粘度が大きく変動して、容易に液体化する材料の適用は困難である。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ゼラチンを材料として中空部を有する三次元構造体を形成するゼラチン構造体製造方法、及びゼラチン構造体製造システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、次の発明態様を提供する。
第１態様に係るゼラチン構造体製造方法は、常温で固体である生体適合性材料であり、水溶性を有し、かつ、熱可塑性を有する生体適合性材料を溶融させた液体をノズル部から液滴状態で吐出させて、基板の液滴が着弾する面である液体着弾面に生体適合性材料を積み重ねて、生体適合性材料からなる三次元構造を有する生体適合性材料構造体を形成する生体適合性材料構造体形成工程と、生体適合性材料構造体形成工程によって形成された生体適合性材料構造体の表面を被覆する被覆膜であり、ゼラチンを含む被覆膜を形成する被覆膜形成工程と、被覆膜形成工程によって形成された被覆膜によって表面が被覆された生体適合性材料構造体の周囲にゼラチンを付着させてゼラチン構造体を形成するゼラチン構造体形成工程と、ゼラチン構造体形成工程によって形成されたゼラチン構造体を予め決められた形状に整形する整形工程と、生体適合性材料構造体に水分を作用させて、生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、生体適合性材料構造体の形状をゼラチン構造体の内部に転写させる溶解工程と、を含み、生体適合性材料構造体形成工程は、ノズル部から吐出させる生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が可能な分子量分布を有する第一生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料、又はノズル部から吐出させる生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が不可能な分子量分布を有する第二生体適合性材料に、第一生体適合性材料を混合させた第三生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成するゼラチン構造体製造方法である。
第１態様によれば、三次元形状の維持が困難なゼラチンを用いた三次元構造を有するゼラチン構造体であり、生体適合性材料構造体の形状が内部に転写されたゼラチン構造体を形成することができる。
また、被覆膜により生体適合性材料構造体の溶解を遅らせることで、ゼラチンが硬化するまでに生体適合性材料構造体が溶解せず、生体適合性材料構造体を残存させることができる。
本発明における生体適合性材料は、常温で三次元構造体が形成可能な材料であり、６０℃以上１３０℃以下の温度に調整することにより溶融して液体化する材料である。
整形工程における整形には、液体状態のゼラチンを容器に入れて硬化させ、容器の形状を転写する態様を適用することができる。整形工程の他の態様として、硬化させた固体ゼラチンを後加工する態様が挙げられる。
第２態様は、第１態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、ポリエチレングリコールを含む第一生体適合性材料、又はポリエチレングリコールを含む第二生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第２態様によれば、生体適合性材料としてポリエチレングリコールを適用することができる。
第３態様は、第１態様又は第２態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、第一生体適合性材料として、２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、又は８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを含む生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第３態様によれば、ノズル部から吐出させることが可能な吐出性条件を満たし、かつ、常温で積層可能な積層性条件を満たす一種類の生体適合性材料である、第一生体適合性材料を用いた生体適合性材料構造体の形成が可能である。
第４態様は、第１態様から第３態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、第二生体適合性材料として、１５０００を超え２５０００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを適用し、第一生体適合性材料として、２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、又は８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを適用し、かつ、第一生体適合性材料に対して、２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、及び８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールの少なくともいずれか一つのポリエチレングリコールを２０質量パーセント以上８０質量パーセント以下の比率で含有させた第三生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第４態様によれば、第一生体適合性材料に第二生体適合性材料を混合させることで、ノズル部から吐出させることが可能な吐出性条件を満たし、かつ、常温で積層可能な積層性条件を満たす第三生体適合性材料を用いた生体適合性材料構造体を形成することができる。
第５態様は、第１態様から第４態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、基板の液滴が着弾する面である液体着弾面の法線方向についてノズル部と基板とを相対的に移動させ、かつ、液体着弾面と平行な面内についてノズル部と基板とを相対的に移動させて、液体着弾面に対して傾斜した傾斜部を有する生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第５態様によれば、基板の液体着弾面に対して傾斜した傾斜部を有する生体適合性材料構造体の形成が可能である。
第６態様は、第５態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、４０００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料、又は５００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて、液体着弾面に対して６０度以上の角度を有する方向に沿う傾斜部を形成する構成とすることができる。
第６態様によれば、第一生体適合性材料、又は第三生体適合性材料の粘度を調整して、液体着弾面に対して６０度以上の角度を有する方向に沿う傾斜部を形成することができる。
第７態様は、第５態様又は第６態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、２０００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の第三生体適合性材料を用いて、液体着弾面に対して３０度以上６０度未満の角度を有する方向に沿う傾斜部を形成する構成とすることができる。
第７態様によれば、第三生体適合性材料の粘度を調整して、液体着弾面に対して３０度以上６０度未満の角度を有する方向に沿う傾斜部を形成することができる。
第８態様は、第５態様から第７態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、基板の液体着弾面の法線方向についてノズル部と基板とを相対的に移動させて液体着弾面の法線方向に沿う垂直部を有する生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第８態様によれば、基板の液体着弾面の法線方向に沿う垂直部を有する生体適合性材料構造体の形成が可能である。
第９態様は、第８態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、垂直部の形成方向と直交する方向について、ノズル部と基板とを相対的に移動させて、垂直部の形成方向と直交する方向に沿う水平部を有する生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第９態様によれば、垂直部の形成方向と直交する方向に沿う水平部を有する生体適合性材料構造体の形成が可能である。
第８態様に係るゼラチン構造体製造方法と、第９態様に係るゼラチン構造体製造方法とを組み合わせて、垂直部、及び水平部を組み合わせた生体適合性材料構造体を形成することができる。
第１０態様は、第１態様から第９態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、６０℃以上１３０℃以下の温度範囲において、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第１０態様によれば、第一生体適合性材料を６０℃以上１３０℃以下の温度に調整することで、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度とすることができる。
第１１態様は、第１態様から第１０態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、１００℃以上１３０℃以下の温度範囲において、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第１１態様によれば、第三生体適合性材料を１００℃以上１３０℃以下の温度に調整することで、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度とすることができる。
第１２態様は、第１態様から第１１態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、液体着弾面が生体適合性材料に対して親水性を有する基板に液滴状態の生体適合性材料を積み重ねて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第１２態様によれば、生体適合性材料構造体の崩れや折れが防止される。
第１３態様は、第１態様から第１２態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、生体適合性材料構造体形成工程は、液体着弾面が生体適合性材料に対して疎水性を有する基板に液滴状態の生体適合性材料を積み重ねて生体適合性材料構造体を形成する構成とすることができる。
第１３態様によれば、生体適合性材料構造体の基板からの剥離が容易となる。
第１４態様は、第１態様から第１３態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、ゼラチン構造体が有する水分の少なくとも一部を除去する乾燥工程を含む構成とすることができる。
第１４態様によれば、ゼラチン構造体の水分を除去して乾燥させることで、ゼラチン構造体を不溶化させることが可能となる。
第１４態様の一態様として、ゼラチン構造体に乾燥冷却処理を施す態様が挙げられる。
第１５態様は、第１態様から第１４態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、被覆膜形成工程は、生体適合性材料構造体の表面に粒子状のゼラチンを散布する粒子状ゼラチン散布工程と、生体適合性材料構造体の少なくとも一部が溶解する温度範囲、及び湿度範囲の条件であり、粒子状のゼラチンの少なくとも一部が溶解する温度範囲、及び湿度範囲の条件を適用して、粒子状のゼラチンが表面に散布された生体適合性材料構造体を加湿する加湿工程と、を含む構成とすることができる。
第１５態様によれば、粒子状のゼラチンを溶融させて被覆膜を形成することで、被覆膜とゼラチン構造体と一体化させることができる。
第１６態様は、第１態様から第１５態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、溶解工程は、生体適合性材料構造体にゼラチンに由来の水分を作用させて、生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、生体適合性材料構造体の形状をゼラチン構造体の内部に転写させる構成とすることができる。
第１６態様によれば、ゼラチンに由来の水分によって生体適合性材料構造体を溶解させることができる。
第１７態様は、第１態様から第１６態様のいずれか一態様のゼラチン構造体製造方法において、ゼラチンは、天然型ゼラチン、又はリコンビナントペプチドである構成とすることができる。
第１７態様によれば、入手が容易な天然型ゼラチンを用いたゼラチン構造体の生成、又は非感染性に優れたリコンビナントペプチドゼラチン構造体の生成が可能である。
第１８態様は、常温で固体である生体適合性材料であり、水溶性を有し、かつ、熱可塑性を有する生体適合性材料を溶融させた液体をノズル部から液滴状態で吐出させて、基板の液滴が着弾する面である液体着弾面に生体適合性材料を積み重ねて、生体適合性材料からなる三次元構造を有する生体適合性材料構造体を形成する生体適合性材料構造体形成部と、生体適合性材料構造体形成部によって形成された生体適合性材料構造体の表面を被覆する被覆膜であり、ゼラチンを含む被覆膜を形成する被覆膜形成部と、被覆膜形成部によって形成された被覆膜によって表面が被覆された生体適合性材料構造体の周囲にゼラチンを付着させてゼラチン構造体を形成するゼラチン構造体形成部と、ゼラチン構造体形成部によって形成されたゼラチン構造体を予め決められた形状に整形する整形部と、生体適合性材料構造体に水分を作用させて、生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、生体適合性材料構造体の形状をゼラチン構造体の内部に転写させる溶解部と、を備え、生体適合性材料構造体形成部は、ノズル部から吐出させる生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が可能な分子量分布を有する第一生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料、又はノズル部から吐出させる生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が不可能な分子量分布を有する第二生体適合性材料に、第一生体適合性材料を混合させた第三生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて生体適合性材料構造体を形成するゼラチン構造体製造システムである。
第１９態様によれば、第１態様と同様の効果を得ることができる。
第１８態様において、第２態様から第１７態様で特定した事項と同様の事項を適宜組み合わせることができる。その場合、ゼラチン構造体製造方法において特定される工程や処理は、これに対応する処理や機能を担う手段の要素として把握することができる。
本発明によれば、三次元形状の維持が困難なゼラチンを用いた三次元構造を有するゼラチン構造体であり、生体適合性材料構造体の形状が内部に転写されたゼラチン構造体を形成することができる。また、被覆膜により生体適合性材料構造体の溶解を遅らせることで、ゼラチンが硬化するまでに生体適合性材料構造体が溶解せず、生体適合性材料構造体を残存させることができる。
図１Ａはポリエチレングリコール構造体形成の模式図である。 図１Ｂはポリエチレングリコール構造体の一例を示す斜視図である。 図１Ｃは被覆膜形成の模式図である。 図１Ｄはゼラチン付着の模式図である。 図１Ｅはゼラチン付着の模式図である。 図１Ｆは硬化溶解の模式図である。 図１Ｇは容器取外しの模式図である。 図１Ｈは固体ゼラチンの模式図である。 図１Ｉはゼラチン構造体の模式図である。 図２はポリエチレングリコールピラーの説明図である。 図３はゼラチン構造体製造方法の手順を示すフローチャートである。 図４はゼラチン構造体製造システムの概略構成を示すブロック図である。 図５はポリエチレングリコール構造体形成部の全体構成図である。 図６はポリエチレングリコール構造体形成部における制御系のブロック図である。 図７は被覆膜形成部の概略構成図である。 図８Ａは微細粒子状ゼラチン噴射の模式図である。 図８Ｂは全面に微細粒子状ゼラチンを付着させたポリエチレングリコール構造体の模式図である。 図８Ｃは図８Ｂの一部拡大図である。 図８Ｄは周囲に被覆膜が形成されたポリエチレングリコール構造体の模式図である。 図８Ｅは図８Ｄの一部拡大図である。 図９は硬化溶解工程後のゼラチン構造体の拡大図である。 図１０はポリエチレングリコール構造体形成部の他の形態の全体構成図である。 図１１Ａは液体吐出ヘッドのノズル部の配置を示す平面図である。 図１１Ｂは液体吐出ヘッドの他のノズル部の配置を示すノズル面の平面図である。 図１２は液体吐出ヘッドの立体構成を示す断面図である。 図１３は図１０に示したポリエチレングリコール構造体形成部における制御系のブロック図である。 図１４はゼラチン構造体製造方法の他の態様の手順を示すフローチャートである。 図１５Ａは一本のポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。 図１５Ｂは複数のポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。 図１５ＣはＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたポリエチレングリコールを用いた場合の垂直ポリエチレングリコールピラーを示す電子顕微鏡写真である。 図１５Ｄは単独のＰＥＧ４０００を用いた場合の垂直ポリエチレングリコールピラーを示す電子顕微鏡写真である。 図１６Ａは一本の傾斜ポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。 図１６Ｂは複数の傾斜ポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。 図１６ＣはＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたポリエチレングリコールを用いた場合の傾斜ポリエチレングリコールピラーを示す電子顕微鏡写真である。 図１６Ｄは単独のＰＥＧ４０００を用いた場合の結果を示す電子顕微鏡写真である。 図１７はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。 図１８はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。 図１９は擬似八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体形成の説明図である。 図２０はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。 図２１は擬似正八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体形成の説明図である。 図２２Ａは微細粒子状ゼラチン付着工程の模式図である。 図２２Ｂは被覆膜が形成された擬似正八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体の模式図である。 図２２Ｃは固体ゼラチンの模式図である。 図２２Ｄはポリエチレングリコール構造体の三次元形状が内部に転写された固体ゼラチンの模式図である。 図２３Ａはポリエチレングリコール構造体の電子顕微鏡写真である。 図２３Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。 図２４Ａはポリエチレングリコール構造体の電子顕微鏡写真である。 図２４Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。 図２５Ａはポリエチレングリコール構造体の電子顕微鏡写真である。 図２５Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。
［ゼラチン構造体製造方法の概要］
図１Ａから図１Ｉはゼラチン構造体製造方法の概要を示す模式図である。図１Ａはポリエチレングリコール構造体形成の模式図である。ＰＥＧはポリエチレングリコールを表す用語である。
図１Ａに示したＰＥＧ構造体形成では、ジェットディスペンサー１０から基板１２の液体着弾面１２Ａへ向けて、液滴状態のＰＥＧ液滴１４を吐出させてＰＥＧ構造体２０を形成する。図１Ａには、ＰＥＧ構造体２０として垂直ＰＥＧピラー１６Ａを図示した。
図１Ａに示すように、ジェットディスペンサー１０は、ＰＥＧを液滴状態で吐出させるノズル部１８を備えている。
垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成に適用されるＰＥＧは、常温で固体であり、熱可塑性を有している。垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成に適用されるＰＥＧは加熱装置の温度調整範囲、又は温度設定範囲にはＰＥＧの融点を超える温度が含まれる。
垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成に適用されるＰＥＧは、６０℃以上１３０℃以下の温度に調整可能な加熱装置により温度が調整され、ジェットディスペンサー１０のノズル部１８から吐出させる際に液体状態とされ、ジェットディスペンサー１０から吐出可能な粘度範囲に調整される。本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法における常温は、例えば、５℃以上３５℃以下とすることができる。加熱装置による温度調整はノズル部から吐出させるＰＥＧの温度を調整する温度調整工程とすることができる。
図１Ｂはポリエチレングリコール構造体の一例を示す斜視図である。図１Ｂには、基板１２の液体着弾面１２Ａに形成されたＰＥＧ構造体２０を示す。図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０は、複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａ、及び複数の水平ＰＥＧピラー１６Ｂを組み合わせた構造を有している。垂直ＰＥＧピラー１６Ａは垂直部に相当する。水平ＰＥＧピラー１６Ｂは水平部に相当する。
図１Ｂに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向に沿って、ＰＥＧ液滴１４を積み重ねて形成される。図１Ｂに示した水平ＰＥＧピラー１６Ｂは、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向であり、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成方向と直交する方向に沿って形成される。
本明細書における平行の用語は、二方向が交差するものの、平行と同一の作用効果を奏する実質的な平行が含まれる。また、本明細書における直交の用語は、９０度を超える角度で交差する場合、又は９０度未満の角度で交差する場合のうち、９０度で交差する場合と同一の作用効果を奏する実質的な直交が含まれる。
更に、本明細書における同一の用語は、対象となる構成に相違点が存在しているものの、同一と同様の作用効果を得ることができる実質的な同一が含まれる。
図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０は、図１Ｉに符号３２を付して図示するゼラチン構造体の中空部の三次元形状に対応した形状を有している。中空部は図１Ｉに符号２０Ａを付して図示する。
図１Ｂには、垂直ＰＥＧピラー１６Ａを有するＰＥＧ構造体２０であり、かつ、水平ＰＥＧピラー１６Ｂを有するＰＥＧ構造体２０を例示したが、垂直ＰＥＧピラー１６Ａのみを有するＰＥＧ構造体２０や、水平ＰＥＧピラー１６Ｂのみを有するＰＥＧ構造体２０を形成してもよい。更に、垂直ＰＥＧピラー１６Ａ、又は水平ＰＥＧピラー１６Ｂと交差する方向に沿って形成される斜め方向のＰＥＧピラーを組み合わせてもよい。
すなわち、ＰＥＧ構造体２０の三次元形状はゼラチン構造体の中空部の三次元形状に対応して決められる。
図２はポリエチレングリコールピラーの説明図である。以下、先に説明した構成と同一の構成には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
図２には、図１Ｂに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａが複数形成されている。図２に示した複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、Ｘ方向、及びＹ方向に沿って予め決められた配置間隔で配置されている。
まず、Ｘ方向及びＹ方向について、図１Ａに示したジェットディスペンサー１０と基板１２との位置決めがされる。次に、図１Ａに示したＰＥＧ液滴１４をジェットディスペンサー１０から吐出させる。
ジェットディスペンサー１０と基板１２をＺ方向へ相対的に複数回移動させて、複数回の吐出が実行される。その結果、複数のＰＥＧ液滴１４がＺ方向に沿って積層され、複数のＰＥＧ液滴１４が合一し、かつ、硬化して、図２に示した円柱形状を有する垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成される。
Ｘ方向は基板の液体着弾面と平行方向の一態様である。Ｙ方向は基板の液体着弾面と平行方向の他の一態様である。Ｚ方向は基板の液体着弾面の法線方向に相当する。
ＰＥＧは常温で固体であり、ＰＥＧ液滴１４は基板１２の液体着弾面１２Ａに着弾すると直ちに硬化する。また、先に基板１２の液体着弾面１２Ａに着弾し硬化したＰＥＧ液滴１４に、次に吐出されたＰＥＧ液滴１４が着弾すると、ＰＥＧ液滴１４の上に着弾したＰＥＧ液滴１４は直ちに硬化する。
このようにして、複数のＰＥＧ液滴１４を順に積層させることで、Ｚ方向に沿って起立させた垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成される。
任意の着弾位置において垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成されると、図１Ａに示したジェットディスペンサー１０と基板１２とを相対的に移動させて、基板１２の液体着弾面１２ＡにおけるＰＥＧ液滴１４の着弾位置を変更し、変更された着弾位置について複数のＰＥＧ液滴１４を順にＺ方向に沿って積層させ、垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成される。
このようにして、ジェットディスペンサー１０と基板１２とのＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向についての相対移動、複数のＰＥＧ液滴１４の積層を順次繰り返すことで、図２に示した複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成される。なお、ジェットディスペンサー１０と基板１２との相対移動は、ノズル部１８と基板１２との相対移動と同義である。
図２に示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径は３００マイクロメートルである。ここで、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径は、ＰＥＧ液滴１４の吐出体積、基板１２の液体着弾面１２Ａの濡れ性に基づき決められる。基板１２の液体着弾面１２Ａの濡れ性が均一の場合は、ＰＥＧ液滴１４の吐出体積を調整することで、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径を調整することができる。なお、マイクロは１０−６を表す補助単位である。なお、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径は垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅と同義である。
図２に示した複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、Ｘ方向、及びＹ方向の配置間隔が同一であるが、Ｘ方向、及びＹ方向の配置間隔は個別に適宜設定することが可能である。
図１Ｂに示した水平ＰＥＧピラー１６Ｂは、垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成された基板１２の姿勢を変えて、液体着弾面１２ＡをＺ方向と平行方向とし、垂直ＰＥＧピラー１６Ａと同様の手順で形成することが可能である。
すなわち、水平ＰＥＧピラー１６Ｂは、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成方向と直交する方向について、ジェットディスペンサー１０と基板１２とを相対移動させて、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成方向と直交する方向に沿ってＰＥＧ液滴１４を積層させることで形成される。
垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成と、水平ＰＥＧピラー１６Ｂの形成とを交互に繰り返すことで、図１Ｂに示した、複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａ、及び複数の水平ＰＥＧピラー１６Ｂから構成されるＰＥＧ構造体２０を形成することが可能である。
水平ＰＥＧピラー１６Ｂの直径は、ＰＥＧ液滴１４の吐出体積、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの濡れ性に基づき決められる。垂直ＰＥＧピラー１６Ａの濡れ性が均一の場合は、ＰＥＧ液滴１４の吐出体積を調整することで、水平ＰＥＧピラー１６Ｂの直径を調整することができる。水平ＰＥＧピラー１６Ｂの直径は水平ＰＥＧピラー１６Ｂの幅と同義である。
なお、本明細書において、垂直ＰＥＧピラー１６Ａと水平ＰＥＧピラー１６Ｂとを区別する必要がない場合は、ＰＥＧピラー１６と記載する。
図１Ｃは被覆膜形成の模式図である。図１Ｃに示した被覆膜形成は、ＰＥＧ構造体２０の溶解が進行しない程度の湿度範囲が湿度条件として設定され、ＰＥＧ構造体２０を表面が微小な水滴で覆われる状態とする第一加湿工程が含まれる。ＰＥＧ構造体２０の溶解が進行しない程度の湿度条件の一例として、ＰＥＧ構造体２０の直径が２００マイクロメートル、ＰＥＧ構造体２０の長さは１ミリメートルの場合に、２５℃における相対湿度を９０％、加湿期間を一分とする湿度条件が挙げられる。
図１Ｃに示した被覆膜形成は、ＰＥＧ構造体２０の周囲に微細粒子状ゼラチン２２を散布して付着させる微細粒子状ゼラチン散布工程が含まれる。微細粒子状ゼラチン２２の一例として、魚ゼラチンをビーズミル等の微細化装置により微細化して、平均直径を５０マイクロメートルとする例が挙げられる。微細粒子状ゼラチン２２の平均直径はＰＥＧピラー１６の形状、サイズに応じて適宜変更することができる。
ここで、微細粒子状ゼラチン２２の直径とは、微細粒子状ゼラチン２２の形状を球とみなし、微細粒子状ゼラチン２２の体積から求められる球の直径である。また、微細粒子状ゼラチン２２の平均直径とは、単位体積に含まれる複数の微細粒子状ゼラチン２２についての直径の平均値である。
なお、微細粒子状ゼラチン２２の平均直径は、微細化装置における設定値を適用してもよい。微細粒子状ゼラチン２２は粒子状のゼラチンの一態様である。
図１Ｃに示した被覆膜形成は、ＰＥＧ構造体２０の表面に付着させた微細粒子状ゼラチン２２の一部を加湿により溶解させて、ＰＥＧ構造体２０の周囲に被覆膜２４が形成される第二加湿工程が含まれる。第二加湿工程の湿度条件は第一加湿工程と同じ湿度条件を適用可能である。
図示を省略するが、被覆膜形成は、周囲に被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０を減圧環境下に置き、被覆膜２４の乾燥を促進させる減圧工程が含まれる。被覆膜２４の乾燥の促進が不要の場合、減圧工程は省略可能である。
第一加湿工程、及び第二加湿工程は、湿度条件が同一の場合に、両者を区別せずに加湿工程とすることも可能である。すなわち、図１Ｃに示した被覆膜形成は、予め設定された湿度条件において加湿を行い、ＰＥＧ構造体２０の表面に微細粒子状ゼラチン２２を付着させ、更に加湿を継続させることでＰＥＧ構造体２０の周囲にゼラチンの被覆膜を形成させる工程とすることが可能である。
図１Ｃに示した被覆膜形成では、第一加湿工程、微細粒子状ゼラチン散布工程、第二加湿工程を複数回繰り返して、所望の厚みを有する被覆膜を形成することができる。例えば、平均直径が５０マイクロメートルの微細粒子状ゼラチンの付着が一回行われると、厚みが１００マイクロメートルの被覆膜が形成される。第一加湿工程、微細粒子状ゼラチン付着工程、第二加湿工程が二回行われることで、厚みが２００マイクロメートルの被覆膜が形成される。被覆膜の厚みは、電子顕微鏡を用いて測定できる。
図１Ｃに示した周囲に被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０は、ＰＥＧ構造体２０の一態様であり、生体適合性材料構造体の一態様である。以下、ＰＥＧ構造体２０には、被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０が含まれることとし、被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０をＰＥＧ構造体２０と記載することがある。
図１Ｄ、及び図１Ｅはゼラチン付着の模式図である。図１Ｄに示すように、ＰＥＧ構造体２０の全体が容器３６で覆われる。容器３６は、最終形成物であるゼラチン構造体の外形に対応する形状を有している。最終形成物であるゼラチン構造体は、図１Ｉに符号３２を付して図示する。
図１Ｄに示した容器３６は、ＰＥＧ構造体２０の全体が収容可能な大きさであり、内部にゼラチン液の流し込みが可能な開口３６Ａを有している。基板１２と容器３６とを一体構成としてもよい。容器３６の材料は樹脂を適用することが可能である。
ＰＥＧ構造体２０が容器３６により覆われると、図１Ｅに示すように、容器３６の開口３６Ａから容器３６の中にゼラチン液３０が流し込まれる。ゼラチン液３０の一例として、魚ゼラチンの含有比率が１２質量パーセントのゼラチン液が挙げられる。魚ゼラチンは魚由来のゼラチンである。本実施形態では溶融温度が２３℃の魚ゼラチンが適用される。
図１Ｆは硬化溶解の模式図である。図１Ｆに示した硬化溶解では、予め設定された温度条件において冷却が行われ、容器３６内のゼラチン液３０がゲル状に固められる。冷却温度条件の一例として４℃が挙げられる。
冷却温度の他の例として１５℃が挙げられる。一辺が１センチメートルの立方体の容器に、２５℃の温度を有し、２５質量パーセントの濃度を有するゼラチン液を入れ、１５℃環境下で空冷してゼラチン液３０が硬化することが確認された。ゼラチン液３０の濃度２０質量パーセントの場合、１０分間の冷却によりゼラチン液３０が硬化することが確認された。ゼラチン液３０の濃度２５質量パーセントの場合、２分間の冷却によりゼラチン液３０が硬化することが確認された。
図１Ｆに示した硬化溶解では、ゼラチン液３０の水分が図１Ｃに示した被覆膜２４に作用して、被覆膜２４とゼラチン液３０とを徐々に一体化させる。また、図１Ｆに示した硬化溶解では、被覆膜２４、及びゼラチン液３０の水分がＰＥＧ構造体２０に作用して、ＰＥＧ構造体２０を徐々に溶解させる。
すなわち、図１Ｆに示した硬化溶解は、ゼラチン液３０の硬化と、ＰＥＧ構造体２０の溶解が並行して進行している。
固体ゼラチンとは、容器３６を取り外したとしても、形状を維持することが可能な程度に、ゼラチン液の少なくとも一部が固められたゼラチンを表している。なお、固体ゼラチンはゼラチン液の全部が固められたものが好ましい。
ゼラチン液３０の硬化は、容器３６の形状に対応した外形に固体ゼラチン３０Ａを整形する整形工程の一部としても機能している。
図１Ｆに示した硬化溶解により、容器３６内のゼラチン液３０が固められて固体ゼラチン３０Ａにされると、図１Ｇに示すように、固体ゼラチン３０Ａが覆われている容器３６が取り外される。図１Ｇに示した容器の取外しは、容器３６の形状に対応した外形に固体ゼラチン３０Ａを整形する整形工程の一部である。
また、図１Ｆに示した硬化溶解においてＰＥＧ構造体２０が溶解すると、固体ゼラチン３０Ａの内部にＰＥＧ構造体２０の三次元形状が転写されたゼラチン構造体が形成される。
図１Ｈに示した固体ゼラチン３０Ａは、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０の三次元形状に対応する中空部２０Ａが形成されている。図１Ｈに示した固体ゼラチン３０Ａは凍結乾燥処理が施され、基板１２が取り外され、図１Ｉに示したゼラチン構造体３２が完成する。図１Ｉに示したゼラチン構造体３２は、凍結乾燥処理によって不溶化されている。
ゼラチン構造体３２は、図１Ｉに示した乾燥凍結処理後の固体ゼラチン３０Ａだけでなく、図１Ｈに示した乾燥凍結処理前の固体ゼラチン３０Ａが含まれていてもよい。換言すると、図１Ｉに示した乾燥凍結処理後の固体ゼラチン３０Ａはゼラチン構造体の一態様であり、図１Ｈに示した乾燥凍結処理前の固体ゼラチン３０Ａはゼラチン構造体の他の一態様である。
ゼラチン構造体形成工程の一態様として、図１Ｃに示した被覆膜形成、図１Ｅに示したゼラチン付着、及び図１Ｆに示したゼラチン硬化を含む態様が挙げられる。整形工程の一態様として、図１Ｄに示した容器載置、及び図１Ｇに示した容器の取外しを含む態様が挙げられる。
また、図１Ｆに示したＰＥＧ構造体２０の溶解は、溶解工程の一態様である。
［ゼラチン構造体製造方法の手順の説明］
図３はゼラチン構造体製造方法の手順を示すフローチャートである。以下の説明では、図１Ａから図１Ｉを適宜参照する。
図３に示すように、本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法では、まず、ＰＥＧ構造体形成工程Ｓ１０において、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０が形成される。ＰＥＧ構造体２０が形成されると、図３の被覆膜形成工程Ｓ１２へ進む。
図３に示したＰＥＧ構造体形成工程Ｓ１０は、生体適合性材料構造体形成工程の一態様である。
被覆膜形成工程Ｓ１２では、図１Ｃに示すように、ＰＥＧ構造体２０の周囲にゼラチンの被覆膜２４が形成される。ＰＥＧ構造体２０の周囲にゼラチンの被覆膜２４が形成されると、図３の容器載置工程Ｓ１４へ進む。
生体適合性材料構造体形成工程は、図３に示したＰＥＧ構造体形成工程Ｓ１０を含む態様がありうる。
容器載置工程Ｓ１４では、図１Ｄに示すように、ゼラチンの被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０の全体が覆われる形状、及び構造を有する容器３６が載置される。容器３６が載置されると、図３のゼラチン付着工程Ｓ１６へ進む。
ゼラチン付着工程Ｓ１６では、図１Ｅに示すように、容器３６の開口３６Ａから容器３６の中にゼラチン液３０が流し込まれる。容器３６の中にゼラチン液３０が流し込まれると、図３の硬化溶解工程Ｓ１８へ進む。
硬化溶解工程Ｓ１８では、容器３６の中にゼラチン液３０が冷却され、図１Ｆに示した固体ゼラチン３０Ａが形成される硬化工程、及び水溶性を有するＰＥＧにより構成されるＰＥＧ構造体２０に水分を作用させて溶解させる溶解工程が並行して進行する。
ＰＥＧ構造体２０に作用させる水分は、固体ゼラチン３０Ａに由来の水分を適用することができる。
ゼラチン液３０が固められて固体ゼラチン３０Ａが形成されると、図３の容器取外し工程Ｓ２０へ進む。容器取外し工程Ｓ２０では、図１Ｇに示すように、固体ゼラチン３０Ａを覆う容器３６が取り外される。図１Ｇに示した容器３６が取り外されると、図３の凍結乾燥工程Ｓ２２へ進む。
凍結乾燥工程Ｓ２２では、図１Ｈに示すように、固体ゼラチン３０Ａに対して凍結乾燥処理が施され、ゼラチン液３０の水分の少なくとも一部が除去される。乾燥凍結処理により固体ゼラチン３０Ａが不溶化されると、図３の基板取外し工程Ｓ２４へ進む。凍結乾燥工程Ｓ２２は乾燥工程の一態様である。
基板取外し工程Ｓ２４では、図１Ｉに示すように、固体ゼラチン３０Ａから基板１２が取り外され、ゼラチン構造体３２が完成する。図３には、基板１２を取り付けられた固体ゼラチン３０Ａに対して乾燥凍結処理が施される態様を例示したが、基板１２が取り外された固体ゼラチン３０Ａに対して乾燥凍結処理が施されてもよい。
ゼラチン構造体形成工程の一態様として、図３に示した容器載置工程Ｓ１４、ゼラチン付着工程Ｓ１６、硬化溶解工程Ｓ１８のうち硬化工程、容器取外し工程Ｓ２０、及び凍結乾燥工程Ｓ２２を含む態様がありうる。
整形工程の一態様として、図３に示した容器載置工程Ｓ１４、及び容器取外し工程Ｓ２０を含む態様がありうる。すなわち、図３に示した容器載置工程Ｓ１４、及び容器取外し工程Ｓ２０は、ゼラチン構造体形成工程の構成要素として機能し、かつ、整形工程の構成要素として機能している。
溶解工程は、図３に示した硬化溶解工程Ｓ１８のうち溶解工程を含む態様がありうる。
乾燥凍結処理は乾燥工程における処理の一態様である。
［ゼラチン構造体製造システムの構成］
図４はゼラチン構造体製造システムの概略構成を示すブロック図である。図４にブロック図を示したゼラチン構造体製造システムは、図３にフローチャートを示したゼラチン構造体製造方法を実現するシステムである。
図４に示したゼラチン構造体製造システム１は、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０を形成するＰＥＧ構造体形成部２、ＰＥＧ構造体形成部２によって形成されたＰＥＧ構造体２０の周囲に、図１Ｃに示した被覆膜２４を形成する被覆膜形成部３、及び図１Ｃに示したＰＥＧ構造体２０の周囲にゼラチンを付着させて、図１Ｉに示したゼラチン構造体３２を形成するゼラチン構造体形成部４を備えている。
図４に示したゼラチン構造体形成部４は、図１Ｅに示したＰＥＧ構造体２０の周囲にゼラチン液３０を流し込むゼラチン付着部５、ゼラチン液３０を冷却して固め、かつ、ＰＥＧ構造体２０に水分を付着させてＰＥＧ構造体２０を溶解させる硬化溶解部６、及び固体ゼラチン３０Ａに凍結乾燥処理を施す凍結乾燥処理部７を備えている。
また、図４に示したゼラチン構造体製造システム１は、固体ゼラチン３０Ａを整形する整形部８を備えている。図４に示した各部は、機能に基づく便宜上の区別であり、適宜、統合、分離が可能である。
例えば、図１Ｄに示した容器３６の形状により、最終生成物である、図１Ｉに示したゼラチン構造体３２の三次元形状が決められる場合には、図３に示した整形部８はゼラチン構造体形成部４に統合される。
［ＰＥＧ構造体形成部の説明］
次に、図４に示したＰＥＧ構造体形成部について詳細に説明する。図５はポリエチレングリコール構造体形成部の全体構成図である。ＰＥＧ構造体形成部２は生体適合性材料構造体形成部に相当する。
図５に示したＰＥＧ構造体形成部２は、ジェットディスペンサー１０と基板１２とを、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について相対的に移動させて、基板１２の液体着弾面１２ＡにＰＥＧ構造体を形成する。
ＰＥＧ構造体形成部２は、ジェットディスペンサー１０をＸ方向に沿って往復移動させるキャリッジ５２、キャリッジ５２をＸ方向に沿って移動可能に支持するガイド５４、及びＸ方向におけるガイド５４の両端を支持する支持柱５６を備えている。
また、ＰＥＧ構造体形成部２は、基板１２を支持するテーブル６０であり、Ｙ方向、及びＺ方向に沿って移動可能なテーブル６０、及びテーブル６０を支持する支持台６２、支持台６２を支持する脚６４を備えている。支持柱５６、及び脚６４は、基台７０に載置されている。
ジェットディスペンサー１０は、流路７２、ポンプ７４を介してタンク７６と接続される。タンク７６はジェットディスペンサー１０から吐出させるＰＥＧが収容される。タンク７６はＰＥＧの温度を調整するＰＥＧ温度調整部７８を備えている。タンク７６は、ＰＥＧ温度調整部７８によって温度調整がされた液体のＰＥＧが収容される。
テーブル６０は、基板１２を支持する基板支持部をＹ方向に沿って移動させるＹ方向移動部、及び基板支持部をＺ方向に沿って移動させるＺ方向移動部を備えている。図５では、基板支持部、Ｙ方向移動部、及びＺ方向移動部の図示は省略する。Ｙ方向移動部、及びＺ方向移動部の例として、ボールねじ、又はベルトを用いた直線移動機構、上下移動機構が挙げられる。
ＰＥＧ構造体形成部２は、キャリッジ５２の動作、及びテーブル６０の動作を制御し、かつ、ジェットディスペンサー１０の吐出を制御する制御部８０を備えている。図５に示すように、制御部８０はデータ通信線８２を介してパーソナルコンピュータ８４と接続される。制御部８０は、パーソナルコンピュータ８４から送られるＰＥＧ構造体のデータを受信し、ＰＥＧ構造体のデータに基づいて、ジェットディスペンサー１０の吐出制御、キャリッジ５２の移動制御、テーブル６０の移動制御を実行させる。
図５では、ＰＥＧ構造体形成部２における制御部８０と、パーソナルコンピュータ８４とを有線接続する態様を例示したが、無線接続によりデータ通信を行う態様も可能である。また、図５に示したパーソナルコンピュータ８４をＰＥＧ構造体形成部２の設置場所の外部に配置し、ネットワークを介してパーソナルコンピュータ８４とＰＥＧ構造体形成部２の制御部８０とを接続させる態様も可能である。
図５には、Ｘ方向に沿ってジェットディスペンサー１０を移動させ、かつ、Ｙ方向、及びＺ方向に沿って基板１２を移動させる態様を例示したが、ＰＥＧ構造体形成部２は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について、ジェットディスペンサー１０と基板１２とを相対的に移動させることが可能であればよい。
図６はポリエチレングリコール構造体形成部における制御系のブロック図である。図６に示した制御系には、図５に示した制御部８０が含まれる。
ＰＥＧ構造体形成部２は、各部を統括的に制御するシステムコントローラ１００を備えている。システムコントローラ１００は、中央処理装置、及び記憶媒体により構成される。中央演算装置は、Central Processing Unit、又はＣＰＵと呼ばれるものが含まれる。なお、ＣＰＵはCentral Processing Unitの省略語である。
図６に示した制御系は、吐出制御部１０２、キャリッジ移動制御部１０４、テーブル移動制御部１０６、温度調整部１０８、及び湿度調整部１１０を備えている。
吐出制御部１０２は、システムコントローラ１００からの指令信号に基づき、ジェットディスペンサー１０の液滴吐出を制御する。ジェットディスペンサー１０の吐出制御には、吐出タイミングの制御、及び吐出体積の制御が含まれる。
キャリッジ移動制御部１０４は、システムコントローラ１００からの指令信号に基づき、キャリッジ移動部１１４の動作を制御して、図５に示したキャリッジ５２の移動を制御する。図６に示したキャリッジ移動部１１４には、駆動源であるモータ、モータの回転軸と連結される駆動機構が含まれる。
テーブル移動制御部１０６は、テーブル移動部１１６の動作を制御して、図５に示したテーブル６０の動作を制御する。図６のテーブル移動部１１６は、図５に示した基板１２をＸ方向に移動させるＸ方向移動機構、及び基板１２をＹ方向に移動させるＹ方向移動機構が含まれる。
温度調整部１０８は、システムコントローラ１００からの指令信号に基づき、ジェットディスペンサー１０に供給されるＰＥＧの温度を、ＰＥＧの吐出に適した一定範囲に保つＰＥＧ温度調整部、及びジェットディスペンサー１０の環境温度を、ＰＥＧの吐出、及びＰＥＧの硬化に適した一定範囲に保つ環境温度調整部を含んで構成される。ＰＥＧ温度調整部は、図５に示したＰＥＧ温度調整部７８が含まれる。
湿度調整部１１０は、システムコントローラ１００からの指令信号に基づき、ジェットディスペンサー１０の環境湿度を、ＰＥＧの吐出に適した一定範囲に保つ。
図６に示した制御系は、表示部１２０、操作部１２２、入力部１２４、及び記憶部１２６を備えている。
表示部１２０は、システムコントローラ１００からの指令信号に基づき、各種情報を表示させる。表示部として、液晶ディスプレイ装置などの表示装置を適用することができる。
操作部１２２は、キーボード、マウス、又はジョイスティックなどの操作部材が適用される。操作部１２２を介して入力された情報は、システムコントローラ１００を介して各部へ送られる。
タッチパネル方式のディスプレイ装置を用いて、表示部１２０と操作部１２２とを一体構成とする態様も可能である。
入力部１２４は、システム外部から送出される各種情報の入力インターフェースである。入力部１２４の例として、図５に示したデータ通信線８２が接続される端子が挙げられる。入力部１２４として無線通信インターフェースを備えてもよい。
記憶部１２６は、データの一次記憶領域、演算処理の処理領域、システムパラメータの格納領域などが含まれる。図６に示した記憶部１２６は、複数の記憶素子により構成されてもよい。
図６に示した制御系は、システムコントローラ１００を介して、温度センサ１３０から送出された温度情報を記憶する。温度センサ１３０から送出された温度情報は、温度調整部１０８による温度制御に利用される。温度センサ１３０の例として、ジェットディスペンサー１０におけるＰＥＧの温度を検出する温度センサが挙げられる。
図６に示した制御系は、システムコントローラ１００を介して、湿度センサ１３２から送出された湿度情報を記憶する。湿度センサ１３２から送出された湿度情報は、湿度調整部１１０による湿度制御に利用される。湿度センサの例として、ジェットディスペンサー１０の環境湿度を検出する湿度センサが挙げられる。
図６に示した制御系において、システムコントローラ１００、吐出制御部１０２、キャリッジ移動制御部１０４、テーブル移動制御部１０６、温度調整部１０８、湿度調整部１１０は、図５に示した制御部８０に含まれる。もちろん、図６に示した制御系における他の構成を制御部８０に含む態様も可能である。
［被覆膜形成部の説明］
次に、図４に示した被覆膜形成部３について詳細に説明する。図７は被覆膜形成部の概略構成図である。
図７に示した被覆膜形成部３は、基板１２に形成されたＰＥＧ構造体２０に微細粒子状ゼラチン２２を噴射させる噴射部２０２を備えている。噴射部２０２は、噴射ノズル部２０４、ゼラチン流路２０６、ゼラチン噴射ポンプ２０８、及びゼラチンタンク２１０を備えている。
ゼラチン噴射ポンプ２０８を動作させると、噴射ノズル部２０４から微細粒子状ゼラチン２２が噴射される。不図示の噴射ノズル移動部を用いて噴射ノズル部２０４の位置を移動させて、ＰＥＧ構造体２０の全体に微細粒子状ゼラチン２２を付着させることができる。
被覆膜形成部３は、ＰＥＧ構造体２０を収容するチャンバー２１２を備えている。チャンバー２１２は、ＰＥＧ構造体２０の溶解が進行しない程度の温度条件、及びＰＥＧ構造体２０の溶解が進行しない程度の湿度条件を設定可能に構成されている。
図８Ａから図８Ｅは被覆膜形成の模式図である。図８Ａは微細粒子状ゼラチン噴射の模式図である。図８Ａはポリエチレングリコール構造体２０に向けて微細粒子状ゼラチン２２を噴射させて、ＰＥＧ構造体２０に微細粒子状ゼラチンを付着させた状態が図示されている。なお、図８Ａでは図７に示したＰＥＧ構造体２０を構成する複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａのうち、任意の一本の垂直ＰＥＧピラー１６ＡをＰＥＧ構造体２０として図示する。
図８Ａに示した微細粒子状ゼラチン噴射では、相対湿度が９０パーセント、加湿期間が一分間の湿度条件で、ＰＥＧ構造体２０が加湿される。図８Ａに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径は２００マイクロメートルとし、図７に示した基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向における、図８Ａに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの長さは１ミリメートルとする。なお、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径は垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅と同義である。
ここに示した湿度条件は、図１Ｃに示した被覆膜形成における第一加湿工程の湿度条件と同一である。
図８Ｂは全面に微細粒子状ゼラチンを付着させたポリエチレングリコール構造体の模式図である。図８Ｃは図８Ｂの一部拡大図である。図８Ｃに示すように、ＰＥＧ構造体２０と微細粒子状ゼラチン２２との間に介在する水分２３が接着液として機能し、ＰＥＧ構造体２０と微細粒子状ゼラチン２２との結合を強化し、かつ、微細粒子状ゼラチン２２同士の結合を強化する。
図８Ｃに示す例では、微細粒子状ゼラチンの平均直径は５０マイクロメートルである。微細粒子状ゼラチンの直径、平均直径については先に説明のとおりであり、ここでの説明は省略する。
図８Ｄは周囲に被覆膜が形成されたポリエチレングリコール構造体の模式図である。図８Ｅは図８Ｄの一部拡大図である。
ＰＥＧ構造体２０の溶解が進行しない程度の湿度条件であり、先に一例を示した湿度条件が適用される加湿を継続させると、図８Ｂに示したＰＥＧ構造体２０の微細粒子状ゼラチン２２の一部が溶解し、周囲の微細粒子状ゼラチン２２と合一して、図８Ｄに示した被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０が形成される。
この湿度条件は、図１Ｃに示した被覆膜形成と同一であるので、詳細な説明は省略する。
図８Ｅに示すように、被覆膜２４は、図１Ｅに示したゼラチン液３０における水分子３０Ｂの移動を抑制する。そうすると、ＰＥＧ構造体２０の溶解の進行を遅らせることができ、ゼラチン液３０が硬化して固体ゼラチン３０Ａになるまでに、ＰＥＧ構造体２０が溶解してしまうことを抑制することができる。
図９は硬化溶解工程後のゼラチン構造体の拡大図である。図９は図１Ｉに示したゼラチン構造体３２の一部を拡大した電子顕微鏡写真である。図９に示すように、ゼラチン構造体３２の内部には、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０の三次元形状に対応した形状を有する中空部２０Ａが形成されている。図９に示した中空部２０Ａの直径は３００マイクロメートルであり、図２に示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径と同一である。
すなわち、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０の少なくとも一部が溶解すると、ＰＥＧ構造体２０における溶解した部分の三次元形状が、ゼラチン構造体３２の内部に転写される。
図９には、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０を全て溶解させた態様を例示したが、ゼラチン構造体３２の機能を損なわない程度の微量のＰＥＧ構造体２０の一部が残留していてもよい。
［被覆膜形成の具体例］
＜具体例１＞
図８Ｄに示した被覆膜２４の厚みを２００マイクロメートルとする。図１Ｅに示したゼラチン液３０の濃度を２５質量パーセント、ゼラチン液３０の温度を２５℃とする。環境温度１５℃としてゼラチン液３０を空冷した。
かかる場合は、ＰＥＧ構造体２０を溶解させることなく、ゼラチン液３０の硬化が可能であることが確認された。また、ゼラチン構造体３２の内部にＰＥＧ構造体２０の三次元形状が転写されていることが確認された。
＜具体例２＞
図８Ｄに示した被覆膜２４の厚みを２００マイクロメートルとする。図１Ｅに示したゼラチン液３０の濃度を２０質量パーセント、ゼラチン液３０の温度を２５℃とする。環境温度１５℃としてゼラチン液３０を空冷した。
かかる場合は、ゼラチン液３０の硬化に１０分間を要した。また、具体例１と同様に、ＰＥＧ構造体２０を溶解させることなく、ゼラチン液３０の硬化が可能であることが確認された。ゼラチン構造体３２の内部にＰＥＧ構造体２０の三次元形状が転写されていることが確認された。
＜比較例１＞
図８Ｄに示した被覆膜２４を形成せずに、図１Ｂに示したＰＥＧ構造体２０に対して、濃度が２５質量パーセント、温度が２５℃のゼラチン液３０を付着させた。環境温度１５℃としてゼラチン液３０を空冷した。
ゼラチン液３０の付着完了から１０秒間でＰＥＧ構造体２０が溶解することが確認された。また、ゼラチン液３０の付着完了から２分間でゼラチン液３０が硬化することが確認された。
ＰＥＧ構造体２０がゼラチン液３０に含まれる水分により溶解してゼラチン液３０と混合され、ゼラチン液３０が硬化したため、ゼラチン構造体３２の内部にはＰＥＧ構造体２０の三次元形状の反転形状を得ることができないことが確認された。
＜比較例２＞
図８Ｄに示した被覆膜２４の厚みを１００マイクロメートルとする。ゼラチン液３０の濃度を２５質量パーセント、ゼラチン液３０の温度を２５℃とする。環境温度１５℃としてゼラチン液３０を空冷した。
ゼラチン液３０の付着完了から１分間でＰＥＧ構造体２０が溶解することが確認された。すなわち、被覆膜２４の厚みを１００マイクロメートルとした場合は、水分に対する耐性が十分でないことが確認された。
以上まとめると、図８Ｄに示した被覆膜２４の厚みを調整して、水分に対して十分な耐性を有する被覆膜２４の形成が可能である。被覆膜２４の厚みは、ゼラチン液の濃度、ゼラチン液の硬化条件等に基づき調整することができる。
［ＰＥＧ構造体形成部の他の形態の説明］
図１０はポリエチレングリコール構造体形成部の他の形態の全体構成図である。ここでは、主として、図１０に示したＰＥＧ構造体形成部２Ａにおける、図５に示したＰＥＧ構造体形成部２との違いについて説明することとし、図１０に示したＰＥＧ構造体形成部２Ａにおいて、図５に示したＰＥＧ構造体形成部２と同一の構成の説明は省略する。
図１０に示したＰＥＧ構造体形成部２Ａは、図５に示したＰＥＧ構造体形成部２のジェットディスペンサー１０に代わり、液体吐出ヘッド１０Ａを備えている。液体吐出ヘッド１０Ａは、図１０に図示しない複数のノズル部を備え、複数のノズル部のそれぞれから選択的に、図１Ａに示したＰＥＧ液滴１４を吐出させることができる。
図１０に示したＰＥＧ構造体形成部２Ａは、図５に示したＰＥＧ構造体形成部２の制御部８０に代わり、制御部８０Ａを備えている。制御部８０Ａの詳細は後述する。
図１１Ａは液体吐出ヘッドのノズル部の配置を示すノズル面の平面図である。図１１Ｂは液体吐出ヘッドの他のノズル部の配置を示すノズル面の平面図である。
図１１Ａに示した液体吐出ヘッド１０Ａは、複数のノズル部１８Ａが一方向に沿って等間隔に並べられている。図１１Ａの符号３００は、液体吐出ヘッド１０Ａの内部流路の一部を構成する圧力室である。
図１１Ｂに示した液体吐出ヘッド１０Ｂは、複数のノズル部１８Ａが一方向に沿って等間隔に並べられたノズル列を二列有し、一方のノズル列と他方のノズル列との間で、ノズル部１８Ａの配列方向におけるノズル部１８Ａの位置が、ノズル配置間隔の二分の一だけずらされている。
図１１Ｂに示した液体吐出ヘッド１０Ｂのノズル部の配列方向における吐出解像度は、図１１Ａに示した液体吐出ヘッド１０Ａノズル部の配列方向における吐出解像度の二倍となっている。
なお、液体吐出ヘッドのノズル部の配置は、図１１Ａ、及び図１１Ｂに示した態様に限定されず、複数のノズル部１８Ａを二次元状に配置してもよい。
図１２は液体吐出ヘッドの立体構成を示す断面図である。図１２には、図１１Ａに示した複数のノズル部１８Ａのうち、一つのノズル部１８Ａを図示する。なお、図１１Ａに示した液体吐出ヘッド１０Ａと、図１１Ｂに図示した液体吐出ヘッド１０Ｂとは、一つのノズル部１８Ａにおける立体構造は同一であり、ここでは図１１Ａに示した液体吐出ヘッド１０Ａについて説明する。
図１２に示すように、ノズル開口３０１はノズル連通路３０２を介して圧力室３００と連通している。圧力室３００は供給口３０４を介して共通流路３０６と連通している。圧力室３００の天井面は、振動板３０８が形成される。振動板３０８の圧力室３００と反対側面には、圧電素子３１０が配置される。
圧電素子３１０は、上部電極３１２と下部電極３１４との間に圧電体３１６が配置された構造を有している。上部電極３１２と下部電極３１４との間に駆動電圧が印加されると、圧電素子３１０にたわみ変形が生じ、振動板３０８を変形させる。
振動板３０８の変形によって圧力室３００の体積が減少すると、圧力室３００の体積減少分に相当する液体がノズル部１８Ａから吐出される。圧力室３００内の液体が吐出されると、供給口３０４を介して共通流路３０６から圧力室３００へ液体が供給される。
なお、ここでいう液体は、図１Ａに示したＰＥＧ液滴１４となる液体状態のＰＥＧである。
本実施形態では圧電方式の液体吐出ヘッドを例示したが、圧力室内の液体の膜沸騰現象を利用したサーマル方式の液体吐出ヘッドを適用してもよい。
図１３は図１０に示したポリエチレングリコール構造体形成部における制御系のブロック図である。図１３に示した制御系は、図１０に示した制御部８０Ａが含まれる。図１３に示した制御系は、図６に示したＰＥＧ構造体形成部２の制御系の吐出制御部１０２に代わり、ヘッド制御部１０２Ａが備えられている。
ヘッド制御部１０２Ａは、システムコントローラ１００から送出される制御信号に基づいて、図１０に示した液体吐出ヘッド１０Ａの吐出を制御する。図１３に示した制御系の他の構成は、図６に示した制御系の構成と同一であり、ここでの説明は省略する。
［ゼラチン構造体製造方法の他の態様の説明］
図１４はゼラチン構造体製造方法の他の態様の手順を示すフローチャートである。図１４において、図３と同一の工程には同一の符号を付し、説明を適宜省略する。図１４に示したフローチャートでは、図３に示した容器取外し工程Ｓ２０と凍結乾燥工程Ｓ２２との間に後加工工程Ｓ２１が追加されている。
図１４に示した後加工工程Ｓ２１は、図１Ｈに示した固体ゼラチン３０Ａを予め決められた形状に加工する。その後、凍結乾燥工程Ｓ２２において、後加工後の固体ゼラチン３０Ａに対して凍結乾燥処理が施される。
凍結乾燥処理後のゼラチン構造体３２に対して、後加工を施す態様も可能である。図１４に示した後加工工程Ｓ２１は、整形工程の構成要素の一部である。
［ＰＥＧ構造体形成の詳細な説明］
次にＰＥＧ構造体の形成について詳細に説明する。以下に、ＰＥＧ構造体を形成する際のＰＥＧの吐出性、及びＰＥＧ液滴の積層性について詳細に説明する。
＜吐出性評価＞
図１５Ａから図１５Ｄはポリエチレングリコール液滴の積層性評価の説明図である。図１５Ａは一本のポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。図１５Ａには、ＰＥＧ液滴１４を積み重ねた垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成が模式的に図示されている。
図１５Ａに示すように、まず、基板１２の液体着弾面１２ＡにＰＥＧ液滴１４を一滴吐出させ、硬化させる。Ｚ方向における正方向、すなわち、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向であり、基板１２から離れる方向にジェットディスペンサー１０を移動させ、ＰＥＧ液滴１４とジェットディスペンサー１０との間隔を一定に保ちながら、複数回にわたってＰＥＧ液滴１４の吐出を行う。ジェットディスペンサー１０の移動方向は、図１５Ｂに矢印線を用いて図示する。
このようにして、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向に沿う垂直ＰＥＧピラー１６Ａを形成する。
図１５Ｂは複数のポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。図１５Ｂに示した複数本の垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、ジェットディスペンサー１０と基板１２とを、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に沿って相対的に移動させて等間隔に配置させた。本実施形態では、１ミリメートル間隔で複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａが形成される例を示した。
複数の垂直ＰＥＧピラー１６Ａの配置間隔は、隣接する垂直ＰＥＧピラー１６Ａの直径を超える値であれば、任意の値とすることができる。
図１５Ｂに示した矢印線は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行な面内におけるジェットディスペンサー１０の移動方向である。ジェットディスペンサー１０の移動方向は図５に示したＸ方向でもよいし、Ｙ方向でもよい。Ｘ方向、及びＹ方向と交差する斜め方向でもよい。
本実施形態では。ジェットディスペンサー１０におけるＰＥＧの吐出速度を１０ミリメートル毎秒とし、ＰＥＧの吐出間隔を５秒とし、一つの垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成位置に４０滴のＰＥＧ液滴１４を吐出させた。
［表１］にＰＥＧの吐出性評価の結果を示す。
上記［表１］における評価Ａはジェットディスペンサー１０の温度調整可能範囲において正常吐出が可能であることを表している。正常吐出とは吐出指令に対して予め決められた範囲内の体積のＰＥＧ液滴が基板に着弾したことを表している。
評価Ｂは正常吐出ができない場合であり、ＰＥＧ液滴が基板に着弾したものの、基板に着弾したＰＥＧ液滴の体積が予め決められた体積未満である場合、又は基板に着弾したＰＥＧ液滴の体積が予め決められた体積未満を超える場合を表している。評価Ｃはジェットディスペンサー１０の温度調整可能範囲にＰＥＧの融点を超える温度が含まれずに、ＰＥＧが溶融しない場合である。
本実施形態に示した吐出性評価では、図１５Ａに示したジェットディスペンサー１０と基板１２とを、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向について移動可能に構成されたロボットに、ジェットディスペンサー１０を搭載した液体吐出装置を用いた。
ロボットは、武蔵エンジニアリング株式会社製、Ｓｈｏｔ ｍｉｎｉ２００ΩＸを用いた。ジェットディスペンサーは、武蔵エンジニアリング株式会社製、ＡｅｒｏＪｅｔ ＭＪＥＴ−Ａを用いた。ノズル部は、武蔵エンジニアリング株式会社製、ＳＮＪ２１-３４Ｇ−ＳＨＮを用いた。ノズル部の直径は０．０７ミリメートルである。なお、ミリは１０−３を表す補助単位である。
吐出性評価に使用したＰＥＧは、和光純薬工業株式会社製、ポリエチレングリコール１００００、ポリエチレングリコール４００００、ポリエチレングリコール２００００、ポリエチレングリコール１００００、ポリエチレングリコール６０００、及びポリエチレングリコール４０００を用いた。以下、ポリエチレングリコールはＰＥＧと記載する。
ＰＥＧ４００００の平均分子量分布は３５０００を超え５５０００未満である。ＰＥＧ２００００の平均分子量分布は１５０００を超え２５０００未満である。
ＰＥＧ１００００の平均分子量分布は８８００を超え１１２００未満である。ＰＥＧ６０００の平均分子量分布は５５００を超え６５００未満である。ＰＥＧ４０００の分子量分布は２７００を超え４３００未満である。なお、平均分子量分布は分子量分布に相当する。
ここで、各ＰＥＧの平均分子量分布の測定は、中和滴定法によって水酸基価を求め、Ｋを平均分子量、Ｐを水酸基価として、Ｋ＝（５６１０６／Ｐ）×２によって計算される。５６１０６は水酸化カリウム分子よりの係数である。２は水酸基の数である。
中和滴定法は、ＪＩＳ Ｋ ００７０の試験方法における、７．１の中和滴定法を適用することができる。なお、ＪＩＳは、日本工業規格の英名Japanese Industrial Standardsの省略語である。
すなわち、各ＰＥＧの平均分子量分布は、水酸基価により分子量を算出するＧＰＣ測定、又はＨＰＬＣ測定により求めることができる。なお、ＧＰＣは、Gel Permeation Chromatographyの省略語である。ＨＰＬＣは、High Performance Liquid Chromatographyの省略語である。
上記［表１］の６０℃の縦系列は、各ＰＥＧの温度が６０℃の場合の吐出性評価を表している。上記［表１］の１００℃の縦系列は、各ＰＥＧの温度が１００℃の場合の吐出性評価を表している。上記［表１］の１３０℃の縦系列は、各ＰＥＧの温度が１３０℃の場合の吐出性評価を表している。各欄の括弧内の数値は粘度である。粘度の単位はミリパスカル秒である。なお、ＰＥＧ４００００、１００℃における粘度は測定可能範囲の上限値１０００００ミリパスカル秒以上とした。
本実施形態におけるＰＥＧの粘度は粘度計の測定値である。本実施形態に係る吐出特性評価、及び後述する積層性評価において、粘度計として、京都電子工業株式会社製、ＥＭＳ粘度計ＥＭＳ−１０００を用いることができる。ＥＭＳはElectro-Magnetically Spinningの省略語である。
ＥＭＳ粘度計ＥＭＳ−１０００の測定方式は電子スピニング法である。ＰＥＧの温度調整は、０℃以上２００℃以下の温度設定が可能な昇温装置が用いられた。ＰＥＧの温度は昇温装置の温度設定値である。
上記［表１］に示すように、ＰＥＧの温度が６０℃以上１３０℃以下の場合、単独のＰＥＧ１００００、単独のＰＥＧ６０００、及び単独のＰＥＧ４０００は正常吐出が可能である。この場合のＰＥＧの粘度範囲の上限値は５０００ミリパスカル秒であり、下限値が１２６ミリパスカル秒である。ここで、単独のＰＥＧとは、予め決められた平均分子量範囲を有するＰＥＧであり、他の分子量範囲を有するＰＥＧが混合されていないものである。
正常吐出が可能な粘度範囲の下限値について、一般に、粘度値が小さくなるほど吐出が容易となること考慮して、正常吐出が可能な吐出範囲の下限値は測定値１２６ミリパスカル秒の下二桁を切り捨てて、１００ミリパスカル秒とした。
ＰＥＧ１００００、ＰＥＧ６０００、及びＰＥＧ４０００は、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が可能な分子量分布を有する第一ポリエチレングリコールであり、第一生体適合性材料の一態様である。
一方、ＰＥＧ１０００００、ＰＥＧ４００００、及びＰＥＧ２００００は、単独で、６０℃以上１３０℃未満の温度範囲において正常吐出を行うことができない。これは、ＰＥＧの粘度が正常吐出を行うことができる粘度の上限値を超えているためと考えられる。
ＰＥＧ１０００００、ＰＥＧ４００００、及びＰＥＧ２００００は、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が不可能な分子量分布を有する第二ポリエチレングリコールであり、第二生体適合性材料の一態様である。
また、本実施形態に示す吐出性評価では、ＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合したＰＥＧを用いた。ＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合したＰＥＧとして、ＰＥＧ２００００を８０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を２０質量パーセント混合したＰＥＧ、ＰＥＧ２００００を７０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を３０質量パーセント混合したＰＥＧ、ＰＥＧ２００００を５０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を５０質量パーセント混合したＰＥＧ、及びＰＥＧ２００００を３０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を７０質量パーセント混合したＰＥＧを用いた。
上記した四種類のＰＥＧについての吐出性評価の結果を下記［表２］に示す。
ＰＥＧの温度が１００℃以上１３０℃以下の場合、ＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたＰＥＧは、上記した四種類とも正常吐出が可能である。この場合のＰＥＧの粘度範囲の上限は８９２０ミリパスカル秒であり、下限値は２４１０ミリパスカル秒である。
６０℃以上１３０℃以下の温度条件下において単独では正常吐出が可能な粘度範囲に調整することができないＰＥＧ２００００に対して、６０℃以上１３０℃以下の温度条件下において単独では正常吐出をさせることが可能な粘度範囲に調整が可能なＰＥＧ４０００を混合させ、かつ、混合させたＰＥＧの温度を調整することで、正常吐出が可能となる。本実施形態では、ＰＥＧ２００００に対してＰＥＧ４０００を混合させたものであり、混合比率を上記［表２］のとおりに異ならせた四種類のＰＥＧにおいて、正常吐出が可能であることが確認された。
６０℃以上１３０℃以下の温度条件下において単独で正常吐出が可能な粘度範囲に調整することができないＰＥＧに対して、６０℃以上１３０℃以下の温度条件下において単独で正常吐出が可能な粘度範囲に調整が可能なＰＥＧを少なくとも一種類混合させ、かつ、混合させたＰＥＧの温度範囲を調整することで、正常吐出が可能なＰＥＧが得られる。
上記［表２］に示すように、ＰＥＧの温度が１００℃以上１３０℃以下の場合、ＰＥＧ２００００に対してＰＥＧ４０００を混合させると正常吐出が可能である。この場合のＰＥＧの粘度範囲の上限値は８９２０ミリパスカル秒であり、下限値が２４１０ミリパスカル秒である。
正常吐出が可能な粘度範囲の上限値について、温度調整の信頼性、粘度の測定誤差を考慮して、正常吐出が可能な粘度上限の実測値８９２０ミリパスカル秒と、正常吐出が不可能な粘度下限の実測値１３６００ミリパスカル秒との間のほぼ中間値であり、１００００以下を切り捨てた値を採用して、１００００ミリパスカル秒とした。
正常吐出が可能な粘度範囲の上限値として、実測値８９２０ミリパスカル秒の１００以下の数値を切り上げた９０００ミリパスカル秒を採用することができる。また、実測値８９２０ミリパスカル秒の１００以下の数値を切り捨てた８０００ミリパスカル秒を採用することができる。
正常吐出が可能な粘度範囲の下限値について、一般に、粘度値が小さくなるほど吐出が容易となること考慮して、正常吐出が可能な吐出範囲の下限値は［表１］に記載の測定値１２６ミリパスカル秒の下二桁を切り捨てて、１００ミリパスカル秒とした。
ＰＥＧ２００００を８０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を２０質量パーセント混合したＰＥＧ、ＰＥＧ２００００を７０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を３０質量パーセント混合したＰＥＧ、ＰＥＧ２００００を５０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を５０質量パーセント混合したＰＥＧ、又はＰＥＧ２００００を３０質量パーセント、ＰＥＧ４０００を７０質量パーセント混合したＰＥＧは、第二生体適合性材料に第一生体適合性材料を２０質量パーセント以上８０質量パーセント以下の比率で混合させた第三ポリエチレングリコールであり、第三生体適合性材料の一態様である。
上記［表１］に示した単独ＰＥＧの吐出可能な粘度範囲と、上記［表２］に示した混合ＰＥＧの吐出可能な粘度範囲との違いについて、単独ＰＥＧと混合ＰＥＧとの硬化速度の違い、吐出の際の温度と硬化が始まる温度との温度差の違いなどの影響と考えられる。
本実施形態では、ＰＥＧの温度調整範囲を６０℃以上１３０℃以下としたが、ＰＥＧの温度調整範囲は、ＰＥＧの融点を超える温度を含む温度範囲であり、ジェットディスペンサーの温度調整能力に応じて、ジェットディスペンサーにおいて温度調整可能な温度範囲とすることができる。
ジェットディスペンサーにおいて温度調整可能な温度範囲は、ノズル部、基板など、ＰＥＧ、又はＰＥＧ液滴が接触するものの耐久能力や、ノズル部における温度を一定に維持する能力等を考慮して適宜変更することができる。
ジェットディスペンサーにおいて温度調整可能な温度範囲は、ノズル部から吐出させるＰＥＧの温度調整が可能な範囲に相当する。
＜積層性評価＞
次に、ＰＥＧ液滴の積層性評価について説明する。上記［表１］、及び［表２］に示したＰＥＧ液滴の吐出性評価の結果がＡの場合、すなわち、正常吐出が可能なＰＥＧについて、積層性評価を行った。
図１５ＣはＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたＰＥＧを用いた場合の垂直ＰＥＧピラーを示す電子顕微鏡写真である。図１５Ｃに示した垂直ＰＥＧピラー１６ＡにおけるＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００との混合比率は、ＰＥＧ２００００が３０質量パーセント、ＰＥＧ４０００が７０質量パーセントである。
図１５Ｃに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅Ｄ１の実測値は０．２１ミリメートルであり、高さは１．３３ミリメートルである。図１５Ｃに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、指で押しても崩れて途中で折れることがなく、かつ、垂直ＰＥＧピラー１６Ａの基板１２との接触部分が基板１２から剥がれてしまうことがない安定性を有している。
図１５Ｄは単独のＰＥＧ４０００を用いた場合の垂直ＰＥＧピラーを示す電子顕微鏡写真である。図１５Ｄに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅Ｄ２の実測値は０．２６ミリメートルであり、高さＨ２の実測値は０．８６ミリメートルである。
図１５Ｄに示した単独のＰＥＧ４０００を用いた場合の垂直ＰＥＧピラー１６Ａは、図１５Ｃに示したＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたＰＥＧを用いた場合の垂直ＰＥＧピラー１６Ａと比較して、幅Ｄ２の実測値が大きく、高さＨ２の実測値が小さい。すなわち、Ｄ１＜Ｄ２、Ｈ１＞Ｈ２の関係を有している。
これは、単独のＰＥＧ４０００は、単独のＰＥＧ２００００と単独のＰＥＧ４０００とを混合させたＰＥＧと比較して粘度が低く、基板１２の液体着弾面１２Ａにおける濡れ広がりが大きいためと考えられる。
本実施形態では、ＰＥＧの温度が１００℃の場合の結果を示した。図示を省略するが、ＰＥＧの温度が１３０℃の場合についても、ＰＥＧの温度が１００℃の場合と同様の結果が得られたことが確認された。また、混合比率を上記［表２］のとおりに異ならせた四種類のＰＥＧにおいて、同様の結果が得られることが確認された。
＜斜め方向の積層性評価＞
図１６Ａから図１６Ｄはポリエチレングリコール液滴の斜め方向の積層性評価の説明図である。図１６Ａは一本の傾斜ポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。図１６Ａには、ＰＥＧ液滴１４を斜め方向に積層させた傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が模式的に図示されている。傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃは傾斜部に相当する。
図１６Ａに示すように、まず、基板１２の液体着弾面１２ＡにＰＥＧ液滴１４を一滴吐出させ、硬化させる。Ｚ方向における正方向の成分を有し、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向の成分を有する斜め方向にジェットディスペンサー１０を移動させ、ＰＥＧ液滴１４とジェットディスペンサー１０との間隔を一定に保ち、かつ、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行の一方向に一定距離ずらしながら、複数回にわたってＰＥＧ液滴１４の吐出を行う。ジェットディスペンサー１０の移動方向は、図１６Ｂに矢印線を用いて図示する。
そうすると、図１６Ａに示したＰＥＧ液滴１４が斜めに積層された傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃであり、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向の成分、及び基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向の成分を有する方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃが形成される。
図１６Ｂは複数の傾斜ポリエチレングリコールピラー形成の模式図である。図１６Ｂに示した複数本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成では、基板１２の液体着弾面１２Ａにおける複数のＰＥＧピラーの形成位置のそれぞれに一滴目のＰＥＧ液滴１４を着弾させ、一滴目のＰＥＧ液滴１４を硬化させ、各ＰＥＧピラー形成位置の一滴目のＰＥＧ液滴１４に、二滴目のＰＥＧ液滴１４を着弾させる。
二滴目のＰＥＧ液滴１４は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向について、一滴目のＰＥＧ液滴１４に対して着弾位置が０．０７５ミリメートルずらされている。二滴目のＰＥＧ液滴１４を硬化させ、さらに、ジェットディスペンサー１０の移動、吐出を繰り返して、図１６Ｂに示した複数本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃが形成される。複数本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの配置間隔は１ミリメートルである。
図１６ＣはＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたポリエチレングリコールを用いた場合の傾斜ポリエチレングリコールピラーを示す電子顕微鏡写真である。図１６Ｃに示した傾斜ＰＥＧピラー１６ＣにおけるＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００との混合比率は、ＰＥＧ２００００が３０質量パーセント、ＰＥＧ４０００が７０質量パーセントである。
図１６Ｃに示すように、ＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００とを混合させたＰＥＧを用いて、基板１２の液体着弾面１２Ａに対して３０度の傾斜角度を有する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能であることが確認された。
図１６Ｃには、ＰＥＧの温度が１００℃の場合を示したが、ＰＥＧの温度が１３０℃の場合にも同様の結果が得られることが確認されている。また、上記［表２］に示した四種類のＰＥＧについて、同様の結果が得られることが確認されている。
図１６Ｄは単独のＰＥＧ４０００を用いた場合の結果を示す電子顕微鏡写真である。図１６Ｄに示した単独のＰＥＧ４０００を用いた場合は、ＰＥＧの粘度が低く垂れやすいために、図１６Ｄに示した斜め方向に傾斜した傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃを形成することができなかった。図１６Ｄの符号１６Ｄは、基板１２の液体着弾面１２Ａにおいて、垂れて合一した複数のＰＥＧ液滴を図示した。
図示は省略するが、基板１２の液体着弾面１２Ａに対して６０度の傾斜角度を有する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能であるか否かの評価を、上記した基板の液体着弾面に対して３０度の傾斜角度を有する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成と同様の観点で行った。
下記［表３］に積層性評価の結果を示す。
ここで、上記［表３］における第一ＰＥＧは第一ポリエチレングリコールを表している。第一ポリエチレングリコールは、単独のＰＥＧ１００００、単独のＰＥＧ６０００、又は単独のＰＥＧ４０００の総称である。
上記［表３］における第三ＰＥＧは第三ポリエチレングリコールを表している。上記［表３］に示した数値範囲はＰＥＧの粘度である。単位はミリパスカル秒である。
上記［表３］における垂直方向積層は、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向に沿う垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成が可能であることを表している。
上記［表３］における６０度傾斜積層は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が６０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能であることを表している。
上記［表３］における３０度傾斜積層は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が３０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能であることを表している。
第一ＰＥＧは、粘度範囲が１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向に沿う垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成が可能である。
第一ＰＥＧは、粘度範囲が４０００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が６０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能である。
一方、第一ＰＥＧは、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が３０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能な粘度範囲はない。
第三ＰＥＧは、粘度範囲が１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向に沿う垂直ＰＥＧピラー１６Ａの形成が可能である。
第三ＰＥＧは、粘度範囲が５００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が６０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能である。
第三ＰＥＧは、粘度範囲が２０００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が３０度の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能である。
すなわち、第三ＰＥＧは、粘度範囲が２０００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の場合に、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行方向に対する傾斜角度が３０度以上６０度未満の方向に沿う傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能である。
本実施形態では、離散的な分子量、及び離散的な温度について、積層可能なＰＥＧの粘度範囲条件を導出したが、分子量の増減に対してＰＥＧの粘度が単純増加、又は単純減少であること、及び温度の増減に対してＰＥＧの粘度が単純減少、又は単純増加であることを考慮すると、離散的な数値の間の分子量、及び温度についても、離散的な数値と同様の結果を得ることが予測できる。
上記［表３］に示した粘度範囲は、測定誤差、測定に使用された離散的な数値の間隔等を考慮して、測定値を適宜切り捨て、切り上げ、又は四捨五入して導出されたものである。
上記［表３］において、第一ＰＥＧの積層体形成可能な粘度範囲と、第一ＰＥＧの積層体形成可能な粘度範囲との違いは、第一ＰＥＧの硬化速度と第三ＰＥＧの硬化速度との違いに起因すると考えられる。基板に着弾した後のＰＥＧの硬化速度は、分子量が大きいほど速くなる傾向がある。
そうすると、第三ＰＥＧは第一ＰＥＧに比べて基板に着弾した後の硬化速度が速く、良好な積層体が形成されたと考えられる。
本実施形態では、第三ＰＥＧとしてＰＥＧ２００００とＰＥＧ４０００との混合ＰＥＧを例示したが、ＰＥＧ２００００とＰＥＧ６０００との混合ＰＥＧや、ＰＥＧ２００００とＰＥＧ１００００との混合ＰＥＧなどを第三ＰＥＧとすることが可能である。
すなわち、ジェットディスペンサーにおいて温度調整可能な温度範囲が、ＰＥＧの融点を超える温度を含む温度範囲であり、かつ、上記［表３］に示した粘度範囲に調整可能であれば、第三ＰＥＧを構成する第一ＰＥＧの種類、及び第二ＰＥＧの種類は本実施形態で例示したＰＥＧに限定されない。
［基板について］
本実施形態に示したＰＥＧ液滴１４の積層性評価には、基板１２としてガラス製基板を用いた。アクリル板などＰＥＧに対して撥水性を有する材料を基板１２に適用した場合、ＰＥＧの基板１２に対する密着性が低く、ＰＥＧと基板１２との接触面において、ＰＥＧの崩れや折れが発生してしまう。したがって、基板１２はガラスなどＰＥＧに対する親水性を有する材料が適用される。
本実施形態におけるＰＥＧに対する親水性とは接触角が９０度を超える場合であり、ＰＥＧに対する疎水性とは接触角が９０度以下の場合を表す。ＰＥＧに対して撥水性を有する材料を基板１２に適用する場合、基板１２の液体着弾面１２ＡにＰＥＧに対する疎水性を有する材料の膜が形成される。
なお、ＰＥＧに対して疎水性を有する材料が基板１２に適用される場合には、ＰＥＧの崩れや折れの発生を防止する必要がある。一方、基板１２とＰＥＧ構造体２０との剥離が容易となる。
［本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法の作用効果］
上記の如く構成されたゼラチン構造体製造方法によれば、医療分野で利用実績が高いＰＥＧによる立体構造物であるＰＥＧ構造体の作製は、液滴吐出型のディスペンサー、又はインクジェットヘッド方式の液体吐出ヘッドにより可能である。これを鋳型として用いることで、ゼラチンの反転構造の形成が可能となった。
すなわち、ＰＥＧの分子量分布、温度範囲を調整して、ノズル部から吐出可能な粘度であり、積層可能な粘度に調整されたＰＥＧを用いて、三次元構造を有するＰＥＧからなるＰＥＧ構造体を形成する。
ＰＥＧ構造体の周囲にゼラチンを付着させ、ゼラチンの水分をＰＥＧ構造体に作用させて、ＰＥＧ構造体を溶解させることで、ゼラチンの内部にＰＥＧ構造体の三次元形状が転写されたゼラチン構造体を形成することが可能である。
ＰＥＧ構造体は、単独でノズル部から吐出させることができない分子量分布を有するＰＥＧに対して、単独でノズル部から吐出させることが可能な分子量分布を有するＰＥＧを混合させて、ＰＥＧの粘度を調整することで、基板１２の液体着弾面１２Ａに対して斜め方向に沿うＰＥＧ構造体の形成が可能である。
［ＰＥＧ構造体形成の他の実施形態の説明］
図１７はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。図１７には、二本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃを、基板１２からの距離が最大となる位置で接合させた構造を有するＰＥＧ構造体２０Ｂを示した。
図１７では、二点破線を用いて示したジェットディスペンサー１０と、矢印線とを用いてＰＥＧ構造体２０Ｂの形成手順を模式的に図示した。図１７に示したＰＥＧ構造体２０Ｂの形成に、図１０に示した複数のノズルを備えた液体吐出ヘッド１０Ａが適用される場合、基板１２と液体吐出ヘッド１０Ａとの相対位置を変更せずに、ＰＥＧを着弾させる位置に対応するノズル部に、吐出に使用されるノズル部を変更することで、図１７に示したＰＥＧ構造体２０Ｂの形成が可能である。
図１７に示したＰＥＧ構造体２０Ｂの形成では、ＰＥＧ液滴１４の直径を２００マイクロメートル以上、２５０マイクロメートル以下とした。ＰＥＧ液滴１４の直径は、ＰＥＧ液滴１４を球とみなし、ＰＥＧ液滴１４の体積を球の体積として導出された球の直径である。
ＰＥＧ液滴１４の体積は１００ピコリットル以上１０ナノリットル以下である。ここで、ピコは１０−１２を表す補助単位である。ナノは１０−９を表す補助単位である。
図１８はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。図１８には、中間位置で傾斜方向が変更された構造を有するＰＥＧ構造体２０Ｃを示した。換言すると、図１８に示したＰＥＧ構造体２０Ｃは、傾斜方向が異なる傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃを基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向について接合させた構造を有している。
図１９は擬似八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体形成の説明図であり、ＰＥＧ構造体の電子顕微鏡写真である。図１９に示したＰＥＧ構造体２０Ｄは、図１７に示したＰＥＧ構造体２０Ｂを複数組み合わせた構造、又は図１８に示したＰＥＧ構造体２０Ｃを複数組み合わせた構造を有している。
図１９に示したＰＥＧ構造体２０Ｄは、ＰＥＧ構造体２０Ｄの外周を構成する八つの面により、擬似的な八面体とみなすことができる。
図２０はポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。図２０に示したＰＥＧ構造体２０Ｅは、図１８に示した傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度未満の傾斜角度を有する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｅが用いられる。
図２０に示したＰＥＧ構造体２０Ｅは二本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｅのなす角度が９０度となっている。ここでいう９０度は、９０度未満の角度、及び９０度を超える角度のうち、９０度と同様の作用効果が得られる実質的な９０度が含まれる。
また、図２０に示したＰＥＧ構造体２０Ｅは、図１８に示したＰＥＧ構造体２０Ｃと同様に、中間位置で傾斜方向が変更された構造を有するＰＥＧ構造体であり、傾斜方向が異なる傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃを基板１２の液体着弾面１２Ａの法線方向について接合させた構造を有するＰＥＧ構造体である。
図２１は擬似正八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体形成の説明図であり、ＰＥＧ構造体の電子顕微鏡写真である。図２１に示したＰＥＧ構造体２０Ｆは、図２０に示したＰＥＧ構造体２０Ｅを複数組み合わせた構造を有している。
図２１に示したＰＥＧ構造体２０Ｆは、ＰＥＧ構造体２０Ｆの外周を構成する八つの面により、擬似的な正八面体とみなすことができる。
図２２Ａから図２２Ｄは擬似正八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体を用いたゼラチン構造体製造の手順を示す模式図である。図２２Ａは微細粒子状ゼラチン付着工程の模式図である。図２２Ａは、図２１に示したＰＥＧ構造体２０Ｆであり、擬似正八面体構造を有するＰＥＧ構造体２０Ｆを基板１２の液体着弾面１２Ａに形成し、微細粒子状ゼラチン２２を付着させる微細粒子状ゼラチン付着工程を示している。
図２２Ｂは被覆膜が形成された擬似正八面体構造を有するポリエチレングリコール構造体の模式図である。図２２Ｂには、擬似正八面体構造を有するＰＥＧ構造体２０Ｆの周囲全体に微細粒子状ゼラチン２２を付着させ、被覆膜２４が形成された状態が図示されている。
図２２Ｃは固体ゼラチンの模式図である。図２２Ｃには、図２２Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｆであり、周囲全体に被覆膜２４が形成されたＰＥＧ構造体２０Ｆに対してゼラチン液３０を付着させ、ゼラチン液３０を固めて固体ゼラチン３０Ａが形成された状態が図示されている。
図２２Ｄはポリエチレングリコール構造体の三次元形状が内部に転写された固体ゼラチンの模式図である。図２２Ｄには、図２２Ｃに示したＰＥＧ構造体２０Ｆが溶解して、ＰＥＧ構造体２０Ｆの三次元形状が内部に転写された固体ゼラチン３０Ａが図示されている。
このようにして、任意の三次元構造を有するＰＥＧ構造体を鋳型とする、ＰＥＧ構造体の三次元形状に対応する中空形状を有する固体ゼラチン３０Ａが形成される。
図２３Ａから図２５ＤはＰＥＧ構造体形成の他の実施形態の説明図である。図２３ＡはＰＥＧ構造体の電子顕微鏡写真であり、図２３Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。
図２３Ａ、及び図２３Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｇは、図１Ａから図１Ｉに示した垂直ＰＥＧピラー１６Ａと、図１７に示した二本の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃとを組み合わせた形状を有している。
図２３Ａ、及び図２３Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｇを構成する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃは、基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度が１３度とされる。図２３Ｂに図示した破線は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行な面を示している。すなわち、基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度が３０度未満の場合でも傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃの形成が可能であることから、ＰＥＧのばらつきがある場合でも、基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度が３０度以上の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃを形成することができる。
図２３Ａ、及び図２３Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｇを構成する垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅は、２５０マイクロメートル以上３００マイクロメートル以下とすることができる。
図２４Ａ及び図２４Ｂはポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。図２４Ａはポリエチレングリコール構造体の電子顕微鏡写真であり、図２４Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。
図２４Ａ、及び図２４Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｈを構成する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃは、基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度が６９度とされる。図２４Ｂに図示した破線は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行な面を示している。
図２４Ａ、及び図２４Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｈを構成する垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅は、２５０マイクロメートル以上３００マイクロメートル以下とすることができる。
図２５Ａ及び図２５Ｂはポリエチレングリコール構造体形成の他の実施形態の説明図である。図２５Ａはポリエチレングリコール構造体の電子顕微鏡写真であり、図２５Ｂはポリエチレングリコール構造体の模式図である。
図２５Ａ、及び図２５Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｉを構成する傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃは、基板１２の液体着弾面１２Ａに対する傾斜角度が８５度とされる。図２５Ｂに図示した破線は、基板１２の液体着弾面１２Ａと平行な面を示している。
図２５Ａ、及び図２５Ｂに示したＰＥＧ構造体２０Ｉを構成する垂直ＰＥＧピラー１６Ａの幅は、２５０マイクロメートル以上３００マイクロメートル以下とすることができる。
図１７から図２１に示したように、複数の傾斜ＰＥＧピラーを組み合わせることで、任意の三次元形状を有するＰＥＧ構造体２０を形成することができる。また、図２３Ａから図２５Ｂに示すように、垂直ＰＥＧピラー１６Ａと複数の傾斜ＰＥＧピラー１６Ｃとを組み合わせることで、任意の三次元形状を有するＰＥＧ構造体２０を形成することができる。図示を省略するが、図１Ａから図１Ｉに示した水平ＰＥＧピラー１６Ｂを含む任意の三次元形状を有するＰＥＧ構造体２０の形成も可能である。
［ゼラチンの説明］
本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法に適用可能なゼラチンとして、天然型ゼラチンを適用することができる。天然型ゼラチンとは少なくとも１つのアミノ酸残基が異なる変異型であってもよい。また、本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法に適用可能なゼラチンは、Ｇｌｙ−Ｘ−Ｙで示される配列を連続して６以上有するコラーゲンをコードする遺伝子の塩基配列又はアミノ酸配列に対して、１つ以上の塩基又はアミノ酸残基の変更を加えた塩基配列又はアミノ酸配列を、常法により、適当な宿主に導入し発現させて得られた組換えゼラチンであることが好ましい。このような組換えゼラチンを用いることにより、組織修復能を高めると共に、天然のゼラチンを用いる場合と比較して種々の特性を発現させることができ、例えば、生体による拒絶反応などの不都合な影響を回避することができるなどの利点を有する。
組換えゼラチンとしては、例えば、ＥＰ１０１４１７６Ａ２、ＵＳ６９９２１７２、ＷＯ２００４／８５４７３、ＷＯ２００８／１０３０４１、特表２０１０−５１９２９３、特表２０１０−５１９２５２、特表２０１０−５１８８３３、特表２０１０−５１９２５１、ＷＯ２０１０／１２８６７２、ＷＯ２０１０／１４７１０９、及び特開２０１４−１２１１４等に開示されているものを特に好ましく用いることができる。
組換えゼラチンとして、リコンビナントペプチドを適用することができる。リコンビナントペプチドとは遺伝子組み換え技術により作られたゼラチン類似のアミノ酸配列を有するポリペプチドもしくは蛋白様物質を意味する。
本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法に適用可能なリコンビナントペプチドとして好ましいものは、以下の態様のリコンビナントペプチドである。
本実施形態に係るゼラチン構造体製造方法に適用可能なリコンビナントペプチドは天然のゼラチン本来の性能から、生体適合性に優れ、且つ天然由来ではないことでＢＳＥなどの懸念がなく、非感染性に優れている。
なお、ＢＳＥはBovine Spongiform Encephalopathyの省略語であり、牛海綿状脳症を表している。
また、本発明で用いるリコンビナントペプチドは天然のものに比して均一であり、配列が決定されているので、強度、分解性においても後述の架橋等によってブレを少なく精密に設計することが可能である。
リコンビナントペプチドの分子量は２０００以上１０００００以下であることが好ましい。より好ましくは２５００以上９５０００以下である。より好ましくは５０００以上９００００以下である。最も好ましくは、１００００以上９００００以下である。
本明細書に記載の実施形態では、生体適合性材料としてポリエチレングリコールを例示したが、ジェットディスペンサー、又は液体吐出ヘッドにおける温度調整が可能であり、調整された温度にて正常吐出が可能である材料、かつ、熱可塑性、及び水溶性を有する材料を生体適合性材料として適用することができる。
以上説明した本発明の実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜構成要件を変更、追加、削除することが可能である。本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
１ ゼラチン構造体製造システム
２ ＰＥＧ構造体形成部
３ 被覆膜形成部
４ ゼラチン構造体形成部
５ ゼラチン付着部
６ 硬化溶解部
７ 凍結乾燥処理部
８ 整形部
１２ 基板
１２Ａ 液体着弾面
１４ ＰＥＧ液滴
１６Ａ 垂直ＰＥＧピラー
１６Ｂ 水平ＰＥＧピラー
１６Ｃ，１６Ｅ 傾斜ＰＥＧピラー
１８ ノズル部
２０ ＰＥＧ構造体
２０Ａ 中空部
２２ 微細粒子状ゼラチン
２４ 被覆膜
３０ ゼラチン液
３０Ａ 固体ゼラチン
３２ ゼラチン構造体
３６ 容器
８０，８０Ａ 制御部

Claims (18)

  1. 常温で固体である生体適合性材料であり、水溶性を有し、かつ、熱可塑性を有する生体適合性材料を溶融させた液体をノズル部から液滴状態で吐出させて、基板の液滴が着弾する面である液体着弾面に前記生体適合性材料を積み重ねて、前記生体適合性材料からなる三次元構造を有する生体適合性材料構造体を形成する生体適合性材料構造体形成工程と、
    前記生体適合性材料構造体形成工程によって形成された前記生体適合性材料構造体の表面を被覆する被覆膜であり、ゼラチンを含む被覆膜を形成する被覆膜形成工程と、
    前記被覆膜形成工程によって形成された被覆膜によって表面が被覆された前記生体適合性材料構造体の周囲にゼラチンを付着させてゼラチン構造体を形成するゼラチン構造体形成工程と、
    前記ゼラチン構造体形成工程によって形成された前記ゼラチン構造体を予め決められた形状に整形する整形工程と、
    前記生体適合性材料構造体に水分を作用させて、前記生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、前記生体適合性材料構造体の形状を前記ゼラチン構造体の内部に転写させる溶解工程と、
    を含み、
    前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記ノズル部から吐出させる前記生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が可能な分子量分布を有する第一生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料、又は前記ノズル部から吐出させる前記生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が不可能な分子量分布を有する第二生体適合性材料に、前記第一生体適合性材料を混合させた第三生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成するゼラチン構造体製造方法。
  2. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、ポリエチレングリコールを含む前記第一生体適合性材料、又はポリエチレングリコールを含む前記第二生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１に記載のゼラチン構造体製造方法。
  3. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記第一生体適合性材料として、２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、又は８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを含む前記生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１又は２に記載のゼラチン構造体製造方法。
  4. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記第二生体適合性材料として、１５０００を超え２５０００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを適用し、前記第一生体適合性材料として、２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、又は８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールを適用し、かつ、前記第一生体適合性材料に対して、前記２７００を超え３３００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、前記５５００を超え６５００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコール、及び前記８８００を超え１１２００未満の分子量分布を有するポリエチレングリコールの少なくともいずれか一つのポリエチレングリコールを２０質量パーセント以上８０質量パーセント以下の比率で含有させた前記第三生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から３のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  5. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記基板の液滴が着弾する面である液体着弾面の法線方向について前記ノズル部と前記基板とを相対的に移動させ、かつ、前記液体着弾面と平行な面内について前記ノズル部と前記基板とを相対的に移動させて、前記液体着弾面に対して傾斜した傾斜部を有する前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から４のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  6. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、４０００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する前記第一生体適合性材料、又は５００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する前記第三生体適合性材料を用いて、前記液体着弾面に対して６０度以上の角度を有する方向に沿う前記傾斜部を形成する請求項５に記載のゼラチン構造体製造方法。
  7. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、２０００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の前記第三生体適合性材料を用いて、前記液体着弾面に対して３０度以上６０度未満の角度を有する方向に沿う前記傾斜部を形成する請求項５又は６に記載のゼラチン構造体製造方法。
  8. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記基板の前記液体着弾面の法線方向について前記ノズル部と前記基板とを相対的に移動させて前記液体着弾面の法線方向に沿う垂直部を有する前記生体適合性材料構造体を形成する請求項５から７のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  9. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記垂直部の形成方向と直交する方向について、前記ノズル部と前記基板とを相対的に移動させて、前記垂直部の形成方向と直交する方向に沿う水平部を有する前記生体適合性材料構造体を形成する請求項８に記載のゼラチン構造体製造方法。
  10. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、６０℃以上１３０℃以下の温度範囲において、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から９のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  11. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、１００℃以上１３０℃以下の温度範囲において、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から１０のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  12. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記液体着弾面が前記生体適合性材料に対して親水性を有する前記基板に前記液滴状態の生体適合性材料を積み重ねて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から１１のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  13. 前記生体適合性材料構造体形成工程は、前記液体着弾面が前記生体適合性材料に対して疎水性を有する前記基板に前記液滴状態の生体適合性材料を積み重ねて前記生体適合性材料構造体を形成する請求項１から１２のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  14. 前記ゼラチン構造体が有する水分の少なくとも一部を除去する乾燥工程を含む請求項１から１３のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  15. 前記被覆膜形成工程は、前記生体適合性材料構造体の表面に粒子状のゼラチンを散布する粒子状のゼラチン散布工程と、
    前記生体適合性材料構造体の少なくとも一部が溶解する温度範囲、及び湿度範囲の条件であり、前記粒子状のゼラチンの少なくとも一部が溶解する温度範囲、及び湿度範囲の条件を適用して、前記粒子状のゼラチンが表面に散布された前記生体適合性材料構造体を加湿する加湿工程と、
    を含む請求項１から１４のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  16. 前記溶解工程は、前記生体適合性材料構造体に前記ゼラチンに由来の水分を作用させて、前記生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、前記生体適合性材料構造体の形状を前記ゼラチン構造体の内部に転写させる請求項１から１５のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  17. 前記ゼラチンは、天然型ゼラチン、又はリコンビナントペプチドである請求項１から１６のいずれか一項に記載のゼラチン構造体製造方法。
  18. 常温で固体である生体適合性材料であり、水溶性を有し、かつ、熱可塑性を有する生体適合性材料を溶融させた液体をノズル部から液滴状態で吐出させて、基板の液滴が着弾する面である液体着弾面に前記生体適合性材料を積み重ねて、前記生体適合性材料からなる三次元構造を有する生体適合性材料構造体を形成する生体適合性材料構造体形成部と、
    前記生体適合性材料構造体形成部によって形成された前記生体適合性材料構造体の表面を被覆する被覆膜であり、ゼラチンを含む被覆膜を形成する被覆膜形成部と、
    前記被覆膜形成部によって形成された被覆膜によって表面が被覆された前記生体適合性材料構造体の周囲にゼラチンを付着させてゼラチン構造体を形成するゼラチン構造体形成部と、
    前記ゼラチン構造体形成部によって形成された前記ゼラチン構造体を予め決められた形状に整形する整形部と、
    前記生体適合性材料構造体に水分を作用させて、前記生体適合性材料構造体の少なくとも一部を溶解させて、前記生体適合性材料構造体の形状を前記ゼラチン構造体の内部に転写させる溶解部と、
    を備え、
    前記生体適合性材料構造体形成部は、前記ノズル部から吐出させる前記生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が可能な分子量分布を有する第一生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上５０００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第一生体適合性材料、又は前記ノズル部から吐出させる前記生体適合性材料の温度調整が可能な温度範囲で、単独で吐出が可能な粘度範囲に調整が不可能な分子量分布を有する第二生体適合性材料に、前記第一生体適合性材料を混合させた第三生体適合性材料であり、１００ミリパスカル秒以上１００００ミリパスカル秒以下の粘度を有する第三生体適合性材料を用いて前記生体適合性材料構造体を形成するゼラチン構造体製造システム。
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