JP6637598B2 - ゼラチン成形体の製造方法及びゼラチン成形体 - Google Patents

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Description

本発明は、所定のアルコール水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、ゼラチン粉末を含有する層に対して着弾させることにより、ゼラチン成形体を製造する方法に関する。本発明はさらに、上記方法で製造されるゼラチン成形体に関する。
機能障害又は機能不全に陥った生体組織又は臓器の再生を計る再生医療の実用化が進められている。再生医療は、生体が持っている自然治癒能力だけでは回復できなくなった生体組織において、細胞、足場及び成長因子の一種以上を使って元の組織と同じような形態及び機能を再生する医療技術である。再生医療においては、ゼラチンなどを用いて作製した三次元成形体を使用する場合がある。
特許文献1には、結合剤及び粉末材料を含み、結合剤は、少なくとも1つの重合性基を有する重合性化合物を含有し、粉末材料又は重合性化合物の一方が、カチオン性基及び/又はカチオン性基になりうる基を有し、他の一方が、有機酸残基及び/又はその塩を有する三次元造形用材料が記載されている。特許文献2には、(i)支持体上に粉末材料を所定の厚さを有する層に形成する層形成工程、(ii)造形対象物を平行な断面で切断した断面形状になるように上記層における粉末材料を結合剤により結合させる結合工程、(iii)(i)及び(ii)の工程を順次繰り返すことによって三次元造形物を作製する作製工程、(iv)作製された三次元造形物の表面を、(1)エチレン性不飽和化合物、及び、(2)光重合開始剤、を含有する光硬化性組成物により被覆する被覆工程、及び、(v)被覆した光硬化性組成物を光硬化する硬化工程を含む、表面層を有する三次元造形物の製造方法が記載されている。特許文献3には、粉末材料及び結合剤を含み、結合剤が複素芳香環基を有する単量体単位を有する重合体を含有する、三次元造形用材料が記載されている。
特許文献4には、樹脂により結着した所定形状の粉末材料層を複数積層して立体物を造形する立体造形に用いる粉末材料であって、複数の芯材が水溶性樹脂により固定化された粒子を含む立体造形用粉末材料が記載されている。また、特許文献5には、層を積層することにより、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、表面にイソシアネート基を有する粒子と、水酸基を有する水溶性樹脂と、水系溶媒と、を含む三次元造形用組成物を用いて上記の層を形成する層形成工程と、上記の層に、硬化性インクを吐出するインク吐出工程と、を有する三次元造形物の製造方法が記載されている。
特開2009−102526号公報 特開2010−228316号公報 特開2010−228103号公報 特開2016−37041号公報 特開2016−55531号公報
Z Corporation社のZプリンターシリーズのように、石膏粉末又はでんぷん粉末を用いて三次元成形体を製造することや、上記特許文献にあるような有機物による三次元プリントの報告はある。しかし、再生医療に用いるためのゼラチン成形体、特に生体適性を阻害する有害な成分を含まないことにより生体適性が高く、かつ高い造形精度のゼラチン成形体を製造する方法の開発が望まれている。
本発明は、生体に有害な成分をなるべく含むことなく生体適性が高いゼラチン成形体を高い造形精度で製造する方法、並びに上記方法で製造されるゼラチン成形体を提供することを解決すべき課題とした。
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を基板上に形成した後に、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記の層に対して着弾させることにより、生体適性が高いゼラチン成形体を高い造形精度で製造できることを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。
即ち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
(1) ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;及び工程aで形成した層に対して、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程aで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を形成する工程b;
を含むゼラチン成形体の製造方法。
(2) 上記工程aにおけるゼラチンが動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンである、(1)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(3) 上記工程bにおける沸点120℃以下のアルコール類がエタノールである、(1)又は(2)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(4) 上記工程bの後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程cで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d;
をさらに含む、(1)から(3)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(5) 上記工程cにおけるゼラチンが動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンである、(4)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(6) 上記工程dにおける沸点120℃以下のアルコール類がエタノールである、(4)又は(5)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(7) 工程bにおいて、製造されたゼラチン成形体が、上記基板に接触している、(1)から(6)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(8) 工程bにおいて、製造されたゼラチン成形体が、上記基板に接触しており、
上記工程bの後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c1;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程c1で形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d1を含み、
上記工程d1において、上記液滴は、工程bで形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域に着弾され、
上記工程d1の後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程c1で形成した層及び工程d1で形成したゼラチン成形体の上に形成する工程e;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程eで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程fを含み、上記工程fにおいて、上記液滴は、工程d1で形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域、並びに工程d1で形成したゼラチン成形体で囲まれる領域の内部の領域に着弾される、
(1)から(3)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(9) ゼラチン成形体の形成に使用されなかった粉末を除去する工程gをさらに含む、(1)から(8)のいずれか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(10) 上記工程gの後、成形体を加熱することにより成形体を硬化させる工程hを含む、(9)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(11) 成形体を1時間から72時間加熱する、(10)に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(12) 上記ゼラチン成形体を支持体で包む工程iをさらに含む、(1)から(11)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(13) 上記ゼラチン成形体に細胞を播種する工程jをさらに含む、(1)から(12)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(14) ゼラチン成形体が、再生医療用足場材又は組織修復材である、(1)から(13)のいずれか一に記載のゼラチン成形体の製造方法。
(15) (1)から(14)の何れか一に記載のゼラチン成形体の製造方法により製造されるゼラチン成形体。
(16) 再生医療用足場材又は組織修復材である、(15)に記載のゼラチン成形体。
(17) 骨再生用組織修復材である、(15)又は(16)に記載のゼラチン成形体。
(18) 空隙率が20〜40%である、(15)から(17)の何れか一に記載のゼラチン成形体。
(19) 外部空間と連通している孔を有している、(15)から(18)の何れか一に記載のゼラチン成形体。
(20) 外部空間と連通している孔が、成形体の内部を貫通し、孔の両端において外部空間と連通している、(19)に記載のゼラチン成形体。
(21) 外部空間と連通している孔の代表直径が300μm〜2000μmである、(19)又は(20)に記載のゼラチン成形体。
(22) 表面が支持体で包まれている(15)から(21)の何れか一に記載のゼラチン成形体。
本発明によるゼラチン成形体の製造方法によれば、生体に有害な成分をなるべく含むことなく生体適性が高いゼラチン成形体を高い造形精度で製造することができる。本発明のゼラチン成形体は、生体適性が高く、かつ高い造形精度を有する。
図1は、風乾を経たゼラチン粉末を使用して製造した成形体を示す。 図2は、凍結乾燥を経たゼラチン粉末を使用して製造した成形体を示す。 図3は、粉末の平均粒子径及び水溶液組成と、膜厚及び収縮率との関係について評価した結果を示す。 図4は、吐出液として水又はエタノール水溶液を用いて製造したゼラチン成形体を示す。 図5は、空隙を有する成形体と空隙を有さない成形体の3D(三次元)設計図と、製造した空隙を有する成形体を示す。 図6は、空隙を有する成形体の3D(三次元)設計図と、製造した空隙を有する成形体を示す。 図7は、骨再生の評価のためのマイクロCT解析の結果を示す。 図8は、骨再生の評価のための病理解析の結果を示す(連通孔ありの成形物)。 図9は、骨再生の評価のための病理解析の結果を示す(連通孔なしの成形物)。 図10は、骨再生の評価のための病理解析の結果を示す(凍結乾燥スポンジ)。 図11は、ゼラチン成形体の充填率の測定方法に関する図である。 図12は、ゼラチン成形体の充填率の測定結果を示す。 図13は、ゼラチン成形体の充填率の測定結果を示す。 図14は、ゼラチン成形体の充填率の測定結果を示す。 図15は、二次元において、パスのもとになるドットが50%の場合に縦方向でも横方向でもパスが生じることを示す図である。 図16は、ゼラチン粉末を積層した成形体では、マイクロCT解析において、空隙率が30%で、100μm径程度の孔が立体的に結ばれた連通孔構造になっていることを示す図である。 図17は、通常の方法による成形体の製造方法を示す。 図18は、本発明の第一の積層方法による成形体の製造方法を示す。 図19は、本発明の第二の積層方法による成形体の製造方法を示す。 図20は、水又は50質量%エタノール水溶液の液滴をゼラチン粉末に着弾した後の様子を示す。 図21は、吐出液として水を用いて積層体からなる成形体を製造した結果を示す。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[1]ゼラチン成形体の製造方法
本発明によるゼラチン成形体の製造方法は、
ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;及び工程aで形成した層に対して、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程aで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を形成する工程b;
を含む。
本発明においては、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を使用すること、並びに沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液を使用することによって、反りや縮みがほぼ無く、上下の層がしっかり結着した高精度なゼラチン成形体を高い造形制度で製造することができる。
<1>ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末
本発明で用いる粉末は、ゼラチン水溶液を風乾させることにより得られる粉末、または風乾させることにより得られた固体を加工した粉末である。
本明細書でいう風乾とは、0℃以上60℃以下の温度で乾燥させるプロセスであり、大気圧中、又は減圧乾燥で行う。ゼラチンは乾燥温度により乾燥後の分子構造が異なるため、乾燥温度を変更することにより粉末の膨潤性を調整することができる。乾燥温度が高すぎると、インクジェット描画時の膨潤によるサイズ変化が大きくなるため好ましくない。一方、乾燥温度が低すぎると溶解速度が遅くなり、積層による造形の製造効率の観点より好ましくない。このため、乾燥温度としては、10℃〜40℃が好ましく、20℃から30℃がより好ましい。また、乾燥を促進するために減圧又は送風などの方法を併用することができる。圧力としては、1気圧〜各温度での水の蒸気圧以上の範囲が好ましい。
ゼラチン水溶液を風乾させる代わりに、凍結乾燥することによって粉末を製造した場合、凍結乾燥の粉末にアルコール水溶液をインクジェット描画すると、粉末がインクに溶けてしまい、造形することができなくなる。凍結乾燥した場合には、1個の粉粒子が多数の穴が開いた状態であり、密度が小さく、アルコール水溶液に容易に溶解するためと考えられる。ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径25〜200μmの粉末は、粒子表面にほとんど空隙がないため、粒子の比表面積が小さく、インクジェットにより描画しても、粉粒子の一部、粉粒子の表面しか溶けない。
本発明で用いる粉末の平均粒子径は25〜200μmである。平均粒子径が25μm未満、又は平均粒子径が200μmより大きい場合には、所望の立体的な粉末積層物(成形体)を形成できなくなる。
(粉末の平均粒子径の測定方法)
本発明で用いる粉末の平均粒子径は、通常知られている方法で測定することができ、具体的には、直接観察法(光学顕微鏡、電子顕微鏡)、レーザー回折・散乱法、遠心沈降法、電気的検知帯法、光子相関法等を用いて測定することができる。測定法としては、測定の際に空気又は他のガス中で測定する乾式法、適当な溶媒中に粒子を分散させて測定する湿式法がある。直接観察法は乾式法により測定を行うことができ、レーザー回折・散乱法は乾式法又は湿式法により測定を行うことができ、遠心沈降法、電気的検知帯法及び光子相関法は湿式法により測定を行うことができる。
上記の測定法の中で、湿式のレーザー回折・散乱法が、精度、再現性及び測定の簡便さにおいて優れている。湿式のレーザー回折・散乱法を用いた粒度分布測定器は市販されており、例えば、レーザー回折式粒子径分布測定装置SALD(島津製作所)、マスターサイザー(マルバーン)、マイクロトラックMT(マイクトラックベル)、レーザー回折散乱法粒度分布測定装置LS13(ベックマンコールター)、レーザーマイクロンサイザー(セイシン企業)、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置LAシリーズ(HORIBA)などが挙げられる。本発明の実施例では、主として、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置LA920(HORIBA)を用いた。
湿式粒子径分布測定に用いる溶媒は、ゼラチンを溶解する溶媒やゼラチンを膨潤させる溶媒以外の溶媒を選択する必要がある。適した溶媒としては、アルコール類、ケトン類、エステル類、炭化水素類、シリコン油類などを用いることができるが、安全性、屈折率等の理由で、アルコール類が好ましく、なかでもエタノール、イソプロパノールが特に好ましい。測定温度は特に表記しない限り、25℃(±3℃)である。
湿式レーザー回折・散乱法で測定される粒子径は、球相当径に換算した粒子径分布の形で表される。本発明における平均粒子径とは、特に説明が無い限りメジアン径(50%径)を表している。また、メジアン径の他に10%径、90%径も粒子の特性に用いる場合があるが、これらはいずれも湿式レーザー回折・散乱法で測定された粒子径分布から求めたものである。
(粉末の平均粒子径の上限及び下限について)
粉末の平均粒子径を200μmより大きくすると、XYZ方向ともに、粉末積層物(成形体)の最小単位も200μmとなるため、高精度な成形体が作製できなくなる。また、本発明のような粉末積層の場合、主に以下に記載する二つの理由(理由1及び理由2)により、粉末の平均粒子径には下限が存在する。
理由1:粉末の流動性の悪化及び凝集性の増加によるリコート不良
平均粒子径を小さくすると、粒子の集合体である粉末の流動性が悪化したり、凝集塊が生じる傾向があることが一般的に知られている。平均粒子径が小さくなり、流動性が悪化し、凝集塊が生じると、リコートが難しくなる。魚ゼラチンの場合でも平均粒子径が21μmの場合には、粉末がローラーに付着したり、リコート面の一部に目視可能な凹凸が生じて高精度なリコートができなかった。
理由2:膜厚の増大と膜応力の抑制を両立し、高精度な構造物を作製する。
本発明の実施態様の一例として、ローラー又はブレードなどを使用して、粉粒子の集合体であるゼラチン粉末を平坦化した後に、インクジェットヘッドなどから吐出液を吐出して、粉末の表面の上から下に向けて、吐出液を飛翔させ、粉末表面に吐出液を着弾させながら、インクジェットヘッドなどを、粉末と水平方向であるXY方向に走査させて、面状の塗布面を形成する場合を想定する。この場合、着弾した吐出液が、粉末の構成要素である粒子と粒子の隙間に入り込み、隣り合った二つ以上の粒子と粒子の間に吐出液が位置し、粉末の粒子の表面が吐出液により溶けたのち、吐出液の乾燥が進み、粉末の粒子と粒子が仮接着する。上記系において1層分の膜を形成する粉末積層の場合、以下の傾向がある。
ここでの粉末の表面とは、粉末を構成するひとつひとつの粉粒子の表面ではなく、粒子の集合体である粉末の上部の空気層側という意味である。ここでの粒子の表面とは、粉末の構成要素である粒子の表面のことである。
単位面積当たりの打滴量を増やして描画すると、粉末表面から内部へ吐出液が浸透する量が増えて膜厚が大きくなるが、膜応力(膜の縮みと反り)が大きくなる。単位面積あたりの打滴量を少なくすると、膜応力は小さくなるが、膜厚が小さくなる。粉末積層においては、Z方向の積層ピッチに下限がある関係上、膜厚はある一定以上のものが要求される。
Z方向の積層ピッチは、以下の2つの理由などから下限がある。
理由2−1:粉末積層の造形時間の増加抑制
Z方向の積層ピッチを小さく設定すると、その分、所望の厚みを得るためには積層回数が増えて立体物の造形速度が遅くなる。必要以上の精度は造形速度に不要である。
理由2−2:機械的制精度
リコートにおける水平度を保って揺らぎなく走査するための機械的精度からの要求。
現状の粉末積層においては、1層分の積層ピッチは100μm程度である。
1層分の積層ピッチは100μm、1層を形成するのに必要とされる膜厚は、上下層が密着することを考えると、150μmから200μm程度の膜厚を得る必要がある。
粉末積層による成形体を製造するにあたっては、所定の膜厚を得ることは重要である。
しかし、ある所定の膜厚を得るため、単位体積あたりの打滴量を大きくすると、膜応力により適切な構造物を得ることができず、膜応力を下げるため、単位体積あたりの打滴量を小さくすると、上下の膜が密着せず、立体的な構造物を得ることができない。
単位体積当たりの打滴量の増減を設計事項として、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することの関係は、トレードオフであって、本発明のような粉末積層物を形成するには障害となる。
しかし、上記のような、単位体積当たりの打滴量の増減を設計事項として、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することの関係が、トレードオフである場合でも、粉末の平均粒子径を大きくすると、トレードオフ関係の調整といった消極的なことではなく、トレードオフの関係が解消され、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することが両立される。
さらに粉末の平均粒子径の大きさに応じて、両立する程度が高まる。
単位面積あたりの塗布量の調整は、一つのノズルから吐出する一つの液滴の量を調整したり、着弾する液滴と液滴の距離、着弾密度を調整することにより制御できる。
(粉末の調製方法について)
粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末は、例えば、ゼラチンを風乾した固体を粉砕することによって調製することができる。
風乾したゼラチン固体の粉砕は、既知の機械的粉砕装置を用いて微粒子化することができる。粉砕方法としては、乾式粉砕法と湿式粉砕法とがあるが、本発明の場合には乾式粉砕法が好ましい。乾式粉砕装置の代表例としては、高速回転型衝撃式ミル,ローラーミル、ジェットミル、及び媒体攪拌型ミル等が挙げられる。
高速回転型衝撃式ミルは高速回転するハンマー、ピン、ディスクなどで固体塊に衝撃を与えることで粉砕するもので、粉砕前後の平均粒子径の大きさに応じて様々な装置が市販されている。例えば、粉砕後の平均粒子径がcmレベルではジョークラッシャーやハンマーミル等があり、粉砕後の平均粒子径が数mmレベルではロッドミルやピンミル等が使われる。粉砕後の平均粒子径が数十μmレベルでは、更に高速撹拌のディスクやインペラーを備えたミルが用いられる。また高速回転体とその外周部にスクリーンを備えることで、せん断力による微細化と一部分級機能を発揮することで粉砕粒子の均一性を高める工夫をしたものも好ましく用いられる。
ローラーミルは回転するロール間に粉砕したい固体を入れて、ローラー間の圧力でつぶして粉砕するものである。粉砕後の平均粒子径が数cmレベルのものとしてはロールクラッシャーがあり、粉砕後の平均粒子径が数mmレベルのものとしてはローラーミルがある。
ジェットミルは高速気流による粒子同士あるいは壁等への衝突、摩砕によって、微細化するもので、主に10μm以下の微細粒子を作るのに適している。この方式の一種で、粒子同士の衝突ではなく、高速気流を専用の衝突板にぶつけることで粉砕する方式である。衝突型ジェットミルという装置も市販されており、比重の軽いゼラチンの粒子の粉砕には、この衝突型ジェットミルも適している。
媒体撹拌型ミルの代表はボールミルである。ボールミルは、金属、磁性、金属酸化物のボールによる衝撃、圧縮、摩砕により微細化するもので、試料とボールを一つのポットに入れてこれを長時間回転させることで微細化するものであるが、回転ではなく高周波数に振動させて粉砕するものもある。
風乾したゼラチン固体の粉砕には、上記した粉砕方法を用いることが可能であるが、ゼラチンを粉砕する場合には、特に粉砕中の温度が高くなり過ぎないことが重要である。粉砕中の粒子の温度は、80℃以下、好ましくは60℃以下に保つことが望ましい。そのため、粉砕機には空冷あるいは水冷などの冷却機構を備えていることが好ましい。また、液体窒素等で積極的に冷凍して粉砕する方法も有効である。また、粉砕効率、製造された粒子の平均粒子径分布を狭くするために、粉砕装置に分級機構を備えていることが好ましい。分級機構としては、スクリーンや遠心分離が一般的である。さらに、風乾したゼラチン固体を一回の操作で数十μmレベルまで粉砕することは粉砕機の性能上難しい。一般的には粉砕レベルに応じたいくつかの粉砕機を段階的に使用することで、平均粒子径の揃った微細粉末を得ることができる。
<2>ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粉末を含有する層を基板上に形成する工程a
本発明における工程aは、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末(ゼラチン粉末とも言う)を含有する層を基板上に形成する工程である。基板は、昇降ステージの上に設けられていてもよい。
基板の材質、形状、及び大きさは、特に限定されず、目的に応じて適切な基板を使用することができる。基板としては、所定の面積の平面を有する基板が好ましい。基板の表面の大きさは特に限定されないが、好ましくは0.5cm×0.5cm〜50cm×50cmであり、より好ましくは3cm×3cm〜15cm×15cm程度である。基板の表面の形状は正方形でも長方形でもよい。
基板の材質としては、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、鉄などの金属素材、ガラス、セラミックスなどの無機素材、アクリル、メタクリル(ポリメタクリル酸メチル樹脂など)、ポリスチレン、ポリプロピレン、テフロン(登録商標)等のプラスチック素材が挙げられる。
ゼラチン粉末を含有する層を基板上に形成する工程は、任意の方法で行うことができ、その方法は特に限定されないが、例えば、3Dプリンタ(三次元プリンタ)を用いて行うことができる。3Dプリンタの一例としては、Z−Printer310plus(3D Systems Corporation(旧 Z Corporation)等を使用できるが、特に限定されない。
<3>アルコール類を含有する水溶液
本発明においては、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液を使用する。
成形体を形成するための吐出液として、水を使用する理由は、以下の2つである。
理由1−1:体内には水は豊富にあり、基本的に無害で安全性が高い。
理由1−2:ゼラチン粉末を溶解し、粉末の粒子と粒子を仮接着することができるため。
本発明のゼラチン粉末の成形体は、粉末積層により造形することができる。 粉末積層により造形の一例としては、本明細書上記した通りであるが、ローラー又はブレードなどを使用して、粉粒子の集合体であるゼラチン粉末を平坦化した後に、1ノズルから3000ノズル、より良くは、100ノズル〜3000ノズルを持つ、インクジェットヘッドなどから、1pL〜1000pL程度、より良くは、10pL〜100pLの吐出液を吐出して、粉末の表面の上から下に向けて、吐出液を0.5mmから5mm程度、より良くは2mm〜3mm程度飛翔させ、粉末表面に吐出液を、0.5kHz〜50KHZ、より良くは、3kHz〜20kHzで着弾させながら、インクジェットヘッドなどを、粉末と水平方向であるXY方向に走査させて、面状の塗布面を形成することができる。ここで着弾した吐出液は、粉末の構成要素である粒子と粒子の隙間に入り込み、隣り合った二つ以上の粒子と粒子の間に吐出液が位置し、粉末の粒子の表面が吐出液により溶けたのち、吐出液の乾燥が進み、粉末の粒子と粒子が仮接着する。インクジェットヘッド以外には、ジェットディスペンサー、なども考えられる。ジェットディスペンサーの場合は通常1ノズルである。
水はゼラチンを溶解し、少量の水は容易に乾燥する。インクジェットのような微小液滴(2pL〜300pL程度)を粉末に面状に均一に塗布すると、粉末形成後で、10分程度以内で、室温でも容易に、ほぼ乾燥する。しかし、水には以下に記載する問題があることから、本発明においてはアルコール類を含有する水溶液を使用する。アルコール類を含有する水溶液を使用する理由は以下の4つである。
(アルコール類を含有する水溶液を使用する理由)
理由2−1:膜厚の増大と膜応力の抑制を両立し、高精度な構造物を作製する。
粉末の粒子の表面が吐出液により溶けて、吐出液の乾燥が進むと、粉末の粒子と粒子が仮接着するような系において、インクジェットにより描画して一層の膜を形成する場合、膜厚を大きくするため、設計事項として単位体積当たりの打滴量を増やすと、膜応力(膜の縮みと反り)が大きくなり、逆に膜応力の発生を抑制するため、設計事項として単位体積あたりの打滴量を少なくすると、膜厚が小さくなる。
単位体積当たりの打滴量の増減を設計事項として、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することは、トレードオフの関係にあり、高精度な粉末積層物を形成するには障害となる。しかし、上記のような、単位体積当たりの打滴量の増減を設計事項として、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することがトレードオフである場合でも、アルコール類を含有する水溶液を用いると、トレードオフの関係が解消され、膜厚を大きくしようすることと、膜応力を抑制することが両立される(図3を参照)。
これは以下のようなメカニズムと推定される。
ゼラチン粉末の粒子は水に溶解するが、ゼラチン粉末の粒子の最表面は親水性でなく、疎水性の可能性が高いことが想定される。従って、水とアルコール類との混合液では、吐出液の表面張力が下がる効果と、疎水性の表面とアルコール類水溶液との相溶性が上昇し、粒子の表面に濡れやすくなる効果により、粉末の奥まで液が浸透する。粉末への浸透が容易なことより、単位面積当たりの打滴量が少ない場合でも、水と同じ膜厚の粉末積層物を得ることができる。粉末の粒子の表面が吐出液により溶けて、その後、吐出液が蒸発し乾燥が進むと、粉末の粒子と粒子は、ゼラチン成分により仮接着する。粒子と粒子の間に液が位置すると、液架橋状態となり、粒子と粒子の間の引き寄せる力が発生し、粉末の膜体を収縮させる。アルコール類を含有する水溶液を使用すると、面積あたりに少ない打滴量で同じ膜厚となることから、粒子と粒子の間に位置する吐出液の量が少なく、粒子と粒子を引き寄せる力が弱く、粉末の膜の縮みが小さくなる。
ゼラチン粒子の最表面は親水性でないと想定される理由は、ゼラチン粉末の造粒の乾燥過程で、ゼラチン水溶液から水分が蒸発していくとき、ゼラチン分子とゼラチン分子、又はゼラチン分子内の親水性の基が向かい合い、疎水的な基が反対を向いて、安定化するため、並びに、最表面の外側に向いている親水基が少なくなり、相対的に疎水的になるためである。また、ゼラチン水溶液から作製した大きなひと塊りの固体ゼラチンを粉砕した場合でも、固体ゼラチンは、結合力の弱い疎水的な面から分かれて、二つ以上の微細な粒子になり、粒子の最表面は疎水的であると考えられる。
図20は、水とエタノール水溶液50質量%をゼラチンに滴下着弾させて浸透するかどうかを観察したものである。インクジェットの液滴が20μmであるのに対し、図20では、2mmくらいの大きな液滴についての実験である。図20に示す通り、水は着弾直後から2分後、1時間後でもゼラチン粉末に浸透しないが、エタノール水溶液は着弾後1秒以内で浸透していることから、上記の内容が推測できる。
理由2−2:高周波での多数ノズル、高周波数での高速描画が可能となり、造形速度が上昇し、高精度な成形体を製造しやすい。
一般的なインクジェットヘッドは、一次元的に並んだ300dpi〜600dpi程度のノズル列、吐出周波数5〜20kHzくらいの高速吐出能力で、高速に塗布面を形成する。多数のノズルから高速の周波数で描画すると、非常に短時間に多数の液滴がゼラチン粉末に対して打滴される。例えば、300dpi×5kHzと比較的低速で、1cm×1cmの範囲に描画したとしても、0.02秒程度の時間で描画される。
Z−Printer310plus(300dpi、周波数は5kHz以上と推測)を用いて、吐出液を水にして、約1cm×約1cm〜約3cm×約3cmのゼラチン粉末に描画すると、目視で数mmサイズの液滴が形成される様子が観察される。描画直後、少なくとも目視レベルでは粉末は乾燥しており、水が浸透している様子はなく、粉末上に打滴された吐出液である水が全て合体して、一つの大きな液滴になっていると推測できる。これは、ゼラチン粉末のように最表面が親水でなく、疎水的で、粒子サイズに応じた凹凸があるよう系では、水に対して、ハスの葉が水滴をはじくような、ロータス効果と呼ばれる現状が生じて、超撥水状態となり、簡単には水が浸透しないためと推測できる。
同様に、水で1cm×1cm程度を描画すること、100μm厚みとなるようローラーでリコートすることを1回の操作(1層分)として、5回分(5層分)程度を繰り返す。
通常、3Dプリンタでは、5層分程度は、所望の成形体を得ることはできない。5層分、5回程度、ローラーのリコート操作が繰り返されることにより、粉末上の数mmサイズの水が粉末に押しつぶされたり、押し込まれたりして、粉末が濡れはじめる。粉末が濡れはじめると、濡れたところを起点として、粉末積層物ができ始めるが、以下の2つの問題点があり、高精度な成形体は製造できない。
理由2−2−1: ヘッドからインクを吐出して描画するときに、走査する方向に伸びた1mm弱の棒状の束が集まった成形体となり、高精度な成形体を得ることはできない。これは一列に並んだ隣り合うノズルから、吐出された吐出液が粉末の表面上にて、着弾直後にゼラチン粉末に浸透せず、粉末の表面上にて、ノズル数列から10列程度の吐出集まる、着弾干渉と考えられる。通常のインクジェット描画では着弾干渉を防ぐため、界面活性剤により吐出液の表面張力を下げたり、シリカの微粒子をポリビニルアルコールの高分子で複合化させた専用のインクジェット用紙を使用したり、石膏やデンプンの粉末積層などにおいても、ポリビニルアルコール高分子を混合したりする。この場合のように、ゼラチン粉末への浸透が遅い場合、着弾干渉が極端に起こり、棒状の束ができると考えている。また、棒状の束は、手でつかむと簡単にはがれてしまう。しかし、アルコール類を含有する水溶液を使用すると、ゼラチン粉末への速やかな浸透がおこり、水でみられたような着弾干渉による棒状の束ができることなく、所望の3D構造物に近いものができる。
理由2−2−2: 水では極端な積層ずれが生じるが(図21を参照)、アルコール類を混合した水溶液なら大幅に緩和される。
理由2−3:吐出液滴状態の安定
水とエタノールを混合すると、表面張力が下がり、粘性度がアップする。これにより、最適なインクジェットの吐出条件に近づき、理想的な吐出、飛翔形状に近づき、先滴の後滴の分裂距離が小さくなり、着弾したときに分裂して着弾しない。また、後滴の速度が早くなるため、後滴の飛翔曲がりの発生頻度が下がり、描画精度が上がる。また、水の場合は、複雑な波形で精密に調整した波形で初めて吐出可能となるが、エタノールなどアルコール類を混合した水溶液だと、単純な矩形波で吐出可能となり、吐出が安定する吐出速度の範囲も広げることが可能となる。例として、水とエタノールを50質量%ずつ混合すると、水の場合と比較して、粘性度は1cpから2.8cpまで上昇し(100cP=0.1Pa・s)、表面張力は72mN/mから28mN/mまで低下する。インクジェットヘッドにより最適な粘性度、表面張力はかわるが、一般的に3cpから12cp、25から35mN/m程度であり、適正な物性に近づく。エタノールの添加により、一般的なインクジェットインクに大量に添加されている界面活性剤や増粘剤を添加しなくても、最適な吐出液の物性に近づくことができるため、吐出安定化につながる。このため、先滴と後滴の分裂距離が小さくなり、液滴が着弾したときに、分裂して着弾することがなくなる。後滴の速度が早くなるため、後滴の飛翔曲がりの発生頻度が下がり、描画精度が向上する。
理由2−4:
安全性を重視し、水以外を用いないことも想定されるが、沸点が低いアルコール類であれば、造形後の粉末積層物から蒸発させることが可能であり、安全性の高い構造物を得ることができる。ゼラチン構造物の再生医療物への用い方や、ゼラチンの種類にもよるが、135℃程度の温度で熱架橋してから生体に移植することが多く、アルコール類の沸点が120℃以下であれば、アルコール類がゼラチン構造物から取り除くことが可能である。
(アルコール類の具体例)
沸点120℃以下のアルコール類の具体例としては以下のアルコールを挙げることができるが、特に限定されない。
メタノール: 沸点65℃エタノール: 沸点78℃
1−プロパノール:沸点97℃
2−プロパノール:沸点82℃
1−ブタノール:沸点117℃
2−ブタノール:沸点99℃
2−ペンタノール:沸点119℃
tert−ブチルアルコール:沸点82℃
沸点120℃以下のアルコール類としては、エタノールが特に好ましい。
アルコール水溶液におけるアルコール類と水との混合比率は特に限定されないが、一般的には質量比で10:90〜90:10であり、好ましくは20:80〜80:20であり、より好ましくは30:70〜70:30であり、さらに好ましくは40:60〜60:40である。一例としては、アルコール類と水との混合比率は50:50でもよい。
<4>アルコール水溶液の吐出を含むゼラチン成形体を製造する工程b
本発明においては、工程aで形成した層に対して、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、上記液滴を工程aで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を形成する。
本発明においては、アルコール水溶液の液滴が吐出させる。ノズル部から吐出したアルコール水溶液の液滴は、ノズル部と基板上のゼラチン粉末を含有する層のいずれにも接触せずに、空間中を移動する。
本発明においては、アルコール水溶液の液滴で吐出させる際、ヘッド内ノズル付近の温度は特に限定されないが、好ましくは15℃〜35℃であり、より好ましくは20℃〜30℃である。環境的及び機械的に制御せずに、室温に装置を置いた場合、アクチュエータが駆動して温度が上昇し、ヘッド内ノズル付近の温度は、実験室の23℃環境よりやや高い28℃程度になる。
アルコール水溶液の吐出は、ノズル部を有するインクジェットヘッドを用いて行うことができる。インク液滴をピエゾ素子のアクチュエータ等によりノズル部から吐出し、媒体に着弾させて媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。インクジェット記録装置では、ノズル部の配列ピッチが高密度化されるとともに、数ピコリットル〜100ピコリットルの微小なインク液滴を吐出することが可能である。特開2012−4555号公報には、インクジェット方式による機能材料の製造方法及び装置が記載されているが、アルコール水溶液の吐出は、特開2012−4555号公報に記載されているようなインクジェットヘッドを用いて行うことができる。特開2012−4555号公報に記載の内容は全て本明細書に引用されるものとする。
インクジェット装置は、基板が載置されるステージ、及び基板に向けてアルコール水溶液を吐出するインクジェットヘッドを含むように構成することができる。
ステージは、移動機構により垂直方向に自在に移動可能に構成されていってもよく、さらに水平方向の移動機構があってもよい。 移動機構としては、例えば、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構等を用いることができる。移動機構を制御することによりステージを所望の位置に移動させることができる。
インクジェットヘッドは、インクタンクから供給されるアルコール水溶液を基板の所望の位置に対して吐出するものである。インクジェットヘッドとしては、ピエゾ方式のアクチュエータを持つヘッドを用いることができるが、特に限定されない。
粉体積層の場合、XY方向の移動は、基板を固定して、インクジェットヘッドをXY方向に稼働させるのが一般的だが、インクジェットヘッドと基板とが相対的に移動すれば、よく、インクジェットヘッドを固定して基板を稼動するよう構成しても構わない。
アルコール水溶液の描画方式は、シリアルプリンタ方式でもよいし、ラインプリンタ方式でもよい。大面積を効率よく描画するためには、シングルパスによるラインプリンタ方式の装置が適している。シングルパスであれば、インクジェットヘッドとインクが打滴される基板の各領域とが1回通過するだけで、各領域の全面にインクを吐出することができる。
インクジェットの方式としては、コンティニュアス型、オンデマンド型のいずれでもよい。数10cm四方以上の大面積に描画する場合には、ノズルが複数あるオンデマンド型が好ましい。
オンデマンド型の吐出方式を特徴付けるアクチュエータは、ピエゾ方式、サーマル方式、ソリッド方式、静電吸引方式等の種々の方式を用いることができる。ピエゾ方式は、水系以外に、有機剤系を吐出することも可能であり、アルコール水溶液の吐出に適している。また、ノズルの並びについても、単列に配置、複数列に配置、千鳥格子状に配置のいずれでも構わない。
粉体が舞う場合は、10mm以上と飛翔距離の長いコンティニュアス型が適している。なお、飛翔距離が比較的短くなるピエゾ方式でも、ヘッドと基板の間に静電界を併用することで、飛翔距離を確保して描画することも可能である。
1ピコリットル以下の微小な液滴量をコントロールして吐出する場合は、静電吸引方式の一種の、ニードル先端からインクを吐出するタイプが好ましい。
インクタンクからインクジェットヘッドまでの供給路の間に、脱気モジュールを設けることもできる。脱気処理したアルコール水溶液を用いることにより、インクジェットヘッドからの吐出を安定させることができる。 脱気方法としては、脱気フィルターを通す方法や、超音波処理を行う方法等を採用することができる。
アルコール水溶液の吐出を含むゼラチン成形体を製造する工程bは、例えば、上記したようなインクジェットヘッドを備えた3Dプリンタ(三次元プリンター)を用いて行うことができる。3Dプリンタの一例としては、Z−Printer310plus(3D Systems Corporation(旧 Z Corporation)等を使用できるが、特に限定されない。
本発明の方法で製造されるゼラチン成形体の大きさは特に限定されないが、ゼラチン成形体を直方体に近似した場合で、直方体の縦、横及び高さはそれぞれ、好ましくは0.1mm〜200mmであり、より好ましくは1mm〜100mmである。
<5>ゼラチン
本発明で用いるゼラチンとしては、好ましくは、天然ゼラチン、リコンビナントゼラチン又は化学合成ゼラチンである。天然ゼラチンとは天然由来のコラーゲンより作られたゼラチンを意味する。ゼラチンが由来する生物は特に限定されず、例えば、動物(哺乳類、魚類など)由来のゼラチンを使用することができる。本発明で用いるゼラチンは、動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンである。
化学合成ゼラチンとは、人工的に合成したゼラチンを意味する。ゼラチン等のペプチドの合成は、固相合成でも液相合成でもよいが、好ましくは固相合成である。ペプチドの固相合成は当業者に公知であり、例えば、アミノ基の保護としてFmoc基(Fluorenyl-Methoxy-Carbonyl基)を使用するFmoc基合成法、並びにアミノ基の保護としてBoc基(tert-Butyl Oxy Carbonyl基)を使用するBoc基合成法などが挙げられる。なお、化学合成ゼラチンの好ましい態様は、本明細書中後記のリコンビナントゼラチンに記載した内容を当てはめることができる。リコンビナントゼラチンについては、本明細書中後記する。
ゼラチンの親水性値「1/IOB」値は、0から1.0が好ましい。より好ましくは、0から0.6であり、さらに好ましくは0から0.4である。IOBとは、藤田穆により提案された有機化合物の極性/非極性を表す有機概念図に基づく、親疎水性の指標であり、その詳細は、例えば、"Pharmaceutical Bulletin", vol.2, 2, pp.163-173(1954)、「化学の領域」vol.11, 10, pp.719-725(1957)、「フレグランスジャーナル」, vol.50, pp.79-82(1981)等で説明されている。簡潔に言えば、全ての有機化合物の根源をメタン(CH4)とし、他の化合物はすべてメタンの誘導体とみなして、その炭素数、置換基、変態部、環等にそれぞれ一定の数値を設定し、そのスコアを加算して有機性値(OV)、無機性値(IV)を求め、この値を、有機性値をX軸、無機性値をY軸にとった図上にプロットしていくものである。有機概念図におけるIOBとは、有機概念図における有機性値(OV)に対する無機性値(IV)の比、すなわち「無機性値(IV)/有機性値(OV)」をいう。有機概念図の詳細については、「新版有機概念図−基礎と応用−」(甲田善生等著、三共出版、2008)を参照されたい。本明細書中では、IOBの逆数をとった「1/IOB」値で親疎水性を表している。「1/IOB」値が小さい(0に近づく)程、親水性であることを表す表記である。
ゼラチンは、Grand average of hydropathicity(GRAVY)値で表される親疎水性指標において、0.3以下、マイナス9.0以上であることが好ましく、0.0以下、マイナス7.0以上であることがさらに好ましい。Grand average of hydropathicity(GRAVY)値は、『Gasteiger E., Hoogland C., Gattiker A., Duvaud S., Wilkins M.R., Appel R.D., Bairoch A.;Protein Identification and Analysis Tools on the ExPASy Server;(In) John M. Walker (ed): The Proteomics Protocols Handbook, Humana Press (2005). pp. 571-607』及び『Gasteiger E., Gattiker A., Hoogland C., Ivanyi I., Appel R.D., Bairoch A.; ExPASy: the proteomics server for in-depth protein knowledge and analysis.; Nucleic Acids Res. 31:3784-3788(2003).』の方法により得ることができる。
ゼラチンは、架橋されているものでもよいし、架橋されていないものでもよい。一般的な架橋方法としては、熱架橋、アルデヒド類(例えば、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒドなど)による架橋、縮合剤(カルボジイミド、シアナミドなど)による架橋、酵素架橋、光架橋、紫外線架橋、疎水性相互作用、水素結合、イオン性相互作用などが知られており、本発明においても上記の架橋方法を使用することができる。本発明で使用する架橋方法としては、さらに好ましくは熱架橋、紫外線架橋、又は酵素架橋であり、特に好ましくは熱架橋である。
酵素による架橋を行う場合、酵素としては、高分子材料間の架橋作用を有するものであれば特に限定されないが、好ましくはトランスグルタミナーゼ及びラッカーゼ、最も好ましくはトランスグルタミナーゼを用いて架橋を行うことができる。トランスグルタミナーゼで酵素架橋するタンパク質の具体例としては、リジン残基及びグルタミン残基を有するタンパク質であれば特に制限されない。トランスグルタミナーゼは、哺乳類由来のものであっても、微生物由来のものであってもよく、具体的には、味の素(株)製アクティバシリーズ、試薬として販売されている哺乳類由来のトランスグルタミナーゼ、例えば、オリエンタル酵母工業(株)製、Upstate USA Inc.製、Biodesign International製などのモルモット肝臓由来トランスグルタミナーゼ、ヤギ由来トランスグルタミナーゼ、ウサギ由来トランスグルタミナーゼなど、ヒト由来の血液凝固因子(Factor XIIIa、Haematologic Technologies, Inc.社)などが挙げられる。
架橋(例えば、熱架橋)を行う際の反応温度は、架橋ができる限り特に限定されないが、好ましくは、−100℃〜500℃であり、より好ましくは0℃〜300℃であり、更に好ましくは50℃〜300℃であり、更に好ましくは100℃〜250℃であり、更に好ましくは120℃〜200℃である。
本発明で用いるゼラチンとしては、リコンビナントゼラチンが特に好ましい。
リコンビナントゼラチンとは、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。本発明で用いることができるリコンビナントゼラチンは、コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列(X及びYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す)の繰り返しを有するものが好ましい。ここで、複数個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。好ましくは、細胞接着シグナルが一分子中に2配列以上含まれている。本発明で用いるリコンビナントゼラチンとしては、コラーゲンの部分アミノ酸配列に由来するアミノ酸配列を有するリコンビナントゼラチンを用いることができる。例えばEP1014176、米国特許6992172号、国際公開WO2004/85473、国際公開WO2008/103041等に記載のものを用いることができるが、これらに限定されるものではない。本発明で用いるリコンビナントゼラチンとして好ましいものは、以下の態様のリコンビナントゼラチンである。
リコンビナントゼラチンは、天然のゼラチン本来の性能から、生体親和性に優れ、且つ天然由来ではないことで牛海綿状脳症(BSE)などの懸念がなく、非感染性に優れている。また、リコンビナントゼラチンは天然ゼラチンと比べて均一であり、配列が決定されているので、強度及び分解性においても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。
リコンビナントゼラチンの分子量は、特に限定されないが、好ましくは2000以上100000以下(2kDa(キロダルトン)以上100kDa以下)であり、より好ましくは2500以上95000以下(2.5kDa以上95kDa以下)であり、さらに好ましくは5000以上90000以下(5kDa以上90kDa以下)であり、最も好ましくは10000以上90000以下(10kDa以上90kDa以下)である。
リコンビナントゼラチンは、コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列の繰り返しを有することが好ましい。ここで、複数個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。Gly−X−Y において、Glyはグリシンを表し、X及びYは、任意のアミノ酸(好ましくは、グリシン以外の任意のアミノ酸)を表す。コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列とは、ゼラチン及びコラーゲンのアミノ酸組成及び配列における、他のタンパク質と比較して非常に特異的な部分構造である。この部分においてはグリシンが全体の約3分の1を占め、アミノ酸配列では3個に1個の繰り返しとなっている。グリシンは最も簡単なアミノ酸であり、分子鎖の配置への束縛も少なく、ゲル化に際してのヘリックス構造の再生に大きく寄与している。X及びYで表されるアミノ酸はイミノ酸(プロリン、オキシプロリン)が多く含まれ、全体の10%〜45%を占めることが好ましい。好ましくは、リコンビナントゼラチンの配列の80%以上、更に好ましくは95%以上、最も好ましくは99%以上のアミノ酸が、Gly−X−Yの繰り返し構造である。
一般的なゼラチンは、極性アミノ酸のうち電荷を持つものと無電荷のものが1:1で存在する。ここで、極性アミノ酸とは具体的にシステイン、アスパラギン酸、グルタミン酸、ヒスチジン、リジン、アスパラギン、グルタミン、セリン、スレオニン、チロシン及びアルギニンを指し、このうち極性無電荷アミノ酸とはシステイン、アスパラギン、グルタミン、セリン、スレオニン及びチロシンを指す。本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおいては、構成する全アミノ酸のうち、極性アミノ酸の割合が10〜40%であり、好ましくは20〜30%である。上記極性アミノ酸中の無電荷アミノ酸の割合が好ましくは5%以上20%未満であり、より好ましくは5%以上10%未満である。さらに、セリン、スレオニン、アスパラギン、チロシン及びシステインのうちいずれか1アミノ酸を配列上に含まないことが好ましく、セリン、スレオニン、アスパラギン、チロシン及びシステインのうち2以上のアミノ酸を配列上に含まないことがより好ましい。
一般にポリペプチドにおいて、細胞接着シグナルとして働く最小アミノ酸配列が知られている(例えば、株式会社永井出版発行「病態生理」Vol.9、No.7(1990年)527頁)。本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、これらの細胞接着シグナルを一分子中に2以上有することが好ましい。具体的な配列としては、接着する細胞の種類が多いという点で、アミノ酸一文字表記で現わされる、RGD配列、LDV配列、REDV配列、YIGSR配列、PDSGR配列、RYVVLPR配列、LGTIPG配列、RNIAEIIKDI配列、IKVAV配列、LRE配列、DGEA配列、及びHAV配列の配列が好ましい。さらに好ましくはRGD配列、YIGSR配列、PDSGR配列、LGTIPG配列、IKVAV配列及びHAV配列、特に好ましくはRGD配列である。RGD配列のうち、好ましくはERGD配列である。細胞接着シグナルを有するリコンビナントゼラチンを用いることにより、細胞の基質産生量を向上させることができる。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおけるRGD配列の配置としては、RGD間のアミノ酸数が0〜100の間で均一でないことが好ましく、RGD間のアミノ酸数が25〜60の間で均一でないことがより好ましい。
この最小アミノ酸配列の含有量は、細胞接着及び増殖性の観点から、タンパク質1分子中3〜50個が好ましく、さらに好ましくは4〜30個、特に好ましくは5〜20個である。最も好ましくは12個である。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおいて、アミノ酸総数に対するRGDモチーフの割合は少なくとも0.4%であることが好ましい。リコンビナントゼラチンが350以上のアミノ酸を含む場合、350のアミノ酸の各ストレッチが少なくとも1つのRGDモチーフを含むことが好ましい。アミノ酸総数に対するRGDモチーフの割合は、より好ましくは少なくとも0.6%であり、更に好ましくは少なくとも0.8%であり、更に一層好ましくは少なくとも1.0%であり、特に好ましくは少なくとも1.2%であり、最も好ましくは少なくとも1.5%である。リコンビナントペプチド内のRGDモチーフの数は、250のアミノ酸あたり、好ましくは少なくとも4、より好ましくは6、更に好ましくは8、特に好ましくは12以上16以下である。RGDモチーフの0.4%という割合は、250のアミノ酸あたり、少なくとも1つのRGD配列に対応する。RGDモチーフの数は整数であるので、0.4%の特徴を満たすには、251のアミノ酸からなるゼラチンは、少なくとも2つのRGD配列を含まなければならない。好ましくは、本発明のリコンビナントゼラチンは、250のアミノ酸あたり、少なくとも2つのRGD配列を含み、より好ましくは250のアミノ酸あたり、少なくとも3つのRGD配列を含み、さらに好ましくは250のアミノ酸あたり、少なくとも4つのRGD配列を含む。本発明のリコンビナントゼラチンのさらなる態様としては、少なくとも4つのRGDモチーフ、好ましくは6つ、より好ましくは8つ、さらに好ましくは12以上16以下のRGDモチーフを含む。
リコンビナントゼラチンは部分的に加水分解されていてもよい。
好ましくは、本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、A−[(Gly−X−Y)nm−Bで示されるものである。n個のXはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示し、n個のYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す。mは好ましくは2〜10の整数を示し、より好ましくは3〜5の整数を示す。nは3〜100の整数が好ましく、15〜70の整数がさらに好ましく、50〜65の整数が最も好ましい。Aは任意のアミノ酸又はアミノ酸配列を示し、Bは任意のアミノ酸又はアミノ酸配列を示す。なお、n個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。
より好ましくは、本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、Gly−Ala−Pro−[(Gly−X−Y)633−Gly(式中、63個のXはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示し、63個のYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す。なお、63個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。)で示されるものである。
繰り返し単位には天然に存在するコラーゲンの配列単位を複数結合することが好ましい。ここで言う天然に存在するコラーゲンとは天然に存在するものであればいずれでも構わないが、好ましくはI型、II型、III型、IV型、又はV型コラーゲンである。より好ましくは、I型、II型、又はIII型コラーゲンである。別の形態によると、上記コラーゲンの由来は好ましくは、ヒト、ウシ、ブタ、マウス又はラットであり、より好ましくはヒトである。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンの等電点は、好ましくは5〜10であり、より好ましくは6〜10であり、さらに好ましくは7〜9.5である。リコンビナントゼラチンの等電点の測定は、等電点電気泳動法(Maxey,C.R.(1976;Phitogr.Gelatin 2,Editor Cox,P.J.Academic,London,Engl.参照)に記載されたように、1質量%ゼラチン溶液をカチオン及びアニオン交換樹脂の混晶カラムに通したあとのpHを測定することで実施することができる。
好ましくは、リコンビナントゼラチンは脱アミン化されていない。
好ましくは、リコンビナントゼラチンはテロペプタイドを有さない。
好ましくは、リコンビナントゼラチンは、アミノ酸配列をコードする核酸により調製された実質的に純粋なポリペプチドである。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンとして特に好ましくは、
(1)配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるペプチド;
(2)配列番号1に記載のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;又は
(3)配列番号1に記載のアミノ酸配列と80%以上(さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上)の配列同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;の何れかである。
本発明における配列同一性は、以下の式で計算される値を指す。
%配列同一性=[(同一残基数)/(アラインメント長)]×100
2つのアミノ酸配列における配列同一性は当業者に公知の任意の方法で決定することができ、BLAST((Basic Local Alignment Search Tool))プログラム(J.Mol.Biol.215:403−410,1990)等を使用して決定することができる。
「1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列」における「1若しくは数個」とは、好ましくは1〜20個、より好ましくは1〜10個、さらに好ましくは1〜5個、特に好ましくは1〜3個を意味する。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、当業者に公知の遺伝子組み換え技術によって製造することができ、例えばEP1014176A2号公報、米国特許第6992172号公報、国際公開WO2004/85473号、国際公開WO2008/103041号等に記載の方法に準じて製造することができる。具体的には、所定のリコンビナントゼラチンのアミノ酸配列をコードする遺伝子を取得し、これを発現ベクターに組み込んで、組み換え発現ベクターを作製し、これを適当な宿主に導入して形質転換体を作製する。得られた形質転換体を適当な培地で培養することにより、リコンビナントゼラチンが産生されるので、培養物から産生されたリコンビナントゼラチンを回収することにより、本発明で用いるリコンビナントゼラチンを調製することができる。
<6>積層
本発明によるゼラチン成形体の製造方法は、上記の工程bの後に、
ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程cで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d;
をさらに含んでいてもよい。
上記の工程c及び工程dに記載されるような積層を行う場合、層のずれ、ローラー表面への付着等生じることがあるが、本発明では上記課題を解決でき、優れたリコート性を達成することができる。
上記の工程cは、工程aと同様に行うことができる。工程cで使用する材料の種類は、工程aのものと同一でもよいし、異なっていてもよいが、好ましくは同一である。工程cにおけるゼラチンは動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンが好ましい。
上記の工程dは、工程bと同様に行うことができる。工程dで使用する材料の種類は、工程bのものと同一でもよいし、異なっていてもよいが、好ましくは同一である。
工程dで使用するアルコール類は、工程bの場合と同様に、特に好ましくは、エタノールである。
工程c及び工程dを行う場合、その回数は特に限定されず、1回以上の任意の回数で行うことができ、例えば、1回〜3000回行うことができる。
<7>積層による成形の方法
(7−1)本発明の第一の積層方法
本発明の好ましい態様によれば、工程bにおいて製造されたゼラチン成形体が、基板に接触しているようにして、ゼラチン成形体を製造することができる。
通常の方法による成形体の製造方法を図17に示す。図17のAは、粉末を含有する層を基板上に形成する工程aである。図17のBは、工程aで形成した層に対して、アルコール水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を工程aで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を形成する工程である。図17のBにおいて、第一層目の成形体が形成される。図17に示す方法では、第一層目の成形体は、基板に接触しておらず、第一層目の成形体(最初に形成された層からなる成形体)の下に粉末が存在する状態となる。この状態において、図17のCに示すように、工程cとして、第二層目の粉末を含む層を形成すると、第一層目の成形体の位置がずれるようになる。その後に、図17のDに示すように、工程dを行うと、第一層目の成形体とはずれた位置に、第二層目の成形体が形成されることになる。上記と同様に、図17のEに示すように、第三層目以降の成形体の位置も、第一層目の成形体及び第二層目の成形体の位置とはずれることになる。上記のような、成形体の位置がずれる現象は、質量が軽いゼラチン粉末を使用する場合に顕著に生じる。
これに対し、本発明の第一の積層方法による成形体の製造方法を図18に示す。図18のAは、粉末を含有する層を基板上に形成する工程aであるが、粉末を含有する層の厚さは、第一層目の成形体の厚さと、実質的に同じ厚さとなるようにする。このように粉末を含有する層を形成することにより、図18のBに示す通り、第一層目の成形体(最初に形成された層からなる成形体)を形成した場合(工程b)に、第一層目の成形体は、基板に接触している状態になり、第一層目の成形体の下に粉末が存在しない状態となる。上記の状態とすることにより、図18のCに示すように、工程cとして、第2層目の粉末を含む層を形成しても、第一層目の成形体の位置がずれることが防止できる。これにより、図18のD及びEに示す通り、第二層目以降の成形体は、第一層目の成形体と同じ位置に、ずれることなく形成することができる。
本発明によれば、
粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;及び
工程aで形成した層に対して、液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を工程aで形成した層に対して着弾させることにより成形体を形成する工程b(ここで、形成した成形体は、基板に接触している);
を含む成形体の製造方法が提供される。
さらに本発明によれば、
粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;
工程aで形成した層に対して、液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を工程aで形成した層に対して着弾させることにより成形体を形成する工程b(ここで、形成した成形体は、基板に接触している);
工程bの後に、粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成した成形体の上に形成する工程c;及び
液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を工程cで形成した層に対して着弾させることにより成形体を製造する工程d;
を含む成形体の製造方法が提供される。
(7−2)本発明の第二の積層方法
さらに好ましい態様において、本発明のゼラチン成形体の製造方法は、工程bにおいて、製造されたゼラチン成形体が、基板に接触しており、
工程bの後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c1;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を工程c1で形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d1を含み、
工程d1において、液滴は、工程bで形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域に着弾され、
工程d1の後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程c1で形成した層及び工程d1で形成したゼラチン成形体の上に形成する工程e;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、上記液滴を上記工程eで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程fを含み、工程fにおいて、上記液滴は、工程d1で形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域、並びに工程d1で形成したゼラチン成形体で囲まれる領域の内部の領域に着弾される。
上記の態様の方法においては、箱の形状の成形体、及びその内部に成形体(目的の成形体)を形成することにより、箱の形状の成形体が、内部の成形体のずれを防ぐことができる。箱の形状の成形体は、上記の本発明の第一の積層方法に記載した方法を用いて、第一層目の成形体の位置からずれないように形成されている。また、内部の成形体は、箱の形状の成形体とは繋がっていない(即ち、内部の成形体の底面及び側面は、箱の形状の成形体と接触していない)。上記の本発明の第一の積層方法に記載した方法では、所望の成形体を形成した後に、基板から剥がす操作の際に、操作によっては成形体の形状が崩れるという懸念があり、慎重な操作が必要とされる。しかし、本発明の第二の積層方法によれば、所望の成形体(内部の成形体)を、形状を崩すことなく容易に得ることができる。即ち、内部の成形体を、粉末を含む層から切り離すときに、力がかからないので、全長が数mmといった微小な成形体、多数の孔を有する成形体、数100μmといった薄い成形体を製造することができる。また、本発明の第二の積層方法によれば、下層(第一層)の構造として曲面を有する球状の成形体を製造することができる。
本発明の第二の積層方法による成形体の製造方法を図19に示す。図19のAは、粉末を含有する層を基板上に形成する工程aであるが、粉末を含有する層の厚さは、箱の形状の成形体の第一層目の成形体の厚さと、実質的に同じ厚さとなるようにする。このように粉末を含有する層を形成することにより、図19のBに示す通り、箱の形状の成形体の第一層目の成形体(最初に形成された層からなる成形体)を形成した場合(工程b)に、第一層目の成形体は、基板に接触している状態になり、第一層目の成形体の下に粉末が存在しない状態となる。上記の状態とすることにより、図19のCに示すように、工程c1として、箱の形状の成形体の第2層目の粉末を含む層を形成しても、箱の形状の成形体の第一層目の成形体の位置がずれることが防止できる。図19のDは、液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、液滴を工程c1で形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d1を示す。図19のDにおいては、液は、成形体の上面の外周領域に対応する領域に着弾される。
図19のEは、粉末を含有する層を、工程c1で形成した層及び工程d1で形成したゼラチン成形体の上に形成する工程eを行った後に、液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、上記液滴を工程eで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程fを示す。工程fにおいて、液は、工程d1で形成したゼラチン成形体で囲まれる領域の内部の領域に着弾され、これにより、内部の成形体を形成することができる。図19のFは、工程e及びfを繰り返すことにより、箱の形状の成形体の内部に、所望の形状を有する(内部の)成形体を形成することを示す。
本発明によれば、
粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;工程aで形成した層に対して、液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、上記液滴を工程aで形成した層に対して着弾させることにより成形体を形成する工程b(工程bにおいて製造された成形体が、基板に接触している);工程bの後に、粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成した成形体の上に形成する工程c1;液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、上記液滴を工程c1で形成した層に対して着弾させることにより成形体を製造する工程d1(工程d1において、上記液は、工程bで形成した成形体の上面の外周領域に対応する領域に着弾される);工程d1の後に、粉末を含有する層を、工程c1で形成した層及び工程d1で形成した成形体の上に形成する工程e;及び液滴をノズル部から吐出し飛翔させて、上記液滴を上記工程eで形成した層に対して着弾させることにより成形体を製造する工程f(工程fにおいて、上記液は、工程d1で形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域、並びに工程d1で形成した成形体で囲まれる領域の内部の領域に着弾される)、
含む成形体の製造方法が提供される。
<8>粉末を除去する工程
本発明においては、ゼラチン成形体の形成に使用されなかった粉末を除去する工程gをさらに設けることができる。粉末を除去するとは、粉末を、成形体の表面から除去することである。
成形体の形成に使用されなかったゼラチン粉末を除去することによって、所望の形状に成形された成形体を回収することができる。
成形体の形成に使用されなかったゼラチン粉末を除去する方法は特に限定されず、例えば、圧縮空気を用いて行ってもよい。
<9>成形体を硬化させる工程
本発明においては、成形体の形成に使用されなかったゼラチン粉末を除去する工程gの後に、成形体を加熱することにより成形体を硬化させる工程hをさらに設けることができる。
上記の工程hを行うことにより、成形体の強度を高めることができる。
成形体を加熱することにより成形体を硬化させる工程hは、成形体を、一般的には50℃〜300℃、好ましくは100℃〜250℃、より好ましくは120℃〜200℃の温度で加熱することにより行うことができる。但し、T〔ケルビン:K〕=t〔セルシウス度:℃〕+273.15である。成形体の加熱は空気、不活性ガス、真空などの環境下で行うことができるが、低酸素環境中で行うことが好ましい。なかでも、加熱均一性の観点より窒素などの不活性ガス中で加熱することが好ましい。
加熱時間は、特に限定されないが、一般的には1時間から72時間であり、好ましくは2時間から48時間であり、より好ましくは4時間から28時間である。
本発明においては、加熱により成形体を硬化させる工程hの後に、メッシュ等の支持体により成形体を包む工程iをさらに設けることが出来る。工程iにより湿潤環境における成形体の形状維持が容易になる。
メッシュ等の支持体の材料は特に限定されないが、生体に適用する場合には生体適性がある材料を使用することが好ましく、例えば、高分子を用いてもよい。
この成形体においては、成形体が湿潤環境などによって形状を維持することができない場合であっても、メッシュ等の支持体が成形体を囲っていれば、形状を維持することができる。また、メッシュ等の支持体は成形体を外部と連通した状態で支持しており、このメッシュ等の支持体により包まれた成形体を生体に移植した場合に、周りの生体組織が支持体を通して、成形体にアクセスできる。
<10>成形体に細胞を播種する工程
本発明においては、成形体に細胞を播種する工程jをさらに設けることができる。
本発明における成形体の用途は、後記の通り、再生医療用足場材又は組織修復材などが意図されるが、成形体に細胞を播種して使用する場合と、成形体に細胞を播種せずに使用する場合とが想定される。
播種する細胞の種類は特に限定されず、使用目的に応じて適宜選択することができる。
使用する細胞として、好ましくは、動物細胞であり、より好ましくは脊椎動物由来細胞、特に好ましくはヒト由来細胞である。脊椎動物由来細胞(特に、ヒト由来細胞)の種類は、万能細胞、体性幹細胞、前駆細胞、又は成熟細胞の何れでもよい。万能細胞としては、例えば、胚性幹(ES)細胞、生殖幹(GS)細胞、又は人工多能性幹(iPS)細胞を使用することができる。体性幹細胞としては、例えば、間葉系幹細胞(MSC)、造血幹細胞、羊膜細胞、臍帯血細胞、骨髄由来細胞、心筋幹細胞、脂肪由来幹細胞、又は神経幹細胞を使用することができる。前駆細胞及び成熟細胞としては、例えば、皮膚、真皮、表皮、筋肉、心筋、神経、骨、軟骨、内皮、脳、上皮、心臓、腎臓、肝臓、膵臓、脾臓、口腔内、角膜、骨髄、臍帯血、羊膜、又は毛に由来する細胞を使用することができる。ヒト由来細胞としては、例えば、ES細胞、iPS細胞、MSC、軟骨細胞、骨芽細胞、骨芽前駆細胞、間充織細胞、筋芽細胞、心筋細胞、心筋芽細胞、神経細胞、肝細胞、ベータ細胞、線維芽細胞、角膜内皮細胞、血管内皮細胞、角膜上皮細胞、羊膜細胞、臍帯血細胞、骨髄由来細胞、又は造血幹細胞を使用することができる。また、細胞の由来は、自家細胞又は他家細胞の何れでも構わない。
<11>本発明の方法で製造されるゼラチン成形体の用途
本発明によるゼラチン成形体の製造方法で製造されるゼラチン成形体の用途は特に限定されないが、好ましくは再生医療用足場材又は組織修復材である。ゼラチン成形体の用途については本明細書中において後記する。
[2]ゼラチン成形体
本発明はさらに、上記[1]に記載した本発明によるゼラチン成形体の製造方法により製造されるゼラチン成形体を提供する。
本発明のゼラチン成形体は、高い造形精度で製造することができる。
本発明のゼラチン成形体の用途は、特に限定されないが、例えば、再生医療用足場材、再生医療等製品(体外で組織培養するもの)、又は組織修復材として使用することができ、好ましくは、再生医療用足場材、又は組織修復材として使用することができ、特に好ましくは骨再生用組織修復材として使用することができる。
本発明における組織修復材とは、生体内に埋植されることにより、この埋植された部位における組織の形成に寄与する材料のことであり、細胞を含んでいても含んでいなくてもよい。また、増殖因子や薬剤のような生体の反応を促す成分を含んでいても含んでいなくてもよい。さらに、本発明のゼラチン成形体は、ハイドロキシアパタイト等の無機材料と混合して使用してもよいし、上記無機材料とのコンポジットとして使用してもよい。本発明における組織修復材とは、埋植部位に通常存在する正常組織の形成に寄与するものだけではなく、瘢痕組織等を含む非正常組織の形成を促進する材料も包含するものである。
組織修復材の具体例としては、特に限定されないが、軟骨、半月板、皮膚又は骨の修復材を挙げることができる。即ち、本発明のゼラチン成形体は、軟骨、半月板、皮膚又は骨の再生のための治療剤として使用することができる。上記した再生が必要である限り、疾患は限定されるものではないが、一例として、軟骨欠損を伴う疾患としては、変形性関節症、骨軟骨欠損、離断性骨軟骨炎、外傷性軟骨損傷、骨関節炎、再発性多発軟骨炎、軟骨無形成症、椎間板損傷、椎間板ヘルニア等を挙げることができる。
本発明のゼラチン成形体は、移植細胞や骨誘導薬剤と併用することによっても骨再生治療剤として用いることもできる。骨誘導薬剤としては、例えばBMP(骨形成因子)やbFGF(塩基性線維芽細胞増殖因子)が挙げられるが、特に限定はされない。
本発明のゼラチン成形体は、組織修復材として使用できることから、組織の修復方法や、組織の損傷を伴う疾患等の治療方法も本発明に包含される。本発明における組織の修復方法は、対象組織が欠損又は損傷した部位に、ゼラチン成形体である組織修復材を適用することを含み、必要に応じて他の工程を含んでいてもよい。他の工程としては、例えば、移植細胞及び/又は骨誘導剤を組織修復材の適用の前後、又は同時に組織修復材を適用する部位へ適用することが挙げられる。
対象組織が欠損又は損傷した部位に、ゼラチン成形体を適用する方法としては、切開、注射、関節鏡、内視鏡などが使用可能である。
本発明のゼラチン成形体の空隙率は、特に限定されず、一般的には10〜90%であるが、好ましくは10〜70%であり、より好ましくは20〜40%であり、さらに好ましくは25〜35%である。空隙率は、ゼラチン成形体について、マイクロフォーカスCT解析を行い、厚み方向で上中下の位置で、それぞれ2点、合計6点の場所に関して、充填率を測定し、測定した充填率から、下記の式により求めることができる。
空隙率=100%−充填率
本発明のゼラチン成形体は、外部空間と連通している孔を有していることが好ましい。上記孔を有するゼラチン成形体を生体に移植した場合、細胞がゼラチン成形体の内部に入り易くなる。外部空間と連通している孔は、成形体の内部を貫通し、孔の両端において外部空間と連通していることがより好ましい。
外部空間と連通している孔の代表直径は、特に限定されないが、好ましくは300μm〜2000μmである。代表直径の定義及び測定方法は以下の通りである。
成形体の外縁部から内部にのびた孔に対して、垂直の断面をとり、その形状が円で近似できる場合は直径、楕円で近似するのが適切な場合は、短辺とする。四角形状の場合も、短いほうの一辺の長さとする。実際の孔は、孔の奥行き方向で揺らぎがあるが、揺らぎが比較的小さい場合は、成形体の外縁部に見える孔の大きさで代表する。設計的に孔径を変えている場合は、最小のところの径を代表直径とする。孔が行き止まりとなっている場合は、行き止まりから100mまでは測定しない。
奥行き行き方向に揺らぎが大きい場合、くびれのあるところの径を測定し代表直径とする。
成形体の外縁部を測定する場合は、測定可能な顕微鏡で測定する。 内部を測定する場合は、成形体を歪ませないよう、ミクロトームなどで切片をきりだし、孔径を顕微鏡で測定する。 マイクロフォーカスCTの断面データから測定しても良い。その場合は、マイクロフォーカスCTの断面データの長さの絶対精度は低いので、成形体の全長の長さ、目印のある付近を顕微鏡で測定してデータなどを参照して、孔径を求める。
外部空間と連通している孔とは、孔が、成形体の一か所の表面から成形体の内部の空間に形成されていることを示す。即ち、孔の内部の空間が、外部空間と連通することになる。
「外部空間と連通している孔が、成形体の内部を貫通し、孔の両端において外部空間と連通している」とは、孔が、成形体のある箇所の表面から成形体の内部の空間に形成され、さらに成形体の別の箇所の表面を通じて外部空間と連通していることを示す。
以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
[リコンビナントゼラチン]
リコンビナントゼラチンとして以下のCBE3を用意した(国際公開WO2008/103041号公報に記載)。
CBE3:分子量:51.6kD構造: GAP[(GXY)633Gアミノ酸数:571個
RGD配列:12個イミノ酸含量:33%ほぼ100%のアミノ酸がGXYの繰り返し構造である。CBE3のアミノ酸配列には、セリン、スレオニン、アスパラギン、チロシン及びシステインは含まれていない。CBE3はERGD配列を有している。
等電点:9.34
GRAVY値:−0.682
1/IOB値:0.323アミノ酸配列(配列表の配列番号1)(国際公開WO2008/103041号公報の配列番号3と同じ。但し末尾のXは「P」に修正)
GAP(GAPGLQGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPIGPPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPIGPPGPAGAPGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPP)3G
[実施例における平均粒子径の測定方法]
ゼラチン粉末を、レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置LA920(HORIBA)を用いて粒子径分布を測定した。なお、具体的な手順としては、分散溶媒として無水特級エタノール(和光純薬)をサンプル容器に満たし、超音波をかけながらこの中に測定したいゼラチン粉末を少しずつ加えて分散し、所定の光透過率の範囲になったら測定を開始した。得られた粒子径分布データから、メジアン径を読み取り、この値を平均粒径とした。
(1)ゼラチン粉末の製造
・風乾したゼラチン粉末
上記リコンビナントゼラチンを注射用水中に50℃で溶解し、20質量%水溶液を得た。同溶液を減圧下で脱泡したのち、12.5×8.5cmのポリプロピレン製トレイ中に14mLずつ分注し、室温下で72時間乾燥させた。得られた乾燥膜を約2cm角に裁断した。次いで、上記で得られたゼラチン風乾固体は、先ず一段目の粉砕として、高速回転型ミルの一種であるクアドロコーミルU5(パウレック)を用いて1mm以下に粉砕した後、高速回転型インペラーミルであるドライバーストミニ(スギノマシン)を用いて、数十μmレベルの所望の平均粒子径になるように粉砕した。
・凍結乾燥したゼラチン粉末
上記リコンビナントゼラチンを注射用水中に50℃で溶解し、4質量%水溶液を得た。同溶液を減圧下で脱泡したのち、内径4.5cmのポリ(テトラフルオロエチレン)製トレイ中に8mLずつ分注し、均一に凍結させた後、−20℃下で72時間凍結乾燥させた。得られた乾燥体をおよそ1cm角に裁断した。次いで、上記で得られたゼラチン風乾固体は、先ず一段目の粉砕として、高速回転型ミルの一種であるクアドロコーミルU5(パウレック)を用いて1mm以下に粉砕した後、高速回転型インペラーミルであるドライバーストミニ(スギノマシン)を用いて、数十μmレベルの所望の平均粒子径になるように粉砕した。
(2)吐出液(インク)
吐出液としては、水、又はエタノール水溶液(50質量%の水及び50質量%のエタノール)を使用した。
(3)成形体の製造(風乾した粉末と凍結乾燥した粉末との比較)
上記の(1)で製造したゼラチン粉末を、富士フイルム、ダイマティックス社製のダイマティックス・マテリアル・プリンター(DMP-2831機)に導入し、液滴吐出量は約10pL、ノズルは5本、吐出周波数は4kHzとして、ヘッド主走査方向に、4mmの成形体を製造した。ヘッドを吐出しながら走査移動する方向をヘッド主走査方向とし、ヘッド主走査方向と垂直で、吐出せずに移動走査する方向をヘッド副走査方向とする。ゼラチン粉末の積層ピッチは10μmとした。 ※図のX方向とヘッド主走査方向は同じである。上記の成形体の作製においては、ゼラチン粉末を含有する層を基板上に形成する工程と、吐出液をノズル部から液滴状態で吐出させて、ゼラチン粉末を含有する層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程とを反復することにより、所定の大きさの成形体が製造される。
風乾したゼラチン粉末を使用して製造した成形体を図1に示し、凍結乾燥したゼラチン粉末を使用して製造した成形体を図2に示す。図1に示す成形体では、垂直方向(Z方向)において、粉末の表面より、ほとんど低くなっていない。また、平面の一方向(X方向)に約20%縮小している。図2に示す成形体では、容器の底が見えるほど、粉末の表面より、膜全体が約500μmほど低くなっている。また、平面の一方向(X方向)にも半分ほどに(約50%)縮小している。
(4)粉末の平均粒子径及び水溶液組成と、膜厚及び収縮率との関係についての評価
ゼラチン粒子として、魚ゼラチン粒子(魚から作られたゼラチンを用いてCBE3の場合と同様に粒子としたもの)(リコンビナントゼラチン模擬粒子)を使用した。平均粒子径が21μm、54μm又は68μmの魚ゼラチンと、吐出液として水、又はエタノール水溶液(50質量%の水及び50質量%のエタノール)とを用いて、富士フイルム、ダイマティックス社製のダイマティックス・マテリアル・プリンター(DMP-2831機)を使用して、液滴吐出量は約10pL、ノズルは5本、吐出周波数は4kHzとして、ヘッド主走査方向に、図3に示す各種膜厚の成形体を作製し、収縮率を測定した。
成形体の膜厚は、膜の断面方向を顕微鏡により、5点以上の平均をとり測定した。
収縮率は、膜形成直後に、膜のX方向のエッジからエッジまでの距離と、着弾した跡がのこるエッジからエッジまでを顕微鏡にて測定した。
膜厚と収縮率の関係を図3に示す。図3において、A〜Eは以下を示す。
A:平均粒子径が68μmの魚ゼラチン粒子、吐出液はエタノール水溶液(50質量%の水及び50質量%のエタノール)
B:平均粒子径が68μmの魚ゼラチン粒子、吐出液は水
C:平均粒子径が54μmの魚ゼラチン粒子、吐出液は水
D:平均粒子径が21μmの魚ゼラチン粒子、吐出液は水
E:市販のデンプン(ZP12e、Zコーポレーション製)、吐出液は水
平均粒子径が21μmの粒子を使用した場合には、収縮率が悪化する(大きくなる)ことが分かる。また、平均粒子径が54μm又は68μmの粒子を使用して場合であっても吐出液として水を使用した場合には、膜厚の増大とともに収縮率が悪化することが分かる。一方、平均粒子径が54μm又は68μmの粒子と、エタノール水溶液とを組み合わせた場合には、膜厚が増大しても収縮率の増大は抑制され、良好な結果が得られた。
(5)リコート性の評価
平均粒子径が21μm、54μm又は68μmのリコンビナントゼラチン模擬粒子を用いて、リコート性を評価した。具体的には、粉末流動性試験機(パウダーフローテスター、Brookfield社製)を用い、圧密応力(σ1)と不圧降伏応力(σc)の比率により定まる流動性指数(σ1/σc)が4以上のものをリコート性が良好と評価した。
リコート性の評価の結果を以下の表1に示す。
(6)吐出液による積層時のずれの評価
平均粒子径が48μmのCBE3粒子を使用し、吐出液としては水、又はエタノール水溶液を用いて、Z−Printer310plus(3D Systems Corporation(旧 Z Corporation))を用いてゼラチン成形体を製造した。製造したゼラチン成形体を図4に示す。
吐出液として水を使用した場合には、積層の際に層のずれが生じているが、吐出液としてエタノール水溶液を使用した場合には、層のずれは生じていない。
(7)空隙を有する成形体の製造
平均粒子径が48μmのCBE3粒子と、吐出液としてエタノール水溶液(50質量%の水及び50質量%のエタノール)とを用いて、Z−Printer310plus(3D Systems Corporation(旧 Z Corporation))を用いて、空隙を有する成形体を製造した。積層ピッチは100μmとした。
3D(三次元)設計図と、製造した成形体の写真を、図5及び図6に示す。
(8)骨再生の評価試験
(8−1)CBE3凍結乾燥スポンジの作製
上記の(1)ゼラチン粉末の製造における「凍結乾燥したゼラチン粉末」の記載で得られた凍結乾燥したゼラチン粉末の上下を切除し、厚み1.5mmの多孔質体を得た。これを窒素雰囲気下、135℃で28時間加熱し、埋植評価用のスポンジとした。
(8−2)CBE3成形体(孔なし)(熱架橋28時間:3時間後での酸残存率は78%)及びCBE3成形体(孔あり)(熱架橋28時間、3時間での酸残存率は82%)の作製
図5に示すような直径4.3mm、厚み1.7mm程度のCBE3成形体(孔なし)とCBE3成形体(孔あり)を作製した。
(8−3)骨再生の評価
CBE3凍結乾燥スポンジ(熱架橋28時間:3時間での酸残存率は95%)、CBE3成形体(孔なし)(熱架橋28時間:3時間後での酸残存率は78%)、及びCBE3成形体(孔あり)(熱架橋28時間、3時間での酸残存率は82%)を用いて、骨再生の評価試験を行った。
CBE3凍結乾燥スポンジ、CBE3積層成形体(孔なし)又はCBE3積層成形体(孔あり)をラットに移植し、4週間経過したあとにマイクロCT(コンピューター断層撮影法:Computed Tomography)解析及び病理解析を行った。
スポンジ又は成形物の移植は、際公開WO2011/027850号公報の実施例1の記載に準じて以下の通り行った。実験動物としては、SD(Sprague-Dawley)ラット(雄、10-12週齢、0.3-0.5kg)を用いた。ペントバルビタール(ネンブタール(登録商標)、大日本住友製薬)0.8ml/kgを腹腔内に投与することにより麻酔した。ラットの頭頂骨を露出し、直径5 mmの円形の骨欠損部を作製した。上記のスポンジ又は成形体約10mgを作製した骨欠損部へ充填した後、皮膚を縫合した。
マイクロCT解析の結果を図7に示す。図7のA〜Dは下記を示す。
A:コントロール(欠損のみ)
B:CBE3凍結乾燥スポンジ(熱架橋28時間、3時間での酸残存率95%)
C:CBE3積層成形体(孔なし)(熱架橋28時間、3時間での酸残存率78%)
D:CBE3積層成形体(孔あり)(熱架橋28時間、3時間での酸残存率82%)
マイクロCT解析において、コントロール(欠損のみ)とCBE3凍結乾燥スポンジを移植した場合には、移植した外周部からの骨再生は見られるが、CBE3粉末積層物の外周部から伸びたような骨再生や、移植物内部の骨再生は見られない。 上記の結果から、CBE3粉末積層物の優位性が示された。
(病理標本の作製)
試験期間終了後、放血死させたラットより頭部を回収し、皮膚、眼球、脳等の軟組織を除去したのち塩酸脱灰液中で脱灰した。得られた脱灰標本より埋植部をトリミングし、パラフィン包埋した。同包埋標本からミクロトームにより5μm厚の切片を切出し、ヘマトキシリン&エオジン染色を行った。
病理解析の結果を図8〜図10に示す。赤紫色に染色されたCBE3粒子間に軟組織の侵入が認められ、成形体の良好な連通性を示している。また、軟組織中に多数の管腔構造が認められ、良好な血管侵入を示している。病理解析においても、移植したCBE3粉末積層物の内部において骨再生が確認できる。 再生した形成骨表面の細胞が肥厚しており、骨造成が活性化している様子も認められた。
(9)空隙率の測定
上記(8)の骨再生の評価試験で使用したゼラチン成形体の充填率を以下の通り測定した。
直径20mm及び厚み3mmのディスクのCBE3粉末積層物(ゼラチン成形体)について、マイクロフォーカスCT解析を行い、厚み方向で上中下の位置で、それぞれ2点、合計6点の場所に関して(図11)、充填率を測定した。充填率の測定結果を図12〜図14に示す。測定した充填率から、下記の式により空隙率を求めることができる。
空隙率=100%−充填率
ゼラチン成形体の空隙率は約30%であった。
凍結乾燥スポンジでは、空隙率は、より高くなる。通常、空隙率が高い方が、細胞が成形体の内部まで入り込み易く、評価結果は高くなることが想定される。しかし、本発明の方法で製造したゼラチン成形体は、低い空隙率でも評価結果が優れていた。
二次元の場合、パスのもとになるドット(図15の場合は着色ドット)が50%〜60%以上になると、縦方向でも横方向でもパスが生じることが、数理的なパーコレーション理論として検討されている。
三次元の場合、約30%でパスができる。
CBE3粉末を積層した成形体では、マイクロCT解析において、空隙率が30%で、100μm径程度の孔が立体的に結ばれた連通孔構造になっていることを確認している(図16)。これが、ラット試験で、孔を有さない成形体を用いた場合でも細胞が浸透した原因であると考えられる。この空隙は、CBE3粒子の付着力と質量とのバランスによって決まるかさ密度によるものと考えられている。
参考例1:
水(見やすくするため微量に着色した)又は50質量%エタノール水溶液の液滴をゼラチン粉末に着弾させた。液滴落下直後と、液滴の着弾2分後の様子を図20に示す。
水の場合、2分後でも、1時間経過しても浸透は観察されない。1時間くらい経過すると、ゼラチン粉末から溶解したゼラチンが水滴の中に入り、ゼラチン粉末の表面の上でつまめるゼリー状になった。
50質量%エタノール水溶液の場合は、液滴着弾後1秒以内に浸透した。浸透は極端に早い。
参考例2:
吐出液(インク)として純水を使用し、粉末として魚ゼラチン粉末(平均粒子径54μm)を使用して、Z−Printer310plusにより、以下の条件で成形体を作製した。
塗布量:ドットピッチはヘッドノズルピッチの300dpiと推定。ノズルは約300本。
Zピッチ:100μmと推定。
パターン:40mm(X:主走査)×30mm(Y:副走査)×5mm(積層)
作製結果を図21に示す。
50層中の最初の5層は大きな液滴ができるだけで構造化されなかった。50層中の最初の15層くらいはリコートにより、大きくずれた。粉中にアンカー的な下層が形成されると、比較的きれいに描画・積層されるが、ローラー走査方向に、小さいズレが積み重なっていた。成形体は、持ち上げられる程度の強度を有していたが、少し触ると崩れ始めた。

Claims (20)

  1. ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を基板上に形成する工程a;及び工程aで形成した層に対して、沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、前記液滴を前記工程aで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を形成する工程b;
    を含むゼラチン成形体の製造方法。
  2. 前記工程aにおけるゼラチンが動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンである、請求項1に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  3. 前記工程bにおける沸点120℃以下のアルコール類がエタノールである、請求項1又は2に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  4. 前記工程bの後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、前記液滴を前記工程cで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d;
    をさらに含む、請求項1から3の何れか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  5. 前記工程cにおけるゼラチンが動物ゼラチン又はリコンビナントゼラチンである、請求項4に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  6. 前記工程dにおける沸点120℃以下のアルコール類がエタノールである、請求項4又は5に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  7. 工程bにおいて、製造されたゼラチン成形体が、前記基板に接触している、請求項1から6の何れか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  8. 工程bにおいて、製造されたゼラチン成形体が、前記基板に接触しており、
    前記工程bの後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程aで形成した層及び工程bで形成したゼラチン成形体の上に形成する工程c1;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、前記液滴を前記工程c1で形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程d1を含み、
    前記工程d1において、前記液滴は、工程bで形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域に着弾され、
    前記工程d1の後に、ゼラチン水溶液を風乾させることを経た粒子の平均粒子径が25〜200μmの粉末を含有する層を、工程c1で形成した層及び工程d1で形成したゼラチン成形体の上に形成する工程e;及び沸点120℃以下のアルコール類を含有する水溶液の液滴をノズル部から吐出し飛翔させ、前記液滴を上記工程eで形成した層に対して着弾させることによりゼラチン成形体を製造する工程fを含み、前記工程fにおいて、前記液滴は、工程d1で形成したゼラチン成形体の上面の外周領域に対応する領域、並びに工程d1で形成したゼラチン成形体で囲まれる領域の内部の領域に着弾される、
    請求項1から3の何れか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  9. ゼラチン成形体の形成に使用されなかった粉末を除去する工程gをさらに含む、請求項1から8のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  10. 前記工程gの後、成形体を加熱することにより成形体を硬化させる工程hを含む、請求項9に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  11. 成形体を1時間から72時間加熱する、請求項10に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  12. 前記ゼラチン成形体を支持体で包む工程iをさらに含む、請求項1から11の何れか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  13. 前記ゼラチン成形体に細胞を播種する工程jをさらに含む、請求項1から12の何れか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  14. ゼラチン成形体が、再生医療用足場材又は組織修復材である、請求項1から13のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法。
  15. ゼラチン成形体が、骨再生用組織修復材である、請求項1から14のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法
  16. ゼラチン成形体の空隙率が20〜40%である、請求項1から15のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法
  17. ゼラチン成形体が、外部空間と連通している孔を有している、請求項1から16のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法
  18. 外部空間と連通している孔が、成形体の内部を貫通し、孔の両端において外部空間と連通している、請求項17に記載のゼラチン成形体の製造方法
  19. 外部空間と連通している孔の代表直径が300μm〜2000μmである、請求項17又は18に記載のゼラチン成形体の製造方法
  20. ゼラチン成形体の表面が支持体で包まれている請求項1から19のいずれか一項に記載のゼラチン成形体の製造方法
JP2018521750A 2016-06-08 2017-06-07 ゼラチン成形体の製造方法及びゼラチン成形体 Active JP6637598B2 (ja)

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