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
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
%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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
空隙率=100%−充填率
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)63]3G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
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。
・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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
(8−1)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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