JP7023717B2 - 半透膜及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[2] 前記半透膜を通して負圧3±0.2kPaで水を吸引したとき、水の透過量が1,000L/(m2・時)以上で表される、[1]の半透膜。
[3] 前記半透膜と血清とを接触させたとき、前記半透膜による、血清中の補体価(CH50)の減少が25%以下である、[1]又は[2]の半透膜。
[4] 前記半透膜と血清とを接触させたとき、前記半透膜による、血清中の補体の活性の増加が30%以下であり、
前記活性の増加は、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8及びC9の内、一以上の補体の量、前記補体が分解されて生じたタンパク質の量、並びに前記補体の複合体の内、一以上のものの測定の量に基づき、算出されたものである、[1]~[3]のいずれかの半透膜。
[5] 厚さが50μm以上、200μm以下である、[1]~[4]のいずれかの半透膜。
[6] 少なくとも一面の平均孔径が0.1μm以上、3μm以下である、[1]~[5]のいずれかの半透膜。
[7] 前記樹脂はエチレン-ビニルアルコール系共重合体であり、前記半透膜は前記エチレン-ビニルアルコール系共重合体を50質量%以上含有する、[1]~[6]のいずれかの半透膜。
[8] 細胞を外部環境から隔離するための、[1]~[7]のいずれかの半透膜。
[9] [1]~[8]のいずれかの半透膜からなる、バッグ。
[10] 質量比が、樹脂7.5質量%~25質量%、溶媒55質量%~87.5質量%、及び添加剤5質量%~20質量%の範囲となるように各成分を混合して製膜原液を得る、半透膜の製造方法であって、前記樹脂は、エチレン-ビニルアルコール系共重合体、ポリスルホン系重合体、ポリアクリロニトリル系重合体、セルロース系重合体、ポリアミド系重合体、及びポリカーボネート系重合体の少なくともいずれか一つであり、前記添加剤は、水溶性高分子である、半透膜の製造方法。
[11] 前記各成分を、50℃~120℃の範囲で加温溶解することで、前記製膜原液を得て、前記製膜原液を20℃~95℃に保持して、次いで20℃~80℃の温度で前記製膜原液を凝固させる、[10]の半透膜の製造方法。
[12] 前記製膜原液の凝固が凝固浴で行われる、[11]の半透膜の製造方法。
本発明に係る半透膜は、例えば、少なくとも一種類以上の樹脂を溶媒に溶解させ、溶解した樹脂を凝固させることで作製することができる。かかる樹脂は特に限定されるものではない。かかる樹脂として、例えば、エチレン-ビニルアルコール系共重合体、ポリスルホン系重合体、ポリアクリロニトリル系重合体、酢酸セルロースなどのセルロース系重合体、ポリアミド系重合体、ポリカーボネート系重合体などの樹脂を用いることができる。これらの樹脂の重量平均分子量は1万以上であることが好ましい。
本発明に係る半透膜の厚さは50μm以上、200μm以下であることが好ましい。厚さが50μm以上であることで、半透膜の強度を高めることができる。厚さが200μm以下であることで、アルブミンなどのタンパク質の透過率や、水の透過量を所望の範囲に調整しやすい半透膜を提供することができる。
本発明に係る半透膜は、微小な孔が複数設けられている多孔膜である。かかる孔の平均孔径は0.1μm以上、3μm以下であることが好ましく、0.3μm以上、3μm以下であることがさらに好ましく、0.5μm以上、2μm以下であることがより好ましい。平均孔径がかかる下限を有することで、タンパク質の透過率や、水の透過量を高めることができる。また平均孔径がかかる上限を有することで、外部細胞等の透過を抑制することができる。また、半透膜において、各孔の孔径は所定の分布を有する。このとき、外部細胞等の透過を防止するために、半透膜表面に孔径が20μm以上の孔が無いことが好ましい。
本発明に係る半透膜の製膜方法に特に制限は無い。例えば、公知の方法で無孔膜を作製するとともに、かかる無孔膜に対してドリル加工により孔を開けることで半透膜を得ることができる。また、例えば以下の方法で半透膜を製造することもできる。
30℃における製膜原液の粘度は1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下であることが好ましく、1,000mPa・s以上10,000mPa・s以下であることがより好ましい。
製膜原液の30℃における粘度は、BL型粘度計又はBH型粘度計を用いて、ロータ回転数6rpm、温度30℃の条件で測定できる。
製膜原液を構成する溶媒は、製膜に用いる樹脂の良溶媒であれば、特に限定されない。例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)等、あるいはこれらを成分とする混合溶媒を挙げることができる。製膜性や毒性が低いという観点から、なかでもジメチルスルホキシド(DMSO)が好ましい。
製膜原液を構成する添加剤は、水溶性高分子であることが好ましい。例えば、一般的に界面活性剤と呼ばれるものを添加剤として使用できる。界面活性剤は高分子界面活性剤であることが好ましい。添加剤の種類や量を調整することで、半透膜の孔の平均孔径を調節することができる。また、製膜原液の粘度を調整することができる。また、製膜原液の相分離温度(LST、Land Surface Temperature)を調整することができる。
本発明に係る半透膜は樹脂を含有する。半透膜の表面は血清中の補体を活性化しにくいことが好ましい。半透膜の表面が補体を活性化しにくいことは以下の評価方法に基づき表される。
半透膜と新鮮ヒト血清とを接触させる。この時、血清補体価(CH50)の減少率が25%以下であれば、半透膜の表面は補体を活性化しにくいと評価される。血清補体価は、活性化を受けることなく残存している補体C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8及びC9の総量に比例する。血清補体価に基づき補体の活性化の度合いを評価することができる。
血液中の補体は通常、不活性な酵素前駆体として存在する。酵素前駆体は体内に侵入した異物により刺激を受けることで活性化する。酵素前駆体は活性化により部分的に分解され、部分分解物を生成する。部分分解物は脱離するか又は複合体を形成する。したがって、半透膜が異物として振る舞う場合には、半透膜の表面が補体を活性化する。以下の評価方法により評価できる。
まず所定の大きさの半透膜を所定量の新鮮ヒト血清に浸漬する。半透膜の表面積1cm2当たり血清の体積を1mLとする。ここで孔により生じた膜内部の表面積は無視してもよい。以下同様である。半透膜と血清とを撹拌しながら37℃で90分間インキュベートする。インキュベート用の容器の内面は予めアルブミンでブロッキングしておくことが好ましい。リファレンスとして半透膜を浸漬させない新鮮ヒト血清(陰性コントロール)も用意する。また半透膜に換えて所定量のザイモザンを添加した新鮮ヒト血清(陽性コントロール)も用意する。これらを撹拌しながら37℃で90分間インキュベートする。
本発明に係る半透膜の表面はタンパク質を吸着しにくいことが好ましい。半透膜の表面がタンパク質を吸着しにくいことは、以下のアルブミンを用いた評価方法に基づき評価することができる。
本発明に係る半透膜の透水性は高い。半透膜の透水性は、半透膜を通して負圧3±0.2kPaで25℃の蒸留水を吸引したときの、半透膜の単位面積当たり及び単位時間当たりの水の透過量{L/(m2・時)}により評価する。かかる水の透過量が1,000{L/(m2・時)}以上であれば半透膜の透水性が高いと評価する。かかる水の透過量は2000{L/(m2・時)}以上であることが好ましい。またかかる水の透過量は、好ましくは20,000{L/(m2・時)}以下、さらに好ましくは15,000{L/(m2・時)}以下、特に好ましくは10,000{L/(m2・時)}以下である。
本発明に係る半透膜のアルブミンの透過率は30%以上、好ましくは40%以上、さらに好ましくは50%以上である。また半透膜のアルブミンの透過率は好ましくは90%以下、さらに好ましくは80%以下である。本実施形態ではアルブミンの透過率を半透膜の物質透過性の指標として用いる。これにより、アルブミン以外の各種タンパク質の透過性も間接的に評価できる。またグルタミン等の各種アミノ酸、グルコース、ホルモン、ビタミン等の透過性も間接的に評価できる。これらの物質は、本発明の半透膜を透過することが望ましい。アルブミンの透過率は次の方法で測定できる。
本発明に係る半透膜は細胞を外部環境から隔離するために用いることができる。図1は本発明に係る半透膜10で形成されたバッグの一態様を示す。バッグ中に細胞を固定するための基材11および所望の細胞12が入れられている。細胞12はバッグによって密閉されている。ここで、バッグとは、半透膜により閉じられた領域が設けられた部材である。バッグは、例えば、[物質(アルブミン)の透過性]の欄で述べた方法で作製できる。また、複数枚の半透膜を用いてバッグを作製しても良い。
発明者らは従来の体内埋め込み式のバイオ人工臓器に以下の課題があることを見出した。すなわち細胞を封入したバッグ及びバッグに封入された細胞をバイオ人工臓器として生体内に移植するとバッグ表面に生体中のタンパク質が付着する。また、そのタンパク質を足場として細胞が接着し、バッグ表面に細胞の層が形成される。このためバッグの物質透過性が低下する。物質透過性の低下によりバッグ内の細胞が分泌する物質の放出が抑制されるだけでなく、バッグ内の細胞が外部環境から十分な栄養分を受けられなくなる。このためバイオ人工臓器の機能を長期間維持することは難しい。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
各実施例及び比較例において、以下に示す実施例1の方法を基本として半透膜を作製する。製膜原液の組成及び凝固液の組成を変えることで 、孔径及び内部構造の異なる半透膜(多孔膜)を得ることができる。各実施例及び比較例において、実施例1から変更する点は後述する。
2.熱風乾燥機を調整することで、製膜原液の温度を80℃に調整した。
3.成形器具としてガラス板を用いた。ホットプレート上にガラス板を設置し、ガラス板の表面が30℃になるようにホットプレートの温度を調節した。製膜時の厚み調整のため、ガラス板の一方端と他方端にテープを貼った。
4.ガラス板の一方端に80℃の製膜原液を垂らした。ガラス板上の製膜原液をガラス棒で均一に引き伸ばした。
5.大気中、室温(25℃)環境下で1分間放置した。
6.製膜原液が塗布されたガラス板を30℃の温水が入った凝固浴に浸漬した。
7.製膜原液のうち添加剤及び溶媒が凝固浴中に拡散し、さらに樹脂成分が凝固することで半透膜が生じた。浸漬開始から10分後、水中にてガラス板から半透膜を剥がした。
8.水中にて半透膜を二枚の四角形の金枠で挟み、さらに、それぞれの辺で二箇所ずつ固定することで、半透膜の四辺を固定した。
9.浸漬開始から15分後、半透膜を30℃の温水に移し、一晩水に浸漬した。
10.半透膜を水から取り出した。半透膜をアセトン及び水の混合液に移した。アセトン及び水の体積比は8/2で、温度は25℃であった。半透膜を15分間、当該混合液に浸漬した。
11.半透膜を混合液から取り出した。半透膜をアセトンに移し、15分間25℃のアセトンに浸漬した。
12.半透膜をアセトンから取り出し、大気中、室温(25℃)環境下で1時間静置した。
13.半透膜を40℃に設定した乾燥機中で一時間乾燥することで、長辺150mm×短辺120mm×厚み100μmの半透膜を得た。
実施例3においては、上記6.に示す凝固浴の温度を60℃に変更した。
実施例4においては、上記1.に示すEVOH-1、DMSO及びPEOの質量の比を20:12:68に変更した。
実施例5においては、上記1.に示すEVOH-1、DMSO及びPEOの質量の比を10:7.5:82.5に変更した。
実施例6においては、上記1.に示す添加剤をポリエチレングリコール(PEG、分子量約20,000)に変更した。
実施例7においては、上記1.に示すEVOH-1をエチレン-ビニルアルコール系共重合体(株式会社クラレ製、クラレエバール(登録商標)F101B、エチレン構造単位の含有率32モル%、けん化度98モル%、本明細書においてEVOH-2)に変更した。また、各組成を表1のように変更した。
実施例8においては、上記1.に示すEVOH-1をポリスルホン系重合体(PS)(アモコ社製、UDEL P-1700)に変更し、添加剤をポリエチレンオキサイド(PEO、分子量60,000)に変更し、溶媒をジメチルアセトアミド(DMAc)に変更した。また、各組成を表1のように変更した。
実施例9においては、上記1.に示すEVOH-1をエチレン-ビニルアルコール系共重合体(エチレン構造単位の含有率9モル%、けん化度98モル%、本明細書においてEVOH-3)に変更した。また、各組成を表1のように変更した。
比較例2においては、上記1.に示すEVOH-1、DMSO及びPEOの質量の比を10:20:30に変更した。
比較例3においては、特開2001-314736号公報の実施例3に準拠して半透膜を作製した。すなわち、上記1.に示す添加剤を水および塩化リチウムに変更した。また、各組成を表1のように変更した。
比較例4においては、特開2001-314736号公報の実施例4に準拠して半透膜を作製した。すなわち、上記1.に示すEVOH-1をポリスルホン系重合体(PS)(アモコ社製、UDEL P-1700)に変更し、添加剤をポリエチレングリコール(PEG、分子量600)およびポリビニルピロリドン(PVP)(BASF社製、K-90)に変更し、溶媒をジメチルアセトアミド(DMAc)に変更した。また、各組成を表1のように変更した。
比較例5においては、上記3.の操作で厚み調整用のテープの高さを調整し、厚みが300μmである半透膜を得た。
血清補体価(CH50)の測定は市販の測定試薬を用いて行うことができる。測定試薬としては例えば、和光純薬株式会社の補体価-HAテストワコー及び日本ビーシージー製造株式会社の免疫比濁テストCH50オート(KW)がある。
個別の補体の活性の測定は、BD Biosciences社のHuman OPtEIA ELISA Set C3a(Cat.No 550499)を用いて行った。かかる測定では、測定対象となるのは、補体から脱離するタンパク質C3aとなる。C3aは補体系の活性化の開始の指標として有効に利用できる。
2.個片化した半透膜を25℃のエタノールに30分以上浸漬し、半透膜の孔内の気泡を追い出した。次いでPBS(-)で洗浄した。PBS(-)の用語はマグネシウム及びカルシウムの含まれていないPBS(リン酸緩衝生理食塩水)を表す。
3.試験管に個片化した半透膜と、新鮮ヒト血清を2.0mL入れた。半透膜と血清との比(半透膜の表面積/血清の体積)は1(cm2/mL)とした(厚み部分の面積は微小のため無視している)。なお、試験管の内面はあらかじめアルブミンでブロッキングして使用した。
4.陰性コントロール用に、個片化した半透膜を入れていない新鮮ヒト血清を同様に試験管に入れた。陽性コントロール用に、個片化した半透膜を入れていないが20mgのザイモザン(SIGMA製 Z4350-1G)を添加した新鮮ヒト血清を試験管に入れた。これらの試験管を撹拌しながら加温して90分間37℃でインキュベートした。
5.試験管から個片化した半透膜を引き上げた。各血清中の補体の活性を測定した。測定はBD Bioscience社の品番550499のELISAキットを使用して行った。同キットに付属のプロトコルに従い測定を行った。
6.活性化率を以下の式により求めた。実施例および比較例に係る個片化した半透膜を入れた新鮮ヒト血清中の補体の活性の値(C3aの質量)をXnとした。陰性コントロールの活性の値をXminとした。陽性コントロールの活性の値をXmaxとした。活性化率は以下の式で算出できる。
1.各実施例及び比較例に係る半透膜を切断して、厚みはそのままで10mm×10mmの大きさに個片化した。個片化した半透膜を25℃のエタノールに30分以上浸漬した。次いでPBS(-)で洗浄した。
2.個片化した膜をヒトアルブミン(SIGMA製 A1653-10G)溶液に浸漬した。アルブミン溶液の濃度は0.1%(1mg/mL)で、温度は30℃で、溶液の体積は2.4mLとした。浸漬は90分間行った。
3.浸漬後、溶液中から個片化した半透膜を取り出した。
4.残された溶液中のアルブミンの濃度を測定することで、個片化した半透膜へのアルブミン吸着量を算出した。測定はELISA法で行った。ELISA法による測定はHuman Albumin ELISA Quantitation Set(Bethyl Laboratories,Inc.)を用いて実施した。
実施例1~9及び比較例1、3~5に係る半透膜へのアルブミン吸着量は10μg/cm2以下であった。このため当該半透膜の表面はタンパク質を吸着しにくいと評価された。
1.各実施例及び比較例に係る半透膜を切断することで、厚みはそのままで3cm×3cmの大きさに個片化した。
2.個片化した膜を25℃のエタノールに30分以上浸漬した。
3.その後、個片化した膜を30℃の蒸留水に30分以上浸漬した。
4.上記膜を目盛付きフィルターホルダー(FILTER HOLDER:ADVANTEC製25 mm、フィルター面積3.14 cm2)に装着した。フィルターホルダーは下部部品、スペーサー、上部部品及びクリップからなる。上部部品は外枠及び半透膜の支えとして機能する部品である。下部部品の上にスペーサーを置き、スペーサーの上に半透膜、半透膜の上に上部部品を置いた。上部部品と下部部品とをクリップで挟み固定した。下部部品は、吸引瓶に接続した。
5.目盛付きフィルターホルダーの上部部品内に11mLの蒸留水を入れた。
6.目盛付きフィルターホルダーにアスピレーターを接続した後、アスピレーターを稼働し、半透膜が蒸留水と接していない下部部品側を減圧した。このときの水温は25℃、負圧の大きさは3±0.2kPaとした。
7.上部部品内の蒸留水の体積が10mLから5mLになった時間を記録した。当該時間が10分以上であった場合は、減圧開始後10分間での水の濾過量を記録した。
8.半透膜の透水性を上記負圧における、フィルターホルダーに装着された膜の実効単位面積当たり及び単位時間当たりの水の透過量{L/(m2・時)}で表す。各実施例及び比較例において、4枚の半透膜を用意し、測定を4回行った。その平均値を代表値として透水性の値とした。
1.各実施例および比較例に係る半透膜を切断することで、厚みはそのままで、短辺25mm×長辺40mmの大きさに個片化した。個片化した半透膜を25℃のエタノールに30分以上浸漬し、次いでPBS(-)で洗浄した。
2.長辺部を折り曲げ、ヒートシーラーで、もとの長辺部2辺を各々溶融接着し、もとの短辺部が解放されている袋状の部材を作製した。
3.当該部材内部に20mg/Lのヒトアルブミン溶液を200μL注入し、もとの短辺部をヒートシーラーで封じてバッグを作製した。
4.前記アルブミン溶液入りのバッグを15mLチューブ内のハンクス緩衝液10mLに浸漬し、37℃で30分間振とうした。
5.一時間後、バッグ外側のハンクス緩衝液を採取した。
6.採取したハンクス緩衝液内のアルブミン濃度をELISA法により測定した。ELISA法による測定はHuman Albumin ELISA Quantitation Set(Bethyl Laboratories,Inc.)を用いて実施した。
7.透過率を以下の式により求めた。バッグからハンクス緩衝液に移行したアルブミン透過量をXnとした。バッグに注入したアルミブミン量をXmaxとした。Xmaxはすなわち、20mg/L×200μLで、400ngである。
膜厚を膜厚計で測定し、製膜された半透膜の四隅における測定値の平均をその半透膜の膜厚とした。各実施例及び比較例の膜の膜厚を表1に示す。
半透膜の孔の孔径は半透膜の表面を観察することで測定した。半透膜の一方の表面を走査型電子顕微鏡にて倍率2,000倍で写真撮影し、撮影後、無作為に30個の孔、すなわち空隙を選択し、各空隙の直径を測定した。測定値の平均を半透膜の孔の平均孔径とした。
上述の通り、実施例に係る半透膜の表面はアルブミン、すなわちタンパク質を吸着しにくかった。したがって実施例に係る半透膜は生体適合性が良好であることが示唆された。また実施例にかかる半透膜の表面は補体を活性化しにくかった。したがって実施例に係る膜は生体内における半透膜の物質透過性の経時的な低下を抑制することが示唆された。また、アルブミンの透過率の測定から、実施例に係る半透膜は、栄養分や分泌物質を透過するのに十分な大きさの孔を有することが分かった。したがって本発明の半透膜は物質透過性に優れることが示唆された。また、本発明の半透膜は透水性にも優れていた。
Claims (12)
- 樹脂を含有する半透膜であって、アルブミンの透過率が30%以上であり、1cm角の前記半透膜を0.1%アルブミン溶液に90分浸漬した時のアルブミン吸着量が4.2μg/cm2以下であり、
前記樹脂はエチレン-ビニルアルコール系共重合体又はポリスルホン系重合体であり、前記半透膜は前記樹脂を50質量%以上含有する、
細胞を外部環境から隔離するための半透膜。 - 前記半透膜を通して負圧3±0.2kPaで水を吸引したとき、水の透過量が1,000L/(m2・時)以上で表される、請求項1に記載の半透膜。
- 前記半透膜と血清とを接触させたとき、前記半透膜による、血清中の補体価(CH50)の減少が25%以下である、請求項1又は2に記載の半透膜。
- 前記半透膜と血清とを接触させたとき、前記半透膜による、血清中の補体の活性の増加が30%以下であり、
前記活性の増加は、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8及びC9の内、一以上の補体の量、前記補体が分解されて生じたタンパク質の量、並びに前記補体の複合体の内、一以上のものの測定の量に基づき、算出されたものである、請求項1~3のいずれかに記載の半透膜。 - 厚さが50μm以上、200μm以下である、請求項1~4のいずれかに記載の半透膜。
- 少なくとも一面の平均孔径が0.1μm以上、3μm以下である、請求項1~5のいずれかに記載の半透膜。
- 前記樹脂はエチレン-ビニルアルコール系共重合体である、請求項1~6のいずれかに記載の半透膜。
- ポリスルホン系重合体を含有する半透膜であって、アルブミンの透過率が30%以上であり、1cm角の前記半透膜を0.1%アルブミン溶液に90分浸漬した時のアルブミン吸着量が10μg/cm2以下であり、
前記半透膜は前記ポリスルホン系重合体を50質量%以上含有する、
細胞を外部環境から隔離するための半透膜。 - 請求項1~8のいずれかに記載の半透膜からなる、細胞を外部環境から隔離するためのバッグ。
- 質量比が、樹脂7.5質量%~25質量%、溶媒55質量%~87.5質量%、及び添加剤5質量%~20質量%の範囲となるように各成分を混合して製膜原液を得る、半透膜の製造方法であって、
前記添加剤は、水溶性高分子である、請求項1~7のいずれかに記載の半透膜の製造方法。 - 前記各成分を、50℃~120℃の範囲で加温溶解することで、前記製膜原液を得て、前記製膜原液を20℃~95℃に保持して、次いで20℃~80℃の温度で前記製膜原液を凝固させる、請求項10に記載の半透膜の製造方法。
- 前記製膜原液の凝固が凝固浴で行われる、請求項11に記載の半透膜の製造方法。
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