JP7383160B2 - 動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置及び方法 - Google Patents

動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は動的発酵の技術分野に属し、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置及び方法に関する。
セルロースは、地球上で最も豊富で、発展ポテンシャルが大きいバイオポリマーであり、紡績工業と製紙工業における伝統的な原料だけではなく、高分子複合材料及び高性能材料の製造にも用いられ、多くのハイテク分野において重要な役割を果たしている。バクテリアセルロースは微生物の発酵により得られた天然セルロースであり、グルコースがβ-１，４-グリコシド結合で繋いでなる高分子化合物である。バクテリアセルロースは、植物又は海藻による天然セルロースと同一の分子構造単位を有し、且つ以下の多く独特の性質を有する。例えば、(i)高い結晶度と重合度を具備しているものであって、植物セルロースに比べて、バクテリアセルロースにはリグニン、ペクチンとヘミセルロース等の付随的産物がなく、高い結晶度（９５％に至る。植物セルロースのものは６５％）と高い重合度（ＤＰ値２０００～８０００）を有する。(ii)超微細ナノネットワック構造を具備しているものであって、バクテリアセルロース繊維は、直径３～４ナノメートルのマイクロ繊維が組み合わせて太さ４０～６０ナノメートルの繊維束となって、絡み合うことにより形成された発達した超微細ナノネットワック構造である。(iii)高弾性率と引っ張り強度を具備しているものであって、バクテリアセルロースの弾性率は通常、植物繊維の数倍乃至十倍以上であり、引っ張り強度も高い。(iv)強い保水能力（ｗａｔｅｒ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｖａｌｕｅｓ、ＷＲＶ）を具備しているものであって、未乾燥のバクテリアセルロースのＷＲＶ値は１０００％以上にもなり、冷凍乾燥後の保水能力でも６００％超である。１００℃で乾燥後のバクテリアセルロースの水中における再膨潤能力は、綿リンターに相当する。(v)優れた生体適合性、適応性と生分解性を具備している。(vi)合成の制御可能性を具備している。バクテリアセルロースは、これらの優れた性能こそ、食品、バイオ医薬、医療機器、組織工学材料等諸分野に広く運用されるようになる。
バクテリアセルロースは非常に強い親水性、粘性と安定性を有するため、食品成型剤、増粘剤、分散剤、抗可溶化剤、味を改善するための腸衣と一部の食品の骨格に用いられ、新規で重要な食品基材と食物繊維となった。例えば、すでに、ゼリー、ミルクティー、ジャム、デザート等の食品において広く運用され、今の市販食品において人気がある原材料の一つである。バクテリアセルロースの良好な生体適合性、ウェット状態における高い機械強度、良好な液体と気体透過性により、バクテリアセルロースは優れたバイオ材料としてバイオメディカル各分野に応用される。例えば、ＢｉｏｆｉｌｌとＧｅｎｇｉｆｌｅｘは、２つ典型的なバクテリアセルロース製品であり、すでに外科と歯科材料に広く運用されている。II度およびIII度の火傷、潰瘍等について、Ｂｉｏｆｉｌｌはすでに人工皮膚の一時的な代替品として成功した。Ｇｅｎｇｉｆｌｅｘはすでに歯根膜組織の修復に用いられている。バクテリアセルロースのｉｎ－ｓｉｔｕ可塑性により設計された新規なバイオ材料であるＢＡＳＹＣは、マイクロサージャリーにおいて人工血管として有望である。これとともに、骨、角膜、軟骨、腱等の組織の修復における応用も報告された。
現在、バクテリアセルロースの発酵製造技術は、主に静的発酵と動的発酵との二類に分けられており、バクテリアセルロース複合材料の製造は主に静的発酵である。静的発酵工程は、培地にカルボキシメチルセルロース、ヘミセルロース、キトサン、ゼラチン等各種水溶性高分子を添加して、種類の異なる複合材料を得ることである。同時に、通気材料を金型に用いることにより、静的発酵工程から形状の異なるバクテリアセルロース材料が得られる。例えば、特許ＵＫ Ｐａｔｅｎｔ １２１６９５４３は酸素透過性の手型金型を用いて手袋形状の人工皮膚を製造すること、特許ＥＰ Ｐａｔｅｎｔ ０３９６３４４や特許ＪＰ Ｐａｔｅｎｔ ３２７２７７２は酸素透過性中空円管を用いて細菌を含む培地を注入することにより静的発酵条件下で人工血管を製造することが開示されている。動的発酵について、通常の羽根式撹拌では、粒子状のバクテリアセルロースしかを製造できない。Ｋｒｙｓｔｙｎｏｗｉｃｚ Ａらが設計した回転ディスク発酵装置（Ｒｏｔａｔｉｎｇ ｄｉｓｃ ｆｅｒｍｅｎｔｏｒ）では、動的培養時バクテリアセルロースが成膜しにくい問題を解決し、円板状のバクテリアセルロース膜を得た（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ＆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００２（２９）：１８９～１９５）。これらを基に、中国特許ＣＮ２９３７１３８Ｙには回転ディスク式発酵反応装置が開示されたが、この類の装置では、円板状のバクテリアセルロース膜しか得られない。更に形状制御可能なバクテリアセルロース材料を得るために、中国特許ＣＮ１０１９１４４３４Ａには、異形中空バクテリアセルロース材料の動的製造が設計され、一定の横断面形状を有する中空バクテリアセルロース材料が得られた。しかし、この種の方法では、金型は回転軸を貫通しなければならず、完全密閉なバクテリアセルロース被覆材料が得られない。
以上により、合理的、簡単で扱いやすいバクテリアセルロース発酵培養装置を設計して、一定な形態を有し、完全に被覆可能な複合材料を製造する方法は、大きな現実的な意味と商業化の見通しがある。
本発明の一つの目的は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置を提供することである。本発明のまた一つの目的は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供することである。本発明の更に一つの目的は、該方法で製造したコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を提供することである。
本発明の目的は、以下の技術案により実現される。
本発明は、
発酵培養容器と、発酵培養容器に設けられる２個のローラー及び２枚のヒートガイドプレートとを含む装置であって、
２個のローラーの回転軸の両端がそれぞれ、前記発酵培養容器の内壁に可動的に連接され、２個のローラーが水平方向に平行に配列され、ローラーの間に隙間があり、且つローラーの回転軸の間の距離が調整可能であり、
２枚のヒートガイドプレートと２個のローラーの回転軸とは平行であり、１枚のヒートガイドプレートは、一端が前記発酵培養容器と可動的に連接され（好ましくは、留め具で連接する。）、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、１個のローラーに当接するとともに、他方のヒートガイドプレートは、一端が前記発酵培養容器とが可動的に連接され、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、他方のローラーに当接する、
動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置を提供する。
本発明の装置によると、動的発酵と被覆を実現でき、形状と寸法が制御可能なバクテリアセルロース複合材料を得ることができる。該装置は簡単で、扱いやすくて収率が高く、工業化生産に適している。得られた被覆型バクテリアセルロース複合材料は、インプラント医療機器の表面バクテリアセルロース被覆、徐放性薬剤またはマイクロ機器の被覆等のバイオ医薬品、医療機器分野に広く応用でき、食品または食材の被覆等にも用いられる。
上記の装置において、好ましくは、前記装置は、２個のローラーの回転を駆動する駆動部材を更に含み、更に好ましくは、前記駆動部材は２個のローラーの同方向回転を駆動するためのものである（同方向な時計回りまたは同方向な逆時計回りで回転できる。）。
上記の装置において、好ましくは、前記装置は、２枚のヒートガイドプレートを加熱する加熱部材を更に含む。加熱部材は、ヒートガイドプレートに熱を生じさせる外部加熱装置またはヒートガイドプレート自身に付随の加熱部材であっても良い。
上記の装置において、好ましくは、前記２個のローラーは形状、寸法が同一な円柱状ローラーである。
上記の装置において、好ましくは、２枚のヒートガイドプレートはそれぞれ、前記発酵培養容器の内側壁との角度が１５～６０度である。前記の２枚のヒートガイドプレートは、移動も着脱も可能な可動式連接部材であり、留め具でそれを発酵培養容器の頂部に固定でき、留め具で２枚のヒートガイドプレートの傾斜角度を調節して、熱可塑性高分子の加熱液の流速を調整する。
また、本発明は、
上記の装置を用いて動的発酵を行う方法であって、
ローラーの間隔を、その隙間の最小幅が芯材の直径または寸法（この寸法は、芯材が２個のローラーの上方に挟まれることを満たす。）より小さくなるように調整し、上記芯材がそれぞれ隙間の上方で２個のローラーに当接するように、被覆する芯材を滅菌してから２個のローラーの隙間の上方に置き、ローラーの回転に伴い芯材が水平変位のない振動（回転を含む。）を実現できるように、ローラーの回転速度と回転方向を設定するステップと、
２つのヒートプレートの一端は芯材とローラーとが当接する隙間に位置するように、ヒートプレートの長さを設定し、ヒートプレートの角度を調節する（これにより、芯材がローラーに連られて回転することを確保するだけではなく、熱可塑性高分子をヒートガイドプレートに沿って流せ、ローラーの回転により芯材の表面に被覆されることも可能となる。）ステップと、
バクテリアセルロース発酵培地を調合し、高圧滅菌した後、菌株のシードマッシュと混合して発酵混合液を得るステップと、
発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬し、ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、発酵終了後、発酵液を排出し、この時、芯材の外層には菌株発酵により得られたバクテリアセルロースが被覆され、芯材／バクテリアセルロース複合物が形成され、ヒートガイドプレートを起動し、熱可塑性高分子の加熱液をそれぞれ両端のヒートガイドプレートに沿って流せて、ローラーの回転に伴い、熱可塑性高分子を芯材／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、コア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造するステップ、または、
ヒートガイドプレートを起動し、熱可塑性高分子の加熱液をそれぞれ両端のヒートガイドプレートに沿って流せて、ローラーの回転に伴い、熱可塑性高分子を芯材の表面に均一に塗布し、芯材／熱可塑性高分子複合物を得、発酵混合液を発酵培養容器に入れ、ローラーを浸漬し、ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、発酵終了後、発酵液を排出し、この時、芯材／熱可塑性高分子複合物の外層には菌株発酵により得られたバクテリアセルロースが被覆され、コア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造するステップと、
を含む、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を更に提供する。
本発明において、バクテリアセルロースの被覆量、熱可塑性高分子材料の被覆量については、実際の必要に応じて合理的に設定される。
本発明の動的発酵方法において、得られたコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料は、内から外まで、「芯材／バクテリアセルロース／熱可塑性高分子」の構造、または「芯材／熱可塑性高分子／バクテリアセルロース」の構造等であっても良い。
上記の方法において、好ましくは、より多い層を持つコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を得るように、動的発酵によるバクテリアセルロースの被覆ステップ及び／または熱可塑性高分子の被覆ステップを繰り返すことを更に含む。このようなステップの繰り返しにより、層構造の異なるバクテリアセルロース複合材料を得ることができる。例えば、内から外まで、「芯材／バクテリアセルロース／熱可塑性高分子／バクテリアセルロース／熱可塑性高分子」の構造、「芯材／熱可塑性高分子／バクテリアセルロース／熱可塑性高分子／バクテリアセルロース」の構造等であっても良い。
上記の方法において、好ましくは、前記芯材は、無機材料、有機高分子材料及び金属材料の１種又は複数種の組み合わせを含む。
上記の方法において、好ましくは、前記芯材の形状は球形、準球形、円柱形、棒状体または任意の不規則体である。
上記の方法において、好ましくは、前記熱可塑性高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル及びポリ乳酸の１種又は複数種の組み合わせを含む。
上記の方法において、好ましくは、前記ヒートガイドプレートの加熱温度は５０～３００℃である。
上記の方法において、好ましくは、前記菌株は、アセトバクターキシリナム、リゾビウム属、スポロサルシナ属、シュードモナス属、アクロモバクター属、アルカリゲネス属、アエロバクター属及びアゾトバクター属の１種又は複数種の組み合わせを含む。
上記の方法において、好ましくは、菌株のシードマッシュの仕込み量は発酵培地の１～５ｗｔ％である。
上記の方法において、好ましくは、動的発酵を行う期間は３～３０日であり、発酵温度は２０～３０℃である。
上記の方法において、好ましくは、動的発酵を行う際、２個のローラーの回転速度が同一でいずれも０．１～６０ｒｐｍであり、好ましくは４～２０ｒｐｍである。
バクテリアセルロースは、動的培養の過程において、培地の流速を一定の範囲内に制御する必要がある。流速が速すぎる場合、菌種が変異しやすくなり、バクテリアセルロースも芯材に付着しにくく、培地中に粒子状のバクテリアセルロースしかが得られない。流速が遅い場合、バクテリアセルロースは培養容器の気液界面に大量に生成され、バクテリアセルロースの芯材への被覆に影響を及ぼしてしまう。また、培地の流速は、バクテリアセルロースの生成量、芯材表面に被覆する平坦度、及びバクテリアセルロースを構成するナノ繊維三次元ネットワック構造にも影響する。好ましい条件としては、ローラーの回転速度を４～２０ｒｐｍの範囲に制御することである。
上記の方法において、好ましくは、動的発酵の過程において、発酵混合液に０．１～５ｗｔ％の可溶性添加剤を添加することを更に含む。前記可溶性添加剤は、ゼラチン、ヒアルロン酸ナトリウム、澱粉、ペクチン、キトサン、アルギン酸ナトリウム及び可溶性セルロース誘導体の１種又は複数種の組み合わせを含む。
発明者は研究から、バクテリアセルロース培養において、可溶性高分子をｉｎ－ｓｉｔｕ添加することにより、バクテリアセルロース自身の物理化学性能を変更でき、各種応用を満たせる複合材料が得られる。本発明の用いる動的発酵方法では、バクテリアセルロースが芯材を被覆すると同時に、可溶性高分子とが発酵培養過程に複合することができ、バクテリアセルロース複合材料の応用範囲を広げる。
上記の方法において、好ましくは、動的発酵終了後、バクテリアセルロースを内包している複合物を精製するステップを含む。具体的には、７０～１００℃の温度下で、質量分率４％～８％のＮａＯＨ水溶液において４～６ｈ洗浄し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングする。精製により発酵産物中の菌体蛋白とバクテリアセルロース膜に粘着された残留培地が除去され、被覆型バクテリアセルロース複合材料を医用または食用条件に達させる。
さらに、本発明は、上記方法で製造したコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料であって、内核層は芯材であり、芯材の外には、単層または多層のバクテリアセルロース及び／または熱可塑性高分子材料が被覆されている、コア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を提供する。
（１）本発明の装置によると、動的発酵と被覆を実現でき、形状と寸法が制御可能なバクテリアセルロース複合材料を得ることができる。該装置は簡単で、扱いやすくて収率が高く、工業化生産に適している。得られた被覆型バクテリアセルロース複合材料は、インプラント医療機器の表面バクテリアセルロース被覆、徐放性薬剤またはマイクロ機器の被覆等バイオ医薬品、医療機器分野に広く応用でき、食品または食材の被覆等にも用いられる。
（２）本発明の動的発酵方法では、いかなる有毒な溶剤を使用する必要がなく、環境汚染及び生態系への危害等の問題をもたらさず、医用または食用の使用要求に適合する。発酵過程中に各種水溶性高分子を添加し、各種性能の異なるバクテリアセルロース複合材料を得ることができ、優れた生体適合性と生体安全性を有する。
（３）本発明の動的発酵方法を用いることで、階層の異なるコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料が得られ、バイオ医薬、医療機器、食品等諸分野に広く応える。
図１は、本発明の実施例における動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置の構造の概略図である。
本発明の技術特徴、目的と有利な效果をより分かりやすくするために、ここで本発明の技術案を以下のように詳しく説明するが、本発明の実施可能な範囲に対する限定だと理解してはならない。
以下の実施例に使用される実験方法は、特に断らない限り、いずれも常法である。
以下の実施例に用いられる材料、試薬等は、特に断らない限り、いずれも商業的に入手できる。
実施例１
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置を提供する。図１に示す通り、該装置は、発酵培養容器１と、発酵培養容器に設けられる２個のローラー２及び２枚のヒートガイドプレート５とを含む。２個のローラー２の回転軸の両端がそれぞれ、前記発酵培養容器の内壁に可動的に連接され、２個のローラーが水平方向に平行に配列され、ローラーの間に隙間が設けられ、且つローラーの回転軸の間の距離が調整可能であり、２枚のヒートガイドプレート５と２個のローラー２の回転軸は平行であり、１枚のヒートガイドプレート５は、一端が留め具６で発酵培養容器１に可動的に連接され、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、１個のローラーに当接されるとともに、他方のヒートガイドプレートは、一端が留め具６で前記発酵培養容器に可動的に連接され、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、他方のローラー２に当接される。２個のローラーは形状・寸法が同一な円柱状ローラーであることが好ましい。
動的発酵を行う際、被覆する芯材４は２個のローラー２の隙間の上方に位置するとともに、ローラーに当接される。発酵培地３は発酵培養容器１に収容されている。前記装置は、２個のローラーの回転を駆動する駆動部材を更に含み、２個のローラーの同方向回転の駆動に用いられる。前記装置は、２枚のヒートガイドプレートを加熱する加熱部材を更に含む。
また、本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を更に提供し、本実施例の上記の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形ガラスローラーを並列に配置した。直径３０ｍｍの球形ポリウレタン材料（芯材）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を２６ｍｍに、回転速度を４ｒｐｍに調節した。球形ポリウレタンがローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも３０度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端は球形ポリウレタンとローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なアセトバクターキシリナムを選び、活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度１ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であった。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、３５℃で３日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、球形ポリウレタンの外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率４％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、１００℃の温度で６ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、球形ポリウレタン／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を１９０℃に調整し、熱可塑性高分子ポリエチレンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子が芯材／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、球形ポリウレタン材料の表面がポリエチレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
実施例２
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供し、上記実施例１の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形ガラスローラーを並列に配置した。直径５０ｍｍ、長さ７０ｍｍのバイオセラミック（料芯）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を４０ｍｍに、回転速度を８ｒｐｍに調節した。バイオセラミックがローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも４５度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端はバイオセラミックとローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なリゾビウム属を選び、活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度２ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であり、発酵混合液には０．１ｗｔ％のゼラチンが更に含まれた。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、２０℃で３０日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、バイオセラミックの外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率５％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、９０℃の温度で５ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、バイオセラミック／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を２３０℃に調整し、熱可塑性高分子ポリプロピレンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子がバイオセラミック／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、バイオセラミックの表面がポリプロピレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
実施例３
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供し、上記実施例１の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形ステンレスローラーを並列に配置した。６．５ｍｍのチタン合金整形外科用インプラントネジ（芯材）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を５ｍｍに、回転速度を１２ｒｐｍに調節した。ネジがローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも４５度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端はネジとローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なスポロサルシナ属を選び、活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度３ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であり、発酵混合液には１ｗｔ％の質量比１：１であるヒアルロン酸ナトリウムとアルギン酸ナトリウムが更に含まれた。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、２５℃で５日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、ネジの外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率６％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、８０℃の温度で４ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、ネジ／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を２００℃に調整し、熱可塑性高分子ポリプロピレンエチレンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子がネジ／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、ネジの表面がポリプロピレンエチレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
実施例４
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供し、上記実施例１の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形ポリテトラフルオロエチレンローラーを並列に配置した。直径２ｍｍのナノハイドロキシアパタイト充填ポリメチルメタクリレートの棒状材料（芯材）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を１．５ｍｍに、回転速度を２ｒｐｍに調節した。棒状材がローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも６０度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端は棒状材とローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なシュードモナス属を選び、活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度４ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であり、発酵混合液には２ｗｔ％の可溶性澱粉が更に含まれた。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、３０℃で７日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、棒状材の外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率７％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、７０℃の温度で６ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、棒状材／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を２７０℃に調整し、熱可塑性高分子ナイロンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子が棒状材／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、棒状材の表面がナイロン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
実施例５
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供し、上記実施例１の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形プラスチックローラーを並列に配置した。不規則体である乳房充填用シリコーンゴム（芯材）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を７０ｍｍに、回転速度を３０ｒｐｍに調節した。シリコーンゴムがローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも４５度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端はシリコーンゴムとローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なアクロモバクター属とアルカリゲネス属を選び、混合・活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度５ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であり、発酵混合液には３ｗｔ％のペクチンが更に含まれた。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、３１℃で１５日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、シリコーンゴムの外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率８％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、７０℃の温度で５ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、シリコーンゴム／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を１９０℃に調整し、熱可塑性高分子ポリエチレンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子がシリコーンゴム／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、シリコーンゴムの表面がポリエチレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
実施例６
本実施例は、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法を提供し、上記実施例１の装置を用いて動的発酵を行い、以下のステップを含む。
（１）上向きに開口する発酵培養容器に、２つの形状・寸法が同一で、同方向に時計回りに等速回転の円柱形プラスチックローラーを並列に配置した。不規則形状であるコバルト・クロム・モリブデン合金人工股関節頭（芯材）を２個のローラーの間に置き、図１に示す通り、両ローラーの間隔を５０ｍｍに、回転速度を１５ｒｐｍに調節した。合金がローラーの回転に伴い水平変位のない振動が実現されるようにした。
（２）発酵培養容器の頂部に２枚のヒートガイドプレートを固定し、２枚のヒートガイドプレートと発酵培養容器の側面との角度がいずれも６０度になるように調節し、２つのヒートプレートの片端は合金とローラーとが当接する隙間に位置することを確保した。
（３）バクテリアセルロースを分泌可能なアエロバクター属とアゾトバクター属を選び、混合・活性化してシードマッシュに製造した。その後、菌株濃度３ｗｔ％のシードマッシュと発酵培地とを混合して発酵混合液を得た。その中、発酵培地は高温滅菌後の培地であり、培地の成分は本分野のバクテリアセルロース発酵によく使われる成分であり、発酵混合液には５ｗｔ％のキトサンとカルボキシメチルセルロースナトリウム（質量比１：３）が更に含まれた。
（４）発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬した。ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、３２℃で１０日間発酵した。発酵終了後、発酵液を排出した。このとき、合金の外層が菌株発酵により得られたバクテリアセルロースに被覆された。生成物を質量分率６％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、９０℃の温度で４ｈ加熱し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングし、合金／バクテリアセルロース複合物を形成した。
（５）ヒートガイドプレートを起動し、加熱温度を１９０℃に調整し、熱可塑性高分子ポリエチレンの加熱液をそれぞれ、両端のヒートガイドプレートに沿って流せた。ローラーの回転と伴って、熱可塑性高分子が合金／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、合金の表面がポリエチレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料を製造した。
性能テスト実験：
実施例１で製造した、球形ポリウレタン材料の表面がポリエチレン／バクテリアセルロースに均一に被覆されるコア／シェル構造複合材料について、以下の性能テストを行った。
生体適合性実験：ＧＢ／Ｔ １６８８６医療機器のバイオ学評価を参照し、複合材料（実施例１）及びポリウレタン材料（実施例１の芯材）に対してそれぞれ、細胞毒性、モルモット遅延型接触性感作、皮膚刺激等の評価を行った。
結果として、ポリウレタン材料（実施例１の芯材）では、細胞毒性は２級であり、皮膚致敏反応があった。複合材料（実施例１）では、細胞毒性は２級未満であり、皮膚感作反応や皮内刺激反応がなく、良好な生体安全性を有することが示された。本特許の使用により材料の生体適合性が向上したことを表明した。
１、発酵培養容器、２、ローラー、３、発酵培地、４、被覆する予定の芯材、５、ヒートガイドプレート、６、留め具。

Claims (19)

  1. 発酵培養容器と、発酵培養容器に設けられる２個のローラー及び２枚のヒートガイドプレートとを含む装置であって、
    ２個のローラーの回転軸の両端がそれぞれ、前記発酵培養容器の内壁に可動的に連接され、２個のローラーが水平方向に平行に配列され、ローラーの間に隙間があり、且つローラーの回転軸の間の距離が調整可能であり、
    ２枚のヒートガイドプレートと２個のローラーの回転軸とは平行であり、１枚のヒートガイドプレートは、一端が前記発酵培養容器と可動的に連接され、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、１個のローラーに当接するとともに、他方のヒートガイドプレートは、一端が前記発酵培養容器と可動的に連接され、他端が斜め下方に２個のローラーの隙間の上方まで伸びていて、他方のローラーに当接する、
    動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する装置。
  2. 前記装置は、２個のローラーの回転を駆動する駆動部材を更に含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記駆動部材は２個のローラーの同方向回転を駆動するためのものである、請求項２に記載の装置。
  4. 前記装置は、２枚のヒートガイドプレートを加熱する加熱部材を更に含む、請求項１に記載の装置。
  5. 前記２個のローラーは形状、寸法が同一な円柱状ローラーである、請求項１に記載の装置。
  6. ２枚のヒートガイドプレートはそれぞれ、前記発酵培養容器の内側壁との角度が１５～６０度である、請求項１に記載の装置。
  7. 請求項１に記載の装置を用いて動的発酵を行う方法であって、
    ローラーの間隔を、その隙間の最小幅が芯材の直径または寸法より小さくなるように調整し、芯材がそれぞれ隙間の上方で２個のローラーに当接するように、被覆する芯材を滅菌してから２個のローラーの隙間の上方に置き、ローラーの回転に伴い芯材が水平変位のない振動を実現できるように、ローラーの回転速度と回転方向を設定するステップと、
    ２つのヒートプレートの一端は芯材とローラーとが当接する隙間に位置するように、ヒートプレートの長さを設定し、ヒートプレートの角度を調節するステップと、
    バクテリアセルロース発酵培地を調合し、高圧滅菌した後、菌株のシードマッシュと混合して発酵混合液を得るステップと、
    発酵混合液を発酵培養容器に入れ、芯材を浸漬し、ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、発酵終了後、発酵液を排出し、この時、芯材の外層には菌株発酵により得られたバクテリアセルロースが被覆され、芯材／バクテリアセルロース複合物が形成され、ヒートガイドプレートを起動し、熱可塑性高分子の加熱液をそれぞれ両端のヒートガイドプレートに沿って流せて、ローラーの回転に伴い、熱可塑性高分子を芯材／バクテリアセルロース複合物の表面に均一に塗布し、コア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造するステップ、または、
    ヒートガイドプレートを起動し、熱可塑性高分子の加熱液をそれぞれ両端のヒートガイドプレートに沿って流せて、ローラーの回転に伴い、熱可塑性高分子を芯材の表面に均一に塗布し、芯材／熱可塑性高分子複合物を得、発酵混合液を発酵培養容器に入れ、ローラーを浸漬し、ローラーを起動して同方向回転で動的発酵を行い、発酵終了後、発酵液を排出し、この時、芯材／熱可塑性高分子複合物の外層には菌株発酵により得られたバクテリアセルロースが被覆され、コア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料が製造されるステップと、
    を含む、動的発酵によってコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を製造する方法。
  8. より多い層を持つコア／シェル構造のバクテリアセルロース複合材料を得るように、動的発酵によるバクテリアセルロースの被覆ステップ及び／または熱可塑性高分子の被覆ステップを繰り返すことを更に含む、請求項７に記載の方法。
  9. 前記芯材は、無機材料、有機高分子材料及び金属材料の１種又は複数種の組み合わせを含む、請求項７に記載の方法。
  10. 前記芯材の形状は球形、準球形、円柱形、棒状体または任意の不規則体である、請求項７に記載の方法。
  11. 前記熱可塑性高分子材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ナイロン、ポリウレタン、ポリエステル及びポリ乳酸の１種又は複数種の組み合わせを含む、請求項７に記載の方法。
  12. 前記ヒートガイドプレートの加熱温度は５０～３００℃である、請求項７に記載の方法。
  13. 前記菌株は、アセトバクターキシリナム、リゾビウム属、スポロサルシナ属、シュードモナス属、アクロモバクター属、アルカリゲネス属、アエロバクター属及びアゾトバクター属の１種又は複数種の組み合わせを含む、請求項７に記載の方法。
  14. 菌株のシードマッシュの仕込み量は発酵培地の１～５ｗｔ％である、請求項７に記載の方法。
  15. 動的発酵を行う期間は３～３０日であり、発酵温度は２０～３０℃である、請求項７に記載の方法。
  16. 動的発酵を行う際、２個のローラーの回転速度が同一でいずれも０．１～６０ｒｐｍである、請求項７に記載の方法。
  17. 動的発酵を行う際、２個のローラーの回転速度が同一でいずれも４～２０ｒｐｍである、請求項１６に記載の方法。
  18. 動的発酵の過程において、発酵混合液に０．１～５ｗｔ％の可溶性添加剤を添加することを更に含み、
    前記可溶性添加剤は、ゼラチン、ヒアルロン酸ナトリウム、澱粉、ペクチン、キトサン、アルギン酸ナトリウム及び可溶性セルロース誘導体の１種又は複数種の組み合わせを含む、
    請求項７に記載の方法。
  19. 動的発酵終了後、バクテリアセルロースを内包している複合物を精製するステップを更に含み、具体的には、７０～１００℃の温度下で、質量分率４％～８％のＮａＯＨ水溶液において４～６ｈ洗浄し、更に、中性まで蒸留水で繰り返しフラッシングする、請求項７に記載の方法。
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