JP7481699B2 - 湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含有する生分解性繊維材料を連続的に製造する方法、及びその方法で製造された綿形状の骨再生材料 - Google Patents

湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含有する生分解性繊維材料を連続的に製造する方法、及びその方法で製造された綿形状の骨再生材料 Download PDF

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Description

本発明は、湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含有する生分解性繊維材料を連続的に製造する方法、及びその方法で製造された綿形状の骨再生材料に関する。本発明はさらに、湿式紡糸法を用いて無機フィラーを含む生分解性繊維からなる不織布を製造する方法に関する。
骨再生医療の分野では、ポリ乳酸をマトリックスとして用いてカルシウム塩粒子（β型-リン酸三カルシウム、ケイ素溶出型炭酸カルシウム、ハイドロキシアパタイト等）と複合し、電界紡糸法（ES）により繊維化したものが骨再生材料として用いられている。骨再生材料は一般にブロックや顆粒形状で用いられることが多いが、この方法で紡糸した生分解性繊維からなる骨再生材料は、手術時の成形性が良く、目的部位からの移動・脱落の懸念を解決できる優れた特長を有している。本発明の発明者等は、ＥＳを用いてノズルから出射された生分解性繊維をエタノールを満たしたコレクター容器で受けて、エタノール液中に浮遊する繊維を回収・乾燥することで綿形状化することに成功している（US8853298）。綿形状の骨再生材料は、手術時にあらゆる患部形状に対して容易に対応できるので、臨床上優れた材料である。
生分解性繊維のマトリクス樹脂としては、ポリ乳酸の他、PLGAが用いられている。PLGAはポリ乳酸よりも生体吸収性が高く、尚且つＦＤＡで安全性が承認された優れた生分解性樹脂である。そこで、近時はPLGAをマトリックスとして用いてカルシウム塩粒子と複合し、ESにより繊維化することが行われている。PLGAは、乳酸とグリコール酸を共重合することによって合成されるが、乳酸とグリコール酸の比率を調整することで生分解性を制御することが可能である。乳酸８５％：グリコール酸１５％のPLGA(85:15)と、乳酸７５％：グリコール酸２５％のPLGA(75:25)では、PLGA(75:25)の方が、分解性が高い。他方、ポリ乳酸の乳酸には、結晶性のL体と光学異性体であるアモルファス性のD体とが存在し、D体を含むPDLLAは、D体を含まずにL体のみであるPLLAよりも結晶化しにくく、分解されやすい。そこで、D体を含むPDLLAとPGAを共重合することによって、D体を含まないPLGA（PLLGA）よりも分解性が格段に高いPDLLGAを合成することが可能である。
ESは、骨形成因子となる無機フィラー粒子を紡糸溶液に含有させて繊維化することができるので、生分解性繊維からなる骨再生材料を製造する方法として優れた方法である。しかし、ESはそのための特別な設備が必要で製造コストが高い。また、ESで紡糸するためには、紡糸溶液の中で無機粒子が均一に分散していることが必要なので、無機フィラー粒子を多量に含む繊維を紡糸するには、紡糸溶液の製造に混錬等の工程を踏む必要があり、それが製造コストをさらに高める。また、ESは高電圧をかけた紡糸溶液をノズルから出射させて電場を飛行させて繊維化するものであるため、分子量が低いPDLLGAを用いると、繊維形状の維持が困難になり、その結果PDLLGAを用いた生分解性繊維の紡糸が困難であった。
本発明の発明者等は、綿形状の骨再生材料に加えて、ESを用いて製造した不織布を用いた細胞培養基材を開発した（特許番号6602999、6639035）が、ESを用いて製造した不織布は繊維に含まれる無機粒子が繊維の表面に露出して良好な細胞接着性を発揮して、優れた３次元細胞培養培養基材として用いることができることが判明している。しかし、ESを使用することに伴う同様の課題が存在していた。
米国特許番号8853298号特許公報 米国特許番号6602999号特許公報
無機フィラー粒子を含む生分解性繊維を紡糸する方法としては、ESの他に湿式紡糸法を用いることが可能である。生分解性樹脂を良溶媒で溶かした溶液に無機フィラー粒子を投入して攪拌して分散させることによって紡糸溶液を調製し、そのようにして調製した紡糸溶液をシリンジに注入してノズルから押出すことによって紡糸溶液を吐出させて貧溶媒を満たしたコレクター容器に繊維状に出射することによって、貧溶媒中で無機フィラー粒子を含む複合生分解性繊維を紡糸することが可能である。
湿式紡糸法ではノズルから繊維状に出射された紡糸溶液が貧溶媒に入射して、紡糸溶液に含まれている良溶媒が貧溶媒中に脱離を通して繊維化するが、良溶媒が貧溶媒中に浸透する速度が遅すぎると、ノズルから出射された紡糸溶液が貧溶媒中で繊維化されるのが困難である。逆に、良溶媒が貧溶媒中に浸透する速度が速すぎると、紡糸溶液がノズルで詰まりが生じてしまう。特に、紡糸溶液に多量の無機粒子を含む場合は、ノズルの狭い吐出口から紡糸溶液が貧溶媒に射出される部分で詰まりが生じやすい。
上記課題を解決して効率的な湿式紡糸を実現するために、本発明の発明者等は鋭意検討を重ねた結果、湿式紡糸装置のコレクター容器に溶解度の異なる２種類の貧溶媒を上下二層にして満たしたものを用いることに想到した。即ち、試料（無機粒子と生分解性樹脂）に対して略同等の量の良溶媒を投入して調製した紡糸溶液を湿式紡糸装置のノズルの吐出口からコレクター容器に押し出し、ノズルの吐出口から押し出された紡糸溶液を良溶媒との溶解パラメータの差異が小さい第１の貧溶媒中に繊維状に入射し、次いで前記繊維状に入射された紡糸溶液を前記良溶媒との溶解パラメータの差異が第１の貧溶媒よりも大きい第２の貧溶媒に入射することによって、多量の無機粒子を含む繊維を効率的に紡糸することができることを発見した。
上記発見に基づいて、本発明の発明者等は、湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含む生分解性繊維を製造する方法であって、

無機フィラー粒子と生分解性樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物を混合容器に投入し、

前記混合物に対して所定の量の良溶媒を前記混合容器に投入し、前記生分解性樹脂を前記良溶媒に溶解させて攪拌することによって、前記無機フィラー粒子が溶液中に分散した紡糸溶液を調製し、

前記調製した紡糸溶液を湿式紡糸装置のシリンジに充填し、

前記シリンジに充填された前記紡糸溶液を所定の径を有する入射針の吐出口から垂直下方向に所定の押出速度で押し出して所定の高さを有する筒形状のコレクター容器中に出射し、前記コレクター容器には、溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して第１の乖離度を有する第１の貧溶媒と、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく尚且つ溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して前記第１の乖離度よりも大きい第２の乖離度を有する第２の貧溶媒が上下二層になって満たされており、

前記ノズルの吐出口から押し出された紡糸溶液は自重により前記コレクター容器中の前記第１の貧溶媒に繊維状に入射し、前記第１の貧溶媒の液中に繊維状に入射された紡糸溶液の表面が前記良溶媒の脱離と前記第１の貧溶媒の侵入の相互拡散によって固化され、

次いで、前記表面が固化された繊維状の紡糸溶液は自重により前記コレクター容器の前記第１の貧溶媒の下に満たされた前記第２の貧溶媒中に連続的に入射し、

前記第２の貧溶媒の中に入射した前記繊維状の紡糸溶液は、前記第２の貧溶媒の中で前記良溶媒の脱離と第２の貧溶媒の侵入の相互拡散を紡糸溶液の内部まで進行させることによってさらに固化して繊維化され、前記固化した繊維は前記第２の貧溶媒中で繊維同士が接着することなく連続的な長繊維となって前記コレクター容器の底に浮遊堆積し、

前記コレクター容器の底に堆積した繊維を前記コレクター容器から取り出して乾燥させる、

前記湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含む生分解性繊維を製造する方法、という発明に到達した。
本発明者等はさらに、湿式紡糸法を用いて製造された綿形状の骨再生材料であって、前記綿形状の骨再生材料は、

カルシウム塩粒子と生分解性樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物を混合容器に投入し、

前記混合物に対して所定の量の良溶媒を前記混合容器に投入し、前記生分解性樹脂を前記良溶媒に溶解させて攪拌することによって、前記カルシウム塩粒子が溶液中に分散した紡糸溶液を調製し、

前記調製した紡糸溶液を湿式紡糸装置のシリンジに充填し、

前記シリンジに充填された前記紡糸溶液を所定の径を有する入射針の吐出口から垂直下方向に所定の押出速度で押し出して所定の高さを有する筒形状のコレクター容器中に出射し、前記コレクター容器には、溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して第１の乖離度を有する第１の貧溶媒と、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく且つ溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して前記第１の乖離度よりも大きい第２の乖離度を有する第２の貧溶媒が上下二層になって満たされており、

前記吐出口から押し出された紡糸溶液は前記コレクター容器中の前記第１の貧溶媒に繊維状に入射し、前記第１の貧溶媒の液中に繊維状に入射された紡糸溶液の表面は前記良溶媒の脱離と第１の貧溶媒の侵入の相互拡散によって固化され、

次いで、前記表面が固化した紡糸溶液は、前記コレクター容器の前記第１の貧溶媒の下に満たされた前記第２の貧溶媒中に連続的に入射し、

前記第２の貧溶媒の中に入射した前記紡糸溶液は、前記第２の貧溶媒の中で前記良溶媒の脱離と第２の貧溶媒の侵入の相互拡散を紡糸溶液内部まで進行させることによってさらに固化して繊維化され、前記固化した繊維は第２の貧溶媒中で繊維同士が接着することなく連続的な長繊維となって前記コレクター容器の底に綿状に浮遊堆積し、

前記コレクター容器の底に綿状に堆積した繊維を前記コレクター容器から取り出して乾燥させる、という工程によって製造される、

前記綿形状の骨再生材料、という発明に到達した。
本発明の発明者等はさらに、改良された湿式紡糸法に用いる湿式紡糸法装置であって、前記装置は、

無機フィラー粒子５０－８０重量％と生分解性樹脂５０－２０重量％の比率で両者を混合容器に投入し、良溶媒に溶解させて攪拌することによって調製した紡糸溶液を注入するシリンジと、

前記シリンジの端部に接続されて、先端に吐出口を備えたノズルと、

所定の高さを有する筒形状のコレクター容器を備え、

前記コレクター容器は、
前記ノズルの吐出口から押し出された紡糸溶液を第１の貧溶媒中に入射して通過させるための射出部と

前記射出部を通過した紡糸溶液を前記射出部の下に隣接し、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく、かつ前記良溶媒との溶解パラメータ値の乖離度が前記第１の貧溶媒よりも大きい第２の貧溶媒中に入射させて固化するための繊維固化部と、

前記繊維固化部の下に隣接し、前記繊維固化部を通過して固化した繊維を前記コレクター容器の底に綿状に浮遊堆積させて回収するための繊維回収部を有し、

前記繊維固化部と前記繊維回収部はクランプを用いて分離可能に接続されており、前記繊維回収部の底に前記固化した繊維が浮遊堆積した後に前記繊維回収部を前記繊維固化部から分離することによって、前記コレクター容器の底に堆積した繊維を回収することができる、

前記改良された湿式紡糸法に用いる湿式紡糸法装置、という発明に到達した。
好ましくは、前記無機フィラー粒子と生分解性樹脂の混合物に対して加える良溶媒の量は、前記シリンジ内で無機フィラー粒子が溶液中に沈んでしまうことなく均一に拡散し、尚且つ紡糸溶液を前記注射針から貧溶媒中に押し出すことによって貧溶媒中で繊維化することができる量に調整されている。
好ましくは、前記β-TCP粒子の粒径は、０．４～５μｍである。
好ましくは、前記紡糸溶液は、粒子径が３～５μｍのβ-TCP粒子とPDLLGA樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物１に対して重量比で０．７～１．３の量のアセトンを加えて溶解することによって調製される。
好ましくは、前記紡糸溶液は、粒子径が０．３～０．５μｍのβ-TCP粒子とPDLLGA樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物１に対して重量比で１．１５～１．４０の量のアセトンを加えて溶解することによって調製される。
好ましくは、前記コレクター容器に入れる第１の貧溶媒と第２の貧溶媒の界面の位置がノズルの吐出口から近い位置にくるように設定する。入射針の吐出口から繊維状に射出された紡糸溶液が良溶媒との溶解パラメータの差異が小さい第１の貧溶媒を通過する距離が長いとノズルの吐出口から入射した繊維が途中でちぎれてしまいやすいので、第１の貧溶媒と第２の貧溶媒の界面の高さ位置がノズルの吐出口から近い位置にくるようにすることで、入射した繊維が途中でちぎれてしまうのを防いで、一本の連続した繊維としてコレクター容器の底に堆積させることが可能になる。
好ましくは、無機フィラー粒子はリン酸カルシウム粒子を用い、より好ましくはβ―TCP粒子を用いる。さらには、銀を含むβ-TCPは抗菌性があるので有用である。
好ましくは、本発明の湿式紡糸装置の筒形状のコレクター容器は、高さが５０～１００ｃｍあり、上から順に射出部と繊維固化部と繊維回収部に区分されている。ノズルの吐出口から繊維状に押し出された紡糸溶液はその自重によって、射出部中の第１の貧溶媒を通過し、その後繊維固化部の第２の貧溶媒の中に入射され、繊維固化部を通過した後、同じく第２の貧溶媒が満たされた繊維回収部に導入されて、コレクター容器の底に綿状に浮遊堆積する。コレクター容器の底に堆積した綿状の繊維は、コレクター容器の繊維回収部を繊維固化部から分離してコレクター容器から取り出して回収して乾燥させることによって綿形状の骨再生材料を得ることができる。
好ましくは、良溶媒はアセトンを用い、第１の貧溶媒はエタノールを用い、第２の貧溶媒は水を用いる。
好ましくは、良溶媒はアセトンを用い、第１の貧溶媒はアセトンと水の混合溶液を用い、第２の貧溶媒は水を用いる。
好ましくは、良溶媒はクロロホルムを用い、第１の貧溶媒はエタノールを用い、第２の貧溶媒は水を用いる。
好ましくは、第２の貧溶媒は純水を用いる。全溶媒 （良溶媒、第１の貧溶媒、第２の貧溶媒の全て）が塩素を含むと銀を含むβ-TCPの場合には含まれた銀と反応してAgClを生成する可能性があるので、塩素を含まない溶媒であることが好ましい。
好ましくは、前記生分解性繊維は、無機フィラー粒子を５０－８０重量％、より好ましくは、６０－７０重量％含む。湿式紡糸法は、樹脂とフィラー粒子を混合して有機溶剤で溶かすことによって調整した紡糸溶液をシリンジから押し出すことによって紡糸するので、多量の無機フィラー粒子を含む紡糸溶液を容易に調製することができる。ESでは紡糸時のスラリーの粘性が低いものを使用するため、予め無機フィラー粒子の分散性を非常に高めておく必要があり、多量のフィラー粒子を溶液中に均一に分散させるための特別な工程（例：混錬）が必要であるが、湿式紡糸法では、ESより高い粘性のスラリーを用いるためそのような特別な工程を踏むことなく、攪拌によって粒子を溶液中に分散させるだけで足りる。これは、粒子間を埋めるポリマー液の流動性が低くなり凝集を防ぐことができるためである。
好ましくは、無機フィラー粒子はリン酸カルシウム粒子を用い、さらに好ましくはβ-TCP粒子を用いる。生分解性樹脂が体液に接して分解されてβ-TCP粒子が溶出し、さらにβ-TCPが溶かされて、カルシウムイオン、リンイオンを溶出し、骨吸収置換による骨形成が促進される。
好ましくは、β-TCP粒子は銀イオンを含有するβ-TCPの粒子を用いる。生分解性繊維から溶出したβ-TCP粒子が溶かされるに伴い、β-TCP粒子に含有される銀イオンが溶出し、抗菌性を発揮する。
好ましくは、湿式紡糸装置のノズルの入射針は２７G（内径０．１９±０．０２ｍｍ、外径０．４１±０．０１ｍｍ）、または、２２G（内径０．４１±０．０３ｍｍ、外径０．７２±０．０２ｍｍ）を用い、それによって紡糸される繊維の外径は８０～２００μｍである。より好ましくは、湿式紡糸装置のノズルの注射針は２７Gを用い、紡糸繊維の外径は１００～１５０μｍである。発明者等が別に実験したところでは、ノズルの入射針に２２Ｇを用いた場合には樹脂濃度１６．７～２０．５重量％、押出速度３ｍｌ／ｈで良好に紡糸できたが、樹脂濃度１５．３重量％では粘性が低く無機粒子がシリンジ内で沈降しやすく不均質な繊維となった。樹脂濃度が２６．５重量％では粘性が高く押出しが容易でなくなった。２２Ｇを用いて押し出した繊維は太く、ゴワゴワしていた。他方、ノズルの太さが２７Ｇを用いると適正な樹脂濃度の範囲はもっと狭くなったが、紡糸溶液の樹脂濃度２０重量％、押出速度３ｍｌ／ｈで良好に紡糸できた。繊維の径は２２Gを用いた場合よりも細く、ゴワゴワした感じが少なく、製品としてより優れたものが得られる。
ES法と異なり、湿式紡糸法は紡糸溶液を単純に押し出すことによってノズルから吐出させるので、紡糸溶液の樹脂濃度は吐出速度と繊維の太さに合わせて、比較的自由に設定することができるが、紡糸溶液の適正な樹脂濃度はノズルの太さによって変わる。
好ましくは、金属又はプラスチック製の網をコレクター容器の繊維回収部の底に沈めておき、その上に湿式紡糸した繊維を堆積させて、その網を引き揚げると繊維はまだ柔らかいので不織布状または綿形状になり、それをそのまま水につければ、そのままの形で固まる。
好ましくは、コレクター容器の底に巻き取り器具を設置しておき、第二の貧溶媒を通って堆積する繊維を巻き取り器具で巻き取る。巻き取り器具の巻き取り速度を速くすることによって、繊維の方向が揃った不織布が得られる。
本発明では、試料（無機粒子と生分解性樹脂）と良溶媒の量が、試料の粒子が良溶媒中で沈んでしまうことなく均一に拡散することができ、かつ吐出口から押し出された紡糸溶液を貧溶媒中で繊維化することが可能な量に調整されているので、湿式紡糸装置を用いて生分解性繊維を商業ベースで紡糸することが可能である。
本発明の湿式紡糸方法では、ノズルの吐出口から貧溶媒中に繊維状に押し出された紡糸溶液は、樹脂溶液（ポリ乳酸の比重は1.24）に多量の無機粒子（β-TCPの比重は3.14g/cm3）を多量に含んでいるものなので、紡糸溶液の自重によって貧溶媒（エタノールの比重は0.8前後、水の比重は１）中を下方に沈降して第１の貧溶媒と第２の貧溶媒を順次通過し、沈降の過程で徐々に繊維化してコレクター容器の底に堆積し、堆積した繊維を回収することができる。
本発明の湿式紡糸法装置のコレクター容器の繊維固化部に満たす第２の貧溶媒は、その上の射出部に満たす第１の貧溶媒よりも比重が大きいので、比重の違いによって第２の貧溶媒の上に第１の貧溶媒が浮いた状態で二層を形成する。そのため、紡糸溶液を装置の吐出口から第１の貧溶媒に射出することによって、繊維状に射出された紡糸溶液を、その自重により溶解パラメータが異なる第１の貧溶媒と第２の貧溶媒に順次通過させることができるので、その過程で紡糸溶液を徐々に固化して繊維化することができる。但し、第１の貧溶媒にエタノール、第２の貧溶媒に水を用いる場合は、エタノールは親水性なので、撹拌して親水基の周辺に水が配位すればエタノール分子を水が囲んで混ざり合ってしまう。そこで、水の上にエタノールをゆっくり注ぐことによって、エタノールの親水基の周りに水を配位させずに、比重の違いで分離した状態を作り出すことが好ましい。
本発明の好ましい実施態様において、紡糸溶液の固化に用いる第２の貧溶媒（例：水）は、良溶媒（例：アセトン）よりも比重が大きいので、繊維から脱離した良溶媒（例：アセトンは直ちに上方に浮上して固化した繊維の近辺に留まることがない。その結果、良溶媒が繊維から脱離した後繊維の近辺に漂うことによって、固化してコレクター容器の底に堆積した繊維を溶かすことがないので、堆積した繊維は互いに付着せずコレクター容器から綿形状に回収することができる。
本発明で用いる生分解性樹脂は、溶媒に対する溶解性の高い樹脂を選択することによって、紡糸溶液の調製に用いる良溶媒として、溶解力の高い塩素系溶媒（例：クロロホルム）を用いる必要はなく、非塩素系溶媒（例：アセトン）を用いることができる。
本発明の一つの実施態様の湿式紡糸法で作製した生分解性繊維は繊維の長さが長く、ほぼ一本の連続した繊維を綿状に堆積させて回収することができる。このようにして堆積回収した綿形状の骨再生材料は、ＥＳで作製した綿と比べて、繊維と繊維の間の間隔が広く、繊維間に細胞が侵入して繊維接着して増殖するための大きな微細環境を有する。
本発明の湿式紡糸法で作製した生分解性繊維はＥＳで紡糸した繊維よりも、繊維表面の孔数が少なく、緻密な断面構造を有し、形状維持に優れている。
本発明の湿式紡糸法で作製した生分解性繊維は、扁平な断面形状を有しており、細胞の接着性に優れている。
本発明の湿式紡糸法は、ES法と異なり紡糸溶液を物理的力を加えてシリンジから吐出口に押し出すものなので、紡糸溶液中のフィラー粒子の含有量については自由度が高い。リン酸カルシウムを５０重量％、より好ましくは６０重量％、さらに好ましくは７０重量％含有させることで、粒子が繊維表面に凹凸構造を形成する。繊維の表面が凹凸構造を有することは、細胞接着にとって好適である。
本発明の湿式紡糸法で作製したPDLLGA樹脂繊維からなる綿形状の骨再生材料は、体内に埋植された後PDLLGAが体内で溶解して局所的にｐHが低下して酸性の環境を作り出す。その結果、酸性の環境下でβ―TCPが溶解して、微量のカルシウムイオンとリン酸イオンを溶出徐放して、骨形成の促進に寄与する。
本発明の湿式紡糸法で作製する生分解性繊維に銀イオン含有 β-TCP粒子をフィラーとして含有させると、生分解性樹脂が体内で溶解してｐHが低下して、β-TCPフィラーが酸性の環境下で溶解し、その結果、β-TCP粒子に含有されている銀イオンが溶出して抗菌性を発揮する。これによって、本発明の湿式紡糸法で作製するPDLLGA繊維と銀イオン含有β-TCP粒子を組み合わせて用いることによって、骨再生材料を体内に埋植した後の術後後期における抗菌性の発揮を実現することができる。
本発明の湿式紡糸法では、有機溶媒として用いるアセトンは塩素を含まないので、銀と接触しても塩化銀を生成しない。その結果、β―TCP粒子に含有されるAgイオンがAgClとならずに、Agイオンとして存在するので、Agイオンの抗菌性が発揮できる。また、AgClが生成して光があたることによって黒く変色することもない。
本発明の湿式紡糸法で紡糸された生分解性繊維は、含有されている無機粒子が繊維の表面に樹脂に覆われることなく露出して凹凸形状を形成しているため、人体に投与したときに優れた細胞接着性を発揮する。
図１は、本発明の実施例の湿式紡糸法の概念図を示す。 図２は、本発明の一つの実施態様の湿式紡糸法（良溶媒としてアセトン、第１の貧溶媒としてエタノール、第２の貧溶媒として水を使用）において、紡糸した生分解性繊維の形状を示すSEM写真である。 図３は、本発明の実施例の湿式紡糸法（良溶媒としてアセトン、第１の貧溶媒としてエタノール、第２の貧溶媒として水を使用）において、紡糸した生分解性繊維の表面の凹凸形状を示すSEM写真である。 図４は、本発明において、良溶媒としてアセトン、第１の貧溶媒としてエタノール、第２の貧溶媒として水を用いる場合において各溶媒相互間のハンセン溶解度パラメータの乖離度を示す概念図である。 図４は、本発明の実施例の湿式紡糸法（良溶媒としてアセトン、第１の貧溶媒としてエタノール、第２の貧溶媒として水を使用）に用いる湿式紡糸装置を示す概念図である。
定義
以下、本発明の実施態様を図面を参照しながら詳細に説明する。
定義
＜PLLGA樹脂＞
本発明においてPLLGA樹脂とは、Ｌ体のみを含む乳酸とグリコール酸の共重合によって合成されたＰＬＧＡ樹脂をいう。PLLAとPGAの重合比率が85:15のものをPLLGA(85:15)と称し、PLLAとPGAの重合比率が75:25のものをPLLGA(75:25)と称する。PLLGAはPGAの比率を高めることによって分解性を高めることができる。PLLGAを溶剤で溶かすにはクロロホルム等の塩素系溶剤を用いることが必要である。
＜PDLLGA樹脂＞
本発明においてPDLLGA樹脂とは、Ｄ体とＬ体を含む乳酸とグリコール酸の共重合によって合成されたＰＬＧＡ樹脂をいう。PLGAの合成に用いられる乳酸には、結晶性のL体と光学異性体であるアモルファス性のD体とが存在し、PLAにはL体のみからなるポリ（L－乳酸）（PLLA）とL体とD体を含むポリ（D―乳酸）（PDLLA）が存在する。PDLLAとPGAの重合比率が75:25のものをPDLLGA(75:25)と称する。このPDLLAとPGAの共重合体であるPDLLGAはPLGAの中でも、特に高い柔軟性を有する。PDLLGAは、PDLLAとPGAとの重合比率を変化させることによって分解性を制御することが可能である。PDLLGAに含まれるD体の量を数値的に特定するのは困難であるが、本発明において、PDLLGA樹脂に含まれるD体の量は、D体を含むことによって樹脂がアセトンで溶解可能な分解性を有し、かつそれで足りる。
＜湿式紡糸法＞
本発明において湿式紡糸法とは、良溶媒と呼ばれる有機溶剤の脱離と貧溶媒の侵入の相互拡散によって繊維の形に固化させる方法をいう。良溶媒と貧溶媒の選択がポリマーの固化速度や溶媒の相互拡散に影響し、この相互拡散の速度のバランスが得られる繊維の形態を決める。本発明の湿式紡糸法の好ましい実施態様では、リン酸カルシウム粒子を含むPDLLGA樹脂を繊維化して綿形状を形成するための条件設定と改良がなされている。
＜良溶媒＞
本発明において良溶媒とは、生分解性樹脂とリン酸カルシウム粒子の混合物を溶解して紡糸溶液を調製するために用いられる溶剤をいう。クロロホルム等の塩素系の有機溶剤は、樹脂を溶解する力に優れるが、毒性がある。アセトンは、溶解性の点でクロロホルムに劣るが塩素を含まないので、生体に対する安全性に優れる。本発明で用いるPDLLGA樹脂は、クロロホルム等の塩素系有機溶剤毒性を用いる必要がなく、安全性の高い非塩素系溶剤であるアセトンを用いることができる。
本発明において紡糸溶液を調製するにあたって、無機フィラー粒子の粒径が４μｍ程度である場合には、良溶媒の量は無機フィラー粒子と生分解性樹脂の混合物の重量１に対する比率が１：０．７～１．３の量が好ましい。さらに好ましくは両者が略１：１の比率とする。本発明の発明者等が実施した実験では、試料（無機フィラー粒子と生分解性樹脂の混合物）１に対する良溶媒（アセトン）の重量の比率が１．３より多くなると、粒子がシリンジ中で沈みやすくなり、射出初期と後期で分散されている無機粒子（β-TCP）の量が変わってきて製品として不均質となる。逆に、良溶媒（アセトン）の量が０．７より少ないと、ノズルの吐出口から押し出すのが困難になる。試料（β-TCPとPDLLGA樹脂の混合物）に対する良溶媒（アセトン）の量が重量比１：０．７～１．３の範囲内であると、吐出口から紡糸溶液を押し出して、貧溶媒中で繊維化することができた。
無機フィラー粒子の粒径が０．３～０．５μｍ程度である場合には、良溶媒の量は無機フィラー粒子と生分解性樹脂の混合物の重量１に対する比率が１：１．１５～１．４０の量が好ましい。本発明者の発明者等が粒子径０．４μｍのβ-TCP粒子を用いて行った実験によると、試料１に対してアセトンの量が重量比で１．１だと紡糸溶液をシリンジからポンプで押出すのが困難になった。逆に、試料１に対してアセトンの量が重量比で１．４５だと時間の経過と共に溶液中でβ-TCP粒子が沈降・分離してしまった。
＜貧溶媒＞
本発明において貧溶媒とは、生分解性樹脂を溶かさない溶媒として凝固浴液に用いられる。貧溶媒とは、講学上、特定の物質-溶媒系で溶質-溶媒間の相互作用(自由エネルギー)が溶質-溶質間，溶媒-溶媒間の相互作用の算術平均より小さいとき，この溶媒をこの溶質に対して貧溶媒であるというが、本発明の方法に用いる貧溶媒は、溶解パラメータを指標として、有機溶媒との相互拡散のバランスを考慮して選択される。本発明では、生分解性樹脂としてPDLLGAを用いる場合には、PDLLGAが不溶であるエタノール又は水を好適に用いることができる。
＜Hansen溶解パラメータ値の乖離度＞
本発明の方法において用いる生分解性樹脂、良溶媒、貧溶媒はHansen溶解パラメータ値の乖離度を指標として選択することができる。良溶媒を用いて生分解性樹脂を溶解して調製した紡糸溶液がノズルの吐出口から繊維状に押し出されて貧溶媒中で固化する速度は、良溶媒がアセトンで貧溶媒がエタノールの場合、アセトンとエタノールの(i) 分極性、(ii) 水素結合性、iii) 分散性の相互作用で決まるHansen溶解パラメータ値（ベクトル値）の乖離度によって決まる。溶質であるポリマーのHansen溶解パラメータ値は良溶媒（例：アセトン）の溶解パラメータ値の近くにあるはずである。２５℃におけるエタノールのHansen 溶解パラメータは２６．５δ[(MPa)1/2]）であり、アセトンのHansen溶解パラメータは２０．０[(MPa)1/2]）であり、両者の乖離度は９．８[(MPa)1/2]である（図４参照）。この乖離度では、ノズル先端で紡糸溶液が急激に固化することがないので、吐出口から押し出された紡糸溶液が詰まりを生じる恐れがない。しかし、エタノールのHansen溶解パラメータ値がアセトンのHansen溶解パラメータ値近いのである程度のポリマーの溶解を許し、繊維状に押し出された紡糸溶液がエタノール中を沈降する過程で繊維の形状を維持できずに、途中でちぎれてしまいやすい。また、エタノールは比重がアセトンとほぼ同じなので、エタノール中で紡糸繊維から脱離したアセトンは、そのまま繊維の近辺にただよって、紡糸繊維を溶かす働きをするので、紡糸溶液の繊維化にとって望ましくないという問題もある。
良溶媒としてアセトンを用いて紡糸溶液を調製し、貧溶媒として水を用いて紡糸溶液をノズルから繊維状に貧溶媒中に押し出すと、水のHansen 溶解パラメータは４７．８δ[(MPa)1/2]であり、アセトンのHansen 溶解パラメータは２０．０δ[(MPa)1/2]）であり、両者の乖離度は３５．７δ[(MPa)1/2]である（図４参照）。PDLLGAに対する水とアセトンのHansen 溶解パラメータの乖離度は、PDLLGAに対するエタノールとアセトンに対する乖離度よりもかなり大きい。その結果、ノズルから押し出された紡糸溶液は水中で急激に固化するので、射出速度と固化のバランスが合わないと繊維化せずにノズル先端で紡糸溶液が固化して射出できず、繊維化できないことがしばしば生じ、安定的に繊維化させることが難しい。他方、水の比重はアセトンよりかなり大きいので紡糸溶液から溶出したアセトンは容器の底には溜まらず、上面付近に浮いてくる。良い条件が選ばれて紡糸できた際には、繊維同士が再度アセトンによりくっつくなどのことは起こらず、長い連続的な繊維が可能である。本発明の発明者等は、以上の挙動を熟考して鋭意検討を続け、長く安定的に紡糸でき、かつ得られる繊維同士が独立してしなやかな綿形状となるように、良溶媒とのHansen溶解パラメータの乖離度が小さい貧溶媒に紡糸溶液を射出し、続いてまだ完全に固化しない内に同乖離度が前者より大きな貧溶媒に進入させて固化させるという、新規な湿式紡糸法を発明するに至った。
実施例１（貧溶媒としてエタノール／水を用いる）
以下に示す材料及び装置を使用した。
・β型リン酸三カルシウム（Ca3(PO4)2）：太平化学産業株式会社β-ＴＣＰ－１００。
粒径１．７ｍｍ以下のものを４μｍ程度に粉砕したもの（β―ＴＣＰ粉砕品）を用いた。
・PDLLGAとしてPDLLA:PGA（75:25）：PURASORB PDLG7507、Corbion Puracを用いた。
・エタノール：キシダ化学一級 純度99.5％
・アセトン：和光純薬 試薬特級純度99.5+％
・水：精製水
・紡糸溶液押出用入射ノズル：テルモ注射針２７G（内径０．２ｍｍ、外径０．４ｍｍ）
円筒形状のコレクター容器（図１参照）を蒸留水で一定の高さまで満たした後、静かにエタノールを注いだ。エタノールの比重は、７８９kg/m3（２０℃）であり水より小さいので、静置しておけば水とエタノールは混じり合うことはない。
１．紡糸溶液の調製
β-TCPとPDLLGAを7:3の重量比で混合し、アセトンに溶解させ、一晩混合し、ポリマー濃度２０％の紡糸溶液を調製した。
２．紡糸条件
湿式紡糸装置の入射針（テルモ注射針２７G）をコレクター容器に垂直下方向に向けて設置して、押出速度 ３ｍｌ／ｈでコレクター容器のエタノール中に押し出した。
３．紡糸溶液の繊維化
i) シリンジから押し出された紡糸溶液は、ノズルの吐出口で詰まりを生じることなくコレクター容器のエタノール中に繊維状に入射した。
ii) エタノールに入射した繊維状紡糸溶液は表面が固化し、内部まで完全にアセトンが抜ける前にコレクター容器のエタノールの下に満たされた水に入射し、水中を通過してコレクター容器の底に溜まった（図２参照）。
４．綿形状物の回収
コレクター容器の底に浮遊堆積してたまった繊維を水で洗浄し、さらに、溶媒を除去するために一晩保持した。その後吸水シートを用いて水を除去し、常温乾燥して綿形状のサンプルを得た。
５．得られたサンプルの繊維の性状
i) 繊維の径は、約１３０μｍで、繊維の断面は略楕円形状であった。
ii) 繊維の表面にはβ－TCP粒子が露出して凹凸形状を形成していた（図３参照）。
発明者等は、繊維表面に露出したβ－TCP粒子が樹脂層によって覆われているかどうかを、サンプルを塩酸に浸漬することによって確認した（繊維の表面のβ－TCP粒子が樹脂層によって覆われていればβ－TCP粒子は塩酸によって溶かされることはない）ところ、サンプルの繊維の表面に露出したβ－TCP粒子は樹脂層によって覆われていないことが判明した。
実施例２（貧溶媒としてアセトンと水の混合液／水を用いる）
以下に示す材料及び装置を使用した。
・β型リン酸三カルシウム（Ca3(PO4)2）：太平化学産業株式会社β-ＴＣＰ－１００。
粒径１．７ｍｍ以下のものを４μｍ程度に粉砕したもの（β―ＴＣＰ粉砕品）を用いた。
・PDLLGAとしてPDLLA：PLGA (75:25) (PURASORB PDLG7507、Corbion Purac)を用いた。
・蒸留水
・アセトン：和光純薬 試薬特級純度99.5+％
・アセトンと水を重量比で８：２に混合し、十分に撹拌したものを第１の貧溶媒として用いた。
・紡糸溶液押出用入射ノズル：テルモ注射針２７G（内径０．２ｍｍ、外径０．４ｍｍ）
・第１の貧溶媒（アセトン：水＝８：２の混合溶媒）容器：直径１５mm、高さ５０mmの円筒を用いた。
・第２の貧溶媒（水）容器：直径９０ mm、高さ３００mmの円柱型容器を使用した。第１の貧溶媒容器（筒状）と第２の貧溶媒容器（円柱状）とをクランプで固定した。
第２の貧溶媒容器を蒸留水で満たした後、静かにアセトンと水の混合溶媒液を第１の貧溶媒容器に注いだ。比重差により、静置しておけば水と混合溶媒は混じり合うことはなかった。
１．紡糸溶液の調製
β-TCPとPDLLGAを7:3 重量比で混合し、アセトンに溶解させ、一晩混合し、ポリマー濃度２０％の紡糸溶液を調製した。
２．紡糸条件
注射針（口径２７G）を垂直下方向に向けて設置して、押出速度 ３ｍｌ／ｈでエ第１の貧溶媒（アセトンと水）中に押出した。
３．紡糸溶液の繊維化
i) シリンジから押し出された紡糸溶液は、ノズルの吐出口で固化して詰まりを生じることなくコレクター容器の第１の貧溶媒（アセトンと水）中に繊維状に入射した。
ii) 第１の貧溶媒（アセトンと水）に入射した繊維状紡糸溶液は表面が固化し、内部まで完全にアセトンがぬける前にコレクター容器の下に満たされた第２の貧溶媒（水）に入射し、水中を通過してコレクター容器の底に溜まった（図２参照）。
４．綿形状物の回収
紡糸溶液中の溶媒のアセトンは第１の貧溶媒（アセトンと水の混合溶液）中の低濃度の水と交換されて紡糸溶液表面は固化するが、ノズル先で固化することなくスムーズに流れ出て、内部まで完全に交換される前に第２の貧溶媒の水と接するようになり、そのまま容器の底まで進行して溜まっていった。アセトンの比重が水より小さいので容器の底には溜まらず、上面付近に浮いてくる。その結果、長時間線引きしても繊維同士が再度アセトンによりくっつくなどのことは起こらず、長い繊維が得られた。
湿式紡糸後、繊維を取り出し、吸水シート上で常温乾燥して綿形状の試料を得ることができた。
５．得られたサンプルの繊維の性状
i) 繊維の径は約１１０μｍで、繊維の断面は略円形状であった。
ii) 繊維の表面にはβ－TCP粒子が露出して凹凸形状を形成していた。
発明者等は、繊維表面に露出したβ－TCP粒子が樹脂層によって覆われているかどうかを、サンプルを塩酸に浸漬することによって確認した（繊維の表面のβ－TCP粒子が樹脂層によって覆われていればβ－TCP粒子は塩酸によって溶かされることはない）ところ、サンプルの繊維の表面に露出したβ－TCP粒子は樹脂層によって覆われていないことが判明した。
比較実験１（エタノール１００％）
実験内容：実施例１と同様の条件で、但し貧溶媒としてエタノールのみをコレクター容器に満たして、紡糸実験を実施した。
結果：シリンジに充填した紡糸溶液はノズルの吐出口（２７G）から繊維状にスムーズに押し出すことができたが、エタノール中で繊維形状を維持できずにちぎれてしまうことが頻発した。
比較実験２（水１００％）
実験内容：実施例１と同様の条件で、但し貧溶媒として水のみをコレクター容器に満たして、紡糸実験を実施した。
結果：シリンジに充填した紡糸溶液はノズルの吐出口（２７G）で詰まってしまい、水中に入射できない現象が頻発した。
以上、本発明を紡糸溶液に無機フィラー粒子を含有する実施例に即して説明したが、本発明の2種類の貧溶媒を用いた湿式紡糸法は、綿形状物を作製する場合に限らず、不織布を作製する方法としても用いることも可能である。

Claims (14)

  1. 湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含む生分解性繊維を製造する方法であって、

    無機フィラー粒子と生分解性樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物を混合容器に投入し、

    前記混合物に対して所定の量の良溶媒を前記混合容器に投入し、前記生分解性樹脂を前記良溶媒に溶解させて攪拌することによって、前記無機フィラー粒子が溶液中に分散した紡糸溶液を調製し、

    前記調製した紡糸溶液を湿式紡糸装置のシリンジに充填し、

    前記シリンジに充填された前記紡糸溶液を所定の径を有する入射針の吐出口から押し出してコレクター容器中に出射し、前記コレクター容器には、溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して第１の乖離度を有する第１の貧溶媒と、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく尚且つ溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して前記第１の乖離度よりも大きい第２の乖離度を有する第２の貧溶媒が上下二層になって満たされており、

    前記吐出口から押し出された紡糸溶液は自重により前記コレクター容器中の前記第１の貧溶媒に繊維状に入射し、前記第１の貧溶媒の液中に繊維状に入射された紡糸溶液の表面が前記良溶媒の脱離と前記第１の貧溶媒の侵入の相互拡散によって固化され、

    次いで、前記表面が固化された繊維状の紡糸溶液は自重により前記コレクター容器の前記第１の貧溶媒の下に満たされた前記第２の貧溶媒中に連続的に入射し、

    前記第２の貧溶媒の中に入射した前記繊維状の紡糸溶液は、前記第２の貧溶媒の中で前記良溶媒の脱離と第２の貧溶媒の侵入の相互拡散を紡糸溶液の内部まで進行させることによってさらに固化して繊維化され、前記固化した繊維は前記第２の貧溶媒中で繊維同士が接着することなく連続的な長繊維となって前記コレクター容器の底に浮遊堆積し、

    前記コレクター容器の底に堆積した繊維を前記コレクター容器から取り出して乾燥させる、

    前記湿式紡糸法を用いて無機フィラー粒子を含む生分解性繊維を製造する方法。
  2. 前記生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がエタノールであり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がアセトンと水の混合溶液であり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項１に記載の方法。
  4. 前記無機フィラー粒子と生分解性樹脂の混合物に対して加える良溶媒の量は、前記シリンジ内で無機フィラー粒子が溶液中に沈んでしまうことなく均一に拡散し、尚且つ紡糸溶液を前記入射針から貧溶媒中に押し出すことによって貧溶媒中で繊維化することができる量に調整されている請求項１又は２に記載の方法。
  5. 前記コレクター容器から取り出して乾燥して得られた繊維の外径は８０～２００μｍである、請求項１又は２に記載の方法。
  6. 前記入射針の吐出口の口径は０．１７～０．２１ｍｍ（２７Ｇ）であり、前記コレクター容器から取り出して乾燥して得られた繊維の外径は１００～１５０μｍである、請求項１又は２に記載の方法。
  7. 前記無機フィラー粒子はカルシウム塩粒子である、請求項１又は２に記載の方法。
  8. 湿式紡糸法を用いて製造された綿形状の骨再生材料であって、前記綿形状の骨再生材料は、

    カルシウム塩粒子と生分解性樹脂を重量比５０－８０：５０－２０の割合で混合した混合物を混合容器に投入し、

    前記混合物に対して所定の量の良溶媒を前記混合容器に投入し、前記生分解性樹脂を前記良溶媒に溶解させて攪拌することによって、前記カルシウム塩粒子が溶液中に分散した紡糸溶液を調製し、

    前記調製した紡糸溶液を湿式紡糸装置のシリンジに充填し、

    前記シリンジに充填された前記紡糸溶液を所定の径を有する入射針の吐出口から押し出してコレクター容器中に出射し、前記コレクター容器には、溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して第１の乖離度を有する第１の貧溶媒と、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく且つ溶解パラメータ値が前記良溶媒に対して前記第１の乖離度よりも大きい第２の乖離度を有する第２の貧溶媒が上下二層になって満たされており、

    前記吐出口から押し出された紡糸溶液は前記コレクター容器中の前記第１の貧溶媒に繊維状に入射し、前記第１の貧溶媒の液中に繊維状に入射された紡糸溶液の表面は前記良溶媒の脱離と第１の貧溶媒の侵入の相互拡散によって固化され、

    次いで、前記表面が固化した紡糸溶液は、前記コレクター容器の前記第１の貧溶媒の下に満たされた前記第２の貧溶媒中に連続的に入射し、

    前記第２の貧溶媒の中に入射した前記紡糸溶液は、前記第２の貧溶媒の中で前記良溶媒の脱離と第２の貧溶媒の侵入の相互拡散を紡糸溶液内部まで進行させることによってさらに固化して繊維化され、前記固化した繊維は第２の貧溶媒中で繊維同士が接着することなく連続的な長繊維となって前記コレクター容器の底に綿状に浮遊堆積し、

    前記コレクター容器の底に綿状に堆積した繊維を前記コレクター容器から取り出して乾燥させる、という工程によって製造される、

    前記綿形状の骨再生材料。
  9. 前記生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がエタノールであり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項８に記載の骨再生材料。
  10. 前記生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がアセトンと水の混合溶液であり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項８に記載の骨再生材料。
  11. 前記カルシウム塩粒子と生分解性樹脂の混合物に対して加える良溶媒の量は、前記シリンジ内で前記カルシウム塩粒子が溶液中に沈んでしまうことなく均一に拡散し、尚且つ紡糸溶液を前記入射針から貧溶媒中に押し出すことによって貧溶媒中で繊維化することができる量に調整されている請求項８又は９に記載の骨再生材料。
  12. 改良された湿式紡糸法に用いる湿式紡糸法装置であって、前記装置は、

    紡糸溶液を注入するシリンジと、前記シリンジの端部に接続されて、先端に吐出口を備えたノズルと、コレクター容器を備え、

    前記コレクター容器は、
    前記ノズルの吐出口から押し出された紡糸溶液を第１の貧溶媒中に入射して通過させるための射出部と

    前記射出部を通過した紡糸溶液を前記射出部の下に隣接し、前記第１の貧溶媒よりも比重が大きく、かつ前記紡糸溶液に含まれる良溶媒との溶解パラメータ値の乖離度が前記第１の貧溶媒よりも大きい第２の貧溶媒中に入射させて固化するための繊維固化部と、

    前記繊維固化部の下に隣接し、前記繊維固化部を通過して固化した繊維を前記コレクター容器の底に綿状に浮遊堆積させて回収するための繊維回収部を有し、

    前記繊維固化部と前記繊維回収部は分離可能に接続されており、前記繊維回収部の底に前記固化した繊維が浮遊堆積した後に前記繊維回収部を前記繊維固化部から分離することによって、前記コレクター容器の底に堆積した繊維を回収することができる、
    前記改良された湿式紡糸法に用いる湿式紡糸法装置。
  13. 前記紡糸溶液に含まれる生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がエタノールであり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項１２に記載の湿式紡糸法装置。
  14. 前記紡糸溶液に含まれる生分解性樹脂がPDLLGAであり、前記良溶媒がアセトンであり、前記第１の貧溶媒がアセトンと水の混合溶液であり、前記第２の貧溶媒が水である、請求項１２に記載の湿式紡糸法装置。
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