JPS6245637A - 多孔質ポリビニルアルコ−ル含水ゲル微小球 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［工業上の利用分野］ 本発明は、高強度・高含水率でしかも多孔質なＰＶＡゲ
ルの微小球、およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 含水ゲルとは、水に溶けずに水を包含しているゲルであ
る。そうした含水ゲルは古くから知らているが、近年、
機能性材料に対する関心が高まるとともにその性質が注
目されるようになってきている。例えば、ソフトコンタ
クトレンズとか医薬の徐放性担体のような医用材料とし
て用いられている。

医用含水ゲルの高分子素材としては、ポリヒドロキシル
エチルメタアクリレ−１・、ビニルピロリドン−メチル
メタアクリレート共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重
合体、ポリビニルアルコール（Ｆ）ＶＡ）などが知られ
ている。

ＰＶＡのａ原水溶液を室温以下で放置すると粘度が次第
に増大し、ついにはゲル化することはよく知られている
。しかい、その結果溝られるゲルは粘着性を示し、機械
的強度は劣る。

そこでＰＶＡ含水ゲルの機械的強度を向上させるため、
ホルムアルデヒドとかグルタルアルデヒドの架橋剤を用
いて化学的にＰＶＡを架橋させる方法とか、ホウ酸、コ
ンゴーレッド、グリセリンなどの増粘剤を添加してＰＶ
Ａ水溶液をゲル化させる方法、γ線、電子線、紫外線、
などを照射してＰＶＡを架橋する方法、あるいは、チタ
ン、銅、コバルトなどの金属化合物を添加して配位結合
化する方法などが提案されている。しかしながら、これ
らの方法で得られたＰＶＡ含水ゲルは高含水性と高強度
とのバランスがよくない。すなわち、機械的強度を高め
ようとすると含水率が低下し、また含水率を高めようと
すると機械的強度を犠牲にせざるえない。

添加剤を用いずに高含水率を１呆持したままＰＶＡ含水
ゲルの機械的強度を高める試みとして、ＰＶＡ濃厚水溶
液を低温にて短時間で凍結し、ついで室温にて短時間で
解凍する方法が提案されている（特開昭５０−５２２９
６号公報）。しかし、この方法てえられるＰＶＡ含水ゲ
ルの機械的強度は満足のいくものではなく、しかも水中
に浸漬すると大きく膨潤してしまうという欠点を有して
いる。

一方、ＰＶＡ水溶液を凍結後融解させることなく、部分
的に真空乾燥させる方法も提案されている（特開昭５７
−１３０５４３号公報）。この方法は、ケン１ヒ度９５
モル％以上、粘度平均重合度１．５００以上のＰＶＡ水
溶液を注型したのち一６℃よりも低い温度で凍結成形し
、この凍結成形体を融解させることなく部分的に真空乾
燥をするものである。

また、ＰＶＡ水溶液を凍結および融解を繰り返すことに
よる機械的強度の高い含水ゲルの製造法が提案されてい
る（特開昭６９−５６４４６号公報）。えられた含水ゲ
ルはゴム状の弾性を有し、上記の凍結・部分真空乾燥で
得られた含水ゲルと類１す、した性質を有する。

さらに、上記の凍結体の部分真空乾燥、あるいは、凍結
・融解繰り返し方法の改良法ともいえる、低温結晶化方
法が提案されている（第８３回ポバール会記録、１９３
８．９１）。得られた含水ゲルは上記の凍結体の部分真
空乾燥、あるいは凍結・融解繰り返し法で得らえれる含
水ゲルの物性、すなわち、高弾性率でしかも高含水率と
いう特性を有していると同時に、その含水ゲルの構造も
類似しており多孔質という特徴をもっている。

この多孔質構造は、ＰＶＡ水溶液を凍結させることによ
り、高分子相と氷相が相分離を起こすため生じる。従っ
て、上記の３つの方法によりあたえられる高弾性率・高
含水率ＰＶＡゲルの構造は、臨界点乾燥法により作成し
たゲル試料の走査型電子顕微鏡観察によると、約３μ以
上の孔径をもつ多孔性を有する。しかし、これら特許で
の製造方法において、板状、円筒状あるいは球状（４ｍ
　ｍ　）の成型体については言及されているものの、１
　ｒｎｍ以下の微小球については述べられておらず本発
明の製法についても全く言及されていない。

高分子微小球は、その粒子表面積が大きいこととか表面
に種々の官能基をｆ１与できるため、酵素とか細胞の固
定化担体としての利用あるいは抗体を結合した免疫微小
球として細胞の識別・分離、診断等への生医学的応用に
期待されている。これらの目的に用いられる疎水性高分
子化合物とじてはボメタクリル酸メチル、ポリスチレン
などてあり、一方、親水性高分子化合物としてはポリメ
タクリ酸２−ヒドロキシルエチル、ゼラチン、ポリビニ
ルアルコールなどが知られている。しかし、これら親水
性高分子からの微小球の！！造において、架橋剤の添加
が必須となっている。これらの架橋剤は生体とか酵素に
とって毒性を示すものがほとんどである。

ＰＶＡｍ小球ゲルについては既に知られている（人工臓
器１３巻２号９９３頁１９８４年）。しかし、この微小
球ゲルの詳細な製法は明らかでないが、走査型顕微鏡に
よる表面構造は平滑であり、本発明のように多孔質構造
ではなく、従って、含水率も高くないうえに機械的強度
も低いものである。一方、ＰＶＡマイクロカプセルの製
法も既に知られている（特開昭５５−１５６８１号公報
）。

このＰＶＡマイクロカプセルも製造において架橋剤が使
用されており、また、表面も平滑で機械的強度の低いも
のである。表面が平滑であると表面積に限界があり、ま
た、機械的強度が低いと反応器の充填＄を上げることが
できない等の欠点が生じろ。さらに、架橋剤の使用が必
須なため、残留架橋剤の生体、酵素、細胞等への毒性の
問題が残されろ。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明者らは、従来のＰＶＡ微小球の欠点、とくに表面
積の限界と低復械的強度、さらに製造時における架橋剤
の使用の問題等を解決するべく鋭意研究を重ねた結果、
ＰＶＡ水溶液を水と混和しない有ｎ溶媒とか油などの分
散剤中に攪拌下で注入し、水滴状態を（采ったまま、凍
結・低温結晶化させることにより、高強度・高含水率で
かつ多孔質のＰＶＡ水溶液小球の得られることを見出し
、本発明を完成するに至った。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、改正が０．１μｍ〜ｌｒｒｔｍの範囲、多孔
質の孔径が０．０１μｎ〕〜５０　）Ｊ、　ｍの範囲、
圧縮強度がｌ０Ｋｇ／ｃｍ２以上でしかも含水率が４０
〜９５盃量％の範囲である高強度、高含水率、多孔ｌＰ
ＶＡゲル微小球に関する。かかる高強度、高含水率でし
かも多孔質であるＰＶＡゲル微小球は、ＰＶＡ水溶液を
水と混和しない有機溶媒や油などの分散剤中に攪拌下で
注入し、水滴状態を保ったまま、凍結・結晶化させるこ
とにより得ることができる。

［作用コ 本発明の多孔ｌＰＶＡＰＶＡゲル微小球性および機械的
強度のいずれにもすぐれたものである。

かかる、すぐれた多孔質ゲル微小球が得られる理由は、
まず水と混和しない有機溶媒あるいは油などの分散剤中
で水滴状態に保たれたＰＶＡ水溶液が、氷点以下で凍結
することにより、ＰＶＡ０高分子相と氷相とに分離して
相分離構造体が形成され、その結果ＰＶＡ分子鎖の局所
濃度が高まるとともにＰＶＡ分子鎖間で二次結合が生じ
て結晶核が形成されるためと考えられる。ついで、この
凍結体を０〜１０℃にて１０時間以上放置すると、氷相
の解凍と同時にＰＶＡの結晶化が進み、その際形成され
る微結晶が架橋点となって、それらの間隙に氷相が充填
しているものと考えられる。

［実施例コ 本発明に用いるＰＶＡは、ケン化度９５モル％以上、好
ましくは９７モル％以上、とくに９９モル％以上のもの
が好ましい。これより低いケン化度、たとえば８５モル
％以下では軟弱なゲルが得られるにすぎない。平均重合
度は粘度平均で１゜０００以上とくに、１．７００以上
のものが好ましい。ＰＶＡの重合度が低下するとともに
、得られるゲルの強度も低下するため、通常市販されて
いる重合度１．７００〜２．０００程度のものでよい。

しかし、強度、含水率ならびに耐熱水性を高める必要の
ある場合は、３，０００〜１０，０００の高重合度ＰＶ
Ａ、あるいはシンジオタクト構造やアイソタクト構造に
冨むＰＶＡを１吏用するのが好ましい。

本発明において用いられろ水と混和しない有機溶媒が炭
化水素類（石油エーテル、リグロイン、ヘキサン、ヘン
ゼン、トルエンなど）、エーテル類（エチルエーテルな
ど）、ハロゲン化物（塩化メチレン、トリクロルエチレ
ン、四塩化炭素など）、また油として動植物の脂肪油（
ゴマ油、カカオ油、綿実油、オリーブ油、ヒマシ油）、
シリコーン油、流動パラフィンなどである。

本発明においては、まずＰＶＡ水溶液を調製するのであ
るが、ＰＶＡ濃度としては目的とずろ強度や含水率に応
じて５〜４０重層％の範囲に′Ａ製するのがよい。この
ような濃厚溶液の調製は、一般にＰＶＡを加熱溶解させ
ることにより行なわれるが、単に攪拌下での加熱あるい
はオートクレーブや電子レンジを用いてもよい。

完全に溶解させたＰＶＡ水溶液を攪拌下で水と混和しな
い有機溶媒あるいは油などの分散剤中に注入することに
より、水滴状態を形成させるのであるが、この水滴サイ
ズが最終生成ゲル微小球のサイズにほぼ一致するので、
目的に応じて水滴サイズを調製する必要がある。この水
滴サイズは、ＰＶＡ水溶液の粘度と攪拌速度て制御する
ことができろ。攪拌速度は通常２００〜２００ＯＲＰＭ
であるがＰ　Ｖ　Ａ水溶液の粘度が高い場合２０００Ｐ
ＰＭ以上の撹拌速度が好ましい。さらに、１μｍ１１前
後の微小球を作成する場合に：ま超音波ホモジナイザー
を用いるのが奸才Ｖノい。

水と混和しない有機溶媒あるいは浦などの分散剤中で、
ＰＶＡ水溶液を水滴状態に１７ったまま、氷点以下に凍
結さＵ゛る。凍結温度はＰＶＡ水溶液が充分に凍結しさ
えずればよく、−５℃以下が好ましいが、充分に凍結す
るのに要する時間の点から、とくに−２０℃ておこなう
のが好ましい。また凍結時間は５時間以上、通常は１０
−２４時間である。この凍結操作により水が氷結し、Ｐ
　Ｖ　Ａの高分子相が分離して相分離構造体が得られる
。

ついて凍結相分離構造体を０〜１０℃に放置し、ＰＶＡ
をさらに結晶化させて最（冬ゲル微小球を得るのである
が、放置時間は１０時間以上が好ましい。放置時間が１
０時間より短かい場合には結晶化が不充分であり、高強
度のゲルは得られない。

さらに機械的強度を高めたい場合には、凍結部分脱水操
作、あるいは凍結・融解反復操作を行ってもよい。

ゲル微小球の生成後、水と混和しない有機溶媒あるいは
油の除去は、多量の水中に投入し水洗することによって
行われる。あるいは、ゲル微小球を乾燥することによっ
て除去しそれを再び水中に浸漬させろことにより含水さ
せてもよい。この場合の乾燥処理手段としては風乾だけ
でもよいが真空９２燥を併用ずろと乾燥が単時間で終了
することになる。

この乾燥過程時に結晶化が若干進むため、機械的強度が
それだけ向上し、また温度を上げることによってもさら
に結晶化度を高めることもできる。

しかし、結晶化度が高くなると含水率が逆に低くなるの
で、目的に応じて乾燥・含水工程を数回反復することも
可能である。

さらに、得られた高強度、高含水率、多孔質ＰＶＡゲル
微小球の滅菌および寸法安定性、耐熱性、機械的強度な
どの向上のため、減圧下あるいは窒素、アルゴンなどの
不活性ガス雰囲冥下や水中での放躬線照耐も可能てある
。

本発明の高強度、高含水率多孔質ＰＶＡゲル微小球は使
用目的に応じて要求されろ種々の微小球サイズ、または
多孔質孔径ｆ：調製することができる。また、多孔質Ｐ
ＶＡゲル微小球中に酵素、菌体、あるいは動植物の細胞
、さらに活性炭、シリカ、水酸アパタイト等の微粉末を
（ヒ学薬品や放ｑｔ線、紫外線など全く開用せずに効率
よく簡単に同定化できろ。さらに、多孔質表面に！ｉ　
ＯＨ＆が無数に存在するうえ、多孔質であるので表面積
か極めて大きい。従って、表面ＯＨ基を利用した免疫吸
着材や診断用酵素固定１ヒ＠１本、また、゛微小球中に
固定化することによりバイオテクノロジー用祠料として
、さらに、血液中や体液中の青票の吸着剤として使用す
ることができる。

つぎに実施例をあげて本発明の高強度、高含水率、多孔
質ＰＶＡケル微小球について説明するが、本発明はかか
る実施例のみに限定されるものではない。

［実施例１コ ＰＶＡ（ユニチカ製、ケン化度９９．５モル％、平均重
合度１，７００）に第１表に示すＰＶＡ水溶液になるよ
ううに、オートクレーブ中で１１゛０℃にて２時間加熱
し、ＰＶＡ水溶液を調製した。

ついて得られたＰＶＡ水溶液を第１表に示す分散剤中へ
一定の攪拌下で注入し水滴を形成させた後、−２０℃の
フリーザ中にて１昼夜凍結した後、５℃にて１０時間結
晶化を行った。結晶化終了後、水洗することにより有ｖ
１溶媒あるいは油を多孔質ＰＶＡ微小球から分離除去し
た。

得られた多孔質ＰＶＡゲル微小球につき、つぎの測定条
件で圧縮強度、含水率および平均微小球サイズを調べた
。結果を第２表に示す。

［以下余白コ 第１表 第２表 （圧縮強度） （味）東洋ボールドウィン製、Ｔｅｎ５ｉｌ。

ｎ／Ｕ　ＴＭ−４−１００を用いて圧縮速度１１００ｒ
ｎ／ｍｉｎ、温度２０℃、相対湿度６５％で測定し・た
。尚、試料は微小球であるので、ステンレスｌの試料ホ
ルダー中に微小球試料を充填することにより測定した。

（含水率） 実施例１〜６および比較例１〜３て得られたゲルをトラ
フト中にて１昼夜風乾し、ついて室温真空乾燥を１昼夜
行なって乾燥重辱を測定し・た。

含水時の　乾燥時の ゲル重量　ＰＶＡ重員 含水率（％）＝　　　　　　　　　　　　Ｘ１００含水
時のゲル重量 （微小球サイズ） （株）島：を製作新製、遠心沈降式粒度分イ（Ｆ測定装
置（ＳＡ−ＣＰａ形）を用いて多孔質ｐ　Ｖ　Ａ微小球
の平均サイズを求めた。

［比較例］ 実施例１と同じような条件でＰＶＡ水溶液を調製した後
、第１表に示す分散剤中へＰＶＡ水溶液を滴下し水滴を
形成させた後、−２０℃のフリーザ中にて１昼夜凍結し
、５℃における結晶化を行なわず、すばやく室温にて解
凍を行なった。解凍後、水洗することにより有機溶媒あ
るいは油をＰＶＡ微小球から分離除去した。

得られたＰＶＡ微小球の物性値を実施例１と同様な方法
ζごて測定しその結果を第２表に示す。

［実施例２］ 第１表の実施例実験番号３で冴られた多孔質ＰＶＡゲル
微小球から、臨界点乾燥法により走査型電子顕微鏡写真
用の試料を作製し、その表面状態を走査型電子顕微鏡で
観察した。その走査型電子１１ＪＩ！微鏡写真を第１図
に示す。図から明らかなごとく、ＰＶＡゲル微小球は多
孔性を示し、その孔径がｌＯμｍ程度で微小球全体に密
に存在している。

［発明の効果］ 本発明のＰＶＡゲル微小球は、高強度、高含水率である
うえに、多孔質であるので、従来のＰ■Ａマイクロカプ
セルの工業用途のほか、バイオテクノロジー用担体とし
てきわめて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例２で製造した多孔質ＰＶＡゲル微小球の
表面構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。 特許出願人　　　　株式会社バイオマテリアル・ユニバ
ース 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）微小球の直径が０．１μｍ〜１ｍｍ、多孔質の孔径
   が０．０１μｍ〜５０μｍ、含水率が４０〜９５重量％
   、および圧縮強度が１０Ｋｇ／ｃｍ＾２以上である高強
   度・高含水率多孔質ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）ゲ
   ル微小球およびその製造法 ２）高強度・高含水率多孔質ＰＶＡゲルの製造が、水と
   混和しない有機溶媒とか油などの分散剤中にＰＶＡ水溶
   液を攪拌下で注入し、水滴状態を保ったままＰＶＡ水溶
   液を氷点以下の低温にて凍結させた後、０〜１０℃の低
   温にて高分子相を結晶化させて得られる特許請求の範囲
   第１項記載の製造方法 ３）水と混和しない有機溶媒が炭化水素類（石油エーテ
   ル、リグロイン、ヘキサン、ベンゼン、トルエンなど）
   、エーテル類（エチルエーテルなど）、ハロゲン化物（
   塩化メチレン、トリクロルエチレン、四塩化炭素など）
   、また油として動植物の脂肪油（ゴマ油、カカオ油、綿
   実油、オリーブ油、ヒマシ油）、シリコーン油、流動パ
   ラフィンである特許請求の範囲第２項記載の製造方法 ４）ＰＶＡがケン化度９５モル％、平均重合度が１００
   ０以上であり、またＰＶＡ水溶液が５〜４０重量％の濃
   度である特許請求の範囲第２項記載の製造法