JPWO2019230968A1 - Hydrogel structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
本発明のハイドロゲル構造体１０は、第１ポリマー１、および第１ポリマー１と絡み合う第２ポリマー２を含有し、第１ポリマー１が、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、第２ポリマー２が、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下の範囲内、およびｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内であり、第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内であることを特徴とする。本発明のハイドロゲル構造体１０は機械的特性が優れている。The hydrogel structure 10 of the present invention contains a first polymer 1 and a second polymer 2 intertwined with the first polymer 1, and the first polymer 1 polymerizes and crosslinks a first monomer to form a first network structure. It is a body, the second polymer 2 is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking the second monomer, and the first monomer has a Q value in the range of 0.001 or more and 0.199 or less, and e. The value is in the range of −8.60 or more and 0 or less, the Q value of the second monomer is in the range of 0.200 or more and 16.000 or less, and the e value is in the range of 0.01 or more and 3.70 or less. It is characterized by being. The hydrogel structure 10 of the present invention has excellent mechanical properties.
Description
本発明は、ハイドロゲル構造体およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogel structure and a method for producing the same.
ハイドロゲルは、複数のモノマーの重合および架橋によって形成される３次元ネットワーク構造を有し、その３次元ネットワーク構造の内部に水などの溶媒を含むものである。そして、モノマーや溶媒の種類に応じて、ハイドロゲルは様々な特性を示す。 The hydrogel has a three-dimensional network structure formed by polymerization and cross-linking of a plurality of monomers, and contains a solvent such as water inside the three-dimensional network structure. The hydrogel exhibits various properties depending on the type of monomer and solvent.
一般的に、ハイドロゲルは、優れた圧縮強度を有するものの、引張強度が低い。そのため、ハイドロゲルについて、引張強度などの機械的な強度を向上させることが求められている。 In general, hydrogels have excellent compressive strength but low tensile strength. Therefore, it is required to improve the mechanical strength such as tensile strength of the hydrogel.
例えば、特許文献１には、第１のモノマー成分を重合し架橋することにより第１の網目構造を形成させる工程と、第１の網目構造中に第２のモノマー成分を導入した後、第２のモノマー成分を重合することにより、第１の網目構造中にポリマーを形成させ、更に架橋することにより、第１の網目構造中に第２の網目構造を形成させる工程とを含む、相互侵入網目構造ハイドロゲルの製造方法が記載されている。特許文献１に記載のハイドロゲルでは、第１のモノマー成分および第２のモノマー成分がそれぞれ網目構造体を形成し、それらの網目構造体が互いに侵入している。 For example, Patent Document 1 describes a step of forming a first network structure by polymerizing and cross-linking a first monomer component, and a second after introducing a second monomer component into the first network structure. Mutual invasion network including a step of forming a polymer in the first network structure by polymerizing the monomer components of the above, and forming a second network structure in the first network structure by further cross-linking. A method for producing a structural hydrogel is described. In the hydrogel described in Patent Document 1, the first monomer component and the second monomer component each form a network structure, and the network structures invade each other.
また、特許文献２には、架橋ポリマーで構成される網目構造に非架橋ポリマーが侵入し物理的に絡み付いたセミ相互侵入網目構造を有するゲルの製造方法が記載されている。特許文献２に記載のゲルでは、一方のポリマーが網目構造体を形成し、他方のポリマーが網目構造体に侵入している。
Further,
このように、特許文献１および２に開示されるハイドロゲル構造体は、網目構造体に他の網目構造体またはポリマーが侵入した構造（以下、「相互侵入網目構造」ともいう。）を有するため、ゲルの機械的強度が増加する。
As described above, the hydrogel structures disclosed in
しかしながら、このような相互侵入網目構造を有するハイドロゲル構造体を製造する場合、使用するモノマー、重合開始剤、架橋剤などの反応性を十分に考慮していなかった。そのため、一方の網目構造体を合成した後に他方の網目構造体を侵入させて合成する、または網目構造体を合成した後にポリマーを網目構造体に侵入させるなど、先の作業を完了してから次の作業を行う必要があった。 However, when producing a hydrogel structure having such an interpenetrating network structure, the reactivity of the monomer, polymerization initiator, cross-linking agent and the like to be used has not been sufficiently considered. Therefore, after completing the previous work, such as synthesizing one network structure and then invading the other network structure for synthesis, or synthesizing the network structure and then invading the polymer into the network structure, the next step is performed. I had to do the work.
具体的には、はじめの網目構造体を合成した後、未反応のモノマーを除去するために、何度も溶媒を交換したり、次の工程で用いる溶媒で網目構造体を浸漬させたりする作業を行っていた。さらに、この作業を行っているときにもゲル化が進行するため、ハイドロゲル構造体の最終生成物を設計通りの形状や大きさに製造することは困難であった。 Specifically, after synthesizing the first network structure, the work of exchanging the solvent many times or immersing the network structure with the solvent used in the next step in order to remove the unreacted monomer. Was going. Further, since gelation proceeds even during this work, it is difficult to produce the final product of the hydrogel structure in the shape and size as designed.
このような観点から、上記のような煩雑な作業を行わずにハイドロゲル構造体を製造できる簡便な方法が求められている。しかしながら、任意に選択したモノマーを用いて一度に合成を行うと、機械的強度の低いハイドロゲル構造体が形成されることがある。このようなハイドロゲル構造体は機械的に脆いので、簡便な製造方法を用いた場合であっても、機械的強度の高いハイドロゲル構造体を製造できることが望まれている。 From this point of view, there is a demand for a simple method capable of manufacturing a hydrogel structure without performing the above-mentioned complicated work. However, when the synthesis is carried out at one time using an arbitrarily selected monomer, a hydrogel structure having low mechanical strength may be formed. Since such a hydrogel structure is mechanically brittle, it is desired that a hydrogel structure having high mechanical strength can be produced even when a simple production method is used.
本発明の目的は、機械的特性に優れるハイドロゲル構造体、および、かかるハイドロゲル構造体を簡便に製造できるハイドロゲル構造体の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a hydrogel structure having excellent mechanical properties and a method for producing a hydrogel structure capable of easily producing such a hydrogel structure.
本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
［１］第１ポリマー、および前記第１ポリマーと絡み合う第２ポリマーを含有するハイドロゲル構造体であって、前記第１ポリマーが、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、前記第２ポリマーが、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、前記第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下の範囲内、およびｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内であり、前記第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内であることを特徴とするハイドロゲル構造体。
［２］前記第１モノマーは、Ｑ値が０．０２０以上０．１７０以下の範囲内、およびｅ値が−１．７０以上−０．８０以下の範囲内であり、前記第２モノマーは、Ｑ値が０．３２０以上１．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．５０以上０．９０以下の範囲内である上記［１］に記載のハイドロゲル構造体。
［３］第１ポリマー、および前記第１ポリマーと絡み合う第２ポリマーを含有するハイドロゲル構造体であって、前記第１ポリマーが、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、前記第２ポリマーが、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、前記第１モノマーが、Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカプロラクタム、Ｎ−メチル−Ｎ−ビニルアセトアミド、Ｎ−アリルステアルアミド、Ｎ，Ｎ−メチルビニルトルエンスルホン酸アミド、プロピオン酸ビニル、１−ビニルイミダゾール、酪酸ビニル、酢酸ビニル、けい皮酸ビニル、安息香酸ビニル、ビニルイソシアネート、ビニルエチルエーテル、およびビニルオクタデシルエーテルの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物であるハイドロゲル構造体。
［４］前記第２モノマーが、エチルアクリレート、アクリル酸ブチル、アクリル酸メチル、２−エチルヘキシルアクリレート、α−クロロアクリル酸メチル、アクリルアミド、α−アセトキシアクリル酸エチル、α−シアノアクリル酸メチル、２−クロロエチルアクリレート、メタクリロニトリル、メタクリル酸、ヘキサフルオロブタジエン、イタコン酸ジメチルおよびα−ブロモアクリル酸の群から選択される１つまたは２つ以上の化合物である上記［３］に記載のハイドロゲル構造体。
［５］前記第１網目構造体と前記第２網目構造体との間に、前記第１網目構造体と前記第２網目構造体とを化学的または物理的に結合させる架橋部が存在する上記［１］〜［４］のいずれか１項に記載のハイドロゲル構造体。
［６］前記架橋部が、前記第１モノマーから水素原子の１つを除いた第１官能基、および前記第２モノマーから水素原子の１つを除いた第２官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤により形成されてなる上記［５］に記載のハイドロゲル構造体。
［７］前記架橋部が、第３官能基および第４官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤により形成されてなり、前記第３官能基が下記式（１−１）または式（１−２）で表される構造であり、前記第４官能基が下記式（２）で表される構造である上記［５］に記載のハイドロゲル構造体。
［８］上記［１］〜［７］いずれか１項に記載のハイドロゲル構造体の製造方法であって、前記第１モノマーと、前記第２モノマーと、前記第１モノマーおよび前記第２モノマーを重合および架橋させる重合開始剤とを含む溶液を調製する調製工程と、前記溶液を加熱してゲル化する加熱工程とを有することを特徴とするハイドロゲル構造体の製造方法。
［９］前記調製工程で調製する前記溶液は、前記第１モノマーから水素原子の１つを除いた第１官能基、および前記第２モノマーから水素原子の１つを除いた第２官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤をさらに含む上記［８］に記載のハイドロゲル構造体の製造方法。
［１０］前記調製工程で調製する前記溶液は、第３官能基および第４官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤をさらに含み、前記第３官能基が下記式（１−１）または式（１−２）で表される構造であり、前記第４官能基が下記式（２）で表される構造である上記［８］に記載のハイドロゲル構造体の製造方法。
［１１］前記調製工程および前記加熱工程をワンポットで行う［８］〜［１０］のいずれか１項に記載のハイドロゲル構造体の製造方法。The gist structure of the present invention is as follows.
[1] A hydrogel structure containing a first polymer and a second polymer that is entangled with the first polymer, wherein the first polymer is a first network structure obtained by polymerizing and cross-linking a first monomer. Yes, the second polymer is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking the second monomer, and the first monomer has a Q value in the range of 0.001 or more and 0.199 or less, and an e value. Is in the range of −8.60 or more and 0 or less, and the second monomer has a Q value in the range of 0.200 or more and 16.000 or less, and an e value in the range of 0.01 or more and 3.70 or less. A hydrogel structure characterized by being.
[2] The first monomer has a Q value in the range of 0.020 or more and 0.170 or less, and an e value in the range of -1.70 or more and −0.80 or less. The hydrogel structure according to the above [1], wherein the Q value is in the range of 0.320 or more and 1.000 or less, and the e value is in the range of 0.50 or more and 0.90 or less.
[3] A hydrogel structure containing a first polymer and a second polymer entangled with the first polymer, wherein the first polymer is a first network structure obtained by polymerizing and cross-linking a first monomer. Yes, the second polymer is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking a second monomer, and the first monomer is N-vinylformamide, N-vinylacetamide, N-vinylpyrrolidone, N-vinyl. Caprolactam, N-methyl-N-vinylacetamide, N-allyl stealamide, N, N-methylvinyltoluenesulfonic acid amide, vinyl propionate, 1-vinylimidazole, vinyl butyrate, vinyl acetate, vinyl silicate, benzoate A hydrogel structure that is one or more compounds selected from the group of vinyl acid acid, vinyl isocyanate, vinyl ethyl ether, and vinyl octadecyl ether.
[4] The second monomer is ethyl acrylate, butyl acrylate, methyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, methyl α-chloroacrylate, acrylamide, ethyl α-acetoxyacrylate, methyl α-cyanoacrylate, 2-. The hydrogel structure according to the above [3], which is one or more compounds selected from the group of chloroethyl acrylate, methacrylonitrile, methacrylic acid, hexafluorobutadiene, dimethyl itacone and α-bromoacrylic acid. body.
[5] The bridge portion that chemically or physically bonds the first network structure and the second network structure is present between the first network structure and the second network structure. The hydrogel structure according to any one of [1] to [4].
[6] The crosslinked portion is at least one functional group of a first functional group obtained by removing one hydrogen atom from the first monomer and a second functional group obtained by removing one hydrogen atom from the second monomer. The hydrogel structure according to the above [5], which is formed of a cross-linking agent having a plurality of.
[7] The cross-linked portion is formed of a cross-linking agent having a plurality of functional groups of at least one of a third functional group and a fourth functional group, and the third functional group is the following formula (1-1) or formula (1). The hydrogel structure according to the above [5], which is a structure represented by 1-2) and in which the fourth functional group is represented by the following formula (2).
[8] The method for producing a hydrogel structure according to any one of the above [1] to [7], wherein the first monomer, the second monomer, the first monomer, and the second monomer are used. A method for producing a hydrogel structure, which comprises a preparation step of preparing a solution containing a polymerization initiator for polymerizing and cross-linking the solution, and a heating step of heating the solution to gel.
[9] The solution prepared in the preparation step comprises a first functional group obtained by removing one hydrogen atom from the first monomer and a second functional group obtained by removing one hydrogen atom from the second monomer. The method for producing a hydrogel structure according to the above [8], which further comprises a cross-linking agent having a plurality of at least one functional group.
[10] The solution prepared in the preparation step further contains a cross-linking agent having a plurality of functional groups of at least one of a third functional group and a fourth functional group, and the third functional group is represented by the following formula (1-1). Alternatively, the method for producing a hydrogel structure according to the above [8], which has a structure represented by the formula (1-2) and a structure in which the fourth functional group is represented by the following formula (2).
[11] The method for producing a hydrogel structure according to any one of [8] to [10], wherein the preparation step and the heating step are performed in one pot.
本発明によれば、機械的特性に優れるハイドロゲル構造体、および、かかるハイドロゲル構造体を簡便に製造できるハイドロゲル構造体の製造方法の提供が可能になる。 According to the present invention, it is possible to provide a hydrogel structure having excellent mechanical properties and a method for producing a hydrogel structure capable of easily producing such a hydrogel structure.
以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ハイドロゲル構造体に用いるモノマーや重合開始剤などの原料の反応性を考慮し、各原料の物性について所定の関係を満たすように選択した原料を用いる場合、簡便な製造方法でも、優れた機械的特性、特に高破断強度および高破を有するハイドロゲル構造体が得られることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive research, the present inventors have considered the reactivity of raw materials such as monomers and polymerization initiators used in the hydrogel structure, and selected raw materials so as to satisfy a predetermined relationship with respect to the physical properties of each raw material. When used, it has been found that a hydrogel structure having excellent mechanical properties, particularly high breaking strength and high breaking can be obtained even with a simple manufacturing method, and the present invention has been completed based on such findings.
本実施形態のハイドロゲル構造体は、第１ポリマー、および前記第１ポリマーと絡み合う第２ポリマーを含有し、前記第１ポリマーが、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、前記第２ポリマーが、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、前記第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下の範囲内、およびｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内であり、前記第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内である。 The hydrogel structure of the present embodiment is a first network structure containing a first polymer and a second polymer entangled with the first polymer, wherein the first polymer polymerizes and crosslinks a first monomer. Yes, the second polymer is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking the second monomer, and the first monomer has a Q value in the range of 0.001 or more and 0.199 or less, and an e value. Is in the range of −8.60 or more and 0 or less, and the second monomer has a Q value in the range of 0.200 or more and 16.000 or less, and an e value in the range of 0.01 or more and 3.70 or less. Is.
図１は、本実施形態のハイドロゲル構造体の一例を示す概略図である。なお、図１では、ハイドロゲル構造体を構成する、第１ポリマー１と第２ポリマー２と架橋部３とを視覚的に容易に区別できるようにするため、説明の便宜上、第１ポリマー１を白抜き線、第２ポリマー２を黒塗り線、そして、架橋部３を白抜き線にハッチングしたもので示している。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the hydrogel structure of the present embodiment. In addition, in FIG. 1, in order to make it possible to easily visually distinguish the first polymer 1, the
図１に示すように、ハイドロゲル構造体１０は、第１ポリマー１および第２ポリマー２を含有する。第１ポリマー１と第２ポリマー２とは、互いに絡み合い、複数部分で部分的に結合している。第１ポリマー１が、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、第２ポリマー２が、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体である。
As shown in FIG. 1, the
第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下の範囲内であり、ｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内である。また、第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下の範囲内であり、ｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内である。第１モノマーおよび第２モノマーのＱ値とｅ値とが上記の範囲内であると、第１ポリマー１と第２ポリマー２とが互いに部分的に結合するため、ハイドロゲル構造体１０における破断強度や破断歪みなどの機械的特性を向上させることができる。一方で、第１モノマー１および第２モノマー２のＱ値とｅ値とが上記の範囲外であると、第１ポリマー１と第２ポリマー２とは結合しないので、得られるハイドロゲル構造体の機械的特性を十分に向上させることはできない。
The first monomer has a Q value in the range of 0.001 or more and 0.199 or less, and an e value in the range of −8.60 or more and 0 or less. The second monomer has a Q value in the range of 0.200 or more and 16.000 or less, and an e value in the range of 0.01 or more and 3.70 or less. When the Q value and the e value of the first monomer and the second monomer are within the above range, the first polymer 1 and the
また、第１モノマーは、好ましくはＱ値が０．０２０以上０．１８０以下およびｅ値が−１．８０以上−０．７０以下、より好ましくはＱ値が０．０２０以上０．１７０以下およびｅ値が−１．７０以上−０．８０以下の範囲内である。また、第２モノマーは、好ましくはＱ値が０．２３０以上３．０７０以下およびｅ値が０．３０以上１．２８以下、より好ましくはＱ値が０．３２０以上１．０００以下およびｅ値が０．５０以上０．９０以下の範囲内である。第１モノマーおよび第２モノマーのＱ値とｅ値とが上記の範囲内であると、上記の効果がさらに向上する。 The first monomer preferably has a Q value of 0.020 or more and 0.180 or less, an e value of 1.80 or more and -0.70 or less, and more preferably a Q value of 0.020 or more and 0.170 or less. The e value is in the range of -1.70 or more and -0.80 or less. The second monomer preferably has a Q value of 0.230 or more and 3.070 or less and an e value of 0.30 or more and 1.28 or less, and more preferably a Q value of 0.320 or more and 1.000 or less and an e value. Is in the range of 0.50 or more and 0.90 or less. When the Q value and the e value of the first monomer and the second monomer are within the above range, the above effect is further improved.
ここで、モノマーのＱ値とは、ラジカル重合性モノマーの２重結合とその置換基との共役の程度を表す指標である。また、モノマーのｅ値とは、ラジカル重合性モノマーの２重結合の電子密度の指標である。スチレンを基準（Ｑ値＝１．０、ｅ値＝−０．８）として、様々なモノマーについてのＱ値およびｅ値が実験的に求められている。 Here, the Q value of the monomer is an index showing the degree of conjugate between the double bond of the radically polymerizable monomer and its substituent. The e value of the monomer is an index of the electron density of the double bond of the radically polymerizable monomer. Using styrene as a reference (Q value = 1.0, e value = −0.8), the Q value and e value for various monomers have been experimentally determined.
代表的なモノマーのＱ値およびｅ値は、Ｊ．Ｂｒａｎｄｒｕｐ，Ｅ．Ｈ．Ｉｍｍｅｒｇｕｔ，Ｅ．Ａ．Ｇｒｕｌｋｅ著「ポリマーハンドブック 第３刷（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｄｉｔｉｏｎ）」（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ．、１９９８）などに記載され、これらの値を参照してもよいし、以下の方法によって算出してもよい。 The Q and e values of typical monomers are described in J.I. Brandrup, E.I. H. Immunogut, E.I. A. It is described in "Polymer Handbook Fourth Edition" by Grulke (John Wiley & Sons Inc., 1998), and these values may be referred to or calculated by the following method. ..
モノマーＭ１のＱ１値およびｅ１値を算出する方法として、まず、Ｑ１値およびｅ１値が不明のモノマーＭ１と、Ｑ２値およびｅ２値が既知のモノマーＭ２とを各種モル比Ｆ（＝［Ｍ１］／［Ｍ２］）で重合する。このとき、ガスクロマトグラフィーなどの測定方法から、重合初期における各モノマーの消費量の比ｆ（＝ｄ［Ｍ１］／ｄ［Ｍ２］）を算出する。ここで、Ｆおよびｆは，下記式（Ａ）の関係を満たすため、Ｆ｛（ｆ−１）／ｆ｝を，｛Ｆ（２／ｆ）｝に対してプロットして直線近似することによって得られるグラフについて、その傾きがｒ１であり、縦軸切片が−ｒ２である。 As a method for calculating the Q1 value and the e1 value of the monomer M1, first, the monomer M1 whose Q1 value and the e1 value are unknown and the monomer M2 whose Q2 value and the e2 value are known are subjected to various molar ratios F (= [M1] / Polymerize in [M2]). At this time, the ratio f (= d [M1] / d [M2]) of the consumption of each monomer in the initial stage of polymerization is calculated from a measurement method such as gas chromatography. Here, in order to satisfy the relationship of the following equation (A), F and f are plotted against {F (2 / f)} and linearly approximated by plotting F {(f-1) / f}. The slope of the obtained graph is r1 and the vertical intercept is −r2.
Ｆ｛（ｆ−１）／ｆ｝＝ｒ１｛Ｆ（２／ｆ）｝−ｒ２ 式（Ａ） F {(f-1) / f} = r1 {F (2 / f)} -r2 equation (A)
そして、Ｔ． ＡｌｆｒｅｙおよびＣ．Ｃ．Ｐｒｉｃｅによって提案された下記式（Ｂ）および式（Ｃ）に対して、上記の方法で求めたｒ１、ｒ２、およびモノマーＭ２のＱ２値およびｅ２値を代入することによって、モノマーＭ１のＱ１値およびｅ１値を算出することができる。 And T.I. Alfrey and C.I. C. By substituting the Q2 and e2 values of r1, r2, and the monomer M2 obtained by the above method into the following formulas (B) and (C) proposed by Price, the Q1 value of the monomer M1 and the Q1 value of the monomer M1 and the e2 value are substituted. The e1 value can be calculated.
ｒ１＝（Ｑ１／Ｑ２）ｅｘｐ[−ｅ１（ｅ１−ｅ２）] 式（Ｂ）
ｒ２＝（Ｑ２／Ｑ１）ｅｘｐ[−ｅ２（ｅ２−ｅ１）] 式（Ｃ）r1 = (Q1 / Q2) exp [-e1 (e1-e2)] Equation (B)
r2 = (Q2 / Q1) exp [-e2 (e2-e1)] Equation (C)
上記のＱ値およびｅ値を満たす第１モノマーとしては、例えば、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）(Ｑ＝０．０８〜０．１４，ｅ＝−１．７〜−１．６)、Ｎ−ビニルアセトアミド（ＮＶＡ）(Ｑ＝０．１６，ｅ＝−１．５７)、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカプロラクタム（ＮＶＣＡＰ）(Ｑ＝０．１４，ｅ＝−１．１８)、Ｎ−メチル−Ｎ−ビニルアセトアミド（ＭＮＶＡ）、Ｎ−アリルステアルアミド、Ｎ，Ｎ−メチルビニルトルエンスルホン酸アミド、プロピオン酸ビニル、１−ビニルイミダゾール、酪酸ビニル、酢酸ビニル（ＶＡＣｅ）(Ｑ＝０．０２６，ｅ＝−０．８８)、けい皮酸ビニル（ＶＣｉｎｎ）(Ｑ＝０．１８，ｅ＝−０．７６)、安息香酸ビニル、ビニルイソシアネート、ビニルエチルエーテル、およびビニルオクタデシルエーテルの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物である。上記のＱ値およびｅ値の観点から、第１モノマーは、好ましくはＮＶＦ、ＮＶＡ、ＶＡＣｅ、Ｎ−ビニルピロリドン、ＮＶＣＡＰ、ＭＮＶＡ、安息香酸ビニル、およびビニルイソシアネートの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物であり、より好ましくはＮＶＦ、ＮＶＡ、ＶＡＣｅ、ＮＶＣＡＰ、およびＭＮＶＡの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物である。第１モノマーは、１種のモノマーを単独で用いてもよいし、２種以上のモノマーを併用してもよい。また、ＮＶＦのＱ値およびｅ値は、ビニルカプロラクタム（炭素７個)とビニルピロリドン（炭素５個)のＱ値およびｅ値の相対的な値に基づいて推定した値である。 Examples of the first monomer satisfying the above Q value and e value include N-vinylformamide (NVF) (Q = 0.08 to 0.14, e = -1.7 to -1.6), N-. Vinylacetamide (NVA) (Q = 0.16, e = -1.57), N-vinylpyrrolidone, N-vinylcaprolactam (NVCAP) (Q = 0.14, e = -1.18), N-methyl -N-vinylacetamide (MNVA), N-allylstealamide, N, N-methylvinyltoluenesulfonic acid amide, vinyl propionate, 1-vinylimidazole, vinyl butyrate, vinyl acetate (VACe) (Q = 0.026) , E = -0.88), vinyl silicate (VCinn) (Q = 0.18, e = -0.76), vinyl benzoate, vinyl isocyanate, vinyl ethyl ether, and vinyl octadecyl ether. One or more compounds to be made. From the viewpoint of the above Q value and e value, the first monomer is preferably one or 2 selected from the group of NVF, NVA, VACe, N-vinylpyrrolidone, NVCAP, MNVA, vinyl benzoate, and vinyl isocyanate. One or more compounds, more preferably one or more compounds selected from the group NVF, NVA, VACe, NVCAP, and MNVA. As the first monomer, one kind of monomer may be used alone, or two or more kinds of monomers may be used in combination. The Q value and e value of NVF are values estimated based on the relative values of the Q value and e value of vinylcaprolactam (7 carbons) and vinylpyrrolidone (5 carbons).
上記のＱ値およびｅ値を満たす第２モノマーとしては、アクリレート系モノマーが挙げられ、例えば、エチルアクリレート（ＥＡｃ）(Ｑ＝０．４１，ｅ＝０．５５)、アクリル酸ブチル（ＢＡｃ）(Ｑ＝０．３８，ｅ＝０．８５)、アクリル酸メチル（ＭＡｃ）(Ｑ＝０．４５，ｅ＝０．６４)、２−エチルヘキシルアクリレート、α−クロロアクリル酸メチル、アクリルアミド、α−アセトキシアクリル酸エチル(Ｑ＝０．５２，ｅ＝０．７７)、α−シアノアクリル酸メチル、２−クロロエチルアクリレート、メタクリロニトリル(Ｑ＝０．８６，ｅ＝０．６８)、メタクリル酸(Ｑ＝０．９８，ｅ＝０．６２)、ヘキサフルオロブタジエン(Ｑ＝０．８２，ｅ＝０．５８)、イタコン酸ジメチル(Ｑ＝０．７３，ｅ＝０．５７)およびα−ブロモアクリル酸の群から選択される１つまたは２つ以上の化合物である。上記のＱ値およびｅ値の観点から、第２モノマーは、好ましくはＥＡｃ、ＢＡｃ、ＭＡｃ、α−クロロアクリル酸メチル、アクリルアミド、α−アセトキシアクリル酸エチル、および２−クロロエチルアクリレートの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物であり、より好ましくはＥＡｃ、ＢＡｃ、ＭＡｃ、およびα−アセトキシアクリル酸エチルの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物である。第２モノマーは、１種のモノマーを単独で用いてもよいし、２種以上のモノマーを併用してもよい。 Examples of the second monomer satisfying the above Q value and e value include acrylate-based monomers, such as ethyl acrylate (EAc) (Q = 0.41, e = 0.55) and butyl acrylate (BAc) ( Q = 0.38, e = 0.85), methyl acrylate (MAc) (Q = 0.45, e = 0.64), 2-ethylhexyl acrylate, methyl α-chloroacrylate, acrylamide, α-acetoxy Ethyl acrylate (Q = 0.52, e = 0.77), methyl α-cyanoacrylate, 2-chloroethyl acrylate, methacrylonitrile (Q = 0.86, e = 0.68), methacrylic acid (Q = 0.86, e = 0.68) Q = 0.98, e = 0.62), hexafluorobutadiene (Q = 0.82, e = 0.58), dimethyl itaconate (Q = 0.73, e = 0.57) and α-bromo One or more compounds selected from the group of acrylates. From the viewpoint of the above Q value and e value, the second monomer is preferably selected from the group of EAc, BAc, MAc, methyl α-chloroacrylate, acrylamide, ethyl α-acetoxyacrylate, and 2-chloroethyl acrylate. The compound is one or more, more preferably one or more compounds selected from the group of EAc, BAc, MAc, and ethyl α-acetoxyacrylate. As the second monomer, one kind of monomer may be used alone, or two or more kinds of monomers may be used in combination.
ここで、第１網目構造体の重合度および第２網目構造体の重合度が増加するにつれて、ハイドロゲル構造体１０の機械的特性は向上する。また、第１網目構造体の架橋度および第２網目構造体の架橋度が増加するにつれて、第１網目構造体の網目密度および第２網目構造体の網目密度が高くなるので、ハイドロゲル構造体１０の機械的強度は増加する一方、ハイドロゲル構造体１０の膨潤度は低下する。そのため、ハイドロゲル構造体１０に求められる特性に応じて、第１網目構造体および第２網目構造体の重合度や架橋度は適宜選択される。
Here, as the degree of polymerization of the first network structure and the degree of polymerization of the second network structure increase, the mechanical properties of the
また、第１網目構造体と第２網目構造体との間には、第１網目構造体と第２網目構造体とを化学的または物理的に結合させる架橋部３が存在してもよい。後述する架橋剤を用いてハイドロゲル構造体１０を製造する場合、複数の架橋部３がハイドロゲル構造体１０中に形成され、複数の架橋部３が第１網目構造体と第２網目構造体との間に介在する。この場合、第１網目構造体と第２網目構造体とは、上記の複数の結合部分に加えて、これら複数の架橋部３を介して、互いに結合する。ここで、化学的な結合とは、炭素−炭素結合、エーテル結合、エステル結合、アミド結合などの共有結合やイオン結合、水素結合などの分子間力による相互作用等であり、物理的な結合とは、似た組成の分子構造、化合物などの集合体や分子鎖同士の絡み合いなどである。
Further, between the first network structure and the second network structure, there may be a
架橋部３が増加するにつれて、第１網目構造体と第２網目構造体との結合部分が多くなるので、ハイドロゲル構造体１０の機械的特性は向上する一方、ハイドロゲル構造体１０の膨潤度は低下する。そのため、ハイドロゲル構造体１０に求められる特性に応じて、ハイドロゲル構造体１０に含まれる架橋部３の数が適宜選択される。例えば、ハイドロゲル構造体１０中の架橋部３の数は、ハイドロゲル構造体１０に含まれる架橋部３の質量モル濃度で間接的に算出できる。
As the number of
架橋部３は、第１モノマーから水素原子の１つを除いた第１官能基、および第２モノマーから水素原子の１つを除いた第２官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤により形成されてなる、または後述する第３官能基および第４官能基の少なくとも一方の官能基を複数有する架橋剤により形成されてなる。第１官能基、第２官能基、第３官能基、第４官能基は、それぞれシス型とトランス型とがある。特に、架橋部３は、第１モノマーや第２モノマーとそれぞれ反応速度が同じくらいである架橋剤によって形成されることが好ましく、そのため、架橋剤の構造が、第１モノマーおよび第２モノマーのそれぞれが結合している構造と似ているものを選択することが好ましい。
The
架橋剤としては、例えば、重合性置換基である第１官能基および第２官能基の少なくとも一方の官能基を２つ有する鎖状のモノマー、または重合性置換基である第３官能基および第４官能基の少なくとも一方の官能基を２つ有する鎖状のモノマーである。このような鎖状のモノマーは、その両末端にこれら重合性置換基を１つずつ有する。架橋剤の種類は、第１ポリマー、第２ポリマー、および重合開始剤の種類に応じて、適宜選択される。 Examples of the cross-linking agent include a chain monomer having two functional groups of at least one of a first functional group and a second functional group which are polymerizable substituents, or a third functional group and a third functional group which are polymerizable substituents. It is a chain monomer having two functional groups at least one of the four functional groups. Such a chain-like monomer has one of these polymerizable substituents at both ends thereof. The type of cross-linking agent is appropriately selected depending on the type of the first polymer, the second polymer, and the polymerization initiator.
以下では、両末端に第３官能基を１つずつ有する架橋剤をＡＡ架橋剤、両末端に第４官能基を１つずつ有する架橋剤をＢＢ架橋剤、一方の末端に第３官能基を１つ有すると共に他方の末端に第４官能基を１つ有する架橋剤をＡＢ架橋剤という。これらの架橋剤うち、架橋部３を容易に形成できる観点から、架橋剤はＡＢ架橋剤であることが好ましい。
In the following, a cross-linking agent having one third functional group at both ends is an AA cross-linking agent, a cross-linking agent having one fourth functional group at both ends is a BB cross-linking agent, and a third functional group is placed at one end. A cross-linking agent having one and one fourth functional group at the other end is called an AB cross-linking agent. Of these cross-linking agents, the cross-linking agent is preferably an AB cross-linking agent from the viewpoint that the
第３官能基は、例えばビニル基に結合している構造が第１モノマーに結合している構造と似ているものとして、より具体的には下記式（１−１）または式（１−２）で表される構造である。 The third functional group is, for example, a structure in which the structure bonded to the vinyl group is similar to the structure bonded to the first monomer, and more specifically, the following formula (1-1) or formula (1-2). ) Is the structure.
（式（１−１）中、Ｒ１は、炭素数１〜５のアルキル基または水素を示し、Ｒ２は、メチレン基を示し、＊は、結合手を示す。式（１−２）中、Ｒ５は、メチレン基を示し、＊は、結合手を示す。式（２）中、Ｒ３は、メチレン基を示し、Ｒ４は、炭素数１〜２のアルキル基または水素を示し、＊は、結合手を示す。） (In formula (1-1), R1 represents an alkyl group or hydrogen having 1 to 5 carbon atoms, R2 represents a methylene group, and * represents a bond. In formula (1-2), R5. Indicates a methylene group, * indicates a bond. In formula (2), R3 indicates a methylene group, R4 indicates an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms or hydrogen, and * indicates a bond. Shows.)
また、第４官能基は、例えばビニル基に結合している構造が第２モノマーに結合している構造と似ているものとして、より具体的には下記式（２）で表される構造である。 Further, the fourth functional group has, for example, a structure in which the structure bonded to the vinyl group is similar to the structure bonded to the second monomer, and more specifically, the structure represented by the following formula (2). is there.
式（２）中、Ｒ３は、メチレン基を示し、Ｒ４は、炭素数１〜２のアルキル基または水素を示し、＊は、結合手を示す。 In the formula (2), R3 represents a methylene group, R4 represents an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms or hydrogen, and * represents a bond.
式（１―１）、式（１−２）および式（２）の＊は、例えば鎖状の有機化合物基の両末端にそれぞれ結合している。鎖状の有機化合物基は、直鎖状の炭化水素基でもよいし、一部が分岐している鎖状の炭化水素基でもよい。また、有機化合物基は、ヒドロキシ基やエーテル結合などの官能基を有してもよい。 * In formulas (1-1), (1-2) and (2), for example, are bonded to both ends of a chain-like organic compound group, respectively. The chain-like organic compound group may be a linear hydrocarbon group or a partially branched chain hydrocarbon group. Further, the organic compound group may have a functional group such as a hydroxy group or an ether bond.
例えば、第１モノマーが下記式（３）で表されるＮ−ビニルホルムアミドである場合には、ＡＡ架橋剤の具体的な構造式は下記式（４−１）で表され、第１モノマーが酢酸ビニルである場合には、ＡＡ架橋剤の具体的な構造式は下記式（４−２）で表される。これらの構造式ではいずれも、２つの第３官能基はいずれもシス型でもよいし、一方の第３官能基がトランス型で他方の第３官能基がシス型でもよい。後述の式（６）および式（７）についても同様である。 For example, when the first monomer is N-vinylformamide represented by the following formula (3), the specific structural formula of the AA cross-linking agent is represented by the following formula (4-1), and the first monomer is represented by the following formula (4-1). In the case of vinyl acetate, the specific structural formula of the AA cross-linking agent is represented by the following formula (4-2). In any of these structural formulas, the two third functional groups may be cis-type, one third functional group may be trans-type, and the other third functional group may be cis-type. The same applies to the formulas (6) and (7) described later.
また、第２モノマーが下記式（５）で表されるエチルアクリレートである場合、ＢＢ架橋剤の具体的な構造式は下記式（６）で表される。 When the second monomer is an ethyl acrylate represented by the following formula (5), the specific structural formula of the BB cross-linking agent is represented by the following formula (6).
また、第１モノマーが上記式（３）で表されるＮ−ビニルホルムアミドであり、第２モノマーが上記式（５）で表されるエチルアクリレートである場合、ＡＢ架橋剤の具体的な構造式は下記式（７）で表される。 When the first monomer is N-vinylformamide represented by the above formula (3) and the second monomer is ethyl acrylate represented by the above formula (5), the specific structural formula of the AB cross-linking agent. Is expressed by the following equation (7).
上記したハイドロゲル構造体１０において、第１網目構造体と第２網目構造体とが互いに結合しているかどうかについて、ハイドロゲル構造体１０の加水分解後のＯＨ検出測定により確認することができる。この測定方法の一例は、次の通りである。
In the above-mentioned
まず、予め水で膨潤したハイドロゲル構造体１０を、１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に７２時間浸漬させた後、イオン交換水中でハイドロゲル構造体を洗浄する。この後、１２時間毎にイオン交換水を３回入れ替え、洗浄を繰り返す。続いて、洗浄後に乾燥させたハイドロゲル構造体の１０ｍｇを４００μＬの水に加え、サンプル溶液を作製する。そして、第一級アルコールを定量するアルコール測定アッセイ（比色）（ＳＴＡ−６２０、セルバイオラボ社製）をサンプル溶液に添加し、サンプル溶液の色の違いを確認する。サンプル溶液の色の変化によって、第１網目構造体と第２網目構造体とが互いに結合していることが確認できることについては、次の通りである。
First, the
ハイドロゲル構造体１０中のエステル結合を選択的に加水分解することで、ＢＢ架橋剤由来のエステル結合によって架橋している第２網目構造体が、カルボキシル基を有する鎖状高分子と、低分子化合物の第一級アルコールとに分解する。この低分子化合物は、洗浄中にハイドロゲル構造体から取り除かれる。一方で、第１網目構造体は、ＡＡ架橋剤により、架橋構造を維持している。また、この架橋構造は、ＡＢ架橋剤の加水分解によって、第２網目構造体に由来する鎖状高分子と、第一級ヒドロキシ基を有する第１網目構造体とに分解する。第２網目構造体に由来する鎖状高分子は、低分子化合物ではないため、洗浄後もハイドロゲル構造体中に残留する。そして、この第１網目構造体の有する第一級ヒドロキシ基由来の構造が、疑似的な第一級アルコールとして、上記アルコール測定アッセイ(比色)により確認することができる。一方で、第１網目構造体と第２網目構造体とが互いに結合していないハイドロゲル構造体では、上記の測定方法においてサンプル溶液にアルコール測定アッセイを添加しても、サンプル溶液の色は変化しない、またはハイドロゲル構造体１０の測定方法に比べて色の変化が小さい。
By selectively hydrolyzing the ester bond in the
また、ハイドロゲル構造体１０は、水や有機溶媒などの溶媒を含む。ハイドロゲル構造体１０中の溶媒は、例えば、第１網目構造体の網目内、第２網目構造体の網目内、第１網目構造体と第２網目構造体との間などに取り込まれている。ハイドロゲル構造体１０に含まれる溶媒の量や種類は、ハイドロゲル構造体１０の用途、第１モノマー、第２モノマー、重合開始剤、架橋剤などハイドロゲル構造体の原料の種類に応じて、適宜選択される。また、溶媒は、１種の溶媒を単独で用いてもよいし、２種以上の溶媒を併用してもよい。
Further, the
なお、ハイドロゲル構造体１０中には、上述した破断強度や破断歪みなどの機械的特性の向上効果を低下させない範囲で、第１モノマー、第２モノマー、重合開始剤、および架橋剤などの化合物由来の未反応物質が含まれてもよい。
In the
実施形態のハイドロゲル構造体１０は、様々な分野で使用することができる。一例として、保水材に用いることができる。また、生体適合性の高い高強度ゲル材料として、医用材料に応用できる。例えば、高機能性バイオマテリアルや低摩擦材料として、ハイドロゲル構造体の持つ光透過性を活用した人工血管、ハイドロゲル構造体の低摩擦表面を活用した人工関節軟骨、抗血栓性材料、人工臓器、人工関節などの表面に好適に用いることができる。また、クッション材など生活品や工業用材料に利用できる。例えば、オムツ、衛生用品、徐放材、土木材料、建築材料、通信材料、土壌改質材、コンタクトレンズ、眼内レンズ、ホローファイバー、燃料電池用材料、バッテリー隔膜（セパレータ）、耐衝撃材料、およびクッションに好適に用いることができる。また、フィルム状、シート状、チューブ状などの摩擦低減部材として多方面に応用できる。例えば、内視鏡やカテーテルなどの医療器具の外表面に好適に用いることができる。フィルム状、シート状、チューブ状などの形状を有するハイドロゲル構造体を内視鏡やカテーテルなどの医療器具の外表面に装着した場合、当該医療器具を患者の体内に挿入する際の医療器具と体内との摩擦抵抗が低減されるので、手術や検査の際の患者の苦痛を大幅に低減することが可能である。
The
次に、実施形態のハイドロゲル構造体１０の製造方法について説明する。
Next, a method for producing the
実施形態のハイドロゲル構造体１０の製造方法は、調製工程Ｓ１０と加熱工程Ｓ２０とを有する。
The method for producing the
調製工程Ｓ１０では、第１モノマーと、第２モノマーと、第１モノマーおよび第２モノマーを重合および架橋させる重合開始剤とを含む溶液を調製する。 In the preparation step S10, a solution containing the first monomer, the second monomer, and the polymerization initiator that polymerizes and crosslinks the first monomer and the second monomer is prepared.
なお、調製工程Ｓ１０で調製する溶液としては、第１モノマーおよび第２モノマーのうち、一方のモノマーと、重合開始剤とを含む溶液と同様の構成を有する溶液を購入した後、当該溶液に含まれていない他方のモノマーを当該溶液に添加して混合することによって調製してもよい。また、第１モノマーおよび第２モノマーを含まずに重合開始剤を含む溶液と同様の構成を有する溶液を購入した後、第１モノマーおよび第２モノマーを当該溶液に添加して混合することによって調製してもよい。また、上記のいずれかの溶液を購入せずに、溶液を調製してもよい。以下では、上記のいずれかの溶液を購入せずに溶液を調製する調製工程Ｓ１０について説明する。 As the solution to be prepared in the preparation step S10, a solution having the same composition as the solution containing one of the first monomer and the second monomer and the polymerization initiator is purchased and then contained in the solution. It may be prepared by adding the other monomer which has not been used to the solution and mixing it. Further, it is prepared by purchasing a solution having the same composition as the solution containing the polymerization initiator without containing the first monomer and the second monomer, and then adding the first monomer and the second monomer to the solution and mixing them. You may. Alternatively, the solution may be prepared without purchasing any of the above solutions. Hereinafter, the preparation step S10 for preparing a solution without purchasing any of the above solutions will be described.
ハイドロゲル構造体１０の製造方法に用いる第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下およびｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内である。また、第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下およびｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内である。
The first monomer used in the method for producing the
実施形態のハイドロゲル構造体の製造方法では、原料である第１モノマーおよび第２モノマーの反応性、特に第１モノマーと第２モノマーの反応速度の差を利用し、これらモノマーのＱ値およびｅ値が上記の範囲内であると、上述のように各作業の完了を待たずに、簡便かつ短時間に、機械的特性に優れたハイドロゲル構造体を製造できることを見出した。 In the method for producing the hydrogel structure of the embodiment, the reactivity of the first monomer and the second monomer as raw materials, particularly the difference in the reaction rate between the first monomer and the second monomer is utilized, and the Q value and e of these monomers are utilized. It has been found that when the value is within the above range, a hydrogel structure having excellent mechanical properties can be produced easily and in a short time without waiting for the completion of each work as described above.
すなわち、第１モノマーのＱ値およびｅ値と第２モノマーのＱ値およびｅ値とが上記の範囲内であると、第１モノマーおよび第２モノマーの重合反応と架橋反応、架橋剤をさらに用いる場合にはこれら反応と架橋部３の形成反応に伴う複数の作業を同時に行うことができるため、合成時のハイドロゲル構造体の形状変化が小さくなり、従来の製造方法に比べて簡便かつ短時間に、ハイドロゲル構造体の最終生成物を設計通りの形状や大きさに容易に製造することができる。
That is, when the Q value and e value of the first monomer and the Q value and e value of the second monomer are within the above ranges, the polymerization reaction and the cross-linking reaction of the first monomer and the second monomer, and the cross-linking agent are further used. In some cases, since these reactions and a plurality of operations associated with the formation reaction of the
一方、第１モノマーのＱ値およびｅ値と第２モノマーのＱ値およびｅ値とが上記の範囲外であると、従来のハイドロゲル構造体の製造方法のように、先の作業を完了してから次の作業を行う必要がある。そのため、実施形態のハイドロゲル構造体１０の製造方法に比べて、作業が煩雑かつ長時間になる。さらには、製造されるハイドロゲル構造体について、破断強度や破断歪みなどの機械的特性が低下すると共に、設計通りの形状や大きさに製造することは容易ではない。
On the other hand, when the Q value and e value of the first monomer and the Q value and e value of the second monomer are out of the above range, the above work is completed as in the conventional method for producing a hydrogel structure. Then you need to do the following: Therefore, the work is complicated and takes a long time as compared with the method for manufacturing the
また、第１モノマーは、好ましくはＱ値が０．０２０以上０．１８０以下およびｅ値が−１．８０以上−０．７０以下、より好ましくはＱ値が０．０２０以上０．１７０以下およびｅ値が−１．７０以上−０．８０以下の範囲内である。また、第２モノマーは、好ましくはＱ値が０．２３０以上３．０７０以下およびｅ値が０．３０以上１．２８以下、より好ましくはＱ値が０．３２０以上１．０００以下およびｅ値が０．５０以上０．９０以下の範囲内である。第１モノマーおよび第２モノマーのＱ値とｅ値とが上記の範囲内であると、上記の効果がさらに向上する。 The first monomer preferably has a Q value of 0.020 or more and 0.180 or less, an e value of 1.80 or more and -0.70 or less, and more preferably a Q value of 0.020 or more and 0.170 or less. The e value is in the range of -1.70 or more and -0.80 or less. The second monomer preferably has a Q value of 0.230 or more and 3.070 or less and an e value of 0.30 or more and 1.28 or less, and more preferably a Q value of 0.320 or more and 1.000 or less and an e value. Is in the range of 0.50 or more and 0.90 or less. When the Q value and the e value of the first monomer and the second monomer are within the above range, the above effect is further improved.
また、ハイドロゲル構造体の製造方法に用いる重合開始剤は、第１モノマーおよび第２モノマーを重合および架橋させ、第１網目構造体と第２網目構造体とを互いに結合させる。使用される重合開始剤は、第１モノマーおよび第２モノマーの種類に応じて、適宜選択される。 In addition, the polymerization initiator used in the method for producing a hydrogel structure polymerizes and crosslinks the first monomer and the second monomer, and binds the first network structure and the second network structure to each other. The polymerization initiator used is appropriately selected depending on the types of the first monomer and the second monomer.
例えば第１モノマーがＮＶＦ、第２モノマーがＥＡｃである場合、重合開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）などが挙げられる。 For example, when the first monomer is NVF and the second monomer is EAc, the polymerization initiator includes azobisisobutyronitrile (AIBN) and the like.
また、調製工程Ｓ１０で調製する溶液の原料として用いられる溶媒は、第１モノマーおよび第２モノマーに対して相溶性を有する。使用される溶媒は、第１モノマーおよび第２モノマーの種類に応じて、適宜選択される。具体的には、アセトニトリル、エタノール、メタノール、プロパノール、アセトン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、水、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などが挙げられる。例えば第１モノマーがＮＶＦ、第２モノマーがＥＡｃである場合、溶媒としては、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、水、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などが挙げられる。 Further, the solvent used as a raw material for the solution prepared in the preparation step S10 has compatibility with the first monomer and the second monomer. The solvent used is appropriately selected depending on the type of the first monomer and the second monomer. Specific examples thereof include acetonitrile, ethanol, methanol, propanol, acetone, dimethyl sulfoxide (DMSO), water, N, N-dimethylformamide (DMF) and the like. For example, when the first monomer is NVF and the second monomer is EAc, examples of the solvent include dimethyl sulfoxide (DMSO), water, N, N-dimethylformamide (DMF) and the like.
調製工程Ｓ１０で調製する溶液は、上記の第１モノマーと第２モノマーと重合開始剤とを溶媒に添加および混合して溶解させることによって作製される。第１モノマーと第２モノマーと重合開始剤とを溶媒に添加する時機としては、特に限定されるものではなく、手順が簡便であることから、第１モノマーと第２モノマーと重合開始剤とを一度に添加することが好ましい。 The solution prepared in the preparation step S10 is prepared by adding and mixing the above-mentioned first monomer, second monomer and polymerization initiator with a solvent and dissolving them. The timing for adding the first monomer, the second monomer, and the polymerization initiator to the solvent is not particularly limited, and since the procedure is simple, the first monomer, the second monomer, and the polymerization initiator are used. It is preferable to add them all at once.
溶液中の第１モノマーの含有量は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上１０．００ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上１．００ｍｏｌ／Ｌ以下の範囲内である。溶液中の第１モノマーの含有量が上記の範囲内であると、後述する加熱工程Ｓ２０において、より短時間で十分な反応性を示すことができる。特に、溶液中の第１モノマーの含有量が０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上であると、ラジカルの衝突確率が高まり、溶液の反応性がさらに向上し、第１モノマーの含有量が１．００ｍｏｌ／Ｌ以下であると、溶媒中での第１モノマーおよび第１ポリマーの運動性が十分に確保される。 The content of the first monomer in the solution is in the range of 0.01 mol / L or more and 10.00 mol / L or less, preferably 0.05 mol / L or more and 1.00 mol / L or less. When the content of the first monomer in the solution is within the above range, sufficient reactivity can be exhibited in a shorter time in the heating step S20 described later. In particular, when the content of the first monomer in the solution is 0.05 mol / L or more, the collision probability of radicals increases, the reactivity of the solution is further improved, and the content of the first monomer is 1.00 mol / L. When the following, the mobility of the first monomer and the first polymer in the solvent is sufficiently ensured.
溶液中の第２モノマーの含有量は、０．０１ｍｏｌ／Ｌ以上１０．００ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上１．００ｍｏｌ／Ｌ以下の範囲内である。溶液中の第２モノマーの含有量が上記の範囲内であると、加熱工程Ｓ２０において、より短時間で十分な反応性を示すことができる。特に、溶液中の第２モノマーの含有量が０．０５ｍｏｌ／Ｌ以上であると、ラジカルの衝突確率が高まり、溶液の反応性がさらに向上し、第２モノマーの含有量が１．００ｍｏｌ／Ｌ以下であると、溶媒中での第２ポリマーの運動性が十分に確保される。 The content of the second monomer in the solution is in the range of 0.01 mol / L or more and 10.00 mol / L or less, preferably 0.05 mol / L or more and 1.00 mol / L or less. When the content of the second monomer in the solution is within the above range, sufficient reactivity can be exhibited in a shorter time in the heating step S20. In particular, when the content of the second monomer in the solution is 0.05 mol / L or more, the probability of radical collision increases, the reactivity of the solution is further improved, and the content of the second monomer is 1.00 mol / L. When the following, the mobility of the second polymer in the solvent is sufficiently ensured.
溶液に含まれる、第１モノマーのビニル基のモル数（ｍ１）と第２モノマーのビニル基のモル数（ｍ２）との合計モル数（ｍ１＋ｍ２）に対する、重合開始剤のモル数（ｍ）の比｛ｍ／（ｍ１＋ｍ２）｝は、０．０００１以上０．１０００以下、好ましくは０．００５０以上０．０３００以下の範囲内である。溶液中の重合開始剤の含有量が第１モノマーおよび第２モノマーの全ビニル基のモル数に対して上記の範囲内であると、溶液中に残存している酸素ラジカルなどによる重合開始剤の失活を防ぎ、十分な重合度を得られるため、機械的特性に優れるハイドロゲル構造体を得ることができる。特に、上記の比が０．００５０以上であると、重合開始剤の失活により重合反応が十分進行しない事態を避けられることができ、上記の比が０．０３００以下であると、第１モノマーおよび第２モノマー同士が一定以上の長さに成長することができる。 The number of moles (m) of the polymerization initiator with respect to the total number of moles (m1 + m2) of the number of moles of vinyl groups (m1) of the first monomer and the number of moles of vinyl groups (m2) of the second monomer contained in the solution. The ratio {m / (m1 + m2)} is in the range of 0.0001 or more and 0.1000 or less, preferably 0.0050 or more and 0.0300 or less. When the content of the polymerization initiator in the solution is within the above range with respect to the number of moles of the total vinyl groups of the first monomer and the second monomer, the polymerization initiator due to oxygen radicals remaining in the solution or the like Since deactivation is prevented and a sufficient degree of polymerization can be obtained, a hydrogel structure having excellent mechanical properties can be obtained. In particular, when the above ratio is 0.0050 or more, it is possible to avoid a situation where the polymerization reaction does not proceed sufficiently due to deactivation of the polymerization initiator, and when the above ratio is 0.0300 or less, the first monomer can be avoided. And the second monomers can grow to a certain length or more.
なお、上記では、予め所定の化合物を含む溶液を購入せずに溶液を調製する調製工程について説明したが、予め所定の化合物を含む溶液を用いる場合には、当該溶液に対して残りの化合物を添加することによって、調製工程で調製する溶液を得ることができる。例えば、予め第１モノマーと重合開始剤とを含む溶液を用いる場合には、当該溶液に対して第２モノマーを添加することによって、調製工程Ｓ１０で調製する溶液（反応溶液）を得ることができる。 In the above, the preparation step of preparing the solution without purchasing the solution containing the predetermined compound in advance has been described, but when the solution containing the predetermined compound is used in advance, the remaining compounds are added to the solution. By adding, a solution prepared in the preparation step can be obtained. For example, when a solution containing the first monomer and the polymerization initiator is used in advance, the solution (reaction solution) prepared in the preparation step S10 can be obtained by adding the second monomer to the solution. ..
調製工程Ｓ１０の後に行われる加熱工程Ｓ２０では、調製工程Ｓ１０で調製された溶液を加熱してゲル化する。 In the heating step S20 performed after the preparation step S10, the solution prepared in the preparation step S10 is heated and gelled.
加熱工程Ｓ２０では、調製工程Ｓ１０で得られた溶液を加熱すると、溶液のゲル化が起こり、上記した実施形態のハイドロゲル構造体を得ることができる。 In the heating step S20, when the solution obtained in the preparation step S10 is heated, gelation of the solution occurs, and the hydrogel structure of the above-described embodiment can be obtained.
加熱工程Ｓ２０における溶液の加熱温度は、４０℃以上１２０℃以下、好ましくは４５℃以上１００℃以下の範囲内である。溶液の加熱温度が４０℃以上であると、重合開始剤のラジカル発生速度が大きくなる。また、溶液の加熱温度が１２０℃以下であると、溶液の蒸発を抑制することができる。 The heating temperature of the solution in the heating step S20 is in the range of 40 ° C. or higher and 120 ° C. or lower, preferably 45 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. When the heating temperature of the solution is 40 ° C. or higher, the radical generation rate of the polymerization initiator increases. Further, when the heating temperature of the solution is 120 ° C. or lower, evaporation of the solution can be suppressed.
加熱工程Ｓ２０における溶液の加熱時間は、４時間以上４８時間以下、好ましくは６時間以上１２時間以下の範囲内である。溶液の加熱時間が４時間以上であると、溶液を十分にゲル化することができる。また、溶液の加熱時間が４８時間以下であると、ゲル化の過剰な進行を回避することができる。 The heating time of the solution in the heating step S20 is in the range of 4 hours or more and 48 hours or less, preferably 6 hours or more and 12 hours or less. When the heating time of the solution is 4 hours or more, the solution can be sufficiently gelled. Further, when the heating time of the solution is 48 hours or less, excessive progress of gelation can be avoided.
また、調製工程Ｓ１０で調製する溶液は、上記の第１モノマー、第２モノマー、および重合開始剤に加えて、上記の架橋剤をさらに含むことが好ましい。溶液が架橋剤を含む場合、得られるハイドロゲル構造体において、架橋部３の増加や第１ポリマーおよび第２ポリマーの架橋度の増加のため、機械的特性がさらに向上する。
Further, the solution prepared in the preparation step S10 preferably further contains the above-mentioned cross-linking agent in addition to the above-mentioned first monomer, second monomer, and polymerization initiator. When the solution contains a cross-linking agent, the mechanical properties of the resulting hydrogel structure are further improved due to the increase in the
なお、溶液が架橋剤を含む場合、調製工程Ｓ１０における架橋剤を溶液に添加する時機は、特に限定されるものではなく、例えば第１ポリマーと同じ時機であってもよく、加熱工程Ｓ２０の加熱条件は、架橋剤を含まない溶液を加熱する条件と同様にすることができる。 When the solution contains a cross-linking agent, the time when the cross-linking agent is added to the solution in the preparation step S10 is not particularly limited, and may be, for example, the same time as the first polymer, and heating in the heating step S20. The conditions can be the same as the conditions for heating the solution containing no cross-linking agent.
溶液中の架橋剤の含有量は、０．０００１ｍｏｌ／Ｌ以上０．５０００ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは０．０００５ｍｏｌ／Ｌ以上０．１０００ｍｏｌ／Ｌ以下の範囲内である。溶液中の架橋剤の含有量が上記の範囲内であると、ハイドロゲル構造体中で適度な大きさの網目構造を形成し、ハイドロゲル構造体は優れた機械的強度を有する。特に、溶液中の架橋剤の含有量が０．０００５ｍｏｌ／Ｌ以上０．１０００ｍｏｌ／Ｌ以下であると、ハイドロゲル構造体において、優れた機械的強度を有すると共に、網目サイズが小さくなりすぎてハイドロゲル構造体内に溶媒を含有できなくなることを回避できる。 The content of the cross-linking agent in the solution is in the range of 0.0001 mol / L or more and 0.5000 mol / L or less, preferably 0.0005 mol / L or more and 0.1000 mol / L or less. When the content of the cross-linking agent in the solution is within the above range, a network structure having an appropriate size is formed in the hydrogel structure, and the hydrogel structure has excellent mechanical strength. In particular, when the content of the cross-linking agent in the solution is 0.0005 mol / L or more and 0.1000 mol / L or less, the hydrogel structure has excellent mechanical strength and the mesh size becomes too small to be hydro. It is possible to avoid the inability to contain the solvent in the gel structure.
また、溶液は、第１モノマー、第２モノマー、重合開始剤、架橋剤に加えて、他の添加剤をさらに含んでもよい。溶液が添加剤を含む場合、溶液中の添加剤の含有量は、上記の効果を低下させない範囲であれば、特に限定されるものではない。 In addition to the first monomer, the second monomer, the polymerization initiator, and the cross-linking agent, the solution may further contain other additives. When the solution contains an additive, the content of the additive in the solution is not particularly limited as long as the above effect is not reduced.
また、調製工程Ｓ１０および加熱工程Ｓ２０をワンポットで行うことが好ましい。調製工程Ｓ１０および加熱工程Ｓ２０をワンポットで行うと、１つの容器内で複数の工程を行ってハイドロゲル構造体を製造することができるため、ハイドロゲル構造体の製造方法がより簡便になる。一方、第１モノマーおよび第２モノマーのＱ値およびｅ値が上記の範囲外であると、従来の製造方法のように、容器を替えながら、先の作業を完了してから次の作業を行う必要があるので、ワンポットで上記実施形態のハイドロゲル構造体を製造することが困難である。 Further, it is preferable that the preparation step S10 and the heating step S20 are performed in one pot. When the preparation step S10 and the heating step S20 are performed in one pot, the hydrogel structure can be produced by performing a plurality of steps in one container, so that the method for producing the hydrogel structure becomes simpler. On the other hand, when the Q value and the e value of the first monomer and the second monomer are out of the above range, the next work is performed after the previous work is completed while changing the container as in the conventional manufacturing method. Since it is necessary, it is difficult to produce the hydrogel structure of the above embodiment in one pot.
以上説明した実施形態によれば、Ｑ値およびｅ値が所定の関係を満たす第１モノマーおよび第２モノマーを用いて合成を行うと、各工程の終了を待たずに、複数の工程を連続して行うことができるため、簡便かつ容易に、ハイドロゲル構造体を所望の形状や大きさに製造することができる。また、このような製造方法で得られるハイドロゲル構造体は、機械的特性に優れる。 According to the embodiment described above, when the synthesis is performed using the first monomer and the second monomer in which the Q value and the e value satisfy a predetermined relationship, a plurality of steps are continuously performed without waiting for the completion of each step. Therefore, the hydrogel structure can be easily and easily manufactured into a desired shape and size. Further, the hydrogel structure obtained by such a manufacturing method is excellent in mechanical properties.
以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。 Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes all aspects included in the concept of the present invention and claims, and various modifications within the scope of the present invention. can do.
次に、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Next, Examples and Comparative Examples will be described, but the present invention is not limited to these Examples.
（実施例１）
まず、Ｎ−ヒドロキシプロピルＮ−ビニルホルムアミドを製造した。まず、反応容器中に３.１ｇの水素化ナトリウムを用意し、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）で洗浄した。続いて、窒素雰囲気下にて、１３０ｍＬのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を反応容器中に加えた後、９.２ｇのＮ−ビニルホルムアミドを０℃にて反応容器中に滴下した。続いて、反応容器中の反応溶液を４時間室温にて撹拌させた後、０℃にて１８ｇの３−ブロモ−１−プロパノールを反応容器中に滴下した。続いて、反応容器中の反応溶液を再度室温にて７時間撹拌させた後、反応溶液中に水を加えて反応を停止した。反応溶液をヘキサンおよび酢酸エチルにより抽出、洗浄した後、有機相を硫酸マグネシウムにより乾燥させた。さらにシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製し、液体にて１１．３ｇのＮ−ヒドロキシプロピルＮ−ビニルホルムアミドを得た（収率６８％）。Ｎ−ヒドロキシプロピルＮ−ビニルホルムアミドの合成は、下記反応式（１）で表される。(Example 1)
First, N-hydroxypropyl N-vinylformamide was produced. First, 3.1 g of sodium hydride was prepared in a reaction vessel and washed with tetrahydrofuran (THF). Subsequently, 130 mL of N, N-dimethylformamide (DMF) was added to the reaction vessel under a nitrogen atmosphere, and then 9.2 g of N-vinylformamide was added dropwise to the reaction vessel at 0 ° C. Subsequently, the reaction solution in the reaction vessel was stirred at room temperature for 4 hours, and then 18 g of 3-bromo-1-propanol was added dropwise to the reaction vessel at 0 ° C. Subsequently, the reaction solution in the reaction vessel was stirred again at room temperature for 7 hours, and then water was added to the reaction solution to stop the reaction. The reaction solution was extracted with hexane and ethyl acetate, washed, and then the organic phase was dried over magnesium sulfate. Further, the product was purified by silica gel column chromatography to obtain 11.3 g of N-hydroxypropyl N-vinylformamide in liquid (yield 68%). The synthesis of N-hydroxypropyl N-vinylformamide is represented by the following reaction formula (1).
次に、上記式（７）で表される架橋剤（ＡＢ架橋剤）を製造した。まず、反応容器中に、１．３ｇのＮ−ヒドロキシプロピルＮ−ビニルホルムアミドと、２０ｍＬのトリエチルアミンと、溶媒として９０ｍＬのＴＨＦとを用意した。さらに、１１．８ｇの塩化アクリルを０℃にてシリンジにより反応容器中に加えた。反応溶液を１．５時間撹拌させ、過剰量の水を反応容器中に加えて反応を停止した。その後、酢酸エチルにより抽出、洗浄を行った後、有機相を硫酸マグネシウムにより乾燥させた。次に、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製することにより、式（７）で表される架橋剤を白色固体にて１２．３ｇ（収率７７％）得た。式（７）で表される架橋剤の合成は、下記反応式（２）で表される。 Next, a cross-linking agent (AB cross-linking agent) represented by the above formula (7) was produced. First, 1.3 g of N-hydroxypropyl N-vinylformamide, 20 mL of triethylamine, and 90 mL of THF as a solvent were prepared in a reaction vessel. Further, 11.8 g of acrylic chloride was added into the reaction vessel by syringe at 0 ° C. The reaction solution was stirred for 1.5 hours and excess water was added into the reaction vessel to terminate the reaction. Then, after extracting and washing with ethyl acetate, the organic phase was dried with magnesium sulfate. Next, by purifying by silica gel column chromatography, 12.3 g (yield 77%) of the cross-linking agent represented by the formula (7) was obtained as a white solid. The synthesis of the cross-linking agent represented by the formula (7) is represented by the following reaction formula (2).
次に、上記式（４−１）で表される架橋剤（ＡＡ架橋剤）を製造した。まず、反応容器中に１．３５ｇの水素化ナトリウムを用意し、ＴＨＦで洗浄した。続いて、窒素雰囲気下にて、１５ｍＬのＤＭＦを反応容器中に加えた後、２．８８ｇのＮ−ビニルアセトアミド（ＮＶＡ）を０℃にて反応容器中に滴下した。続いて、反応容器中の反応溶液を５０℃に加熱し、６時間撹拌させた後、０℃にて３．３７ｇのビス（４−クロロブチル）エーテルを反応容器中に滴下した。続いて、反応容器中の反応溶液を再度５０℃に加熱し、１０時間撹拌させた後、反応溶液中に水を加えて反応を停止した。その後、ヘキサンと酢酸エチルにより抽出、洗浄を行い、有機相を硫酸マグネシウムにより乾燥させた。次に、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製することにより、式（４−１）で表される架橋剤を液体にて３．６５ｇ（収率７３％）得た。式（４−１）で表される架橋剤の合成は、下記反応式（３）で表される。 Next, a cross-linking agent (AA cross-linking agent) represented by the above formula (4-1) was produced. First, 1.35 g of sodium hydride was prepared in a reaction vessel and washed with THF. Subsequently, 15 mL of DMF was added to the reaction vessel under a nitrogen atmosphere, and then 2.88 g of N-vinylacetamide (NVA) was added dropwise to the reaction vessel at 0 ° C. Subsequently, the reaction solution in the reaction vessel was heated to 50 ° C., stirred for 6 hours, and then 3.37 g of bis (4-chlorobutyl) ether was added dropwise to the reaction vessel at 0 ° C. Subsequently, the reaction solution in the reaction vessel was heated to 50 ° C. again, stirred for 10 hours, and then water was added to the reaction solution to stop the reaction. Then, the mixture was extracted and washed with hexane and ethyl acetate, and the organic phase was dried over magnesium sulfate. Next, by purifying by silica gel column chromatography, 3.65 g (yield 73%) of the cross-linking agent represented by the formula (4-1) was obtained in liquid form. The synthesis of the cross-linking agent represented by the formula (4-1) is represented by the following reaction formula (3).
また、上記式（６）で表される架橋剤（ＢＢ架橋剤）については、トリエチレングリコールジメタクリラート（Ｔ０９４８、東京化成社製）を用意した。 As the cross-linking agent (BB cross-linking agent) represented by the above formula (6), triethylene glycol dimethacrylate (T0948, manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.) was prepared.
次に、上記で製造および用意した原料を用いて、実施例１のハイドロゲル構造体を製造した。まず、溶媒として５ｍＬのジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、および、第１モノマーとしてＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）(Ｑ＝０．０８〜０．１４，ｅ＝−１．７〜−１．６)、第２モノマーとしてエチルアクリレート（ＥＡｃ）(Ｑ＝０．４１，ｅ＝０．５５)、重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）、ＡＡ架橋剤として式（４−１）で表される架橋剤、ＢＢ架橋剤として式（６）で表される架橋剤、ＡＢ架橋剤として式（７）で表される架橋剤を、反応溶液中の含有量がそれぞれ表１に示す含有量になるように、２０ｍＬスクリュー管に投入し撹拌した。その後、図２に示すように、シリンジ２１，２２を刺したセプタム２３をスクリュー管２４に装着し、反応溶液２５に対して１分間窒素（Ｎ２）バブリングを矢印に示すように行い、スクリュー管２４内の酸素を追い出した。Next, the hydrogel structure of Example 1 was produced using the raw materials produced and prepared above. First, 5 mL of dimethylsulfoxide (DMSO) as a solvent, and N-vinylformamide (NVF) (Q = 0.08 to 0.14, e = -1.7 to -1.6) as the first monomer. The two monomers are ethyl acrylate (EAc) (Q = 0.41, e = 0.55), the polymerization initiator is azobisisobutyronitrile (AIBN), and the AA cross-linking agent is represented by the formula (4-1). The content of the cross-linking agent, the cross-linking agent represented by the formula (6) as the BB cross-linking agent, and the cross-linking agent represented by the formula (7) as the AB cross-linking agent in the reaction solution is the content shown in Table 1, respectively. As described above, the mixture was charged into a 20 mL screw tube and stirred. Then, as shown in FIG. 2, a
次に、図３に示すように、２枚のガラス板３１と、４枚のシリコンシート３２とを組み合わせて容器３０を形成し、この形成した容器３０に、開口寸法が１ｍｍの開口部３０ａに、シリンジで、窒素（Ｎ２）バブリングした反応溶液２５を流し入れ、反応溶液２５の残りはスクリュー管２４に戻した。ここで、図３に示す容器３０は、２枚の矩形状のガラス板３１を互いに平行に１ｍｍの間隔で維持されるように、それらのガラス板の周囲部分（ただし開口部３０ａを除く４辺部分）で、シリコンシート３２を挟み込むように構成したものである。続いて、６０℃に設定した恒温槽内に、図３に示すように開口部３０ａを上側となるようにして、反応溶液２５が入った容器３０と、残りの反応溶液２５が入ったスクリュー管２４をセットし、それぞれの反応溶液を８時間反応させた。その後、容器３０中の反応溶液と、スクリュー管２４中の反応溶液とがゲル化していることを目視で確認し、ハイドロゲル構造体を水で十分に洗浄し、実施例１のハイドロゲル構造体を製造した。Next, as shown in FIG. 3, a
（実施例２）
第１モノマーとして、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）の代わりに、ＶＡＣｅ(Ｑ＝０．０２６，ｅ＝−０．８８)を用いるとともに、ＡＡ架橋剤として、式（４−２）で表されるアジピン酸ジビニル（Ａ１１８８、東京化成社製）を用いたことを除いて、実施例１と同様の原料および製造方法によって、実施例２のハイドロゲル構造体を製造した。(Example 2)
VACE (Q = 0.026, e = −0.88) is used instead of N-vinylformamide (NVF) as the first monomer, and it is represented by the formula (4-2) as an AA cross-linking agent. The hydrogel structure of Example 2 was produced by the same raw materials and production method as in Example 1 except that divinyl adipate (A1188, manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.) was used.
（実施例３）
第１モノマーとして、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）の代わりに、ＶＡＣｅ(Ｑ＝０．０２６，ｅ＝−０．８８)を用い、第２モノマーとして、エチルアクリレート（ＥＡｃ）の代わりに、アクリル酸メチル（ＭＡｃ）(Ｑ＝０．４５，ｅ＝０．６４)を用いるとともに、ＡＡ架橋剤として、式（４−２）で表されるアジピン酸ジビニル（Ａ１１８８、東京化成社製）を用いたことを除いて、実施例１と同様の原料および製造方法によって、実施例３のハイドロゲル構造体を製造した。(Example 3)
As the first monomer, VACe (Q = 0.026, e = -0.88) was used instead of N-vinylformamide (NVF), and as the second monomer, acrylic acid was used instead of ethyl acrylate (EAc). Methyl (MAc) (Q = 0.45, e = 0.64) was used, and divinyl adipate (A1188, manufactured by Tokyo Kasei Co., Ltd.) represented by the formula (4-2) was used as the AA cross-linking agent. Except for this, the hydrogel structure of Example 3 was produced by the same raw materials and production method as in Example 1.
（実施例４）
第１モノマーとして、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）の代わりに、Ｎ−ビニルアセトアミド（ＮＶＡ）(Ｑ＝０．１６，ｅ＝−１．５７)を用い、第２モノマーとして、エチルアクリレート（ＥＡｃ）の代わりに、アクリル酸メチル（ＭＡｃ）(Ｑ＝０．４５，ｅ＝０．６４)を用いたことを除いて、実施例１と同様の原料および製造方法によって、実施例４のハイドロゲル構造体を製造した。(Example 4)
N-vinylacetamide (NVA) (Q = 0.16, e = -1.57) was used instead of N-vinylformamide (NVF) as the first monomer, and ethyl acrylate (EAc) was used as the second monomer. Hydrogel structure of Example 4 by the same raw material and production method as in Example 1 except that methyl acrylate (MAc) (Q = 0.45, e = 0.64) was used instead of Manufactured the body.
（比較例１）
第１モノマーとして、ＮＶＦを用い、第２モノマーは用いない代わりに、けい皮酸ビニル（ＶＣｉｎｎ）（Ｑ＝０．１８，ｅ＝０．７６）、ＢＢ架橋剤は用いない代わりに、その他の架橋剤として式（４−２）を用いたことを除いて、実施例１と同様の原料および製造方法によって、比較例１のハイドロゲル構造体を製造した。(Comparative Example 1)
Instead of using NVF as the first monomer and not using the second monomer, vinyl chloride (VCinn) (Q = 0.18, e = 0.76), instead of using the BB cross-linking agent, other The hydrogel structure of Comparative Example 1 was produced by the same raw materials and production method as in Example 1 except that the formula (4-2) was used as the cross-linking agent.
（比較例２）
第１モノマーとして、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）の代わりに、Ｎ−ビニルアセトアミド（ＮＶＡ）を用い、第２モノマーは用いず、重合開始剤として、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）の代わりに、２，２’アゾビス（２−メチルプロピオンアミジン）ジハイドロクロリド（Ｖ−５０）を用い、架橋剤として、ＡＡ架橋剤、ＢＢ架橋剤およびＡＢ架橋剤を用いず、Ｎ，Ｎ−５−オキサノナメチレンビス−ビス−Ｎ−ビニルアセトアミド（５ＯＮ−ｂｉｓＮＶＡ)を用い、さらに、恒温槽の温度を６０℃ではなく３７℃としたことを除いて、実施例１と同様の原料および製造方法によって、比較例２のハイドロゲル構造体を製造した。(Comparative Example 2)
N-vinylacetamide (NVA) was used instead of N-vinylformamide (NVF) as the first monomer, no second monomer was used, and instead of azobisisobutyronitrile (AIBN) as the polymerization initiator. , 2,2'azobis (2-methylpropionamidine) dihydrochloride (V-50), without AA cross-linking agent, BB cross-linking agent and AB cross-linking agent, N, N-5-oxa By using the same raw materials and manufacturing method as in Example 1 except that nonamethylene bis-N-vinylacetamide (5ON-bisNVA) was used and the temperature of the constant temperature bath was 37 ° C. instead of 60 ° C. The hydrogel structure of Comparative Example 2 was produced.
表１に、実施例１〜４ならびに比較例１および２で用いた反応溶液に含有する各成分の種類および含有量を表１に示す。 Table 1 shows the types and contents of each component contained in the reaction solutions used in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.
＜機械的特性の評価＞
まず、機械的特性の評価を行うため、製造した各ハイドロゲル構造体から抜き型を用いてくり抜いて、図４に示すように、寸法ａ（チャック部の位置間距離）：２５ｍｍ、寸法ｂ：６ｍｍ、寸法ｃ：１ｍｍ、そして、厚さ１ｍｍのシートの引張試験用の試験片を作製した。作製したハイドロゲル構造体の試験片をＥＺ−ＳＸ（島津製作所製）を用いて力学試験を行った。試験片の力学試験を行う際の引張速度は、最大伸びが０．５以下のものは２ｍｍ／分、０．５〜２．０のものは５ｍｍ／分、２．０〜５．０のものは２０ｍｍ／分、５．０以上のものは４０ｍｍ／分で設定した。破断歪みは下記式（１１）により算出した。Ｌは、引張試験で破断した時点での標点間距離（ｍｍ）であり、Ｌ０は引張試験を行う前の試験片の原標点距離（ｍｍ）である。破断強度（MPa）および破断歪みの結果を表２に示す。<Evaluation of mechanical properties>
First, in order to evaluate the mechanical properties, each hydrogel structure manufactured was hollowed out using a punching die, and as shown in FIG. 4, dimension a (distance between positions of chuck portions): 25 mm, dimension b: A test piece for a tensile test of a sheet having a size of 6 mm, a size of c: 1 mm, and a thickness of 1 mm was prepared. The prepared test piece of the hydrogel structure was subjected to a mechanical test using EZ-SX (manufactured by Shimadzu Corporation). The tensile speed when performing a mechanical test of the test piece is 2 mm / min for those with a maximum elongation of 0.5 or less, 5 mm / min for those with a maximum elongation of 0.5 to 2.0, and those with a maximum elongation of 2.0 to 5.0. Was set at 20 mm / min, and those of 5.0 or more were set at 40 mm / min. The breaking strain was calculated by the following formula (11). L is the distance between the gauge points (mm) at the time of breaking in the tensile test, and L0 is the original gauge distance (mm) of the test piece before the tensile test is performed. The results of breaking strength (MPa) and breaking strain are shown in Table 2.
（Ｌ−Ｌ０）／Ｌ０ 式（１１） (L-L0) / L0 equation (11)
＜膨潤度試験＞
膨潤度は下記式（１２）より算出した。Ｗｓは、膨潤後のハイドロゲル構造体の重量であり、Ｗｄは、乾燥時のハイドロゲル構造体の重量である。膨潤度の結果を表２に示す。<Swelling degree test>
The degree of swelling was calculated from the following formula (12). Ws is the weight of the hydrogel structure after swelling, and Wd is the weight of the hydrogel structure at the time of drying. The results of the degree of swelling are shown in Table 2.
（Ｗｓ−Ｗｄ）／Ｗｄ 式（１２） (Ws-Wd) / Wd equation (12)
なお、製造した各供試材（ハイドロゲル構造体）は、３つの試験片を作製し、これら試験片について特性試験を実施して得られた３つのデータの平均値（ｎ＝３）を表２に示した。また、表２において、各値の右側に示した括弧内の数値は、標準偏差値（ｎ＝３）である。 For each of the manufactured test materials (hydrogel structure), three test pieces were prepared, and the average value (n = 3) of the three data obtained by performing a property test on these test pieces is shown. Shown in 2. Further, in Table 2, the numerical values in parentheses shown on the right side of each value are standard deviation values (n = 3).
次に、実施例および比較例で作製したハイドロゲル構造体について、第１網目構造体と第２網目構造体とが互いに結合しているかどうかを確認した。ここでは、破断歪みの最も高い実施例１と破断強度の最も低い比較例２とを比較した。 Next, with respect to the hydrogel structures produced in Examples and Comparative Examples, it was confirmed whether or not the first network structure and the second network structure were bonded to each other. Here, Example 1 having the highest breaking strain and Comparative Example 2 having the lowest breaking strength were compared.
まず、作製したハイドロゲル構造体を水で膨潤させた。続いて、膨潤したハイドロゲル構造体を、１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に７２時間浸漬させた後、１Ｌのイオン交換水中でハイドロゲル構造体を洗浄した。この後、１２時間毎にイオン交換水を３回入れ替え、洗浄を繰り返した。続いて、洗浄後に乾燥させたハイドロゲル構造体の１０ｍｇを４００μＬの水に加え、サンプル溶液を作製した。そして、第一級アルコールを定量するアルコール測定アッセイ（比色）（ＳＴＡ−６２０、セルバイオラボ社製）をサンプル溶液に添加して、サンプル溶液の色の違いを確認した。 First, the prepared hydrogel structure was swollen with water. Subsequently, the swollen hydrogel structure was immersed in 1 mol / L hydrochloric acid for 72 hours, and then the hydrogel structure was washed in 1 L of ion-exchanged water. After that, the ion-exchanged water was replaced three times every 12 hours, and the washing was repeated. Subsequently, 10 mg of the hydrogel structure dried after washing was added to 400 μL of water to prepare a sample solution. Then, an alcohol measurement assay (colorimetric) (STA-620, manufactured by Cell Biolab) for quantifying primary alcohol was added to the sample solution, and the difference in color of the sample solution was confirmed.
実施例１で作製したハイドロゲル構造体では、サンプル溶液の色が変化したため、第１網目構造体と第２網目構造体とが互いに結合していることがわかった。 In the hydrogel structure prepared in Example 1, since the color of the sample solution changed, it was found that the first network structure and the second network structure were bonded to each other.
比較例２で作製したハイドロゲル構造体では、サンプル溶液の色が変化しなかった。比較例２では、第２モノマーを用いなかったため、第２網目構造体が形成されなかった。 In the hydrogel structure prepared in Comparative Example 2, the color of the sample solution did not change. In Comparative Example 2, since the second monomer was not used, the second network structure was not formed.
また、表２に示す機械的特性の評価結果から、実施例１〜４のハイドロゲル構造体は、いずれも比較例１および２のハイドロゲル構造体に比べて、破断歪みが大きく、一定の破断強度も維持しており、機械的特性に優れていることがわかる。 Further, from the evaluation results of the mechanical properties shown in Table 2, the hydrogel structures of Examples 1 to 4 have larger fracture strains and constant fracture than the hydrogel structures of Comparative Examples 1 and 2. It can be seen that the strength is maintained and the mechanical properties are excellent.
１ 第１ポリマー
２ 第２ポリマー
３ 架橋部
１０ ハイドロゲル構造体
1
Claims (11)
前記第１ポリマーが、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、
前記第２ポリマーが、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、
前記第１モノマーは、Ｑ値が０．００１以上０．１９９以下の範囲内、およびｅ値が−８．６０以上０以下の範囲内であり、
前記第２モノマーは、Ｑ値が０．２００以上１６．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．０１以上３．７０以下の範囲内であることを特徴とするハイドロゲル構造体。A hydrogel structure containing a first polymer and a second polymer that is entangled with the first polymer.
The first polymer is a first network structure obtained by polymerizing and cross-linking a first monomer.
The second polymer is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking a second monomer.
The first monomer has a Q value in the range of 0.001 or more and 0.199 or less, and an e value in the range of −8.60 or more and 0 or less.
The second monomer is a hydrogel structure having a Q value in the range of 0.200 or more and 16.000 or less and an e value in the range of 0.01 or more and 3.70 or less.
前記第２モノマーは、Ｑ値が０．３２０以上１．０００以下の範囲内、およびｅ値が０．５０以上０．９０以下の範囲内である請求項１に記載のハイドロゲル構造体。The first monomer has a Q value in the range of 0.020 or more and 0.170 or less, and an e value in the range of -1.70 or more and −0.80 or less.
The hydrogel structure according to claim 1, wherein the second monomer has a Q value in the range of 0.320 or more and 1.000 or less, and an e value in the range of 0.50 or more and 0.90 or less.
前記第１ポリマーが、第１モノマーを重合および架橋させてなる第１網目構造体であり、
前記第２ポリマーが、第２モノマーを重合および架橋させてなる第２網目構造体であり、
前記第１モノマーが、Ｎ−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルアセトアミド、Ｎ−ビニルピロリドン、Ｎ−ビニルカプロラクタム、Ｎ−メチル−Ｎ−ビニルアセトアミド、Ｎ−アリルステアルアミド、Ｎ，Ｎ−メチルビニルトルエンスルホン酸アミド、プロピオン酸ビニル、１−ビニルイミダゾール、酪酸ビニル、酢酸ビニル、けい皮酸ビニル、安息香酸ビニル、ビニルイソシアネート、ビニルエチルエーテル、およびビニルオクタデシルエーテルの群から選択される１つまたは２つ以上の化合物であるハイドロゲル構造体。A hydrogel structure containing a first polymer and a second polymer that is entangled with the first polymer.
The first polymer is a first network structure obtained by polymerizing and cross-linking a first monomer.
The second polymer is a second network structure formed by polymerizing and cross-linking a second monomer.
The first monomer is N-vinylformamide, N-vinylacetamide, N-vinylpyrrolidone, N-vinylcaprolactam, N-methyl-N-vinylacetamide, N-allylstealamide, N, N-methylvinyltoluenesulfone. One or more selected from the group of acid amides, vinyl propionate, 1-vinylimidazole, vinyl butyrate, vinyl acetate, vinyl silicate, vinyl benzoate, vinyl isocyanate, vinyl ethyl ether, and vinyl octadecyl ether. Hydrogel structure which is a compound of.
前記第１モノマーと、前記第２モノマーと、前記第１モノマーおよび前記第２モノマーを重合および架橋させる重合開始剤とを含む溶液を調製する調製工程と、
前記溶液を加熱してゲル化する加熱工程と
を有することを特徴とするハイドロゲル構造体の製造方法。The method for producing a hydrogel structure according to any one of claims 1 to 7.
A preparation step of preparing a solution containing the first monomer, the second monomer, and a polymerization initiator that polymerizes and crosslinks the first monomer and the second monomer.
A method for producing a hydrogel structure, which comprises a heating step of heating the solution to gel it.
The method for producing a hydrogel structure according to any one of claims 8 to 10, wherein the preparation step and the heating step are performed in one pot.
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