WO2012070658A1 - 高分子薄膜、高分子積層膜の製造方法、その製造方法で製造された高分子薄膜、および高分子積層膜 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a polymer thin film, a method for producing a polymer laminated film, a polymer thin film produced by the production method, and a polymer laminated film.
- the present invention relates to a molecular laminated film.
- Patent Document 1 As a method for producing a polymer laminated film, a spin coating method (for example, Patent Document 1) and a magnetic field application method (for example, Patent Documents 2 to 4) are disclosed.
- a collagen gel layer in which collagen molecules are oriented is formed by dropping a collagen solution on a support and spin coating, and another collagen gel layer is spin coated on the collagen gel layer.
- a production method is disclosed in which two or more collagen gel layers in which collagen molecules are oriented are laminated.
- Patent Document 2 discloses a synthetic multilayer structure including fibers oriented in one direction and uniformly formed by placing a container including a layer of a biopolymer fiber forming solution in a magnetic field.
- Patent Document 3 discloses an orientation control device including a magnetic field supply unit that supplies a magnetic field to an affected area and a control unit that controls the magnetic field.
- Patent Document 4 discloses a device for aligning molecules such as collagen and cells using a permanent magnet as a magnetic field generation source.
- Patent Document 1 the centrifugal force generated by rotating the rotating plate around the rotating shaft is applied radially and parallel to the surface of the rotating plate, so that the orientation direction of the collagen is also radial, There is a problem that the formed laminated film cannot obtain sufficient mechanical properties.
- Patent Document 1 most of the collagen solution dripped onto the rotating plate flows radially on the surface of the rotating plate and is wasted without being used in the laminated film, so that the collagen solution is efficiently converted into the laminated film. It was difficult to do.
- Patent Document 1 after the collagen gel layer is formed, another collagen gel layer is formed on the collagen gel layer before the collagen molecules are fibrillated. As a result, it was difficult to form a laminated film in which collagen molecules were fibrillated.
- Patent Documents 2 to 4 there is a problem that the apparatus becomes large because a magnetic field generating means is required.
- the present invention provides a polymer thin film capable of improving mechanical properties, a production method for producing a polymer laminated film simply and efficiently, and a polymer produced by the production method. It aims at providing a thin film and a polymer laminated film.
- a centrifugal force is applied toward the surface of the support on which the polymer solution is placed on one side of the surface, and the polymer is applied to the surface.
- the method includes the step of forming an oriented polymer layer.
- the method for producing a polymer laminated film according to claim 2 of the present invention is a method for producing a polymer laminated film comprising a laminate in which a plurality of polymer thin films are laminated, wherein the polymer solution is placed on one side of the surface. Applying a centrifugal force toward the surface of the body to form a polymer layer in which the polymer is oriented on the surface; and changing the orientation of the support to form a polymer solution on the other side of the surface A step of applying a centrifugal force toward the surface of the placed support to form another polymer layer in which the polymer is oriented on the polymer thin film, The laminate is formed by aligning a polymer in an arbitrary direction.
- the method for producing a polymer laminated film according to claim 3 of the present invention includes the steps of gelling the polymer layer and the other polymer layer, and the gelled polymer layer and the other polymer layer. The step of drying is provided.
- the polymer is collagen
- the gelation step is performed by incubating at 30 ° C. to 45 ° C. under humid conditions. It is characterized by promoting.
- the step of chemically crosslinking the laminate and the step of washing and drying the laminate are performed once or twice. It is characterized by being performed more than once.
- the method for producing a polymer laminated film according to claim 6 of the present invention is characterized in that centrifugal force is applied to the surface of the support at a predetermined angle.
- the polymer thin film according to claim 7 of the present invention is manufactured by the manufacturing method according to claim 1.
- the polymer laminated film according to claim 8 of the present invention is characterized by being manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 2 to 6.
- the polymer solution is dropped on one side or the other side of the support, and centrifugal force is applied toward the support surface to form the polymer layer, thereby eliminating the waste of the polymer solution.
- the polymer can be oriented substantially in parallel, and a polymer laminate film with high mechanical strength can be efficiently formed.
- FIG. 1 It is a figure which shows a present Example, Comprising: It is a figure which shows the relationship between the inclination-angle of a support body at the time of forming a polymer layer, and the rotational speed of a swing rotor. It is the surface image of the polymer thin film which concerns on a present Example, (A) The photographic image with incubation, (B) AFM image (uneven image) with incubation, (C) AFM image (phase image) with incubation, ( D) a photographic image without incubation, (E) an AFM image (irregularity image) without incubation, and (F) an AFM image (phase image) without incubation.
- oriented means that the polymers are aligned in a specific direction.
- the support 1 is not particularly limited as long as it does not specifically adsorb collagen.
- glass, plastic, silicon sheet, etc. can be used.
- the collagen solution 3 is an aqueous solution containing at least solubilized collagen and water.
- solubilized collagen refers to a collagen fiber that is hydrated by refining to a collagen molecule or several molecules or less, and that that dissolves in water or an aqueous salt solution to form a transparent solution.
- the solubilized collagen is not particularly limited, but is preferably used for medical purposes. Specific examples include acid-treated collagen, enzyme-treated collagen (atelocollagen), alkali-treated collagen, and chemically modified collagen thereof.
- atelocollagen refers to a product obtained by reducing an antigenicity by removing an antibody called N-telopeptide existing at both ends of a collagen molecule with an enzyme.
- Chemically modified collagen activates a functional group of a collagen molecule, and examples thereof include succinylated collagen, acylated collagen, and esterified collagen.
- the concentration of the collagen solution 3 is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 10% by mass. If it is less than 0.1% by mass, the solution may flow unevenly before centrifugation, and if it is more than 20% by mass, the viscosity of the collagen solution 3 may be too high to make a gel difficult. Because there is.
- the support body 1 is installed on the swing rotor 10 shown in FIG. 2, and the swing rotor 10 is rotated by a centrifuge (not shown) provided with a drive shaft 11 oriented in the vertical direction. Add centrifugal force toward. Then, the collagen solution 3 dropped on one side of the surface of the support 1 is pushed by centrifugal force and flows to the opposite side 2B opposite to the one side 2A, whereby the polymer layer 4 in which collagen is oriented on the surface. Is formed (FIG. 1C). Here, the orientation direction of the collagen of the polymer layer 4 is vertical (broken arrows in the figure).
- the swing rotor 10 is connected to the drive shaft 11 of a centrifuge having a drive shaft 11 oriented in the vertical direction, and is supported to be swingable with respect to the connection portion 12.
- the bucket 13 is provided.
- the drive shaft 11 does not rotate, the bottom surface of the bucket 13 is directed vertically upward.
- the bucket 13 swings due to the centrifugal force generated by the rotation of the drive shaft 11, and the bottom surface of the bucket 13 is oriented in the direction of the drive shaft 11 and is at a position farthest from the drive shaft 11. (Dotted line in this figure).
- the support 1 is installed on the bottom surface 14 of the bucket 13 with the surface facing vertically upward. As shown in FIG. 3, the support 1 is preferably installed in a state where the support 1 is inclined at a predetermined angle with respect to the bottom surface 14 of the bucket 13. In this figure, an inclination forming portion 15 is provided on the bottom surface 14 of the bucket 13. In the case of this embodiment, the inclination formation part 15 is comprised with the pair of block 16 and the board
- the support 1 is preferably installed so that the inclination angle ⁇ is about 12 degrees or more.
- the polymer layer 4 was incubated and dried to form a polymer thin film 5 (FIG. 1D).
- the micronized polymer can be connected in the arrangement direction to be fibrillated.
- the conditions for incubation and drying are not particularly limited, and can be performed by a known method. In the case of this embodiment, the incubation is held in a 37 ° C. incubator for 30 minutes. Drying is left in a cooling room at 4 ° C.
- the swing rotor 10 is rotated by a centrifuge and a centrifugal force is applied toward the surface of the support 1.
- the collagen solution 3 dropped on the other side 6A of the surface of the support 1 is pushed by the centrifugal force and flows to the opposite side 6B opposite to the other side 6A, so that the collagen is oriented on the polymer thin film 5.
- the polymer layer 7 is formed (FIG. 1F).
- the orientation direction of the collagen of the other polymer layer 7 is vertical (a dashed line arrow in the figure). Therefore, the collagen orientation direction of the other polymer layer 7 is orthogonal to the collagen orientation direction of the polymer thin film 5 previously formed on the support 1.
- the support 1 on which the polymer thin film is formed is rotated 90 degrees, and is again inclined to the bottom surface 14 of the bucket 13, and another polymer thin film (not shown) is further formed on the other polymer thin film 8.
- another polymer thin film (not shown) is further formed on the other polymer thin film 8. ) Is repeatedly formed, it is possible to form a laminate 9 in which two or more, for example, tens or hundreds of polymer thin films in which the orientation directions of collagen are orthogonal to each other are laminated.
- the crosslinking treatment is performed chemically using a crosslinking agent.
- the cross-linking agent is used to cross-link collagen molecules, fine fibers, and fibers, and is not particularly limited as long as it is used for protein cross-linking and is water-soluble.
- aldehyde-based, carbodiimide-based, epoxy-based, and imidazole-based water-soluble crosslinking agents can be used.
- N-hydroxysuccinimide is preferably used as the carboxyl group activator.
- the carboxyl group can be activated to increase the crosslinking efficiency.
- EDC is used as the crosslinking agent and NHS is used as the carboxyl group activator
- the concentration ratio EDC / NHS is preferably set to 0.5 to 10, preferably 1.0 to 5.
- the concentration of the crosslinking agent is preferably 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.5 to 5% by mass. This is because if it is less than 0.01% by mass, the gel strength is insufficient, and if it is more than 10% by mass, a brittle gel is formed.
- the conditions for the crosslinking treatment are not particularly limited, for example, a method of immersing the laminate 9 in the above-mentioned mixed solution of EDC and NHS and holding at room temperature for 2 hours can be mentioned.
- a method of immersing the laminate 9 in the above-mentioned mixed solution of EDC and NHS and holding at room temperature for 2 hours can be mentioned.
- physiological saline and distilled water it is preferable to use physiological saline and distilled water. Drying is performed while the polymer using the laminate 9 is held at a stable temperature.
- a low temperature condition of 4 to 8 ° C. is desirable.
- the stability and transparency of the polymer laminated film can be improved by performing a plurality of cycles of crosslinking treatment, washing treatment, and drying treatment on the laminate 9 as described above.
- the polymer layer 4 is gelated by incubating and dried to form the polymer thin film 5, and another polymer film 5 is formed on the polymer thin film 5.
- the molecular layer 7 was formed.
- the polymer orientation directions of the overlapping polymer thin films are orthogonal to each other, so that the mechanical characteristics in the vertical direction and the horizontal direction can be made equal. Furthermore, by creating a laminated film oriented in a specific direction, the mechanical properties can be improved by specializing in the uniaxial direction.
- the polymer laminated film is produced by dropping the collagen solution 3 on one side 2A or the other side 6A of the support 1 and applying a centrifugal force toward the surface of the support 1 to flow the polymer layer 4 by flow casting. 7 are formed.
- the method for producing the polymer laminated film can efficiently orient the collagen in a substantially parallel manner without wasting the collagen solution 3 and efficiently forming the polymer laminated film having high mechanical strength. be able to. Furthermore, according to this production method, since the collagen is oriented only by using a general centrifugal device and a small bucket having an inclination, the cost required for the device and production is low compared to the orientation method using a strong magnetic field. is there.
- the present invention is not limited to this and can be applied to polystyrene, polyethylene terephthalate, DNA, self-assembling peptides, and the like.
- the present invention is not limited to this, but the immersion treatment in a buffering agent or a metal ion solution, radiation such as ⁇ rays, electromagnetic waves, for example, ultraviolet rays
- radiation such as ⁇ rays, electromagnetic waves, for example, ultraviolet rays
- a photocrosslinking treatment such as (UV: wavelength 10 to 400 nm or UVA: wavelength 400 to 315 nm) can be applied.
- a method for producing a polymer thin film that can be applied to the cornea has been described.
- the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited thereto.
- Biological tissue substitutes or biological tissue regeneration scaffolds corneal parenchyma, dermal dermis, meniscus, ligaments, bones, roots, etc.
- drug release materials cell sheet supports
- cell sheet supports cosmetics related (includes lotion) It is possible to produce a polymer thin film that can be applied to face masks), contact lenses, skin protective films, anti-adhesion films after intraperitoneal surgery and the like.
- a composite thin film composed of a plurality of polymers for example, a collagen thin film and a hyaluronic acid thin film. May be laminated alternately to form a polymer laminated film.
- the said embodiment demonstrated the case where the polymer thin film to which the orientation direction of collagen mutually orthogonally was laminated
- the shape of the support body 1 can be made into arbitrary polygons, or a support body.
- the rotation angle By setting the rotation angle to a desired angle, the polymer thin films with different orientation directions of collagen, for example, 15 degrees, 30 degrees, and 45 degrees, are laminated. It is good.
- the present invention is not limited thereto, and may be gelled by, for example, crosslinking. If the polymer is stable, the gelling step may be omitted.
- a laminate using collagen as a polymer was prepared by the following procedure. First, a 3% by mass aqueous atelocollagen solution is dropped on one side of the surface of a cover glass (24 ⁇ 32 mm) as a support, and the cover glass is placed on a bucket of a swing rotor (FIG. 2) connected to a centrifuge, Flow casting was performed by rotating the swing rotor.
- a swing rotor FIG. 2
- the inclination angle ⁇ of the cover glass is 6 degrees, 12 degrees, and 24 degrees, and the rotation speed of the swing rotor (the distance between the center of the drive shaft and the support (cover glass) during rotation is 11 cm) is 1000 rpm and 3500 rpm, respectively.
- flow cast was performed.
- the uniform polymer layer 4 can be formed on the cover glass when the tilt angle is 12 degrees or more and the rotation speed is 3500 rpm.
- the formed polymer layer 4 had a thickness of 2.3-4.3 ⁇ m.
- the collagen solution 3 does not reach from the one side 2A to the opposite side 2B, and the boundary surface 20 is formed at the tip of the flowed collagen solution. .
- the polymer layer 4 was incubated at 37 ° C. for 30 minutes and then dried in a refrigerator to obtain a polymer thin film.
- AFM atomic force microscope
- the surface morphology of the collagen having a microfibrous structure as shown in FIG. 5C is confirmed. I was able to.
- the LB linear birefringence
- the optical anisotropy of the collagen sheet increases by performing the incubation (FIG. 13).
- the cover glass is rotated 90 degrees or 180 degrees, the collagen solution is dropped on the other side of the cover glass, the swing rotor is rotated, and a new polymer layer is formed on the polymer thin film by flow casting. Formed. It was confirmed that a laminate composed of at least 20 layers can be formed by repeating the above flow casting.
- the polymer thin films overlapping each other by rotating the cover glass by 90 degrees are used as examples, and the polymer thin films overlapping each other by rotating 180 degrees are overlapped.
- a laminate in which the orientation directions of the polymers are parallel is taken as a comparative example.
- the film thickness of the polymer thin film was 3 ⁇ m or less (FIG. 6).
- the cross section of the polymer laminated film was analyzed with a polarizing microscope.
- the polymer laminated film was frozen, and a frozen section having a thickness of 200 ⁇ m was prepared using a cryostat.
- the frozen section was placed on a slide glass, washed with distilled water, and then sealed with a cover glass together with phosphate buffered saline (PBS).
- PBS phosphate buffered saline
- the polymer laminated film after the above treatment was placed under a microscope.
- the angle between the polarizer and the analyzer was ⁇ 45 ° and 45 ° with respect to the surface of the polymer laminated film to be analyzed.
- the optical properties of the polymer laminated film were evaluated with a polarizing microscope.
- the polymer laminated film was placed on a slide glass and observed under a polarizing microscope.
- the angles of the polarizer and analyzer of the polarizing microscope were 0 ° and 90 °.
- the polymer laminated film is arranged in a direction parallel to the orientation direction of the polymer when the first polymer thin film is formed, the position is set to 0 degree, and the position is rotated by 45 degrees from 0 degree to 180 degrees. And rotated four times so as to be parallel to the polarizer.
- SEM SEM
- a section of the polymer laminated film was prepared by cutting the polymer laminated film in parallel or perpendicular to the flow casting direction.
- the sections were pretreated with substituted ethanol and isoamyl acetate, and critical point drying was performed with a critical dryer using carbon dioxide.
- the above slices dried by an osmium coater were coated with osmium.
- TEM TEM
- a section (about 2 ⁇ 1 mm) was cut from the polymer laminated film, the section was fixed with 4% by mass paraformaldehyde and 2% by mass osmium tetroxide, and ethanol was added. After dehydrating with, sealed with epoxy resin and dried.
- a 70-90 nm section was cut with an ultramicrotome in a direction parallel or perpendicular to the flowcast direction, placed on a TEM grid, containing 2% by weight uranyl acetate and 1% by weight PTA at room temperature, and Reynolds formulated. Stained with lead citrate solution.
- the mechanical properties were evaluated by measuring the tensile strength of a polymer laminate film comprising 8 laminates.
- a small table tester Ez-Test
- Shimadzu Corporation was used for the tensile test.
- the polymer laminated film was formed into a dumbbell shape. Thereafter, a tensile load was applied at a rate of 100 mm per minute by a testing machine.
- the measurement region of the polymer laminated film was rectangular (10 mm ⁇ 3 mm, thickness 400 ⁇ m).
- the tensile load is parallel to the flow cast direction when the first polymer thin film of the polymer laminated film is produced (hereinafter referred to as the first direction), and perpendicular (hereinafter referred to as the second direction). Added). Moreover, about the comparative example, the tensile load was added with respect to the orientation direction of the said polymer laminated film with respect to the parallel or orthogonal direction.
- Linear birefringence When linearly polarized light is incident on a material with optical anisotropy, it propagates through the material separately into two linearly polarized light beams that are orthogonal to each other.
- the difference in refractive index between the two linearly polarized light is LB (Linear Birefringence; Birefringence) and represents the optical anisotropy of the material.
- This LB is a physical quantity that can be used as an index for quantitatively measuring the orientation of the anisotropic film.
- Linear birefringence is obtained by using a general-purpose high-accuracy universal polarimeter G-HAUP * General (Generalized-High Accuracy Universal Polarimeter). Wavelength ⁇ and sample thickness d are expressed as
- the orientation of the polymer is different for each polymer thin film, and the polymer thin film has a small-diameter fiber structure of about 200 nm or less. Was confirmed.
- FIG. 10 shows a stress-strain curve as a result of the tensile test.
- the examples showed similar stress-strain curves both when a tensile load in the first direction was applied and when a tensile load in the second direction was applied.
- the comparative example showed a sharper stress-strain curve when a tensile load was applied in the parallel direction than when a tensile load was applied in the perpendicular direction.
- 11 and 12 show the average tensile strength and average elastic modulus of the laminated film under each condition.
- the average tensile strength was 5.98 N / mm 2 and the average elastic modulus was 47.8 N / mm 2 .
- the average tensile strength was 5.35 N / mm 2 and the average elastic modulus was 50.7 N / mm 2 .
- a tensile strength greater than the tensile strength (about 4 N / mm 2 ) of the human cornea is obtained in the first direction and the second direction, and the tensile strength in each direction is equivalent. did it.
- the tensile strength is directional, and the strength is improved about twice in the fiber orientation direction, but it was confirmed that the strength was inferior to the tensile strength of the human cornea depending on the direction.
- FIG. 13 shows the difference in LB of the laminated collagen sheet with and without 37 ° C. incubation. It was possible to quantitatively evaluate the increase in the LB of the collagen sheet, that is, the optical anisotropy, by performing the incubation. This is because the collagen solution extracted from the living body self-assembles (fibrates) in an appropriate environment such as a temperature (approximately 37 ° C) and pH equivalent to that of the living body. This is probably because a similar nanofiber structure was recovered.
- FIG. 14 shows the difference in the LB of the laminated collagen sheet depending on the rotation speed of the centrifuge.
- the LB value increased significantly by increasing the rotation speed of the centrifuge from 2,500 rpm to 4,000 rpm. From this, the centrifugal force applied to collagen increases or decreases by increasing or decreasing the number of rotations of the centrifuge during film formation, so that not only the film thickness of the laminated collagen sheet but also the LB value, that is, optical It can be seen that the anisotropy (orientation) can be controlled.
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Abstract
機械的特性を向上することができる高分子積層膜を効率的に製造する製造方法およびその製造方法により製造された高分子積層膜を提供する。 表面の一側２Ａに高分子溶液３を載置した支持体１の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記表面に前記高分子が配向した高分子層４を形成するステップと、前記高分子層４をインキュベートした後、乾燥して、高分子薄膜５を形成するステップと、前記支持体１の向きを変えて前記表面の他側６Ａに高分子溶液３を載置した前記支持体１の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記高分子薄膜５上に高分子が配向した他の高分子層７を形成するステップと、前記他の高分子層７をインキュベートした後、乾燥して、他の高分子薄膜８を形成するステップとを備える。
Description
本発明は、高分子薄膜、高分子積層膜の製造方法、その製造方法で製造された高分子薄膜、および高分子積層膜に関し、特に高分子の配向方向が互いに異なる高分子薄膜を積層した高分子積層膜に関するものである。
高分子積層膜の製造方法としては、スピンコート法（例えば、特許文献１）、や磁場印加法（例えば、特許文献２～４）が開示されている。特許文献１には、支持体上にコラーゲン溶液を滴下しスピンコートすることにより、コラーゲン分子が配向しているコラーゲンゲル層を形成し、さらに当該コラーゲンゲル層上に別のコラーゲンゲル層をスピンコートにより形成することで、コラーゲン分子が配向しているコラーゲンゲル層を２層以上積層する製造方法が開示されている。
特許文献２には、生体高分子線維形成用溶液の層を含む容器を磁場に置いて形成された、一方向にかつ均一に配向された線維を含む合成多層構造が開示されている。特許文献３には、患部へ磁場を供給する磁場供給手段と、前記磁場を制御する制御手段を備えた配向性の制御装置が開示されている。特許文献４には、磁場発生源として永久磁石を用いたコラーゲンおよび細胞等の分子配向用装置が開示されている。
上記特許文献１では、回転軸を中心に回転板を回転することにより生じる遠心力が、回転板の表面に対し平行にかつ放射状に付加されるので、コラーゲンの配向方向も放射状となってしまい、形成された積層膜が十分な機械的特性を得ることができないという問題があった。
また、特許文献１では、回転板に滴下されたコラーゲン溶液の大半は、回転板の表面を放射状に流れ、積層膜に使われず無駄に廃棄されてしまうので、コラーゲン溶液を効率的に積層膜にすることが困難であった。
さらに、特許文献１では、コラーゲンゲル層を形成した後、コラーゲン分子が線維化する前に当該コラーゲンゲル層上に他のコラーゲンゲル層を形成していたので、コラーゲンゲル層毎に架橋処理を行う必要があり、結果としてコラーゲン分子が線維化された積層膜を形成することが困難であった。
また、特許文献２～４では、磁場発生手段が必要となるため、装置が大型化してしまうという問題があった。
そこで、本発明は上記した問題点に鑑み、機械的特性を向上することができる高分子薄膜、高分子積層膜を簡易的かつ効率的に製造する製造方法およびその製造方法により製造された高分子薄膜、および高分子積層膜を提供することを目的とする。
本発明の請求項１に係る高分子薄膜の製造方法は、表面の一側に高分子溶液を載置した支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記表面に前記高分子が配向した高分子層を形成するステップを備えることを特徴とする。
本発明の請求項２に係る高分子積層膜の製造方法は、高分子薄膜を複数積層した積層物を備える高分子積層膜の製造方法において、表面の一側に高分子溶液を載置した支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記表面に前記高分子が配向した高分子層を形成するステップと、前記支持体の向きを変えて前記表面の他側に高分子溶液を載置した前記支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記高分子薄膜上に高分子が配向した他の高分子層を形成するステップとを備え、重なり合う前記高分子薄膜同士の高分子を任意の方向に配向させた前記積層物を形成することを特徴とする。
本発明の請求項３に係る高分子積層膜の製造方法は、前記高分子層および前記他の高分子層をゲル化するステップと、前記ゲル化した前記高分子層および前記他の高分子層を乾燥するステップを備えることを特徴とする。
本発明の請求項４に係る高分子積層膜の製造方法は、前記高分子がコラーゲンであって、前記ゲル化するステップは、湿潤条件下で３０℃～４５℃でインキュベートすることにより線維化を促進することを特徴とする。
本発明の請求項５に係る高分子積層膜の製造方法は、さらに、前記積層物を化学的に架橋処理を行うステップと、前記積層物を洗浄して乾燥するステップとを、１回または２回以上行うことを特徴とする。
本発明の請求項６に係る高分子積層膜の製造方法は、前記支持体の表面に対し、遠心力を所定角度傾けて付加することを特徴とする。
本発明の請求項７に係る高分子薄膜は、請求項１記載の製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明の請求項８に係る高分子積層膜は、請求項２～６のいずれか１項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする。
本発明によれば、支持体の一側または他側に高分子溶液を滴下し、支持体表面に向かって遠心力を付加して高分子層を形成することにより、高分子溶液の無駄を省き、高分子を略平行に配向させることができ、且つ効率的に機械的強度の高い高分子積層膜を形成することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
１．製造方法
本実施形態に係る製造方法では、高分子としてコラーゲンを適用し、当該コラーゲンの配向方向が互いに異なる高分子膜を複数積層してなる積層物を備える高分子積層膜を製造する場合について説明する。上記のように構成される高分子積層膜は、角膜として適用することができる。高分子積層膜は、高分子薄膜を積層してなる積層物を製造する工程と、当該積層物に対し乾燥と架橋処理を繰り返す工程の二工程で製造される。
１．製造方法
本実施形態に係る製造方法では、高分子としてコラーゲンを適用し、当該コラーゲンの配向方向が互いに異なる高分子膜を複数積層してなる積層物を備える高分子積層膜を製造する場合について説明する。上記のように構成される高分子積層膜は、角膜として適用することができる。高分子積層膜は、高分子薄膜を積層してなる積層物を製造する工程と、当該積層物に対し乾燥と架橋処理を繰り返す工程の二工程で製造される。
なお、本明細書において「配向した」とは、高分子がある特定の方向に整列していることをいう。
（１）積層物の製造方法
まず、図１Ａに示す支持体１の表面の一側２Ａにコラーゲン溶液３を滴下する（図１Ｂ）。
まず、図１Ａに示す支持体１の表面の一側２Ａにコラーゲン溶液３を滴下する（図１Ｂ）。
支持体１は、コラーゲンが特異的に吸着するものでなければ特に限定されない。例えば、ガラス、プラスチック、シリコンシートなどを用いることができる。
コラーゲン溶液３は、少なくとも、可溶化コラーゲンと水を含む水溶液である。ここで、可溶化コラーゲンとは、コラーゲン線維が、コラーゲン分子あるいは数分子以下まで微細化して水和したものをいい、水あるいは塩水溶液に溶解して透明溶液を形成するものをいう。
可溶化コラーゲンは、特に限定されないが、医療用に用いられるものが好ましい。具体的には、酸処理コラーゲン、酵素処理コラーゲン（アテロコラーゲン）、アルカリ処理コラーゲン及びそれらの化学修飾コラーゲンが挙げられる。ここで、アテロコラーゲンとは、コラーゲン分子の両端に存在するＮ－テロペプチドと呼ばれる抗体を酵素で取り外し、抗原性を低下させたものをいう。また、化学修飾コラーゲンとは、コラーゲン分子の官能基を活性化するものであって、スクニシル化コラーゲン、アシル化コラーゲン又はエステル化コラーゲン等を挙げることができる。
コラーゲン溶液３の濃度は、好ましくは０．１から２０質量％、より好ましくは０．５～１０質量％である。０．１質量％より小さいと遠心処理を行う前に溶液が不均一に流れる場合があり、２０質量％より大きいとコラーゲン溶液３の粘度が高すぎでゲルを作製させるのが困難になる場合があるからである。
次に、支持体１を図２に示すスイングロータ１０に設置し、鉛直方向に指向する駆動軸１１を備えた遠心機（図示しない）により前記スイングロータ１０を回転させ、支持体１の表面に向かって遠心力を付加する。そうすると、支持体１の表面の一側に滴下されたコラーゲン溶液３が遠心力に押されて一側２Ａに対向する反対側２Ｂへ流れることにより、当該表面上にコラーゲンが配向した高分子層４が形成される（図１Ｃ）。ここで、高分子層４のコラーゲンの配向方向は、縦向き（図中破線矢印）となる。
スイングロータ１０は、図２に示すように、鉛直方向に指向する駆動軸１１を備えた遠心機の前記駆動軸１１に接続された接続部１２と、当該接続部１２に対し揺動可能に支持されたバケット１３とを備える。駆動軸１１の無回転時において、バケット１３の底面は、鉛直上方に指向している。スイングロータ１０は、駆動軸１１が回転することによって生じる遠心力により、バケット１３が揺動し、当該バケット１３の底面が駆動軸１１の方向に指向し、駆動軸１１から最も離間した位置となる（本図中破線）。
支持体１は、表面を鉛直上方に向けた状態でバケット１３の底面１４に設置される。支持体１は、図３に示すように、バケット１３の底面１４に対し、所定角度傾斜させた状態で設置されるのが好ましい。本図において、バケット１３の底面１４には、傾斜形成部１５が設けられている。本実施形態の場合、傾斜形成部１５は、スライドガラスを複数枚重ねた一対のブロック１６と、基板１７とで構成されている。ブロック１６同士は所定間隔をあけて固定されている。支持体１は、ブロック同士の間に一側が上方となるように傾斜させて掛架された基板１７上に設置されている。ブロック１６同士の間隔Ｄおよびブロック１６の高さＨを適宜調節することにより、支持体１の傾斜角度θを調節し得る。
支持体１の傾斜角度θは、大きい方が、高分子層４を均一に形成することができる。支持体１は、傾斜角度θが約１２度以上となるように設置されるのが好ましい。
次に、高分子層４をインキュベートし、乾燥させて高分子薄膜５を形成した（図１Ｄ）。高分子層４をインキュベートすることにより、微細化している高分子を配列方向に連結して、線維化することができる。インキュベートや乾燥の条件は、特に限定されるものではなく、公知の方法により行うことができる。本実施形態の場合、インキュベートは、３７℃の定温器に３０分間保持することとする。また、乾燥は、４℃の冷却室に放置することとする。
次に、高分子薄膜５を形成した支持体１を９０度回転させた状態で、再びバケット１３の底面１４に傾斜させて設置し、上方に保持された表面の他側６Ａにコラーゲン溶液３を滴下する（図１Ｅ）。ここで、支持体１上に既に形成されている高分子薄膜５のコラーゲンの配向方向は、横向き（図中破線矢印）となる。
次に、遠心機により前記スイングロータ１０を回転させ、支持体１の表面に向かって遠心力を付加する。そうすると、支持体１の表面の他側６Ａに滴下されたコラーゲン溶液３が遠心力に押されて他側６Ａに対向する反対側６Ｂへ流れることにより、高分子薄膜５上にコラーゲンが配向した他の高分子層７を形成する（図１Ｆ）。ここで、他の高分子層７のコラーゲンの配向方向は、縦向き（図中一点鎖線矢印）となる。したがって、他の高分子層７のコラーゲンの配向方向は、先に支持体１上に形成された高分子薄膜５のコラーゲンの配向方向と、直交することになる。
次に、他の高分子層７をインキュベートし、乾燥させて他の高分子薄膜８を形成する。以上により、支持体１上にコラーゲンの配向方向が互いに直交する高分子薄膜が２層積層された積層物９が形成される。
再び、高分子薄膜を形成した支持体１を９０度回転させた状態で、再びバケット１３の底面１４に傾斜させて設置し、他の高分子薄膜８上にさらに他の高分子薄膜（図示しない）を繰り返し形成することにより、コラーゲンの配向方向が互いに直交する高分子薄膜を２層以上、例えば数十層、数百層積層した積層物９を形成することができる。
（２）乾燥及び架橋処理
次に、積層物９に対して行う架橋及び乾燥処理について説明する。本実施形態の場合は、架橋処理、洗浄処理、乾燥処理を順に、１回または２回以上行うことが好ましい。
次に、積層物９に対して行う架橋及び乾燥処理について説明する。本実施形態の場合は、架橋処理、洗浄処理、乾燥処理を順に、１回または２回以上行うことが好ましい。
本実施形態の場合、架橋処理は、架橋剤を用いて化学的に行う。架橋剤は、コラーゲン分子間、細線維、線維間の架橋を行うものであり、蛋白質の架橋に用いられ水溶性であれば特に限定されない。例えば、アルデヒド系、カルボジイミド系、エポキシ系及びイミダゾール系の水溶性架橋剤を用いることができる。好ましくはカルボジイミド系であり、具体的には、１－エチル－３－（３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド（ＥＤＣ）、１－シクロヘキシル－３－（２－モルホリニル－４－エチル）カルボジイミド等を挙げることができる。
なお、カルボジイミド系の架橋剤を用いる場合、カルボキシル基活性剤としてＮ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）を用いることが好ましい。カルボキシル基を活性エステル化して架橋効率を高めることができる。架橋剤にＥＤＣを用い、カルボキシル基活性剤としてＮＨＳを用いる場合、その濃度比ＥＤＣ／ＮＨＳが０．５～１０、好ましくは１．０～５とするのが好ましい。
また、架橋剤の濃度は０.０１～１０質量％、より好ましくは０．５～５質量％とするのが好ましい。０．０１質量％より小さいとゲル強度が不足し、１０質量％より大きいともろいゲルができるからである。
架橋処理の条件は特に限定されるものではないが、例えば、積層物９を上記ＥＤＣとＮＨＳの混合溶液に浸漬し、室温で２時間保持する方法が挙げられる。洗浄は、生理食塩水と蒸留水を用いることが好ましい。乾燥は、積層物９を使用する高分子が安定な温度で保持して行うが特に生体高分子の場合は４～８℃の低温条件が望ましい。
上記のように、積層物９に対し架橋処理、洗浄処理、乾燥処理を１サイクルとして複数サイクル行うことにより、高分子積層膜の安定性と透明性を向上させることも出来る。
２．作用および効果
本実施形態に係る高分子積層膜の製造方法は、高分子層４をインキュベートすることによりゲル化し、乾燥させて高分子薄膜５を形成し、当該高分子薄膜５上に他の高分子層７を形成することとした。これにより、高分子層４のコラーゲンを線維化した後に他の高分子層７を形成することで、コラーゲンが配向方向に線維化された積層物９を形成することができるので、高分子積層膜の機械的特性を向上することができる。
本実施形態に係る高分子積層膜の製造方法は、高分子層４をインキュベートすることによりゲル化し、乾燥させて高分子薄膜５を形成し、当該高分子薄膜５上に他の高分子層７を形成することとした。これにより、高分子層４のコラーゲンを線維化した後に他の高分子層７を形成することで、コラーゲンが配向方向に線維化された積層物９を形成することができるので、高分子積層膜の機械的特性を向上することができる。
また、本実施形態に係る高分子積層膜は、重なり合う高分子薄膜同士の高分子の配向方向が直交しているので、縦方向、横方向に対する機械的特性を同等にすることができる。さらに特定方向に配向した積層膜を作製することで一軸方向に特化して力学特性を向上させることも出来る
また、高分子積層膜の製造方法は、支持体１の一側２Ａまたは他側６Ａにコラーゲン溶液３を滴下し、支持体１表面に向かって遠心力を付加してフローキャストにより高分子層４，７を形成することとした。これにより、高分子積層膜の製造方法は、コラーゲン溶液３を無駄にすることなく、かつコラーゲンを略平行に配向させることができるので、効率的に機械的強度の高い高分子積層膜を形成することができる。さらに本製造方法によれば、一般的な遠心装置と傾斜を有する小型バケットを使用するだけでコラーゲンを配向させるので、強磁場を用いた配向方法と比較して装置や作製に要する費用が安価である。
また、高分子積層膜の製造方法は、支持体１の一側２Ａまたは他側６Ａにコラーゲン溶液３を滴下し、支持体１表面に向かって遠心力を付加してフローキャストにより高分子層４，７を形成することとした。これにより、高分子積層膜の製造方法は、コラーゲン溶液３を無駄にすることなく、かつコラーゲンを略平行に配向させることができるので、効率的に機械的強度の高い高分子積層膜を形成することができる。さらに本製造方法によれば、一般的な遠心装置と傾斜を有する小型バケットを使用するだけでコラーゲンを配向させるので、強磁場を用いた配向方法と比較して装置や作製に要する費用が安価である。
高分子積層膜の製造方法では、積層物９に対し架橋処理、洗浄処理、乾燥処理を１サイクルとする処理を複数サイクル行うことにより、高分子積層膜の機械的特性および光学的特性を向上することができる。特に光学的特性については、高分子積層膜の透明性を飛躍的に向上できることが実験により確認できた。
３．本発明の他の実施形態
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施形態では、高分子がコラーゲンである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタラート、ＤＮＡ、自己組織化ペプチドなどにも適用することができる。
また、上記実施形態では、架橋処理が化学的に行われる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、緩衝剤や金属イオン溶液への浸漬処理、γ線などの放射線、電磁波、例えば紫外線（ＵＶ：波長10～400ｎｍや、ＵＶＡ：波長400～315ｎｍ）などによる光架橋処理を適用することができる。
また、上記実施形態では、角膜に適用できる高分子薄膜の製造方法について説明したが、本発明はこれに限らず、厚みが数ｎｍ以下の超薄膜、液晶フィルター（サンガラス、携帯画面表面等）、生体組織代価物または生体組織再生の足場材料（角膜実質、皮膚真皮、半月板、靱帯、骨、歯根等）、薬剤除放材料、細胞シートの支持体、美容関連（化粧水を含ませたフェイスマスク）、コンタクトレンズ、皮膚保護膜、腹腔内手術後の癒着防止膜等に適用できる高分子薄膜を製造することができる。
また、上記実施形態では、高分子がコラーゲンである高分子薄膜を複数積層する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数の高分子による複合薄膜、例えば、コラーゲン薄膜とヒアルロン酸薄膜とを交互に積層して高分子積層膜を形成してもよい。
また、上記実施形態では、コラーゲンの配向方向が互いに直交する高分子薄膜を積層する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、支持体１の形状を任意の多角形にしたり、支持体を据え付けの回転式にすることで、回転角度を所望の角度にすることにより、コラーゲンの配向方向が互いに所望の角度、例えば、１５度、３０度、４５度、異なる高分子薄膜を積層することとしてもよい。
また、上記実施形態では、高分子としてのコラーゲンをインキュベートすることにより、ゲル化させる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、架橋によってゲル化させてもよく、また、本来的に高分子が安定している場合にはゲル化するステップを省略してもよい。
また、上記実施形態では、高分子薄膜を積層した高分子積層膜を形成する場合について説明したが、単層の高分子薄膜を形成することとしてもよい。
（１）試料
（積層物の作製）
以下の手順によって、高分子としてコラーゲンを用いた積層物を作製した。まず、３質量％アテロコラーゲン水溶液を支持体としてのカバーガラス（２４×３２ｍｍ）表面の一側に滴下し、上記カバーガラスを遠心機に接続されたスイングロータ（図２）のバケット上に設置し、スイングロータを回転させることによりフローキャストを行った。
（積層物の作製）
以下の手順によって、高分子としてコラーゲンを用いた積層物を作製した。まず、３質量％アテロコラーゲン水溶液を支持体としてのカバーガラス（２４×３２ｍｍ）表面の一側に滴下し、上記カバーガラスを遠心機に接続されたスイングロータ（図２）のバケット上に設置し、スイングロータを回転させることによりフローキャストを行った。
上記カバーガラスの傾斜角度θを６度、１２度、２４度とし、スイングロータ（回転時の駆動軸と支持体（カバーガラス）の中心の距離は１１ｃｍ）の回転速度を１０００ｒｐｍ、３５００ｒｐｍとし、それぞれの場合においてフローキャストを行った。その結果、図４に示すように、傾斜角度は１２度以上で、回転速度が３５００ｒｐｍの場合、上記カバーガラス上に均一な高分子層４を形成できることが確認できた。形成された高分子層４の厚さは、２．３－４．３μｍであった。一方、回転数が１０００ｒｐｍの場合、または傾斜角度が６度の場合には、コラーゲン溶液３が一側２Ａから反対側２Ｂまで到達せず、流れたコラーゲン溶液の先端で境界面２０が形成された。
上記高分子層４を３７℃で３０分間インキュベートし、その後冷蔵庫内で乾燥して高分子薄膜を得た。上記処理後、肉眼および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）で上記高分子薄膜の表面を確認したところ、図５Ｃのようにコラーゲンが微小線維状の構造を持った表面形態を確認することができた。これに対し、インキュベーションをしなかった場合には、コラーゲンが線維化されていないことが確認された（本図（Ｆ））。また、インキュベートを行うことによって，コラーゲンシートのLB（直線複屈折）、すなわち光学的異方性が増大することが確認された（図１３）。
引き続き、上記カバーガラスを９０度または１８０度回転させ、上記コラーゲン溶液を上記カバーガラスの他側に滴下し、スイングロータを回転させて、フローキャストにより上記高分子薄膜上に新たな高分子層を形成した。上記フローキャストを繰り返すことにより、少なくとも２０層からなる積層物を形成できることが確認された。
上記工程において、以下、上記カバーガラスを９０度ずつ回転させて重なり合う前記高分子薄膜同士の高分子の配向方向が直交する積層物を実施例とし、１８０度ずつ回転させて重なり合う前記高分子薄膜同士の高分子の配向方向が平行となる積層物を比較例とする。なお、高分子薄膜の膜厚は、３μｍ以下であった（図６）。
（ガラス化処理）
上記フローキャストによって得られた積層物に対し、乾燥及び架橋処理を行った。架橋剤としてＥＤＣとＮＨＳの混合溶液（ＥＤＣ １．０質量％、ＮＨＳ ０．５質量％）を用い、当該混合溶液中に上記積層物を室温で２時間浸漬し、化学的架橋処理を行った。当該架橋処理後、上記積層物上に残留した架橋剤を生理食塩水と蒸留水で洗浄し、引き続き試料を４－８℃で乾燥した。架橋処理、洗浄、乾燥の上記３工程を１サイクルとし、複数サイクル繰り返して、高分子積層膜を得た。
上記フローキャストによって得られた積層物に対し、乾燥及び架橋処理を行った。架橋剤としてＥＤＣとＮＨＳの混合溶液（ＥＤＣ １．０質量％、ＮＨＳ ０．５質量％）を用い、当該混合溶液中に上記積層物を室温で２時間浸漬し、化学的架橋処理を行った。当該架橋処理後、上記積層物上に残留した架橋剤を生理食塩水と蒸留水で洗浄し、引き続き試料を４－８℃で乾燥した。架橋処理、洗浄、乾燥の上記３工程を１サイクルとし、複数サイクル繰り返して、高分子積層膜を得た。
上記ガラス化処理の繰り返し中、１サイクル毎に６サイクル目まで可視光（５５０ｎｍ）による可視光透過測定を行った。その結果、図７に示すように実施例、比較例ともに８層の積層物、２０層の積層物において、透過率がそれぞれ７５％、６８％まで単調改善した。さらにガラス化処理のサイクル数を６とした高分子積層膜に対し任意の可視光(400-700 nm)で可視光透過測定を行ったところ、図８のように波長の増加に従い、上記実施例、上記比較例共に透過率が有意差無く増加した。以上より、本実施例に係る高分子積層膜は、ヒトの角膜に近い透明度を持つことが確認できた。
（２）評価方法
上記高分子積層膜の断面構造を観察した。観察には、偏光顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM :scanning electron microscope)、透過型電子顕微鏡（TEM :transmission electron microscope)を用いた。また、上記高分子積層膜の構造が光学的機能に与える影響について評価した。さらに、引張試験により、上記高分子積層膜の機械的特性を評価した。
上記高分子積層膜の断面構造を観察した。観察には、偏光顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM :scanning electron microscope)、透過型電子顕微鏡（TEM :transmission electron microscope)を用いた。また、上記高分子積層膜の構造が光学的機能に与える影響について評価した。さらに、引張試験により、上記高分子積層膜の機械的特性を評価した。
（偏光顕微鏡）
偏光顕微鏡で上記高分子積層膜の断面を分析した。上記高分子積層膜を凍結し、クリオスタットによって厚さ２００μｍの凍結切片を作製した。上記凍結切片をスライドガラス上に配置し、蒸留水で洗浄した後、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ；Phosphate buffered saline）とともにカバーガラスで封入した。上記処理後の高分子積層膜を顕微鏡下に配置した。偏光子と検光子の角度は分析対象となる上記高分子積層膜表面に対し－４５°と４５°とした。
偏光顕微鏡で上記高分子積層膜の断面を分析した。上記高分子積層膜を凍結し、クリオスタットによって厚さ２００μｍの凍結切片を作製した。上記凍結切片をスライドガラス上に配置し、蒸留水で洗浄した後、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ；Phosphate buffered saline）とともにカバーガラスで封入した。上記処理後の高分子積層膜を顕微鏡下に配置した。偏光子と検光子の角度は分析対象となる上記高分子積層膜表面に対し－４５°と４５°とした。
また、偏光顕微鏡で上記高分子積層膜の光学的特性を評価した。上記高分子積層膜をスライドガラス上に配置し、偏光顕微鏡下での観察を行った。偏光顕微鏡の偏光子と検光子の角度は０°と９０°とした。高分子積層膜は最初の高分子薄膜が作製された際の高分子の配向方向に対して平行方向に配置し、その位置を０度とし、０度から１８０度まで４５度ずつ回転させ、最終的に偏光子と平行になるように四回回転した。
（ＳＥＭ）
ＳＥＭで上記高分子積層膜の断面を分析するために、高分子積層膜をフローキャスト方向に対し平行または垂直に切断することによって、高分子積層膜の切片を用意した。上記切片を置換されたエタノールと酢酸イソアミルによって前処置し、二酸化炭素を用いた臨界乾燥器によって臨界点乾燥を行った。オスミウムコート器によって乾燥した上記切片にオスミウムコーティングを施した。
ＳＥＭで上記高分子積層膜の断面を分析するために、高分子積層膜をフローキャスト方向に対し平行または垂直に切断することによって、高分子積層膜の切片を用意した。上記切片を置換されたエタノールと酢酸イソアミルによって前処置し、二酸化炭素を用いた臨界乾燥器によって臨界点乾燥を行った。オスミウムコート器によって乾燥した上記切片にオスミウムコーティングを施した。
（ＴＥＭ）
ＴＥＭで上記高分子積層膜の断面を分析するために、切片（約２×１ｍｍ）を高分子積層膜から切り取り、上記切片を４質量％パラホルムアルデヒドと２質量％四酸化オスミウムで固定し、エタノールで脱水した後、エポキシ樹脂で封入して乾燥した。７０－９０ｎｍの切片をウルトラミクロトームでフローキャスト方向に対して平行または垂直方向に切り取り、ＴＥＭグリッド上に配置し、室温で、２質量％酢酸ウラニルと、１質量％ＰＴＡを含有し、レイノルズ処方されたクエン酸鉛溶液で染色した。
ＴＥＭで上記高分子積層膜の断面を分析するために、切片（約２×１ｍｍ）を高分子積層膜から切り取り、上記切片を４質量％パラホルムアルデヒドと２質量％四酸化オスミウムで固定し、エタノールで脱水した後、エポキシ樹脂で封入して乾燥した。７０－９０ｎｍの切片をウルトラミクロトームでフローキャスト方向に対して平行または垂直方向に切り取り、ＴＥＭグリッド上に配置し、室温で、２質量％酢酸ウラニルと、１質量％ＰＴＡを含有し、レイノルズ処方されたクエン酸鉛溶液で染色した。
（機械的特性）
機械的特性は、積層物が８層からなる高分子積層膜の引張強さを測定することによって評価した。引張試験は、島津製作所製の小型卓上試験機（Ez-Test)を用いた。試験機に固定する際のグリップを高め、破断を防ぐために、高分子積層膜をダンベル型に成形した。その後試験機によって１分間に１００ｍｍの割合で引張荷重が与えられた。高分子積層膜の測定領域は長方形（１０ｍｍ×３ｍｍ、厚さ４００μｍ）とした。実施例について上記引張荷重は、上記高分子積層膜の最初の高分子薄膜が作製された際のフローキャスト方向に対して平行方向（以下、第１方向という）、垂直方向（以下、第２方向という）に付加した。また、比較例について引張荷重は、上記高分子積層膜の配向方向に対し、平行または直交方向に対して付加した。
機械的特性は、積層物が８層からなる高分子積層膜の引張強さを測定することによって評価した。引張試験は、島津製作所製の小型卓上試験機（Ez-Test)を用いた。試験機に固定する際のグリップを高め、破断を防ぐために、高分子積層膜をダンベル型に成形した。その後試験機によって１分間に１００ｍｍの割合で引張荷重が与えられた。高分子積層膜の測定領域は長方形（１０ｍｍ×３ｍｍ、厚さ４００μｍ）とした。実施例について上記引張荷重は、上記高分子積層膜の最初の高分子薄膜が作製された際のフローキャスト方向に対して平行方向（以下、第１方向という）、垂直方向（以下、第２方向という）に付加した。また、比較例について引張荷重は、上記高分子積層膜の配向方向に対し、平行または直交方向に対して付加した。
（直線複屈折）
直線偏光を光学的に異方性を持つ物質に入射すると，互いに直交する2つの直線偏光に別れて物質中を伝搬するが，その2つの直線偏光の屈折率の差がLB (Linear Birefringence；直線複屈折) であり，物質の光学的異方性を表す。このLBは，異方性膜の配向性を定量的に測る指標とすることが出来る物理量である。
直線偏光を光学的に異方性を持つ物質に入射すると，互いに直交する2つの直線偏光に別れて物質中を伝搬するが，その2つの直線偏光の屈折率の差がLB (Linear Birefringence；直線複屈折) であり，物質の光学的異方性を表す。このLBは，異方性膜の配向性を定量的に測る指標とすることが出来る物理量である。
直線複屈折は、一般型高精度万能旋光計G-HAUP＊ (Generalized-High Accuracy Universal Polarimeter)を用いて得られた、互いに直交する2つの直線偏光の位相差 (リターデイション)Δ，光の波長λ，サンプルの厚さdを以下の式
ＬＢ＝nｓ－nｆ＝Δnlin＝Δλ／2πd
に代入することによって求めた。
なお、一般型高精度万能旋光計G-HAUPについては、下記文献に詳しい
T. Asahi et al., SPIE PRESS, Washington, 645-676 (2003)
J.Kobayashi and Y.Uesu J.Appl.Cryst. 16, 204-211 (1983)
J.Kobayashi et al., Physical Review B, 53, 17 (1996)
なお、一般型高精度万能旋光計G-HAUPについては、下記文献に詳しい
T. Asahi et al., SPIE PRESS, Washington, 645-676 (2003)
J.Kobayashi and Y.Uesu J.Appl.Cryst. 16, 204-211 (1983)
J.Kobayashi et al., Physical Review B, 53, 17 (1996)
（３）結果
（顕微鏡観察）
偏光顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM :scanning electron microscope)、および透過型電子顕微鏡（TEM :transmission electron microscope)によるイメージングの結果、図９に示す画像が得られた。まず、偏光顕微鏡における上記高分子積層膜の断面についてイメージングを行ったところ、上記実施例については、図９Ａに示すように、明るい層と暗い層が交互に並んだ断面像が得られた。一方、上記比較例では図９Ｂに示すように、明るい層が連続して並んだ断面像が得られた。
（顕微鏡観察）
偏光顕微鏡、走査型電子顕微鏡（SEM :scanning electron microscope)、および透過型電子顕微鏡（TEM :transmission electron microscope)によるイメージングの結果、図９に示す画像が得られた。まず、偏光顕微鏡における上記高分子積層膜の断面についてイメージングを行ったところ、上記実施例については、図９Ａに示すように、明るい層と暗い層が交互に並んだ断面像が得られた。一方、上記比較例では図９Ｂに示すように、明るい層が連続して並んだ断面像が得られた。
また、ＳＥＭ像から、実施例では、図９Ｃのように直線の線維状形態に点状形態の物質が付着した構造が確認できた。一方、比較例では、図９Ｄのように緻密な線維状構造が確認できた。
さらに、ＴＥＭ像から、実施例では、図９Ｅ、図９Ｇのように、高分子薄膜ごとに高分子の配向が異なることと、高分子薄膜が約２００ｎｍ以下の小径の線維構造となっていることが確認できた。
偏光顕微鏡による観察の結果、実施例、比較例ともに試料が初期配置の状態および、９０度回転、１８０度回転したときに暗い画像が得られた。４５度回転、１３５度回転したとき、比較例において明るい画像が得られた。しかし実施例では上記の明るい画像は得られなかった。以上のように比較例では偏光が確認され、実施例では偏光が起こらなかった。
（機械的特性）
図１０に引張試験の結果である応力－ひずみ曲線を示す。実施例は第１方向への引張荷重を加えた場合および第２方向への引張荷重を加えた場合ともに、同様の応力―ひずみ曲線を示した。一方、比較例は平行方向に引張荷重を加えた場合において直角方向に引張荷重を加えた場合に比べて急峻な応力－ひずみ曲線を示した。
図１０に引張試験の結果である応力－ひずみ曲線を示す。実施例は第１方向への引張荷重を加えた場合および第２方向への引張荷重を加えた場合ともに、同様の応力―ひずみ曲線を示した。一方、比較例は平行方向に引張荷重を加えた場合において直角方向に引張荷重を加えた場合に比べて急峻な応力－ひずみ曲線を示した。
図１１および図１２に各条件における上記積層膜の平均引張強度と平均弾性係数を示した。実施例においては、第１方向へ引張荷重を加えた場合、平均引張強度が５．９８Ｎ／ｍｍ２、平均弾性係数が４７．８Ｎ／ｍｍ２であった。また、第２方向へ引張荷重を加えた場合、平均引張強度が５．３５Ｎ／ｍｍ２、平均弾性係数が５０．７Ｎ／ｍｍ２であった。
一方、比較例においては、平行方向に引張荷重を加えた場合、平均引張強度が９．３８Ｎ／ｍｍ２、平均弾性係数が７４．８Ｎ／ｍｍ２であった。また、直角方向に引張荷重を加えた場合、平均引張強度が２．８６Ｎ／ｍｍ２、平均弾性係数が２４．１Ｎ／ｍｍ２であった。
以上より、実施例は、第１方向および第２方向においてヒトの角膜の引張強度（約４Ｎ／ｍｍ２）より大きい引張強度が得られ、しかもそれぞれの方向における引張強度が同等であることが確認できた。一方、比較例では、引張強度において方向性があり、線維の配向方向には強度が２倍程度改善されるが、方向によってはヒトの角膜の引張強度より劣ることが確認された。
（直線複屈折：LB）
図１３に、37 ℃インキュベートの有無による積層コラーゲンシートのLBの違いを示す。
インキュベートを行うことによって，コラーゲンシートのLB，すなわち光学的異方性が増大することが定量的に評価出来た。これは，生体から抽出したコラーゲン溶液は，生体と同等の温度 (約37℃) やpHなど適切な環境下において自己組織化 (繊維化) するが，インキュベートを行うことによって，生体内のコラーゲンと類似したナノ繊維構造が回復したためであると考えられる。
図１３に、37 ℃インキュベートの有無による積層コラーゲンシートのLBの違いを示す。
インキュベートを行うことによって，コラーゲンシートのLB，すなわち光学的異方性が増大することが定量的に評価出来た。これは，生体から抽出したコラーゲン溶液は，生体と同等の温度 (約37℃) やpHなど適切な環境下において自己組織化 (繊維化) するが，インキュベートを行うことによって，生体内のコラーゲンと類似したナノ繊維構造が回復したためであると考えられる。
図１４に、遠心分離機の回転数による積層コラーゲンシートのLBの違いを示す。
遠心分離機の回転数を2,500 rpmから4,000 rpmに上げることによって，LBの値が有意に増加することが判った。 このことから、成膜する際の遠心分離機の回転数を上げるまたは下げることによって，コラーゲンに掛かる遠心力が増減し、それにより、積層コラーゲンシートの膜厚のみならずLBの値，すなわち光学的異方性 (配向性) を制御し得ることが分かる。
１ 支持体
２Ａ 一側
３ 高分子溶液
４ 高分子層
５ 高分子薄膜
６Ａ 他側
７ 他の高分子層
８ 他の高分子薄膜
９ 積層物
２Ａ 一側
３ 高分子溶液
４ 高分子層
５ 高分子薄膜
６Ａ 他側
７ 他の高分子層
８ 他の高分子薄膜
９ 積層物
Claims (8)
- 高分子薄膜の製造方法において、表面の一側に高分子溶液を載置した支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記表面に前記高分子が配向した高分子層を形成するステップを備えることを特徴とする高分子薄膜の製造方法。
- 高分子薄膜を複数積層した積層物を備える高分子積層膜の製造方法において、
表面の一側に高分子溶液を載置した支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記表面に前記高分子が配向した高分子層を形成するステップと、
前記支持体の向きを変えて前記表面の他側に高分子溶液を載置した前記支持体の前記表面に向かって遠心力を付加して、前記高分子薄膜上に高分子が配向した他の高分子層を形成するステップと
を備え、
重なり合う前記高分子薄膜同士の高分子を任意の方向に配向させた前記積層物を形成することを特徴とする高分子積層膜の製造方法。 - 前記高分子層および前記他の高分子層をゲル化するステップと、前記ゲル化した前記高分子層および前記他の高分子層を乾燥するステップを備えることを特徴とする請求項２記載の高分子積層膜の製造方法。
- 前記高分子がコラーゲンであって、前記ゲル化するステップは、湿潤条件下で３０℃～４５℃でインキュベートすることにより線維化を促進することを特徴とする請求項３記載の高分子積層膜の製造方法。
- さらに、前記積層物を化学的に架橋処理を行うステップと、前記積層物を洗浄して乾燥するステップとを、１回または２回以上行うことを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載の高分子積層膜の製造方法。
- 前記支持体の表面に対し、遠心力を所定角度傾けて付加することを特徴とする請求項２～５のいずれか１項に記載の高分子積層膜の製造方法。
- 請求項１記載の製造方法により製造されたことを特徴とする高分子薄膜。
- 請求項２～６のいずれか１項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする高分子積層膜。
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