JP4670080B2 - 高分子ファイバーの製造方法 - Google Patents

Description

本願発明は、高分子ファイバーの製造方法に関するものである。

近年、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として生分解性、生体適合性の高い高分子材料のナノファイバーの作製が望まれている。高分子ファイバーの作製方法としては、従来より、エレクトロスピニング法が知られている。この方法は、高電圧によって紡糸を行う方法である。具体的には、高分子溶液に高電圧を印加すると溶液表面に電荷が誘発、蓄積され、表面張力が電荷の反発力を超えると荷電した溶液のジェットが噴射される。噴射したジェットは溶媒の蒸発によりさらに細かいジェットとなって、最終的にコレクタと呼ばれる部分に高分子ファイバーを得るものであり、外径が数百ナノメートルレベルのナノファイバーの作製が可能である。しかしながら、細胞の足場材料として適用するためには、細胞外マトリクスとほぼ同径の数十ナノメートルレベルのナノファイバーとすることが必要であり、そのための製造方法の開発が求められている。

ところで、たとえば、絹フィブロインまたは絹様材料を特定の溶媒に溶解させてエレクトロスピニングすることで、数十ｎｍ〜数百ｎｍの極細繊維による不織布を得る方法が報告されてもいる（たとえば、特許文献１参照）。この方法は、絹フィブロインまたは絹様材料については有効であるが、他の高分子材料については検討されておらず、より最適な高分子ファイバーの製造方法の開発が望まれているのが実情である。
特開２００４−０６８１６１号公報

そこで、本願発明は、以上のとおりの背景よりなされたものであって、外径が数十ナノメートルレベルまで可能な高分子ファイバーを簡便に製造することができ、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として適用可能な高分子ファイバーの製造方法を提供することを課題としている。

本願発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、高分子溶液に電圧を印加し、高分子溶液のジェットを噴射して高分子ファイバーを形成させるエレクトロスピニング法による高分子ファイバーの製造方法において、前記高分子溶液のジェットをこの高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させ、貧溶媒液面に高分子ファイバーを形成させることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。

本願発明は、第２には、上記第１の発明において、高分子の貧溶媒は、高分子溶液の溶媒の良溶媒であることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。

本願発明は、第３には、上記第１、第２の発明において、高分子の貧溶媒は、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。

そして、第４には、上記第１から第３のいずれかの発明において、ポリグリコール酸の溶液のジェットを水に噴射して高分子ファイバーを形成させることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法を提供する。

上記第１の発明によれば、高分子溶液のジェットをこの高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させることにより、外径が数十ナノメートルレベルまで可能な高分子ファイバーを簡便に製造することができる。

上記第２の発明によれば、高分子の貧溶媒が高分子溶液の溶媒の良溶媒であることにより、高分子溶液のジェットを凝固浴させた後の高分子溶液の溶媒除去操作を省くことができ、効率良く高分子ファイバーを製造することができる。

上記第３の発明によれば、高分子の貧溶媒は、有機化合物、無機化合物が溶解もしくは部分溶解されたものであることにより、有機化合物あるいは無機化合物の様々な溶液を高分子の貧溶媒（貧溶液）とすることができる。また、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることにより、これら各種化合物をその構成の一部とする高分子ファイバーを製造することができる。

上記第４の発明によれば、ポリグリコール酸の溶液のジェットを水に噴射することにより、血管新生、神経再生のための細胞接着、細胞増殖に適した足場材料として適用可能な生分解性高分子のナノファイバーを製造することができる。

本願発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

本願発明の高分子ファイバーの製造方法は、高分子溶液に電圧を印加し、溶液のジェットを噴射させて高分子ファイバーを形成させるエレクトロスピニング法を利用している。

エレクトロスピニング法は、上述の通り、高分子溶液に電圧を印加すると溶液表面に電荷が誘発、蓄積され、表面張力が電荷の反発力を超えると荷電した溶液のジェットが噴射される。そして、噴射したジェットは溶媒の蒸発によりさらに細かいジェットとなって、最終的にコレクタと呼ばれる部分に高分子ファイバーを得るものである。ここで、印加する電圧は一般的には１０ｋＶから３０ｋＶ程度であるが、これに限定されるものではない。

本願発明において何よりも特徴的なことは、上記のエレクトロスピニング法において、前記高分子溶液のジェットをその高分子の貧溶媒に噴射して凝固浴させていることである。従来のエレクトロスピニング法では、噴射したジェットがコレクタに集積されるまでの過程でファイバーが膨張し、そのためにファイバー径が数百ナノメートルに達してしまうことが考えられていた。そこで、本願発明は、高分子溶液のジェットをその高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させ、この貧溶媒のナノファイバーに対する外圧によって膨張を防ぎ、貧溶媒液面に外径が数十ナノメートルレベルの高分子ファイバーの形成を可能にしている。

本願発明における高分子溶液の高分子としては任意のものであってよく、好適には、たとえばポリグリコール酸、ポリ乳酸などに代表される脂肪族ポリエステルやキトサン、ポリビニルアルコールなどの生分解性高分子を例示することができる。そして、この高分子溶液の溶媒については、高分子を溶解させるものであればよく特に限定されるものではない。

本願発明における貧溶媒は、使用する高分子溶液における高分子に対して溶解度の低い溶媒のことを指しており、使用する高分子の種類によって貧溶媒の種類を適宜に選択する
ようにしている。高分子と貧溶媒の組み合わせについては特に限定されるものではない。

この貧溶媒は、使用する高分子溶液の溶媒の良溶媒であることが好ましい。これによって、高分子溶液のジェットを貧溶媒に凝固浴させて高分子ファイバーを形成させる際にはこの貧溶媒と高分子溶液の溶媒が相溶することになり、高分子ファイバー形成後の高分子溶液の溶媒除去操作を省くことができ、効率良く高分子ファイバーを製造することができる。

また、本願発明における貧溶媒は、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであってもよい。高分子の貧溶媒が、有機化合物、無機化合物が溶解もしくは部分溶解されたものであることによって、有機化合物あるいは無機化合物の様々な溶液を高分子の貧溶媒（貧溶液）とすることができる。この場合には、たとえば水−アルコールの混合溶液など様々な溶媒との組み合わせを考慮することができる。また、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることによって、これら各種化合物をその構成の一部とする高分子ファイバーを製造することができる。たとえば、有機化合物としては、蛋白質、ペプチド、糖などを挙げることができ、無機化合物としては、塩化カルシウム、リン酸、金属としてはアルミニウム、金などを挙げることができ、これらを単独もしくは組み合わせて使用してもよい。これによって生体親和性に富んだ高分子ファイバーや導電性に優れた高分子ファイバーの創製が可能となる。

使用する具体的な貧溶媒としては、たとえば高分子としてポリグリコール酸を用いる場合には、水、あるいはフルオロ系以外のアルコール類などの有機溶媒が考慮される。また、コラーゲンを高分子として用いた場合には貧溶媒としてエタノールを、ポリビニルアルコールを高分子として用いた場合には貧溶媒としてヘキサンが考慮される。

血管新生や神経再生のための足場材料としての適用を考慮すると生分解性高分子を用いることが好ましい。この場合の高分子と貧溶媒の組み合わせはポリグリコール酸と水の組み合わせが好適であり、たとえば後述の実施例のように、ポリグリコール酸をその良溶媒であるヘキサフルオロイソプロパノールに溶解して高分子溶液とし、この高分子溶液のジェットをポリグリコール酸の貧溶媒である水に噴射し凝固浴させて数十ナノメートルレベルの高分子ファイバーを貧溶媒液面に形成させるようにしてもよい。このポリグリコール酸の貧溶媒である水は、高分子溶液の溶媒であるヘキサフルオロイソプロパノールの良溶媒であるために効率よく高分子ファイバーを製造することができる。

形成される高分子ファイバーの太さ（外径）は、高分子溶液の濃度、貧溶媒の種類、印加電圧、高分子溶液濃度、ジェットの飛散距離などによって調整することができ、数十ナノメートルから数十マイクロメートル程度の範囲の外径のものを作製することができる。また、高分子ファイバーの長さにつきましても、用いる貧溶媒を適宜に選択することで調整することが可能である。

以上の方法は、高分子ファイバーからなる不織布を作製することも可能で、血管新生や神経再生のための足場材料などの再生医工学への利用のみならず、各種産業分野への利用も期待できる。

以下に、本願発明による実施例を示す。もちろん、本願発明は前述の実施の形態及び以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

＜ポリグリコール酸の高分子ナノファイバーからなる不織布の製造＞
不織布の製造装置は、Ｋｈｉｌらの文献（Khil M-S. et al J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater 72B 117-124 (2005)）を参考に作製した。図１にその製造装置の模
式図を示す。

図１によれば、不織布の製造装置は、高電圧発生装置、シリンジポンプ、シリンジ、凝固浴槽、コレクタ、ステンレスニードルから構成される。高分子溶液は、シリンジポンプによりシリンジから塩化ビニールを通じてステンレスニードルに導入され、コレクタ上に配設した凝固浴槽に噴射される。ここで、導入された高分子溶液は、高電圧発生装置により高電圧が印加されてジェットになるようにしている。

高分子溶液としては、ポリグリコール酸をヘキサフルオロイソプロパノールに溶解して、溶液の濃度が５０ｍｇ／ｍＬ、１００ｍｇ／ｍＬのものをそれぞれ調製した。また、送液速度１０ｍＬ／ｈ、印加電圧２３ｋＶ、紡糸開始点とコレクタ間の距離を２５ｃｍに設定した。コレクタにはアルミホイルを用い、凝固浴槽には、ポリグリコール酸の貧溶媒でヘキサフルオロイソプロパノールの良溶媒である蒸留水を満たした。

以上の条件でエレクトロスピニングによる高分子ナノファイバーからなる不織布の作製を行ったところ、液面に膜が形成された。その膜を慎重に回収し一晩真空乾燥を施した後、走査型電子顕微鏡で微細な構造の観察を行った。その結果、５０ｍｇ／ｍＬの高分子溶液で作製した高分子ファイバーの平均直径は１９３ｎｍであり、１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液で作製した高分子ファイバーの平均直径は１．２７μｍであった。また、１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液について、本願発明の方法で作製した高分子ファイバーは、従来のエレクトロスピニング方法（貧溶媒の凝固浴槽を用いない方法）で作製した高分子ファイバーに比べて、およそ１／３ほどの細さであった。

この観察結果を図２に示す。

図２（ａ）は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）で、図２（ｂ）は従来の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）である。

また、本願発明の方法と従来のエレクトロスピニング方法で作製した高分子ファイバーについて、ファイバー径とその分布率の関係を図３に示す。

図３（ａ）は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）のファイバー径とその分布率の関係を示す図で、図３（ｂ）は、従来の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）に関する図である。図３（ｃ）は、本願発明の方法で作製した高分子ファイバー（５０ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）の直径とその分布率の関係を示す図で、図３（ｄ）は、従来の方法で作製した高分子ファイバー（５０ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）に関する図である。

図３の結果から、本願発明の方法で作製した高分子ファイバーは、従来の方法で作製した高分子ファイバーに比べて、ファイバー径の分布が細い径にシフトしており、本願発明の方法が高分子ファイバーの作製技術として優れていることが確認された。

高分子ナノファイバーからなる不織布の製造装置を模式的に示した図である。 本願発明の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）と従来の方法で作製した高分子ファイバー（１００ｍｇ／ｍＬの高分子溶液）を走査型電子顕微鏡で観察した結果である。 本願発明の方法と従来のエレクトロスピニング方法で作製した高分子ファイバーについて、ファイバー径とその分布率の関係を示した図である。

Claims (3)

1. 高分子溶液に電圧を印加し、高分子溶液のジェットを噴射して高分子ファイバーを形成させるエレクトロスピニング法を使用し、前記高分子溶液のジェットをこの高分子の貧溶媒に噴射し凝固浴させ、貧溶媒液面に高分子ファイバーを形成させることによる高分子ファイバーの製造方法において、前記高分子の貧溶媒は、有機化合物、無機化合物、または金属が溶解もしくは部分溶解されたものであることを特徴とする高分子ファイバーの製造方法。
2. 高分子の貧溶媒は、高分子溶液の溶媒の良溶媒であることを特徴とする請求項１に記載の高分子ファイバーの製造方法。
3. ポリグリコール酸の溶液のジェットを水に噴射して高分子ファイバーを形成させることを特徴とする請求項１または２に記載の高分子ファイバーの製造方法。