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JP7626413B2 - Sulfated cellulose nanofiber and its dried product - Google Patents
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Description

本発明は、硫酸エステル化セルロースナノファイバー(以下、「硫酸CNF」と略称する場合がある。また、「セルロースナノファイバー」を「CNF」と略称する場合がある。)に由来するハイドロゲル、その製造方法及びその乾燥物に関する。本発明のハイドロゲルは、保湿、保水、抗菌、抗ウイルス、創傷ケア、ドラッグデリバリー、ヘルスケア等を求められる用途に好適に使用できる。 The present invention relates to a hydrogel derived from sulfated cellulose nanofiber (hereinafter sometimes abbreviated as "sulfate CNF." Also, "cellulose nanofiber" may be abbreviated as "CNF."), a method for producing the same, and a dried product thereof. The hydrogel of the present invention can be suitably used for applications requiring moisturizing, water retention, antibacterial, antiviral properties, wound care, drug delivery, health care, etc.

ヒドロゲルは、親水性高分子鎖間が物理的又は化学的に架橋された三次元ネットワーク構造を持つ高分子マトリックスに水や保湿剤等を含むものである。架橋点の数や部位によってヒドロゲルの物性が大きく変化する。
ヒドロゲルの用途としては、衛生用品・化粧品、創傷ケア、人工筋肉、人工軟骨、ドラッグデリバリー、再生医療、生体機能チップの培養、農業・食品、法医学・研究、ヘルスケア等の用途が挙げられる。多糖類を使ったヒドロゲルは、特に、食品、化粧品、薬物送達、組織工学に至るまで、数多くの用途に有用である。
Hydrogels are polymer matrices with a three-dimensional network structure in which hydrophilic polymer chains are physically or chemically crosslinked, and contain water, moisturizing agents, etc. The physical properties of hydrogels vary greatly depending on the number and positions of crosslinks.
Applications of hydrogels include hygiene and cosmetics, wound care, artificial muscle and cartilage, drug delivery, regenerative medicine, bio-chip culture, agriculture and food, forensics and research, healthcare, etc. Polysaccharide-based hydrogels are particularly useful in many applications ranging from food, cosmetics, drug delivery, and tissue engineering.

しかし、ヒドロゲルの決定的な弱点は、乏しい力学強度である。特に一般電解質ゲルは指で触るだけで容易く壊れてしまうほど脆く,負荷がかかる応用にはまったく使用できないため、その応用範囲が大きく制限されている。特に人工筋肉や軟骨等再生医療の場合、ゲルの強度問題を解決しなければならない。
また、医療材とした場合、もう一つ課題は生体安全性問題である。また、創傷被覆材とした場合、抗菌性と抗ウイルス活性及び生分解性を併せ持つことも求められている。
しかしながら、現在利用可能な超吸収性高分子ヒドロゲルは、ほとんど専らアクリル系の製品であり、それ故に生物分解性ではない。環境保護問題における興味が高まっていることを考慮すると、近年にわたり、従来の超吸収性ポリアクリル類の特性と同様の特性を有する、生分解性重合体に基づく超吸収性材料の開発に膨大な興味が注がれてきた。
However, the crucial weakness of hydrogels is their poor mechanical strength. In particular, general electrolyte gels are so fragile that they break easily when touched with a finger, making them completely unsuitable for applications that involve loads, greatly limiting their range of application. In particular, the strength issue of the gel must be resolved for regenerative medicine, such as artificial muscle and cartilage.
Another issue for medical use is biosafety, and wound dressings are required to have antibacterial and antiviral activity as well as biodegradability.
However, currently available superabsorbent polymer hydrogels are almost exclusively acrylic-based products and therefore are not biodegradable. In view of the increasing interest in environmental protection issues, there has been a great deal of interest in recent years in the development of superabsorbent materials based on biodegradable polymers that have properties similar to those of conventional superabsorbent polyacrylics.

多糖の物理的ゲル化は、親溶媒性相互作用と疎溶媒性相互作用のバランスを保つことで実現できる。高分子鎖の再構成は、単純なヒドロゲル集合体を形成する処理手段の1つである溶媒交換によって実現できる。従来技術では、キトサンヒドロゲル、セルロースナノファイバーゲル、CMCゲル、HPCゲル、MCゲル等が挙げられる。しかし、これらのセルロース誘導体に由来するヒドロゲルの三次元ネットワーク構造が物理的作用により形成されるため、ヒドロゲルが弱い。さらに、吸水率も低い。 The physical gelation of polysaccharides can be achieved by balancing the solvophilic and solvophobic interactions. The reorganization of polymer chains can be achieved by solvent exchange, which is one of the processing methods for forming simple hydrogel aggregates. Conventional techniques include chitosan hydrogel, cellulose nanofiber gel, CMC gel, HPC gel, and MC gel. However, the three-dimensional network structure of these hydrogels derived from cellulose derivatives is formed by physical action, so the hydrogels are weak. Furthermore, their water absorption rate is low.

例えば、1990年には、AnbergenおよびOppermann(非特許文献1)は、完全にセルロース誘導体から作られた超吸収性材料の合成のための方法を提唱した。具体的には、彼らはヒドロキシエチルセルロース(HEC)およびカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(CMCNa)を用い、ジビニルスルホンで塩基性溶液中にて化学的に架橋した。しかしながら、このような材料の吸収特性は、アクリル系の超吸収性材料のそれと比較して高くはない。 For example, in 1990, Ambergen and Oppermann (1990) proposed a method for the synthesis of superabsorbent materials made entirely from cellulose derivatives. Specifically, they used hydroxyethyl cellulose (HEC) and carboxymethyl cellulose sodium salt (CMCNa), chemically crosslinked with divinyl sulfone in a basic solution. However, the absorption properties of such materials are not as high as those of acrylic-based superabsorbent materials.

また、非特許文献2に記載されたアクリル酸系変性された超吸水性デンプン誘導体およびセルロース誘導体は、吸水率が高いものの、生物安全性が配慮されている。 In addition, the acrylic acid-modified superabsorbent starch derivatives and cellulose derivatives described in Non-Patent Document 2 have high water absorption rates, but are biologically safe.

また、特許文献1は、水溶性硫酸セルロースにカリウム塩又はナトリウム塩を加え、加熱冷却して得られる硫酸セルロースゲルであり、強度、弾力性がそれほど大きいものではなく、かつ離水現象をも呈するので、殆どの用途に対しては不充分なものである。同じ特許文献1では、これらの問題を改良するために、水溶性硫酸セルロースとアルカリ金属塩の水溶液に別種の水溶性高分子を添加して熱可逆性ゲルを生成させる方法を発明したが、第2水溶性ポリマーを添加することが必要であり、得られるゲルの保水率(35倍以下)や強度は低く、且つ時間が経過すると離水現象が発生し、保水率はさらに低下する問題がある。また、熱可逆性ゲルであるため、ゲルを温めると再び水溶液に戻る。 In addition, Patent Document 1 discloses a cellulose sulfate gel obtained by adding a potassium salt or a sodium salt to water-soluble cellulose sulfate and heating and cooling it, which does not have very high strength and elasticity, and also exhibits a water-synthetic phenomenon, making it insufficient for most applications. In order to improve these problems, the same Patent Document 1 invents a method of generating a thermoreversible gel by adding a different water-soluble polymer to an aqueous solution of water-soluble cellulose sulfate and an alkali metal salt, but this requires the addition of a second water-soluble polymer, and the water retention rate (35 times or less) and strength of the resulting gel are low, and water syneresis occurs over time, causing a further decrease in water retention rate. In addition, since it is a thermoreversible gel, it returns to an aqueous solution when heated.

特開昭57-206344号公報Japanese Patent Application Publication No. 57-206344

Anbergen U,Opperman W,Polymer,31,1854(1990)Anbergen U, Opperman W, Polymer, 31, 1854 (1990) 有機合成化学第38巻第6号(1980)、pp546-554Organic Synthesis Chemistry Vol. 38, No. 6 (1980), pp. 546-554

本発明は、硫酸エステル化セルロースナノファイバーとキトサン(B)又はアミン(C)を複合して硫酸CNFヒドロゲルを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a sulfated CNF hydrogel by combining sulfated cellulose nanofiber with chitosan (B) or an amine (C).

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、表面の水酸基が一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とキトサン(B)又はアミン(C))が複合化ヒドロゲルを形成することができることを見出し以下の発明を完成させた。 The present inventors conducted extensive research to solve the above problems, and discovered that sulfated cellulose nanofibers (A), in which some or all of the hydroxyl groups on the surface have been modified by sulfate esterification, and chitosan (B) or an amine (C) can form a composite hydrogel, leading to the completion of the following invention.

〔1〕 表面の水酸基の一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)を架橋剤で架橋したヒドロゲルであって、前記架橋剤は、キトサン(B)、及び/又はジアミン、トリアミン及びポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)であることを特徴とする硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。
〔2〕 前記硫酸エステル化セルロースナノファイバーが、平均直径1~20nmであり、平均長さ0.5~10μmであり、I型結晶構造を有し、セルロースの構成単位である無水グルカン1つあたり硫酸エステル基が0.05~1.0の硫酸エステル化セルロースナノファイバーであることを特徴とする前記〔1〕に記載の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。
〔3〕 前記キトサン(B)が、SP値10以上の溶媒に溶けることを特徴とする前記〔1〕又は前記〔2〕に記載の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。
〔4〕 前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)と前記架橋剤の比率は、前記架橋剤がキトサン(B)の場合、前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とキトサン(B)の重量比で98/2~40/60であり、アミン(C)の場合、前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とアミン(C)の重量比で99.5/0.5~90/10であることを特徴とする前記〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。
〔5〕 表面の水酸基の一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)又はその塩(A塩)の分散液(A’)と、キトサン(B)又はその溶液(B’)又はジアミン、トリアミン及びポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)又はその溶液(C’)を溶液中で混合又は接触させることを特徴とする硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルの製造方法。
〔6〕 前記〔1〕~〔4〕のいずれかに記載した硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルを乾燥して得られる複合材。
[1] A hydrogel obtained by crosslinking sulfated cellulose nanofibers (A) in which some or all of the hydroxyl groups on the surface have been modified by sulfate esterification with a crosslinking agent, wherein the crosslinking agent is chitosan (B) and/or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines, and polyamines.
[2] The sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to [1] above, characterized in that the sulfated cellulose nanofiber has an average diameter of 1 to 20 nm, an average length of 0.5 to 10 μm, an I-type crystal structure, and a sulfated cellulose nanofiber containing 0.05 to 1.0 sulfate ester groups per anhydroglucan, which is a structural unit of cellulose.
[3] The sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to [1] or [2], characterized in that the chitosan (B) is soluble in a solvent having an SP value of 10 or more.
[4] The sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to any one of [1] to [3] above, characterized in that the ratio between the sulfated cellulose nanofiber (A) and the crosslinking agent is, when the crosslinking agent is chitosan (B), a weight ratio of the sulfated cellulose nanofiber (A) to the chitosan (B) of 98/2 to 40/60, and when the crosslinking agent is an amine (C), a weight ratio of the sulfated cellulose nanofiber (A) to the amine (C) of 99.5/0.5 to 90/10.
[5] A method for producing a sulfated cellulose nanofiber hydrogel, comprising mixing or contacting in a solution a dispersion (A') of sulfated cellulose nanofiber (A) or a salt thereof (A salt) in which some or all of the hydroxyl groups on the surface have been modified by sulfate esterification with chitosan (B) or a solution (B') thereof, or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines and polyamines or a solution (C') thereof.
[6] A composite material obtained by drying the sulfated cellulose nanofiber hydrogel described in any one of [1] to [4] above.

硫酸CNFを出発試料として用いたヒドロゲルの特性は、従来多糖類ヒドロゲルと比べ以下の4点が挙げられる。(1)硫酸エステル化修飾されることにより吸水率が高い、(2)硫酸陰イオンとキトサン(B)又はアミン(C)のアミノ基とイオン結合により架橋した3次元ネートワークが強いため、得られるヒドロゲルはカルボン酸や水酸基と比べ、強度が大幅向上する。(3)カルボキシルメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)等のセルロース誘導体と異なり、セルロースナノファイバー状であるため得られたヒドロゲルはもっと強い、且つ耐水性が高い。(4)本発明者は本発明の硫酸CNFの抗ウイルス活性(例えば、ファージ、インフルエンザウイルス,ノロウイルス)とヒアルロニダーゼ阻害活性等の生物活性を確認した。そのため、本発明のヒドロゲルについても同様の生物活性も期待できる。 The hydrogels using sulfate CNF as the starting sample have the following four characteristics compared to conventional polysaccharide hydrogels. (1) They have a high water absorption rate due to the sulfate esterification modification. (2) The three-dimensional network formed by ionic bonds between sulfate anions and the amino groups of chitosan (B) or amines (C) is strong, so the strength of the resulting hydrogel is significantly improved compared to carboxylic acid or hydroxyl groups. (3) Unlike cellulose derivatives such as carboxymethyl cellulose (CMC) and hydroxypropyl cellulose (HPC), the resulting hydrogels are stronger and more water-resistant because they are in the form of cellulose nanofibers. (4) The inventors have confirmed the biological activities of the sulfate CNF of the present invention, such as antiviral activity (e.g., phage, influenza virus, norovirus) and hyaluronidase inhibitory activity. Therefore, the hydrogels of the present invention can be expected to have similar biological activities.

また、硫酸CNFは無修飾CNFやTEMPO酸化CNFと比べ、硫酸エステル基の吸水率又は保水率が高く、生物活性を持つため、化粧品や医療材等への適用が期待できる。 In addition, compared to unmodified CNF or TEMPO-oxidized CNF, sulfate CNF has a higher water absorption rate or water retention rate of the sulfate ester group and has biological activity, so it is expected to be used in cosmetics, medical materials, etc.

さらに、硫酸CNFとキトサン又はアミンの配合比を制御することにより吸水率や物性を用途に応じて制御できる。 Furthermore, by controlling the compounding ratio of CNF sulfate to chitosan or amine, the water absorption rate and physical properties can be controlled according to the application.

硫酸CNFヒドロゲルのイメージ図Image of sulfate CNF hydrogel ヒドロゲル乾燥物のIRスペクトルIR spectrum of dried hydrogel 実施例1と3で得られたヒドロゲルの写真(左:実施例1;右:実施例3)Photographs of the hydrogels obtained in Examples 1 and 3 (left: Example 1; right: Example 3)

本発明の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルは、表面の水酸基の一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)を架橋剤で架橋した三次元ネットワーク構造を有する。架橋剤は、キトサン(B)又はジアミン、トリアミン及びポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)であることを特徴とする。
なお、架橋剤としてのキトサン(B)及びアミン(C)は、単独で用いるのが好ましいが、両者を混合して用いることもできる。
The sulfated cellulose nanofiber hydrogel of the present invention has a three-dimensional network structure in which sulfated cellulose nanofibers (A) in which some or all of the surface hydroxyl groups have been modified by sulfate esterification are crosslinked with a crosslinking agent, which is characterized in that the crosslinking agent is chitosan (B) or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines, and polyamines.
Although it is preferable to use the chitosan (B) and the amine (C) as the crosslinking agent alone, they may also be used in combination.

硫酸エステル化セルロースナノファイバーを架橋剤で架橋反応すると、硫酸エステル基は架橋剤のアミノ基とイオン結合を形成し、三次元ネットワークを形成する。架橋密度を制御するには、硫酸CNFの表面の硫酸エステル基のモル数と架橋剤のモル比により決められる。 When sulfated cellulose nanofibers are crosslinked with a crosslinking agent, the sulfate ester groups form ionic bonds with the amino groups of the crosslinking agent, forming a three-dimensional network. The crosslinking density can be controlled by adjusting the molar ratio of the sulfate ester groups on the surface of the sulfated CNF and the crosslinking agent.

硫酸CNFを架橋剤で架橋したヒドロゲルのイメージを図1に示す。 Figure 1 shows an image of a hydrogel made by crosslinking CNF sulfate with a crosslinking agent.

キトサン(B)とアミン(C)等の架橋剤の種類について特に限定しないが、架橋剤の構造は架橋密度、さらにヒドロゲルの吸水率、安全性、生物活性等に影響を与えるため、用途により適切に選定すればよい。その中で、キトサンは抗菌性と生理活性が認められ、安全性が高いため特に好ましい。 There are no particular limitations on the type of crosslinking agent, such as chitosan (B) and amine (C), but the structure of the crosslinking agent affects the crosslinking density, as well as the water absorption rate, safety, and biological activity of the hydrogel, so an appropriate crosslinking agent may be selected depending on the application. Among these, chitosan is particularly preferred because it is recognized to have antibacterial properties and biological activity, and is highly safe.

本発明に用いる硫酸エステル化セルロースナノファイバー(硫酸CNF)は、これまで知られていない新規の修飾セルロースナノファイバーである。平均繊維径が1nm~20nmであり、天然セルロース固有のI型結晶構造を有し、かつ、セルロースナノファイバー表面の水酸基が硫酸エステル化修飾されている。 The sulfated cellulose nanofiber (sulfate CNF) used in the present invention is a novel modified cellulose nanofiber that has not been known before. It has an average fiber diameter of 1 nm to 20 nm, has the I-type crystal structure inherent to natural cellulose, and the hydroxyl groups on the surface of the cellulose nanofiber are modified by sulfate esterification.

本発明に用いる硫酸CNFは、天然セルロース固有のI型結晶構造を持つため、水に不溶であり、かつ、高い粘度とチキソトロピー性及び高い機械強度を有する。また、この硫酸CNFは、親水性又は吸水性が高いため、乾燥して粉状になっても容易に再分散することができ、取扱い性にすぐれる。そのため、硫酸CNFをベースとしたヒドロゲルは、化粧材、創傷被覆材、人工軟骨等に最適である。 The CNF sulfate used in the present invention has the I-type crystal structure inherent to natural cellulose, and is therefore insoluble in water, and has high viscosity, thixotropy, and high mechanical strength. In addition, since this CNF sulfate is highly hydrophilic or absorbent, it can be easily redispersed even if it dries and turns into powder, and is easy to handle. Therefore, hydrogels based on CNF sulfate are ideal for cosmetic materials, wound dressings, artificial cartilage, etc.

一方、コンドロイチンを代表とした天然硫酸エステル化多糖類やセルロース等の多糖類を出発試料とした人口合成の硫酸エステル化多糖も良く知られているが、I型結晶構造を持たず、水に溶解するため取り扱い性は悪い、かつ耐久性と機械強度が低いため、好ましくない。 On the other hand, natural sulfated polysaccharides such as chondroitin and artificially synthesized sulfated polysaccharides made from polysaccharides such as cellulose are also well known, but they are not preferred because they do not have type I crystal structure, are soluble in water, are difficult to handle, and have low durability and mechanical strength.

セルロースナノファイバー(CNF)の表面水酸基の硫酸エステル化修飾率については、特に制限しないが、CNFの硫黄含有率を尺度として評価する場合は、0.03重量%~35重量%、平均置換度を尺度とした場合、セルロースの構成単位である無水グルカン1つあたり硫酸エステル基が0.05~1.0であれば良い。より好ましくは0.1~0.8、最も好ましくは0.15~0.6である。0.05以下になると、吸水性が低く、生物活性が殆ど発見できないため好ましくない。一方、1.0以上になるとI型結晶構造を失う恐れがあるため好ましくない。 There are no particular limitations on the sulfate modification rate of the surface hydroxyl groups of cellulose nanofibers (CNF), but when the sulfur content of CNF is used as a measure for evaluation, it should be 0.03% to 35% by weight, and when the average degree of substitution is used as a measure, the sulfate ester group per anhydroglucan, which is a structural unit of cellulose, should be 0.05 to 1.0. More preferably, it is 0.1 to 0.8, and most preferably, it is 0.15 to 0.6. If it is 0.05 or less, it is undesirable because the water absorption is low and almost no biological activity can be found. On the other hand, if it is 1.0 or more, it is undesirable because there is a risk of losing the I-type crystal structure.

硫酸CNFは、繊維径が小さいほど、表面積が大きいため、吸水率、生物活性と透明性が高くなるため、好ましい。しかし、平均繊維径が1nmより低くなるとI型結晶構造を失う恐れがあるため好ましくない。また、20nmより大きくなると表面積が小さくなるため好ましくない。 The smaller the fiber diameter of CNF sulfate, the larger the surface area, which results in higher water absorption, biological activity, and transparency, making it preferable. However, an average fiber diameter of less than 1 nm is not preferable because there is a risk of losing the I-type crystal structure. Also, a diameter of more than 20 nm is not preferable because the surface area becomes smaller.

繊維長は、長いほど、三次元ネットワークが強くなるため好ましい。平均繊維長は0.5μm以下になると得られたヒドロゲルが弱いため好ましくない。好ましくは0.5~10μmである。よく好ましくは0.8~8μm。長すぎると取扱が難しくなるため最も好ましくは1.0~5μmである。 The longer the fiber length, the stronger the three-dimensional network will be, so it is preferable. An average fiber length of 0.5 μm or less is not preferable because the resulting hydrogel will be weak. It is preferably 0.5 to 10 μm, and more preferably 0.8 to 8 μm. If it is too long, it will be difficult to handle, so it is most preferably 1.0 to 5 μm.

I型結晶構造を持つ硫酸CNFが好ましい。I型結晶構造の比率(結晶化度)が高くなる程、得られたヒドロゲルの強度と安定性が高くなるため好ましい。I型結晶構造を待たない硫酸CNFは、水に溶解するため、取扱い性が悪くなったり、得られたヒドロゲルの物性が大幅に低下したりする恐れがあるため好ましくない。 CNF sulfate having a type I crystal structure is preferred. The higher the ratio of type I crystal structure (degree of crystallinity), the stronger and more stable the resulting hydrogel will be, which is preferable. CNF sulfate that does not have a type I crystal structure is not preferable because it dissolves in water, which can lead to poor handling and a significant decrease in the physical properties of the resulting hydrogel.

コトンパルプや木材パルプを原料として調製した硫酸CNFの結晶化度は、実質上90%を超えることが難しいため、20~90%が好ましい。より好ましくは30~85%。最も好ましくは40~80%である。なお、ここの結晶化度はXRDにより測定したものと言う。 The crystallinity of sulfate CNF prepared from cotton pulp or wood pulp is practically difficult to exceed 90%, so 20-90% is preferable. More preferably, it is 30-85%. Most preferably, it is 40-80%. Note that the crystallinity here is measured by XRD.

本発明に用いる硫酸CNFは、本発明者がPCT出願済みのWO2018/131721号に記載の方法で製造することができる。
本発明に用いる硫酸CNFは、高い吸水・保水率、チキソロトピー性、粘度、機械物性を持ち、生体に優しい、更に、抗ウイルス等の様々な生物活性が認められたため、医療材や化粧料としての利用価値が期待されている。
The sulfate CNF used in the present invention can be produced by the method described in WO2018/131721, a PCT application filed by the present inventor.
The sulfate CNF used in the present invention has high water absorption and retention, thixotropy, viscosity, and mechanical properties, is gentle on the body, and has been shown to have various biological activities, including antiviral properties, so it is expected to be useful as a medical material and cosmetic material.

本発明に用いる架橋剤は、キトサン(B)又はジアミン、トリアミン及びポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)である。 The crosslinking agent used in the present invention is chitosan (B) or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines, and polyamines.

本発明に用いるキトサン(B)は、特に制限しないが、SP値10以上の溶媒に溶解することが好ましい。 The chitosan (B) used in the present invention is not particularly limited, but it is preferable that it be dissolved in a solvent with an SP value of 10 or more.

キトサンは、キチン骨格中の2位の炭素上のアセトアミド基を脱アセチル化し、遊離の第一級アミノ基に変換することにより得られたものである。通常、キチンのキトサンへの変換(脱アセチル反応)は完全には進まず、糖鎖上に一部 N-アセチルグルコサミンを含むことが多い。脱アセチル化の割合 又はアミノ基の比率が高いほど、キトサンの溶解性が高くなる。脱アセチル化の割合が低すぎると、キトサンの溶解性が低くなるため取り扱い性が悪くなり、得られたヒドロゲルの架橋密度や抗菌性が低下する恐れがあるため好ましくない。本発明に用いるキトサンの脱アセチル化の割合は60%以上が好ましい。より好ましくは70%、最も好ましくは80%である。 Chitosan is obtained by deacetylating the acetamide group on the 2-position carbon in the chitin skeleton and converting it to a free primary amino group. Usually, the conversion of chitin to chitosan (deacetylation reaction) does not proceed completely, and the sugar chain often contains some N-acetylglucosamine. The higher the deacetylation rate or the ratio of amino groups, the higher the solubility of chitosan. If the deacetylation rate is too low, the solubility of chitosan will decrease, making it difficult to handle, and the crosslink density and antibacterial properties of the resulting hydrogel may decrease, which is not preferable. The deacetylation rate of chitosan used in the present invention is preferably 60% or more. It is more preferably 70%, and most preferably 80%.

キトサンを構成するグルコサミンの重合度については、特に制限しない。例えば、2~2000が好ましい。より好ましくは5~1500、さらに好ましくは6~1000である。最も好ましくは6~500である。重合度が2以上になると一分子当たりアミノ基の数は2つ以上があるため三次元ネットワークが形成できる。しかし、重合度が低いほど、キトサンのアミノ基が硫酸CNFの硫酸エステル基との接触率又は反応率が減少し、ヒドロゲルの架橋密度が低下したり、フリーなキトサン分子が残留したりする恐れがあるため好ましくない。一方、重合度が高すぎるとキトサンの溶解性が低下する恐れがあるため好ましくない。溶解性の面からは、重合度は、800以下が好ましく、500以下が特に好ましい。
一方、キトサンの生理活性が求める場合、生理活性の高い6量体~15量体が最も好ましい。よって、より好ましくは重合度3~1000である。最も好ましくは6~500のキトサンである。
The degree of polymerization of glucosamine constituting chitosan is not particularly limited. For example, 2 to 2000 is preferable. More preferably, it is 5 to 1500, and even more preferably, it is 6 to 1000. Most preferably, it is 6 to 500. When the degree of polymerization is 2 or more, the number of amino groups per molecule is two or more, so that a three-dimensional network can be formed. However, the lower the degree of polymerization, the lower the contact rate or reaction rate of the amino groups of chitosan with the sulfate ester groups of sulfated CNF, which is undesirable because it may reduce the crosslinking density of the hydrogel or cause free chitosan molecules to remain. On the other hand, if the degree of polymerization is too high, it is undesirable because it may reduce the solubility of chitosan. From the viewpoint of solubility, the degree of polymerization is preferably 800 or less, and particularly preferably 500 or less.
On the other hand, when the physiological activity of chitosan is required, chitosan having a degree of polymerization of 6 to 15 is most preferable because it has high physiological activity. Therefore, the degree of polymerization is more preferably 3 to 1000. The most preferable is chitosan having a degree of polymerization of 6 to 500.

キトサンを溶解する溶媒としては、より好ましくは、SP値11以上の溶媒が好ましい。特にDMAc、DMF、DMSO、メタノール、エタノール、IPA、水等のプロトン性溶媒に溶けることが好ましい。キトサンの溶解性はそのアミノ基とアセチルアミド基のモル比とキトサンの重合度に影響される。アミノ基の比率が高くなる程、溶解性が高くなるため好ましい。 Solvents that dissolve chitosan are more preferably those with an SP value of 11 or more. In particular, chitosan is preferably soluble in protic solvents such as DMAc, DMF, DMSO, methanol, ethanol, IPA, and water. The solubility of chitosan is affected by the molar ratio of its amino groups to acetylamide groups and the degree of polymerization of chitosan. The higher the ratio of amino groups, the higher the solubility, and therefore the more preferable it is.

架橋剤として本発明に用いるアミン(C)は、ジアミン、トリアミン及びポリアミンであれば良く、特に限定しないが、例えばジアミンの場合、エチレンジアミン(2炭素)、プトレシン(4炭素)、カダベリン(5炭素)、ヘキサメチレンジアミン(6炭素)などの直鎖ジアミン、又は、エタンブトールやフェニレンジアミンが挙げられ、トリアミンの場合メラミンと1,2,3―プロパントリアミンが挙げられ、ポリアミンの場合は、スペルミンとスペルミジンが挙げられる。その中でも、ヒドロゲルの強度の点から、トリアミンとポリアミンが特に好ましい。 The amine (C) used in the present invention as a crosslinking agent may be a diamine, triamine, or polyamine, and is not particularly limited. For example, diamines include linear diamines such as ethylenediamine (2 carbons), putrescine (4 carbons), cadaverine (5 carbons), and hexamethylenediamine (6 carbons), or ethambutol and phenylenediamine. Triamines include melamine and 1,2,3-propanetriamine, and polyamines include spermine and spermidine. Among these, triamines and polyamines are particularly preferred from the viewpoint of the strength of the hydrogel.

硫酸CNFと架橋剤の比率については、基本的には、架橋剤の一分子当たり2つ以上のアミノ基が硫酸CNFの硫酸エステル基と反応して三次元ネットワークを形成することにより、ヒドロゲルの形成ができる比率であればよい。
そして、ヒドロゲルの吸水率と生物活性(抗ウイルス性など)の面からは、硫酸CNFと架橋剤の比率は、硫酸CNFの比率が大きいほど好ましい。一方、ヒドロゲルの抗菌性の面からは、架橋剤の比率が大きいほど好ましい。これらの性能をバランスよく持つヒドロゲルを調製するため、硫酸CNFと架橋剤の比率を適切に調整すれば良い。例えば、キトサンを架橋剤とした場合、硫酸CNFと架橋剤の重量比は好ましくは90/10~60/40である。一方、架橋剤はアミンの場合、アミノ基の当量が小さいことと一分子あたりアミノ基の数が少ないため、硫酸化CNFと架橋剤の重量比は99.5/0.5~90/10であることが好ましい。より好ましくは99/1~92/8、最も好ましくは98/2~95/5である。
The ratio of CNF sulfate to crosslinker should basically be such that two or more amino groups per molecule of crosslinker react with the sulfate ester groups of CNF sulfate to form a three-dimensional network, thereby forming a hydrogel.
From the viewpoint of the water absorption rate and biological activity (antiviral property, etc.) of the hydrogel, the ratio of sulfated CNF to the crosslinking agent is preferably as high as possible. On the other hand, from the viewpoint of antibacterial property of the hydrogel, the ratio of the crosslinking agent is preferably as high as possible. In order to prepare a hydrogel having a good balance of these properties, the ratio of sulfated CNF to the crosslinking agent may be appropriately adjusted. For example, when chitosan is used as the crosslinking agent, the weight ratio of sulfated CNF to the crosslinking agent is preferably 90/10 to 60/40. On the other hand, when the crosslinking agent is an amine, the weight ratio of sulfated CNF to the crosslinking agent is preferably 99.5/0.5 to 90/10, since the equivalent weight of the amino group is small and the number of amino groups per molecule is small. More preferably, it is 99/1 to 92/8, and most preferably 98/2 to 95/5.

上記重量比の範囲から外れる硫酸CNF又は架橋剤が過剰になる範囲では、ゲル化できなくなったり、ゲル化速度が遅くなったりする。また、生成したヒドロゲルの架橋密度が低くなってしまう。そのため、ゲルの強度と弾力性が低下して好ましくない。
また、架橋剤が過剰になると、ヒドロゲル中に未反応のアミノ基として残存する割合が高くなり、上記問題点に加えて、ゲルの着色度合いが増すという問題も生じる。
If the amount of CNF sulfate or crosslinking agent is excessive and falls outside the above weight ratio range, gelation may not be possible or the gelation rate may be slowed down, and the crosslink density of the resulting hydrogel may be low, resulting in undesirable reductions in strength and elasticity of the gel.
Moreover, if the crosslinking agent is used in excess, the proportion of unreacted amino groups remaining in the hydrogel increases, which in addition to the above problems also causes the problem of increased coloration of the gel.

架橋剤の割合が硫酸CNFに比べて多くなり、硫酸エステル基と架橋剤のアミノ基のモル比が1を超える場合、即ち、硫酸エステル基の数がアミノ基より多い場合、ヒドロゲル中の前記硫酸CNFの硫酸エステル基の一部は、酸型(-SOH)のままで、残存することになる。
ヒドロゲル中の前記硫酸CNFの硫酸エステル基は、酸型(-SOH)のままでも良いが、フリーの硫酸エステル基を塩型(-SOM、Mは1価の陽イオン)に変化させても良い。例えば、一部の硫酸エステル基の対イオンをK+、Na+、Li+等のアルカリ金属イオンやアンモニウムイオン(有機アンモニウムイオンを含む。以下も同じ。)に変えればよく、そうすることによりヒドロゲルの吸水性が高くなるため好ましい。
また、硫酸エステル基が残存する場合は、酸型の硫酸エステル基を有するヒドロゲルが、酸性のために劣化しやすいので、塩に変換することが好ましい。
When the proportion of crosslinker is higher than that of sulfated CNF and the molar ratio of sulfate ester groups to amino groups of the crosslinker exceeds 1, i.e., when the number of sulfate ester groups is greater than the number of amino groups, some of the sulfate ester groups of the sulfated CNF in the hydrogel will remain in the acid form ( -SO3H ).
The sulfate ester groups of the sulfate CNF in the hydrogel may remain in the acid form (-SO 3 H), or the free sulfate ester groups may be changed to the salt form (-SO 3 M, where M is a monovalent cation). For example, the counter ions of some of the sulfate ester groups may be changed to alkali metal ions such as K+, Na+, Li+, etc., or ammonium ions (including organic ammonium ions; the same applies below), which is preferable because it increases the water absorption of the hydrogel.
Furthermore, if sulfate ester groups remain, it is preferable to convert them into salts, since hydrogels having acid sulfate ester groups are prone to deterioration due to their acidity.

、Na、Li等のアルカリ金属イオンやアンモニウムイオンの塩型硫酸エステル基の比率が多いほど、得られたヒドロゲルは柔らかくなり、柔軟性と吸水率が高くなる。逆に、少ない程、得られたヒドロゲルの架橋密度と強度が高くなる。その代わりに吸水率が低くなる。即ち、用途に応じて、塩型と酸型の比率を適切に制御すれば良い。 The higher the ratio of salt-type sulfate ester groups of alkali metal ions such as K + , Na + , and Li + or ammonium ions, the softer the resulting hydrogel will be, and the higher its flexibility and water absorption rate. Conversely, the lower the ratio, the higher the crosslink density and strength of the resulting hydrogel will be. However, the water absorption rate will be lower. In other words, the ratio of salt-type and acid-type groups can be appropriately controlled depending on the application.

前記塩型が有機アンモニウムイオンの場合、塩基性の観点から一級アミンと2級アミンがより好ましい。さらに、親水性の面から、アミンのアルキル基の炭素数が6以下が好ましい、さらに好ましくは4以下である。アミンを対イオンとすると、得られるヒドロゲルは電解質に対し安定である。一方、アミン対イオンの比率が多いほど、親水性が低くなるので好ましくない。硫酸CNFの硫酸エステル基の50%以下が好ましい。より好ましくは40%以下、更に好ましくは30%以下である。 When the salt type is an organic ammonium ion, primary amines and secondary amines are more preferred from the viewpoint of basicity. Furthermore, from the viewpoint of hydrophilicity, the number of carbon atoms in the alkyl group of the amine is preferably 6 or less, and even more preferably 4 or less. When an amine is used as a counter ion, the resulting hydrogel is stable against electrolytes. On the other hand, the higher the ratio of amine counter ions, the lower the hydrophilicity, which is not preferred. It is preferred that the sulfate ester groups of the sulfate CNF are 50% or less. More preferably, it is 40% or less, and even more preferably, it is 30% or less.

本発明の硫酸CNFは更に、ヒアルロン酸、コラーゲン、グリセリン、ポリエチレングリコール及び尿素のいずれか1つ以上を含むことが好ましい。
これらの成分を添加することにより、それぞれが有する特性をヒドロゲルに持たせることができる。
ヒドロゲルの保湿性や生物活性を向上するためヒアルロン酸、グリセリン、ポリエチレングリコール、尿素等の群から選ばれた少なくとも一つを含むことが好ましい。
ヒアルロン酸は、血管新生および創傷治癒を促す湿潤した創傷部位の維持を促進するため、創傷被覆材として最も好ましい。
It is preferable that the sulfate CNF of the present invention further contains one or more of hyaluronic acid, collagen, glycerin, polyethylene glycol, and urea.
By adding these components, the hydrogel can have the properties that each component possesses.
In order to improve the moisture retention and biological activity of the hydrogel, it is preferable that the hydrogel contains at least one selected from the group consisting of hyaluronic acid, glycerin, polyethylene glycol, urea, and the like.
Hyaluronic acid is most preferred as a wound dressing because it promotes maintenance of a moist wound site which promotes vascularization and wound healing.

本発明の硫酸CNFは、更に、セラミックス粒子及び/又はハイドロキシアパタイト粒子を含むことが好ましい。
ヒドロゲルは人口軟骨などの再生医療に応用する場合、無機粒子を含むことが好ましい。これらの無機粒子を含むことによりヒドロゲルの強度、硬さや耐久性を改善することができる。
The sulfate CNF of the present invention preferably further contains ceramic particles and/or hydroxyapatite particles.
When the hydrogel is applied to regenerative medicine such as artificial cartilage, it is preferable that the hydrogel contains inorganic particles, which can improve the strength, hardness and durability of the hydrogel.

次に、本発明の硫酸CNFヒドロゲルの製造方法。について説明する。
本発明の硫酸CNFヒドロゲルは、硫酸CNF(A)又はその塩(A塩)と、キトサン(B)又はジアミン、トリアミン若しくはポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)を溶液中で混合することで製造できるが、硫酸CNF(A)又はその塩(A塩)は、分散液として用いるのが好ましい。
Next, a method for producing the sulfate CNF hydrogel of the present invention will be described.
The CNF sulfate hydrogel of the present invention can be produced by mixing CNF sulfate (A) or a salt thereof (A salt) with chitosan (B) or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines and polyamines in a solution, but it is preferable to use CNF sulfate (A) or a salt thereof (A salt) as a dispersion.

好ましい硫酸CNFヒドロゲルの製造方法としては、硫酸CNF(A)又はその塩(A塩)の分散液(A’)と、キトサン(B)又はその溶液(B’)又はジアミン、トリアミン及びポリアミンの群から選ばれる少なくとも一つ以上のアミン(C)又はその溶液(C’)を溶液中で混合又は接触させることにより製造することができる。
架橋剤を溶液として用いる方が、得られたヒドロゲルの均一性等の品質が良く、且つ、ヒドロゲルを希望の形状になるように制御できるためより好ましい。
A preferred method for producing a CNF sulfate hydrogel is to mix or contact in a solution a dispersion (A') of CNF sulfate (A) or a salt thereof (A salt) with chitosan (B) or a solution (B') thereof, or at least one amine (C) selected from the group consisting of diamines, triamines and polyamines or a solution (C') thereof.
It is more preferable to use the crosslinking agent in the form of a solution, since the quality of the resulting hydrogel, such as uniformity, is good, and the hydrogel can be controlled to have a desired shape.

本発明において、硫酸CNF(A)又はその塩(A塩)の分散液(A’)のいずれを用いるかについては、特に制限はない。例えば、硫酸CNFを調製した後、中和せず得られた硫酸CNF(A)は、100%の硫酸エステル基は酸型(-SOH)である。一方、硫酸CNFの塩(A塩)は、硫酸CNFを調整した後、部分中和で硫酸エステル基の一部を塩型(-SOM)に変換、または、完全中和で全ての硫酸エステル基を塩型(-SOM)に変換方法により得ることができる。 In the present invention, there is no particular restriction as to whether a dispersion (A') of sulfate CNF (A) or a salt thereof (A salt) is used. For example, in sulfate CNF (A) obtained without neutralization after preparation of sulfate CNF, 100% of the sulfate ester groups are in the acid form (-SO 3 H). On the other hand, a salt of sulfate CNF (A salt) can be obtained by a method in which sulfate CNF is prepared and then some of the sulfate ester groups are converted to the salt form (-SO 3 M) by partial neutralization, or all of the sulfate ester groups are converted to the salt form (-SO 3 M) by complete neutralization.

硫酸CNFの塩(A塩)を使用しても、硫酸CNFの塩は、架橋剤と混合する際に、硫酸エステル塩基の対イオンはアミノ基に置換され、アミン硫酸塩が形成される。元の対イオンは変換され、例えば、ナトリウムの場合は水酸化ナトリウムに変換され、得られるヒドロゲルを洗浄する際に除かれる。 Even if a salt of CNF sulfate (A salt) is used, when the salt of CNF sulfate is mixed with a crosslinker, the counterion of the sulfate ester group is replaced by an amino group to form an amine sulfate. The original counterion is converted, for example, to sodium hydroxide in the case of sodium, and is removed when the resulting hydrogel is washed.

前記硫酸CNFの塩(A塩)は、硫酸CNFの硫酸エステル基の全てが塩を形成しているものだけではなく、硫酸エステル基の一部が塩になっているものも含む。 The salt of CNF sulfate (A salt) includes not only CNF sulfate in which all of the sulfate ester groups form salts, but also CNF sulfate in which some of the sulfate ester groups form salts.

硫酸CNF又はその塩の分散液の作製について特に制限はない。例えば、WO2018/131721号に記載の方法と同様に、硫酸CNF又はその塩を蒸留水に分散させて、ミキサーで数分攪拌することにより分散液が得られる。硫酸CNF又はその塩は乾燥した粉末で入手される場合、粉末を水等の分散媒に分散させてから利用することもできる。 There are no particular limitations on the preparation of a dispersion of CNF sulfate or a salt thereof. For example, similar to the method described in WO2018/131721, a dispersion can be obtained by dispersing CNF sulfate or a salt thereof in distilled water and stirring for several minutes in a mixer. When CNF sulfate or a salt thereof is obtained as a dry powder, the powder can be dispersed in a dispersion medium such as water before use.

硫酸CNF(A)又はその塩(A塩)を分散させる分散液としては、架橋剤を溶解できる水、メタノール、エタノール、SP値11以上のセロソルブ類、ジメチルスルホキシド等を例示することができ、その中でも水、エタノールとジメチルスルホキシドが好ましい。 Examples of dispersing liquids for dispersing CNF sulfate (A) or its salt (A salt) include water, methanol, ethanol, cellosolves with an SP value of 11 or more, and dimethyl sulfoxide, which are capable of dissolving the crosslinking agent, and among these, water, ethanol, and dimethyl sulfoxide are preferred.

硫酸CNF又はその塩の分散液の濃度は、特に限定しないが、0.01~10重量%が好ましい。より好ましくは0.03~8重量%、さらに好ましくは0.05~5重量%である。濃度が低すぎるとゲル化時間が長くなったり、得られたヒドロゲルが弱くなったりするおそれがあるため好ましくない。一方、濃度が高すぎると、流動性が低くなるためヒドロゲルの形状を制御しにくくなったり、ヒドロゲルの中に気泡が含まれたりするおそれがあるため好ましくない。最も好ましくは0.06~3重量%である。 The concentration of the dispersion of CNF sulfate or its salt is not particularly limited, but is preferably 0.01 to 10% by weight. More preferably, it is 0.03 to 8% by weight, and even more preferably, it is 0.05 to 5% by weight. If the concentration is too low, the gelation time may be longer and the obtained hydrogel may be weak, which is not preferable. On the other hand, if the concentration is too high, the fluidity may be reduced, making it difficult to control the shape of the hydrogel, and there is a risk of air bubbles being included in the hydrogel, which is also not preferable. The most preferable concentration is 0.06 to 3% by weight.

硫酸CNF又はその塩の分散液は、その粘度が高い場合は、ドープ状になる場合があるが、ドープ状の場合を含めて分散液として以下説明する。
硫酸CNF又はその塩の分散液及び架橋剤そのものを用いる場合は、硫酸CNF又はその塩の分散液に架橋剤を加え、攪拌しながら溶解と混合することにより、硫酸CNFヒドロゲルを製造することができる。
架橋反応温度は室温~70℃であれば良い。ゲル化時間は10分~60分であれば良い。攪拌方法は機械攪拌又は磁性スターラーの何れも用いることができる。
この方法の特徴は、ヒドロゲルを簡単で製造できことであるが、得られたヒドロゲルは粒子状になりがちである。
A dispersion of sulfated CNF or a salt thereof may become dope-like if its viscosity is high. In the following, the dispersion will be described as including the dope-like case.
When using a dispersion of CNF sulfate or its salt and a crosslinking agent itself, a CNF sulfate hydrogel can be produced by adding the crosslinking agent to the dispersion of CNF sulfate or its salt, and dissolving and mixing with stirring.
The crosslinking reaction temperature may be from room temperature to 70° C. The gelation time may be from 10 to 60 minutes. The stirring method may be either mechanical stirring or a magnetic stirrer.
The feature of this method is that the hydrogel can be easily produced, but the obtained hydrogel tends to be particulate.

硫酸CNF又はその塩の分散液及び架橋剤の溶液を用いてヒドロゲルを調製する場合、双方の溶液を撹拌、混合する方法及び双方の溶液を接触させる方法がある。 When preparing a hydrogel using a dispersion of CNF sulfate or its salt and a solution of a crosslinker, there are two methods: stirring and mixing the two solutions, and bringing the two solutions into contact.

架橋剤を溶液にする溶媒としては、キトサンの場合は、水、酸性水、SP値11以上のアルコール、ジメチルスルホキシド等を例示することができ、その中でも水、メタノール、エタノール、ジメチルスルホキシドが好ましく、アミンの場合は水、SP値11以上のアルコール、SP値11以上のセロソルブ類、ジメチルスルホキシド等を例示することができ、その中でも水、メタノールとエタノールが好ましい。 In the case of chitosan, examples of solvents for dissolving the crosslinking agent include water, acidic water, alcohols with an SP value of 11 or more, and dimethyl sulfoxide, among which water, methanol, ethanol, and dimethyl sulfoxide are preferred. In the case of amines, examples of solvents for dissolving the crosslinking agent include water, alcohols with an SP value of 11 or more, cellosolves with an SP value of 11 or more, and dimethyl sulfoxide, among which water, methanol, and ethanol are preferred.

架橋剤の濃度は、特に限定しないが、低すぎるとゲル化速度が遅くなったり、得られたヒドロゲルの架橋密度が低くなったりする可能性があるため好ましくない。一方、濃度が高すぎると架橋密度の不均一性が生じたり、架橋密度が高くなったりする恐れがあるため好ましくない。0.01~10重量%が好ましい。より好ましくは0.03~8重量%、さらに好ましくは0.05~6重量%、最も好ましくは0.07~5重量%である。 The concentration of the crosslinking agent is not particularly limited, but if it is too low, the gelation rate may slow down or the crosslink density of the resulting hydrogel may be low, which is not preferable. On the other hand, if the concentration is too high, the crosslink density may become non-uniform or the crosslink density may become high, which is not preferable. The concentration is preferably 0.01 to 10% by weight. More preferably, it is 0.03 to 8% by weight, even more preferably 0.05 to 6% by weight, and most preferably 0.07 to 5% by weight.

双方の溶液を撹拌、混合する方法は、前記した硫酸CNF又はその塩の分散液と架橋剤を混合する条件及び方法で撹拌、混合を行えばよい。 The two solutions may be stirred and mixed under the conditions and by the method for mixing the dispersion of CNF sulfate or its salt with the crosslinking agent described above.

双方の溶液を接触させる方法としては、硫酸CNF又はその塩の分散液に架橋剤の溶液を加えて、室温で静置することにより、架橋剤を硫酸CNF分散液に浸透させて硫酸CNFヒドロゲルを製造することができる。
または、架橋剤の溶液中に硫酸CNF又はその塩の分散液をノズルから注入した後、室温で静置することにより硫酸CNFヒドロゲルを製造することができる。場合により架橋剤溶液を攪拌しながら硫酸CNF分散液を注入することも可能である。攪拌することにより架橋剤の硫酸CNFへの浸透が加速する効果がある。
One method of contacting the two solutions is to add a solution of a crosslinker to a dispersion of CNF sulfate or its salt, and leave it at room temperature to allow the crosslinker to penetrate into the CNF sulfate dispersion, thereby producing a CNF sulfate hydrogel.
Alternatively, a dispersion of CNF sulfate or its salt is injected from a nozzle into a solution of a crosslinker, and then the solution is allowed to stand at room temperature to produce a CNF sulfate hydrogel. In some cases, the CNF sulfate dispersion can be injected while stirring the crosslinker solution. Stirring has the effect of accelerating the penetration of the crosslinker into the CNF sulfate.

ゲル化時間については、特に制限しないが、ヒドロゲルの形状とサイズ、求める架橋密度により調製すれば良い。例えば、0.1~24時間、更に、好ましくは0.2~12時間が挙げられる。 There are no particular limitations on the gelation time, but it can be adjusted depending on the shape and size of the hydrogel and the desired crosslinking density. For example, it can be 0.1 to 24 hours, and more preferably 0.2 to 12 hours.

ヒドロゲルを形成する又は架橋反応する温度は特に制限しないが、10~60℃が好ましい。より好ましくは15~50℃、更に好ましくは25℃~45℃である。温度が低すぎるとキトサンやアミンの溶解性が低下し、ゲル化の途中で析出する恐れがあるため好ましくない。一方、温度が高すぎると、ヒドロゲルが変性したりする恐れがあるため好ましくない。 The temperature at which the hydrogel is formed or the crosslinking reaction takes place is not particularly limited, but is preferably 10 to 60°C. More preferably, it is 15 to 50°C, and even more preferably, it is 25 to 45°C. If the temperature is too low, the solubility of chitosan and amines decreases, and there is a risk of precipitation during gelation, which is not preferred. On the other hand, if the temperature is too high, there is a risk of the hydrogel denaturing, which is not preferred.

所定のゲル化時間が経つと得られたヒドロゲルを蒸留水で更に洗浄することにより過剰の架橋剤や架橋剤により置換された硫酸エステル基の対イオンからなるアルカリを除くことができる。 After the specified gelation time has elapsed, the resulting hydrogel can be further washed with distilled water to remove excess crosslinker and alkali consisting of counterions of the sulfate ester groups replaced by the crosslinker.

次に、硫酸CNFヒドロゲルの硫酸エステル基と架橋剤のアミノ基のモル比が1を超える場合には架橋されない硫酸エステル基が残存するが、その場合に硫酸エステル基を塩にする方法について説明する。 Next, when the molar ratio of sulfate ester groups in the sulfate CNF hydrogel to amino groups in the crosslinker exceeds 1, sulfate ester groups remain that are not crosslinked. In this case, we will explain how to convert the sulfate ester groups into salts.

硫酸エスエル基を塩型にするために次の何れかを用いることができる。
一つの方法は、得られた酸型硫酸エステル基を有するヒドロゲルを所定のアルカリ溶液に浸透させることにより酸型の硫酸エステル基を塩に変換することができる。
この場合は、アルカリ溶液の濃度は0.1M以下が好ましい。さらに好ましくは0.05M、最も好ましくは0.01Mである。濃度が高すぎると架橋剤により形成されたアミノ基と硫酸エステル基の結合が切断されることにより、架橋密度が低下したり、ゲルが崩壊したりする恐れがあるため好ましくない。一方、アルカリ溶液の濃度が低すぎると硫酸エステル基の中和速度又は塩への変換速度が遅すぎるため好ましくない。
To convert the sulfate ester group into a salt form, any of the following can be used.
One method is to convert the acid-form sulfate ester groups into salts by immersing the resulting hydrogel having acid-form sulfate ester groups in a specific alkaline solution.
In this case, the concentration of the alkaline solution is preferably 0.1 M or less, more preferably 0.05 M, and most preferably 0.01 M. If the concentration is too high, the bond between the amino group and the sulfate ester group formed by the crosslinking agent is broken, which is undesirable since it may cause a decrease in crosslink density or the gel to collapse. On the other hand, if the concentration of the alkaline solution is too low, the neutralization rate or the conversion rate to a salt of the sulfate ester group is too slow, which is undesirable.

次に、最初から硫酸CNFの塩(A塩)の分散液を用いて、架橋剤のアミノ基のモル比をA塩の硫酸エステル基塩に比べて少なくして製造する方法がある。
架橋剤のアミノ基が少ないので、硫酸CNFの未反応の硫酸エステル基塩が残存する。
Next, there is a production method in which a dispersion of a salt of CNF sulfate (A salt) is used from the beginning, and the molar ratio of the amino group in the crosslinking agent is made smaller than that of the sulfate ester group salt of A salt.
Since the crosslinking agent has few amino groups, unreacted sulfate ester group salts of sulfated CNF remain.

また、硫酸CNF(A)の分散液を架橋剤と混合する時に、中和用のアルカリを同時に共存させることにより部分中和することもできる。 Also, when mixing the dispersion of CNF sulfate (A) with the crosslinking agent, partial neutralization can be achieved by simultaneously adding a neutralizing alkali.

本発明は、硫酸CNFの安定性とヒドロゲルの成形過程の便利さの面から、硫酸CNFを調製した後、架橋剤と混合する前に部分中和又は完全中和することが好ましい。 In the present invention, in view of the stability of CNF sulfate and the convenience of the hydrogel molding process, it is preferable to partially or completely neutralize the CNF sulfate after preparing it and before mixing it with the crosslinking agent.

ヒドロゲルを乾燥することにより硫酸CNFとキトサン又はアミンの複合シートが得られ、応用の際に、必要な溶媒を吸収させてから利用できる。
用途に応じて、ノズルを選んで、複合材の形状を制御することができる。例えば、繊維状、膜状、シート状等が挙げられる。乾燥方法としては、ヒドロゲルを室温~100℃の温度範囲内で乾燥させることにより水分を蒸発させる。乾燥温度が高すぎると得られた複合材の形状は崩れたり、割れたりする恐れがあるため好ましくない。特に好ましい温度範囲は30~95℃、より好ましくは、40~90℃である。乾燥は常圧又は減圧下で行うことができる。乾燥後の複合材の緻密性を求める用途であれば常圧且つ低温乾燥が好ましい。一方、多孔質状の複合材が求める場合、より高い温度且つ減圧乾燥が好ましい。
By drying the hydrogel, a composite sheet of CNF sulfate and chitosan or amine is obtained, which can be used after absorbing the necessary solvent for application.
Depending on the application, the shape of the composite material can be controlled by selecting a nozzle. Examples include fiber, film, and sheet shapes. As a drying method, the hydrogel is dried at a temperature range of room temperature to 100°C to evaporate water. If the drying temperature is too high, the shape of the obtained composite material may collapse or crack, which is not preferable. A particularly preferable temperature range is 30 to 95°C, more preferably 40 to 90°C. Drying can be performed under normal pressure or reduced pressure. If the application requires dense composite material after drying, drying at normal pressure and low temperature is preferable. On the other hand, if a porous composite material is required, drying at a higher temperature and reduced pressure is preferable.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。なお、実施例は、本発明の硫酸CNFに由来するヒドロゲル及びその製造方法の実施例である。 The present invention will be described in more detail below based on examples, but the present invention is not limited to these examples. The examples are examples of the hydrogel derived from CNF sulfate of the present invention and the method for producing the same.

〔硫酸CNFの製造〕
硫酸CNFは、WO2018/131721号の実施例に記載の方法と同様にすれば製造できるが、以下に本発明に使用した硫酸CNFの製造について説明する。
用いた原料および装置の詳細は以下の通りである。
(用いたセルロース、無水酢酸、硫酸およびDMSO)
原料セルロースとして、セルロースパルプを用いた。セルロースパルプは市販木材パルプ(Georgia Pacific社製、商品名:フラッフパルプARC48000GP、含水率:9重量%)である。
原料セルロースは、解繊前にサンプル瓶に入るサイズ(1cm~3cm角程度)まで千切った。
無水酢酸、硫酸およびDMSOはナカライテスク(株)から購入した。
(スターラー)
スターラーは小池精密機器製作所製のマイティ・スターラー(モデルHE-20G)を用いた。なお、オーバル型の強力撹拌子を用いた。
(ミキサー)
硫酸CNFを調製するため、パナソニック社製のミキサー(商品番号:MX-X701)を用いた。
[Production of CNF sulfate]
Sulfate CNF can be produced in a similar manner to the method described in the examples of WO2018/131721, but the production of sulfate CNF used in the present invention will be described below.
Details of the materials and equipment used are as follows:
(Cellulose, acetic anhydride, sulfuric acid and DMSO used)
Cellulose pulp was used as the raw cellulose, which was a commercially available wood pulp (manufactured by Georgia Pacific, product name: Fluff Pulp ARC48000GP, moisture content: 9% by weight).
Before defibration, the raw cellulose was cut into pieces small enough to fit into a sample bottle (approximately 1 cm to 3 cm square).
Acetic anhydride, sulfuric acid and DMSO were purchased from Nacalai Tesque.
(Stirrer)
The stirrer used was a Mighty Stirrer (Model HE-20G) manufactured by Koike Precision Machinery Manufacturing Co., Ltd. It should be noted that a powerful oval-shaped stirrer was used.
(mixer)
To prepare the sulfate CNF, a Panasonic mixer (product number: MX-X701) was used.

(硫酸CNFの製造)
ジメチルスルホキシド(DMSO)27g、無水酢酸3g、硫酸0.4gを50mlのサンプル瓶に入れ、23℃の室温下で磁性スターラーを用いて約1分撹拌し、解繊溶液を調製した。
次いで、セルロースパルプ0.9gを加え、同じ室温でさらに120分撹拌した。撹拌後、反応物を蒸留水200mlで3回洗浄することによりDMSO、無水酢酸と残留硫酸を除き、硫酸エステル化セルロースパルプを得た。得られた硫酸エステル化パルプ(水を含む状態)と蒸留水250mlをそれぞれミキサーに入れ、5分攪拌することにより硫酸エステル化セルロースナノファイバーの水分散液を得た。固形分を秤量した結果、0.25wt%であった。硫酸エステル基の平均置換度を測定した結果、0.35であった。FT-IRの分析(図2)により周波数1250cm-1と820cm-1付近に硫酸エステルよる特徴である吸収バンドが検出された。
(Production of CNF sulfate)
27 g of dimethyl sulfoxide (DMSO), 3 g of acetic anhydride, and 0.4 g of sulfuric acid were placed in a 50 ml sample bottle and stirred for approximately 1 minute using a magnetic stirrer at room temperature of 23° C. to prepare a defibration solution.
Next, 0.9 g of cellulose pulp was added and stirred at the same room temperature for another 120 minutes. After stirring, the reaction product was washed three times with 200 ml of distilled water to remove DMSO, acetic anhydride and residual sulfuric acid, and sulfated cellulose pulp was obtained. The obtained sulfated pulp (containing water) and 250 ml of distilled water were each placed in a mixer and stirred for 5 minutes to obtain an aqueous dispersion of sulfated cellulose nanofibers. The solid content was weighed to be 0.25 wt%. The average degree of substitution of sulfate ester groups was measured to be 0.35. FT-IR analysis (Figure 2) detected absorption bands characteristic of sulfate esters at frequencies around 1250 cm -1 and 820 cm -1 .

SEM観察の結果、硫酸CNFの平均繊維径は10nm以下で、繊維径が20nm以上のファイバーが実質的に含まれていないことが分った。また、XRDパターンが天然セルロースと同様であるため、I型の結晶構造を持つことを確認できた。結晶化度は60%であった。 SEM observations showed that the average fiber diameter of the sulfate CNF was 10 nm or less, and that it contained virtually no fibers with diameters of 20 nm or more. In addition, the XRD pattern was similar to that of natural cellulose, confirming that it had a type I crystal structure. The degree of crystallinity was 60%.

得られた硫酸CNFについて以下の評価を行った。
(硫酸CNFの形状観察)
硫酸CNFの形状はFE-SEM(日本電子(株)製、製品名:「JSM-6700F」、測定条件:20mA、60秒)を用いて観察した。なお、平均繊維径は、SEM写真の画像からランダムに50個の繊維を選択し、加算平均して算出した。
(硫酸CNFの結晶化度)
得られた硫酸CNFの結晶化度は、参考文献(Textile Res. J. 29:786-794(1959))の記載に基づき、XRD分析法(Segal法)により測定し、下記式により算出した。
結晶化度(%)=[(I200-IAM)/I200]×100%
[式中、I200はX線回折における格子面(002面)(回折角2θ=22.6°)の回折強度、IAMはアモルファス部(002面と110面間の最低部、回折角2θ=18.5°)の回折強度である]。
(硫酸CNFの硫酸エステル基の平均置換度の定量)
燃焼吸収―IC法を用いて硫黄含有率を定量した。すなわち、磁性ボードに乾燥した硫酸CNF(0.01g)を入れ、酸素雰囲気(流量:1.5L/分)環状炉(1350℃)にて燃焼させ、発生したガス成分を3%過酸化水素水(20ml)に吸収させた。得られた吸収液を純水で100mlにメスアップし、希釈液のイオンクロマトグラフィー測定結果から硫酸イオン濃度(重量%)を算出した。硫酸イオン濃度から平均置換度を換算した。分析には、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製、イオンクロマトグラフ ICS-1500型を用いた。なお、平均置換度は、セルロースの構成単位であるグルガン1つ当たり硫酸エステル基のモル数である。
(IRスペクトル)
乾燥した硫酸CNFをFT-IR(ATRモード)で分析し、周波数1250cm-1および820cm-1の硫酸エステル基に由来吸収バンドの有無により硫酸エステル化修飾を確認した。測定は、NICOLET社製「NICOLET MAGNA-IR760 Spectrometer」を用い、反射モードで分析した。さらに、ヒドロゲルの乾燥物の組成分析にも用いた。
The obtained sulfate CNF was evaluated as follows.
(Observation of the shape of sulfate CNF)
The shape of the sulfate CNF was observed using an FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., product name: "JSM-6700F", measurement conditions: 20 mA, 60 seconds). The average fiber diameter was calculated by averaging 50 fibers randomly selected from the SEM image.
(Crystallization degree of sulfated CNF)
The crystallinity of the obtained sulfate CNF was measured by XRD analysis (Segal method) based on the description in the reference (Textile Res. J. 29:786-794 (1959)) and calculated by the following formula.
Crystallinity (%) = [(I200-IAM)/I200] x 100%
[In the formula, I200 is the diffraction intensity of the lattice plane (002 plane) (diffraction angle 2θ = 22.6°) in X-ray diffraction, and IAM is the diffraction intensity of the amorphous portion (the lowest part between the 002 plane and the 110 plane, diffraction angle 2θ = 18.5°)].
(Quantitative Determination of Average Substitution Degree of Sulfate Ester Groups of Sulfated CNF)
The sulfur content was quantified using the combustion absorption-IC method. That is, dried sulfuric acid CNF (0.01 g) was placed on a magnetic board and burned in an oxygen atmosphere (flow rate: 1.5 L/min) in a ring furnace (1350 ° C), and the generated gas components were absorbed in 3% hydrogen peroxide solution (20 ml). The obtained absorption liquid was made up to 100 ml with pure water, and the sulfate ion concentration (wt%) was calculated from the ion chromatography measurement result of the diluted liquid. The average substitution degree was calculated from the sulfate ion concentration. For the analysis, an ion chromatograph ICS-1500 model manufactured by Thermo Fisher Scientific was used. The average substitution degree is the number of moles of sulfate ester groups per one glucan, which is a structural unit of cellulose.
(IR spectrum)
The dried sulfated CNF was analyzed by FT-IR (ATR mode) to confirm the sulfate esterification modification based on the presence or absence of absorption bands at frequencies of 1250 cm-1 and 820 cm-1 derived from sulfate ester groups. The measurement was performed in reflection mode using a "NICOLET MAGNA-IR760 Spectrometer" manufactured by NICOLET. The same spectrometer was also used for the composition analysis of the dried hydrogel.

〔硫酸CNFヒドロゲルの製造〕
(硫酸CNF)
前記したように製造した硫酸CNFの分散液を2等分に分けて、それぞれに所定量の水酸化ナトリウムの水溶液(濃度0.4%)を加え、硫酸エステル基の半分中和と完全中和の2種類の分散液を調製した。
(用いた架橋剤)
キトサンとして、東京化成(株)製のキトサンオリゴ糖を用いた。分子量は20,000、重合度に換算すると111程度である。水に可溶する。
アミンとして、ナカライテスク(株)社製ヘキサメチレンジアミンを用いた。
[Preparation of sulfate CNF hydrogel]
(CNF sulfate)
The dispersion of sulfated CNF produced as described above was divided into two equal parts, and a specified amount of aqueous sodium hydroxide solution (concentration: 0.4%) was added to each part to prepare two types of dispersion, one in which the sulfate ester groups were partially neutralized and the other in which they were completely neutralized.
(Crosslinking agent used)
The chitosan used was chitosan oligosaccharide manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. The molecular weight is 20,000, which is equivalent to a degree of polymerization of about 111. It is soluble in water.
As the amine, hexamethylenediamine manufactured by Nacalai Tesque, Inc. was used.

(架橋剤の水溶液の作製)
表1に示すように、所定量のキトサン又はヘキサメチレンジアミンを所定量の蒸留水に加え、スターラーにて攪拌することによりキトサン溶液を調製した。
(Preparation of an aqueous solution of a crosslinking agent)
As shown in Table 1, a chitosan solution was prepared by adding a predetermined amount of chitosan or hexamethylenediamine to a predetermined amount of distilled water and stirring with a stirrer.

(ヒドロゲルの調製と評価)
0.25%の硫酸CNFの水分散液をサンプル瓶に加え、液面を平らに整えた後、架橋剤溶液10gをスポイドで吸い取ってサンプル瓶の壁に沿って滴下して、室温で24時間静置し、硫酸CNF分散液に浸透させてゲル化させた。得られたゲルを回収し、蒸留水で数回洗浄することにより過剰の架橋剤を除くことにより円柱形ヒドロゲルが得られた。得られたヒドロゲルの表面水分をキムワイプ(商品名)で拭き取った後、天秤で重さを秤量し、吸水率(ヒドロゲルの重さ/硫酸CNFの重さ)の尺度として評価した。同じヒドロゲルを室温で一週間放置した後重さを再び評価し、放置前後の重量差を離水性の尺度として評価した。
(Preparation and Evaluation of Hydrogels)
A 0.25% aqueous dispersion of CNF sulfate was added to a sample bottle, and the liquid surface was adjusted to be flat. Then, 10 g of the crosslinker solution was sucked up with a dropper and dripped along the wall of the sample bottle. The bottle was left to stand at room temperature for 24 hours, and the crosslinker solution was allowed to penetrate into the CNF sulfate dispersion and gelled. The gel was collected and washed several times with distilled water to remove excess crosslinker, resulting in a cylindrical hydrogel. The surface moisture of the hydrogel was wiped off with Kimwipe (trade name), and the weight was measured on a balance and evaluated as a measure of water absorption (weight of hydrogel/weight of CNF sulfate). The same hydrogel was left at room temperature for one week, and the weight was evaluated again, and the weight difference before and after leaving the bottle was evaluated as a measure of water release.

(ヒドロゲルの強さ評価)
得られた円柱形のヒドロゲル(高さ約2cm、直径約2cm)の上に、200gの分銅を載せて、30秒が経つと分銅を除いて、ヒドロゲルの形状が元に戻るかを確認した。戻る場合、強度及び弾力が良好、戻れない又は崩れた場合、強度又は弾力が悪い、として評価した。
(Evaluation of Hydrogel Strength)
A 200 g weight was placed on the obtained cylindrical hydrogel (height: about 2 cm, diameter: about 2 cm), and after 30 seconds, the weight was removed to confirm whether the hydrogel returned to its original shape. If the hydrogel returned to its original shape, it was evaluated as having good strength and elasticity, and if the hydrogel could not return to its original shape or collapsed, it was evaluated as having poor strength or elasticity.

〔実施例1~4〕、〔比較例1~3〕
表1に示す組成を基に、前記に示したヒドロゲルの作製方法によりゲル化時間24時間で、円柱形ヒドロゲルを調製、評価した。
評価結果を表1に示す。
図3に実施例1)及び実施例3で得られたヒドロゲルの写真(左:実施例1;右:実施例3)を示す。
[Examples 1 to 4], [Comparative Examples 1 to 3]
Based on the composition shown in Table 1, cylindrical hydrogels were prepared by the hydrogel preparation method described above with a gelation time of 24 hours, and then evaluated.
The evaluation results are shown in Table 1.
FIG. 3 shows photographs of the hydrogels obtained in Example 1) and Example 3 (left: Example 1; right: Example 3).

実施例1及び実施例2共に、ヒドロゲルを圧縮した後の形状が回復し強度及び弾力が良好なヒドロゲルを生成することができた。
さらに、実施例2と比べて架橋剤濃度が高い実施例1の方は、得られたヒドロゲルの吸水率が低く、離水率((調製後の重量-放置後の重量)/調製後の重量)が大きくなった。
また、架橋剤の濃度が低い比較例1から得られたヒドロゲルは吸水率が高いものの、荷重をかけるとゲルが崩壊することが分った。さらに、架橋剤を加えない比較例2と比較例3ではゲル化ができず、ヒドロゲルが得られなかった。
実施例3では、実施例1と同量の硫酸CNF分散液にシリカゾル0.25gを加えた以外は実施例1と同様に円柱形ヒドロゲルを調製した。なお、シリカナノ粒子の粒径は50nmであった。得られたヒドロゲルはシリカナノ粒子に起因する青白の色であった。吸水率、離水率と強度の評価結果は、実施例1と大きい差が見られなかった。
実施例4では、キトサンに代えてアミンを用いた以外は実施例1と同様にヒドロゲルを調製した。外観は実施例とほぼ同様であったが、吸水率と保水率は実施例1と比べやや低下した。
In both Examples 1 and 2, the hydrogels were able to recover their shape after compression and had good strength and elasticity.
Furthermore, in Example 1, in which the crosslinking agent concentration was higher than that in Example 2, the water absorption rate of the obtained hydrogel was low and the water separation rate ((weight after preparation−weight after standing)/weight after preparation) was high.
In addition, the hydrogel obtained in Comparative Example 1, which had a low concentration of the crosslinking agent, had a high water absorption rate, but was found to collapse when a load was applied. Furthermore, in Comparative Examples 2 and 3, which did not contain a crosslinking agent, gelation did not occur, and no hydrogels were obtained.
In Example 3, a cylindrical hydrogel was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.25 g of silica sol was added to the same amount of sulfate CNF dispersion as in Example 1. The particle size of the silica nanoparticles was 50 nm. The obtained hydrogel had a bluish-white color due to the silica nanoparticles. The evaluation results of the water absorption rate, water separation rate, and strength did not show any significant difference from Example 1.
In Example 4, a hydrogel was prepared in the same manner as in Example 1, except that an amine was used instead of chitosan. The appearance was almost the same as in Example 1, but the water absorption rate and water retention rate were slightly lower than those of Example 1.

Figure 0007626413000001
Figure 0007626413000001

さらに、実施例1~実施例4及び比較例1で得られたヒドロゲルを乾燥し、それぞれをFT-IRで分析した。結果は図2に示すように、実施例の場合は、周波数1730cm-1、1650cm-1、1540cm-1の吸収バンドが確認できた。一方、比較例1では周波数1730cm-1吸収バンドが殆ど検出できなかった。この結果は、実施例1から実施例4で調製したヒドロゲルは硫酸エステル基とアミノ基の間に化学結合が形成されたことを示唆した。 Furthermore, the hydrogels obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were dried and analyzed by FT-IR. As shown in Figure 2, in the case of the Examples, absorption bands at frequencies of 1730 cm -1 , 1650 cm -1 and 1540 cm -1 were confirmed. On the other hand, in Comparative Example 1, the absorption band at frequency 1730 cm -1 was hardly detected. This result suggested that chemical bonds were formed between sulfate ester groups and amino groups in the hydrogels prepared in Examples 1 to 4.

(ヒドロゲル乾燥物の調製と評価)
所定濃度の硫酸CNFの水分散液を透明スチロール角形ケースに加え、液面を平らに整えた後、架橋剤溶液をスポイントで吸い取ってケースの周り壁に沿って滴下した。室温で所定時間まで静置し、ゲル化させた。得られたゲルを回収し、蒸留水で数回洗浄することにより過剰の架橋剤を除くことによりシート状ヒドロゲルが得られる。シート状ヒドロゲルを50℃の送風乾燥機で5時間乾燥した後、さらに90℃で3時間乾燥することにより乾燥シートが得た。得られた乾燥シートの引張強度を強度機で評価した。
(Preparation and evaluation of dried hydrogel)
A water dispersion of CNF sulfate of a given concentration was added to a transparent polystyrene rectangular case, and after the liquid surface was adjusted to be flat, the crosslinking agent solution was sucked up with a spot and dripped along the peripheral wall of the case. The mixture was left to stand at room temperature for a given time to gel. The resulting gel was collected and washed several times with distilled water to remove excess crosslinking agent, yielding a sheet-like hydrogel. The sheet-like hydrogel was dried in a 50°C air blower for 5 hours, and then further dried at 90°C for 3 hours to obtain a dried sheet. The tensile strength of the resulting dried sheet was evaluated using a strength tester.

[実施例5]
実施例1と同量の硫酸CNF分散液と架橋剤溶液を用いて、シート状のヒドロゲルを調製、乾燥した。乾燥したシートの厚みは0.2mmであった。引張物性を測定した結果、強度と弾性率がそれぞれ130MPaと3600MPaの強靭なシートであることが分った。
[Example 5]
A sheet-like hydrogel was prepared and dried using the same amounts of sulfated CNF dispersion and crosslinker solution as in Example 1. The dried sheet had a thickness of 0.2 mm. Tensile properties were measured and the sheet was found to be tough with strength and elastic modulus of 130 MPa and 3600 MPa, respectively.

硫酸CNFは無修飾CNFやTEMPO酸化CNFと比べ、硫酸エステル基の吸水率又は保水率が高く、生物活性を持つため、化粧品や医療材等への適用が期待できる。

Compared to unmodified CNF or TEMPO-oxidized CNF, sulfate CNF has a higher water absorption or water retention rate of the sulfate ester group and has biological activity, making it expected to be used in cosmetics, medical materials, etc.

Claims (5)

表面の水酸基の一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)を架橋剤で架橋したヒドロゲルであって、前記架橋剤は、キトサン(B)であり、
前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)と前記架橋剤の比率は、前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とキトサン(B)の重量比で90/10~40/60であり、
硫酸エステル基の少なくとも一部は架橋剤のアミノ基とイオン結合を形成することを特徴とする硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。
A hydrogel obtained by crosslinking sulfated cellulose nanofibers (A) in which some or all of the hydroxyl groups on the surface have been modified by sulfate esterification with a crosslinking agent, the crosslinking agent being chitosan (B);
The ratio of the sulfated cellulose nanofiber (A) to the crosslinking agent is 90/10 to 40/60 in terms of the weight ratio of the sulfated cellulose nanofiber (A) to the chitosan (B);
A sulfated cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that at least a portion of the sulfate ester groups form ionic bonds with the amino groups of a crosslinking agent .
前記硫酸エステル化セルロースナノファイバーが、平均直径1~20nmであり、平均長さ0.5~10μmであり、I型結晶構造を有し、セルロースの構成単位である無水グルカン1つあたり硫酸エステル基が0.05~1.0の硫酸エステル化セルロースナノファイバーであることを特徴とする請求項1に記載の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。 The sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to claim 1, characterized in that the sulfated cellulose nanofiber has an average diameter of 1 to 20 nm, an average length of 0.5 to 10 μm, an I-type crystal structure, and 0.05 to 1.0 sulfate ester groups per anhydroglucan, which is a structural unit of cellulose. 前記キトサン(B)が、SP値10以上の溶媒に溶けることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲル。 The sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to claim 1 or 2, characterized in that the chitosan (B) is soluble in a solvent having an SP value of 10 or more. 表面の水酸基の一部又は全てが硫酸エステル化修飾される硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)又はその塩(A塩)の分散液(A’)と、キトサン(B)又はその溶液(B’)を溶液中で混合又は接触させる硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルの製造方法であり、
前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とキトサンの比率は、前記硫酸エステル化セルロースナノファイバー(A)とキトサン(B)の重量比で90/10~40/60であり、
硫酸エステル基の少なくとも一部は架橋剤のアミノ基とイオン結合を形成することを特徴とする硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルの製造方法。
The present invention relates to a method for producing a sulfated cellulose nanofiber hydrogel, comprising the steps of: mixing or contacting in a solution a dispersion (A') of sulfated cellulose nanofiber (A) or a salt thereof (A salt), in which some or all of the hydroxyl groups on the surface have been modified by sulfate esterification , with chitosan (B) or a solution (B ') thereof;
The ratio of the sulfated cellulose nanofiber (A) to chitosan is 90/10 to 40/60 by weight of the sulfated cellulose nanofiber (A) to chitosan (B);
A method for producing a sulfated cellulose nanofiber hydrogel, characterized in that at least a portion of the sulfate ester groups form ionic bonds with the amino groups of the crosslinking agent .
請求項1~のいずれかに記載した硫酸エステル化セルロースナノファイバーヒドロゲルを乾燥して得られる複合材。 A composite material obtained by drying the sulfated cellulose nanofiber hydrogel according to any one of claims 1 to 3 .
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