(57)【要約】液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造するための装置が提供される。装置は、（ａ）上にポリマー繊維シェルを生成するための析出電極と、（ｂ）析出電極に対して第１電位にあり、析出電極とディスペンサーの間で電場を生成するディスペンサーであって、（ｉ）液化ポリマーを帯電させることによって帯電した液化ポリマーを設け、且つ（ｉｉ）帯電した液化ポリマーを析出電極の方向に分配するためのディスペンサーと、（ｃ）析出電極に対して第２電位にある補助電極であって、析出電極とディスペンサーの間の電場を変更するための補助電極とを備える。
2005507464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造するための装置であって：
（ａ）ポリマー繊維シェルを生成するための析出電極と、
（ｂ）前記析出電極に対して第１電位にあり、前記析出電極とディスペンサーの間で電場を生成するディスペンサーであって、
（ｉ）液化ポリマーを帯電させることによって帯電した液化ポリマーを設け、且つ
（ｉｉ）前記帯電した液化ポリマーを前記析出電極の方向に分配する
ためのディスペンサーと、
（ｃ）前記析出電極に対して第２電位にある補助電極であって、前記析出電極と前記ディスペンサーの間の前記電場を変更するための補助電極と
を備える装置。
【請求項２】
前記補助電極は前記析出電極と前記ディスペンサーとの間の前記電場における不均一性を減少させる働きをする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記補助電極は前記析出電極の上で生成される前記ポリマー繊維シェルの繊維方向性を制御する働きをする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ディスペンサーは前記帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための機構を備える請求項１に記載の装置。
【請求項５】
液化ポリマーを保持するための浴をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための前記機構は分配電極を含む請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記ディスペンサーは前記析出電極の長手方向軸に沿って移動するように作動する請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記析出電極は少なくとも１つの回転式マンドレルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記回転式マンドレルは円筒形マンドレルである請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記円筒形マンドレルの直径は０．１〜２０ｍｍの範囲内から選択される請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記回転式マンドレルは複雑な輪郭を持つマンドレルである請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記複雑な輪郭を持つマンドレルは鋭い構造要素を含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記析出電極は突起部、開口部、溝および格子からなる群より選択される少なくとも１つの構造要素を含む請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記補助電極は平面、円筒、円環面およびワイヤーからなる群より選択される形状の電極である請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記補助電極は前記析出電極の長手方向軸に沿って移動するように作動する請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記補助電極は前記析出電極の長手方向軸に対して４５〜９０度の範囲内の角度で傾斜する請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記補助電極は前記析出電極から５〜７０ｍｍの間隔をあけて配置される請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記補助電極は前記析出電極から１２βＲ（１−Ｖ２／Ｖ１）（式中、βは約０．７〜約０．９の範囲内の定数であり、Ｒは前記析出電極上で形成されるポリマー繊維シェルの曲率半径であり、Ｖ１は前記第１電位およびＶ２は前記第２電位である）に等しい間隔δをあけて配置される請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
不織ポリマー繊維シェル内へ液化ポリマーを形成するための方法であって：
（ａ）液化ポリマーを帯電させることにより帯電した液化ポリマーを製造するステップと、
（ｂ）前記帯電した液化ポリマーを第１電場に曝すステップと、
（ｃ）前記第１電場内の前記帯電した液化ポリマーを析出電極の方向に分配するステップであって、前記析出電極がその上にポリマー繊維シェルを生成するように設計かつ構成されているステップと、
（ｄ）前記第１電場を変更するために第２電場を設けるステップと、
（ｅ）前記析出電極を用いてその上に前記帯電した液化ポリマーを集めることにより、不織ポリマー繊維シェルを形成するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記第１電場は前記析出電極と前記析出電極に対して第１電位にある分配電極との間で定義される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ステップ（ｃ）は前記分配電極から前記帯電した液化ポリマーを分配することによって実行される請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ステップ（ｃ）中に前記析出電極の長手方向軸に沿って前記分配電極を移動させることをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記析出電極は少なくとも１つの回転式マンドレルを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記回転式マンドレルは円筒形マンドレルである請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記円筒形マンドレルの直径は０．１〜２０ｍｍの範囲内から選択される請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記回転式マンドレルは複雑な輪郭を持つマンドレルである請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記複雑な輪郭を持つマンドレルは鋭い構造要素を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記析出電極は突起部、開口部、溝および格子からなる群から選択される少なくとも１つの構造要素を含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２電場は前記析出電極に対して第２電位にある補助電極によって定義される請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記補助電極は前記第１電場における不均一性を減少させる働きをする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記補助電極は前記析出電極の上で生成される前記ポリマー繊維シェルの繊維方向性を制御する働きをする請求項１９に記載の方法。
【請求項３２】
前記補助電極は平面、円筒、円環面およびワイヤーからなる群より選択される形状の電極である請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
ステップ（ｅ）中に前記析出電極に沿って前記補助電極を移動させることをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記補助電極を前記析出電極の長手方向軸に対して４５〜９０度の範囲内の角度で傾斜させるステップをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記補助電極は前記析出電極から５〜５０ｍｍの間隔をあけて配置される請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記補助電極は前記析出電極から１２βＲ（１−Ｖ２／Ｖ１）（式中、βは約０．７〜約０．９の範囲内の定数であり、Ｒは前記析出電極上で形成されるポリマー繊維シェルの曲率半径であり、Ｖ１は前記第１電位およびＶ２は前記第２電位である）に等しい間隔δをあけて配置される請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造するための装置であって：
（ａ）ディスペンサーであって：
（ｉ）液化ポリマーを帯電させることにより帯電した液化ポリマーを設け、且つ
（ｉｉ）前記帯電した液化ポリマーを分配する
ためのディスペンサーと、
（ｂ）前記ディスペンサーに対してある電位にあり、前記析出電極と前記ディスペンサーの間で電場を生成する析出電極であって、前記電場が引き寄せた前記帯電した液化ポリマーを集めることによりその上にポリマー繊維シェルを形成し、前記析出電極は、前記電場における不均一性を低下させるよう設計される析出電極と
を備える装置。
【請求項３８】
前記ディスペンサーは前記帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための機構を備える請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
液化ポリマーを保持するための浴をさらに備える請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための前記機構は分配電極を含む請求項３８に記載の装置。
【請求項４１】
前記析出電極は導電性および非導電性物質の組み合わせから形成される請求項３７に記載の装置。
【請求項４２】
前記析出電極の表面は前記導電性および非導電性物質の所定のパターンによって形成される請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記析出電極は少なくとも２つの層から形成される請求項３７に記載の装置。
【請求項４４】
前記少なくとも２つの層は導電性層および部分的導電性層を含む請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記部分的導電性層は１種の導電性物質と少なくとも１種の誘電性物質の組み合わせから形成される請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記誘電性物質はポリアミドおよびポリテトラフルオロエチレンおよびポリアクリロニトリルからなる群より選択される請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記誘電性物質は窒化チタンである請求項４５に記載の装置。
【請求項４８】
前記部分的導電性層の厚さは０．１〜９０ミクロンの範囲内から選択される請求項４４に記載の装置。
【請求項４９】
前記析出電極の直径は０．１〜２０ｍｍの範囲内から選択される請求項３７に記載の装置。
【請求項５０】
前記析出電極は少なくとも１つの回転式マンドレルを含む請求項３７に記載の装置。
【請求項５１】
前記回転式マンドレルは円筒形マンドレルである請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
請求項１に記載の装置によって製造される管状構造。
【請求項５３】
請求項２９に記載の方法によって製造される管状構造。
【請求項５４】
請求項３７に記載の装置によって製造される管状構造。
【請求項５５】
前記補助電極は前記ディスペンサーと前記析出電極との間で発生する容積電荷を最小限に抑える働きをする請求項１に記載の装置。
【請求項５６】
前記補助電極は前記析出電極と前記分配電極との間で発生する容積電荷を最小限に抑える働きをする請求項２９に記載の方法。
【請求項５７】
前記ディスペンサーおよび前記補助電極は前記析出電極の長手方向軸に沿って同期的に移動するように作動する請求項１に記載の装置。
【請求項５８】
前記分配電極および前記補助電極の両方を前記析出電極に沿って同期的に移動させるステップをさらに含む請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野および背景
本発明は、電界紡糸法（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ）によりポリマー繊維シェルを製造する方法および装置に関する。
【０００２】
管状生成物のようなポリマー繊維シェルは、食道グラフト、血管グラフト、ステント被膜等を含む様々な用途のために医療産業において使用されている。
【０００３】
医療用に適したポリマー繊維シェルを製造するための、例えば様々な射出成形法、マンドレルを使用する押出成形法もしくは成形法および様々な製織法を含む多数の方法は当該分野において既知である。
【０００４】
血管グラフトとして使用するのに好適なポリマー繊維シェルの製造は特に困難である。それはこのようなグラフトが弾性かつ生体適合性がありながら同時に高くかつ拍動性の血圧に抵抗しなければならないからである。
【０００５】
当該分野で既知の血管グラフトは、一般に組織増殖および細胞内皮形成を許容し、したがってグラフトの長期的な移植および開通性に寄与する微孔性構造を有している。
【０００６】
血管グラフトでは、組織内方増殖および細胞内皮形成は典型的にはグラフトが示す多孔性が増加するにつれて増強される。しかしながら血管グラフトの多孔性が上昇すると、グラフトの機械的強度および引張強さに相当に大きな低下が生じ、さらにその結果として機能性の低下が発生する。
【０００７】
電界紡糸法は、例えば創傷被覆材類、人工補装具、血管グラフトのような医療用並びに例えば電解槽ダイヤフラム、電池セパレーター、および燃料電池構成要素のような工業用の様々な生成物を作成するために使用されてきた。シェルの外観を有する生成物を電界紡糸法によって製造することは既に提案されている。例えば、米国特許第４，３２３，５２５号は、繊維形成材料を静電的に回転させ、結果として生じたスパン繊維を回転しているマンドレル上に集めることによって管状生成物を作成する方法を開示している。米国特許第４，５５２，７０７号は、最終生成物の繊維方向の「異方性の度合」を制御する回転速度可変式マンドレルを開示している。その他の管状生成物等の例は、例えば米国特許第４，０４３，３３１号、第４，１２７，７０６号、第４，１４３，１９６号、第４，２２３，１０１号、第４，２３０，６５０号および第４，３４５，４１４号の中で開示されている。
【０００８】
電界紡糸法の工程は、適切な蒸発のもとで不織布繊維構造を生み出す液体の細い流れまたはジェットを作り出す。液体の細い流れは、電気力を使用する空間を通して少量の液化ポリマー（溶媒に溶解させたポリマー（ポリマー溶液）または溶融ポリマーのどちらか）を引き寄せることによって生成される。生成した繊維は、管状構造を形成するためにマンドレルのような適切に配置された沈降装置上に集められる。通常では室温において固体である溶融ポリマーの場合、硬化方法は単純な冷却であってよいが、例えば化学硬化または溶媒蒸発のような他の方法を使用することもできる。
【０００９】
電界紡糸法では、強磁界線密度を備える電場（即ち、単位容積当たりの大きさが大きい）は沈降装置の近傍でコロナ放電を生じさせる可能性があるので、その結果として繊維が沈降装置によって集められるのを妨害する。電場の磁界線密度は、特に沈降装置の幾何学的形状によって決まる；特に、沈降装置上の鋭い縁部はコロナ放電の作用を増加させる。
【００１０】
さらに、マンドレルの近傍では電場の最大強度ベクトルに沿った双極子回転作用が発生するために、少なくとも小さな曲率半径を備える部分を有する生成物は繊維によって同軸的に被覆される。このような構造的繊維形成は、血管グラフトの場合には血流が惹起する圧力に抵抗するために必要であるスパン生成物の半径方向引張強さを相当大きく減少させる。
【００１１】
血管グラフトを生成するための電界紡糸法に基づく様々な製造方法は先行技術から知られている。例えば米国特許第４，０４４，４０４号、第４，３２３，５２５号、第４，７３８，７４０号、第４，７４３，２５２号および第５，５７５，８１８号を参照されたい。しかし、このような方法には上記の固有の制限のような難点があり、輪郭が複雑な繊維シェルを形成する場合には使用が限定される。
【００１２】
したがって、電界紡糸は径の大きなシェルを作成するためには効率的に使用できるが、電界紡糸工程の性質は例えば血管グラフトのような複雑な輪郭および／または小さな径を有する生成物を効率的に作成するためには不都合である。特に多孔性および半径方向強さは矛盾するので、両方の特徴を備えた血管グラフトを製造するために先行技術の電界紡糸法を効率的に使用することはできない。
【００１３】
そこで上記の制限を有しない電界紡糸法によりポリマー繊維シェルを製造する方法および装置に対する広く認識される要求があり、かかる方法及び装置が得られれば高度に有益であろう。
【００１４】
発明の開示
本発明の１つの態様に従うと、液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造するための装置が提供され、該装置は、（ａ）ポリマー繊維シェルを生成するための析出電極と、（ｂ）析出電極に対して第１電位にあり、析出電極とディスペンサーの間で電場を生成するディスペンサーであって、（ｉ）液化ポリマーを帯電させることによって帯電した液化ポリマーを設け、且つ（ｉｉ）帯電した液化ポリマーを析出電極の方向に分配するためのディスペンサーと、（ｃ）析出電極に対して第２電位にある補助電極であって、析出電極とディスペンサーの間の電場を変更するための補助電極とを備える。
【００１５】
本発明の別の態様に従うと、不織ポリマー繊維シェル内へ液化ポリマーを形成するための方法が提供され、該方法は、（ａ）液化ポリマーを帯電させることにより帯電した液化ポリマーを製造するステップと、（ｂ）帯電した液化ポリマーを第１電場に曝すステップと、（ｃ）第１電場内の帯電した液化ポリマーを析出電極の方向に分配するステップであって、析出電極がその上にポリマー繊維シェルを生成するように設計かつ構成されているステップと、（ｄ）第１電場を変更するために第２電場を設けるステップと、（ｅ）析出電極を用いてその上に帯電した液化ポリマーを集めることにより、不織ポリマー繊維シェルを形成するステップとを含む。
【００１６】
以下で説明する本発明の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、第１電場は析出電極と、析出電極に対して第１電位にある分配電極との間で定義される。
【００１７】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、ステップ（ｃ）は分配電極から帯電した液化ポリマーを分配することによって実行される。
【００１８】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、第２電場は析出電極に対して第２電位にある補助電極によって定義される。
【００１９】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は第１電場における不均一性を減少させる働きをする。
【００２０】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は析出電極の上で生成されるポリマー繊維シェルの繊維方向性を制御する働きをする。
【００２１】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極はディスペンサーと析出電極との間で発生する容積電荷を最小限に抑える働きをする。
【００２２】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、本方法は、ステップ（ｅ）中に析出電極に沿って補助電極を移動させることをさらに含む。
【００２３】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、本方法は、ステップ（ｃ）中に析出電極に沿って分配電極を移動させることをさらに含む。
【００２４】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、本方法は、析出電極に沿った分配電極および補助電極の移動を同期化させるステップをさらに含む。
【００２５】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、ディスペンサーは帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための機構を備える。
【００２６】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、本装置は液化ポリマーを保持するための浴をさらに備える。
【００２７】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、帯電した液化ポリマーのジェットを形成するための機構は分配電極を含む。
【００２８】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、ディスペンサーは析出電極の全長に沿って移動するように作動する。
【００２９】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、析出電極は少なくとも１つの回転式マンドレルを含む。
【００３０】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、回転式マンドレルは円筒形マンドレルである。
【００３１】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、回転式マンドレルは複雑な輪郭を持つマンドレルである。
【００３２】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、複雑な輪郭を持つマンドレルは鋭い構造要素を含む。
【００３３】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、円筒形マンドレルの直径は０．１〜２０ｍｍの範囲内から選択される。
【００３４】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、析出電極は突起部、開口部、溝および格子からなる群より選択される少なくとも１つの構造要素を含む。
【００３５】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は平面、円筒、円環面およびワイヤーからなる群より選択される形状の電極である。
【００３６】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は析出電極の全長に沿って移動するように作動する。
【００３７】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は析出電極の長手方向軸に対して４５〜９０度の範囲内の角度で傾斜している。
【００３８】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は析出電極から５〜７０ｍｍの間隔をあけて配置されている。
【００３９】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、補助電極は析出電極から１２βＲ（１−Ｖ２／Ｖ１）（式中、βは約０．７〜約０．９の範囲内の定数であり、Ｒは析出電極上で形成されるポリマー繊維シェルの曲率半径であり、Ｖ１は第１電位およびＶ２は第２電位である）に等しい間隔δをあけて配置されている。
【００４０】
本発明のさらに別の態様に従うと、液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造するための装置が提供され、該装置は、（ａ）（ｉ）液化ポリマーを帯電させることにより帯電した液化ポリマーを設け、且つ（ｉｉ）帯電した液化ポリマーを分配するためのディスペンサーと、（ｂ）ディスペンサーに対してある電位にあり、析出電極とディスペンサーの間で電場を生成する析出電極とを備え、該析出電極は、電場が引き寄せた帯電した液化ポリマーを集めることによりその上にポリマー繊維シェルを形成し、該析出電極は、電場における不均一性を低下させるよう設計される。
【００４１】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、析出電極は導電性および非導電性物質の組合わせから形成される。
【００４２】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、析出電極の表面は導電性および非導電性物質の所定のパターンによって形成される。
【００４３】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、析出電極は少なくとも２つの層からなる。
【００４４】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、少なくとも２つの層は導電性層および部分的導電性層を含む。
【００４５】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、部分的導電性層は１種の導電性物質と少なくとも１種の誘電性物質との組み合わせからなる。
【００４６】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、誘電性物質はポリアミドおよびポリアクリロニトリルおよびポリテトラフルオロエチレンからなる群より選択される。
【００４７】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、誘電性物質は窒化チタンである。
【００４８】
以下の好ましい実施形態におけるさらに別の特徴に従うと、部分的導電性層の厚さは０．１〜９０ミクロンの範囲内から選択される。
【００４９】
本発明は、血管グラフトに使用できる不織ポリマー繊維シェルを製造可能な電界紡糸装置および方法を提供することにより、現在知られている構成物の欠点を効果的に解決する。
【００５０】
図面の簡単な説明
例示する目的でのみ添付の図面を参照しながら本発明を説明する。ここで特に図面を詳細に参照するにあたって、細目は例示する目的および本発明の好ましい実施形態を具体的に考察する目的でのみ図示されており、本発明の原理および概念上の態様の最も有用で容易に理解できると考えられる説明を提供するために提示されていることは強調されるべきである。この点で、本発明を基本的に理解するために必要な以上に詳細に示そうとはしていないが、図面と一緒に説明を読めば当業者には本発明の数種の形態を実際に具体化する方法は明白であろう。
図１は、先行技術の電界紡糸装置の略図である。
図２は、本発明の教示に従った補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
図３は、本発明の教示に従った平面補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
図４は、本発明の教示に従った円筒形補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
図５は、本発明の教示に従った線形補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
図６は、本発明の教示に従った複合補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
図７は、従来型電界紡糸法を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
図８は、本発明の教示に従った、マンドレルから２０ｍｍあけて配置された扁平な補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
図９は、本発明の教示に従った、マンドレルから９ｍｍあけて配置された扁平な補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
図１０は、本発明の教示に従った線状補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した極指向性物質の電子顕微鏡画像である。
【００５１】
発明を実施するための最良の形態
本発明は、電界紡糸法を使用してポリマー繊維シェルを製造するための方法および装置である。詳細には、本発明は電界紡糸法によって小さい径から大きい径までの輪郭が複雑な生成物および血管グラフトを製造するために使用できる。
【００５２】
図２〜１０の図面に例示した本発明をより明確に理解するために、まず最初に図１に示した従来型（即ち、先行技術）電界紡糸装置の構造および作動を参照されたい。
【００５３】
図１は、本明細書においては装置１０と称する従来型電界紡糸装置を使用して管状構造を製造するための装置を示している。
【００５４】
装置１０には、例えばキャピラリー孔１４を備えた浴であってよいディスペンサー１２が含まれている。ディスペンサー１２は、紡糸されるポリマーを液状形態で貯蔵するために役立つ。ディスペンサー１２は、析出電極１６から所定の間隔をあけて配置されている。
【００５５】
析出電極１６は、その上に管状構造を生成するために役立つ。析出電極１６は、典型的にはマンドレルまたはいずれかその他の円筒形構造の形状で製造される。析出電極１６は、ポリマーで被覆されると管状構造が形成されるような機構によって回転させられる。
【００５６】
ディスペンサー１２は、典型的にはアースされ、析出電極１６は好ましくは陰極の高電圧源へ接続されるので、したがってディスペンサー１２と析出電極１６との間で電場が形成される。あるいはまた、析出電極１６をアースして、ディスペンサー１２が好ましくは陽極を備える高電圧源へ接続されてもよい。
【００５７】
管状構造を生成するために、液化ポリマー（例、溶融ポリマーまたは溶解ポリマー）はディスペンサー１２のキャピラリー孔１４を通して例えば静水圧の作用下で押し出される。押し出された液化ポリマーからメニスカスが形成されるとすぐに、溶媒蒸発または冷却の工程が開始され、これに半剛性エンベロープまたは外皮を備える被膜の作成が続く。ディスペンサー１２と析出電極１６との間の電位差によって、ときにはディスペンサー１２の領域における単極コロナ放電が付随する電場が発生する。液化ポリマーは一定の導電率を有しているので、上記の被膜は帯電する。被膜内の電気反発力は静水圧の劇的な増加をもたらす。半剛性エンベロープは伸張させられ、各エンベロープの表面上では多数の点状微小破裂が形成され、これはディスペンサー１２からの液化ポリマーの極微細ジェットの噴霧を生じさせる。
【００５８】
電荷はジェットに沿って分布する傾向があるので、これによりジェットの内側の電場の非ゼロコンポーネントの存在は防止される。そこで伝導電流はジェットに沿って流れ、これは液化ポリマー表面上の（相違する符号をもつ）自由電荷の蓄積を生じさせる。
【００５９】
クーロン（Ｃｏｕｌｏｍｂ）力の作用下では、ジェットはディスペンサー１２から離れて反対極性の電極、即ち析出電極１６に向かって移動する。電極間間隙を高速で移動すると、ジェットが冷却し、またはその中の溶媒が蒸発し、したがって繊維が形成され、これらの繊維は析出電極１６の表面上に集められる。電極１６は回転するので、帯電繊維は管状形を形成する。
【００６０】
少なくとも部分的に小さな曲率半径を備えるマンドレルを使用すると、電場最高強度ベクトルの方向は析出電極１６が繊維によって同軸的に被覆される方向になる。したがって径の小さい生成物は、上記のような現行電界紡糸法によって製造した場合には半径方向強さが限定される。
【００６１】
鋭い端部および／または様々な形状およびサイズの凹所を備えたマンドレルを使用すると、析出電極１６の近傍における電場の大きさは空気耐電圧（約３０ｋＶ／ｃｍ）を超え、さらに析出電極１６の領域ではコロナ放電が発生する可能性が生じる。コロナ放電の作用は下記で説明するように工程の被覆効率を低下させ、さらに繊維が析出電極１６上に集められることを全く不可能にすることさえある。
【００６２】
コロナ放電が開始すると、帯電繊維に対して反対の電荷符号を有する相当に多量の空気イオンの生成が付随する。電気力はその上で作用する電荷の極性に向かって方向付けられるので、これらのイオンは繊維移動の反対方向へ、即ち析出電極１６からディスペンサー１２に向かって移動し始める。その結果として、これらのイオンの一部分は電極間空隙内に不均一に分布する容積電荷（イオン雲）を生成し、それによって析出電極１６上より容積電荷上に部分的に近い電界線を惹起する。さらにその上、電極間空隙内の反対側の容積電荷の存在は繊維上の電気力を低下させ、したがって電極間空隙内に蓄積して重力下で徐々に沈積する大量の繊維を生じさせる。このような作用が繊維被覆工程の効率を低下させることは理解されるであろう。
【００６３】
析出電極１６として無限長さ／半径の円筒を使用すると上記の作用は小さくなる。しかし、この作用は、半径が小さいまたは輪郭が複雑な構造を製造するために小さな半径または複雑なマンドレルを使用した場合には重度で極端になる。
【００６４】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の適用は下記の説明で述べる、または図面で示された構造の詳細および構成要素の配置に限定されないということが理解されなければならない。本発明は他の実施形態で行うことができ、または様々な方法で実行または実施することができる。同様に、ここで使用した語法および用語は説明を目的としており、限定的なものと見なしてはならない。
【００６５】
本発明を実践へ移す際に、電界紡糸装置内に第３電極を使用するとディスペンサーと析出電極との間で生成する電場を制御することが可能になることが明らかになった。詳細には、第３電極は実質的に電場内の不均一性を低下させることができる、または蒸着後の繊維方向性の制御を提供する。
【００６６】
したがって、本発明に従うと液化ポリマーからポリマー繊維シェルを製造する装置が提供される。この装置をここでは装置２０と称する。
【００６７】
図２に示したように、装置２０はその上でポリマー繊維シェルを生成するために役立つ析出電極２２を含む。析出電極２２は、例えば均一なマンドレル、または例えば突起部、開口部および溝を含むがそれらに限定されない幾つかの構造要素を含む変化する半径を持つマンドレルであってよい。析出電極２２の表面にはさらに格子が含まれてよい。マンドレルの直径は、その上で紡糸されるポリマー繊維シェルの径に依存して約０．１ｍｍ〜約２０ｍｍまでの範囲内で変化してよい。
【００６８】
装置２０にはさらに、析出電極２２に対して第１電位にあるディスペンサー２４が含まれている。このような電位は、ディスペンサー２４をアースし、さらに陰極を備える高電圧源を析出電極２２へ接続することによって発生させることができる。
【００６９】
あるいはまた、析出電極２２をアースし、陽極を備える高電圧源へディスペンサー２４を接続することもできる。どちらの場合においても、ディスペンサー２４と析出電極２２との間の電位差に対する絶対値は約１０ｋＶ〜約１００ｋＶの範囲内であってよい。
【００７０】
ディスペンサー２４と析出電極２２との間の電位差は、それらの間で電場が維持されることを保証するが、その電場は上記のような電界紡糸工程のために重要である。
【００７１】
ディスペンサー２４は、液化ポリマーを帯電させ、それによって帯電した液化ポリマーを提供し、析出電極２２の方向へ帯電した液化ポリマーを分配するために役立つ。ディスペンサー２４は、さらにまたそれを析出電極２２の長手軸に沿って移動させるための機構を含んでよく、それによって析出電極２２の長手軸に沿った様々な点での帯電した液化ポリマーの分配が可能になる。
【００７２】
帯電した液化ポリマーは、例えばポリウレタン、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリビニル、ポリビニルエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリＬ−乳酸、ポリラクチド−ＣＤ−グリコシド、ポリカプロラクトン、ポリリン酸エステル、ポリグリコール酸、ポリＤＬ−乳酸、および一部のコポリマー類であってよい。ＤＮＡのような生体分子、生糸、キトサン、セルロースもまた使用できる。ポリマーの帯電の改良が必要になることもある。帯電の改良は、本発明に従うと、液化ポリマーを電荷制御剤（例えば、両性添加剤）と一緒に混合して例えば明らかに電場の影響下で形成されたイオン化空気分子とより良好に相互作用するポリマー−両性添加剤複合体を形成することによって実行される。非限定的な方法においては、新しく形成された繊維に起因する追加電荷が析出電極上でのそれらのより均質な沈降の原因となると推定されるが、このとき繊維は電荷を５〜１０分間は維持している先に沈降した繊維が最も不十分に示した局所位置である極大へより多く引きつけられる。電荷制御剤は、典型的には１リットル範囲あたりのグラム当量で、使用されるポリマーおよび電荷制御剤の各分子量に依存して、およそ約０．００１Ｎ〜約０．１Ｎの範囲内で添加される。
【００７３】
米国特許第５，７２６，１０７号、第５，５５４，７２２号、および第５，５５８，８０９号は、析出電極の使用を避けて溶融紡糸およびその他の工程を使用する、永久的電荷を特徴とするエレクトレット繊維の製造における重縮合工程と組み合わせた電荷制御剤の使用を教示している。電荷制御剤は、それが溶融したまたは部分的に溶融した繊維内に組み込まれるように添加され、その中で組み込まれたままとなって約数ヵ月間のような長期間に渡って消散しない静電電荷を備える繊維を提供する。
【００７４】
本発明の好ましい実施形態では、電荷制御剤は一過性に繊維の外面に結合し、このため電荷はその後まもなく（数分間以内に）消散する。これは電荷制御剤とポリマーとの間の化学的相互作用が欠如しており、さらに使用された電荷制御剤の濃度が低いために重縮合が全く行われないためである。このため結果として生じるシェルは実質的に電荷を有していない。
【００７５】
適切な電荷制御剤には、例えばビスカチオン性アミド、フェノールおよびウリル（ｕｒｙｌ）スルフィド誘導体類、金属錯化合物、トリフェニルメタン、ジメチルミダゾールおよびエトキシトリメチルシランを含む−Ｃ＝Ｃ−、＝Ｃ−ＳＨ−または−ＣＯ−ＮＨ−基のようなポリマー分子に結合できる単環基および多環基が含まれるが、それらに限定されない。
【００７６】
典型的には、帯電した液化ポリマーは電場が作り出した電気力下で高速で移動する液体ジェットとして分配される。したがって、ディスペンサー２４は典型的には液化ポリマーを保持する浴およびジェットを形成する機構を含むが、この機構は例えば分配電極であってよい。
【００７７】
装置２０は、さらに析出電極２２に対して第２電位にある少なくとも１つの補助電極２６を含む。補助電極２６は、析出電極２２とディスペンサー２４との間の電場の方向および大きさを制御するために役立ち、さらに補助電極２６は析出電極２２上に置かれたポリマー繊維方向性を制御するために使用できる。一部の実施形態では、補助電極２６は補助的スクリーニング電極として機能する。概して、スクリーニングの使用は被覆沈降係数の低下を生じさせるが、これは少なくとも曲率半径の小さい部分を有するマンドレル上では特に重要である。
【００７８】
補助電極２６のサイズ、形状、位置および数は、析出電極２２の領域におけるコロナ放電の作用を最小限に抑えながら、および／または蒸着後の制御された繊維方向性を提供できるように、被覆沈降係数を最大化できるように選択される。
【００７９】
本発明の１つの好ましい実施形態に従うと、補助電極２６は析出電極２２から５〜７０ｍｍあけて配置される。
【００８０】
好ましくは、このような距離は次の式にしたがって選択する：
δ＝１２βＲ（１−Ｖ２／Ｖ１）  （方程式１）
式中、βは繊維電荷計算係数と呼ばれる約０．７〜約０．９の範囲内の無次元定数であり、Ｒは析出電極２２の曲率半径であり、Ｖ１はディスペンサー２４と析出電極２２との間の電位差であり、Ｖ２は補助電極２６と析出電極２２との間の電位差である。
【００８１】
補助電極２６は、析出電極２２の長手軸に沿ってそれを移動させるための機構を含んでよい。このような機構は、繊維方向性の制御を強化する必要がある場合に使用できる。
【００８２】
ディスペンサー２４および補助電極２６のどちらもこのような長手方向移動を行える装置では、そのような移動は独立的であっても同期化されてもどちらでもよいことは理解されるであろう。
【００８３】
補助電極２６はさらに、析出電極２２の長手軸に対して４５〜９０度の角度で傾斜していてもよい。このような傾斜を使用すると蒸着後の繊維の方向性の制御を提供でき、したがって製造されるシェルの半径方向強さを制御することができ、特に大きな角度がより大きな半径方向強さを生じさせる。
【００８４】
位置に加えて、電極２６の形状およびサイズはさらに装置２０によって形成されるシェルの質を決定する可能性がある。したがって、電極２６は各々が特定の目的に役立つ様々な形状で加工されてよい。本発明の装置２０と一緒に使用できる電極形状には、平面、円筒形、円環面、棒状、ナイフ状、アーク状または環状が含まれるが、それらに限定されない。
【００８５】
円筒形（図４）または扁平形（図３）の補助電極２６を含む装置２０を使用すると、少なくとも部分的に小さな曲率半径を備えた輪郭が複雑な生成物を製造することができるが、その半径は０．０２５ｍｍ〜５ｍｍの範囲内であることができる。図８〜９から明らかなように（さらに実施例の項においても記載されているように）、このような構造の被覆は、図７（さらに実施例の項においても記載されている）に示したような現行の電界紡糸法によって製造される曲率半径の小さい生成物について典型的である軸方向被覆とは対照的に、ランダム方向性（図８）または均一極指向性（図９）を特徴とする。
【００８６】
好ましくは、上記の場合と同様に曲率半径の大きい表面を補助電極２６として使用する場合は、補助電極２６と析出電極２２との間の間隔はδ／ｘと定めることができ、式中、ｘは１．８〜２の範囲内の係数であり、δは上記の方程式１によって定義された通りである。
【００８７】
したがって、電極２６の位置および／または形状が形成されるポリマー繊維シェルにおける繊維方向性を決定する。
【００８８】
繊維方向性を制御する能力は、高度の半径方向強さおよび弾性が重要である血管グラフトを製造する際には重要である。極指向性構造は概して湿潤紡糸法によって得ることができるが、湿潤紡糸法では繊維の厚さは電界紡糸法によって使用されるものより少なくとも１桁大きくなることは理解されるであろう。
【００８９】
繊維方向性の制御は、数種の相違する繊維材料の連続的蒸着によって製造される複合ポリマー繊維シェルを製造する際にも有益である。
【００９０】
ここで図５を参照すると、線状（例、棒状、ナイフ状、アーク状または環状）補助電極２６を利用する装置２０が例示されている。
【００９１】
線状形の補助電極２６の作用は、析出電極２２に隣接する領域における電場にそれが導入する歪みに基づいている。最大作用を得るためには、補助電極２６の直径は析出電極２２の直径より相当に小さくなければならないが、それでも重大なコロナ放電の発生を回避するために十分に大きくなければならない。線状補助電極２６を利用する装置２０によって発生する繊維被覆は、下記の実施例の項で詳細に説明する図１０に例示されている。
【００９２】
したがって本発明は、電場が実質的制御下に置かれ、それによってランダムまたは所定の繊維方向性を提供する電界紡糸装置を提供する。
【００９３】
現在は少なくとも１つの補助電極を使用するのが好ましいが、電場不均一性は複合析出電極を提供することによって少なくとも部分的に克服することができる。
【００９４】
図６に示したように、ディスペンサー３２を具備する装置３０の析出電極３４は電場における不均一性を軽減できるように設計かつ構成することができる。
【００９５】
電場不均一性を克服するために、析出電極３４は、導電性物質から作られた内層３６および高誘電特性を具備する物質から作られた外層３８の少なくとも２層の物質から作成できる。このような製作設計はコロナ放電閾値の相当に大きな増加を生じさせるため、析出電極３４からのコロナ放電を相当大きく低下させる。
【００９６】
析出電極３４の外層３８と一緒に使用するために適した材料は、例えば窒化チタン、酸化アルミニウム等のようなセラミック材料、または例えばポリアミド、ポリアクリロニトリル、ポリテトラフルオロエチレン等のポリマー材料であってよい。外層３８の厚さは、それが作られる物質の誘電特性に依存し、例えば窒化チタン層の場合の１ミクロン未満から例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリアミドまたはポリアクリロニトリルの場合の数十ミクロンまで様々であってよい。コロナ放電を減少させることに加えて、この析出電極の構成は形成された構造をそれからより容易に取り外すことを可能にする。この構成に従うと、析出電極３４の外層３８はさらにまたマンドレルからの最終生成物の取り外しを容易にするように構成することができる。
【００９７】
本発明のその他の目的、利点および新規の特徴は、限定することは意図されていない下記の実施例を調査すれば当業者には明白になるであろう。さらに、上記で描出し、特許請求の範囲で主張した本発明の様々な実施形態および態様の各々は下記の実施例において実験的に裏付けられている。
【００９８】
実施例
ここで上記の説明と一緒に非限定的方法で本発明を例示している下記の実施例を参照されたい。
【００９９】
電界紡糸材料
ポリカーボネート樹脂等級キャリパー（Ｃａｌｉｐｅｒ）２０７１はダウ・ケミカル（Ｄａｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．）社から購入した。このポリマーは優れた繊維形成能力を有することを特徴としており、電界紡糸のために好都合である。下記で説明する実施例全部において溶媒としてクロロホルムを使用した。
【０１００】
実施例１
従来型電界紡糸法を使用した軸方向被覆
ここで図７を参照すると、従来型電界紡糸による細いマンドレルの非ランダム被覆の実施例が示されている。径３ｍｍの円筒形マンドレルが先行技術電界紡糸アプローチを使用してポリカーボネート繊維によって被覆された。図７は、軸方向の繊維方向性が極めて明白である最終生成物の電子顕微鏡画像である。電場における非不均一性のために、まだ電極間間隙において移動している繊維は電場構成に一致して方向付けられており、得られた管状構造は繊維の軸方向性を示し、したがって半径方向強さとは反対の軸方向強さを特徴とする。
【０１０１】
実施例２
扁平な補助電極を使用したランダム被覆
マンドレルから２０ｍｍ離して配置されたマンドレルと同一電位を有する扁平な補助電極２０が組み込まれている、本発明の教示にしたがって構築されて作動する装置を使用して、半径３ｍｍのポリカーボネート管状構造に紡糸加工した。図８から明らかなように、補助電極の存在は繊維方向性をランダム化する。
【０１０２】
実施例３
偏平な補助電極を使用した極指向性被覆
マンドレルから９ｍｍ離して配置されたマンドレルと５ｋＶの電位差にある偏平な補助電極が組み込まれている、本発明の教示にしたがって構築されて作動する装置を使用して、半径３ｍｍのポリカーボネート管状構造に紡糸加工した。
【０１０３】
図９から明らかなように、電極−マンドレル間隔の均等化の低下は極指向性被覆を生じさせる。したがって、補助電極とマンドレルとの間で非ゼロ電位差を生じさせながらそれらを相当に短い間隔で維持することによって、繊維電荷消失が緩徐化され、またはゼロに抑えられ、その結果として電極間空隙にはマンドレル対称軸に垂直に方向付けられた伸張位置で静的に保持される繊維が集まる。いったん伸張させられると、繊維は回転しているマンドレルの周囲に徐々に巻き付けられ、極指向性構造が発生する。
【０１０４】
実施例４
線状補助電極を使用した規定方向性被覆
図１０は規定方向性構造の繊維被覆を得るために使用できる装置構成から得られた結果を示している。
【０１０５】
どちらも相反同期運動でマンドレルの長手軸に沿って移動する楕円形補助電極およびディスペンサーを含む装置を使用して、ポリカーボネート繊維を用いて３ｍｍ円筒形マンドレルを被覆した。補助電極は１２０ｍｍの長径、１１７．６ｍｍの短径および１．２ｍｍの厚さを有していた。この補助電極はマンドレルから１５ｍｍ離して配置し、マンドレル対称軸に対して８０°傾斜させた。
【０１０６】
明確にするために別個の状況で説明されている本発明の一定の特徴から、単一実施形態を組み合わせて提供できることは理解される。これとは逆に、簡潔に説明するために単一実施形態の状況で説明された本発明の様々な特徴を個別に、またはいずれか適切な小組み合わせで提供することもできる。
【０１０７】
これまで本発明を特定の実施形態と結び付けて説明してきたが、当業者には多くの代替、変更および変形が明白であろう。したがって、添付のクレームの精神および幅広い範囲に含まれるこのような代替、変更および変形をすべて含むことが意図されている。本明細書で言及したすべての出版物、特許および特許出願は、各個別の出版物、特許および特許出願がここに援用されるべく詳細かつ個別に指示されたのと同程度に、その全体を本明細書に援用する。さらに、本出願でのあらゆる参考文献引用または識別はこのような参考文献が本発明の先行技術として利用できるという承認であると解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】先行技術の電界紡糸装置の略図である。
【図２】本発明の教示に従った補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
【図３】本発明の教示に従った平面補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
【図４】本発明の教示に従った円筒形補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
【図５】本発明の教示に従った線形補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
【図６】本発明の教示に従った複合補助電極を含む電界紡糸装置の略図である。
【図７】従来型電界紡糸法を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
【図８】本発明の教示に従った、マンドレルから２０ｍｍあけて配置された扁平な補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
【図９】本発明の教示に従った、マンドレルから９ｍｍあけて配置された扁平な補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した物質の電子顕微鏡画像である。
【図１０】本発明の教示に従った線状補助電極を組み込んでいる装置を使用して紡糸した極指向性物質の電子顕微鏡画像である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005507464.tif 000050
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005507464.tif 000051
2005507464.tif 000052
【国際調査報告】
2005507464.tif 000053
2005507464.tif 000054
2005507464.tif 000055