(57)【要約】【課題】マイクロメートルオーダー以上の直径を有する刺激応答性ファイバを提供する。【解決手段】刺激応答性ファイバが、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が、架橋されてなるハイドロゲルを含み、直径が１０〜２０００μｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が、架橋されてなるハイドロゲルを含み、直径が１０〜２０００μｍである、刺激応答性ファイバ。
【請求項２】
前記刺激応答性高分子が、ポリ−Ｎ−アルキル置換（メタ）アクリルアミド、及びその誘導体の少なくとも１つを含み、前記アルキルが、炭素数１〜３の直鎖、分枝又は環状アルキルである、請求項１に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項３】
前記架橋性官能基を有する多糖が、アルギン酸、ペクチン酸、ヒアルロン酸、及びこれらの塩、並びにこれらの組合せの少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項４】
前記混合物が架橋剤によって架橋し、前記架橋剤が２価の金属イオンを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項５】
前記架橋性官能基を有する多糖の質量の、前記刺激応答性高分子の質量に対する比の値が、０．０５〜５である、請求項１から４のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項６】
多層構造を有し、当該多層構造に含まれる一層が、前記ハイドロゲルと異なる刺激応答性を有するゲルを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項７】
中空状である、請求項１から５のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項８】
前記刺激応答性が、温度及び／又はｐＨの変化によって可逆的に体積が変化することを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項９】
収縮異方性を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の刺激応答性ファイバ。
【請求項１０】
ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物を調製し、
前記混合物を、架橋剤を含む溶液中に押し出すことを含む、刺激応答性ファイバの製造方法。
【請求項１１】
前記架橋剤を含む溶液を、前記混合物を押し出す方向に沿って流動させながら、前記混合物を押し出すことを含む、請求項１０に記載の刺激応答性ファイバの製造方法。
【請求項１２】
前記架橋剤を含む溶液の流速を、前記混合物の流速と異ならせることを含む、請求項１１に記載の刺激応答性ファイバの製造方法。
【請求項１３】
ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が押し出される押出ノズルと、
架橋剤を含む溶液を収容し、前記押し出された混合物を受容する溶液槽とを備えた、刺激応答性ファイバの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刺激応答性ファイバ、刺激応答性ファイバの製造方法、及び刺激応答性ファイバの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度変化、ｐＨ変化を含む化学的及び／又は物理的な刺激に対して、特性が変化する刺激応答性ハイドロゲルが知られている。このような材料は、医療、マイクロマシンニング等の技術分野での応用が期待されている。
【０００３】
刺激応答性ハイドロゲルは、マイクロ流路等を利用して粒子状に成形できることが知られている（例えば、非特許文献１）。また、エレクトロスピニングによってナノオーダーのファイバを紡糸し、マット状に加工したものも知られている（例えば、非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｔｏｓｈｉｍｉｔｓｕ  Ｋａｎａｉ，ｅｔ  ａｌ．，Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｊｏｕｒｎａｌ，４３（２０１１），９８７−９９０
【非特許文献２】Ｓｈａｏｈｕａ  Ｊｉａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１５，２７，４８６５−４８７０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、特に再生医療の分野等で、マイクロメートルオーダーの直径を有するファイバ状の刺激応答性ハイドロゲルへの需要が高まっている。
【０００６】
しかしながら、刺激応答性ハイドロゲルはゲル化速度が遅く、非特許文献１に記載されているマイクロ流路を用いてファイバ状に加工することは難しかった。また、非特許文献２に記載されているエレクトロスピニングでは、マイクロメートルオーダー以上の直径を有するファイバを製造することが困難である。
【０００７】
上記の点に鑑みて、本発明の一形態においては、マイクロメートルオーダー以上の直径を有する刺激応答性ファイバを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一形態による刺激応答性ファイバは、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が、架橋されてなるハイドロゲルを含み、直径が１０〜２０００μｍである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一形態によれば、マイクロメートルオーダー以上の直径を有する刺激応答性ファイバが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの概念を説明するためのモデル図である。
【図２】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの微視的な構造を説明するための部分拡大図である。
【図３】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの製造装置の概略図である。
【図４】本発明の一形態で用いられる押出ノズルを示す概略図である。
【図５】本発明の一形態で用いられる押出ノズルを示す概略図である。
【図６】本発明の一形態で用いられる押出ノズルを示す概略図である。
【図７】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの刺激に対する挙動を示すモデル図である。
【図８】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの刺激に対する挙動を示すモデル図である。
【図９】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの温度変化に対する挙動を示す図である。
【図１０】本発明の一形態による刺激応答性ファイバのｐＨ変化に対する挙動を示す図である。
【図１１】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの温度変化に対する可逆的な挙動を示す図である。
【図１２】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの温度変化に対する可逆的な挙動を示す図である。
【図１３】本発明の一形態による刺激応答性ファイバの温度変化に対する可逆的な挙動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を詳説する。
【００１２】
＜刺激応答性ファイバ＞
本形態は、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が、架橋されてなるハイドロゲルを含み、直径が１０〜２０００μｍである、刺激応答性ファイバである。
【００１３】
本明細書において、刺激応答とは、化学的及び／又は物理的な刺激に対して、化学的及び／又は物理的な変化が可逆的に生じることを指し、刺激応答性ファイバとはそのような性質を備えたファイバを指す。刺激応答性ファイバが受ける化学的及び／又は物理的な刺激は、例えば、温度の変化、ｐＨの変化、周囲の電界又は磁界の変化、特定の化合物の添加、力の付与等による化学的、電気的、又は物理的な環境の変化等を含む。また、刺激応答性ファイバに生じる化学的及び／又は物理的な変化は、例えば、体積、形状、構造等の特性の変化を含み、さらに、このような変化による吸水性、導電性、水溶性、耐溶剤性等の特性の変化を含む。
【００１４】
上記の刺激応答のうち、図１に示すように、温度変化及び／又はｐＨの変化に対して収縮と膨張（膨潤）とを繰り返し、体積を変化させることができる性質を有していると、医療、マイクロマシンニングを含む様々な分野への応用が可能になるので、好ましい。特に、刺激応答性ファイバが、温度及びｐＨの両方の変化に対する応答性を有しているとより好ましい。
【００１５】
本形態の刺激応答性ファイバは、刺激応答性高分子をゲル化して、ハイドロゲルの形態にしたものである。ここで、ハイドロゲル（ヒドロゲル）とは、水又は水系の溶液を多く含むゲルである。
【００１６】
本形態では、刺激応答性ファイバは、刺激応答性高分子と架橋官能基を有する多糖とを含む混合物を得て、その混合物を架橋して得られたハイドロゲルを含む。よって、刺激応答性ファイバを構成するハイドロゲルは、図２に示すように、刺激応答性高分子２と、架橋性官能基を有する多糖３とが絡み合い、それらが例えば架橋剤４によって架橋されていることにより構成されている。
【００１７】
架橋性官能基を有する多糖は、後述のように刺激応答性高分子よりも迅速にゲル化する物質とすることができる。よって、混合物の架橋が始まると、架橋性官能基を有する多糖が先行して架橋され、これにより、架橋性官能基を有する多糖によって、いわばファイバの骨格が早期に形成される。このような骨格は、刺激応答性高分子をその骨格内に閉じ込めるよう担持するので、刺激応答性高分子が外部に拡散することが防止されるか、又は拡散の速度を大きく低下させることができる。これにより、刺激応答性高分子が骨格内に留まった状態でゲル化が進み、ファイバ形状が形成される。
【００１８】
刺激応答性ファイバの直径は、１０μｍ〜２０００μｍ（２ｍｍ）とすることができるが、５０〜９００μｍであるとより好ましく、１００〜７００μｍであるとさらに好ましい。直径が１０μｍ以上であると、追加的な形状加工なしでファイバ自体を担体として用いることが可能となると同時に、刺激応答性を十分に発現させることができる。また、直径が２０００μｍ（２ｍｍ）以下であると、医療分野での人工筋肉や人工血管等への応用、又は薬剤を刺激により徐放する移植用素材への応用、或いはソフトロボティクスやマイクロマシン分野でのアクチュエータとしての応用等が可能となる。
【００１９】
刺激応答性ファイバの直径は、ファイバ全体を通して同じであってもよいし、ファイバの長手方向位置によって異なっていてもよい。
【００２０】
本形態のファイバの長さは、用途に応じて決めることができるが、１００μｍ〜１ｍであってよく、０．５ｍｍ〜５０ｃｍあってよく、また１ｍｍ〜１００ｍｍであってよい。ファイバの長さを上記範囲とすることで、医療分野やソフトロボティクスやマイクロマシン分野において特に有用となる。
【００２１】
本形態では、刺激応答性高分子及び多糖はイオン架橋されて、ハイドロゲルの状態となっている。刺激応答性高分子及び多糖の少なくとも一方が架橋されていればよいが、刺激応答性高分子及び多糖の両方が架橋されていると好ましい。また、刺激応答性高分子と多糖とが互いに架橋されて結合しているとより好ましい。
【００２２】
＜刺激応答性高分子＞
本形態における刺激応答性高分子は、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド、及びその誘導体の少なくとも１つを含むことができ、イオン架橋により架橋されてゲル化され得るものとすることができる。ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドとしては、ポリ−Ｎ−アルキル置換（メタ）アクリルアミドであり、アルキルが炭素数１〜６の直鎖、分枝又は環状アルキルであると好ましい。また、アルキル基が炭素数１〜３の直鎖、分枝又は環状アルキルであるとより好ましい。
【００２３】
刺激応答性高分子の具体例としては、ポリ−Ｎ−イソプロピル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−ｎ−プロピル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−シクロプロピル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−エチル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−エトキシエチル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−テトラヒドロフルフリル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ，Ｎ−エチルメチル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ，Ｎ−ジエチル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ，Ｎ−ジメチル（メタ）アクリルアミド、ポリ−Ｎ−アクリロイルピペリジン、ポリ−Ｎ−アクリロイルピロリジン等及びこれらの誘導体が挙げられ、これらのうち２種以上を用いることもできる。中でも、ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ｐＮＩＰＡＭ）及びその誘導体は、生体適合性が高いこと、また刺激に応答する温度が人の体温に近いこと等から好ましい。
【００２４】
なお、本明細書において、（メタ）アクリルという記載は、アクリル、メタクリル、又はこれらの組合せ（共重合体又は混合物）を含む。
【００２５】
ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドの誘導体としては、Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドの末端基を官能基で置換した単量体を重合させたものを用いることができる。例えば、単量体の末端基を、カルボン酸、Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドのエステル、アミン、マレイミド、（メタ）アクリル酸等で官能化させ、その官能化させた単量体を重合させたものを用いることができる。また、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドの誘導体としては、機能性の単量体と共重合させたものを用いてもよい。共重合させる機能性の単量体としては、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリルアミド、アルキルアクリレート（アルキルの炭素数は１〜２０が好ましい）等が挙げられる。中でも、Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドと（メタ）アクリル酸とを共重合させたもの、とりわけ、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸との共重合体（ｐＮＩＰＡＭ−ｃｏ−ＡＡｃ）を用いた場合には、温度及びｐＨの両方に対して応答性のあるハイドロゲルを構成することができるため、好ましい。
【００２６】
ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミドと、機能性の単量体とを共重合させたものを使用した場合には、機能性の単量体由来の成分は、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド中に、１〜３０モル程度含まれていると好ましく、１０〜２０モル％程度含まれているとより好ましい。
【００２７】
刺激応答性高分子と架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物を得る際、刺激応答性高分子は水溶液の形態で多糖と混合することが好ましい。その場合、刺激応答性高分子溶液中の刺激応答性高分子の濃度は、０．５〜６質量％であると好ましく、１〜３．５質量％であるとより好ましい。０．５質量％以上であることによって、ファイバとしての形状安定性を向上させることができ、またファイバの刺激応答性を十分に発現させることができる。６質量％以下とすることによって、刺激応答性高分子の溶液の調製時の操作を容易にすることができる。
【００２８】
また、刺激応答性高分子は、刺激応答性ファイバを構成するハイドロゲル全体の質量に対して０．５〜５質量％の割合で含まれていると好ましく、１〜３質量％の割合で含まれているとより好ましい。０．５質量％以上とすることで、ファイバとしての形状安定性を向上させることができ、またファイバの刺激応答性を十分に発現することができる。５質量％以下とすることで、ゲルの十分な柔らかさを確保することができる。
【００２９】
＜架橋性官能基を有する多糖＞
架橋性官能基を有する多糖は、刺激応答性高分子の種類に応じて適宜選択されるが、上述の刺激応答性高分子よりも迅速に架橋され、ゲル化され得るものであってよい。具体的には、架橋性官能基を有する多糖は、数ミリ秒〜数秒でゲル化する材料であってよい。
【００３０】
架橋性官能基を有する多糖に含まれる架橋性官能基は、化学的又は物理的に架橋可能な官能基であってよい。例えば、共有結合、水素結合、イオン結合等によって架橋し、三次元網目構造を作ることのできる官能基であってよい。また、その架橋は、架橋剤の添加、熱、ｐＨ等によって起こるものであってよい。
【００３１】
架橋性官能基は、イオンによってイオン架橋を起こすものが好ましい。中でも、陽イオン、特に２価の金属イオンによって架橋を起こすものが好ましい。また、架橋性官能基は、カルボキシル基、アルコール性水酸基、フェノール性水酸基等の酸性官能基であると好ましく、カルボキシル基であるとより好ましい。また、架橋性官能基は、過酸化水素のような過酸化物によって化学反応を起こすものであってもよい。
【００３２】
架橋性官能基を有する多糖の具体例としては、アルギン酸、ペクチン酸、ヒアルロン酸、セルロース、キトサン、キチン、澱粉、デキストラン、ヘパリン、コンドロイチン、陽イオングアー、陽イオン澱粉、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルキトサン、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチル澱粉、キサンタン、カラヤゴム、ガッティゴム、ジェラン、寒天、ヘパリンスルフェート、及びコンドロイチンスルフェート、並びにこれらの塩又は誘導体を挙げることができ、これらの多糖を２種以上用いることもできる。中でも、アルギン酸、ペクチン酸、ヒアルロン酸、又はこれらの塩若しくは誘導体が好ましい。これらのうち、架橋速度が速いこと等から、アルギン酸塩が好ましい。アルギン酸塩としては、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム等を用いることができる。
【００３３】
刺激応答性高分子としてＮ−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸との共重合体（ｐＮＩＰＡＭ−ｃｏ−ＡＡｃ）を用いた場合には、同様の機構で同じ架橋剤によって架橋可能（二価の陽イオンによって架橋可能）であること、混合の際に凝集を生じにくいこと等から、架橋性官能基を有する多糖としてアルギン酸塩を用いることが好ましい。
【００３４】
架橋性官能基を有する多糖は、刺激応答性高分子のゲル化に作用し得る架橋剤と同じ架橋剤によって架橋可能なものが好ましい。
【００３５】
刺激応答性高分子と架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物を得る際、架橋性官能基を有する多糖は、水溶液の形態で刺激応答性高分子と混合することが好ましい。その場合、多糖溶液中の多糖の濃度は、０．１〜５質量％であると好ましく、０．２〜４質量％であるとより好ましい。０．１質量％以上であることによって、ファイバとしての形状の安定性及び強度の向上を図ることができる。５質量％以下とすることによって、水溶液を調製する際の操作性を確保し、また、ハイドロゲルファイバの柔軟性を向上させることができる。
【００３６】
架橋性官能基を有する多糖は、刺激応答性ファイバを構成するハイドロゲル全体の質量に対して０．０４〜５質量％の割合で含まれていると好ましく、０．１〜５質量％の割合で含まれていると好ましく、０．２〜３質量％の割合で含まれているとより好ましい。０．０４質量％以上とすることで、刺激応答性高分子のゲル化を十分に促進させることができ、ファイバとしての強度も向上させることができる。また、５質量％以下とすることで、ハイドロゲルファイバの柔軟性を向上させることができる。
【００３７】
また、架橋性官能基を有する多糖の質量の、刺激応答性高分子の質量に対する比の値は、０．０５〜５（すなわち、架橋性官能基を有する多糖の質量：刺激応答性高分子の質量が１：２０〜５：１）であると好ましく、０．１〜１（すなわち、架橋性官能基を有する多糖の質量：刺激応答性高分子の質量が１：１０〜１：１）であるとより好ましい。０．０５以上とすることで、刺激応答性高分子のゲル化を十分に促進させることができ、ファイバとしての強度も向上させることができる。５以下とすることで、ハイドロゲルファイバの柔軟性を向上させることができる。
【００３８】
＜架橋剤＞
上記の刺激応答性高分子と架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物は、架橋剤によって架橋されていてよい。架橋剤は、少なくとも上記刺激応答性高分子を架橋させることができるものであれば、特に限定されないが、刺激応答性高分子をイオン架橋させるものであると好ましい。
【００３９】
刺激応答性高分子を架橋できる架橋剤は、陽イオンを含むことが好ましく、２価の金属イオンを含むことがより好ましい。含まれる金属イオンとしては、具体的には、Ｐｂ２+、Ｃｕ２+、Ｃｄ２+、Ｂａ２+、Ｓｒ２+、Ｃａ２＋、Ｃｏ２＋、Ｎｉ２＋、Ｚｎ２＋、Ｍｎ２＋、Ｍｇ２＋等を挙げることができ、これらの２種以上を併用することができる。これらの中でも、細胞を含む生体との親和性が良いことから、Ｃａ２＋、Ｂａ２＋等が好ましい。とりわけ、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）は、生体適合性が高いため、カルシウムイオンを含む架橋剤を用いることで、刺激応答性ファイバを医療分野で、例えば人工筋肉や人工血管として応用することが可能となるので好ましい。
【００４０】
架橋剤は、水に溶かして水溶液の形態で用いることができることから、上記の陽イオンを含む塩を用いることが好ましい。例えば、上記の陽イオンを含むハロゲン化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等とすることができるが、ハロゲン塩が好ましく、塩化カルシウムを用いることが好ましい。
【００４１】
架橋剤は、架橋性官能基を有する多糖をさらに架橋できるもの、つまり刺激応答性高分子と架橋性官能基を有する多糖の架橋性官能基との両方を架橋できるものであると好ましい。また、刺激応答性高分子と多糖との間を架橋できるものであるとより好ましい。
【００４２】
架橋剤は、２種以上の組合せとし、刺激応答性高分子を架橋できる架橋剤と架橋性官能基を有する多糖を架橋できる架橋剤とを組み合わせたものであってもよい。刺激応答性高分子を架橋できる架橋剤は、上述の通りであるが、架橋性官能基を有する多糖を架橋できる架橋剤としては、架橋性官能基を有する多糖の架橋性官能基に化学的な結合を生じさせて、三次元網目構造を作ることのできる官能基であればよい。架橋性官能基を有する多糖同士にイオン架橋を生ぜしめる架橋剤であると好ましいが、過酸化水素等の過酸化物、その他の共有結合を生ぜしめる架橋剤であってもよい。
【００４３】
なお、架橋性官能基を有する多糖と架橋剤との反応系の具体的な例としては、アルギン酸塩及びカルシウムイオンの反応を利用するもの、フェノール性水酸基を有するアルギン酸誘導体、過酸化水素、西洋わさびぺルオキシダーゼ及びカタラーゼの反応を利用するものが挙げられる。
【００４４】
本形態では、後述のように、ポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物を、架橋剤の溶液中に押し出して製造することができる。この場合、架橋剤溶液中の架橋剤の濃度は、０．０２Ｍ以上であると好ましく、０．１５Ｍ以上であるとより好ましく、０．５Ｍ以上であるとさらに好ましい。０．０２Ｍ以上とすることで、刺激応答性高分子の架橋、又は刺激応答性高分子及び架橋性官能基を有する多糖の架橋を促進させることができる。また、架橋剤の濃度は過度に大きくても架橋速度への影響は少ないため、架橋濃度の上限は、１．５Ｍ以下程度とするのがコスト面で有利である。
【００４５】
＜その他の添加剤＞
刺激応答性ファイバを構成するハイドロゲルを得るための、刺激応答性高分子と架橋性官能基を有する多糖との混合物には、刺激応答性を妨げない範囲で、上述の架橋を促進させるための助剤を添加することもできる。また、顔料、染料等の色素や、塩、酵素、粘度調整剤、ｐＨ調整剤等の添加剤を含むこともできる。上記以外にも、視認性を高めるための蛍光材料（ナノビーズ等）、機能性を付与するための粒子（金ナノ粒子、磁性ナノ粒子等）、赤外線等の特定の波長の光及び電磁波を効率良く吸収して温度制御を可能とする材料（カーボン・ナノチューブ等）、変位を可視化する構造色を呈するフォトニックコロイド結晶等を添加することもできる。
【００４６】
＜刺激応答性ファイバの製造装置＞
図３に、本形態による刺激応答性ファイバの製造装置１０の概略図を示す。本形態による装置は、刺激応答性高分子と酸性官能基を有する多糖とを含む混合物（材料）が装填されるシリンジ１２、シリンジ１２の端部に設けられた押出ノズル１３、及びシリンジ１２内の混合物を押し出すピストンを駆動するためのシリンジポンプ１１を備えている。押出ノズル１３の先端は、所定の形状を有する開口を有しており、その開口を介して材料がひも状に押し出される。押出ノズル１３の開口の大きさは、得ようとする刺激応答性ファイバの直径に応じて決定することができるが、１〜２０００μｍ程度とすることができる。また、押出ノズル１３の開口の形状は、円形であってよいが、三角形、四角形等の多角形や星形等とすることもできる。
【００４７】
なお、押出ノズル１３は、図３において、下向きに向けられ、刺激応答性ファイバ１は鉛直方向下向きに押し出されるが、ファイバ１を押し出す方向はこれに限らず、水平方向等、任意の方向とすることができる。
【００４８】
本形態の装置は、刺激応答性ファイバ１を受容するための溶液槽１４を更に備えている。溶液槽１４には、架橋剤を含む溶液が収容されており、溶液槽１４は、押出ノズル１３の先端が架橋剤を含む溶液に浸されるように配置することができる。
【００４９】
＜刺激応答性ファイバの構造＞
本形態による刺激応答性ファイバは、多層構造とすることができる。すなわち、２種以上の材料が互いに積層されており、ファイバの横断面で見たときに２種の材料が観察されるような構造とすることができる。例えば、ファイバの横断面が円形である場合、互いに接する２つの半円が積層されたものであってよい。
【００５０】
多層構造では、刺激応答性を有するハイドロゲル材料と、刺激応答性を有しない別の材料とを組み合わせることもできるし、刺激応答性を有するハイドロゲル材料と、その材料とは異なる刺激応答性を有する材料とを組み合わせることもできる。
【００５１】
図７に、多層構造を有する刺激応答性ファイバのモデル図を示す。図示の多層構造を有するファイバは、上述のポリ−Ｎ−置換（メタ）アクリルアミド及びその誘導体の少なくとも１つを含む刺激応答性高分子と、架橋性官能基を有する多糖とを含む混合物が、架橋されてなる、刺激応答性のハイドロゲル１ａと、刺激応答性を有さないハイドロゲル１ｂとが積層されてなる構造を有している。このような多層構造の刺激応答性ファイバが外部からの刺激を受けると、刺激応答性ハイドロゲル１ａのみが刺激に対して応答する。その応答が収縮であれば、ファイバを、図７の下側の図に示すように湾曲若しくはカールさせることができる。
【００５２】
このような多層構造を有する刺激応答性ファイバは、図３を参照して上述した製造装置において、例えば、図４に示すような押出ノズルを用いることによって製造することができる。図示の押出ノズルは、ノズルの供給側がＹ字状に形成されていることによって、供給口が２つに分かれており、その２つの供給口からそれぞれ別々の材料を供給することができる。そして、２つの材料が互いに接合して二層構造のファイバがノズル口から押し出されるようになっている。また、ノズル口が２つに区分され、それぞれの口から別々の材料を押し出し、その押し出された別々の材料がノズル口を出た直後に互いに接合して二層構造となるようになっていてもよい。
【００５３】
図４の例では、上側部分から刺激応答性のハイドロゲル１ａが、下側部分から刺激応答性を有さないハイドロゲル１ｂが共に押し出されるようになっているが、上側部分から刺激応答性を有さないハイドロゲル１ｂ、下側部分から刺激応答性のハイドロゲル１ａが押し出されるようになっていてもよい。
【００５４】
なお、多層構造は、図示の２層の構造に限られない。３層以上の構造のファイバを製造する場合には、ノズル口を３つ以上に区分し、それぞれのノズル口から別々の材料を押し出せばよい。
【００５５】
また、刺激応答性ファイバは、内部に空洞を有する中空状（チューブ状）とすることもできる。この場合、ファイバの内径は、１０〜１０００μｍとすることができる。
【００５６】
図８に、このような中空状のファイバのモデル図及び適用例を示す。中空状の刺激応答性ファイバが外部から刺激を受けると、内部の中空部分の体積も変化する。例えば、図示の例のように、樹脂ビーズ８を中空状ファイバの中空部分に収容しておいて、温度やｐＨ等の刺激を与えてファイバを収縮させた場合、樹脂ビーズ８を、中空ファイバの内側から外側へ押し出すことが可能となる。よって、中空状の刺激応答性ファイバは、内部の液体を押し出すマイクロポンプ、刺激に応じて外形が可変なステント、ファイバの収縮時を閉状態し、膨張時の状態を開状態とするバルブ等に応用することができる。
【００５７】
中空状の刺激応答性ファイバは、図３に概略的に示した製造装置において、図５に示すような押出ノズルを適用することによって製造することができる。図５に示すノズルは、外側ノズルと、この外側ノズルの内部に配置された内側ノズルとの２つのノズルを有している。これにより、中央部分とそれを取り囲む周辺部分との二重構造を有するファイバを得ることができる。図示の例では、外側ノズルには、架橋反応性のある刺激応答性ハイドロゲルが充填され、内側ノズルには架橋反応性のない別の材料５が充填され、これらが共に押し出されている。この押出しにより、別の材料５からなる中央部分と、その周りを囲む刺激応答性ハイドロゲル１ａからなる周辺部分とを有するファイバが得られる。そして、中央部分を、溶解等によって除去することにより、架橋された刺激応答性ハイドロゲルを周辺部分のみが残ることになるので、中央部分が空洞となり、中空状又は筒状のファイバを得ることができる。
【００５８】
刺激応答性ファイバは、収縮異方性を有するものであってよい。収縮異方性とは、ファイバの方向によって異なる収縮又は膨張特性を有するものを指す。例えば、ファイバの長手方向が、ファイバの断面方向に比べてより大きな度合いで収縮又は膨張しやすくなっているものである。
【００５９】
このような収縮異方性を有するファイバは、図３に示す装置の押出ノズルとして、例えば図６に示すノズルを用いて製造することができる。本形態の装置においては、図６に示すように、押出ノズル１３の外側を取り囲む筒状体１５が設けられている。この構成により、ファイバを形成するハイドロゲルの流れ（コア流れ）Ｆｃの周囲に、架橋剤溶液の流れ（シェル流れ）Ｆｓを作ることができるようになっている。具体的には、架橋剤溶液が、ハイドロゲル（材料混合物）が流れる方向、つまりファイバが押し出される方向と同じ方向に（ファイバが押し出される方向に沿って）流動するようになっている。
【００６０】
上記の２つの流れの流速、つまりハイドロゲルの流速（コア流速）ｖｃと、架橋剤溶液の流速（シェル流速）ｖｓとは、それぞれ独立して制御できるようになっている。そして、これらのハイドロゲルの流速（コア流速）ｖｃと架橋剤溶液の流速（シェル流速）ｖｓとをそれぞれ変化させ、ハイドロゲルの流速（コア流速）ｖｃと架橋剤溶液の流速（シェル流速）ｖｓとの比を変更させることによって、長さ方向と断面方向とで異なる収縮度合い（収縮率）を有するファイバを製造することができる。
【００６１】
これは、シェル流速ｖｓが大きくなればなるほど、押し出されたファイバの表面において、ファイバの長手方向により大きなせん断応力が働き、ファイバを形成するための材料である混合溶液中の高分子（刺激応答性高分子及び多糖の両方を含む）が長手方向に配向するためと考えられる。
【００６２】
シェル流速ｖｓの、コア流速ｖｃに対する比の値（ｖｓ／ｖｃ）は、用いる材料やその混合割合等に応じて調整することができるが、例えば、０．０１〜３０とすることができ、０．０５〜１５程度にすることができる。
【００６３】
なお、ファイバの収縮異方性が、ファイバの長手方向（長さ方向）の収縮度合いを、断面方向（直径方向）の収縮度合いよりも大きいものである場合、つまり長さ方向の方がより大きい度合いで収縮又は膨張するファイバの場合には、人工筋肉やソフトアクチュエータ等として好適に使用することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施形態を実施例により、更に詳説するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６５】
（実施例１）
Ｎ−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸との共重合体（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製、ｐｏｌｙ（Ｎ−ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌｉａｍｉｄｅ−ｃｏ−ａｃｒｙｌｉｃ  ａｃｉｄ）−ａｃｒｙｌｉｃ  ａｃｉｄ  １５ｍｏｌ％）を水に溶かして、３質量％の水溶液を調製した。また、アルギン酸ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、和光一級）を水に溶かして、３質量％の水溶液を調製した。得られた共重合体水溶液とアルギン酸ナトリウム水溶液とを、質量比６：１で混合して混合溶液を得た。なお、混合液全体全体に対するＮ−イソプロピルアクリルアミドとアクリル酸との共重合体の含有量は２．５７質量％であり、アルギン酸ナトリウムの含有量は０．４３質量％であった。
【００６６】
さらに、架橋剤として塩化カルシウムを水に溶かして１Ｍの塩化カルシウム水溶液を調製し、それを溶液槽に満たした。
【００６７】
図３に示す製造装置１０を用いて、得られた上記混合溶水液を、開口径が５０μｍである押出ノズルから、溶液槽内の１Ｍの塩化カルシウム水溶液中へ押し出した。混合溶液は、架橋剤である塩化カルシウムによってゲル化し、これにより、直径１４０μｍのハイドロゲルファイバを得た。
【００６８】
また、押出ノズルを開口径を、２００μｍ及び３００μｍのものに変更して、同様にファイバを作製し、それぞれ直径３２０μｍ及び６７０μｍのファイバを得た。
【００６９】
このようにして得られたファイバについて、温度に対する応答性を確認した。具体的には、常温（２３℃）の１Ｍ塩化カルシウム水溶液中で得られた各ファイバを、温度５０℃の１Ｍ塩化カルシウム水溶液が満たされた槽に移動させた。５０℃槽へ移動させた時点を０秒として、ファイバの直径がどのように変化するかを観察した。変化は、ファイバの初期直径（作製直後の直径又は０秒時直径）をｄ０とし、所定時間経過後の直径をｄｎとした場合の、その直径比（ｄｎ／ｄ０）として表した。直径比は値が小さい程、収縮度合いが大きい。また、直径は、光学顕微鏡を用いて画像から測定した。
【００７０】
その結果を図９に示す。図９には、直径１４０μｍ、３２０μｍ、６７０μｍのファイバについての結果を示す。いずれのファイバについても、良好な温度応答性を示していることを確認できた。また、いずれのファイバも、５００〜６００秒の時間経過後には、直径比はほぼ一定となっていることも分かった。
【００７１】
（実施例２）
実施例１と同様の手順で、開口径１５０μｍの押出ノズルを用いて、直径２６０μｍのファイバを作製した。
【００７２】
得られたファイバを、ｐＨ７に調整した水溶液で満たした槽に移動させて平衡状態にした後、ｐＨ３の水溶液で満たされた槽に移動させた。ｐＨ３の槽へ移動させた時点を０秒として、ファイバの直径がどのように変化するかを観察した。変化は、上記と同様に、初期直径（０秒時直径）をｄ０とし、所定時間経過後の直径をｄｎとし、直径比（ｄｎ／ｄ０）として表した。直径比は値が小さい程、収縮度合いが大きい。
【００７３】
図１０に、直径２６０μｍのファイバのｐＨ応答性の結果を示す。良好なｐＨ応答性を有していることを確認できた。
【００７４】
（実施例３）
実施例１、２と同様の手順で、開口径５０μｍの押出ノズルを用いて直径１３０μｍのファイバを作製した。このファイバを用いて、その刺激応答の可逆性についても確認を行った。直径１３０μｍのファイバの周囲環境温度を２３℃と５０℃とに交互に変化させて、直径比を測定した。具体的には、常温（２３℃）の１Ｍ塩化カルシウム水溶液を収容した槽と、５０℃の塩化カルシウム水溶液を収容した槽とを準備し、上記ファイバを６００秒ごとに、上記２つの槽に交互に移動させた。２３℃の槽から５０℃の槽へ移動させた時点を開始時とし、そこから６００秒後に再び２３℃の槽へ移動させ、さらに６００秒後に５０℃の槽へ移動させるという一連の動作を１サイクルとする。直径比は、上記と同様、作製直後又は５０℃槽へ移動させた直後の初期直径（刺激を与えていない状態のファイバの直径）をｄ０とし、測定時の直径をｄｎとし、その比を直径比ｄｎ／ｄ０とした。
【００７５】
結果を図１１に示す。横軸の目盛が１サイクル、２サイクルと整数になっている位置は、ファイバを５０℃の槽へ移動させた時点を示す。また、目盛が０．５サイクル、１．５サイクルと、少数点の１桁目が５になっている位置は、ファイバを２３℃の槽に移動させた時点を示す。
【００７６】
図１１に示すように、２３℃及び５０℃の温度変化によって、直径比ｄｎ／ｄ０が変化しているのが確認できた。また、ファイバは刺激応答性でない成分を含むため、直径比は初期値まで戻ることはなかったが、１サイクル以降はサイクルを６回繰り返しても、ほぼ可逆的に収縮、膨張することが分かった。
【００７７】
（実施例４）
実施例１で用いたものと同様の混合溶液を調製した。別途、アルギン酸ナトリウム（和光純薬工業株式会社製、和光一級）を水に溶かして、１．５質量％の水溶液を調製した。また、実施例１と同様に、１Ｍの塩化カルシウム水溶液を調製し、それを溶液槽に満たした。
【００７８】
押出ノズルとして、図４に示したようなノズル供給口がＹ字状に二分されているノズルを用いて、実施例１と同様の手順で、上記の混合溶液及びアルギン酸ナトリウム水溶液を押し出し、ファイバを作製した。
【００７９】
押し出された両溶液は、１本のファイバとなって、溶液槽内の塩化カルシウム水溶液中に流出した。これにより、図７のモデル図に示すような上下二層構造を有するファイバが得られた。
【００８０】
得られた上下二層構造を有するファイバについて、周辺温度を２３℃から５０℃に、その後５０℃から２３℃に変化させたところ、図７に示すような形状の可逆的な変化が観察された。
【００８１】
（実施例５）
実施例１で用いたものと同様の混合溶液を調製した。別途、ポリビニルアルコール（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製、Ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ  ａｌｃｏｈｏｌ））を水に溶かして、２０質量％のポリビニルアルコール水溶液を調製した。また、実施例１と同様に、１Ｍの塩化カルシウム水溶液を調製し、それを溶液槽に満たした。
【００８２】
押出ノズルとして、図５に示す外側ノズル及び内側ノズルを有するノズルを用いて、実施例１と同様の手順でファイバの作製を行った。外側ノズルの開口径は１ｍｍ、内側ノズルの開口径は６００μｍであった。
【００８３】
上記の混合溶液を外側ノズルから、上記のポリビニルアルコール水溶液を内側ノズルからそれぞれ押し出した。押し出された両溶液は、中央部分とそれを囲む周辺部分とからなる１本のファイバとなって、溶液槽内の塩化カルシウム水溶液中に流出した。
【００８４】
ポリビニルアルコールからなる中央部分は、ファイバが押し出されている間又はファイバが水溶液中で放置されている間に水溶液中に分散し、消失した。これにより、外径が６１０μｍ、内径が４３０μｍ、中央の空洞部分の体積が０．４７ｍｍ３である中空状のファイバを得た。
【００８５】
実施例５のファイバについても、温度応答の可逆性についての確認を行った。実施例４と同様に、ファイバの周囲環境温度を２３℃と５０℃とに繰り返し変化させて、直径比ｄｎ／ｄ０を測定した。また、実施例５においては、直径比ｄｎ／ｄ０と共に、ファイバ内部の空洞の体積比を求めた。体積比は、製造直後の初期体積をＶ０とし、測定時の体積をＶｎとした場合の、比Ｖｎ／Ｖ０とした。
【００８６】
図１２に、結果を示す。２３℃及び５０℃の温度変化によって、直径比ｄｎ／ｄ０、体積比Ｖｎ／Ｖ０が共に変化しているのが確認できた。サイクルは６回繰り返したが、実施例４と同様、ほぼ可逆的に収縮、膨張をすることが分かった。
【００８７】
また、得られた中空状ファイバの内部の空洞部分に、径が数十μｍ程度の樹脂ビーズを数個導入した後、上記サイクルを開始した。ファイバを常温の槽から５０℃の槽に移したところファイバの収縮が始まり、図８に示したように、樹脂ビーズがファイバ内部の液体と共に押し出されることが観察された。これにより、中空状ファイバが、ポンプとしての働きを有することを確認できた。
【００８８】
（実施例６）
図３の製造装置において図６に示す押出ノズルを用いて、ファイバを作製した。図６の押出ノズルは、上述のように、押出ノズル１３を囲む筒状体１５が設けられており、ファイバの材料である混合溶液の流れ（コア流れ）Ｆｃの周囲に、架橋剤溶液の流れ（シェル流れ）Ｆｓを作ることができるよう構成されている。図示のように、架橋剤溶液は、ファイバが押し出される方向と同じ方向に流れるようになっている。
【００８９】
このような装置を用いて、外側の架橋剤溶液の流れＦｓの流速ｖｓと、内側の混合溶液の流れＦｃの流速ｖｃとを様々に変更させて、ファイバを作製した。表１に、シェル流速ｖｓ、コア流速ｖｃ、及びその流速比ｖｓ／ｖｃをそれぞれ示す。実施例６では、実施例１で用いたものと同様の混合溶液を材料とした。
【００９０】
【表１】
2018059248.tif 000003
上記のように流速比ｖｓ／ｖｃを変化させて得られたファイバについて、それぞれ直径比ｄｎ／ｄ０及び長さ比ｌｎ／ｌ０を求めた。直径比ｄｎ／ｄ０は、ファイバ製造直後の初期直径ｄ０に対する、測定時の直径ｄｎの比の値であり、長さ比ｌｎ／ｌ０は、ファイバ製造直後の初期長さｌ０に対する、測定時の長さｌｎの比の値である。
【００９１】
結果を図１３に示す。流速比ｖｓ／ｖｃが大きくなるほど、直径比は大きくなり、長さ比は小さくなっていることが分かる。つまり、流速比ｖｓ／ｖｃが大きくなるほど、長さ方向（長手方向）の収縮・膨張が大きく、直径方向（断面方向）の収縮・膨張が小さくなることが分かった。
【００９２】
したがって、本形態によれば、ファイバの用途に応じて、材料である混合溶液の流速（コア流速）と、その周囲に流す架橋剤溶液の流速（シェル流速）との比を調整することで、長さ方向と断面方向とで異なる収縮度合い（収縮率）を調整することができる。
【００９３】
このように、本形態によって、ファイバ内の方向によって異なる収縮度合いを示す性質、すなわち収縮異方性を得ることが可能となる。さらに、使用する刺激応答性高分子の種類に応じて、流速比ｖｓ／ｖｃを様々に変化させれば、所望の収縮異方性を得ることができる。これにより、例えば、人工筋肉や人工血管等へ応用する場合には、体内の部位に応じた所望の収縮性を付与することができ、また、薬剤を徐放する素材として応用する場合には、薬剤の徐放のタイミングや速度等を制御することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１  刺激応答性ファイバ
１ａ  刺激応答性ハイドロゲル
１ｂ  刺激応答性でないハイドロゲル
２  刺激応答性高分子
３  多糖
４  架橋剤
５  その他の材料
８  樹脂ビーズ
１０  刺激応答性ファイバの製造装置
１１  シリンジポンプ
１２  シリンジ
１３  押出ノズル
１４  溶液槽
１５  筒状体
【図１】
2018059248.tif 000004
【図２】
2018059248.tif 000005
【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】
2018059248.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
2018059248.tif 000015
【図１３】
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