(57)【要約】  ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を、高い強度及び改善された拡散特性を保有するナノコンポジットハイドロゲルの開発のためのクロスリンカー及び強化ドメインとして用い、得られたナノコンポジットハイドロゲルは、高い機械的特性、可逆的膨潤能力を有することが示され、並びに生分解性及び生体適合性があり、本アプローチはさまざまな親水性ビニルモノマーを使用してハイドロゲルを形成するためのフリーラジカル重合に依存する。これらのハイドロゲルは、吸収性の高い衛生製品の開発並びに医薬、工業材料及びセンサーにおける応用に適している。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含むクロスリンカーによって架橋された親水性ポリマーを含む、ナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項２】
前記親水性ポリマーが、親水性ビニルモノマーの重合に由来する、請求項１に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項３】
前記親水性ポリマーが、親水性ビニルモノマーと前記親水性ビニルモノマーのためのコモノマーとの共重合に由来する、請求項１に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項４】
前記コモノマーが親水性コモノマーである、請求項３に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項５】
前記クロスリンカーが、改質剤が、ＮＣＣのヒドロキシル基とカップリングされる第１の官能基及び前記ポリマーとカップリングされる第２の官能基を有する、改質されたＮＣＣを含む、請求項１から４までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項６】
前記親水性モノマーが、アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）及びビニルピロリドン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）及びＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）から選択される、請求項５に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項７】
前記改質剤が官能基を有するビニルモノマーである、請求項５又は６に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項８】
前記改質剤が、グリシジルメタクリレート、トリメチルシリルメタクリルレート、２−（トリメチルシリルオキシ）エチルメタクリレート、２−アミノエチルメタクリレート、２−イソシアネートエチルメタクリレート、２−クロロエチルアクリレート、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルイソシアネート、２−アミノエチルビニルエーテル及びビニルトリメトキシシランからなる群から選択される、請求項５又は６に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項９】
官能基を有する前記ビニルモノマーがグリシジルメタクリレートである、請求項７に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項１０】
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含む、前記ポリマーのためのクロスリンカーの存在下で親水性モノマーを重合して親水性ポリマーを形成するステップを含む、ナノコンポジットハイドロゲルの調製方法。
【請求項１１】
前記親水性モノマーが親水性ビニルモノマーである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記重合ステップが、前記親水性モノマーとコモノマーとの共重合を含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記コモノマーが親水性コモノマーである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記クロスリンカーが、第１及び第２の官能基を有し、前記第１の官能基をＮＣＣのヒドロキシル基と反応させ、前記第２の官能基をポリマーとカップリングさせる改質剤によって改質されたＮＣＣを含む、請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記親水性モノマーが、アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）及びビニルピロリドン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）及びＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）から選択される、請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記改質剤が、グリシジルメタクリレート、トリメチルシリルメタクリルレート、２−（トリメチルシリルオキシ）エチルメタクリレート、２−アミノエチルメタクリレート、２−イソシアネートエチルメタクリレート、２−クロロエチルアクリレート、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルイソシアネート、２−アミノエチルビニルエーテル及びビニルトリメトキシシランからなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記改質剤が官能基を有するビニルモノマーである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
官能基を有する前記ビニルモノマーがグリシジルメタクリレートである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１から９までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲルから形成された医療用品。
【請求項２０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲルから形成された吸収性衛生用品。
【請求項２１】
医学的応用のための薬剤送達系、刺激応答性センサー、医療用インプラント及び組織工学材料から選択される、請求項１９に記載の医療用品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して新規なナノコンポジットハイドロゲル及びナノコンポジットハイドロゲルの調製方法に関し、より具体的にはポリマーハイドロゲルにおけるクロスリンカー及び強化ドメインの両方としての、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）の応用に関する。本アプローチはさまざまな親水性ビニルモノマーを使用してハイドロゲルを形成するためのフリーラジカル重合に依存する。この発明は、医薬、工業材料、センサー及び消費者製品（例えば、吸収性の高い衛生製品）における応用の開発に適している。
【背景技術】
【０００２】
ポリマーハイドロゲルは、大量の水を吸収した際に膨潤する架橋された親水性ポリマーネットワークである。ハイドロゲルは薬剤送達、組織工学、刺激応答性センサーなどの多種多様な応用に関して過去数十年広範囲に調査されてきた。１−６  一般的に、ハイドロゲルは柔軟で脆性である。しかし、かなりの機械的負荷を要求する応用、例えば、医療用インプラント及びいくつかの電気化学的装置がある。７  多数の新規な応用及び既存の応用のためのハイドロゲルの設計は、ハイドロゲルが十分な機械的強度を保有し刺激応答性及び高速拡散などのもともとの特性を維持することを要求する。
【０００３】
実際には、非常に高い機械的強度を有する多くのハイドロゲルが存在する。７  昆布などの多くの海藻はポリマー線維又は無機線維により強化された多糖類ハイドロゲルである。人体において、軟骨、角膜及び真皮はすべて線維により強化されたハイドロゲルである。これらの線維は、耐荷重性成分として作用することによってハイドロゲルを強化する。
【０００４】
近年、優れた機械的特性を有する３種の新しいハイドロゲル：トポロジカルゲル、ナノコンポジットゲル及びダブルネットワークゲルが報告された。トポロジカルゲルは、ポリマー鎖に沿って滑らかに動くことができる８の字型クロスリンカーを有する。８  結果として、これらのゲルは、高度に伸縮性であり、大量の水を吸収できる。ナノコンポジットゲルに関しては、ポリマー鎖が、有機架橋剤の代わりに、ナノ粒子、例えば無機粘土によって架橋される。９  このナノコンポジットハイドロゲルもまた、高度な伸縮性及び非常に優れた引張強度を有する。ダブルネットワークハイドロゲルは、２種の相互進入ポリマーネットワーク：一方は高度に架橋された剛性のポリマーマトリックスであり、他方のポリマーネットワークは緩く架橋された柔軟性ポリマーマトリックスである。１０  これらのダブルネットワークハイドロゲルは、非常に高い硬度及び靱性を有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は新規なナノコンポジットハイドロゲルを提供することを、探求する。
【０００６】
本発明は、ナノコンポジットハイドロゲルを調製する、新しい方法を提供することを、さらに探求する。
【０００７】
本発明の一態様において、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含むクロスリンカーによって架橋された親水性ポリマーを含む、ナノコンポジットハイドロゲルを提供する。
【０００８】
本発明の別の態様において、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含む、前記ポリマーのためのクロスリンカーの存在下で親水性モノマーを重合して親水性ポリマーを形成するステップを含む、ナノコンポジットハイドロゲルの調製方法を提供する。
【０００９】
本発明の他の態様において、本発明のナノコンポジットハイドロゲルから形成される新規な用具、例えば、医療用品及び吸収性衛生用品を提供する。
【００１０】
本発明のさらに他の態様において、工業材料として、本発明のナノコンポジットハイドロゲルの使用を提供する。
【００１１】
本発明のさらに他の態様において、医学的応用における薬剤送達系として、本発明のナノコンポジットハイドロゲルの使用を提供する。
【００１２】
本発明のさらに他の態様において、刺激応答性センサーとして、本発明のナノコンポジットハイドロゲルの使用を提供する。
【００１３】
本発明のさらに他の態様において、医療用インプラントのための、本発明のナノコンポジットハイドロゲルの使用を提供する。
【００１４】
本発明のさらに他の態様において、組織工学における、本発明のナノコンポジットハイドロゲルの使用を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ナノコンポジットハイドロゲルは親水性ポリマー、具体的には親水性ビニルモノマーの重合に由来する親水性ポリマーを含み、このポリマーは、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含むクロスリンカーによって架橋される。
【００１６】
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）は、通常、化学的木材パルプの酸加水分解によるコロイド懸濁液として抽出されるが、細菌、セルロース含有海洋生物（例えば、被嚢類）又は綿などの、他のセルロース系材料を使用することができる。ＮＣＣは、β（１→４）に連結されたＤ−グルコース単位の線状ポリマーであるセルロースから構成され、その鎖は、それら自体が結晶質及び非晶質のドメインを形成するように配置される。加水分解抽出を介して得られるＮＣＣは、９０≦ＤＰ≦１１０の範囲の重合度（ＤＰ）及び３．７〜６．７の硫酸基／１００無水グルコース単位を有する。ＮＣＣは、抽出に使用される原材料に依存して、物理的次元が５〜１０ｎｍの横断面及び２０〜１００ｎｍの長さに及ぶ結晶子を含む。これらの荷電結晶子は、水若しくは、適切に誘導体化される場合、他の溶媒中に懸濁することができ、又は自己組織化され、空気乾燥、スプレー乾燥又は凍結乾燥を介して固体材料を形成する。乾燥した際に、ＮＣＣは並行六面体棒状構造の凝集体を形成し、ナノメーター範囲（５〜２０ｎｍ）の横断面を保有し、一方でそれらの長さは数桁大きく（１００〜１０００ｎｍ）、高いアスペクト比をもたらす。ＮＣＣはまた、セルロース鎖の理論的限界に迫る高い結晶化度（＞８０％、８５及び９７％の間が最も可能性が高い）を特徴とする。セルロース鎖間の水素結合は、ＮＣＣ中の局所構造を安定化することができ、結晶質ドメインの形成においてカギとなる役割を果たしている。試料の結晶質分画として定義される結晶化度は、ＮＣＣの物理的及び化学的挙動に強く影響を与える。例えば、ＮＣＣの結晶化度は、化学誘導体化に関する近接性、膨潤及び水結合特性に直接影響を与える。
【００１７】
具体的に、クロスリンカーは、改質剤が、ＮＣＣのヒドロキシル基とカップリングされる第１の官能基及びポリマーとカップリングされる第２の官能基を有する、改質されたＮＣＣを含む。
【００１８】
この改質剤は、官能基を有するビニルモノマーが適切であり、例としてグリシジルメタクリレートを挙げることができる。それらの分子構造に基づいて、化学物質のグループは、ＮＣＣの改質剤として機能するように、適切に選択することができる。いくつかの例は、トリメチルシリルメタクリルレート、２−（トリメチルシリルオキシ）エチルメタクリレート、２−アミノエチルメタクリレート、２−イソシアネートエチルメタクリレート、２−クロロエチルアクリレート、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルイソシアネート、２−アミノエチルビニルエーテル及びビニルトリメトキシシランである。
【００１９】
適切な親水性モノマーは、例として、アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）、ビニル−２−ピロリジノン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）及びＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）を含む。親水性モノマーの以下のグループ、α−エチルアクリル酸、メタクリル酸、２−アクリルアミド（ａｃｒｙｌａｍｉｄｏ）−２−メチル−１−プロパンスルホン酸、ヒドロキシポリエトキシ（１０）アリルエーテル、２−ヒドロキシエチルアクリレート、３−スルホプロピルアクリレートカリウム塩、ポリ（エチレングリコール）アクリレート、テトラヒドロフルフリルアクリレート及びメタクリルアミドを、ポリマー形成用にさらに特定することができる。さらに、親水性ポリマーが親水性コポリマーであるように、したがって、共重合反応のための適切な組み合わせとして、原理上は上述のモノマーすべてをコモノマーとして選択することができる。親水性ポリマーを作製するための共重合用の適切なコモノマーの組み合わせは、例えば、アクリルアミド及びアクリル酸、アクリルアミド及びメタクリル酸、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド及びアクリル酸、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド及びポリ（エチレングリコール）アクリレート並びにポリ（エチレングリコール）アクリレート及びアクリルアミドである。
【００２０】
したがって、親水性ビニルモノマーの重合は、ビニルモノマーの単独重合であっても、又はビニルモノマー及びコモノマーの単独重合であってもよい。
【００２１】
共重合の場合、優れたハイドロゲルを作るために、親水性モノマー及び親水性コモノマーを用い、水性媒体中で膨潤可能なはずの架橋ネットワークを形成する。
【００２２】
第１の官能基は、改質剤とＮＣＣとをカップリングするための、ヒドロキシル基などのＮＣＣ上の基と反応又はカップリングすると思われる任意の基であってよく、第２の官能基が、ポリマー又はポリマーを形成するモノマー上の基と反応又はカップリングすると思われる任意の基であってよいことは、理解されるであろう。当業者は、ＮＣＣと、親水性ポリマー又はこのようなポリマーを形成するモノマーとをカップリングするための、適切な官能基を有する改質剤を選択することができるであろう。同様に、当業者は、改質剤の第２の官能基とカップリングするための適切な官能基を有する、ポリマー形成のためのモノマーを選択することができるであろう。
【００２３】
ポリマー形成のためのモノマーを参照する限り、架橋ホモポリマーより架橋コポリマーを作製するために、コモノマーを追加して用いることが本発明の範囲内であることは理解されるであろう。このような場合、コモノマーは、架橋に参加する必要はないが、架橋に参加することもまた可能である。このような方法で、さまざまな所望の特徴のハイドロゲルが、親水性モノマー、改質剤及び任意選択のコモノマーの選択によって作製可能である。
【００２４】
さらに、クロスリンカー及び強化ドメインとして、ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含むナノコンポジットハイドロゲルの調製方法を提供する。個々のＮＣＣナノ粒子を、改質剤の少なくとも２単位と結合させる。ＮＣＣは、ハイドロゲル構造内に完全にランダムに分布されることが期待される。調製されたハイドロゲルは、高度の機械的強度を有しながら、もともとの特性を維持する。粘土系ナノコンポジットハイドロゲルと比較して、ＮＣＣは生分解性であり、生体適合性である。生分解性及び生体適合性は重要なので、このことは、ＮＣＣ系のハイドロゲルを医薬関連応用に関してより有望にする。ＮＣＣナノコンポジットハイドロゲルの調製は、２ステップの方法を伴う。第１のステップは、ＮＣＣを改質し、適切なクロスリンカーをもたらすことであり、第２のステップは、親水性ビニルモノマーと、改質ＮＣＣとをｉｎ  ｓｉｔｕ重合し、ナノコンポジットハイドロゲルを作ることである。
【００２５】
本発明のハイドロゲルは、きわめて優れた機械的強度を保有しながら、一方でそれらのもともとの特性、例えば刺激応答性及び高速拡散を維持し、したがって、非常に多くの、ハイドロゲルに基づく新しい応用において開発が可能である。
【００２６】
本発明の特定の実施形態において、フリーラジカル重合が、ナノ結晶（ＮＣＣ）系ナノコンポジットハイドロゲルの形成に使用される。アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）、ビニルピロリドン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）、Ｎ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）などの、さまざまな親水性ビニルモノマーが適している。重合の際にＮＣＣには架橋点が無いので、ＮＣＣは、まず、クロスリンカーとして機能するように改質されなければならない。改質は以下の手順で実施され、それによって、官能基を有するビニルモノマー、例えば、グリシジルメタクリレート（ＧＭＡ）がＮＣＣ上のヒドロキシル基との反応に使用され、メタクリレート基とカップリングしたＮＣＣがもたらされる。その後、ナノコンポジットハイドロゲルは、改質ＮＣＣ及びアクリルアミドなどの親水性モノマーを使用して、過硫酸カリウムなどのフリーラジカル開始剤により開始されることによって調製される。本発明の手順の後、改質ＮＣＣから調製されたナノコンポジットハイドロゲルは、普通の有機クロスリンカー、例えば、Ｎ，Ｎ’’−メチレンビスアクリルアミド（ＢＩＳ）から調製されたハイドロゲルよりはるかに強い。１１得られたナノコンポジットハイドロゲルの水により膨潤する能力は可逆的であり、このことは、機械的特性が増強されながら、ハイドロゲルの拡散特性が保持されていることを示す。ＮＣＣ粒子間の分子量又はポリマー鎖の長さは、２つの主要因：（ｉ）ＮＣＣ濃度及び（ｉｉ）ＮＣＣ表面にグラフト化された改質剤の密度によって調節され得る。ＮＣＣ濃度及びＮＣＣ表面にグラフト化された改質剤の密度が高いほど、ポリマー鎖は短くなると思われる。反対に、ＮＣＣ濃度及びＮＣＣ表面にグラフト化された改質剤の密度が低いほど、ポリマー鎖は長くなる。しかし、ＮＣＣ濃度は、得られたハイドゲルの機械的強度にも影響を与え得る。
【００２７】
上記の方法は、モノマーとしてアクリルアミドの使用に限定するものではない。さまざまなモノマーの選択は、最終的な応用に依存する。さまざまなモノマー系に関して、ナノコンポジットハイドロゲルは、ｐＨ応答性、温度感受性、電気化学的感受性などであり得る。機械的強度を増強することは、ハイドロゲルの潜在用途を、広範囲の工業材料及び医薬系に拡大するものと思われる。
【００２８】
ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルの調製に用いることができる、具体的ステップの詳細な説明を以下に記載する。
【００２９】
１．適切な官能基を保有するビニルモノマーによるＮＣＣの表面改質：特定の濃度、例えば４．３８重量％の水中ＮＣＣ懸濁液を使用する。ＮＣＣ懸濁液のｐＨは中性に調整し、その後、ＮＣＣ懸濁液を適切な技術、例えば、スプレー乾燥又は凍結乾燥を使用して乾燥させる。数グラムの凍結乾燥ＮＣＣ、通常１から１０ｇ、例えば５ｇを、５０から５００ｍｌ、好ましくは１００ｍｌの適切な溶媒、例えばジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）に、ＮＣＣが完全に懸濁されるまで、１０分から４時間撹拌しながら再懸濁する。溶媒の選択は、ＮＣＣ懸濁液が完全に分散しなければならないという事実だけに限定される。次いで、ＮＣＣ懸濁液を１０から６０分間超音波処理する。所望の量の触媒、例えば、１ｇの４−ジメチルアミノピリジン（ＤＭＡＰ）を懸濁液に加え、懸濁液を、窒素を用いて１０から６０分間さらに泡立て、溶存酸素を取り除く。反応を、必要量、例えば、０．７３ｇの官能基を有する適切なビニルモノマー、例えばグリシジルメタクリレート（ＧＭＡ）を懸濁液に導入することによって開始する。反応は、室温からＮＣＣの分解温度までの任意の温度範囲において実施可能であり、この場合、５０℃を使用する。反応時間は、４時間から数日に及んでよく、ここでは４８時間を用いる。反応時間、温度、ＧＭＡとＮＣＣとの比が、改質の程度を決定する。反応後、いくらかの脱イオン（ＤＩ）水、この場合１００ｍｌを懸濁液に導入し、系のｐＨを７〜８に調整する。得られた懸濁液を、ＤＩ水に対して３から１０日、ここでは７日透析する。透析後、懸濁液を３０分間超音波処理し、例えば、Ｗｈａｔｍａｎの４２番ろ紙を介して濾過する。最後に、改質ＮＣＣ懸濁液のｐＨを、７〜８に調整し、凍結乾燥する。
【００３０】
２．ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルの調製：計算量の改質ＮＣＣ及びアクリルアミドを、完全に溶解するまで、通常１０分から６０分撹拌しながらＤＩ水に溶解し、その後、１０から３０分間超音波処理する。次いで、懸濁液を、０．４５μｍのニードルフィルターを介して濾過する。所望の量の適切な触媒、例えばΝ，Ν，Ν’’，Ν’’−テトラメチルエチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）を、開始剤によるフリーラジカルの発生を援助するためにＮＣＣ懸濁液に加え、懸濁液を少なくとも３０分間窒素を用いて泡立てる。計算量の適切な開始剤、例えば過硫酸カリウム（ＫＰＳ）をＤＩ水中に溶解し、窒素を用いて同時に泡立てる。反応を開始するために、ＫＰＳ溶液を、アイス−ウォーターバスにおいてＮＣＣ懸濁液に導入する。ｉｎ  ｓｉｔｕのフリーラジカル重合を、室温において１から５日間、例えば２日間、反応が終了するまで窒素雰囲気下で進行させる。モノマー（アクリルアミド）、開始剤（ＫＰＳ）及び触媒（ＴＥＭＥＤ）のモル比は、この具体的試料において、３８１：１：２．３５に一定に保つ。さまざまなＮＣＣ対アクリルアミドの比を使用して、ナノコンポジットハイドロゲルの機械的特性についてのＮＣＣ濃度の効果を最適化できる。他の反応物質のモル比もまた、妥当な範囲内で調整し、調製されるＮＣＣハイドロゲルの特性を調節できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】記載のナノコンポジットハイドロゲルにおいて、ＮＣＣがクロスリンカーとしてどのように機能するかの略図である。各ナノ粒子が、改質剤の少なくとも２単位と結合する。ＮＣＣは、ハイドロゲル構造内で、完全にランダムに分布することが期待される。
【図２】表１に記載の条件に従った、改質ＮＣＣのＦＴ−ＩＲスペクトルの図である。
【図３】ＮＣＣ系ナノコンポジット（△）及びＢＩＳ系（実線）ハイドロゲルの引張挙動を示すプロットである。
【図４】ＮＣＣ系ナノコンポジット（▲）及びＢＩＳ系（■）ハイドロゲルに関する、漸増ナノ強化／クロスリンカー荷重に対する引張強度反応を示すプロットである。
【図５】ＮＣＣ系ナノコンポジット（▲）及びＢＩＳ系（■）ハイドロゲルに関する、ナノ強化／クロスリンカー荷重の関数としての圧縮弾性率を示すプロットである。
【００３２】
【表１】
2013517353.tif 000002
【実施例】
【００３３】
（実施例１）
ＧＭＡによるＮＣＣの改質を、さまざまな反応条件を使用して調節した。改質ＮＣＣの表面荷電が、元のＮＣＣと比較して減少することを、表１に例示する。さらに、改質ＮＣＣは元のＮＣＣよりサイズが小さくなる。これは、触媒のＤＭＡＰが塩基であり、おそらくＤＭＡＰがＮＣＣを加水分解し、ＮＣＣをより小さくし、表面荷電が減少したためと思われる。ＧＭＡのＮＣＣへのグラフトを確認するために、Ｆｏｕｒｉｅｒ変換赤外法（ＦＴ−ＩＲ）検査を実施し、改質ＮＣＣ試料をチェックした。図２に明示されるように、約１７２０ｃｍ−１におけるピークは、メタクリレート上のカルボニル基の振動を表し、このことは、メタクリレート基がＮＣＣ上にグラフト化されたことを示す。
【００３４】
（実施例２）
ハイドロゲルの機械的特性は、Ｉｎｓｔｒｏｎ又は任意の他の引張試験機を使用して、伸長速度１００ｍｍ／分で分析できる。ゲージ長は３０ｍｍに設定し、試験片は、直径１１．４６ｍｍの固体円柱である。初期横断面を使用して、引張強度及び弾性率を計算する。
【００３５】
図３は、（１）本発明に従って調製されたＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲル及び（２）有機クロスリンカーのＢＩＳを使用して調製されたハイドロゲルの典型的な引張応答を示す。ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルは、有機クロスリンカーを使用して作製されたハイドロゲルの挙動と、特徴的に異なる挙動を示す。ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルは、約１００％の歪みにおいて明らかな変曲点を示し、線形弾性から塑性応答への遷移を示す。この弾塑性挙動は、ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルが、（１）かなりの量のエネルギーを吸収する能力を有する（高度に強靭な材料）、（２）堅い（高弾性率）、及び（３）塑性範囲において高度の引張強度を有する（弾性域より７倍を超えて高い）ことを示す。ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルに関するこの大幅な塑性応答はＮＣＣ強化メカニズムにより可能になる独特な特徴である。
【００３６】
図４は、それぞれ、ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲル及び有機クロスリンカーを使用して調製されたハイドロゲルにおける、漸増ＮＣＣ（又はＢＩＳ）含有量の関数として引張強度応答を表す。引張強度は、ＢＩＳ含有量が増加するに従って増加し（■）、約０．０１５ＭＰａにおいてピークに達し、その後減少することが明らかである。しかし、ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルに関する引張強度は、ＮＣＣ含有量が増加するに従って、着実に増加する（▲）。例えば、モノマーの５０％ｗ／ｗのＮＣＣ荷重において、引張強度は０．１２６ＭＰａに達し、普通のハイドロゲルに関する引張強度の８倍を超えて高い。
【００３７】
（実施例３）
圧縮試験を、Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ａｎａｌｙｚｅｒ  （ＴＭＡ  Ｑ  ４００）を使用して膨張プローブの下で実施する。試料の高さは約６ｍｍであり、プローブの直径は２．７９５ｍｍである。測定は、初期圧縮力０．０１Ｎ及び圧縮力の勾配が０．１Ｎ／分から１．２Ｎを適用することによって実施する。０．５から２．５ｍｍの間の圧縮を使用して、圧縮弾性率を計算する。
【００３８】
図５は、モノマーにおける重量パーセントとしての架橋密度又はＮＣＣ荷重の関数としてハイドロゲルの圧縮弾性率を表す。例えば、ＢＩＳハイドロゲル（■）に関して、圧縮弾性率は、クロスリンカー濃度の増加に従って増加し、データは対数応答に従い、約９ｋＰａで横ばい状態になる。しかし、ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルに関する圧縮弾性率は、ＮＣＣ荷重の増加に従って、指数関数的に増加する（▲）。この結果は、ナノコンポジットハイドロゲル中の改質ＮＣＣ荷重が、ＢＩＳ系ハイドロゲルの場合より、はるかに速い速度で圧縮弾性率を増強するであろうことを、さらに示している。
【００３９】
（実施例４）
ハイドロゲルの膨潤特性を、調製されたハイドロゲルをＤＩ水に３日間浸漬することによって測定し、膨潤前後のハイドロゲルの重量を比較する。膨潤比を、浸漬後の重量対浸漬前の重量の比として規定する。表２は、ＮＣＣナノコンポジットハイドロゲルが、普通のハイドロゲルより高い膨潤比を有することを明らかに示している。乾燥させ、水へ再浸漬させた場合、ＮＣＣ系ナノコンポジットハイドロゲルの膨潤が可逆性であることがさらに見出される。
【００４０】
2013517353.tif 000003
【図１】
2013517353.tif 000004
【図２】
2013517353.tif 000005
【図３】
2013517353.tif 000006
【図４】
2013517353.tif 000007
【図５】
2013517353.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月25日(2011.5.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含むクロスリンカーによって架橋された親水性ポリマーを含み、上記クロスリンカーが、改質剤がＮＣＣのヒドロキシル基とカップリングされる第１の官能基及び上記ポリマーとカップリングされる第２の官能基を有する、改質されたＮＣＣを含むナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項２】
前記親水性ポリマーが、親水性ビニルモノマーの重合に由来する、請求項１に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項３】
前記親水性ポリマーが、親水性ビニルモノマーと前記親水性ビニルモノマーのためのコモノマーとの共重合に由来する、請求項１に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項４】
前記コモノマーが親水性コモノマーである、請求項３に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項５】
前記親水性ポリマーが、アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）及びビニルピロリドン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）及びＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）から選択される親水性モノマーの重合に由来する、請求項１に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項６】
前記改質剤が官能基を有するビニルモノマーである、請求項１から５までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項７】
前記改質剤が、グリシジルメタクリレート、トリメチルシリルメタクリルレート、２−（トリメチルシリルオキシ）エチルメタクリレート、２−アミノエチルメタクリレート、２−イソシアネートエチルメタクリレート、２−クロロエチルアクリレート、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルイソシアネート、２−アミノエチルビニルエーテル及びビニルトリメトキシシランからなる群から選択される、請求項１から５までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項８】
官能基を有する前記ビニルモノマーがグリシジルメタクリレートである、請求項６に記載のナノコンポジットハイドロゲル。
【請求項９】
ナノ結晶セルロース（ＮＣＣ）を含む、前記ポリマーのためのクロスリンカーの存在下で親水性モノマーを重合して親水性ポリマーを形成するステップを含む、ナノコンポジットハイドロゲルの調製方法。
【請求項１０】
前記親水性モノマーが親水性ビニルモノマーである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記重合ステップが、前記親水性モノマーとコモノマーとの共重合を含む、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コモノマーが親水性コモノマーである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記クロスリンカーが、第１及び第２の官能基を有し、前記第１の官能基をＮＣＣのヒドロキシル基と反応させ、前記第２の官能基をポリマーとカップリングさせる改質剤によって改質されたＮＣＣを含む、請求項９から１２までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記親水性モノマーが、アクリル酸、アクリルアミド（ＡＭ）及びビニルピロリドン、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）及びＮ−ビニルホルムアミド（ＮＶＦ）から選択される、請求項９から１３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記改質剤が、グリシジルメタクリレート、トリメチルシリルメタクリルレート、２−（トリメチルシリルオキシ）エチルメタクリレート、２−アミノエチルメタクリレート、２−イソシアネートエチルメタクリレート、２−クロロエチルアクリレート、３−（トリメトキシシリル）プロピルアクリレート、グリシジルアクリレート、ビニルイソシアネート、２−アミノエチルビニルエーテル及びビニルトリメトキシシランからなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記改質剤が官能基を有するビニルモノマーである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
官能基を有する前記ビニルモノマーがグリシジルメタクリレートである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１から８までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲルから形成された医療用品。
【請求項１９】
請求項１から８までのいずれか一項に記載のナノコンポジットハイドロゲルから形成された吸収性衛生用品。
【請求項２０】
医学的応用のための薬剤送達系、刺激応答性センサー、医療用インプラント及び組織工学材料から選択される、請求項１８に記載の医療用品。
【国際調査報告】
2013517353.tif 000009
2013517353.tif 000010