(57)【要約】  本発明は、ポリマーブレンドに基づき、そして繊維のネットワークを含む強化複合ヒドロゲルに関し、該ポリマーブレンドは、ＵＶ感受性分子を含む。本発明はまた、本発明の強化複合ヒドロゲルを製造するための方法に関する。
2013535232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマーブレンドを基材とし、かつ繊維のネットワークを含む強化複合ヒドロゲルであって、該ポリマーブレンドはＵＶ感受性分子を含む、上記強化複合ヒドロゲル。
【請求項２】
前記繊維が、それらの親水性を増加させるように修飾される、請求項１に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項３】
カルボキシメチル官能基が前記繊維の表面に付加される、請求項２に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項４】
前記繊維が、２〜１００ｎｍの直径を有するセルロースナノ繊維である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項５】
ヒドロゲルマトリックスが、ツイーン（Ｔｗｅｅｎ）２０(R)トリメタクリレート（Ｔ３）、ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ＮＶＰ）、水中イルガキュア２９５９の０．０５質量％水溶液としての光開始剤イルガキュア２９５９、及び脱イオン水から構成され、Ｔ３濃度は１〜１５体積％で変化し、そしてＮＶＰ濃度は３５〜４９体積％であり、イルガキュア溶液の濃度は１０体積％で一定に維持され、そして水の量は常に４０体積％であり、そしてフィブリル含量は０．２〜１．６質量％で変化する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項６】
生物医学的応用のための、請求項１〜５のいずれか１項に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項７】
髄核のような組織の置換のための、請求項６に記載の強化複合ヒドロゲル。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の強化複合ヒドロゲルを製造するための方法であって、以下：
ｉ）モノマー、光開始剤の水溶液、及び脱イオン水を手動により混合して均一な前駆溶液を得る工程；
ｉｉ）繊維を、それらの乾燥形態又はゲル形態で前駆溶液に加え、そして高剪断ミキサーで２０分間撹拌して繊維の良好な分散体を得る工程；
ｉｉｉ）次いで、繊維を含む前駆溶液を約１５分間１０ｍｂａｒの真空下で脱気して気泡を除去する工程；
ｉｖ）次いで、この溶液をＵＶ光耐性の円筒形シリコン型に鋳込み３０分間ＵＶ光に露光させる工程；
ｖ）次いで、ヒドロゲルサンプルを型から外し、そしてリン酸緩衝化生理食塩水（ＰＢＳ）中で保存して、膨潤平衡に達するようにする工程［平衡に達するまでに必要な時間は２４〜４８時間で変化する］；
を含む、上記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明はヒドロゲルに関する。これらは、静水圧負荷の減衰及び／又は伝達が必要とされる系（ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｅｒｅ）において有利に使用され得る。このような系は工学装置及び生物医学的インプラントにおいて見られる。例えば生物医学的適用において、椎間板の内核である髄核のような組織の置換に使用される。
【背景技術】
【０００２】
背景
複合材料
堅固で丈夫な、そして軽い高性能材料の必要性を満たす複合材料がこの４０年間の間に開発されてきた。これらのポリマー複合材料は金属よりも良好な特有の特性を有し得、そして航空宇宙、自動車、船舶、スポーツ産業及び生物医学適用において広く使用される［非特許文献１］。最新世代の高性能複合材料は、能動ダンピング又は自己回復機能を含む［非特許文献２、非特許文献３］。生体材料の分野において、骨組織工学のための複合フォームは、例えばＰＬＡ及びヒドロキシアパタイト、無機充填剤から構成され、高い機械的性能及び増強された生物活性を有する材料を生じる［非特許文献４、非特許文献５］。繊維含有量勾配を有するＰＬＡの複合フォームも、インビボで足場材料の吸収を調整するために開発された。文献において、調整された機械的特性及び膨潤特性を有する複合ヒドロゲルに関するデータはほとんど存在していない。
【０００３】
ヒドロゲルの基礎
ヒドロゲルはＨｏｆｆｍａｎ［非特許文献６］によって水中のそれらの乾燥質量の１０〜２０％（任意の下限）から数千倍までを吸収し得る親水性ポリマーと定義される。それらは分解可能であっても、ネットワークに存在する結合に依存していなくてもよい。架橋ゲルの３つのカテゴリーがある：もつれ、物理ゲル（可逆性ゲルとも呼ばれる）、並びに化学ゲル若しくは永久ゲル。
【０００４】
もつれにより形成されるゲルは一時的なネットワークであり、２つのポリマー鎖が相互貫通する場合に形成される。物理ゲルにおいて、ネットワークはイオン性、Ｈ−結合又は疎水性の力を含む二次的な力により結び付けられる［非特許文献７、非特許文献８］。これらのゲルは、分子のもつれのクラスター、又は疎水的に若しくはイオン的に結合したドメインが不均一性を生じ得るので均一ではない。自由な鎖末端及び鎖ループも物理ゲルの欠点を表す。
【０００５】
ヒドロゲルは、それらが共有結合で架橋されたネットワークである場合に「永久」又は「化学」ゲルと呼ばれる。これらのヒドロゲルは、水溶性ポリマーの架橋により、又は疎水性ポリマーを親水性ポリマーに変換し、そして架橋してネットワークを形成することにより生成され得る［非特許文献６、非特許文献９、非特許文献１０］。架橋した状態において、架橋ヒドロゲルは水溶液中で平衡膨潤度に達し、これは主に架橋密度及び鎖の親水性に依存する。それらは通常、低い含水量の領域及び高い架橋密度の領域（クラスターと呼ばれる）を含有するので、物理ヒドロゲルと同様に化学ヒドロゲルは不均一である。物理ゲルと同じ欠点が化学ゲルにおいて見られ得る。これらはいずれの場合もネットワークの可撓性に寄与しない。
【０００６】
ヒドロゲルは多数の他の方法で分類され得る。ヒドロゲルの異なる高分子構造が１つの方法を生じる。これらとしては以下が挙げられる：線状ホモポリマー、線状コポリマー及びブロック又はグラフトコポリマーの架橋又はもつれたネットワーク；ポリイオン−多価イオン、ポリイオンポリイオン又はＨ−結合複合体；親水性ドメインにより安定化された親水性ネットワーク；並びに物理的ブレンド［非特許文献６］。分類はまた、イオン電荷（中性、アニオン性、カチオン性及び両性ヒドロゲル）；構造（非晶質、半結晶性ヒドロゲル）に基づいていてもよい。架橋方法は分離の別の基礎である。化学ヒドロゲルについて、方法は：ラジカル重合、化学反応、高エネルギー照射によるもの、及び酵素を使用する架橋である。物理ゲルについては：イオン性相互作用、結晶化による架橋、並びに両親媒性ブロック及びグラフトコポリマーから最終的に物理的に架橋されたヒドロゲルである［非特許文献６］。
【０００７】
複合ヒドロゲル
過去数十年の間、ヒドロゲルの機械的特性を改善するために、ぶら下がったくし形の鎖を導入すること［非特許文献１１、非特許文献１２］、ヒドロゲルネットワーク中にポリマー粒子を加えること［非特許文献１３］、冷却処理［非特許文献１４］又は凍結乾燥［非特許文献１５］、ポリマーにクレイを組み込むこと［非特許文献１６〜１８］、及び相互貫入したネットワーク構造（ＩＰＮ）を形成すること［非特許文献１１、非特許文献１９］のような多くの努力が行われてきた。複合ヒドロゲルは少なくとも２つの成分から構成され、それぞれが特定の機能を有する。従って、複合ヒドロゲルの特徴は、構成要素の物理化学的特性、そして材料の構造にも依存する。実際に、同じ材料に基づく２つのヒドロゲルは、構造要素のサイズを変化させることにより異なる特性を有し得る。構造要素の形態、相間相互作用の性質、合成方法及び２つの相を組み合わせる方法もまた、複合ヒドロゲルの最終特性を変化させ得る。複合ヒドロゲルを作製するために最も使用されるポリマーは、ヒドロキシ含有ポリマー（すなわち、ＰＶＡ及びそのコポリマー、２−ヒドロキシエチルメタクリレートのコポリマー）、ポリエーテル（すなわち、ポリ（エチレンオキシド）、ＰＥＯ、エチレンオキシド及びプロピレンオキシドのブロックコポリマー）、アミド基を含有するポリマー（すなわち、ポリアクリルアミド（ＰＡＡ）、ポリ（Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）（ＰＩＰＡ）、ポリ（Ｎ−ビニルピロリドン）（ＰＶＰ））［非特許文献２０］である。これらのポリマー間の相互作用は、ブロックコポリマー及びグラフトコポリマー、さらにはＩＰＮを生じ得る。コポリマーヒドロゲルについては、ポリマー上のイオン性及び非イオン性極性基の存在は、様々な物理的及び化学的相互作用によるそれらのグループ化を可能にする。このような複合体の例は、ポリ（メタクリル酸）（ＰＭＭＡ）及びポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）に基づくヒドロゲルにより提供される［非特許文献２１〜２５］。このヒドロゲルはカルボキシル基とポリエーテル鎖の酸素との間の水素結合の形成により生じる。これは１３〜６８％の範囲の比較的高い平衡含水量を示すが、ＰＥＯヒドロゲル単独よりも良好な機械的特性を有する［非特許文献２１］。
【０００８】
ＩＰＮの合成は、２つのポリマー間の共有結合の形成を必要としないので単純であり、高分子の結合は２つのポリマーネットワークのもつれにより行われる。しかし、水素結合、疎水性相互作用、イオン−双極子相互作用及び高分子電解質系に典型的な相互作用のような、ＩＰＮの特性を変化させる他の相互作用が高分子間で起こり得る。ＩＰＮを合成する方法が２つある：第一の場合、両方のネットワークが同時に生じ、そしてこれはネットワークが２つの独立した機構により形成される場合である。他の場合には、ネットワークは２段階で生じる：第一のネットワークが最初の段階で現れ、次いで第二のネットワークの成分での飽和が起こり、第二のネットワークが形成する［非特許文献２０］。この第二の場合に、複合ヒドロゲルの相分離及び形態のより良好な制御が可能となる。これらのヒドロゲルは、系の特定の耐性を必要とする生物医学的適用において主に使用される。このようなＩＰＮの例は、ポリアクリレート（ＰＡＣ）及びポリアミド（ＰＡＭ）に基づくヒドロゲルにより提供される［非特許文献１９、非特許文献２６］。
【０００９】
無機成分を含有するヒドロゲルも有望である。これらの無機成分は、生物組織との適合性、機械的特性並びに熱的及びｐＨ応答性のようなそれらの特性を改変するため、又は磁気的特徴及び抗菌特性のような新しい特性を付与するためにヒドロゲルに導入される。これらの有機−無機ヒドロゲルを製造するための方法が２つある。第一に、無機添加物をナノ粒子又は微粒子の形態で水溶性ポリマー又はモノマーの溶液と混合し、続いてそれらを重合させることができる。第二の方法は、ゾル−ゲル法による無機相の形成にある：モノマー又はポリマー及び無機成分の前駆体を溶液に加え、次いで様々な化学反応により無機成分を水に不溶性の粒子へと変換させる。最後にモノマーの重合又はポリマーの架橋を行う。最も頻繁に使用される無機成分は、酸化物又は様々なクレイ、水に不溶性の塩及び金属である。Ｌｉら［非特許文献２７］は、整形外科及び歯科インプラントとしての適用のための、二酸化チタン（ＴｉＯ２）で強化されたポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）（ｐＨＥＭＡ）のヒドロゲルを開発した。Ｈａｒａｇｕｃｈｉら［非特許文献１７］は、水膨潤性クレイで強化されたヒドロゲルが、ねじり及び伸長の高レベルの変形に耐えることができ、そして高い膨潤比を有するということを示した。
【００１０】
生体模倣適用のための複合ヒドロゲルに関する研究は、薬物送達システムのための分解性ヒドロゲル、組織工学のための足場及び生物医学的装置のためのコーティングに集中している。強化効果のみが望まれる場合に、活性粒子、機械的特性の増大を生物学的効果に結びつけること、又は不活性粒子のいずれかにより強化が生じる。この適用のためのフィラーの選択はあまり広範ではない。ヒドロキシアパタイト及びカルシウムはそれらの生物学的活性のために使用され、一方でクレイはその生体不活性の特性のために使用される。この所望の適用のためのヒドロゲルの膨潤挙動は鍵となるパラメーターであり、そして理想的なフィラーはヒドロゲルの膨潤特性を妨害することなく機械的特性を増大させる能力を有しているべきである。
【００１１】
ヒドロゲル強化のための繊維及び複合材料の膨潤挙動の調整
本発明で網羅されるヒドロゲルの機械的強化のための繊維は、例えば天然繊維、絹、コラーゲン、セルロース又はポリマーから構成され得る。ヒドロゲルにおける使用についての特定の繊維の適性は、固有の機械的特性、表面積及び寸法又は親水性のようないくつかの特徴に依存し得る。本発明は、排他的ではないが特に、小さい直径及び高いアスペクト比を有し、親水性の性質も有する繊維に基づく。
【００１２】
セルロースは、［ベータ］−１，４グリコシド結合により線状に連結されたアンヒドログルコースから構成されるグルカン鎖からなる。セルロース源に依存して、その重合度は数百から数千モノマー単位の間で変動し得る。生合成の間、グルカン鎖は、自己集合により平行整列（結晶ドメイン）及びフリンジ領域（非晶質ドメイン）へと連合する。このプロセスにより形成されたナノ繊維は、約２ｎｍから約１００ｎｍまでの様々な直径を有する。１μｍより長いナノ繊維は「ナノフィブリル」と表されるが、２００と５００ｎｍの間の長さ及び１０ｎｍ未満の直径を有するそれらのより短い部分は「ナノウィスカ」と表される［非特許文献２８］。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Hull D, Clyne TW. Comprehensive composite Materials. Volume 2: Polymer Matrix Composites.: Elsevier; 1996.
【非特許文献２】Fischer C, Bennani A, Michaud V, Jacquelin E, Manson J-A, E. Structural damping of model sandwich structures using tailored shear thickening fluid compositions. Smart Materials and Structures. 2010;19.
【非特許文献３】Kirkby EL, Michaud VJ, Manson J-AE, Sottos NR, White SR. Performance of self-healing epoxy with microencapsulated healing agent and shape memory alloy wires. Polymer. 2009;50:5533-8.
【非特許文献４】Mathieu LM, Montjovent M-O, Bourban P-E, Pioletti DP, Manson J-AE. Bioresorbable composites prepared by supercritical fluid foaming. J Biomed Mater Res A. 2005;75:89-97.
【非特許文献５】Mathieu LM, Mueller TL, Bourban P-E, Pioletti DP, Muller R, Manson J-AE. Architecture and properties of anisotropic polymer composite scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials. 2006;27:905-16.
【非特許文献６】Hoffman AS. Hydrogels for biomedical applications. Advanced Drug Delivery Reviews. 2002;54(1):3-12.
【非特許文献７】Campoccia D, Doherty P, Radice M, Brun P, Abatangelo G, Williams DF. Semisynthetic resorbable materials from hyaluronan esterification. Biomaterials. 1998 Dec;19(23):2101-27.
【非特許文献８】Prestwich GD, Marecak DM, Marecek JF, Vercruysse KP, Ziebell MR. Controlled chemical modification of hyaluronic acid: synthesis, applications, and biodegradation of hydrazide derivatives. J Control Release. 1998 Apr 30;53(1-3):93-103.
【非特許文献９】Calvosa G, Bartalesi R, Tenucci M, inventors; INTERSPINOUS VERTEBRAL DISTRACTOR FOR PERCUTANEOUS IMPLANTATION. 2009.
【非特許文献１０】Moehlenbruck J, Chandrashekhar P, inventors; HYDROGEL COMPOSITIONS COMPRISING NUCLEUS PULPOSUS TISSUE. 2004.
【非特許文献１１】Kaneko Y, Nakamura S, Sakai K, Aoyagi T, Kikuchi A, Sakurai Y, et al. Rapid deswelling response of poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels by the formation of water release channels using poly(ethylene oxide) graft chains. Macromolecules. 1998 Sep;31(18):6099-105.
【非特許文献１２】Yoshida R, Uchida K, Kaneko Y, Sakai K, Kikuchi A, Sakurai Y, et al. Comb-Type Grafted Hydrogels with Rapid De-Swelling Response to Temperature-Changes. Nature. 1995 Mar;374(6519):240-2.
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【非特許文献１７】Haraguchi K, Takehisa T. Nanocomposite hydrogels: A unique organic-inorganic network structure with extraordinary mechanical, optical, and swelling/de-swelling properties. Adv Mater. 2002 Aug;14(16):1120-4.
【非特許文献１８】Haraguchi K, Takehisa T, Fan S. Effects of clay content on the properties of nanocomposite hydrogels composed of poly(N-isopropylacrylamide) and clay. Macromolecules. 2002 Dec;35(27):10162-71.
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【非特許文献２１】Kim SJ, Lee CK, Kim IY, An KH, Kim SI. Preparation and characterizations of interpenetrating polymer network hydrogels of poly(ethylene oxide) and poly(methyl methacrylate). J Appl Polym Sci. 2003 Jul;89(1):258-62.
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【非特許文献２３】Starodubtsev SG, Filippova OY. Interaction of Polymethacrylic Acid Networks with Polyethylene-Glycol. Vysokomolekulyarnye Soedineniya Seriya B. 1992 Jul;34(7):72-9.
【非特許文献２４】Tsuchida E, Abe K. Interactions between Macromolecules in Solution and Intermacromolecular Complexes. Advances in Polymer Science. 1982;45:1-119.
【非特許文献２５】Yu XH, Tanaka A, Tanaka K, Tanaka T. Phase-Transition of a Poly(Acrylic Acid) Gel Induced by Polymer Complexation. J Chem Phys. 1992 Nov;97(10):7805-8.
【非特許文献２６】Kaneko D, Tada T, Kurokawa T, Gong JP, Osada Y. Mechanically strong hydrogels with ultra-low frictional coefficients. Adv Mater. 2005 Mar;17(5):535-+.
【非特許文献２７】Li C, Zheng YF, Lou X. Calcification capacity of porous pHEMA-TiO2 composite hydrogels. J Mater Sci-Mater Med. 2009 Nov;20(11):2215-22.
【非特許文献２８】Eichhorn SJ, Dufresne A, Aranguren M, Marcovich NE, Capadona JR, Rowan SJ, et al. Review: Current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. Journal of Materials Science.45(1):1-33.
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の要旨
本発明は、ポリマーブレンドを基材とし繊維のネットワークを含む強化複合ヒドロゲルに関し、該ポリマーブレンドはＵＶ感受性分子を含む。
【００１５】
高度に膨潤したヒドロゲル構造は、膨潤及び機械的特性制御のために繊維で強化される。
【００１６】
ヒドロゲル前駆溶液は、規定された強度及び時間でＵＶ光下で硬化されるＵＶ感受性モノマーから構成される。得られたヒドロゲル特性は、膨潤及び力学に関して、前駆溶液中に存在する架橋剤モノマー含有量により調整され得る。
【００１７】
複合ヒドロゲルは少なくとも一部の繊維を組み込んでおり、これがヒドロゲルネットワークと相互貫入したネットワークを生じる。繊維は、それらの親水性を繊維表面に加えられた化学部分の量の関数として変化させ得るように改変することができ、それにより強化ヒドロゲル構造の膨潤能及び剛性の制御が可能となる。例えば、セルロース又はポリマーに基づく繊維が考慮され得る。
【００１８】
複合ヒドロゲルは、静水圧負荷の減衰及び／又は伝達が必要とされる系（ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｅｒｅ）において有利に使用され得る。このような系は工学装置及び生物医学的インプラントにおいて見られる。例えば生物医学的適用において、椎間板の内核である髄核のような組織の置換に使用される。
【００１９】
本発明はまた、本発明に従う強化複合ヒドロゲルを製造する方法に関する。
【００２０】
この方法は以下の工程を含む：
ｉ）モノマー、光開始剤の水溶液、及び脱イオン水を手動により混合して均一な前駆溶液を得る；
ｉｉ）繊維を、それらの乾燥形態又はゲル形態で前駆溶液に加え、そして高剪断ミキサーで２０分間撹拌して繊維の良好な分散体を得る；
ｉｉｉ）次いで、繊維を含む前駆溶液を約１５分間１０ｍｂａｒの真空下で脱気して気泡を除去する；
ｉｖ）次いで、この溶液をＵＶ光耐性の円筒形シリコン型に鋳込み３０分間ＵＶ光に露光させる；
ｖ）次いで、ヒドロゲルサンプルを型から外し、そしてリン酸緩衝化生理食塩水（ＰＢＳ）中で保存して、膨潤平衡に達するようにする；平衡に達するまでに必要な時間は２４〜４８時間で変動する。
【００２１】
図面の説明
本発明は、以下の図面により示される実施例を含む詳細な説明で、以下でよりよく理解されるだろう：
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】モノマー濃度の関数としてのヒドロゲルの硬化プロフィール。モノマーはツイーン（Ｔｗｅｅｎ）２０(R)トリメタクリレート（Ｔ３）であり、そして合成は実施例１に記載される。
【図２】ｃｒｙｏ−ＳＥＭ技術を使用して得られた、膨潤平衡での非強化ヒドロゲルの顕微鏡写真。Ｔ３含有量４．５体積％．
【図３】セルロースナノフィブリル含有量の関数としての、膨潤平衡での複合ヒドロゲルの応力−ひずみ曲線。
【図４】膨潤平衡での複合ヒドロゲルサンプルの体積増加。左から右に：重合後のヒドロゲル、ニートの（ｎｅａｔ）ヒドロゲル、０．２、０．４、０．８及び１．６質量％のセルロースナノフィブリルを含有する複合ヒドロゲル。
【図５】複合ヒドロゲルの膨潤比。
【図６】ｃｒｙｏ−ＳＥＭ技術を使用して得られた、膨潤平衡でのセルロースナノフィブリル強化ヒドロゲルの顕微鏡写真。Ｔ３濃度４．５体積％及びセルロースナノフィブリル含有量０．４質量％。
【図７】様々なＤＳを有するカルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを含有する複合ヒドロゲルの応力−ひずみ曲線。
【図８】２０〜２５％のひずみの間の応力−ひずみ曲線の直線部分から計算された、様々なＤＳを有するカルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを含有する複合ヒドロゲルの複合ヒドロゲルの弾性係数。
【図９】様々なＤＳを有するカルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを含有する複合ヒドロゲルの膨潤比。
【図１０】剪断でヒドロゲルを試験するための湿度室。
【図１１】０．１７６のＤＳを有するカルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを含有する複合ヒドロゲルの顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
詳細な説明
本発明は、１つ又はそれ以上のポリマーから構成されるポリマーマトリックスから製造され、相互貫入ネットワークを生じるナノ繊維で強化された複合ヒドロゲルに関する。繊維はポリマーマトリックス中に配置され、独特の３次元微細構造及び特徴を生じる。強化ヒドロゲルの機械的特性、例えば弾性係数は、繊維含有量の関数として変化させることができ、それによりその構造の剛性を制御することが可能となる。ヒドロゲルの膨潤能はまた、繊維含有量及び使用される繊維の種類によっても調整され得る。従って、目的は、水和された場合に圧縮及び静水圧に耐えることができる複合ヒドロゲルを製造することからなる。
【００２４】
図１は、ＵＶ光に感受性の２つのモノマー、光開始剤及び脱イオン水から構成されるヒドロゲルの硬化挙動を示す。反応機構はラジカル重合により説明される。フォトレオロジー（ｐｈｏｔｏｒｈｅｏｌｏｇｙ）により決定された硬化プロフィールは、分枝モノマーの濃度の濃度によって変化し、そして硬化時間は分枝モノマーが増加するにつれて減少する。硬化プロフィールは３つの異なる段階を有する：第一に、貯蔵弾性率Ｇ’の非常に急激な増加は、新しい化学結合の生成及びネットワークの形成を示す；第二に、硬化が拡散律速になる場合の減速段階。この段階において、活性ラジカルの消費及びネットワークの形成後に、ラジカルの欠乏、そしてまた残りのラジカルが新しく形成されたネットワークに捕捉されてそこから拡散することができないという事実にも起因して、硬化速度が減少する。最後に、最後の段階は、反応の完了の指標である停滞状態を特徴とする。モノマー、光開始剤及び水の量は通常、体積の割合で表される。
【００２５】
生じたヒドロゲルは図２に見られるような多孔性構造である。多孔性は、孔の相対的体積の点から定義される。本発明の場合のように孔が相互接続する場合はこれらの孔は閉じていても空いていてもよい。空いている孔は、流体がその構造を通るため、及び例えば生存細胞が多孔性材料に導入される場合の栄養輸送のために重要である。
【００２６】
ヒドロゲルは、低い剛性のネットワークを有する弱い構造であると考えられる。従って、このような水和構造の機械的特性を増大させるために強化が必要である。  フィラーの選択は最重要である。マトリックス及びフィラーの剛性の差異は、界面における応力の発生を避けるために重要でないはずである。繊維はそれらの長さと直径との間のアスペクト比が多様なものであり得、そしてネットワークを形成するはずである。繊維の分布は、不ぞろいであっても構造中で配向していてもよい。繊維はそれらの乾燥形態、又は水に分散された特定量の繊維から構成されるゲルの形態で使用され得る。繊維又は繊維のゲルを、高剪断ミキサーを使用してモノマーと混合し、次いでＵＶ光下で硬化させる。繊維の量はポリマーマトリックスの量と相対的であり、通常は質量割合で表す。
【００２７】
繊維はまた、その構造の水の取り込みを確実にするために親水性であるべきである。図４は、セルロースナノフィブリル含有量の増加に伴う、膨潤平衡でのヒドロゲルサンプルの体積増加を示す。左のサンプルは、重合後の、すなわち水和していないヒドロゲルサンプルである。多孔性は孔の相対的体積と上で定義されており、構造に繊維を加える場合、孔の体積は減少し、その後、図４に見られるように、水の吸収が同じ傾向をたどる。増加した親水性を有する化学修飾された繊維が、この制限をさけるために使用され得る。
【００２８】
本発明において提示されるような複合ヒドロゲルの場合、機械的特性及び膨潤能は相互依存的である。弾性係数、すなわち図３の応力−ひずみ曲線の直線部分の勾配は、セルロースナノフィブリル含有量に伴って増加する。しかし膨潤能は、図４において見られるようにフィブリル含有量が増加するにつれて減少する。したがって、特定の適用のために設計される理想的な複合ヒドロゲルは、機械的性能と膨潤能との間の妥協であるはずである。
【００２９】
上述の複合ヒドロゲルを加工するための本発明の方法を以下で詳細に記載する。モノマー、光開始剤の水溶液及び脱イオン水を手動で混合して均一な前駆溶液を得る。繊維を、それらの乾燥形態又はゲル形態で前駆溶液に加え、そして高剪断ミキサーで２０分間撹拌して繊維の良好な分散を得る。次いで繊維を含む前駆溶液を約１５分間１０ｍｂａｒの真空下で脱気して気泡を除く。次いでこの溶液を、ＵＶ光耐性の円筒形シリコン型に流し込んで３０分間ＵＶ光に露光させる。ＵＶ強度は１４５ｍＷ／ｃｍ2程度であり得る。次いで、ヒドロゲルサンプルを型から外し、そしてリン酸緩衝化食塩水（ＰＢＳ）中で保存して、膨潤平衡に達するようにする。平衡に達するまでに必要な時間は２４時間と４８時間との間で変動し得る。サンプルが膨潤平衡にある場合に試験を行うことができる。試験の間の流体の蒸発に特別注意するべきであり、そして適合した設定が信頼性のある測定値を得るために開発されるべきである。図１０は、ヒドロゲルのような水和した材料を試験するための湿度室の例を示す。
【００３０】
本方法は、非常に限定された特性を有する複合ヒドロゲルを作製するために使用され得る。マトリックスは、異なる種類の繊維により強化され得、そして剪断変形の程度は、剪断を最大にし得、そしてそれ故、堅牢性を増強し、耐性に影響を与える繊維の賢明な配置により影響され得る。この方法は、非分解性複合ヒドロゲルを製造するために使用されたが、適切な材料系の使用を前提として、分解性複合ヒドロゲルのためにも使用され得る。
【００３１】
弾性係数のような機械的特性、さらに膨潤能は、フィブリルの含有量及び種類に依存して広い範囲で変化し得る。実施例は特定の材料系についての値を提供する。
【００３２】
材料系
以下の項で示される全ての実施例において、ヒドロゲルマトリックスは、ツイーン（Ｔｗｅｅｎ）２０(R)トリメタクリレート（Ｔ３）、ｎ−ビニル−２−ピロリドン（ＮＶＰ）、イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）２９５９の０．０５質量％水溶液としての光開始剤イルガキュア２９５９及び脱イオン水から構成されるものであった。Ｔ３濃度は１〜１５体積％で変化し、そしてＮＶＰの濃度は３５〜４９体積％であった。イルガキュア溶液の濃度は１０体積％で一定に維持し、そして水の量は常に４０体積％であった。セルロースナノフィブリルを以下の実施例において使用した。フィブリル含有量は０．２〜１．６質量％で変化した。
【００３３】
ＵＶ感受性であり、かつフリーラジカル経路により重合してヒドロゲルを生成するいずれかの分子を使用することができる。これらとしては、ポリ（エチレン）ジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）及び３Ｄネットワークを生成することができる全てのアクリル系分子が挙げられる。
【００３４】
フィラーに関して、マトリックス中に不規則に分布しているか、又は配向している繊維及び繊維のメッシュが使用され得る。繊維は好ましくは親水性であるか、又はそれらの親水性を増加するように化学的に修飾可能であり、そしてヒドロゲルマトリックスと共に変形可能でなければならない。いくつかの適切な例は、絹及び亜麻のような天然繊維、木質線維、セルロース繊維及びセルロースのナノ繊維及びポリマー繊維であり得る。
【実施例】
【００３５】
実施例１
セルロースのナノフィブリルで強化された複合ヒドロゲル
この実施例は、セルロースナノフィブリルで強化された複合ヒドロゲルの製造のための方法を説明する。さらに、膨潤及び機械的特性の範囲が示される。
【００３６】
Ｔ３の合成：
ツイーン（Ｔｗｅｅｎ）２０（R）  ２０ｇをテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）１００ｍｌに溶解し、これに４−（Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノ）ピリジン（ＤＭＡＰ）６．２ｇをアルゴン下で導入した。０℃に冷却した後、ＴＨＦ  ３０ｍｌ中の塩化メタクリロイル（ＭｅＯＣｌ）４．９ｍｌを３０分かけて撹拌しながら混合物に滴下した。次いでこの混合物を光から保護し、そして室温で終夜撹拌した。次いで生じた沈殿をろ別し、ＴＨＦで洗浄し、そして光への露出を避けて乾燥した。次いで粗生成物をカラムクロマトグラフィーにより精製した。
【００３７】
セルロースナノフィブリルで強化したＴ３／ＮＶＰヒドロゲルの合成（Ｔ３濃度４．５体積％）：
前駆溶液の６．４ｍｌのバッチを以下のように準備した：Ｔ３、ＮＶＰ及び光開始剤をチューブに加えた。セルロースナノフィブリルゲルの密度を１と仮定した（ゲルは９８％の水を含む）。０．２、０．４、０．８及び１．６質量％のセルロースナノフィブリルを含有するサンプルを、最初に手動で成分を混合し、次いでフィブリルを２０分間、高剪断ミキサーを使用して分散させることにより調製した。次いでこの前駆溶液を１０ｍｂａｒの真空下で脱気し、そして最後にシリコン型に流し入れて３０分間１４５ｍＷ／ｃｍ2でＵＶ硬化させた。
【００３８】
複合ヒドロゲルの表面は、粗い領域及びクラスターを示し、これらはおそらくマトリックスの核生成点として作用するフィブリルから生じたと思われる（図６）。
【００３９】
ヒドロゲルの膨潤比を、時間に依存した重量測定により決定した。図５は様々なセルロースナノフィブリル含有量を有するヒドロゲルについての平衡での膨潤比を示す。セルロースナノフィブリルの含有量が増加するにつれて、複合ヒドロゲルの膨潤比は、より強い架橋ネットワークに起因して減少した。
【００４０】
ヒドロゲルの圧縮下での機械的特性を、万能試験機を使用して決定した。複合ヒドロゲルの剛性は、図３に示されるように、セルロースナノフィブリルの含有量が増加するにつれて増加した。
【００４１】
従って、セルロースナノフィブリルの含有量の増加は、複合ヒドロゲルの剛性を増加させ、かつ平衡でのその膨潤比を減少させる。従って、広範な特性が、これらの複合ヒドロゲルを用いて達成され得る。
【００４２】
実施例２
化学修飾されたセルロースナノフィブリルを用いて強化された複合ヒドロゲル
本実施例の目的は、化学修飾されたセルロースナノフィブリルで強化された複合ヒドロゲルの製造の実現可能性、並びに膨潤及び機械的特性のその効果を実証することである。３つの異なる置換度（ＤＳ）を有するカルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを準備した：０．０７４、０．１７６及び０．２２５。ＤＳが増加するにつれて、カルボキシメチル化セルロースの親水性は増加する。
【００４３】
カルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを粉末形態で製造した［２９］。この粉末を前駆溶液に加え、そしてこの混合物を高剪断ミキサーを使用して均一化した。０．２、０．４、０．８及び１．６質量％の修飾フィブリルの濃度を使用した。ヒドロゲルサン
プルを前の実施例において記載されるように製造した。
【００４４】
同じフィブリル含有量では、複合ヒドロゲルの膨潤能は、カルボキシメチル化セルロースナノフィブリルの親水性官能基に起因して、ＤＳが増加するにつれて１〜２０％増加した（図９）。複合構造中の液相量を増加させることにより、ネットワークの剛性は、同じカルボキシメチル化セルロースナノフィブリル含有量ではＤＳが増加するにつれて減少するが（図７及び８）、これは非強化ヒドロゲルについて得られた結果よりなお高いものである。
【００４５】
カルボキシメチル化セルロースナノフィブリルを含むヒドロゲルのＣｒｙｏ−ＳＥＭ顕微鏡写真（図１１）は増加した表面粗さを示した。これは、個々のカルボキシメチル化フィブリル又はカルボキシメチル化フィブリルのクラスターが重合の間に核生成点として作用することに起因し得る。
【００４６】
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【図１】
2013535232.tif 000003
【図３】
2013535232.tif 000004
【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図１０】
2013535232.tif 000012
【図１１】
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【国際調査報告】
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