(57)【要約】本発明は、カルボキシル基を有するポリマー及び有機酸２価金属塩を含む温度応答性ハイドロゲルに関する。カルボキシル基を有するポリマーは、例えば、カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマー又は前記モノマーを含む複数種のモノマーのコポリマーである。カルボキシル基を有するポリマーを、有機酸２価金属塩水溶液に浸漬することを含む、温度応答性ハイドロゲルの製造方法。有機酸２価金属塩水溶液の有機酸２価金属塩濃度は、例えば、５０ｍＭ〜飽和濃度の範囲である。本発明によれば、体積相転移を示さないＬＣＳＴ を有する温度応答性ゲル及びその製造方法を提供することができる。
2018117165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルボキシル基を有するポリマー及び有機酸２価金属塩を含む温度応答性ハイドロゲル。
【請求項２】
カルボキシル基を有するポリマーは、カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマー又は前記モノマーを含む複数種のモノマーのコポリマーである請求項１に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項３】
カルボキシル基を有するモノマーは、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸及びクロトン酸から成る群から選ばれる少なくとも1種である請求項２に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項４】
カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマーは、ポリアクリル酸又はポリメタクリル酸である請求項３に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項５】
前記コポリマーは、カルボキシル基を有するモノマーとカルボキシル基を有するモノマー以外のモノマーとのコポリマーであり、コポリマーを構成するカルボキシル基を有するモノマー以外のモノマーは、アクリレート系単量体、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のアルコキシアルキルエステル、アクリルアミド系単量体、及びスチレン系単量体から成る群から選ばれる少なくとも1種である請求項２又は３に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項６】
コポリマーは、モル比で５０％以上がカルボキシル基を有するモノマー由来である請求項２、３又は５に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項７】
ポリマー中のカルボキシル基の含有量は、０．００１〜０．０５ｍｏｌ／ｇの範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項８】
カルボキシル基を有するポリマーは、架橋構造を有する請求項１〜７のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項９】
架橋構造が化学架橋構造及び／または物理架橋構造である請求項８に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１０】
有機酸が、ギ酸、酢酸、及びプロピオン酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の有機酸である請求項１〜９のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１１】
２価金属がアルカリ土類金属である請求項１〜１０のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１２】
有機酸２価金属塩のポリマー中の濃度が、５０ｍＭから飽和濃度までの範囲である、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１３】
下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）を有する請求項１〜１１のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１４】
ＬＣＳＴ未満の温度域では透明であり、ＬＣＳＴ超の温度域では白濁状態である請求項１〜１３のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１５】
ＬＣＳＴが１０〜８０℃の範囲である請求項１３又は１４に記載の温度応答性ハイドロゲル。
【請求項１６】
カルボキシル基を有するポリマーを、有機酸２価金属塩水溶液に浸漬することを含む、温度応答性ハイドロゲルの製造方法。
【請求項１７】
有機酸２価金属塩水溶液の有機酸２価金属塩濃度が５０ｍＭから飽和濃度までの範囲である請求項１６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、体積相転移を示さないＬＣＳＴ を有する温度応答性ゲル及びその製造方法に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１２月２０日出願の日本特願２０１６−２４６３８５号の優先権を主張し、その全記載は、ここに特に開示として援用される。
【背景技術】
【０００２】
ポリ(Ｎ−イソプロピルアクリルアミド)[Ｐｏｌｙ（ＮＩＰＡＡｍ）]は、温度応答性ポリマーの代表例として知られている。Ｐｏｌｙ（ＮＩＰＡＡｍ）は、水溶液中において低温側で溶解し、高温側で析出(相分離)する現象、下限臨界共溶温度(lower critical solution temperature)(ＬＣＳＴ)を示す。【０００３】
Ｐｏｌｙ（ＮＩＰＡＡｍ）のハイドロゲルは、体積相転移を起こすことも知られている。この性質を利用してドラックデリバリーシステムに応用することが提案されている(特許文献1、その全記載は、ここに特に開示として援用される。)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許文献１：日本特開２００２−２０３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
体積相転移を利用した応用は魅力的だが、構造材料に用いる場合など、用途によっては寸法が変化する材料は使用しにくいという課題が有った。【０００６】
そこで本発明の課題は、体積相転移を示さないＬＣＳＴ を有する温度応答性ゲル及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下の通りである。
［１］
カルボキシル基を有するポリマー及び有機酸２価金属塩を含む温度応答性ハイドロゲル。
［２］
カルボキシル基を有するポリマーは、カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマー又は前記モノマーを含む複数種のモノマーのコポリマーである［１］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［３］
カルボキシル基を有するモノマーは、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸及びクロトン酸から成る群から選ばれる少なくとも1種である［２］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［４］
カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマーは、ポリアクリル酸又はポリメタクリル酸である［３］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［５］
コポリマーを構成するカルボキシル基を有するモノマー以外のモノマーは、アクリレート系単量体、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のアルコキシアルキルエステル、アクリルアミド系単量体、スチレン系単量体から成る群から選ばれる少なくとも1種である［２］又は［３］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［６］
コポリマーは、モル比で５０％以上がカルボキシル基を有するモノマー由来である［２］、［３］又は［５］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［７］
ポリマー中のカルボキシル基の含有量は、０．００１〜０．０５ｍｏｌ／ｇの範囲である［１］〜［６］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［８］
カルボキシル基を有するポリマーは、架橋構造を有する［１］〜［７］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［９］
架橋構造が化学架橋構造及び／または物理架橋構造である［８］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１０］
有機酸が、ギ酸、酢酸、及びプロピオン酸から成る群から選ばれる少なくとも1種の有機酸である［１］〜［９］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１１］
２価金属がアルカリ土類金属である［１］〜［１０］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１２］
有機酸２価金属塩のポリマー中の濃度が、５０ｍＭから飽和濃度までの範囲である、［１］〜［１１］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１３］
下限臨界共溶温度（ＬＣＳＴ）を有する［１］〜［１２］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１４］
ＬＣＳＴ未満の温度域では透明であり、ＬＣＳＴ超の温度域では白濁状態である［１］〜［１３］のいずれかに記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１５］
ＬＣＳＴが１０〜８０℃の範囲である［１３］又は［１４］に記載の温度応答性ハイドロゲル。
［１６］
カルボキシル基を有するポリマーを、有機酸２価金属塩水溶液に浸漬することを含む、温度応答性ハイドロゲルの製造方法。
［１７］
有機酸２価金属塩水溶液の有機酸２価金属塩濃度が５０ｍＭから飽和濃度までの範囲である［１６］に記載の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、体積相転移を示さないＬＣＳＴを有する温度応答性ゲルを提供することができる。【０００９】
このゲルは、以下の性質を有する。
(1)ＬＣＳＴ未満では透明、ＬＣＳＴ超では相分離し白濁する。
(2)ＬＣＳＴ未満では柔らかく、ＬＣＳＴ超では相対的に高強度・高靱性を示す。ＬＣＳＴ超では温度が高いほど弾性率及び靱性が向上する傾向があるが、ある温度以上では強い相分離によって弾性率が急上昇し(極めて硬くなり)、靱性が下がる場合がある。
(3)ＬＣＳＴ前後で体積の変化がほぼゼロであり、体積相転移を示さない。
(4)温度応答性相分離は可逆的である。【００１０】
化学架橋構造(架橋剤による)を有するゲルは、以下の性質を有する。
(5)温度応答性が、昇温降温ともに応答が、物理架橋構造のゲルに比べて速い。【００１１】
物理架橋構造(架橋剤によらない)を有するゲルは、以下の性質を有する。
(6)温度応答性が、化学架橋構造のゲルに比べて遅い。特に降温が遅い傾向がある。
(7)ＬＣＳＴ超で極めて硬くなる(プラスチック(例えば、アクリル樹脂)に近い硬度を示すことがある)。
(8)切れても、切断面を接しておけば再生する(自己修復性)ことができる。
(9) ＬＣＳＴより低温における形状を、ＬＣＳＴより高温でも保持できる(形状維持性)。
(10)生体環境下（例えば、生理食塩水中）で溶解性を示す(生分解性・生体内吸収性)。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】化学架橋ゲルの作製方法の概要を示す。
【図２】例１の化学架橋ゲルについて、ＬＣＳＴ未満の温度（室温）及びＬＣＳＴ超の温度（５０℃）における外観（透明及び白濁）、並びに室温と５０℃における体積変化を示す。
【図３ａ】例２の化学架橋ゲルについて、ＬＣＳＴ測定結果を示す。
【図３ｂ】例２の化学架橋ゲルについて、各系（プロピオン酸Ｃａ、酢酸Ｃａ、ギ酸Ｃａ）ＬＣＳＴを示す。
【図４】例２の化学架橋ゲルについて、イオン種による室温と５０℃における体積変化を示す。
【図５】例２の化学架橋ゲルについて、室温と５０℃におけるゲルの表面状態の写真を示す。
【図６】例３の化学架橋ゲルについて、塩の種類及び対アニオンの影響を示す。
【図７】例４の化学架橋ゲルについて、ポリマーの種類の影響を示す。
【図８ａ】例５の化学架橋ゲル（ＰＡＡｃ−ＭｇＡｃ）について、塩濃度の効果を示す。
【図８ｂ】例５の化学架橋ゲル（ＰＭＡＡｃ−ＣａＡｃ）について、塩濃度の効果を示す。
【図９】例６の化学架橋ゲルについて、共重合（ＰＡＡｃの含有率とＬＣＳＴ）に関する結果を示す。
【図１０】例７の化学架橋ゲルについて、引張力学試験結果を示す。
【図１１】物理架橋ゲルの作製方法の概要を示す。
【図１２】例８の物理架橋ゲルについて、ＬＣＳＴ測定結果を示す。
【図１３】例８の物理架橋ゲルについて、２２℃と３５℃における体積変化を示す。
【図１４】例８の物理架橋ゲルについて、２５℃、３７℃、５０℃における引張力学試験結果を示す。
【図１５】例８の物理架橋ゲルについて、自己修復性試験結果を示す。
【図１６】例１０で調製したＰＡＡｃ３Ｍ−ＣａＡｃ２５０ｍＭのDSCプロファイルを示す。
【図１７】例１０で種々のＰＡＡｃ濃度及びＣａＡｃ濃度で調製したＰＡＡｃ−ＣａＡｃゲルのＬＣＳＴを示す。
【図１８】例１１で調製したＰＡＡｃ３Ｍ−ＣａＡｃ２５０ｍＭゲルの粘弾性挙動を示す。
【図１９】例１１で種々のＰＡＡｃ濃度及びCaAc濃度で調製したＰＡＡｃ−ＣａＡｃゲルの硬化温度（ＨＴ）を示す。
【図２０】図１７のＬＣＳＴ及び図１９のＨＴを１つにまとめた相図を示す。
【図２１】例１２の熱硬化による弾性率転移を示す。
【図２２】例１３で用いた本発明のＰＡＡｃゲルとガラス繊維布の複合材料の写真を示す。
【図２３】例１３の摩擦試験の概略図を示す。
【図２４】例１３のテスト前後のサンプルの外観を示す。
【図２５】例１３でのサーモグラフィカメラによる温度マッピングと温度降下のグラフを示す。
【図２６】例１３でのトラウザー型引裂き試験結果を示す。
【図２７】例１３での摩擦熱耐久率試験結果を示す。
【図２８】例７において試験した化学架橋ハイドロゲル（ＬＣＳＴ＝３３．５℃）の２５℃及び６０℃における試料片の写真を示す。
【図２９】例９のＰＡＡｃ５Ｍ−ＣａＡｃ４００ｍＭ物理架橋ハイドロゲル（ＬＣＳＴ＝２４．０℃）の生理食塩水（３７℃）における試料片の経時変化の写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜温度応答性ゲル＞
本発明は、カルボキシル基を有するポリマー及び有機酸２価金属塩を含む温度応答性ハイドロゲルに関する。
【００１４】
カルボキシル基を有するポリマーは、カルボキシル基を有する有機高分子化合物であれば特に制限はなく、例えば、カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマー又は前記モノマーを含む複数種のモノマーのコポリマーである。
【００１５】
カルボキシル基を有するモノマーは、例えば、分子内に１個もしくは２個以上のカルボキシル基を含むα，β−不飽和カルボン酸であることができる。、そのようなα，β−不飽和カルボン酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、アコニット酸、フマル酸及びクロトン酸等を挙げることができる。
【００１６】
カルボキシル基を有するモノマーのホモポリマーは、例えば、ポリアクリル酸、又はポリメタクリル酸であることができる。但し、これらのホモポリマーに限定される意図ではない。
【００１７】
前記コポリマーは、カルボキシル基を有するモノマーの複数種からなるコポリマー、及びカルボキシル基を有するモノマーとカルボキシル基を有するモノマー以外のモノマーとのコポリマーであることができる。前記コポリマーを構成するカルボキシル基を有するモノマー以外のモノマーは特に制限はなく、例えば、アクリレート系単量体（例えば、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸のアルコキシアルキルエステル）、アクリルアミド系単量体、スチレン系単量体から成る群から選ばれる少なくとも1種であることができる。
【００１８】
上記においてアクリレート系単量体としては、特に限定されないが、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−プロピルアクリレート、ｎ−プロピルメタクリレート、イソプロピルアクリレート、イソプロピルメタクリレート、ラウリルアクリレート、ステアリルアクリレート等のα，β−エチレン性不飽和カルボン酸エステル；
２−ヒドロキシルエチルアクリレート、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、３−ヒドロキシプロピルメタクリレート等のα，β−エチレン性不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル；並びに
ジエチレングリコールメタクリレートのようなα，β−エチレン性不飽和カルボン酸のアルコキシアルキルエステル等が挙げられる。
【００１９】
上記においてアクリルアミド系単量体としては、特に限定されないが、例えば、アクリルアミド、メチロールメタクリルアミド等が挙げられる。
【００２０】
上記においてスチレン系単量体としては、特に限定されないが、例えば、スチレン、アルキルスチレン等が挙げられる。
【００２１】
コポリマーの場合は、モル比で５０％以上がカルボキシル基を有するモノマー由来であることが、本発明のハイドロゲルの特性である温度応答性を示す上で好ましい。モル比で６０％以上、より好ましくは７０％以上、さらに好ましくは８０％以上、最も好ましくは９０％以上がカルボキシル基を有するモノマー由来であるコポリマーが好適である。
【００２２】
ポリマー中のカルボキシル基の含有量は、本発明のハイドロゲルの特性である温度応答性を示す上では、例えば、０．００１〜０．０５ｍｏｌ／ｇの範囲であることが適当であり、好ましくは０．００５〜０．０３ｍｏｌ／ｇの範囲、より好ましくは０．００７〜０．０１４ｍｏｌ／ｇの範囲である。
【００２３】
カルボキシル基を有するポリマーは、架橋構造を有することができ、架橋構造は、化学架橋構造または物理架橋構造であることができる。化学架橋構造はポリマー形成時またはポリマー形成後に架橋剤で架橋することで形成できる。
【００２４】
化学架橋構造形成に用いる架橋剤としては、２官能性以上のモノマーを用いることができる。架橋剤としては、例えば、N,N’-メチレンビスアクリルアミド（ＭｂＡＡｄ）、N,N'-エチレンビスアクリルアミド、ジエチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジアクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、1-アクリロイルオキシ-3-メタクリロイルオキシ-2-プロパノール等を挙げることができる。架橋剤の量は、所望の架橋の程度に応じて、モノマーの濃度に対して例えば、０〜１０ｍｏｌ％の範囲とすることができる。
【００２５】
ポリマーの質量平均分子量は特に制限はないが、例えば、１,０００，０００以下、より好ましくは５００，０００以下である。下限は、例えば、５，０００以上、好ましくは１０，０００以上である。但し、架橋構造を有するポリマーについての平均分子量の測定は事実上不可能である場合がある。
【００２６】
物理架橋構造は、ポリマーが有する2つのカルボキシル基と1つの2価金属が塩を形成すること、及び／又はポリマーが絡み合うことで形成される。前者の物理架橋構造は、架橋剤を用いることなく形成されたポリマーに2価金属による塩を形成させることで形成される。物理的に切断されたハイドロゲルが切断後に再度接合する現象は、主に、カルボキシル基と2価金属との塩形成に起因する。但し、比較的長い時間の経過によりポリマー絡み合いも進行し、塩形成による再接合をさらに補強するものと推察される。尚、化学架橋構造を有する本発明のハイドロゲルは、ポリマーが有する2つのカルボキシル基と1つの2価金属が塩を形成しており、かつポリマーの絡み合いも存在することから、物理架橋構造も併せ持つ。
【００２７】
ポリマー調製のための重合方法としては、熱開始剤によるラジカル重合（熱重合）や、光開始剤による光重合が挙げられる。光重合が好ましい。重合開始剤として公知の開始剤を適宜使用することができる。光開始剤としては、例えば、αケトグルタル酸などを挙げる事ができる。開始剤、モノマーの濃度に対して、例えば、０.０１〜１０ｍｏｌ％の範囲とすることができる。
【００２８】
有機酸２価金属塩を構成する有機酸は，特に制限はないが、脂肪酸(脂式カルボン酸)、芳香族カルボン酸、オキソカルボン酸、及びその他有機酸を挙げることができる。
【００２９】
脂肪酸(脂式カルボン酸)としては、以下の化合物を挙げることができる。
・ギ(蟻)酸[メタン酸]
・酢酸[エタン酸]
・プロピオン酸[プロパン酸]
・酪酸(ブチル酸)[ブタン酸]
・イソ酪酸
・吉草酸(バレリアン酸)[ペンタン酸]
・イソ吉草酸
・カプロン酸[ヘキサン酸]
・エナント酸(ヘプチル酸)[ヘプタン酸]
・カプリル酸[オクタン酸]
・ペラルゴン酸[ノナン酸]
・カプリン酸[デカン酸]
・ラウリン酸[ドデカン酸]
・ミリスチン酸[テトラデカン酸]
・ペンタデシル酸[ペンタデカン酸]
・パルミチン酸(セタン酸)[ヘキサデカン酸]
・マルガリン酸[ヘプタデカン酸]
・ステアリン酸[オクタデカン酸]
・オレイン酸
・リノール酸
・リノレン酸
・ツベルクロステアリン酸[ノナデカン酸]
・アラキジン酸[イコサン酸]
・アラキドン酸
・エイコサペンタエン酸
・ベヘン酸[ドコサン酸]
・ドコサヘキサエン酸
・リグノセリン酸[テトラコサン酸]
・セロチン酸[ヘキサコサン酸]
・モンタン酸[オクタコサン酸]
・メリシン酸[トリアコンタン酸]
【００３０】
芳香族カルボン酸としては、以下の化合物を挙げることができる。
・サリチル酸[ヒドロキシ安息香酸]
・没食子酸(トリヒドロキシ安息香酸)
・安息香酸[ベンゼンカルボン酸]
・フタル酸
・ケイ(桂)皮酸(β-フェニルアクリル酸)
・メリト酸(メリット酸、黒鉛酸)[ベンゼンヘキサカルボン酸]
【００３１】
オキソカルボン酸としては、以下の化合物を挙げることができる。
・ピルビン酸(オキソプロピオン酸、α-ケトプロピオン酸、焦性ブドウ酸)
【００３２】
その他の有機酸としては、以下の化合物を挙げることができる。
・シュウ酸[エタン二酸]
・乳酸(α-ヒドロキシプロパン酸)
・酒石酸
・マレイン酸
・フマル酸(フマール酸、アロマレイン酸、ボレティックアシッド、リケニックアシッド)
・マロン酸[プロパン二酸]
・コハク酸
・リンゴ酸(ヒドロキシコハク酸)
・クエン酸
・アコニット酸
・グルタル酸
・アジピン酸[ヘキサン二酸]
・アミノ酸
・L-アスコルビン酸(ビタミンC)
【００３３】
有機酸は、例えば、ギ酸、酢酸、又はプロピオン酸であることが、ハイドロゲル中の水溶液に対する塩の溶解性及び溶解度曲線を考慮すると好ましい。例えば、ギ酸カルシウムは、０〜１００℃の範囲では、温度との関係では比較的小さい正の溶解度曲線を示す(温度が挙がると溶解度は上昇する)。それに対して酢酸カルシウムは、０〜約６０℃の範囲では、温度との関係では負の溶解度曲線を示し、約５０℃〜約８５℃の範囲では、比較的小さい正の溶解度曲線を示す。プロピオン酸カルシウムは、０〜約５０℃の範囲では、温度との関係では負の溶解度曲線を示し、約５０℃〜１００℃の範囲では、正の溶解度曲線を示す。
【００３４】
有機酸２価金属塩を構成する２価金属は、特に制限はないが、例えば、アルカリ土類金属であることができる。アルカリ土類金属は、例えば、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）などであることができる。
【００３５】
有機酸２価金属塩は、好ましくはギ酸Ｃａ、酢酸Ｃａ、プロピオン酸Ｃａ、ギ酸Ｍｇ、酢酸Ｍｇ、プロピオン酸Ｍｇなどである。用いる有機酸２価金属塩の種類により、ハイドロゲルのＬＣＳＴを変化させることができる。
【００３６】
有機酸２価金属塩のポリマー中の濃度は、本発明の温度応答性ハイドロゲルに要求される物性及びポリマー中のカルボキシル基の量を考慮して適宜決定することができる。ポリマー中に含浸させる有機酸２価金属塩水溶液の濃度は、例えば、５０ｍＭ〜飽和濃度の範囲であることがで、好ましくは５０ｍＭ〜５００ｍＭの範囲である。飽和濃度とは、ポリマー中のカルボキシル基の量に対する飽和量（等しい当量）を意味する。ポリマー中に含まれる有機酸２価金属塩の濃度により、ハイドロゲルのＬＣＳＴを変化させることができる。ポリマー中２価金属の濃度は、ポリマー中に含浸させる有機酸２価金属塩水溶液の２価金属濃度より高い傾向があり、ポリマー中のカルボキシル基濃度や水溶液中の有機酸２価金属塩の濃度等の条件により変化するが、例えば、１.１〜２.０倍程度、より典型的には１.２〜１.５倍程度濃度が高いことがある。２価金属がカルシウムの場合、ポリマー中２価金属の濃度は、ポリマー(ゲル)１ｇ中に例えば、約１ｍｇ〜１００ｍｇの範囲であり、より典型的には約１０ｍｇ〜７０ｍｇの範囲、さらに典型的には約１５ｍｇ〜５０ｍｇの範囲であることができる。
【００３７】
ポリマー中の全金属イオンの濃度は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ＩＣＰ)で測定することができる。既知の体積のポリマーを焼結して（例えば、約１０００℃）有機成分を除去し、残差を既知の量の水に溶解させ、この水溶液をICPで測定することで、金属イオンの濃度を決定することができる。ポリマー中の有機酸塩を形成していない遊離の金属イオン濃度は、例えば、金属イオン電極で測定できる。ポリマー中には、有機酸塩を形成している金属イオンと遊離の金属イオンが存在する場合には、この方法で両者を分別することが可能である。
【００３８】
本発明は、ハイドロゲルに関し、ハイドロゲルは、水又は水溶液とポリマーとを主な構成成分とするゲルである。上記ポリマーがハイドロゲルを形成するかしないかは、主にポリマーの長さ(換言すると重合開始剤の濃度)できる。ポリマー質量が同じであっても、重合開始剤の濃度が高いとゲル化する傾向が高くなる。このような観点から、重合開始剤は、例えば、モノマーが、アクリル酸の場合には、濃度が０.１ｍｏｌ％の場合は３Ｍ以上、濃度が０.０１ｍｏｌ％のときは２Ｍ以上でゲル化する傾向がある。モノマーが、メタクリル酸の場合もほぼ同程度である。重合開始剤の種類やモノマーの種類に応じて、ハイドロゲルを形成する範囲で重合開始剤の濃度は適宜選択することができる。
【００３９】
本発明の温度応答性ハイドロゲルは、下限臨界共溶温度（Low critical solution temperature(ＬＣＳＴ)）を有する。ＬＣＳＴは、ハイドロゲルが相分離することにより白濁する下限臨界共溶温度であり、相分離温度の指標となる。ＬＣＳＴを有することは、例えば、紫外可視近赤外分光光度計により濁度（透過度）を測定することで評価することができる。または、示差走査熱量計により、発吸熱ピークを測定することでも評価することができる。または、レオメーター(粘弾性測定装置)により動的弾性率の温度依存を測定することで評価することができる。本発明の温度応答性ハイドロゲルのＬＣＳＴは、ポリマーの組成並びに有機酸２価金属塩の種類及び濃度により変化するが、例えば、１０〜８０℃の範囲、好ましくは２５〜４５℃の範囲である。
【００４０】
本発明の温度応答性ハイドロゲルは、ＬＣＳＴ未満の温度域では透明であり、ＬＣＳＴ超の温度域では白濁状態である。本発明における透明とは、波長５５０ｎｍにおける透過率が８５％以上であることを意味し、白濁状態とは、波長５５０ｎｍにおける透過率が３０％以下であることを意味する。
【００４１】
＜製造方法＞
本発明は、カルボキシル基を有するポリマーを、有機酸２価金属塩水溶液に浸漬することを含む、温度応答性ハイドロゲルの製造方法を包含する。
カルボキシル基を有するポリマー及び有機酸２価金属塩上記本発明の温度応答性ハイドロゲルで説明したと同様である。ポリマーの有機酸２価金属塩水溶液への浸漬は、常温、例えば、４℃〜３０℃の範囲の温度で実施することができる。但し、得られる温度応答性ハイドロゲルのＬＣＳＴを考慮して、ＬＣＳＴより高い温度または低い温度で実施することができる。
【００４２】
有機酸２価金属塩水溶液の有機酸２価金属塩濃度は、ポリマー及び有機酸２価金属塩の種類及び所望のＬＣＳＴを考慮して、適宜決定できるが、例えば、５０ｍＭ〜飽和濃度の範囲であることができる。例えば、５０ｍＭから飽和濃度までの有機酸２価金属塩含有水溶液にほぼ平衡となるまで浸漬することで本発明の温度応答性ハイドロゲルを得ることができる。浸漬時間は、化学架橋ゲルの場合、例えば、１〜７２時間程度でほぼ平衡となるが、物理架橋ゲルの場合、２〜７日間でほぼ平衡となる。但し、所望の物性が得られれば、平衡となるまでの浸漬は不要である場合もある。
【００４３】
本発明の製造方法により、上記本発明の温度応答性ハイドロゲルを製造することができる。
【００４４】
＜温度応答性ハイドロゲルの用途＞
本発明の温度応答性ハイドロゲルは、以下の性質を有する。
(1)ＬＣＳＴ未満では透明、ＬＣＳＴ超では相分離し白濁する（例えば、例１（図２）、例２（図３ａ）の結果参照）。
(2)ＬＣＳＴ未満では柔らかい、ＬＣＳＴ超では高強度・高靱性を示す。ＬＣＳＴ超では温度が高いほど弾性率及び靱性が向上するが、ある温度以上では強い相分離によって弾性率が急上昇し(極めて硬くなり)、靱性が下がる（例えば、例７（図１０）の結果参照）。
(3)ＬＣＳＴ前後で体積の変化がほぼゼロであり（例えば、例１（図２）、例２（図４）、例８（図１３）の結果参照）、体積相転移を示さない。本発明のハイドゲルにおいて、体積相転移を示さない、あるいは実質的に体積変化を示さないとは、ＬＣＳＴ未満の温度（例えば、Ｔ1≦ＬＣＳＴ−５℃）における体積Ｖ1に対するＬＣＳＴ超の温度（例えば、Ｔ2≧ＬＣＳＴ＋５℃）における体積Ｖ2の比Ｖ2／Ｖ1が、０．８〜１．２の範囲、好ましくは０．８５〜１．１５の範囲、より好ましくは０．９８〜１．０２の範囲であることを言う。
(4)温度応答性相分離は完全に可逆的である（例えば、例１（図２）、例２（図４）の結果参照）。
【００４５】
化学架橋構造(架橋剤による)を有するゲルは、以下の性質を有する。
(5)温度応答性が昇温降温ともに応答が速い
【００４６】
物理架橋構造(架橋剤によらない)を有するゲルは、以下の性質を有する。
(6)温度応答性が遅い、特に降温が遅い（例えば、例８（図１２）の結果参照）
(7)ＬＣＳＴ超で極めて硬くなり、例えば、アクリル樹脂のようなプラスチックに近い硬度を有する（例えば、例７（図２８）の結果参照）。
(8)切断しても、切断面を接しておけば切断面が再結合して再生する(自己修復性)（例えば、例８（図１５）の結果参照）。
(9)低温の形状を高温で保持できる(形状維持性)（例えば、例８（図１３）の結果参照）。
(10)生体環境下（例えば、生理食塩水中）で溶解する(生分解性・生体内吸収性) （例えば、例  （図２９）の結果参照）。
【００４７】
本発明のハイドロゲルの密度は、モノマーの仕込み濃度及び架橋剤の使用の有無で変化し、かつ制御することができる。例えば、架橋剤を使用しない物理架橋構造のハイドロゲルの場合でモノマーがアクリル酸の場合、アクリル酸モノマーの仕込み濃度が３Ｍの場合、得られるハイドロゲルの密度は、約０．２２ｇ／ｃｍ3である（AAｃの分子量＝７２．０６、３M=216.18 g/ 1000mL≒0.22g/cm3）。
【００４８】
上記性質を示す本発明の温度応答性ハイドロゲルは、種々の用途に適用することができる。例えば、寸法が温度によって変わらない温度応答性の構造材料、細胞培養の足場材料、多孔質材料として用いることができる。但し、これらに限定されない。
【実施例】
【００４９】
以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明する。但し、実施例は本発明の例示であって、本発明は実施例に限定される意図ではない。【００５０】
製造法
図１に、本発明の温度応答性ハイドロゲル作製方法の概略図を示す。超純水にカルボン酸を有するモノマー(代表的なものにアクリル酸（ＡＡｃ）、またはメタクリル酸（ＭＡＡｃ）)を１〜６Ｍの範囲で、開始剤αケトグルタル酸をモノマーの濃度に対して０.０１〜１０ｍｏｌ％の範囲で、架橋剤N,N’-メチレンビスアクリルアミド（ＭｂＡＡｄ）をモノマーの濃度に対して０〜１０ｍｏｌ％の範囲で水に溶解させて前駆水溶液を調製する。ここで架橋剤の濃度０ｍｏｌ％の場合は物理架橋ゲルが得られ、架橋剤が添加された場合は化学架橋ゲルが得られる。【００５１】
この溶液を任意の形状の型枠に流し込み、アルゴンガス雰囲気下で波長３６５ｎｍの紫外線を８時間以上照射して重合し、ゲルを形成する。５０ｍＭから飽和濃度までの範囲の濃度で調製したカルボン酸と二価のカチオンから成る塩(代表的なものに酢酸カルシウム)を超純水に溶解させて作製した十分量の水溶液に、重合したゲルもしくは流動性のない高粘性体を平衡になるまで浸漬して、サンプルを得る。【００５２】
略語
ＡＡｃ：アクリル酸
ＭＡＡｃ：メタクリル酸
ＡＭＰＳ：2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸
ＡＡｍ：アクリルアミド
ＭｂＡＡｄ：N,N’-メチレンビスアクリルアミド
ＣａＡｃ：酢酸カルシウム【００５３】
測定法
体積測定：ディスク上に成型したゲルの相転移前後で厚みと直径をノギスで3 回測定し、その平均と偏差を算出する。
ＬＣＳＴ温度の測定：紫外可視近赤外分光光度計を用いて濁度から求めた。石英セルにサンプルと漬けていた塩溶液を入れ、２０℃〜６０℃までの範囲を一定の加熱・冷却速度(０.１℃/ｍｉｎ)で昇温・降温波長させ、そのときの吸光度を波長５００ｎｍ固定で測定した。【００５４】
体積一定相転移構造の観察
相転移前及び相転移後の2つのサンプルを、あらかじめ液体窒素(-１９６℃)で十分に冷却された銅製のブロックに素早く挟み込み、瞬間冷凍によって構造を凍結させたのち、凍結乾燥法によってゲルを乾燥させた。走査型電子顕微鏡を用いて、乾燥させたサンプルを割って露出した断面を観察した。【００５５】
力学試験
ダンベル状に成型された試験片を漬けていた塩溶液の中で引張試験機を用いて引張試験を行った。塩溶液の温度をウォーターバスで調整し、温度が均一になるまで十分待ったのち、１〜１０００ｍｍ／ｍｉｎ の範囲の速度で引張り、初期のサンプル寸法から応力−歪み曲線を得た。初期の傾きからヤング率、破断したところから破断応力及び破断歪、応力−歪み曲線の面積から靱性を求めた。
自己修復性の評価：上記の力学試験を行った後、種々の待ち時間ののちに同じサンプルで2 回目の引張試験を行った。得られた応力−歪み曲線の面積と1 回目の面積の百分率比を回復率として求めた。【００５６】
ハイドロゲル中の金属濃度
予め体積及び質量を計測したハイドロゲル試料を約１０００℃で焼結して有機成分を除去し、残差を既知量の水に溶解させ、この水溶液をポリマー中の全金属イオンの濃度を誘導結合プラズマ発光分析(ＩＣＰ)で測定した。測定結果からハイドロゲル試料中の金属イオンの濃度(例えば、１ｇ中の金属イオンの質量またはモル数)を算出した。【００５７】
実験結果
例１
化学架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：ＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％(モノマー濃度に対しての濃度、実質：３Ｍ×０.１／１００＝３ｍＭ)−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％(同上、実質は１５ｍＭ)、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大（測定不可、化学架橋ハイドロゲルについては以下同様）。
有機酸塩：酢酸カルシウム（ＣａＡｃ）１００ｍＭ
図２に、ＬＣＳＴ未満の温度（室温）及びＬＣＳＴ超の温度（５０℃）における外観（透明及び白濁）、並びに室温と５０℃における体積変化を示す。体積変化がほぼなく一定であることが分かる。【００５８】
例２（有機酸の影響）
化学架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：ＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
有機酸塩：プロピオン酸Ｃａ、酢酸Ｃａ（ＣａＡｃ）、ギ酸Ｃａ各１００ｍＭ
図３ａに、ＬＣＳＴ測定結果を示す。図３ｂに、各系におけるＬＣＳＴを示す。有機酸塩の有機酸を代えることでＬＣＳＴが変化することが分かる。
図４に、室温と５０℃におけるイオン種による体積変化を示す。どのイオン種でも実質的に体積不変であることが分かる。
図５に、室温と５０℃におけるゲルの表面状態の写真を示す。本発明のハイドロゲルが温度変化に対して体積が一定である構造的な原理（理由）が分かる。【００５９】
例３（金属の影響、対アニオンの影響）
化学架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：ＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
有機酸塩：ＣａＡｃ、ＭｇＡｃ、ＮａＡｃ、ＡｌＡｃ、ＣａＣｌ2、ＭｇＳＯ4各１００ｍＭ
図６に結果を示す。酢酸カルシウム及び酢酸マグネシウムの2つの場合がＬＣＳＴを示した（酢酸マグネシウムは酢酸カルシウムより効果は小さかった）。塩化物塩や硫化物塩の場合はＬＣＳＴを示さなかった。これらの結果から、金属は2価金属（カチオン）であること、対アニオンは、有機酸（好ましくは酢酸）イオンの組み合わせであることがＬＣＳＴを示すハイドロゲルを得るには必要であることが分かる。【００６０】
例４（ポリマーの影響）
化学架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：
（１）ＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
（２）ＭＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
（３）ＡＭＰＳ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量0%、分子量は実質的に無限大
ＡＭＰＳ：２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、カルボキシル基量0%、
分子量は実質的に無限大
有機酸塩：ＣａＡｃ各１００ｍＭ
図７に結果を示す。ポリアクリル酸及びポリメタクリル酸の場合はＬＣＳＴを示した。一方でＰＡＭＰＳの場合は示さなかった。この結果から、カルボン酸基を有するポリマーであることがＬＣＳＴを示す上で必要があることが分かる。【００６１】
例５（塩濃度の影響）
化学架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：
（１）ＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
（２）ＭＡＡｃ３Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％−ＭｂＡＡｄ０.５ｍｏｌ％、カルボキシル基量１００％、分子量は実質的に無限大
有機酸塩：ＣａＡｃ、ＭｇＡｃ
図８ａ及び図８ｂに結果を示す。塩の濃度によるＬＣＳＴは極小値を持つことが分かる。図８ａのＰＡＡｃ−ＭｇＡｃの場合も、図８ｂのＰＭＡＡｃ−ＣａＡｃの場合も、塩濃度が上がるとＬＣＳＴは下がるが、より高い濃度では、ＬＣＳＴは上昇することが分かる。【００６２】
例６（共重合の影響）
化学架橋（ＭｂＡＡｄなし）ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：
（１）ＡＡｃ４.１７Ｍ−ＡＡｍ０.８３Ｍ（トータルで５Ｍ）０．５Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％(実質５ｍＭ) 、カルボキシル基量８３.３％
（２）ＡＡｃ３.３３Ｍ−ＡＡｍ１.６７Ｍ（トータル５Ｍ）１Ｍ−αケトグルタル酸０.１ｍｏｌ％(実質５ｍＭ) 、カルボキシル基量６６.７％
（３）ＡＡｃ２．５Ｍ−ＡＡｍ２．５Ｍ−αケトグルタル酸０．０．1ｍｏｌ％(実質５ｍＭ)、カルボキシル基量５０％
（４）ＡＡｃ１．６７Ｍ−ＡＡｍ３．３３Ｍ−αケトグルタル酸０．1ｍｏｌ％(実質５ｍＭ)、カルボキシル基量３３.３％
（５）ＡＡｃ０．８３Ｍ−ＡＡｍ４．１７Ｍ−αケトグルタル酸１ｍｏｌ％(実質５ｍＭ)、カルボキシル基量１６.７％
有機酸塩：ＣａＡｃ  ４００ｍＭ（ゲル中のＣａ濃度ｍＭ）
ＬＣＳＴを示すＡＡｃと示さないアクリルアミド(ＡＡｍ)の共重合比を変えてＬＣＳＴを測定した。図９に結果を示す。ＡＡｃの濃度が高いほどＬＣＳＴは低く、相分離構造を作りやすい。ＡＡｍの濃度が50％を超えると、ゲル化しなくなることが分かる。【００６３】
例７（引張力学試験）
化学架橋ハイドロゲル（ＬＣＳＴ＝３３．５℃）の例を示す。測定温度を２５℃、３７℃、５０℃及び６０℃としたときの引張力学試験の結果を図１０に示す。ＬＣＳＴ以上の５０℃では高強度・高靱性化し、温度の上昇と共に弾性率・靱性が向上する。より高い温度６０℃では、弾性率が飛躍的に上昇し(極めて硬くなり)靱性が下がることが分かる。図２８に、試料片の２５℃及び６０℃における写真を示す。【００６４】
例８
物理架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：２５％直鎖ＰＡＡｃ水溶液（７２．０６ｍｏｌ／ｇ）
Ｍｗ＝８０００〜１２０００
有機酸塩：ＣａＡｃ  １７６．１８ｍｏｌ／ｇ
図１２に、ＬＣＳＴ測定結果を示す。（降温では、最終的には完全に戻るが、非常に遅かった。）
図１３に、２２℃と３５℃における体積変化を示す。ほとんど体積変化がないことが分かる。
図１４に、２５℃、３７℃、５０℃における引張力学試験結果を示す。ＬＣＳＴ以上で急激に高強度・高靱性になり、より高温では超高強度で靱性は下がることが分かる。
図１５に、自己修復性試験結果を示す。７２時間で７０％程度回復、最終的には完全に回復すると考えられる。【００６５】
例９
物理架橋ハイドロゲルの例を示す。
ポリマー：モノマー濃度を２Ｍ、３Ｍ、４Ｍ、５Ｍ、又は６Ｍとし、開始剤は0.01mol%とした。
有機酸塩：４００ｍＭのＡｃＣａ水溶液に浸漬した。
ハイドロゲル中のＣａ濃度(ＩＣＰ測定)を以下に示す。
２Ｍ：６８２ｍＭ (２７ｍｇ／ゲル1g当たり)
３Ｍ：８０４ｍＭ (３２ｍｇ／ゲル1g当たり)
４Ｍ：８２７ｍＭ (３３ｍｇ／ゲル1g当たり)
５Ｍ：６９３ｍＭ (２８ｍｇ／ゲル1g当たり)
６Ｍ：５１４ｍＭ(２１ｍｇ／ゲル1g当たり)【００６６】
上記ＰＡＡｃ５Ｍ−ＣａＡｃ４００ｍＭの条件で作製した物理架橋ハイドロゲル（ＬＣＳＴ＝２４．０℃）試料片の生理食塩水（３７℃）における経時変化を示す写真を図２９に示す。上記ハイドロゲルが経時的に生理食塩水に溶解することが分かる。【００６７】
例１０
種々のポリアクリル酸ポリマー及び酢酸カルシウム濃度によるLCST
LCSTは示差走査熱量計(DSC)を用いて測定した。微量（数十ミリグラム）の試料をアルミニウム製のパン（容器）に入れ、専用の器具を用いて、密閉した。参照試料を空気として、昇温速度3℃/minで0℃から90℃まで上昇させ、相分離に起因する吸熱ピークを測定した。図16は代表的な ポリマー(PAAc 3M-CaAc 250mM)についてのDSCプロファイルである。下向きのピークは試料の吸熱を示しており、相分離に相当する。LCSTの位置は吸熱ピークの始まる曲線部分の２つの接線の交点から求めた。【００６８】
図17が種々のPAAc、CaAc濃度の組み合わせによるLCSTである。ポリマーの濃度が高いほど、また酢酸カルシウムの濃度が低いほどLCSTは高くなる傾向が示された。右下の白色の領域（PAAc4M−CaAc50mM、PAAc5M−CaAc50mM）はこの測定範囲内ではLCSTが観察されなかったことを示している。【００６９】
例１１
種々のポリアクリル酸ポリマー及び酢酸カルシウム濃度によるHT
このゲルは、さらに温度を上げると急激に硬化する現象が見られる。このときの温度を硬化温度（Hardening Temperature (HT)）と呼ぶ。HTはレオメーター測定から求めた。直径15mmに成型したゲルをステンレス製パラレルプレート（押し付け水平治具）の中心へ瞬間接着剤を使って片面を接着させ、さらに反対の面もステンレス製の回転容器へ接着させた。乾燥を防ぐために、試料作製に用いた同濃度の酢酸カルシウム水溶液で容器内を満たした。昇温速度3℃/min、温度範囲を0℃から95℃、印加したずりの周波数は角速度10 rad/s、ひずみは0.1％である。図18が典型的なポリマー(PAAc3M−CaAc250mM)についてのレオメーターのプロファイルである。G'は弾性成分である貯蔵弾性率、G''は粘性成分である損失弾性率である。TanδはG''/G'で損失正接と呼ばれ、材料が弾性的か・粘性的かを示す指標であり、値が高いほど粘性的である。HTはTanδのピーク（ここでは５０℃付近）の温度として求めた。【００７０】
図19は種々のPAAc、CaAc濃度の組み合わせによるHTをまとめたものである。LCSTと同様に、PAAc濃度が高いほど、CaAc濃度が低いほど、HTは高い傾向がある。図の91.3℃より下の白い領域は、測定温度範囲では硬化が確認されなかったサンプルである。【００７１】
以上のLCST(図17)及びHT(図19)を一つの相図にまとめたものが図20である。横軸は酢酸カルシウム濃度/ポリアクリル酸濃度の比であり、0に近いほど塩濃度が低く、ポリマー濃度が高いことを意味している。図中の▼はLCST、△はHTを示している。この図から、一般的な相分離ゲルとは異なり、本発明のハイドロゲルは温度によって3種類の形態、すなわち低温側から「柔らかく透明」、「柔らかく白濁」、そして「硬く白濁」、を形成することが示された。【００７２】
例１２
硬化による弾性率転移
図18のレオメーターの結果から、HT前後でG'が急激に上昇しており、これが本ゲルの特徴である。相分離前と比べてどの程度弾性率が上昇したかを評価した。図21はレオメーターのG'の最小値と最大値の比である。組成によっては最大で１０００倍以上硬くなっていることがわかる。一方でLCSTやHTが観測されなかった試料（例えばPAAc4M-50mMやPAAc5M-CaAc50mMなど）においては、弾性率変化はほとんど認められない。【００７３】
例１３
熱応答プロテクターを目指した摩擦熱耐久性試験
本発明のハイドロゲルの特長である熱で硬くなる性質を利用して熱応答プロテクターとしての性能を評価した。バイク事故などで人が路面上に引きずられる等による摩擦熱から衣服や身体を守ることを想定している。【００７４】
この試験では本発明のハイドロゲルとガラス繊維布（GF）を複合化させた複合材料について評価した。複合材料は、反応セル中にガラス繊維布をあらかじめ挟み込み、この反応セル中でハイドロゲル重合を行い、重合により得られたゲル中にガラス繊維布が埋め込まれたサンプルを得ることで作製した。ゲルの組成はAAc５M、架橋剤MBAA0.01mol%、開始剤α-Keto0.01mol%である。ガラス繊維布は、組成E-ガラス、表面密度590 g/m2、厚さ0.59 mm、ガラスファイバー一本辺りの直径は14μmである。図22が作製したサンプルの写真である。また比較として、鉄より強靭な複合材料「両性電解質ゲル（PA）−GF」(Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605350)、及び一般的な弱いゲルとGFとの複合材料「ポリアクリルアミド（PAAm）−GF」を対照サンプルとした。【００７５】
図23は試験系の概略図である。牽引車にシーソーが取り付けてあり、方端にサンプルを固定する試験カートが付けてある。試験カートの路面側は中心付近に出っ張りがあり、ここに複合材料の四方を４つのネジを用いて固定する。姿勢を維持するためにカートには４つの補助輪が四つ角に付いている。カートが路面に着き、かつ姿勢が保たれているときは、サンプル面のみが路面に接し、補助輪は浮いた状態になるように設計されている。これにより、姿勢が保たれているときは、すべての荷重がサンプルにかかるようになっている。【００７６】
試験の流れは以下の通りである。まずシーソーを操作してカートを路面から浮かせておく。この状態で牽引車を走らせ、時速80km/h(50mph)にする。この速度を維持した状態で、シーソーを降ろし、サンプルを路面に押し付け摩擦試験を開始する。試験時間の5秒の後にシーソーを上げて、サンプルを路面から離す。気温は25.6℃、路面温度は45.7℃であった。試験後のサンプルの温度降下をサーモグラフィカメラで記録し、後述のニュートンの冷却式から摩擦試験直後の温度を求め、摩擦熱により硬化が起こったかどうかを評価した。【００７７】
図24は摩擦試験前後のサンプルの外観である。本発明のハイドロゲルとの複合材料は試験後に白くなっており、表面に小さい傷が確認されただけで、繊維や裏面も損傷は見られなかった。一方で、PA-GFの複合材料は、繊維まで大きく破壊された。PAAm-GFは、一見壊れてないように見えるが路面に押し付けた瞬間にネジで止めた部分がちぎれて、サンプルが試験カートから剥がれてしまい、さらに弱かった。【００７８】
PAAc−GFが摩擦熱によって熱硬化がおこっているかを確認するために、摩擦試験直後のサンプル表面の温度をニュートンの冷却式から求めた。図25は、サーモグラフィカメラによるサンプルの表面の温度マッピングと、そこから求めた温度降下のグラフである。ニュートンの冷却式をこの温度降下のデータでフィッティングし、ゼロ秒外挿することで摩擦試験直後の温度を求めた。【００７９】
ニュートンの冷却式
【数１】
2018117165.tif 000003
Ttはt秒のときの温度、T0はゼロ秒(初期)の温度、Tairは媒質の温度（この場合空気の温度、気温、２５．６℃）Kは定数で、α熱伝達率、Sサンプル面積、C熱容量から成る。tは時間。【００８０】
サーモグラフィの実測データの２点を入れ、連立式からK及びT0を求めたところ、摩擦試験直後の表面温度は90.7℃であり、このゲルの組成のHT（50.6℃）より高く、摩擦熱で硬化が起こっていることが示唆された。【００８１】
摩擦熱耐久性はトラウザー型引裂き試験から求めた引裂きエネルギーから評価した。摩擦試験前のピュア複合材料サンプルと摩擦試験後のサンプルを幅45mm、長さ47mm、切込み長20mmに成形し、材料試験機で引裂き試験を行った。図26は引裂き試験のプロファイルであり、この引裂き曲線が作る面積とサンプルの厚み、試験長（長さ−切り込み長＝27mm）から引裂きエネルギーを求めた。【００８２】
【数２】
2018117165.tif 000004
分母のLthicknessはサンプルの厚み、Lbulkは試験長、分子の積分は引裂き試験の曲線とx軸が作る面積。【００８３】
引裂きエネルギーは、本発明のハイドロゲル−GF複合材料のピュアサンプル(摩擦試験前)が235.0 ± 18.4 kJ/m2、摩擦試験後のサンプルが192.9 ± 16.8 kJ/m2、比較のPA-GFのピュアサンプルが231.9 ± 11.9 kJ/m2、試験後のサンプルが45.4 ± 38.9 kJ/m2であった。試験前の引裂きエネルギーは同等であったが、試験後に本発明のハイドロゲルはPAに比べて、低下が極めて小さいことが示された。この比を摩擦熱耐久率としたグラフが図27である。本発明のハイドロゲル−GFは80％近く構造が壊れずに残っていたが、PA-GFでは20％程度しか残っていなかった。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、温度応答性ポリマーに関連する分野において有用である。
【図１】
2018117165.tif 000005
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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