(57)【要約】【課題】  多数のゲルを高品質かつ効率的に生成可能なゲル製造装置を提供する。【解決手段】  第１の流体を噴射する流体噴射部と、円筒形容器の内部で、該円筒形容器の中心軸の周りに第２の流体を渦状に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御して、流動する前記第２の流体に向けて前記流体噴射部から前記第１の流体の流体滴を噴射させる制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に、前記流体噴射部が複数配置される。【選択図】  図３
2013139001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体を噴射する流体噴射部と、
円筒形容器の内部で、該円筒形容器の中心軸の周りに第２の流体を渦状に流動させる流動部と、
前記流体噴射部の動作を制御して、流動する前記第２の流体に向けて前記流体噴射部から前記第１の流体の流体滴を噴射させる制御部と、
を備えるゲル製造装置であって、
前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に、前記流体噴射部が複数配置される、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のゲル製造装置であって、
前記流体噴射部は、前記第１の流体を噴射する複数のノズルが直列に並んだノズル列を有し、
複数の前記流体噴射部のそれぞれのノズル列の中央付近に位置するノズルが、前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に配置され、
それぞれの前記ノズル列中で前記第２の流体の流動方向の上流側に位置するノズルほど、前記円筒形容器の中心軸から近い位置に配置される、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のゲル製造装置であって、
複数の前記流体噴射部のうち、隣り合う２つの流体噴射部で、
前記第２の流体の流動方向の上流側に配置される流体噴射部から噴射された前記第１の流体の流体滴が前記第２の流体中を移動する際に、
前記第２の流体の流動方向の下流側に配置される流体噴射部と対向する位置と重ならない位置を通過するように、
前記隣り合う２つの流体噴射部が配置されている、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は多糖類または蛋白質類を含む水溶液であり、
前記第２の流体は多価金属塩を含む水溶液であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて硬化反応を生じさせることによりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は、冷却されることによってゲル化する液体であり、
前記第２の流体は、前記第１の流体を冷却する液体であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて冷却することによりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のゲル製造装置であって、
前記第１の流体は、酵素反応によってゲル化する液体であり、
前記第２の流体は、酵素を含んだ水溶液であり、
前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて酵素反応によりゲルを生成する、ことを特徴とするゲル製造装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれかに記載のゲル製造装置で製造された医療に用いられるゲル。
【請求項８】
複数のノズルが直列に並ぶノズル列を備えた流体噴射部であって、円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に配置された複数の流体噴射部から、第２の流体に向けて第１の流体の流体滴を噴射する工程と、
前記流体噴射部の鉛直下方に設置された前記円筒形容器の内部で、前記第２の流体を渦状に流動させる工程と、
を有することを特徴とするゲル製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲル製造装置、医療に用いられるゲル、及び、ゲル製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゲルの材料となる液体（ゲル材）を、該液体をゲル化させるゲル化材に向けて噴射する液滴噴射法により、ゲルを製造する方法が知られている。例えば、静止した状態のゲル化材に対して、一定の間隔を空けてゲル材を噴射する噴射口（ノズル）を配置する。そして、液滴噴射法によりノズルから噴射されるゲル材の液滴と、静止した状態のゲル化材とを反応させてゲルを製造する方法及び装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２３２１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の方法によれば、液滴の噴射量を調整することで所望の大きさのゲルを生成することができる。特に、微小なサイズのマイクロカプセル等を生成することができる。
【０００５】
これに関連してゲルを大量に製造する方法として、ゲル化材を渦巻状に流動させた状態で、その流動するゲル化材に対して複数のノズルからゲル材の液滴を噴射して、両液体を反応させることによって多数のゲルを製造する方法が考えられている。このような方法でゲルを量産する場合、生成されるゲルの形状や大きさをなるべく均一にするためには、流動するゲル化材に対してゲル材を突入させる際の条件が一定であることが望ましい。特に、ゲル化材の流動速度を一定とした状態でゲルが生成されることが望ましい。しかし、ゲル化材が渦状に流動している場合、流動速度が部分的に異なることにより、ゲル材の液滴が噴射される場所によって形状や大きさが不揃いなゲルが製造されやすくなる。したがって、高品質なゲルを効率的に生成することが困難になる。
【０００６】
本発明では、多数のゲルを高品質かつ効率的に生成可能なゲル製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための主たる発明は、第１の流体を噴射する流体噴射部と、円筒形容器の内部で、該円筒形容器の中心軸の周りに第２の流体を渦状に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御して、流動する前記第２の流体に向けて前記流体噴射部から前記第１の流体の流体滴を噴射させる制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に、前記流体噴射部が複数配置される、ことを特徴とするゲル製造装置である。
【０００８】
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ゲル製造装置１の概略図である。
【図２】噴射ヘッド１１の構造を説明する断面図である。
【図３】複数の流体噴射部１０の配置と、回転流動する第２の流体との関係について説明する図である。
【図４】第２の流体中に突入した後の第１の流体の液滴の流れ方について説明する図である。
【図５】図５Ａ及び図５Ｂは、隣り合うノズル同士の位置関係について説明する図である。
【図６】アルギン酸ナトリウムの説明図である。
【図７】アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへ変化する中間の様子を示す説明図である。
【図８】アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。
【図９】ゲル製造装置２の流体噴射部１０のノズル列の配置の例について説明する図である。
【図１０】第２実施形態の変形例における流体噴射部１０のノズル列の配置の例について説明する図である。
【図１１】図１０の各ノズルから噴射される第１の流体の液滴の軌道について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。  
【００１１】
第１の流体を噴射する流体噴射部と、円筒形容器の内部で、該円筒形容器の中心軸の周りに第２の流体を渦状に流動させる流動部と、前記流体噴射部の動作を制御して、流動する前記第２の流体に向けて前記流体噴射部から前記第１の流体の流体滴を噴射させる制御部と、を備えるゲル製造装置であって、前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に、前記流体噴射部が複数配置される、ことを特徴とするゲル製造装置。
このようなゲル製造装置によれば、多数のゲルを高品質かつ効率的に生成することができる。
【００１２】
かかるゲル製造装置であって、前記流体噴射部は、前記第１の流体を噴射する複数のノズルが直列に並んだノズル列を有し、複数の前記流体噴射部のそれぞれのノズル列の中央付近に位置するノズルが、前記円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に配置され、それぞれの前記ノズル列中で前記第２の流体の流動方向の上流側に位置するノズルほど、前記円筒形容器の中心軸から近い位置に配置される、ことが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、複数のノズル（ノズル列）を用いて多数の液滴を同時に形成することができるようになるため、ゲルの生成効率をより高くすることができる。さらに、第２の流体の流動方向に対してノズル列を斜めに配置することで、ノズル列中の各ノズルから噴射される液滴が互いに接触しにくくなり、精度よくゲルを生成することができる。
【００１３】
かかるゲル製造装置であって、複数の前記流体噴射部のうち、隣り合う２つの流体噴射部で、前記第２の流体の流動方向の上流側に配置される流体噴射部から噴射された前記第１の流体の流体滴が前記第２の流体中を移動する際に、前記第２の流体の流動方向の下流側に配置される流体噴射部と対向する位置と重ならない位置を通過するように、前記隣り合う２つの流体噴射部が配置されていることが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、上流側の噴射部から噴射された液滴と、下流側の噴射部から噴射された液滴とが接触しにくくなるので、形状や大きさが不揃いな不良ゲルが生成されることを抑制しやすくなる。
【００１４】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は多糖類または蛋白質類を含む水溶液であり、前記第２の流体は多価金属塩を含む水溶液であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて硬化反応を生じさせることによりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、人体に無害で医療分野等に対する応用性が高いゲルを効率よく生成することができる。また、親水性のゲルによるシェルを形成することが可能であるため、生体親和性が高いゲルを生成することができる。
【００１５】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は、冷却されることによってゲル化する液体であり、前記第２の流体は、前記第１の流体を冷却する液体であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて冷却することによりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、冷却温度を調整することによって生成されるゲルの硬さを自由に調節することが可能になる。また、第２の流体として水を用いることができるので、材料のコストを安価に抑えることができる。
【００１６】
かかるゲル製造装置であって、前記第１の流体は、酵素反応によってゲル化する液体であり、前記第２の流体は、酵素を含んだ水溶液であり、前記第１の流体を前記第２の流体と接触させて酵素反応によりゲルを生成することが望ましい。
このようなゲル製造装置によれば、第１の流体の濃度や第２の流体中に含まれる酵素の濃度を調整することによって、生成されるゲルの硬さを自由に調節することができる。また、医療やバイオテクノロジー等、様々な分野への応用が可能となる。
【００１７】
また、かかるゲル製造装置で製造された医療に用いられるゲルが明らかなる。
また、複数のノズルが直列に並ぶノズル列を備えた流体噴射部であって、円筒形容器の中心軸からの距離が所定の範囲内の位置に配置された複数の流体噴射部から、第２の流体に向けて第１の流体の流体滴を噴射する工程と、前記流体噴射部の鉛直下方に設置された前記円筒形容器の内部で、前記第２の流体を渦状に流動させる工程と、を有することを特徴とするゲル製造方法が明らかとなる。
【００１８】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜ゲルについて＞
本実施形態では、ゲルの原料となる第１の流体を噴射することにより流体滴を形成し、形成された流体滴を第２の流体と接触させ、流体滴の一部若しくは全体を硬くする（硬化させる）ことによってゲルを生成する。この場合、流体滴がほぼ球状に形成されるため、生成されるゲルも球に近い形状となる。
【００１９】
以下の実施形態では、第１の流体及び第２の流体は共に液体であるものとして説明する。第１の流体及び第２の流体の具体的詳細については後で説明する。
【００２０】
＜ゲル製造装置の構成＞
第１実施形態では、第２の流体を渦状に回転するように流動させながら（以下、このような流動を回転流動とも呼ぶ）、第２の流体に対して第１の流体を噴射するゲル製造装置１を用いてゲルを生成する。図１に、ゲル製造装置１の概略図を示す。ゲル製造装置は、流体噴射部１０と、流動部２０と、ヘッド搭載プレート３０と、制御部５０とを備える。
【００２１】
また、説明のため、図１に示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる座標軸を設定する。Ｚ軸は鉛直方向（図１において下向きの方向）であり、Ｘ軸はＺ軸に対して垂直な方向であり、Ｙ軸はＺ軸及びＸ軸に垂直な方向であるものとする。
【００２２】
（流体噴射部１０）
流体噴射部１０は、第１の流体を噴射して流体滴（液滴）を形成する。流体噴射部１０は噴射ヘッド１１と第１流体タンク１２とを有する。
【００２３】
噴射ヘッド１１は第１の流体を所定量ずつ噴射することで、第１の流体の液滴を形成する。本実施形態では、基本的に第１の流体がＺ軸方向（鉛直下向きの方向）に噴射されるものとする。ただし、噴射ヘッド１１はＺ軸方向に対して傾いた方向に第１の流体を噴射させることも可能である。
【００２４】
図２に、噴射ヘッド１１の構造を説明する断面図を示す。本実施形態で、噴射ヘッド１１は、ノズル１１１、ピエゾ素子ＰＺＴ、流体供給路１１２、ノズル連通路１１４（容積室に相当する）、及び、弾性板１１６（ダイアフラムに相当する）を有する。
【００２５】
第１流体タンク１２に貯留された第１の流体は、流体供給路１１２を介してノズル連通路１１４に供給される。圧電素子であるピエゾ素子ＰＺＴには、制御部で生成される複数のパルスを有する電圧信号が、駆動信号として印加される。駆動信号が印加されると、該駆動信号に従ってピエゾ素子ＰＺＴが伸縮し、弾性板１１６を振動させる。そして、ノズル連通路１１４の容積を変化させ、駆動信号の振幅に対応するようにノズル連通路１１４内に供給された第１の流体を移動させる。
【００２６】
第１の流体の移動について具体的に説明する。本願実施形態のピエゾ素子ＰＺＴは、電圧を印加すると図２の上下方向に収縮する特性を有する。駆動信号としてある電圧からより大きい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図２の上下方向に収縮してノズル連通路１１４の容積を拡大する方向に弾性板１１６を変形させる。このとき、ノズル１１１における流体表面はノズル１１１の内側（図２の上側）方向に移動する。逆に、ある電圧からより小さい電圧を印加した場合、ピエゾ素子ＰＺＴは図２の上下方向に伸長し、ノズル連通路１１４の容積を縮小する方向に弾性板１１６を変形させる。このとき、ノズル１１１の流体表面はノズル１１１の外側（図２の下側）方向に移動する。このように、ノズル連通路１１４の容積を変化させるとノズル連通路１１４における圧力が変動し、ノズル連通路１１４に充填された第１の流体をノズル１１１から噴射することができる。噴射された第１の流体（液体）は、その表面張力により球形の液滴となる。つまり、ピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の振幅（電圧の大きさ）を変更することによって、噴射される液滴の大きさ（噴射される流体の量）を調整することができる。これにより、所望のサイズのゲルを正確に形成することができるようになる。なお、第１の流体に酸素分子が溶け込んでいると、この圧力変動の際、ノズル連通路１１４において気泡が生じてしまう。よって、本実施形態において使用される第１の流体は予め溶存空気（酸素）が除去されていることが望ましい。
【００２７】
また、ピエゾ素子ＰＺＴに印加される駆動信号の周波数を変更することにより、ノズルから断続的に噴射される第１の流体の噴射間隔（周期）を調整することができる。
【００２８】
ゲル製造装置１には、流体噴射部１０が複数備えられる。図１では流体噴射部１０が２つ備えられるが、３つ以上の流体噴射部１０を備えていてもよい。そして、複数の流体噴射部１０からそれぞれ第１の流体を噴射することによって、同時に複数の液滴を形成することが可能である。このとき、複数の流体噴射部１０に印加される駆動信号を共通化するとよい。つまり、１種類の駆動信号で複数の流体噴射部１０を駆動させることにより、制御動作を単純化することができ、また、後述する制御部５０にかかる負荷を軽減させることができる。
【００２９】
第１流体タンク１２はゲルの原料となる第１の流体を貯留しておくタンクであり、不図示の流体伝送路を介して噴射ヘッド１１に第１の流体を供給する。本実施形態のように流体噴射部１０（噴射ヘッド１１）が複数設けられる場合には、各ヘッドについて各々第１流体タンク１２が設けられてもよいし、各ヘッドに共通して第１流体タンク１２が１つだけ設けられるようにしてもよい。
【００３０】
（流動部２０）
流動部２０は、第２の流体を所定の方向に連続的に流動させる。本実施形態において流動部２０は、ＸＹ平面と平行な平面で第２の流体を渦状に回転流動させる。流動部２０は、流動容器２５と、スターラー２６とを有する。
【００３１】
流動容器２５は上部が開口された円筒形の容器であり、内部に第２の流体を液体状に貯留する。そのため、流動容器２５は第２の流体と接触しても化学反応を生じないガラス等の材質で形成される。また、流動容器２５は流体噴射部１０の鉛直下方に設置され、流体噴射部１０から噴射された複数の第１の流体が、流動容器２５の内部に貯留された第２の流体中にそれぞれ着弾するように位置が調整される。設置位置の調整の詳細は後述する。
【００３２】
スターラー２６は、動力部２６１と回転子２６２とを有する。動力部２６１は流動容器２５の下側に設けられ、磁力によって回転子２６２をＸＹ平面と平行な平面上で回転させる。その際、回転子２６２の回転速度や回転方向を調整することが可能である。
【００３３】
回転子２６２は細長い棒状の部材であり、流動容器２５の内部に設けられる。そして、動力部２６１によって回転されることにより、流動容器２５の内部に貯留された第２の流体（液体）を渦状に流動させる。ここで、回転子２６２の回転中心は、流動容器２５の中心位置と一致するように調整される。つまり、第２の流体は流動容器２５の中心軸の周りを渦状に流動する（図１参照）。
【００３４】
（ヘッド搭載プレート３０）
ヘッド搭載プレート３０は流動容器２５の上部に設けられ、流体噴射部１０の噴射ヘッド１１を搭載して固定する板状の部材である。ヘッド搭載プレート３０には複数の穴が設けられ、この穴の部分に噴射ヘッド１１をそれぞれ嵌め込むように設置することで、流体噴射部１０の設置位置が固定される。これにより、第１の流体の噴射位置（噴射ヘッド１１のノズルの位置）を正確に定めることができる。なお、流体噴射部１０の数や設置位置を変更する場合には、それに応じてヘッド搭載プレート３０も交換される。
【００３５】
また、ヘッド搭載プレート３０は流動容器２５の上部開口部を塞ぐ蓋としての機能を有し、流動容器２５内部の第２の流体中に外部からゴミ等の不純物が進入することを抑制する。
【００３６】
（制御部５０）
制御部５０は、噴射ヘッド１１を駆動させるための電圧波形信号である駆動信号を生成し、複数のピエゾ素子ＰＺＴに印加することによって、噴射ヘッド１１の駆動を制御し、第１の流体の噴射を制御する。また、スターラー２６の回転速度が制御部５０によって制御されるようにしてもよい。
【００３７】
＜ゲル生成動作について＞
ゲル製造装置１を用いたゲル生成動作について説明する。図１に示されるように、流動容器２５の内部で中心軸の周りを回転流動する第２の流体に対して、その上方に設置された複数の流体噴射部１０に備えられたノズルからそれぞれ第１の流体が断続的に噴射される。各ノズルから噴射された第１の流体は各々液滴を形成し、第２の流体の液面に着弾することにより、第１の流体（液滴）と第２の流体とが接触する。このとき、第１の流体と第２の流体との接触部分（つまり、第１の流体の液滴の表面）において化学反応が生じ、該液滴（第１の流体）の表面から内部へと徐々にゲル化が進行する。これにより、一度に多数のゲルが生成される。
【００３８】
その際、回転流動する第２の流体と第１の流体を噴射する各噴射ヘッド（ノズル）との位置関係（場所）に着目し、第１の流体の液滴が第２の流体に突入する際の条件が同じになるようにする。言い換えると、複数の流体噴射部１０から噴射された第１の流体の液滴が、それぞれ同じ条件でゲル化されるように、流体噴射部１０の設置位置を決定する。これにより、サイズや大きさが均一なゲルを生成しやすくなる。
なお、化学反応（ゲル化反応）の詳細については後で説明する。
【００３９】
図３に、複数の流体噴射部１０の配置と、回転流動する第２の流体との関係について説明する図を示す。図３上側の図は、ゲル製造装置１を上側から見た時のＸＹ平面の概略図であり、図３下側の図は、上側の図のＸＺ断面を表している。なお、図では、流体噴射部１０のうちヘッド１１及びノズル１１１についての位置関係を示している。
【００４０】
図３において、円筒形の流動容器２５の中心軸を原点Ｏとするとき、第２の流体は該中心軸（原点Ｏ）を回転中心としてＸＹ平面上を時計回り方向（反時計回り方向でもよい）に回転流動する。そして、流動する第２の流体の液面の鉛直上方には、原点Ｏを中心とした半径Ｒの同一円周上に、複数の流体噴射部１０（噴射ヘッド１１ａ〜１１ｄ）が設置されている。つまり、噴射ヘッド１１ａ〜１１ｄは、流動容器２５の中心軸（原点Ｏ）からの距離が同じ位置にそれぞれ配置される。なお、図３では噴射ヘッド１１ａと１１ｃとがＸ軸方向に相対するよう設置され、噴射ヘッド１１ｂと１１ｄとがＹ軸方向に相対するよう設置されているが、噴射ヘッド１１の設置個数は４つには限られない。噴射ヘッド１１の設置個数が多ければ、１回に噴射可能な液滴の数を増やすことができるため、ゲルの生成効率を高くすることができる。
【００４１】
また、中心軸からの距離が「同じ」とは、中心軸からの距離が所定の範囲内に含まれることを言う。本実施形態では、例えば中心軸からの距離が±５％以内の範囲に含まれる。すなわち、半径Ｒの円を基準とすると、０．９５Ｒ〜１．０５Ｒの範囲内の位置に複数の噴射ヘッド１１が配置される。この範囲内であれば、後述する第２の流体の流動速度ｖの変動幅は無視できる程度であり、流動速度はほぼ同じであると考えることができる。なお、中心軸からの距離が「同じ」になるときの所定の範囲の広さは、第２の流体の流動条件（流動速度や回転半径の大きさ）によって異なるため、±５％以上の範囲としてもよい場合もある。
【００４２】
第２の流体が回転流動する場合、第２の流体の流動速度ｖは、流体噴射部１０のノズル１１１と対向する位置における第２の流体の回転方向の速度で表される。本実施形態では、流体噴射部１０から鉛直下方（Ｚ軸方向）に第１の流体が噴射されるので、第１の流体が第２の流体の回転中心（原点Ｏ）から半径Ｒの円周上に着弾する場合、第２の流体の流動速度ｖは同円周上の接線方向における速度とほぼ等しいと考えられる。したがって、図３のように同一円周上に配置された複数の噴射ヘッド１１（流体噴射部１０）から第１の流体の液滴が噴射される場合、第２の流体に突入する際の条件（第２の流体の流動速度ｖ）が同じになる。これにより、多数のゲルを均一な品質で生成することができる。なお、第２の流体の実際の流動速度ｖの値はあらかじめ実験的に求めておくとよい。
【００４３】
また、本実施形態ではスターラー２６を用いて第２の流体を渦状に回転流動させるため、第２の流体の液面が平面にならない部分が生じる場合がある。例えば、図３下側の図で示されるように、回転の中心（流動容器２５の中心）付近では第２の流体の液面がすり鉢のような形状（漏斗状）に窪み、液面に歪が生じやすい。この窪み部分の付近では、回転の中心軸に沿ってＺ軸方向の流れが強くなり、乱流が生じやすい。つまり、液面に窪みが生じている部分と液面が水平な部分とでは、第２の流体の流動速度ｖや流動方向の条件が大きく異なる。したがって、液面に窪みが生じている部分（水平にならない部分）に第１の流体が噴射されると、ゲルの形状が歪んだり硬さが不均一になったりして、高品質なゲルを精度よく生成できないおそれがある。特に、第１実施形態のように第１の流体と第２の流体の化学反応によって短時間でゲルが形成されるような場合、第１の流体の液滴が第２の流体中に着弾したときの形状が最終的なゲルの形状に与える影響が大きい。
そこで、本実施形態では、回転流動する第２の流体の液面がほぼ水平となる部分に、第１の流体の液滴が着弾するように、流体噴射部１０のノズル位置と流動部２０（流動容器２５）との位置関係が調整される。これにより、第１の流体の液滴と、第２の流体とが接触する際の条件が同一になりやすく、均一な大きさで均一な形状のゲルを生成しやすくなる。
【００４４】
＜噴射ヘッド１１の配置について＞
複数の噴射ヘッド１１が同一円周上に配置されることを説明したが、高品質なゲルを生成するために、噴射ヘッド１１同士の位置関係にも注意する必要がある。
【００４５】
図４に、第２の流体中に突入した後の第１の流体の液滴の流れ方について説明する図を示す。本実施形態において、第２の流体は流動容器２５の内部で渦状に回転流動し、旋回するにつれて徐々に渦の中心方向に近づくように流動する。したがって、図４のＡ点で第２の流体に突入した液滴は、第２の流体中で螺旋状の軌跡を描きながらＢ点、Ｃ点、Ｄ点と通過するにつれて徐々に中心軸方向に近づくように流されていく。
【００４６】
次に、図５Ａ及び図５Ｂに、隣り合う噴射ノズル同士の位置関係について説明する図を示す。図５Ａは複数の噴射ヘッド１１のうち、隣り合う２つの噴射ヘッド１１が適正な位置関係となるように配置された場合を表している。流動方向の上流側に設置されたヘッドのノズルをＡ１、下流側に設置されたヘッドのノズルをＡ２とすると、隣り合うＡ１とＡ２との間に十分な距離があれば、ノズルＡ１から噴射された液滴が第２の流体中を移動（流動）する際に、ノズルＡ２と対向する位置（図５でノズルＡ２の鉛直下方の位置）から離れた位置を通過する。すなわち、上流側ノズルＡ１から噴射された液滴の軌道は、下流側ノズルＡ２と対向する位置と重ならない位置を通る。この場合、Ａ１から噴射された液滴とＡ２から噴射された液滴とが接触する可能性は低い。
【００４７】
一方、図５Ｂは複数の噴射ヘッド１１のうち、隣り合う２つの噴射ヘッド１１が非常に接近して配置された場合を表している。この場合、上流側ノズルＡ１から噴射された液滴は、下流側ノズルＡ２と対向する位置（図５でノズルＡ２の鉛直下方の位置）を掠めるような軌道で移動する。したがって、Ａ１から噴射された液滴がＡ２の鉛直下方を通過するタイミングでＡ２から噴射された液滴が第２の流体の液面に着弾する場合、２つの液滴が接触して、結合してしまうおそれがある。２つの液滴が結合したままゲル化すると、大きさや形状が不揃いなゲルが生成され、均一な品質なゲルを生成することが困難になる。
【００４８】
したがって、本実施形態のように複数の流体噴射部１０（噴射ヘッド１１）を配置する際には、上流側ヘッドから噴射された液滴の軌道と、下流側ヘッドの位置とが重ならないように両ヘッドの位置関係が決定される。言い換えると、上流側で噴射された液滴と下流側で噴射された液滴とが接触しないように、ヘッドが配置される。
【００４９】
なお、液滴の硬化が進行して所定の硬さになった後であれば、液滴同士が接触した場合であっても両者は結合しにくい。したがって、液滴が第２の流体中を流されて、十分に時間が経過した後で接触する場合には問題は生じにくい。
【００５０】
＜ゲル生成材料について＞
続いて、ゲルを生成する材料である第１の流体、及び、第２の流体について説明する。
【００５１】
（第１の流体について）
本実施形態において、第１の流体としては多糖類、もしくは蛋白質類（例えば、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カルシウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、エチルセルロース、メチルセルロース、ペクチン、ジェランガム、キトサン、コラーゲン、フィブリノーゲン等）を含んだ物質（水溶液）が用いられる。アルギン酸塩類は人体に対してほぼ無害であり、ゲル材として使用することにより医療分野などへの応用性の範囲が広くなる。
【００５２】
また、第１の流体は有効成分（例えば、ハイドロキノン、セラミド、牛血清アルブミン、γ−グロブリン、リピオドール、ビフィズス菌、ビタミン、ヒアルロン酸、ＩＰＳ細胞等）を含んでいてもよい。
【００５３】
本実施形態では、上述したように噴射された第１の流体の液滴がそのままゲルとなるため、材料の歩留まりが非常に高い。したがって非常に高価な物質を材料として使用しなければならない場合（例えば、医療に用いられるゲルを生成する際に、医薬品を原料としてゲルを生成する場合）等において、コストの面で非常に効果的である。また、使用される流体の量が最適化できるため、廃棄される流体の量が少なく環境保護という観点でも有効である。
【００５４】
（第２の流体について）
本実施形態において、第２の流体として、ゲル化誘発因子を持つような多価金属塩（例えば、塩化カルシウム、酢酸カルシウム、硝酸カルシウム、クエン酸カルシウム、乳酸カルシウム、炭酸カルシウム等のカルシウム塩を含むものや、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、リン酸アルミニウム等のアルミニウム塩、塩化マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン、硫酸マンガン等のマンガン塩、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム、硫酸マグネシウム等のマグネシウム塩、リン酸第一鉄、リン酸第二鉄等の鉄塩等）を含む物質（水溶液）が用いられる。
【００５５】
本実施形態では、第１の流体が第２の流体と接触して架橋反応、重合反応、高分子反応といった化学反応を生じることにより、第１の流体による液滴の表面部分から硬化（ゲル化）する。なお、ここで言う「硬化（ゲル化）」とは粘度が高くなる状態も含む。
【００５６】
次に、第１の流体としてアルギン酸ナトリウム水溶液を用い、第２の流体として塩化カルシウム水溶液を用いた場合に生じる化学反応について説明する。図６は、アルギン酸ナトリウムの説明図である。図７は、アルギン酸ナトリウムからアルギン酸カルシウムゲルへ変化する中間の様子を示す説明図である。図８は、アルギン酸カルシウムゲルの説明図である。
【００５７】
図６に示されるように、アルギン酸ナトリウム（Ｃ６Ｈ７Ｏ６Ｎａ）はアルギン酸に１価のナトリウムイオンが結合している。このアルギン酸ナトリウムが塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）水溶液と接触すると、２価のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が、アルギン酸ナトリウムのナトリウムイオン（Ｎａ＋）と置換されることで、ゲル化が進行する（図７）。このとき、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）は１価であり、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）は２価であるので、２個のナトリウムイオン（Ｎａ＋）に対して、１個のカルシウムイオン（Ｃａ２＋）が置換される。このとき、アルギン酸ナトリウムは、２つのアルギン酸ナトリウム間において、２つのナトリウムイオン（Ｎａ＋）が脱離して、２価の金属イオンである１つのカルシウムイオン（Ｃａ２＋）に置換される（図８）。そして、２つのアルギン酸間を橋架けする架橋凝縮が生じ、ゲル化（硬化）する。このような化学反応は架橋反応とも呼ばれる。
【００５８】
ところで、図８には、破線で囲われた領域が示されている。アルギン酸カルシウムゲルでは、この破線で囲われた領域を通じてゲルの内部から外部へ水分子が移動したり、外部から内部へと水分子が移動したりする。このように破線で囲われた領域に水分子が存在することにより、弾力性のあるゲルが実現されている。そして、ゲルにおける水分子の流入量と流出量は均衡している。本実施形態において、親水性を有するゲルが形成されることによって、人体に摂取するような場合に生体親和性が高いゲルを生成することができる。
【００５９】
また、アルギン酸ナトリウムに対してグリセリンが添加されている場合には、水分子の流入量と流出量との均衡が崩れ、水分子が外部により流出しやすくなる。図８の破線で囲われた領域にグリセリンも存在するのであるが、このグリセリンが外部に流出する際、この破線で囲われた領域の網目が収縮する。そうすると、アルギン酸カルシウムの密度が高まることから、ゲルが硬くなる。また、グリセリンはゲル化の反応速度を速くすることに貢献していると考えられ、このためゲルが硬くなるとも考えられる。なお、グリセリンは人体に与える影響が少ないため薬剤を含むゲルを製造する際の添加剤として有利である。
【００６０】
＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態では、円筒形容器内で渦状に流動する第２の流体に対して複数の流体噴射部から断続的に第１の流体の液滴を噴射することで一度に複数のゲルを形成する。その際、円筒形容器の中心軸からの距離が同じ位置に各流体噴射部を配置することで、第１の流体の液滴が第２の流体に突入する際の第２の流体の流動速度の条件を同じにする。複数の流体噴射部のそれぞれによって生成されるゲルの品質が均一になるようにすることで、高精度かつ効率的にゲルを量産することができるようになる。
【００６１】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第２実施形態では、流体噴射部１０が複数のノズルからなるノズル列を有するゲル製造装置２を用いて、ゲルを生成する。第１の流体の液滴を噴射するノズルの数が増えることにより、ゲルの生成効率をさらに高くすることができる。
【００６２】
＜ゲル製造装置の構成＞
ゲル製造装置２では、流体噴射部１０の構成がゲル製造装置１とは異なる。流動部２０、ヘッド搭載プレート３０、及び制御部５０の構成はゲル製造装置１とほぼ同様である。
【００６３】
（流体噴射部１０）
ゲル製造装置２の流体噴射部１０は、ヘッド１１に、複数のノズルが直列に並んだノズル列が設けられる。ノズルを複数備える場合、個々のノズルに対応してピエゾ素子ＰＺＴも備えられる。すなわち、ノズルと同じ数だけピエゾ素子が備えられる。
【００６４】
図９は、ゲル製造装置２の流体噴射部１０のノズル列の配置の例について説明する図である。図９では、４つのヘッド１１ａ〜１１ｄが四方に設けられ、各ヘッドは第２の流体の流動方向の上流側から順にｎ１〜ｎ５の５つのノズルが直列に並んだノズル列をそれぞれ備えている。各ノズル列は、円筒容器２５の半径方向と交差する方向に配置されている。例えば、ヘッド１１ａでは、半径方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）にノズル列が配置される。
【００６５】
また、ノズル列を配置する際には、各ノズル列の中央付近のノズルを基準とする。すなわち、ノズル列に含まれるノズルの個数が奇数であればノズル列中央に位置するノズル、ノズルの個数が偶数であれば中央部に位置する２つのノズルのうちのいずれかを基準とする。例えば、図９ではｎ１〜ｎ５の５つのノズルのうち、中央に位置するノズルｎ３（図の黒塗りで表されるノズル）が基準となり、当該ノズルｎ３がそれぞれ同一円周上（原点Ｏを中心とする半径Ｒの円周上）になるように各ノズル列が配置される。このとき、各ノズル列のｎ３以外のノズルｎ１、ｎ２、ｎ４、ｎ５は、ｎ３ノズルの位置よりも半径方向の外側に配置されることになる。しかし、図のように半径０．９５Ｒの円と半径１．０５Ｒの円との間の領域にノズル列が位置していれば、各ノズルから噴射された液滴が第２の流体へ突入する際の条件は同じであるものと考えてよい。上述したように、半径Ｒに対して各ノズルが所定の範囲内（例えば、±５％以内の範囲）に位置していれば、中心軸からの距離が「同じ」であるものとして扱うことができるからである。したがって、その範囲における第２の流体の流動速度もほぼ同じと考えられる。
【００６６】
このように各ノズル列を配置することにより、各ヘッドから１度に噴射される第１の流体の液滴の数が増加するため、より多くのゲルを効率よく生成することができる。
【００６７】
＜ゲル生成材料について＞
第２実施形態において、第１の流体、及び、第２の流体は、第１実施形態と同様の物質を用いることができる。
【００６８】
＜第２実施形態の効果＞
第２実施形態では、流動容器２５の半径方向と交差する方向に並ぶ複数のノズルからなるノズル列からそれぞれ第１の流体を噴射することによりゲルを生成する。その際、ノズル列の中心付近に位置するノズルが、円筒形容器の中心軸からの距離が同じ位置に配置されるようにする。
【００６９】
複数のノズル列を用いて多数の液滴を同時に形成することができるようになるため、ゲルの生成効率をより高くすることができる。
【００７０】
＜変形例＞
図９ではノズル列が半径方向と直交する方向に配置される例について説明したが、ノズル列の配置方向を半径方向に対して斜めにしてもよい。
【００７１】
図１０に、第２実施形態の変形例における流体噴射部１０のノズル列の配置の例について説明する図を示す。図１１に、図１０の各ノズルから噴射される第１の流体の液滴の軌道について説明する図を示す。
【００７２】
変形例では、図１０のように第２の流体の流動方向の上流側のノズルほど、流動容器２５の中心軸から近い位置（半径方向の内側）に配置されるようにノズル列が斜めに配置される。以下、その理由について説明する。
【００７３】
図５において説明したように、隣り合うノズル同士の位置関係が近すぎると、第２の流体の流動方向上流側ノズルから噴射された液滴と、下流側ノズルから噴射された液滴とが接触してしまうおそれがある。例えば、図９において、ｎ１ノズルから噴射された液滴が、ｎ２ノズルから噴射された液滴と接触して２つの液滴が結合してしまうおそれがある。
【００７４】
これに対して、図１１に示されるようにノズル列を斜めに配置することで、各ノズルから噴射された第１の流体の液滴の軌道が互いに重なりにくくなる。例えば、ｎ１ノズルから噴射された液滴は、第２の流体の液面に着弾した直後から中心軸の方向に近づくように移動する。一方、ｎ１ノズル下流側のｎ２ノズルはｎ１ノズルよりも中心軸から遠い位置に配置されるため、ｎ１ノズルから噴射される液滴の軌道は、ｎ２ノズルと対向する領域（ｎ２ノズルの鉛直下方付近の領域）と重なりにくくなる。したがって、図１１のように、ｎ１〜ｎ５の各ノズルから噴射された液滴は互いに接触することなく移動しやすくなり、第２の流体中を移動する間にゲル同士が結合することを抑制することができる。
【００７５】
また、前述の様に各ノズル列の中央付近のノズルを配置の基準とすることにより、ノズル列中の全てのノズルが所定の範囲内の領域に含まれるようにする。図１０及び図１１では、ノズル列中央のノズルｎ３（黒塗りで表されるノズル）が半径Ｒの円周上に配置されている。このとき、中心軸に最も近い位置のノズルはｎ１、中心軸から最も遠い位置のノズルはｎ５となるが、両ノズルとも、所定の範囲内（図１０で、半径０．９５Ｒ〜１．０５Ｒの領域中）に含まれている。これにより、各ノズルから噴射される液滴が第２の流体に突入する際の第２の流体の流動速度の条件が同じになる。
【００７６】
なお、ノズル列を斜めに配置する際に、半径方向に対するノズル列の角度を調整可能にしておくとよい。例えば、第２の流体の回転流動の速度に応じてノズル列の方向と流動容器２５の半径方向とのなす角度を変更できるようにしておき、ある流動条件において実際に生成されるゲルの形状や大きさを確認した上で、最適な角度となるようにノズル列の設置角度を調整する。これにより、均一な大きさ・形状のゲルをより高精度に生成しやすくなる。
【００７７】
変形例のように、各ノズル列の配列方向を斜めにすることにより、より高精度にゲルを生成することができるようになる。
【００７８】
＝＝＝第３実施形態＝＝＝
上述の各実施形態では、第１の流体と第２の流体とを接触させて化学反応を生じさせることにより、第１の流体をゲル化させていた。これに対して、第３実施形態では、第１の流体を冷却することによりゲル化させる。第３実施形態で用いる製造装置は上述のゲル製造装置１または２と同様である。
【００７９】
本実施形態では、第１の流体としてゼラチンや寒天等、常温時（若しくは高温時）には液体状であるが、冷却するとゲル化して硬くなる（ゲル化する）第１の流体を冷却する液体を用いる。例えば、冷たい水を用いることができる。なお、第２の流体は、第１の流体と化学反応せず、第１の流体を冷却することができるのであれば、水以外の物質を用いることも可能であるが、水を用いることにより、コストを安く抑えることができ、また、流体の扱いが容易になる。
【００８０】
ゲルを製造する際には、ゲル製造装置１または２を用いて、複数のノズルから断続的に噴射される第１の流体（例えばゼラチン）の液滴を第２の流体（冷却水）と接触させることにより、ゼラチンを冷却してゲル化させる。これにより、多数のゲルを効率的に生成することができる。その際、冷却に用いる第２の流体の温度を変更することにより、ゲルの硬さを調節することが可能である。本実施形態では、第２の流体を１０℃以下の所定の温度に保つことで、第１の流体を冷却する。なお、ゼラチンを安定してゲル化させるためには、第２の流体の温度の範囲は２℃〜６℃程度とすることが望ましい。そのため、流動部２０の温度を調節するための冷却装置（不図示）を設けてもよい。ただし、第１の流体を所定の硬さにすることができるのであれば、第２の流体の温度を１０℃より高くすることも可能である。また、ゼラチンの濃度を変更することによってもゲルの硬さを調整することができる。
【００８１】
本実施形態において、コラーゲンを主成分とするゼラチンを用いてゲルを生成することにより、上述のような医療分野への応用の他に、コラーゲンの保湿成分を利用した化粧品等にも応用しやすくなる。
【００８２】
＜第３実施形態の効果＞
第３実施形態では、冷却することによってゲル化する液体を用いて多数のゲルを効率的に生成する。第２の流体として水を用いることができるため、材料コストが安く、入手や扱いも容易となる。また、温度によって簡単にゲルの硬さを調整することができるため、用途に応じて所望の硬さのゲルを生成することができる。
【００８３】
＝＝＝第４実施形態＝＝＝
第４実施形態では、第１の流体を酵素反応によりゲル化させる。第４実施形態で用いる製造装置は上述のゲル製造装置１または２と同様である。
【００８４】
本実施形態では、第１の流体としてフィブリノーゲン等、液体状であるが、酵素反応によりゲル化して硬くなる物質を用いる。そして、第２の流体として酵素を含んだ溶液を用いる。
【００８５】
ゲルを製造する際には、ゲル製造装置１または２を用いて、断続的に噴射される第１の流体（例えばフィブリノーゲン水溶液）の液滴を第２の流体（酵素溶液）と接触させることにより、フィブリノーゲンを酵素反応させてゲル化させる。これにより、多数のゲルを効率的に生成することができる。その際、反応に用いる第２の流体の酵素濃度を変更することにより、ゲルの硬さを調節することが可能である。また、フィブリノーゲンの濃度を変更することによってもゲルの硬さを調整することができる。
【００８６】
本実施形態において、フィブリノーゲン水溶液を用いてゲルを生成することにより、上述のような医療分野への応用の他に、細胞培養などのバイオテクノロジー分野にも応用しやすくなる。
【００８７】
＜第４実施形態の効果＞
第４実施形態では、酵素反応によってゲル化する液体を用いて多数のゲルを高品質かつ効率的に生成する。第１の流体や第２の流体の濃度を変更することによって簡単にゲルの硬さを調整することができるため、用途に応じて所望の硬さのゲルを生成することができる。また、様々な分野への応用が可能となる。
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
【００８８】
一実施形態としてのゲル製造装置を説明したが、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
【００８９】
＜ゲル生成材料について＞
前述の各実施形態では、第１の流体及び第２の流体についてそれぞれ具体例が例示されていたが、例示された以外のゲル生成材料を用いてゲルを生成することも可能である。
【００９０】
＜ゲルの用途について＞
前述の各実施形態では、生成されるゲルの用途として医療分野への応用について考慮されていたが、例示された以外にも幅広い用途にゲルを利用することができる。例えば、化粧品としての用途や、機能性食品としての用途等が考えられる。
【００９１】
＜流体噴射部１０について＞
前述の各実施形態では、第１の流体の液滴を噴射する流体噴射部として、圧電素子（ピエゾ素子ＰＺＴ）が用いられていたが、他の機構を用いた流体噴射部であってもよい。例えば、シリンジを押すことによって液体を滴下するディスペンサを用いた機構、静電アクチュエーターを用いた流体噴射機構、静電吸引方式を用いた流体噴射機構、音響エネルギーを用いた流体噴射機構等、種々の機構を用いることができる。その際、噴射される第１の流体の量、噴射周期を任意に変更できる機構であることが望ましい。
【符号の説明】
【００９２】
１、２  ゲル製造装置、
１０  流体噴射部、１１  噴射ヘッド、１２  第１流体タンク、
１１１  ノズル、１１２  液体供給路、１１４  ノズル連通路、１１６  弾性板、
２０  流動部、２５  流動容器、２６  スターラー、
２６１  動力部、２６２  回転子、
３０  ヘッド搭載プレート、
５０  制御部
ＰＺＴ  ピエゾ素子
【図２】
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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１１】
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【図１】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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