－論文－

●抗抗血栓性を有する医療機器用新規アクリル系コーティング材の開発
Development of Novel Blood-Compatible Acrylic Coating Polymers
for Medical Devices───────────────────────────────────────────────────────────

谷口 将太
Shota Taniguchi
Key Word : Blood-compatibility、Medical Device、Coating Agent１㻌 緒言 㻌

グが可能である。しかし、長時間の使用では血栓が生じるケ㻌ースがあり、改善が望まれている。

 2020 年初頭、COVID-19 感染による重症化患者の治療にこのようなポリマー材料がもつ抗血栓性には、その含水状

体外式膜型人工肺 Extracorporeal Membrane Oxygenation

態における水和水が寄与する。水和水は、その構造や運動性（ECMO）が使用され、連日報道された。ECMO は、血液により自由水、中間水、不凍水の 3 種類に分類され、このうに酸素を供給し循環させて心臓や肺の機能を代替する機能を

ちの中間水が抗血栓性に寄与する 6)～8)。中間水を含むポリマ

有し、肺機能が著しく低下した場合や心臓手術時に用いられーは、血小板やフィブリノーゲンに対して、材料表面上の中る医療機器である 1)~3)。

間水が緩衝材として機能し、その斥力により材料との接触おECMO のように機器内部に患者の血液が送り込まれる体よび吸着を防ぐ 9)。

外循環装置では、血液と人工材料の接触によって血栓が形成

本研究では、側鎖にウレタン結合もしくはウレア結合を有され、身体に悪影響を与える問題がある。この問題を解決すする（メタ）アクリレートに着目し、様々なウレタンアクリるために、血液に異物と判断されない材料をコーティングす

レートポリマーおよびウレア（メタ）アクリレートポリマーる手法が用いられる 4), 5)。コーティング材には、血液凝固因を合成した。これらポリマーの中間水の定量から、本用途に子である血小板やフィブリノーゲンに対して抗吸着性をもつ最適なポリマーの化学構造を探索し、実用性を考慮して非水抗血栓性材料が使用されており、これにより血栓形成（異物溶性かつ抗血栓性に優れる新規ポリマーの開発を行った。

反応）が抑制される。
このような抗血栓性材料には、一般に動物由来の高分子（ポリマー）であるヘパリンが用いられる。しかし、動物由来であるため、感染のリスクや供給不安などの問題がある。
この問題に対して、抗血栓性に優れた合成ポリマーの検討がFig. 1 抗血栓性を有する合成ポリマーの例

されている。例えば、双性イオン型の側鎖構造を有するポリ（2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン）（PMPC）

 ２㻌 実験 㻌（FFig.1）が挙げられる。これは、細胞脂質膜と類似の化学構

㻌造のため、極めて抗血栓性が高い。しかし、PMPC は、水溶性であるため、そのままでは血液との接触によって体内に溶出してしまう。そのため、抗血栓性のないブチルメタクリレートなどの疎水性モノマーとの共重合により非水溶化させた

㻔１）モノマーの合成㻌
Urethane-1（FFig.2）モノマーの合成例を示す。
300 mL の 3 口フラスコにテトラヒドロフラン 50 mL、ジポリマーを使用するが、安定した抗血栓性が得られない問題

ブチルスズジラウレート 0.009 g、メタノール 2.64 g を加えがある。

た。次に、滴下漏斗に、2アクリロイルオキシエチルイソシ

 一方、非水溶性合成ポリマーであるポリ（2-メトキシエチルアクリレート）（PMEA）（FFig.1）が実用化されている。こ

アナート 10.58 g を加えた。
その後、フラスコ内を窒素に置換し、内温を 5°C 以下まで

れは、単純な化学構造にもかかわらず抗血栓性に優れており、冷却した。内温を 10°C 以下に保ちながら、滴下漏斗から 2

また非水溶性のため血液に溶出せず、簡便な物理コーティン

アクリロイルオキシエチルイソシアナートを滴下した後、室温で一晩反応させた。東亞合成株式会社 R&D 総合センター 応用研究所
Applied Research Laboratory, General Center of R&D, TOAGOSEI CO., LTD.

東亞合成グループ研究年報

2 TREND 2024 第27号

反応は、炭酸水素ナトリウム飽和水溶液を加えることで終DSC 測定は、DSC 機器（NETZSCH、DSC214Polyma）了させた。次に、酢酸エチルと純水を用いて分液操作を行い、を用いて、昇降温速度 5℃/min にて、40°C から-100°C まで有機層を回収した。その後、減圧操作により有機層から溶剤冷却し、-100°C で 5 分間保持した後、40°C まで昇温して実を除去し、無色透明の回収物を得た。回収物を、ヘキサン施した。また、乾燥したポリマーのガラス転移温度（乾燥 Tg）

酢酸エチルを 1：1 の体積比率で混合した溶剤を用いて、シおよび含水したポリマーのガラス転移温度（含水 Tg）は、昇リカゲルカラムクロマトグラフィーで分離精製し、温過程における熱転移の中間点として見積もった。

Urethane-1 モノマーを得た。

含水ポリマー中の水和水は、DSC 測定により定量した。ま本稿に記載のウレタンアクリレートポリマーおよびウレず、乾燥させたポリマーを大過剰の純水中に浸漬し、3 日間ア（メタ）アクリレートポリマーのモノマーは、本合成例の浸漬した。含水後のポリマー0.003～0.005 g 程度をアルミパ手順に従い、合成した。

ンにそれぞれ秤量し、封止した。封止したサンプルを DSC測定し、水の結晶形成時の発熱挙動により、中間水、自由水

㻔㻞 ） ポ リ マ ー の 合 成㻌および不凍水に分類し、それぞれ定量を行った。

本稿に記載のポリマーは、下記 Urethane-1 の例に基づきFig.3 に、含水した Urethane-3 の DSC 測定により得られ合成した。また、分子量 5,000 未満の低分子量体および水溶たチャートを示した。DSC の降温(冷却)過程において、発熱性成分を除去するために再沈殿精製を行った。

ピーク温度が、-40°C 付近で観測された水および昇温（加熱）2 口試験管に、Urethane-1 モノマー3 g、2-アゾビス（2,4-過程で発熱ピークが観測された水を共に「中間水」とした。

ジメチルバレロニトリル）0.272 g、アセトニトリル 12 g を

また、純水と類似の結晶形成挙動を示す水を「自由水」とし、加えた。その後、アルゴンを 100 mL/min で 30 分間試験管

測定温度範囲の下限値である-100°C でも低温結晶形成しな内の溶液に吹き込み、脱酸素した。次に、試験管を密閉し、い水を「不凍水」とした。

ヒートブロックに試験管を挿入し、内温 60°C で重合を開始

 測定後のアルミパンの上蓋にピンホールを開け、110°C でした。3 時間経過後、試験管を氷浴で冷却して、重合を停止

真空乾燥させた。乾燥前後の重量変化量を、ポリマーに含まさせた。ヘキサンとアセトンを 3：7 の重量比で混合した溶れていた水和水量とした。

媒を用いて、反応液の再沈殿精製を 2 回実施した。その後、純水を溶媒として重合体の再沈殿精製を実施し、Urethane-1を得た。

上記で分類した水和水の定量は、下記数式（1）～（3）に従った。
（中間水量：g）＝（中間水のエンタルピー総変化量：J）
÷（水の融解潜熱：334 J/g）  …（1）
（自由水量：g）＝（自由水のエンタルピー総変化量：J）
÷（水の融解潜熱：334 J/g）  …（2）
（不凍水量：g）＝（ポリマーの水和水量：g）－（中間水量：g）－（自由水量：g）   …（3）
 なお、中間水のエンタルピー総変化量は、降温過程において発熱ピーク温度が-40°C 付近で観測されたピークのピーク

Fig. 2 ウレタンアクリレートポリマーの構造式

㻔３）ゲルろ過クロマトグラフィー（ 㻳㻼㻯）測定㻌 合成したポリマーの分子量は、GPC システム（東ソー、HLC-8320GPC）を用いて測定した。測定に用いたカラムは、スチレン・ジビニルベンゼン共重合物（東ソー、TSKgelSuperMultipore HZ-H）、標準物質にはポリスチレンを用いた。また、溶離液は THF とし、流速 0.18ml/min、温度 40°Cの条件で測定した。
 測定により得られたポリマーの溶出時間から、重量平均分子量（Mw）と数平均分子量（Mn）を算出した。

㻔４ ） 示 差 走 査 熱 量 （ 㻰 㻿 㻯 ） 測 定 㻌

面積と、昇温過程において観測された発熱ピークのピーク面積との合計量に基づき算出した。
 下記数式（4）および（5）に従い、秤量値に対する中間水量および不凍水量の各比率を算出した。また、昇温速度 5°C/min の条件で、水の結晶が融解する際の吸熱のピークトップが 0°C 付近になったポリマーの含水状態を、飽和含水状態とした。飽和含水状態における重合体の水和水量を「飽和含水量」と定義して、下記数式（6）により、秤量値に対する飽和含水量の比率を重量パーセント（wt%）で算出した。
（中間水量：wt％）＝（中間水量：g）÷（含水ポリマー量：g）×100  …（4）
（不凍水量：wt％）＝（不凍水量：g）÷（含水ポリマー量：g）×100  …（5）－ 2024 第27号
東亞合成グループ研究年報－3 2 TREND

（飽和含水量：wt％）＝（ポリマーの水和水量：g）÷（含 得られた基材を 8 mm×8 mm に切り出し、切り出した基水ポリマー量：g）×100  …（6）

材上に、血小板播種密度を 4×107 個/cm2 に調整した血漿液を200 µL ずつ載せた。37°C で 1 時間静置した後、基材を PBS（-）で 2 回洗浄した。次に、1％グルタルアルデヒドの PBS（-）溶液に基材を浸漬させ、4°C で一晩静置し、血小板を固定化した。PBS（-）および PBS（-）と水を 1:1 の体積比率で混合した水溶液で洗浄し、最後に純水で洗浄した。なお、各洗浄の前には、対象の洗浄液に基材を 10 分間浸漬させた。
 洗浄後の評価用コーティング基材を室温で 3 日間風乾させ、走査型電子顕微鏡（日本電子、JSM-7900F）を用いて、表面に吸着した血小板数を計測した。計測は、各基材について、
5 視野（倍率 1,500 倍、4.8×10-5 cm2）で行った。1 視野あたりに観測された血小板数を計測し、計測した全 15 視野の平Fig. 3 含水した 8UHWKDQH の '6& 測定チャート

均値を血小板吸着数（個/視野）とした。
また、吸着した血小板の変性度を観察した。血小板は通常、球形であるが、基材への吸着をきっかけに義足が伸長し、形

㻔５）フィブリノーゲン吸着試験 㻌
各ポリマーの濃度が、0.2 重量体積パーセント（w/v％）に態が変化する。これは、血液凝固を促進させる働きのため、なるように溶液を調製した。溶媒はメタノールとし、メタノ

この変化の度合いから、血栓形成させやすい表面であるかをールに不溶な場合は、酢酸エチルとした。このポリマー溶液判断した。本試験では、ネイティブ形態である球形を I 型と15 µL を、96 ウェルプレート（コーニング、ジェネラルアッして、形態の変化度が大きい順に II 型、III 型と分類した 10)。

セイプレートポリプロピレン製 96 ウェルパーフェクトプレ
ート平底 非滅菌）の各ウェルに滴下し、3 日間静置乾燥し３ 㻌 結果 と 考察 㻌た。フィブリノーゲンの濃度が 3 mg/ml になるように PBS

㻌（-）（リン酸緩衝生理食塩水（-））に溶解させた溶液を 50 µLずつウェルに加え、その後 37°C で 10 分間静置した。10 分後、内液を除去、PBS（-）を各ウェル 200 µL 入れて洗浄し、

㻔１ 㻕合 成 ポリ マ ー の 水 和 水 量 の 評 価 㻌
側鎖にウレタン結合を有するウレタンアクリレートポリFig.2）。また、これらポリマーの分子量、マーを合成した（F

この洗浄を 7 回繰り返した。乾燥させた後、各ウェルに抽出

乾燥 Tg、含水 Tg および飽和含水時の水和水量を Table 1 に液（5%ドデシル硫酸ナトリウム水溶液と 0.1N 水酸化ナトリ示した。

ウム水溶液を 1：1 の体積比率で混合した溶液）を 50 µL 加

Table 1 ウレタンアクリレートポリマーのえ、37°C で 2 時間静置した。

    ガラス転移温度および水和水量

次に、抽出されたタンパク質を定量するために、抽出液をマイクロ BCA アッセイ（Thermo Scientific、Micro BCAAssay Kit）によって測定した。なお、濃度算出のための標線は、ウシ血清アルブミン（BSA）を用いて作成した。
なお、本実験は、各ポリマーにつき 5 ウェルで実施し、その吸着量の平均値を算出した。

㻔６ ） 血 小 板 吸 着 試 験 㻌
ポリエチレンテレフタレート（PET）シート（サイズ：5 cm×5 cm、厚さ：125 µm、三菱ケミカル、DIAFOIL T-100E）をアセトンで十分に洗浄した後、0.2 w/v％のポリマー溶液
650 µL を用いて、PET シート上にスピンコートにより塗工した。その後、室温で 3 日間乾燥することで、評価用コーテ

PMEA の側鎖構造と同様のメトキシエチル基を有する
Urethane-3 は、PMEA と比較して多くの水和水量を有し、中間水量も多かった。また、メトキシエチル基を 2 つ有する
Urethane-8 は、さらに多くの中間水を有していた。

ィング基材を得た。なお、各ポリマー溶液につき、基材を 3

 一 方 、 末 端 が メ ト キ シ 基 で あ る Urethane-3 お よ び枚ずつ作製した。

Urethane-8 と 比 較 し て 、 末 端 が エ ト キ シ 基 で あ る－ 3 4－ TREND 2024 第27号
東亞合成グループ研究年報

Urethane-6 や Urethane-9 は、それぞれ水和水量が少なかっ

中 間 水 量 が 多 か っ た ポ リ マ ー で あ る Urethane-3 、た。また、Urethane-3 に対してメトキシ基末端を固定し、Urethane-8、Urea-2 は、PMEA よりもフィブリノーゲンの鎖中エチレン基を、より炭素数の多いプロピレン、ブチレン吸着量が少なく、その抗吸着性に優れる傾向があった。
一方、とした Urethane-4 と Urethane-5 は、中間水を有するもの

Urethane-1 は、PMEA より中間水量と飽和含水量ともに多の、その総量が少なかった。

く有したが、その吸着量は PMEA より多かった。なお、

PMEA と Urethane-3 の水和水量の比較から、ウレタン結Urethane-1 は、その中間水/不凍水の比が小さかった。

合による水和効果の高さが示唆された。ウレタン結合は、カ以上より、不凍水の比率が多くなると、吸着量も多くなる

ルボニル基を有するため、水分子の水素結合供与をうけるこ傾向にあることが示唆された。よって、中間水量だけではなとができる。また、NH 結合による水分子へ水素結合の供与く、その全体に対する割合も重要であると推定される。

も可能である。これにより、ウレタンアクリレートポリマー

Table 3 ポリマーコーティング表面へのの水和水量および中間水量が多くなったと推定される。 

フィブリノーゲン吸着量と水和水量

次に、側鎖にウレア結合を有する（メタ）アクリレートポリマーを合成した（FF i g .4 ）。また、これらポリマーの乾燥 Tg、含水 Tg および飽和含水時の水和水量を Table 2 に示した。
メトキシ基やエトキシ基を末端に有する Urea-2、Urea-3、Urea-4 は、ウレタン結合をもつ Urethane-3 よりも中間水量が多くなった。これは、ウレア結合が親水性の高い NH 結合を 2 つ有しているために、ウレタン結合と比べてより強く水分子が水素結合したことによるものと考えられる。

ポリマーFib.吸着量 中間水量 不凍水量[μg/㎠]

>ZW@

>ZW@

中間水量/不凍水量

33 EODQN

30($

8UHWKDQH



8UHWKDQH



8UHWKDQH







8UHWKDQH



8UHWKDQH





8UHD





8UHD





②血小板 吸着数 評価
Fig.5 に、中間水量および中間水量/不凍水量の大きく異なる Urethane-2 および Urethane-3 の血小板粘着試験の結果を示した。
フィブリノーゲンの吸着量が多かった Urethane-2 では、Fig. 4 ウレア（メタ）アクリレートポリマーの構造式


陰性対照の PET と同様に血小板吸着量が多く、血小板の変性も確認された。一方、フィブリノーゲンの吸着量が少なかTable 2 ウレア（メタ）アクリレートポリマーの性もあまり見られなかった。

ガラス転移温度および水和水量
ポリマー

乾燥7 J 含水7 J 水和水量 自由水量 中間水量 不凍水量[℃][℃]>ZW@>ZW@>ZW@>ZW@30($



8UHD



1'



8UHD



1'



8UHD

1'

8UHD

1'

*N.D.：明確なった Urethane-3 では、血小板吸着量が少なく、血小板の変以上より、Urethane-3 は、フィブリノーゲン吸着量測定の結果と同様にして、PMEA と同等以上の優れた血小板の抗吸着性を示した。

Tg が確認されず㻔２ ） 抗 血 栓 性 評 価 㻌
抗血栓性は、フィブリノーゲンの吸着量および血小板の粘着数により評価した。なお、フィブリノーゲン吸着試験および血小板粘着試験で得られた未塗工サンプル（PP もしくはPET）と PMEA の結果は、既報の値 10), 11)と同様の傾向であることを確認した。

Fig. 5 各ポリマー表面への血小板吸着数（右上図：変性度の小さい順に I 型、II 型、II 型）

① フ ィブリ ノ ー ゲ ン 吸 着 量 評 価 㻌
Table 3 に、フィブリノーゲン吸着試験で得られた吸着量と、中間水および不凍水の量を示した。

－ 2024 第27号
東亞合成グループ研究年報－5 4 TREND

４㻌 結論 㻌㻌本研究では、Urethane-3 および Urethane-8（ウレタンアクリレートポリマー）と、Urea-2（ウレアアクリレートポリマー）という、既存のコーティング剤である PMEA よりも優れた血液成分への抗吸着性を示す非水溶性材料を開発した。
また、中間水を多く有するポリマーが、高い抗吸着性を示すことが、改めて確認された。このような抗吸着性と化学構造の関係性の知見は、今後の優れた抗血栓性を有する材料開発につながることが期待される。

５ 謝辞 
 本研究における中間水測定、フィブリノーゲン吸着試験、血小板吸着試験は、九州大学田中賢教授との共同研究として実施した。測定および解析にあたり、多大なるご協力、ご助言を頂きました同教授ならびに研究室の方々に感謝の意を表す。

６ 引用 文献 1）巽英介, 高分子, 56, 9, 749-753 (2007).
2）川村慎一, 人工臓器, 42, 3, 188-190 (2013).
3）片桐伸将, 人工臓器, 48, 3, 163-167 (2019)..
4）“生体適合性制御と要求特性掌握から実践する高分子バイ
オマテリアルの設計・開発戦略～モノマー（いち）からデザインするバイオインターフェースと上市までの道筋～”,サイエンス&テクノロジー (2014) p.115-385.
5）“医療用バイオマテリアルの研究開発”, シーエムシー出版,, (2017) p.89-172.
6）M. Tanaka, S. Kobayashi, D. Murakami, F. Aratsu, A.
Kashiwazaki, T. Hoshida, K. Fukushima, Bull. Chem.

Soc. Jpn., 92, 2043-2057 (2019)7）田中賢, 高分子, 68, 6, 311-315 (2019).
8）T. Sonoda, S. Kobayashi, K. Herai, M. Tanaka,

Macromolecules, 53, 8570-8580 (2020).
9）T. Ueda, D. Murakami, M. Tanaka, Frontiers inChemistry, Polymer Surface Chemistry: BiomolecularEngineering and Biointerfaces, 6, 542 (2018).
10）S. Liu, S. Kobayashi, T. Sonoda, M. Tanaka,Biomacromolecules., 22, 5, 2718 (2021).
11）S. Kobayashi, M. Wakui, Y. Iwata, M. Tanaka,

Biomacromolecules, 18, 12, 4214-4223 (2017).

－ 5 6－ TREND 2024 第27号
東亞合成グループ研究年報