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技術報文−1
単分散マイクロ粒子の調製法

単分散マイクロ粒子の調製法
Preparation of Monodisperse Micron-size Particles

技術開発部門 研究部
研究第二グループ

一般塗料部門構造物塗料事業部
開発グループTechnology Division
Basic Research Dept.
Basic Research Group No.2

General Coating Division
Heavy Duty Dept.
Business Development Group

岩澤

要昭

青木 隆一

山内 健一郎Akira IWASAWA

Ryuichi AOKIKenichiro YAMAUCHI旨

1. はじめにマイクロチャネル装置とインクジェット装置による２つ

単分散微粒子は工業・医薬などさまざまな分野に使の方法を用いて、ミクロンサイズの微粒子調製を試みた。

用されている。工業分野で身近に使用される単分散微マイクロチャネル装置では平均粒径75μm、変動係数粒子は、液晶ディスプレーのスペーサーや、分析機器に（CV値）6%の単分散粒子を得た。インクジェット装置で用いられているカラムの充填剤などがあり、塗料分野には単分散なメイン粒子の他に、多分散なサテライト粒子おいてもつや消し剤用ビーズに使用されている。特に単が発生した。メイン粒子とサテライト粒子とでは明らか分散性が要求される液晶テレビ用スペーサーでは、そのにサイズが異なっており、分離は容易であった。インクジ

価格が100万円/kg以上となっている１）。工業的に使用

ェット装置を用い最終的に平均粒子径8μm、CV値 4%されている微粒子の原料は、水に溶け難い物性であるの単分散微粒子を得ることができた。

ことが多く、その多くはoil in water（ O/W）タイプで調製し、固化して微粒子を得ている。また、医薬分野のドラッグデリバリーシステム（DDS）では、薬物の徐放性制御

Abstractや病巣への薬剤の標的指向などで薬物を包んでいるカプセル形成微粒子の単分散化が重要な点として上げら

Preparation of monodisperse micron-size particles
was tried by two methods；one was a microchannel
system, the other was an ink-jet system. By using themicrochannel system, we got monodisperse particles
with 75μm average diameter and 6% of the coefficientsof variation (CV). On the other hand, polydisperse
satellite particles and monodisperse main particles wereobtained in the ink-jet system. Main particles wereeasily separated from satellite particles because of thesignificant differences in their particle sizes. We
finally obtain monodisperse particles with 8μm on
average diameter and 4% of the CV in ink-jet system.

れる。薬学分野のみでなく食品分野や化粧品分野でも、単分散微粒子は利用されており、これは工業的に使用されている微粒子とは対照的に水に可溶な原料が多く、water in oil（W/O）
タイプでの調製が必要なものが多い。
通常の乳化重合でも、ある程度単分散性を有するエマルションを得ることができるが、その粒子径は数十ナノメーターから数百ナノメーター程度であり、数十ミクロンのエマルションを得ることは困難で、特別な工夫が必要であった。例えば、Ungelstad２）らが行ったシード重合法を利用してエマルションを多段階で成長させる方法や、
Vanderhoff ３）らによって進められた宇宙空間での合成

3（NASAプロジェクト）などであり、技術的・コスト的にかな, ）り難しい点があった。
しかし、現在では膜乳化技術４）５を状態で、分散相である液体を吐出しエマルションの調製を行った。吐出条件はＤ（Draw）時間 ＝ 4.5μs、ＲＲ

利用し、数十ミクロンの単分散エマルションを容易に得ら（Release and Reinforce）時間＝9.0μs、Ｄ電圧＝10.8V、れるようになった。

ＲＲ電圧＝10.8V、周波数＝1000Hzに固定した。

本報では膜乳化法の一つである貫通型マイクロチャネル装置を使用した単分散微粒子の調製と、今回新たに試みたインクジェット装置を用いた単分散微粒子の調製について報告する。
制御用PC

2. 実 験

分散相

インクジェットヘッド

2.1 マイクロチャネル装置
図1に貫通型マイクロチャネル装置（イーピーテック社製）

連続相ならびにマイクロチャネル基板を示す。
マイクロチャネル基板は貫通孔サイズがそれぞれ40×10μm、48×12μm、56×14μmのものを使用した。マイクロチ
ャネル基板の表面から有機物を取り除き、その表面を親
図２ インクジェット装置

水化するため172nmのUV光を30秒間照射した。貫通
孔内が完全に連続相の液体で満されるように基板を連続相中に浸漬させ、10分間超音波を照射した。連続相の供給速度は10ml/hour にし、分散相液面とマイクロ2.3

チャネル基板間との位置エネルギーの違いによって生じ実験で得られた粒子は光学顕微鏡に接続されたる圧力差を調整し、液滴形成を行った。

粒子の単分散性評価

CCDカメラで画像を撮影し、WinROOF（三谷商事）により平均粒径を測定した。粒子の単分散性を示すCV値（Coefficient of Variation）
は

連続相
分散相

CV［％］＝（σ/D）×100（σ：標準偏差、D：平均粒径）

位置エネルギー差で得られ、この値が小さいほど単分散であることを示している。一般的にCV値が10%以下になると、単分散性
マイクロチャネル
基盤表面

図１ マイクロチャネル装置

2.2 インクジェット装置
ピエゾ型インクジェット装置（HEK-1／コニカミノルタIJ社製）を図2に示す。インクジェットヘッド（SSS-128／吐出量７pl、256 ノズル）を連続相である液体に浸漬させたが高いと考えられている。

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単分散マイクロ粒子の調製法

4803. 結果と考察

4.0753.5
粒子径3.1.1 マイクロチャネル装置によるO/Wエマルションの調製
分散相にはジイソプロピルナフタレン（ KMC - 113：RKS社製）、連続相には5wt%ポリビニルアルコール（

粒子径［μm］

703.0652.5CV値

602.0551.5501.0450.5

CV値［％］

3.1 マイクロチャネル装置

PVA：重合度＝500、けん化度約87.0〜89.0 mol％）水溶液を用いた。分散相液面とマイクロチャネル基板間との位置エネルギーの違いによる圧力差が大きすぎると、分散相が連続相に流失し、逆にその差が小さすぎる、す
なわちブレークスルー圧力以下では、液滴の作成が行われなくなってしまう。今回はブレークスルー圧より若干高4008910111213141516

チャネル孔の短辺［μm］い圧力になるように分散相液面の位置を調整し、その位置はマイクロチャネル基板より14㎝高く設定した。

図4 チャネルサイズに対する粒子径とCV値得られたエマルションの画像およびその粒径分布を図３に示す。チャネル孔は1万個以上開けられていたが、3.1.2

O/Wエマルションのカプセル化

イソシアネート（NCO）基含有アクリル樹脂（スチレン/

チャネルサイズ40×10μm

48×12μm

56×14μm

メタクリロイルオキシエチルイソシアネート＝モル比60/40）を、KMC-113中に5wt%溶解させ分散相とし、前回と同様、連続相は5wt%PVA水溶液を用いた。マイクロチャネル
基板は孔サイズが48×12μmのものを使用し、位置エネルギー差は14㎝に調節した。

8080804060
402000000020 40 60 80 100

液滴径［μm］

1004020

液滴径［μm］に示す。

602020 40 60 80 100得られたO/Wエマルションの画像と粒径分布を図5

頻度［%］

60頻度［%］

100頻度［%］100頻度［%］10020 40 60 80 100

液滴径［μm］

100μm

画像からもわかるように、全てのチャネルで液滴が形成さとCV値を、貫通孔の短辺の長さに対してプロットしたも604020

図3 チャネルサイズによるエマルション粒子径の変化れているわけではなかった。次に、それぞれの平均粒径

8000255075
液滴径［μm］

100

図5 マイクロチャネル装置により調製されたO/W
エマルション（NCO基含有アクリル樹脂入り）のを図4に示す。エマルションの平均粒径は、貫通孔のKMC-113単独の時、平均粒径は57μmであったものが、短辺の長さに比例して大きくなっていた。また、
どのサイNCO基含有アクリル樹脂を添加するだけで74μm（体ズのチャネルを用いても、CV値は2%と優れた単分散性積で2倍以上）まで大きくなり、CV値も２％から４％へと広を示していた。

かった。

520頻度［%］

粒子径が拡大した原因は、NCO基含有アクリル樹脂添加により分散相液体の粘度が増加したことや、極性の高いイソシアネート基が添加されたことにより、分散相の界面張力が変化したことなどが考えられる。

15105

イソシアネート基とアミノ基の界面重合によるカプセル0化を行うため、回収されたエマルション20gに５wt％ビスアミノエトキシエタン（BAEE）水溶液を10g添加し、50℃で1時間加熱した。得られたカプセル（平均粒径は75μm、CV値＝６％）の画像と粒径分布を図６に示す。エマ
ルション状態と比較して若干粒径分布が広くなったものの、単分散性を有していることが確認された。

頻度［%］

8 11 14 17 20 23 26

粒子径［μm］

図7 インクジェット装置により調製された
W/O エマルションン粒子とサテライト粒子が合一しないことがわかる。メイ
ン粒子とサテライト粒子は明確に分かれていることから、により、メイン粒子とサテライト粒子を分離することは容易80と考えられる。

60

メイン粒子の平均粒径は23μm、でサテライト粒子の40

平均粒径は７μmで、その差は3倍以上もあった。表１に

2005

それらの液滴を固化することができれば、1回の節分け

100100μm2

示したように粒子数で比較すると、サテライト粒子は55%0255075
粒子径［μm］

100

図６ 界面重合後のカプセル存在するが、体積で比較すると僅か5%以下である。サ
テライト粒子のみではCV値が30％を越え多分散であるのに対して、メイン粒子のみはCV値が４％であり、良い単分散性を示していた。

3.2 インクジェット装置
表１ メイン粒子とサテライト粒子の比較（その1）
3.2.1 インクジェット装置によるW/Oエマルションの調製
最初にマイクロチャネル装置の場合と同様に、O/Wタイプのエマルションの調製を試みた。分散相に種々の溶剤を試みたが、インクジェットヘッドを水中に浸漬した状
態では、分散相の液体を水中に吐出することができな

サテライト

メイントータル

粒子数比率（%）

5545

100

平均値（μm）

72314CV値（%）

31.83.659.0

体積比率（%）

4.695.4

100

かった。そこで反対のW/Oタイプエマルションの調製を試みた。分散相に水、連続相にドデカン、連続相の界面3.2.2

活性剤として縮合リシノレイン酸ヘキサグリセリンを使用

タンパク質が熱により変性を起こして固化することをした。

W/Oエマルションの固化利用し、分散相の水に5wt%の卵白アルブミンを加え、
先

図7にW/Oエマルションの光学顕微鏡写真と粒径分布を示した。

程と同様にインクジェット装置を用いW/Oエマルションを得た。得られたW/Oエマルションの画像と粒径分布を7）

大気中での吐出状態の観察例は多く 、メイン粒子が図８に、メイン粒子とサテライト粒子の比較を表２に示した。

吐出された後にサテライト粒子が発生し、メイン粒子にサ卵白アルブミンを加えてもメイン粒子の粒子径は変らず、テライト粒子が追いつき合一することが報告されている。

サテライト粒子数は卵白アルブミンを加えた方が減少し水中での吐出では図７の粒径分布が示しているように、ていた。このサテライト粒子の減少は、卵白アルブミンを２つのピークからなる二峰分布を示していることから、メイ添加することで分散相の粘度が上昇したことに起因す

技術報文−1
単分散マイクロ粒子の調製法

表2 メイン粒子とサテライト粒子の比較（その2）サテライトメイントータル

粒子数比率（%）

3664

100

平均値（μm）

62316CV値（％）

30.5

4.249.7

体積比率（μm）

1.598.5

10030

頻度［%］

まで粒子径が小さくなっていたが、CV値は４％を維持していた。インクジェット装置により単分散性の良好な微粒子を得ることができた。

4． まとめマイクロチャネル装置を用いてO/Wエマルションを調2520

製し、界面重合を行い平均粒径は75μm、CV値６％の15マイクロカプセルを得た。
また、インクジェット装置を用いて10W/Oエマルションを調製し、平均粒径は８μm、CV値４5％の単分散微粒子を得た。

02 4 6 8 10 12 1416 18 20 22 24 26

粒子径［μm］

図8W/Oエマルション（卵白アルブミン入り）

5． 謝辞

40

頻度［%］

630

本報は、
（財）
化学技術戦略推進機構が、新エネルギー・20産業技術総合開発機構より委託を受けて実施した「機能性カプセル活用フルカラーリライタブルペーパープロジ

100

2 4 6 8 10 12 1416 18 20 22 24 26

粒子径［μm］

図9

ェクト」の研究成果であり、関係各位のご協力に感謝申し上げる。

W/Oエマルションの加熱後（卵白アルブミン入り）るものと推察される。
卵白アルブミンが添加されているW/Oエマルションを85℃で25分間加熱し、固化を行った。結果を図９に示す。

参考文献
1）Omi, S., Katami,K., Yamamoto, A., Iso, M.：
J. Appl. Sci., 51,1,1994

固化前と比較してサテライト粒子が減少したのは、
攪拌2）Ugelstad, J., Kaggerrud, K.H.,Hansen, F. K.,

しながら過熱する過程でサテライト粒子とメイン粒子がBerge, A.：Makromol. Chem., 180, 737, 1979

合一したものと考えられる。
メッシュを用いサテライト粒子を分離したのち、
ドデカン

3）Vanderhoff, J. W., El-Aasser, M. S., Micale, F. J.,
Sudol, E. J., Tseng, C. M., Silwanowicz, A.,を除去することで得られた微粒子を図10に示した。固化

Cornfeld, D. M., Vicente, F.A.：と乾燥により平均粒子径23μmのエマルションは約8μm

J.Dispersion Sci.Techol.,5,231,1984
4）中嶋忠夫、
清水正高：化学工学論文集,19, 984, 1993
5）Kobayashi, I., Nakajima, M., Chun, K.,
Kikuchi, Y., Fujita, H.：AICｈE J.,48, 1639, 2002
6）Berend-Jan,G., Emine,K., Wilhelm,M., Ulrich,S.：Macromol. Rapid Commun., 25, 292, 2004
Berend-Jan, G., Lijing, X., Uday, A., Ulrich, S.：

図10

得られた単分散卵白アルブミン粒子

Macromol. Rapid Commun., 26, 310, 2005