研究論文

ウールケラチンを利用した複合多孔体の開発
金山賢治＊１、吉村裕＊１、中西裕紀＊１

Preparation of the Porous Composite Material of Wool Keratins andPolycaprolactone
Kenji KANAYAMA *1 , Hiroshi YOSHIMURA *1 and Yuki NAKANISI *1
Owari Textile Research Center,AITEC * 1
羊 毛 か ら 還 元 抽 出 し た ケ ラ チ ン と 生 分 解 性 樹 脂 の ポ リ カ プ ロ ラ ク ト ン (PCL)と の 複 合 多 孔 体 を 加 熱 圧 縮成形／脱塩処理により作製し、ケラチン単一多孔体の「堅く、脆い」という問題点を解決し、可撓性を付与 し た ケ ラ チ ン /PCL 複 合 多 孔 体 を 開 発 し た 。ま た 、多 層 多 孔 体 の 開 発 を 検 討 し た 結 果 、ケ ラ チ ン 及 び PCLの各単一組成からなる二層多孔体は体積膨潤率の違いにより変形が生じるが、三層構造にすることで変形が生じないことから、多層構造の複合多孔体において表裏で対称構造とすることで変形のない多孔体を成形出来ることが分かった。

１．はじめに

2.1.1 ケラチン

ケラチンは髪、羊毛、爪などを構成する繊維状タンパ

羊毛を二亜硫酸ナトリウム、尿素、ドデシル硫酸ナトク質である。タンパク質のアミノ酸配列から、ケラチンリウムの混合水溶液に加えて 100℃、30 分間還元処理すの分子骨格には比較的多くのシステイン残基が存在し、ることにより、羊毛からケラチンを抽出した。そして、それらが分子間ジスルフィド架橋結合で結ばれている。

得られたケラチン水溶液をセルロースチューブ（分画分

この架橋構造を利用してケラチン 100%からなる多孔体子量：12,000〜14,000）に充填し 3 日間透析した後、ロ1)。しかし、この多孔ータリーエバポレーター（N-11、東京理科器械㈱製）で体を三次元の培地・足場材等に活用するには「堅く、脆濃縮した。そして、精製ケラチン水溶液を 60℃でスプレい」という問題を有していた。このためにケラチンと生ードライ乾燥（Pulvis Mini-Spray GA32、ヤマト科学㈱分解性高分子とを複合させることを検討し、その複合素製）して、ケラチン粉末とした。

材としてゼラチンを試みたが、多孔体作製にはグルタル

2.1.2 ポリカプロラクトンの作製法をこれまで開発してきたアルデヒド等の架橋剤を必要とし、生体材料としては不ペレット状態の PCL（ダイセル化学工業株式会社製、品名：PLACCEL H7）を使用した。

向きなものであった。
そこで、今回医用材料としても用いられ、乾燥時でも柔らかく弾性の高い PCL2)を使用し、可撓性を付与する

2.2 多孔体の作製
2.2.1 複合多孔体の作製ことで、ケラチン単体での多孔体の問題点を解決するこ

複合多孔体作製のために、まず PCL ペレットをテトとを試みた。複合化させるケラチンと PCL との比率をラヒドロフラン溶液(THF)の中に 5%になるように溶解変えて、それぞれの多孔体の圧縮率、弾性率、剛軟度、した。金枠に尿素、粒径を整えた(100μm〜300μm)塩

含水率、密度、通気抵抗、体積変化の物性を評価するこ化ナトリウム(NaCl)、複合多孔体のケラチン濃度が（0、とで、どの比率がより良い機能をもった多孔体かの検討

13、28、50、100%）となるようにケラチンを配合し、を行った。

スキージで高さを揃え静置した。ここに PCL 溶液を全また、ケラチン多孔体、PCL 多孔体の単一層から成る体に行渡らせ、THF がなくなるまでしばらく置いた。出

多層構造を作製して、表裏、内外での違いを作ることで、来上がった試料板を大きさ 40mm×40mm に切り出し、さらに幅の広い利用ができるかどうかの検討も行った。

テフロンシートで挟み、温度 140℃で加熱した金型で圧力 30MPa、5 分間加熱圧縮成形した。その後、水中で脱２．実験方法

後の濡れた状態を Wet とした。さらに Wet 多孔体の水2.1 試料＊1 尾張繊維技術センター

塩し、NaＣl を鋳型とした多孔体を作製した。脱塩処理

加工技術室

をアルコール置換した後、乾燥させたものを Dry とした。
2.2.2 多層多孔体の試作
ケラチン単体、PCL 単体、ケラチンと PCL 複合体の試料板を用いて成形、多層にして多孔体を作製した。試料板や多孔体の作製方法は上記 2.2.1 で示したとおりである。以下の多層多孔体を試作した。
・ケラチン/PCL の二層多孔体
・PCL/ケラチン/PCL の三層多孔体
・ケラチン/PCL の三層傾斜多孔体
図１・ケラチン単一成分の多孔体・フィルムの二層構造体

複合多孔体全体

2.3 複合多孔体の物性評価2.3.1 ケラチン、PCL 複合体の見掛け密度、体積変化、通気抵抗作製した各比率の Dry 複合多孔体 3 枚を測定試料とし100μmた。見掛け密度は（「見掛け密度」＝（Dry 状態の多孔体質量/Dry 状態の多孔体体積））で表し、体積変化は（「体積変化」＝（（Wet 多孔体体積 - Dry 多孔体体積）/Wet多孔体体積））により算出し、通気抵抗は KES 通気度試
験機(KES-F8-AP1 カトーテック(株)製)により測定した。

図２

複合多孔体の断面

2.3.2 ケラチン、PCL 複合体の含水率
作製した各比率の複合多孔体の Wet 状態の質量を湿質量、Dry 状態の質量を乾質量と表して、含水率は(「含水率」＝（（湿質量-乾質量）/乾質量）×100)で求めた。
2.3.3 ケラチン、PCL 複合体の圧縮率と圧縮弾性率
作製した各比率の Wet、Dry 状態の複合多孔体を用いて圧縮試験機により圧縮率、圧縮弾性率を測定した。試験方法は JIS L 1096 に準用し、試験条件は加圧面積4cm2、初荷重 40g、圧縮荷重 400g とした。

図３

ケラチンフィルムと多孔体の剥離

図４

二層多孔体の断面（上：ｹﾗﾁﾝ 下：PCL）

2.3.4 ケラチン、PCL 複合体の剛軟度作製した各比率の Wet、Dry 状態の複合多孔体を用いて、ガーレ式試験機(東洋精機(株)製)の測定値から剛軟度を算出した。

３．実験結果及び考察
3.1 ケラチン/PCL 複合、多層多孔体の構造3.1.1 ケラチン/PCL 複合多孔体の構造
ケラチン/PCL 複合多孔体を図 1 に載せる。複合多孔体はそり返る事なく、まっすぐな状態の多孔体となった。
また、図２の複合多孔体の断面から、ケラチンと PCLが均一に混ざった状態であること、脱塩されたことによりスポンジの穴が生成されていることが見て取れる。
3.1.2 ケラチン/PCL 多層多孔体の構造
ケラチン/PCL 多層多孔体の平面、断面を図３〜５に載せる。図３からフィルム＋多孔体の多層では界面剥離がおきるが、図３〜５のように多孔体+多孔体では界面剥離はおきず、層を成していることがわかる。しかし、

図５ 三層多孔体（対象構造）の断面（上下:PCL 中:ケラチン）

図４で示すように二層の多孔体では、上下で層の組織が非対称になっているため、水中にしばらく置くと変形、湾曲がおき、一用途である細胞培養のディシュとして使用できない。一方、図５に示す対称構造の三層多孔体では変形が見られず、ケラチン層が PCL の層間にあることでケラチン層の収縮が両側からバランス良く抑制されるためで有ると考える。
また、図６に示す三層の傾斜構造では変形が殆ど見ら

図６ 三層多孔体（傾斜構造）の断面（上：PCL 中：PCL/ケラチン 下：ケラチン）れず、各層間の組成差が二層の場合よりも少ないことで収縮差を抑制出来たことと多孔体が全体に厚くなったこ

3.2.1 各種複合多孔体の見掛け密度、体積変化、通気抵抗
各種複合多孔体の見掛け密度、体積変化、及び通気抵抗を図７に示す。ケラチン 100%多孔体では乾燥時に大体積変化
見掛け密度（g/cm3）

3.2 ケラチン/PCL 複合多孔体の物性10.00.6の技術を活かした様々な用途の使用が期待される。

体積変化
見掛け密度
通気抵抗

0.50.48.06.00.3
4.00.22.00.10.0

きく収縮してしまい体積変化が大きくなるが、PCL を混通気抵抗（R/s・m）とで大きな変形を生じなかったと考えられ、今後これら

0.0

PCL-100 PCLPCLPCLKr13
Kr28Kr50
多孔体の組成合することにより、乾燥時での変化の差を抑えられる事がわかった。

図７

また、通気抵抗はどの組成でも大きくは変わらず2.0R/s.m 以下であることから、連通孔の多孔体であるこKr-100多孔体組成に対する体積変化
見掛け密度、通気抵抗とが確認され、三次元の培地・足場材等の活用が可能で
1400

3.2.2 各種複合多孔体の含水率、見掛けの密度
含水率は見掛けの密度と逆相関の関係にあり、どの複合多孔体も自重の 500%以上の含水率を有することから細胞足場材としての適性が有ると見られる。尚、ケラチン

1200
含水率（％）

各種複合多孔体の見掛け密度、含水率を図８に示す。

0.25

含水率
密度0.201000
8000.156000.10

400

100%では含水率が複合多孔体よりも大きいが、これは200

Wet と Dry 状態の体積収縮によるためであると考えられ00.050.00
PCL-100 PCLKr13

る。

PCLKr28

PCLKr50

Kr-100多孔体の組成3.2.3 各種複合多孔体の圧縮率、圧縮弾性率
各種複合多孔体の圧縮率、圧縮弾性率を図９、１０に

図８多孔体組成に対する含水率、見掛け密度示す。圧縮率については、単一のケラチン多孔体は Wetの状態では混率の影響は少なく、PCL と同様の圧縮率で60あった。一方、Dry 状態では圧縮率が低く脆いという問その問題点が解決されることが分かった。圧縮弾性率については、ケラチンの比率が増すごとに上がり、複合多孔体にすることで PCL 単一の多孔体にはない弾性を有50
圧 縮 率 （％ ）題点があるが、適度に PCL を配合させることにより、403020することが分かった。

103.2.4 各種複合多孔体の剛軟度0

各種複合多孔体の剛軟度を図１１に示す。Wet 状態で

Wet
DryPCL-100

はどのケラチン比率の多孔体も剛軟度は大きくは変わらず、ある程度の軟らかさを有している。一方、Dry 状態

図９PCLPCLKr13
Kr28多孔体の組成PCLKr50

Kr-100多孔体組成に対する圧縮率見掛け密度（g/cm3)

ある事がわかった。

では、ケラチン単一の多孔体は剛軟度が高く、「堅い、脆100

ことにより、単一のケラチン多孔体にはない軟らかさを付与出来ることが分かった。

４．結び

圧縮弾性率（％）

い」という問題点があるが、PCL にケラチンを複合する

本研究の結果をまとめると、以下のとおりである。

90

Wet
Dry80
706050(1)ケラチンと PCL との複合多孔体を開発した。又、こPCL-100

PCLPCLPCLKr13
Kr28Kr50
多孔体の組成の複合多孔体作製のための技術手法を明らかにした。
(2)ケラチン/PCL 複合多孔体は、圧縮・剛軟特性の評価
図 １０から「軟らかく・弾性」を有し、単一のケラチン多孔

Kr-100多孔体組成に対する圧縮弾性率体での「堅く・脆い」問題点を解決出来た。
80

称構造体は変形を生じるが、対称構造体は変形を抑え60ることが可能である。
(4)羊毛ケラチンの高付加価値・高度利用技術として、ケラチン複合体を細胞培養の足場材・培養ディシュとし剛軟度（Ｎ）(3)ケラチンと PCL との多層複合多孔体において、非対Wet
Dry4020て活用するための可能性を見出した。
0文献

PCL-100

PCLKr131）加藤ほか：愛知県産業技術研究所研究報告，2，162(2003)2）筏義人：生分解性高分子, P41 (1994),高分子刊行会

図１１

PCLPCLKr28
Kr50
多孔体の組成多孔体に対する剛軟度

Kr-100