マイクロカプセル
マイクロカプセル化とは、微小な粒子または液滴をコーティングすることで、様々な機能を持つ微小なカプセルに加工することである。一般的な用途としては、食品原料、酵素、細胞、などを封入することが多い。マイクロカプセル化は医薬品の劣化や使用回数を減らすことを目的として、硬質または軟質の可溶性フィルムで形成された膜の内部に、固体、液体、ガスなどを封入して使用される。
単純な マイクロカプセル 膜で囲まれた小さく均一な液滴である。マイクロカプセルの内部にある物質はコア、内部相、充填物などと呼ばれ、壁物質はシェル、コーティング、膜物質などと呼ばれる。その他に用いられる物質としては、脂質やポリマー等が挙げられる。例として、アルギン酸はコア部に物質を保持する目的で使用される。ほとんどのマイクロカプセルは、その表面に数マイクロメーター～数ミリメーターの穴を有している。
膜物質は以下のものが用いられる。
様々な分野で用例があり、特に食品分野で香料を内包するために使用されることが最も一般的である。マイクロカプセル化の技術は、カプセル化する物質の物理的、化学的な性質を利用して行う。
多くのマイクロカプセルは単純な球状である。内部相は結晶質、不定形の粒子、エマルション、ピッカリングエマルション、懸濁液、より小さなマイクロカプセルの懸濁液、などである。マクロカプセルは多層構造ともなる。
マイクロカプセル化の目的は数多くある。主な目的としては、製品の安定性と寿命の向上、取り扱い製の簡便化、放出性のコントロールなどが挙げられる。例えば、一部のマイクロカプセルでは、コア部は外部と完全に遮蔽されており、それによって、ビタミンの酸化防止、揮発性の物質の蒸発を防止、粘度の高い物質の取り扱い向上、反応性物質の安定的な保管、などを目的とする。また、コア部を遮蔽することは主な目的ではなく、例えばドラックリリースのような徐放性を付与することを目的とする場合もある。課題として、コア部の味や香りをマスキングすることは容易であるが、吸収や抽出工程の選択性を増加させることは複雑である。環境科学においては、散布量や汚染のリスクを最小限にするため農薬をカプセル化することがある。
パンコーティングは、製薬業界で広く使われる技術であり、コーティング粒子やタブレットを製造する技術として、最も古い製造工程である。粒子は装置の中で回転された状態にあり、そこに徐々に被覆物質を添加する。
流動造粒法はパンコーティング法と比較して、操作性に優れてり、様々な用途に用いることが可能である。この手法ではコアとなる固体粒子を空気によって分散状態とし、そこへポリマーを溶解した揮発性の溶媒を噴霧して、その粒子表面に薄い膜を形成させる。この操作を何度も繰り返すことで、所望する膜厚を達成することができる。粒子を分散状態にするための空気は、粒子の乾燥にも寄与しており、乾燥させる比率は空気の温度と比例している。乾燥の割合によって、膜の特性を変えることが出できる。
装置のコーティング部において循環する粒子は、チャンバーのデザインや装置のパラメーターによって影響を受ける。コーティングチャンバーでは粒子が上部のコーティングゾーンを通過した後、ゆっくりとチャンバー下部に戻るように設計されており、このプロセスを繰り返すことで所望する厚さで粒子を被覆することができる。
同軸回転ノズルを用いて液体をカプセル化する方法である。この方法では、液体であるコア物質の噴出部の周囲を、壁剤の溶液または溶解液で囲む。噴出部が、空気を通過したとき、Rayleigh instabilityによって、周囲を壁剤に囲まれた液滴へと分断される。液滴が落下する間、壁剤は硬化または溶媒が蒸発する。ほとんどの液滴は±10%の直径でおさまり、これらはスプレーノズルで囲まれた小さいリングに入る。ここで、必要があれば、カプセルを硬化することができる。このプロセスは400から2000マイクロメートルの直径に適している。液滴は液体ノズルによって調製されるので、この工程は安定的な液体やスラリーで適応される。この手法は容易に生産性が確保され、1つのノズルから1時間当たり、最大で22.5 kgのマイクロカプセルが得られる。
ノズルや液に対して共振を生じさせ、層流を利用することで、コアシェルのカプセルまたはマイクロカプセルが得られる。Rayleigh instabilityと共振を用いることで均一な大きさの液滴が得られる。液滴はある一定の粘度であれば、どんな液体からも作れる。例えば、エマルション、サスペンジョン、溶融液、などである。凝固は内部や外部のゲル化によって行われる。プロセスは20マイクロから10,000マイクロメートルが適しており、様々な大きさで適用される。工場や研究所において設置されるほとんどの機械で、一時間当たり、１から20,000ｋｇの生産量があり、また温度も20度から1500度にすることが可能である。また、ノズルも数十万の種類のものを利用できる。
スプレードライは活性物質がポリマー溶液に分散しており、それを粒子内にトラップすることでマイクロカプセル化できる技術である。主な利点は不安定な物質をカプセル化できる点であり、これは乾燥時間が非常に短いことと、操作が非常に経済的である点がある。最新のスプレードライヤーは粘度の高いものでもスプレーすることが可能である。この技術を適用として、超臨海二酸化炭素を用いることで例えばタンパク質のような変質しやすい物質をカプセル化することができる。
イオンゲル化法は例えば、アルギン酸の鎖の中にあるウレアが多価のカチオンと結合することで生じる。多価のカチオンとしてはカルシウム、亜鉛、鉄、アルミニウムなどがある。
コアセルベーション法は連続的な攪拌の下、三つのステップからなる
界面重合法においては、二つの重縮合反応する反応物が界面で接触し、急速に反応することで生じる。手法の基幹となっているのは、酸クロリドと活性水素を有する二つの化合物間での、古典的なSchotten-Baumann reactionである。例えば、アミン、アルコール、ポリスチレン、ポリウレア、ポリウレタンなどである。温和な条件下で、薄く柔軟な壁が界面で急速に形成される。
農薬の水溶液やジクロロメタンを水中に乳化する。このとき、水溶液にはアミンが入っており、さらに重合のイソシアネートが更に追加される。出発点は反応中に生じた酸を中和することである。乳化したポリマーの膜が瞬時に乳化したエマルションの表面に形成される。
界面重縮合法は重縮合反応を利用しており、医薬品や化粧品に応用するため、毒性のあるジアミンを避けるために開発された。この方法では、活性水素を含む小さな2管応基性のポリマーが例えばタンパクのような生物由来のポリマーによって置き換えられる。反応がエマルション界面で生じるとき、アシッドクロライドの反応はタンパク質の機能的なところと反応し、膜の形態へと変化する。この方法は非常に多目的であり、サイズ、分解性、機械的な強度などマイクロカプセルの機能は色々調整できる。
In-situ重合法は、一つのモノマーの直接的な重合は粒子の表面で行われる。このプロセスでは、例えば、セルロースファイバーはドライトルエンに浸漬されると同時に、ポリスチレンによってカプセル化される。通常の膜の堆積時間は約0.5マイクロメートル / 分である。コーティングされる厚さは0.2から75マイクロメートルの幅である。In-situ重合法で形成されるコーティングは非常に均一で、はっきりとした外観である。タンパク質を骨格としたマイクロカプセルは生体適合性・生体適合性があり、タンパク質によって構成されていることから、界面重合法で得られるものよりも、より耐性があり、柔軟なものが得られる。
この手法は、粒子を構成する間において、コア物質はプラスティックのマトリックス内に包理される。この手法の単純な方法としてはスプレードライがあり、マトリックスとなる物質から溶媒を蒸発させることで粒子を形成する。しかしながら、凝固するマトリックスもまた化学的な変化で変わる。
マイクロカプセル化した製品の目的はコアとその周囲を隔離することにあるが、壁剤は使用するときには破壊されなければならない。ほとんどの壁剤は圧力やせん断力によって容易に破壊され、例えば、色素の粒子が壊れる場合では、コピーを作る場合に描いているときの圧力で壊れる。Enteric drug coating 例では、カプセルの内容物は壁が溶解したり、特別な状態で溶解することで放出する。他のシステムとしては、溶媒、酵素、化学的な反応、加水分解、膜の劣化などが挙げられる。
マイクロカプセル化は徐放化の目的で医薬品に使用される。これにより、被覆されていない医薬品に比較して一度の服用にでき、さらに血中での初期濃度を減らせるため、医薬品の毒性も軽減することができる。これは医薬品において非常に有望な放出パターンとなる。また、幾つかのケースでは、マイクロカプセルの放出機構は0次で示され、放出割合は定量である。さらに、幾つかのケースではマイクロカプセルの効果が保たれる間、1分間または1時間のうちに定量を放出する。これは固体か溶解している状態がマイクロカプセル内に維持されている限り持続する。
さらに典型的な放出のパターンとしては1次元で得示され、これは薬剤が尽きる限り指数関数的に減少する。このパターンでは、カプセルの外相と内相の濃度の違いによってカプセル中の薬剤が定常的に拡散する。
また他にも、マイクロカプセルの内容物質の放出メカニズムがある。これらには、微生物の分解、浸透圧、拡散、などがある。それぞれのメカニズムはカプセルの構成や使用環境による。ゆえに、内容物の放出は幾つかのメカニズムが同時に寄与することがある。
マイクロカプセル化の応用例は数多くある。代表的な例を以下に示す。