防汚機能を有する生体適合性複合高分子材料

防汚機能を有する
生体適合性複合高分子材料
九州大学
山形大学
大学院工学研究院応用化学部門
教授田中敬二・准教授松野寿生
大学院理工学研究科バイオ化学工学専攻
教授田中賢
1
研究背景
血液適合性高分子表面
ミクロ相分離表面
超親水性表面
生体膜類似表面
PS-PHEMA共重合体
PEG修飾
PMPC
Han (1989)
Nakabayashi (1992)
Okano (1981)
現状では、血液適合性表面設計の一般論は確立されていない。
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研究背景
ポリ(アクリル酸2-メトキシエチル)(PMEA)
CH2 CH
¾ 有機溶媒易溶性
n
C O
¾ 非水溶性
O CH2 2 O CH3
¾ 透明性
¾ 粘着性
血清成分
PMEA
血清成分の吸着抑制能
人工心肺コーティング剤
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問題点
PMEA膜
基板
100 μm/div
¾ PMEAは室温でゴム状態にあるため、固体基板上に製膜すると
「はじき現象」により形態を保持できない。
¾各種表面解析に適する薄膜の作製が困難なため、表面の構造・物性
が明らかになっていない。
¾PMEA表面の構造・物性と血液適合性発現機構の関係は未解明。
¾PMEA単独ではマイクロメートルオーダーの厚膜しか作製できない。
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新技術の基となる研究成果・技術
表面偏析に基づく安定なPMEA表面作製技術の開発
PMEA
PMMA
CH3
CH2 CH
n
+
CH2 C
PMEA表面
熱処理
n
C O
C O
O CH2 2 O CH3
O CH3
ブレンド膜
基板
¾ 室温でガラス状態
¾ 安定な膜形態の維持
PMEAを、室温でガラス状態であり膜形態の維持が容易な
PMMAと混合し、さらに熱処理することで安定なPMEA表面
を作製した。
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新技術の基となる研究成果・技術
(PMEA/PMMA 50/50)ブレンド膜表面形態
(PMEA/PMMA)ブレンドの相図
450
100.0
400
350 353 K
300
相溶領域
(ガラス状態)
250
Height / nm
Temperature / K
相分離領域
相溶領域
(ゴム状態)
20 μm
0.0
(原子間力顕微鏡(AFM)観察)
50 wt%
200
0
自乗平均面粗
さRMS
2.6 nm
20
40
60
80
Bulk PMEA fraction / vol%
100
: ブレンドの相分離温度
(Flory-Huggins式)
: ブレンドのガラス転移温度(Tg)
(Fox式)
最表面におけるPMEA体積分率
φsPMEA(0) = 100 vol%
(角度依存X線光電子分光測定)
PMEA表面
PMEA/PMMA
基板
T. Hirata, H. Matsuno, M. Tanaka, and K. Tanaka, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 4928 (2011).
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新技術の基となる研究成果・技術
Surface PMEA fraction / wt%
(PMEA/PMMA)ブレンドの表面組成（熱処理温度＠曇点以上）
100
表面張力
γPMEA
γPMMA
<
(42.2 mN·m )
(36.7 mN·m )
80
2
40
分子量
1
1.
2.
20
0
-1
-1
60
0
Before annealing
After annealing
Mn,PMEA
(26k)
<M
n,PMMA
(85k)
20
40
60
80
100
Bulk PMEA fraction / wt%
分析深さ 7 nm
annealing
: PMEA
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新技術の基となる研究成果・技術
(PMEA/PMMA)ブレンド膜（熱処理温度＠曇点以上）
PMEA/PMMA = 50/50
形状像
PMEA表面分率の深さ依存性
PMEA fraction / wt%
100
位相像
(PMEA/PMMA)
80
(50/50)
60
2
20 μ m
40
(10/90) 1
20
0
0
2
4
6
Depth / nm
8
20 μm
断面プロファイル
150
PMEAリッチ相
オーバーレイヤー
（非相溶）
10 100
50
熱処理により、
PMEAが表面濃縮した。
0
0
20 40 60
Distance / μm
80
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新技術の基となる研究成果・技術
(PMEA/PMMA)ブレンド膜（熱処理温度＠Tg以上曇点以下）
PMEA/PMMA = 50/50
形状像
位相像
100
φ sPMEA(z) / %
熱処理時間
90
1.
2.
6h
12 h
80
70
20 μm
60
断面プロファイル
20
0
2
4
6
Depth / nm
8
10
熱処理条件の最適化により、
平坦なPMEA表面が形成した。
Height / nm
50
20 μm
PMEA濃縮層
（相溶）
10
0
0
20
40
60
Distance / μm
80
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新技術の基となる研究成果・技術
(PMEA/PMMA)ブレンド膜の水中安定性
PMEA/PMMA (50/50 wt/wt)
水中浸漬1 h後
1 μm
2
1
RMS = 0.33 ± 0.01 nm
0
1
2
3
4
Distance / μm
5
1 μm
1 μm
0.0
4
Height / nm
-10.0
3
0
10.0
Height / nm
Height / nm
1 μm
0.0
4
Height / nm
4.0
Phase / deg.
10.0
Phase / deg.
4.0
水中浸漬24 h後
-10.0
3
2
1
0
RMS = 0.36 ± 0.01 nm
0
1
2
3
4
Distance / μm
5
表面形態は水環境下においても安定であった。
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10
新技術の基となる研究成果・技術
48
40
68
53
47
39
67
66
51
0
4
8
12
Time / hour
16
49
46
45
0
4
8
12
Time / hour
16
43
38
37
36
44
50
65
64
52
θ / deg.
54
θ / deg.
69
θ / deg.
θ / deg.
表面凝集構造の水中浸漬時間依存性
0
4
8
12
Time / hour
16
35
0
4
8
12
Time / hour
16
PMMA
PMEA/PMMA
PMEA/PMMA
PMEA
PMMA
ホモポリマー膜
(10/90)
ブレンド膜
(50/50)
ブレンド膜
積層膜
(ホモポリマー膜)
気泡接触
気泡が非接触
試料
sample
θ
air
water
シリンジ
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11
新技術の基となる研究成果・技術
66
53
47
52.5 °
52
51
0
4
8
12
Time / hour
16
49
40
46.0 °
46
45
0
4
8
12
Time / hour
16
43
38.7 °
39
38
37
36
44
50
65
64
48
θ / deg.
θ / deg.
67
54
θ / deg.
68.0 °
68
θ / deg.
69
0
4
8
12
Time / hour
16
35
0
4
8
12
Time / hour
16
PMMA
PMEA/PMMA
PMEA/PMMA
PMEA
PMMA
ホモポリマー膜
(10/90)
ブレンド膜
(50/50)
ブレンド膜
積層膜
(ホモポリマー膜)
水界面自由エネルギー(γ1-2)
γPMMA-water > γPMEA-water
(17.4 mJ·m-2)
(1.1 mJ·m-2)
水中における静的接触角測定より算出
プローブ: 空気(気泡)，n-ヘプタン
PMEAはPMMAより安定な水界面
を構築することが可能
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新技術の基となる研究成果・技術
血小板粘着数
血小板粘着試験
2. 血小板粘着
platelet
water
sample
sample
浸漬時間: 0, 8, 16, 24 h
NumberPLT (cells / 104 μm2)
1. プレ水中浸漬
35
30
0h
8h
16 h
24 h
25
20
15
10
5
0
PMMA
blend
(10/90)
blend
(50/50)
PMEA
PMEA多成分膜では、プレ水中浸漬時間を長くすることで、
血小板粘着数を低下させることができた。
ブレンド膜は、PMEAホモポリマー表面と同等もしくはそれ以上
の血小板粘着抑制能を示した。
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従来技術とその問題点
PMEAは、既に人工心肺等のコーティング
剤として実用化されているが・・・
¾ コーティング特性が低い
¾ 血液適合性の発現機構が不明
等の問題がある。
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新技術の特徴・従来技術との比較
¾従来技術の問題点であった、コーティング特性
の改良に成功した。
¾PMEA単独でのコーティングより血小板粘着
抑制能が向上した。
¾本技術の適用により、PMEA使用量の低減が
図れるため、コーティングコストが1/2～1/3
程度まで削減されることが期待される。
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想定される用途
防汚機能を有するコーティング剤
¾ 医用器具
（人工血管・人工心肺・透析膜 etc）
¾ 建築材
（医療施設、水道設備）
¾ 船底塗料
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想定される業界
¾ 利用者・対象
医療器具メーカー
¾ 国内市場規模
生体適合性材料
（ゼラチン、抗血栓性コーティング）
2010年
11.9億円
2020年予測 9.9億億円
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実用化に向けた課題
¾PMMA以外のアルキルアクリレート、ポ
リエステル等、他の高分子とのブレンド
膜についてデータを取得し、適用可能な
高分子の種類の拡大を図る。
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本技術に関する知的財産権
発明の名称：生体適合性材料、医療用具
及び医療用具の使用方法
出願番号：特願2011-270727
出願人
：九州大学、山形大学
発明者
：田中敬二、田中賢、他2名
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産学連携の経歴（田中敬二）
2006年-2009年 NEDO産業技術研究助成
過去3年間：50件の共同研究・技術指導を実施
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お問い合わせ先
九州大学知的財産本部
技術移転グループ
ＴＥＬ 092－642 －4361
ＦＡＸ 092－642 －4365
e-mail [email protected]
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