E ポリ(乳酸-エチレングリコール)トリブロック共重合体の乳化特性

岡 山大学 環境 理 工学 部研 究 報 告

第11巻,第1号, pp.107‑110,2006年3月

ポ リ( 乳酸 ‑エチ レングリコール) トリブロック共重合体の乳化特性

松本康夫● 北村吉朗● 吉滞秀打

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緒言

近年､環境や人体に負荷の少ない生分解性高分子である ポ リ乳酸

( PLA)

が注 目されている

oPI

A は生体適合性 ･ 生分解性を有することか ら､生体内における薬物や農薬､

肥料 な どの徐放 制御 を 目的 と した マ イ ク ロカ プセル

( MC)

のマ トリックスとして用い られている｡また

､ PI . A

などの生体適合性の合成高分子は

T is S ueEng i ne e r ing

に おいて､細胞の増殖や分化の足場 となる細胞外マ トリック ス‑の応用が期待 されている｡

PLAMC

は､主 としてエマルシ ョンの液中乾燥法によ り調製 され る｡ これは､良溶媒に

PL

Aを溶解 させ､界面 活性剤 を用いて水な どの貧溶媒 中に分散 させてエマル シ

ョンを調製 し､内相の良溶媒を蒸発 させ ることで

PI . A MC

を得る方法である｡しか し､この方法ではエマルシ ョ

ン調製時の機械的捷拝によ り油滴が多分散化する｡そこで

岡山大学界境理 工学部衆境物質工学科

1()7

本研究では､微細かつ比較的単分散なエマルシ ョンを調製 することが可能な転相乳化法に注 目した｡

転相乳化法は､界面活性剤 を用いて 目的 とす る型のエマ ルシ ョンと反対の型のエマル シ ョンを調製 し､温度や体積 比 を変化 させ ることによって 目的 とす る型のエマルシ ョ ンに転相 させ る方法である (竹内節,1999)｡温度変化に よる転相乳化法は､ノニオン性界面活性剤の曇点を利用 し た乳化法であ り､転相温度付近では親水性 一疎水性バラン ス (HLB)が釣 り合 うため低界面張力場 とな り､微細な エマル シ ョンを調製す ることができる (紺野 ら,1999)｡

一方､体積比の変化による転相乳化は､油相あるいは水相 にもう一方の相を枕拝 しなが ら加 え､転相点で十分捷拝す ることで粘度によるせん断的効果が働 き､微細かつ単分散 なェマルシ ョンを得る方法である (辻弗,1976)｡

本研究では､疎水基に

PL

Aセ グメン ト､親水基に生体

1 ( ) 8

岡山大学環境理工学部研究報告,ll(1)2006年

適合性 に康れたポ リエチ レング リコール (PEG)セ グメ ン トを持つ両親媒性高分子であるPI.A‑PEG･PLA トリブ ロック共重合体 (PLEL)を用いて､転相乳化法によって エマルシ ョンを調製 し､その乳化特性 に関す る基礎的検討 を行 った｡ また､疎水性 のPLELを用いて調製 した高内 相のW/0 エマル シ ョンを利用 し､細胞培養 を 目指 した生 分解性多孔質材料の創製 を試みた｡

2

実検方法

2.1PLELの合成 と評価

PLELの合成は 2･エチル‑ キサン酸スズを触媒 とした D,L･Lactideのバル ク重合によ り行 った.反応 スキームを Fig.1に示す｡ まず､アンプル管にD,L･LactideとPEG

(重量平均分子量 :2000)を挿入 し､触媒 を加 えた｡ 1 時間減圧乾燥 した後､アンプル管を封管 し､130℃で24 時間反応 させた｡反応後､未反応 のモ ノマーお よび PEG を取 り除 くため重合物 をクロロホルムに溶解 させ､メタノ ール 中での再 沈澱 操作 に よ り目的物 を得 た｡ 生成 した pLEいま】H･NMR(溶媒cDC)3)によ り構造 を確認 したo PI.ELの分子量及び分子量分布 をポ リスチ レンを基準物 質 とす るゲル浸透 クロマ トグラフィ (GPC)によ り測定

した｡

2.2PLELの水溶性拭験

10wt% PLEL水溶液 を調製 し､25℃､150rpmで24 時間振 とうさせた後､水溶液の様子を 目視で観察 した｡

2.31点測定

1wt%PLEL水溶液を調製 し､冷熱式セル温度 コン トロ ー ラーによ り連続的に温度 を変化 させ､水溶液中の濁度 を 波長600mmの吸光度によ り測定 した｡昇温 ･降温速度は 1℃/mi皿とした｡

2.4乳化実験

PLELを酢酸イ ソプ ロピルに溶解 させ､水:油=1:1 (重 量比)となるよ うに混合 し､ホモジナイザー(12,000rpm, 2min)によってエマル シ ョンを調製 した｡エマル シ ョン の型は､サーキ ッ トテスターによる電気抵抗測定 よ り決定 した｡PLELによる転相乳化は水/油の重量比 を変化 させ ることによ り行 った｡まず､lwt%のPLEL酢酸イ ソプロ ピル溶液 を調製 した｡その溶液 を (12,000rpm)で捷拝 しなが ら､W/0型か らOrW 型‑転相す るまで超純水また は水溶液PLELの1wt%水溶液 を少量ずつ滞下 した0

2.5PLAスポ ンジの調製 と評価

実験 に使用 したPLAとPLELの重量平均分子量はそれ ぞれ79,000､13,500 (PEG 2,000)である｡Fig.2に

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Fig.I SyntheticschemeorPLEL

Fig.2 PreparationnowchartofPLAsponge

T&bleI PreparationconditionofPLAsponge

Water:OilconcPeLAnb.alionconPceLELntrationconcWacrLttrearIIOncEtohynceln拡etrdltdeOn lwt%1 lwl%1 lwl%1 【wt%1

3755 5 5 2570 6530

64 54 36

73 63 27

PI.A スポンジ調製のフローチャー トを示す｡PI.AO.25ど とPLEL0.25gを酢酸エチルに溶解 させ ､ホモ ジナイザ ー (12,000rpm)で捷拝 しなが ら超純水を加 え､W/0エ マルシ ョンを調製 した｡調製 したW/0エマル シ ョンを24 時間凍結乾燥す ることでPLAを固化 させ､Pl.Aスポンジ を調製 した｡調製後､デ シケー ター内で数 日間乾燥 させたo Tablelに調製条件 を示す｡水 と酢酸エチルの重量比 を水:

酢酸エチル=3:7‑7:3と変化 させた｡

得 られたPIJAスポンジの表面形態は走査型電子顕微鏡 (SEM)によ り観察 した｡ また､細孔径分布 を水銀 ポ ロ シメー ターによ り測定 した｡測定に用いたPLAスポンジ は測定前 日に窒素雰囲気 下､30℃ で一晩乾燥 させ た もの を用いた｡サンプル量は0.05gとした｡

吉揮 秀和ら /ポリ(乳酸‑エチレングリコール)トリフロック共重合体の乳化特性

3 実検結果と考察

3.1乳化実験

3 . 1 . 1

エマルションの型

HIJBの異なるPIJELを用いて調製 したェマルシ ョンの 型をTablelに示す｡TablelよりPLELのHLBが6以 下 (非水溶性)ではW/0エマルシ ョン

､7

以上 (水溶性) ではO/W エマルションを形成 し､水‑の溶解性がエマル ションの型を決定す る因子であることが分かった｡これは 油溶性界面活性剤を用いた系では油相が連続相 とな り､水 溶性界面活性剤 を用いた系では水相が連続相 を形成す る とい うバンクロフ トの規則 と一致 した｡以上 よ りPLEL のfW によりエマルションの型 を変化 させ ることが可能 であることが分かった｡

3.1.2体積変化による転相乳化

Fig.3に水相 と油相の体積比を変化 させた時のエマル シ ョンの光学顕微鏡写真を示す｡まず､超純水を少量添加 した時､混合溶液は均一に乳化 され安定なW/0エマルシ ョンを形成 した｡さらに水を滴下 し､水の体積比をかな り 大きくしたにも関わ らず､W/0 エマルシ ョンを保持 した ままであった｡この時､分散液の粘度は著 しく増加 し､内 水清が密集 していることが分 か った(Fig.3･a)｡ これ は PLELのHLBがかな り低いため､バ ンクロフ トの規則に 従 う水/油比の範囲が広いためであると考えられ る｡次に､

水:油=1:7にした時､分散液の粘度が減少 し抵抗値が低下 したため､エマルシ ョンが転相 した と考えられ る｡この と き分散液はW/0/W エマルシ ョンを形成 した(Fig.3･b)ま た､転相直後クリー ミングを起 こした｡24hr後､このエ マルシ ョンを観察 した ところ､0ハⅣ エマルシ ョンとなっ た伊ig.3‑C)｡これはW/0/W エマルシ ョンの内水滴が油滴 を介 して連続相の水‑拡散す るためであると考 えられ る｡

一方､水溶性PI.ELのlwt%水溶液を南下 した場合､超 純水を清下 した時 と同様に､高内相のW/0エマルシ ョン を形成後､水:油=1:5で転相 した｡この時､W/0/W エマル ションを形成 し､24hJ･後､0ハⅣエマル シ ョンを形成 した (Fig.3･d)｡ しか し､超純水を滴下 した系 と比較 して油敵 は小 さく､エマルシ ョンは安定であった｡これは親水基の PLELが0ハⅣエマルションを安定化 しているためである

と考えられ る｡

3.2Pu スポンジの鋼製 3.2.1PLAスポンジの表面形態

調製 したPI.Aスポンジの表面SEM親秦の結果をFig.4 に示す｡SEM写真 より､PI.Aの表面に多 くの孔が観察 さ れ､PI.A スポンジの調製に成功 した｡細孔径がエマルシ ョンの清径 と同程度であることか ら､エマルシ ョンの凍結 乾燥によって水滴が蒸発 して細孔になった と考えられ る｡

また､写真より内相である超純水の割合が増えるに従い､

TAble2 Emulsiontype ofWater/Tsopropylacetate/PLEL SyStem

PLEL PLA HLB solubility Cbud emulsion

〟レ Mw test pointr℃l tytx

ll124 9281 3.3 X W/0 6200 4357 5.9 × W/0 5637 3821 6.4 A W/0 5253 3410 7.0

●

^0/W

4567 2724 8.1

0

34.5 0/W 4274 2431 S.6

0

42.0 0/W water/Isopropylacetate/PLEL‑47.5/47.5/5(wt%)

･Precipitation▲Dispersion●TraJISlucentOClear

(C)

50pm Fig.3 0pticalmicroscopeimagesofwater/isopropylacetate

/PLELemulsion,(a)water:oil=l:6,(b)water:oil‑I:7, (C)alter1dayof(b)and(d)aAer1dayofIwt% PLELaq:oil‑1:5

スポンジ表面の細孔が大きくなっているのが分かった｡こ れは水滴が増加 し､内相の密度が高 くなったことで蒸発す る水の量が多 くな り､表面に多 くの穴があいたためと考え られ る｡

3.2.2

P L

Aスポンジの水銀ポロシメーター5M定

水銀ポロシメーター測定によ り得 られた各組成の PLA スポンジの細孔径分布をFig.5に､ピーク トップの細孔径 をTable3に示す｡まず グラフよ り､細孔径が数nmか ら 数十nmよび数pmか ら数十pmの範囲に分布 していること が分かった｡このよ うな細孔の大きさの違いは形成原因の 違いによるもの と考えられ る｡数pmの孔の形成原因は酢 酸エチルが蒸発す ることでポ リマーが固化 し､残った水滴 が蒸発す ることにより､水滴部分が孔 となった と考えられ る｡一方､数nmの孔の形成原因は凍結乾燥時の乾燥プロ セスであると考えられ る｡凍結乾燥時､酢酸エチルが上部 か ら蒸発 してポ リマーが固化す るため､下部には蒸発 して いない酢酸エチルが存在 している｡その結果､下部の酢酸 エチルが蒸発す る際､上部で固化 したポ リマーに孔をあけ ると考えられ る｡

Fig.5における数pm付近の ピークに注 目すると､水の 109

110 岡山大学環境理工学部研究報告,ll(1)2006年

water:oil=3:7

water:oil=6:4

water:oil=7:3

Fig.4 SEMmicrographsofPLAspongesurfaces

割合の増加に伴い ピークが大きくな り､細孔径分布はシャ ープとなった｡また､ピーク トップの位置が孔径の大きい 方‑シフ トしていることが分かった (Table3)｡これ を以 下のよ うに考察 した｡水の割合が小 さい場合､水滴が少な いため液滴密度が低 くなる｡その結果､凍結乾燥後に細孔 同士が合体す る ことは少 な く比較的小 さい細孔 になっ

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101 102 103 104

PoreDiameterlnm]

Fig.5 PoresizeDistributionofPLAsponge

Table3 Porediameterofpeaktop舟omFig.5 Water:Ethylacetat Diameterofpeaktoplnm]

3:7

約

45

0 0

5:5

約

55

0 0

6:4

約

6000 7:3

約

7000

た と考えられ る｡一方､水の割合が大きい場合､水滴密度 が高いため液滴同士が接触 していると考えられ る｡その結 果､凍結乾燥後に孔同士が合体 して大きな細孔になった と 考えられ る｡以上 より､水の割合の増加に伴い､小 さな細 孔が減少 し孔径の大 きな方‑ ピー クがシフ トした と考 え

られ る｡

4 轄言

pLELを界面活性剤 として用いてエマル シ ョンの調製を 試みた結果､PLELの水溶性 によってエマルシ ョンの型が 決定 された｡

pLELを界面活性剤 として用いて調製 したW/0 エマル シ ョンを凍結乾燥 し､PLAスポンジの調製 を試みた とこ ろ､分散相の割合によってスポンジ表面の細孔径お よびス ポンジの細孔径分布が変化 したC

以上 よりPLELの乳化特性 を利用 しPLAスポンジの調 製が可能であ り､調製条件を変化 させ ることで表面形態お

よび細孔径分布の制御が可能であると言える｡

参考文献

紺野義一,菅谷良夫,広部み どり,外尾恵美 (1999):転 相温度 (PTT)乳化法による微細エマルシ ョンの調艶 J. Soc.Cosmet.Chem.Japan,33,pp.59‑65

竹内節 (1999):界面活性剤 上手に使いこなすための 基礎知識,米田出版,p.102･127

辻薦 (1976):乳化 ･可溶化の技術 工学図書,p.66‑72