放射線滅菌前後におけるポリマーの物性評価

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1 The TRC News, (August 2017) 放射線滅菌前後におけるポリマーの物性評価 構造化学研究部 材料物性研究部 有機分析化学研究部 山口陽司 村司雄一 安田周平 要旨放射線滅菌処理が原因で樹脂製品に割れ 変形 変色 劣化 臭気などのトラブルが発生する事例がある TRC では 放射線滅菌処理による樹脂製品のトラブルについて把握するために γ 線 電子線の照射処理から各種測定 解析までワンストップで実施可能である 本稿では 医療用素材として需要の拡大が期待されるシクロオレフィンポリマー (COP) について γ 線照射前後の物性 発生ガス 変色 酸化劣化に関して分析した事例を紹介する 菌の種類と特徴を示す 放射線としては γ 線あるいは 1. はじめに 電子線が用いられ 主に被滅菌物の素材や包装が熱や 薬品滅菌に対して耐性がない場合に使用される 注射 ポリマー材料は 滅菌耐性をはじめとする製品の品質 成形加工性 原料価格の安さなどから ディスポーザブル医療用具を中心に利用が進んでいる ディスポーザブル医療用具の滅菌には 放射線滅菌が大いに利用 器など大量生産の医療機器を比較的短時間で連続的に滅菌でき 最終梱包状態で処理が可能であることから 主にポリマーを材料とするディスポーザブル医療用具の滅菌処理法として採用されている されるようになったが 放射線照射による機械特性の低下 割れ 変形 変色 酸化 臭気等 様々なトラブルが発生する事例がある また 最近では容器からの溶出物やラジカルがバイオ医薬品中に含まれるタンパク質の酸化 変性の要因となることが報告されている 1) 本稿では γ 線照射した COP の物性 発生ガス 変色 酸化劣化に関して分析した事例を中心に紹介する COP は 近年普及してきたプラスチック製のプレフィ 表 1 放射線滅菌条件滅菌時間対象物 代表的な放射線滅菌の種類と特徴 γ 線 電子線放射線量 :25 kgy γ 線 : 数時間 電子線 : 数十分熱や薬品を使う方法には適さない製品注射器など大量生産の医療機器 ルドシリンジにも使用され 今後 需要の拡大が期待 される材料である 3. 分析メニュー 表 2 に放射線滅菌におけるポリマーの主な分析メニュ 2. 放射線滅菌 放射線滅菌は ほぼ全ての樹脂製品に適した滅菌方法 である 表 1 に現在一般的に使用されている放射線滅 ーを示す 放射線滅菌時の主なトラブルの要因解析のために それぞれ評価項目と分析手法をまとめた TRC では 放射線滅菌処理による樹脂製品のトラブルについて γ 線 電子線の照射処理から各種測定 解析までワンストップで実施することが可能である 1

2 表 2 放射線滅菌におけるポリマーの分析メニュー トラブル 評価項目 手法 ガラス転移温度 (Tg) DSC 密度 ピクノメータ法 気体置換法 アルキメデス法 分子量 ( 分布 ) GPC 機械特性の 表面自由エネルギー 接触角 低下 表面凹凸 AFM 機械特性 ( 弾性率 硬さ ) ナノインデンテーション 自由体積 細孔径 ( 分布 ) 陽電子消滅 ガス吸着法 DSC 化学構造 ( 発色団 官能基 結合状態など ) UV-Vis IR ラマン NMR 臭気 発生ガス ( 熱脱離 )GC/MS HPLC IC 化学構造 ( 発色団 官能基 結合状態など ) UV-Vis IR ラマン NMR 変色 劣化 ラジカル ESR 変色成分 溶出物 LC/UV-Vis LC/MS/MS 割れ 変形 歪み 応力デジタル画像相関法 X 線回折法 ラマン等高分子鎖の配列状態 ( 結晶 非晶 ) X 線回折法 (SAXS WAXD) ラマン DSC NMR 4. 分析例 4.1 試料 COP は 近紫外線領域における高い透過率 高バリア性 生物学的適合性といった特性に加え 滅菌処理 ( 放射線やエチレンオキサイドガス ) に対して高い耐久性を持つことから 医療用材として有用であると考えられている ここでは COP に滅菌条件 ( 室温 50 kgy) でγ 線照射した試料と 未照射の試料とで比較評価した結果について紹介する 4.2 変色 酸化劣化分析 UV-Vis ESR IR 分析は樹脂の着色 酸化劣化解析に有用であり 以前にも ポリプロピレン ポリスチレン ポリ塩化ビニル アクリル樹脂の分析事例を紹介した 2) 今回 γ 線照射した COP について分析を行った 図 1 γ 線照射前後における COP の変色 ( 左 : 照射前 右 : 照射後 ) UV-Vis 分析 ~ 着色要因の推定 ~ 図 2 にγ 線照射した COP の UV-Vis スペクトルを示す γ 線照射によって 着色し 可視領域に吸収帯が見られた その後 時間の経過とともに退色が見られたが その減衰から 着色には複数の成分 すなわちポリマー由来のポリエンや酸化防止剤由来のフェノキシルラジカルなどが関与していると推察される γ 線照射した COP 樹脂の色試料は 照射施設にて γ 線を照射した後 ドライアイスを入れた容器に入れて輸送した γ 線照射後の COP について色の変化を図 1 に示す 照射直後では黄緑色に着色し その後 退色がみられた 2 図 2 γ 線照射した COP の UV-Vis スペクトル

3 ESR 分析 ~ラジカルの同定 定量 ~ 図 3 に γ 線照射した COP の ESR スペクトルを示す シミュレーション解析の結果 4 種類のラジカルが存在しているものと考えられる 照射直後は COP 由来のアルキルラジカル (R ) が主体で 樹脂の分解及び架橋の進行 ( ラジカル同士の結合 ) が示唆される 過酸化ラジカル (R-OO ) の生成は酸化劣化を示唆している 着色に関与する可能性がある 共役系を有するポリエニルラジカル ((-C=C)n-C -) やフェノキシルラジカル (φ-o ) も観測された 図 4 γ 線照射した COP の IR スペクトル 図 3 γ 線照射した COP の ESR スペクトル IR 分析 ~ 酸化劣化の評価 ~ 図 4 に γ 線照射した COP のIR スペクトルを示す γ 線照射によって 水酸基や C=O が検出され 酸化劣化が示唆される いったん高分子鎖上にラジカルが生成すると酸素と反応して過酸化ラジカルとなり これが更にポリマーと反応して新しいラジカルが発生し この連鎖反応の繰り返しにより酸化が経時的に進行していく (R + O 2 ROO R=O ) ラジカルの発生や連鎖反応を抑制するためには 酸化防止剤の添加が必須であるが 製品の変色 2) や溶出物を考慮しながら添加剤の種類や量を決定する必要がある 4.3 各種物性評価 γ 線照射前後の COP について各種物性評価を行った 分析手法 評価項目と得られた結果を表 3 にまとめた 表 3 より バルク物性では分子量増加が僅かに見られた 一方表面付近に注目して分析すると 分子量 弾性率 硬さが増加し 自由体積が減少している このことから γ 線照射により架橋が進行したと推察される ( これは 4.2 項の ESR 分析結果からも推察される ) また 接触角測定による表面自由エネルギー解析から極性成分 水素結合成分が増大 分散成分が低下しており γ 線照射により表面が酸化した可能性が示唆される ( これは 4.2 項の IR 分析結果からも示唆される ) なお AFM の粗さ定量値からは照射前後で表面凹凸には大きな違いはないが 図 5 に示した立体表示 AFM 像より 照射後では微細な凹凸が増加している様子が観察された 未照射照射後 図 5 γ 線照射前後の AFM 像の比較 3

4 表 3 γ 線照射前後における COP の各種物性評価結果 手法評価項目未照射照射後 γ 線照射に よる変化 DSC ガラス転移温度 (Tg) バルク物性 気体置換密度 g/cm g/cm 3 GPC 重量平均分子量 (Mw) AFM 表面粗さ (Rms) 3.11 nm 3.16 nm ナノインデン テーション 弾性率 3.0 GPa 3.2 GPa 硬さ 0.16 GPa 0.17 GPa 陽電子消滅自由体積直径 nm nm 表面物性 水の接触角 表面自由エネルギー γ S * mn/m 44.8 mn/m 接触角 _ 分散成分 γ S D 34.2 mn/m 33.5 mn/m P 極性成分 γ S 2.9 mn/m 9.5 mn/m H 水素結合成分 γ S 0.7 mn/m 1.8 mn/m *1: 水, ホルムアミド, ジヨードメタン, エチレングリコールの測定から分散成分, 極性成分, 水素結合成分を算出 D P 表面自由エネルギーは各成分の和 (γ s = γ S + γ S + γ H S ) 4.4 臭気 発生ガス分析 γ 線滅菌時に発生するガス種を分析することにより γ 線照射によるトラブル要因の発見 解決に繋がる情報が得られると考えられる ( 例えば 強度低下による劣化予測 着色原因の推定 臭気要因の特定 発生量把握など ) 弊社では 発生ガス種によって捕集方法および分析方法を使い分けている ( 図 6) ここでは PET 製のガスサンプリングバッグにポリオレフィン系ポリマー (COP, 及び比較用に PP, PE も実施 ) をそれぞれ封入し γ 線照射した際に発生するガスを熱脱離 GC/MS 法により評価した事例を紹介する 発生ガス総量の分析結果を図 7 に示す いずれのポリマーについても γ 線照射後の発生ガス総量が 2 倍以上に増加した また γ 線照射後のガス総量についてポリマー間で比較すると PP や PE に比べ COP のガス発生量は非常に少なく γ 線滅菌処理に対する高い耐久性を示唆する結果となった このように 材料の候補となるポリマー同士のガス発生量を比較することによって 最適な材料の選定に有用なデータを得ることができると考えられる ガスサンプリングバッグ 低中沸点有機成分無機成分 (H 2, O 2, N 2, CO, CO 2 etc.) 発生ガス総量 (μg) 吸着管 中沸点有機成分 GC, GC/MS, 熱脱離 GC/MS 未照射 照射後 BLK (PET バッグ ) DNPH カートリッジ アルデヒド類 HPLC 溶液捕集 ( 水, 溶媒など ) 高沸点有機成分有機酸 無機酸 無機成分 (NH 3, Amine, HCN etc.) 図 6 対象ガス成分別ガス捕集および分析方法 IC COP PP PE 図 7 発生ガス総量の比較 4

5 次に COP に関するγ 線照射前後の発生ガス解析結 果を表 4 に示す 照射前後で発生ガス種に違いがある ことや 照射前後で発生量に差がある成分があること が分かる 特に 照射後に COP モノマーが減少してい ることから ポリマー分解の進行が予想される また アセトン ギ酸 酢酸等の増加が見られたことから 酸化劣化の可能性が示唆されるが これはバルク物性 評価の結果とも矛盾の無い結果であり γ 線照射によ る表面の酸化劣化が反映されたものと推察された γ 線照射後に増加した成分のうち 酢酸やアセトア ルデヒドは 検知閾値 ( 何のにおいか分からなくても 何かにおいを感知できる最小濃度 ) が低い成分であり 臭気トラブルの要因となりうる成分である このよう な成分の発生有無を把握 定量化しておくことで 臭 気トラブルのリスク低減に活用できる 表 4 γ 線照射前後の発生ガス解析結果 (COP) 検知 濃度 (mg/m 3 ) 成分 閾値 臭気質 未照射 照射後 (mg/m 3 ) 1 アセトアルデヒド 刺激臭 2 アセトン 溶剤臭 3 ギ酸 酸っぱい 4 シクロペンテン 酢酸 < 酸っぱい 6 C8H18 < シクロペンタノン < ミント様 8 C12H (COP モノマー ) 測されたような変化が使用上トラブルになる場合もあり 今後 より安全性の高い容器の開発が続くものと予想される 東レリサーチセンターでは 樹脂製品の放射線滅菌における様々なトラブルに対して 問題解決に役立つ分析を提案していきたいと考えている 引用文献 1) K. Nakamura and K. Yoshino, Pharm Tech Japan, 32(7), 93 (2016). 2) " 放射線滅菌処理による樹脂製品のトラブル解析 " 山口陽司 沢井隆利 井上敬子 小野田資, The TRC News, 山口陽司 ( やまぐちようじ ) 構造化学研究部構造化学第 1 研究室主席研究員趣味 : 草サッカー村司雄一 ( むらじゆういち ) 材料物性研究部材料物性第 2 研究室主任研究員趣味 : スポーツ観戦安田周平 ( やすだしゅうへい ) 有機分析化学研究部有機分析化学第 2 研究室研究員趣味 : バレーボール 4. おわりに これまでに γ 線や電子線滅菌の実用化が進み 耐放射線性を高めたポリマー材料の開発が行われてきた しかしながら 近年のバイオ医薬品市場の成長に伴い 容器の素材や滅菌方法に対して新たな課題も生じている バイオ医薬品の多くは不安定であるため これまで問題にならなかった容器素材の劣化や溶出物の増加がバイオ製剤の安全性に影響する 今回 γ 線滅菌した COP の物性 発生ガス 変色 酸化劣化に関して分析した事例を紹介したが 今回観 5

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