医用高分子材料 先導物質化学研究所高原淳 http://takahara.ifoc.kyushu-u.ac.jp 1. はじめに 2. 高分子材料の特徴 3. 医用高分子材料の目的と必要な性質 4. 医用高分子材料の応用例 5. 生分解性高分子 参考書 高原淳 岩波現代工学の基礎材料系 VI 高分子材料 (2000) 前田瑞夫 岩波現代工学の基礎材料系 VIII バイオ材料の基礎 (2000) 石原 畑中 山岡 大矢 バイオマテリアルサイエンス 東京化学同人 (2003).
1. はじめに低分子から高分子へ モノマー ポリエチレン
三大材料の中での高分子材料の位置づけ セラミクス材料陶器 ファインセラミクス BC8000 年土器メソポタミア 20 世紀後半からファインセラミクス 高分子材料 / 有機材料皮革 天然繊維 紙 樹脂 1926 年シュタウジンガー高分子説 (1953 ノーベル化学賞 ) 高分子科学 工学 20 世紀の中盤から急速に発展 合成繊維 合成樹脂 合成ゴム 金属材料 BC1567 年青銅器エジプト産業革命の主体 ( 鉄鋼 ) さらなるソフトマターとしての発展 ( ゲル 分子組織体 液晶 膜 ) 生体にも似た新しい材料 高分子を中心とする次世代の材料 光ファイバー
2. 高分子材料の特徴 セラミクス材料原子間は共有結合 イオン結合結晶性非晶性 ( ガラス ) NaO-CaO- SiO 2 ガラス 金属材料原子の積み重なりにより比較的単純な結晶構造を形成金属イオンの周りを電子が飛び回る 高分子材料炭素 水素原子が主成分で 主として炭素原子が骨格となり共有結合で長くつながった分子鎖からなる 分子鎖同士は絡み合う 100% 結晶化することは困難 ( 単結晶でも非晶部分が存在 ) 分子量分布の存在 粘弾性を示す ( 力学物性が温度 時間 周波数に依存 ) 結晶部分 非晶部分
1) 高分子をつくる 高分子合成法の分類 逐次重合 モノマー A モノマー B 逐次重合 重縮合 重付加 付加縮合 ナイロンポリエステル ポリウレタン 縮合 (condensation) A B A B 付加 (addition) A B A B C 重合機構 ラジカル重合 ポリスチレンポリメタクリル酸メチル 連鎖重合 ( 付加重合 ) カチオン重合 アニオン重合 リビング重合が可能 配位重合 ポリエチレンポリプロピレン ポリマー成長末端 連鎖重合 * * モノマー
2) いろいろな形の高分子 線状高分子 ブロック共重合体 星形高分子 櫛形高分子 グラフト共重合体 末端基を制御した高分子 共重合により 1 本の分子の中に異なった性質のモノマーを導入できる
3) 分子量分布 A B C A B C A A B C A B C A A B C A B C A A B C A B C A A B C A B C A 生体高分子 分子量が揃っている モノマーの繰り返しも正確 A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A 一般の合成高分子 分子量に分布がある 平均の分子量で記述 リビング重合による合成高分子 分子量分布が狭い
4) 高分子溶液の示す弾性 液体でも分子が長いので弾性を示す ワイゼンベルグ効果高分子液体に回転によりずり変形を与えると ずり応力以外に 法線応力が発生し 回転軸に高分子の溶液が巻き付いてくる ( 法線応力効果 ) 高分子液体の弾性に起因 バラス効果高分子濃厚溶液や融液を細い孔から押し出すと 分子鎖が完全に緩和せず 弾性変形としてせん断エネルギーが一部蓄えられる 孔から出たとたんに緩和 紡糸 フィルム形成で重要 ( 孔の寸法と成型体の寸法 ) ワイゼンベルグ効果 バラス効果
5) 高分子に特徴的な性質ー粘弾性弾性率が温度 時間 周波数に依存 どの分子の中のどの大きさの部分が運動しているか 貯蔵弾性率 G= 数 GPa 結晶性高分子 ( ポリエチレン PET ナイロン ) 力学的損失正接 δ は応力と歪みの位相差 非晶性高分子 (PS,PMMA) G= 数 MPa
6) 高分子は固体の中でどのような構造をとっているか? (a) 非晶状態ーランダムコイル 透明な非晶性高分子 PMMA,PS (b) 折り畳み結晶 球晶 白く濁るポリエチレンポリプロピレンナイロンポリエステル ポリエステル繊維ナイロン繊維 S S S S S S 加硫ゴムシリコンゴムウレタンゴム (c ) 繊維構造配向した結晶組織 (d) ゴム
非晶性 ( ガラス状 ) 高分子 CH CH 2 CH CH 2 CH CH2 CH CH2 スチレンモノマー ( 室温で液体 ) ポリスチレン ( 室温で固体 ) 高分子鎖は固体中で絡み合っている 結晶化しないので均一である 非晶性 ( ガラス状 ) 高分子光の波長のオーダーで不均一性が無いので透明性が高い 食品用トレーなどへ利用 ポリカーボネート (PC) ポリメタクリル酸メチル (PMMA) ポリ塩化ビニル (PVC) もガラス状高分子
結晶性高分子固体の階層構造 ポリエチレンの結晶格子 ラメラ結晶 単結晶に対応するラメラ結晶が高分子の基本構造ラメラのねじれ 球晶 フィルム 低密度ポリエチレン (LDPE)( 結晶化度低 ) 高密度ポリエチレン (HDPE)( 結晶化度高 ) ポリプロピレン (PP) ナイロン ポリエチレンテレフタレート (PET)
分子の骨組みを硬くすると : アラミド繊維ポリ (p- フェニレンテレフタルアミド )Kevlar C C N N O O H H n 融点 560 高い強度と弾性率 剛直な分子構造 ( 欠点は溶媒に溶けにくい ) 硫酸溶液から膜や繊維を作る 応用防弾チョッキ タイヤベルトの強化材 航空機材料用複合材料の強化材
ゴム材料 1. ガラス転移温度が室温以下の材料 2. 分子がミクロブラウン運動 3. 弾性率がMPaオーダー 4. 大変形しても回復 架橋点 架橋系のゴム シリコンゴム 加硫ゴム ウレタンゴム 熱可塑性エラストマー セグメント化ポリウレタン セグメント化ポリエステル スチレン (PS) ーブタジエン (PBD)- スチレン (PS) トリブロック共重合体 ゴムと同様な性質可塑化ポリ塩化ビニル PBD PS ミクロ相分離により生じたガラス状態の PS 相が架橋点としての役割を果たす
溶媒を含んだ網目状高分子 ゲル網目状の高分子溶媒によって網目が膨らむ ( 膨潤 ) が溶媒には溶けない 天然のゲル合成高分子ゲル低分子ゲル ハイドロゲル ( 溶媒が水 ) オルガノゲル ( 溶媒が有機溶媒 ) ゲルの応用食品こんにゃく 煮こごり ナタ デ ココ日用品芳香剤 衛生用品 オムツ 化粧品
ポリマーアロイ 2 種類以上の高分子からなる材料 ポリマーブレンド ブロック グラフト共重合体 ポリスチレン ( 脆い ) ABS 樹脂 ( アクリロニトリルーブタジエンースチレン樹脂 ) ポリスチレンの中にゴムをミクロンオーダー以下で分散 衝撃強度の上昇 ゴム相 スチレン相 ABS 樹脂の透過電子顕微鏡写真 ( ゴム相が染色剤で黒く染まっている )
ブロック共重合体 AB ブロック共重合体 A A 成分の分率 ポリマー A とポリマー B は互いに溶解しないが 共有結合でつながっているために大きく相分離することは出来ない ミクロ相分離構造 成分の組成によって形態が変化 それぞれの相の大きさは分子の回転半径オーダー
ポリスチレンーポリイソプレンジブロック共重合体の透過電子顕微鏡写真 2 つの高分子は互いに溶けることが出来ない しかし大きく相分離しようとしても互いに連結されているので 数十 nm の大きさの相分離 ( ミクロ相分離構造 ) を形成する 黒い部分が染色されたイソプレン相ポリスチレンの中にゴムが分散すると耐衝撃性が向上する
セグメント化ポリウレタンマルチブロック共重合体 ハードセグメントが水素結合凝集してドメインを形成 ソフトセグメントは柔軟なゴム成分 10nm 高い耐疲労性 優れた血液適合性 人工血管 人工心臓用ポンプ
日本の主な高分子の生産量 樹脂 材料名 生産量 (2001) 千トン 価格 備考 熱硬化性樹脂 1,288 エポキシ 330 円 /kg 低密度ポリエチレン 1,852 高密度ポリエチレン 1,240 129 円 /kg ポリプロピレン 2,696 131 円 /kg ポリスチレン 1,053 塩化ビニル樹脂 2,195 熱可塑性樹脂全体 12,149 5 大汎用樹脂合計 9,035 生分解性樹脂 6 400-500 円 /kg PLA 40% 汎用エンプラ 843 PET 250 円 /kg 特殊エンプラ 33 PPS 23 合成ゴム 1,466 SBR 641 合成繊維 1,368 PET 628 特殊繊維パラ系アラミド化学経済 2002 年 7 月臨時増刊号
リサイクルマーク 1989 年 ( アメリカ SPI) 2 から 7 までを 容リ法 上 その他プラスチック製容器包装 に含めて表示 (2001) ー識別表示のそばに材質表示が望ましい
3. 医用高分子材料の目的と必要な性質 ( 生きている細胞と直接接触する材料 生体材料 バイオマテリアル ) 目的 1. 臨床検査 2. 診断 3. 治療 4. リハビリテーション 期間 1. 長期 ( 人工臓器 ) 2. 短期 ( 医療器具 ) 実用化されている高分子を用いた医用機器
高分子材料の特徴 長所 1. 軽量 2. 易加工性 3. 柔軟性 4. 安定性 5. 種々の弾性率の材料 短所 1. 低強度 金属とセラミクスの特徴は? 金属長所 : 高強度 高靱性短所 : 腐食 細胞毒性 セラミクス長所 : 高強度 耐腐食短所 : 低靱性 難加工性 医用高分子材料の例 番号 名称 使用されているおもなポリマー 1 メガネ CR-39, MR-6, PMMA コンタクトレンズ PMMA, ポリ (2-ヒドロキシエチルメタクリレート 眼内レンズ PMMA 2 人工歯 義歯 PMMA 虫歯充てん材 メタクリル酸誘導体ポリマー 3 人工食道 ポリエチレン / 天然ゴム 4 人工心臓 セグメント化ポリウレタン (SPU) 人工弁 パイロライトカーボン ペースメーカー ポリウレタン 人工肺 多孔質ポリプロピレン ( 体外循環 ) 5 人工乳房 ( シリコーン ) 6 人工肝臓 活性炭, 多孔性ポリマービーズ 7 人工腎臓 セルロース, 酢酸セルロース, ポリ ( エチレン-ビニルアルコール ), PMMA, ポリスルホン 8 外シャント ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 9 人工血管 ポリエチレンテレフタレート (PET) 延伸 PTFE 10 人工股関節 金属 / 超高分子量ポリエチレン ボーンセメント PMMA 11 人工指関節 シリコーン樹脂 12 人工膝関節 金属 / 超高分子量ポリエチレン 人工じん帯 ポリエステル, PTFE
医用材料に必要な性質 ( 広義の生体適合性 ) 1. 機能性 ( 物質分離 接合 固定 補填 ポンプ バルブなど ) 2. 生体安定性 ( 生体に潰瘍 発熱 溶血 壊死などを引き起こさない ) 3. 生体適合性 ( 抗血栓性 補体非活性 組織接着性など ) 4. 可滅菌性 ( 滅菌により分解しない ) 医用材料として必要な特性と機能の分類 製品構成上必要なマテリアル特性強度 ( 破断 曲げ 圧縮など ) 弾性可撓性硬度透明性耐熱性耐摩耗性耐放射線性耐薬品性無毒性非溶出性成形性接着性経時安定性 バイオマテリアルとしての機能血液適合機能 ( 溶血など ) 抗血栓機能生体組織適合機能生体内分解機能生体接着機能構造支持機能免疫機能薬理活性 生理活性機能固定 徐放機能ガス交換機能選択透過機能選択吸着機能情報検知機能情報伝達機能
4. 医用高分子材料の応用例 i) 人工心臓と補助人工心臓ポンプ 心臓が機能を回復あるいは心臓移植までのつなぎ ポンプ材料に必要な条件 1. 長期間の繰り返し変形に耐える 2. 生体内で高い安定性 3. 優れた血液適合性 弾性ポリウレタンが上記の 1-3 に優れている 拍動流ポンプ ( 空気駆動 ) 非拍動流ポンプ ( 遠心ポンプ )
ii) 人工血管目的血行再建 1. ポリエステル布製 ( ダクロンの編み物 織物 ) 2. 延伸テフロン 3. 生体組織由来 ( 臍帯静脈 牛頸動脈 ) 1,2 では患者自身の血液をもちいて目詰め操作を行った後 移植 吻合部より侵入した患者の細胞により覆われた後 内口腔に偽内膜が形成される 末梢動脈 冠動脈用の 4mm 以下の細い口径の人工血管の開発が課題ーポリウレタン 必要な性質 抗血栓性 生体内で安定 疲労強度が高い 生体血管との力学的マッチング 縫合のしやすさ
iii) 血液透析ー人工腎臓 生体腎の機能 1. 水 電解質の調節 2. タンパク質終末代謝産物の除去 3. 薬物の排泄 4. 血圧の調節 5. 赤血球数の調節 6. ビタミンDの活性化 慢性腎不全患者の治療 1. 腎移植 2. 血液透析 1996 年透析患者数 17 万人 血液透析 1-3 の機能を代行
透析 半透膜を介して溶液と溶媒を触れさせ 低分子の溶質を拡散により分離したり 溶液中の高分子量物質を精製する操作 血液透析器ー膜による有害物質と余分の水分の除去 幅広い分子量の有害物質の除去 水透過性 分離時の圧に耐える力学的な特性 抗血栓性 大面積 ( 数 m 2 ) で均一に薄い膜が必要 中空糸型 積層平板型 透析一回 4-5 時間週 3 回
膜材料 1. 再生セルロース 2. 酢酸セルロース 3. PMMAステレオコンプレックス 4. ポリアクリロニトリル 5. エチレンービニルアルコール共重合体 H CH 2 OCOCH 3 O H OCOCH 3 H H OH O H n クリアランス腎臓で 1 分間に浄化されるタンパク質代謝産物を含む血液量 クリアランスの向上により透析時間の短縮が可能 HD 血液透析 HF 血液濾過 HDF 血液透析濾過
人工腎臓と家庭用浄水器
5 生分解性高分子 自然環境下において微生物により分解 代謝される高分子材料 生分解性高分子 (biodegradable polymer) 生分解性プラスチック研究会 http://www.bpsweb.net/ 高分子物質の生分解 (biodegradation) の機構
ポリエステルセルロースポリグルタミン酸など 微生物 環境資源分子 ( 糖 有機酸 アミノ酸炭酸ガス ) 化学合成 ポリ乳酸アスパラギン酸など ポリカプロラクトンなどのポリエステル 化学合成 セルロースキチンゼラチンなど 動物 植物 再生可能な炭素資源の利用 化石資源 ( 石油 天然ガス )
生分解性の脂肪族ポリエステルーポリ乳酸 発酵 重合 乳酸 微生物により分解 水と二酸化炭素 ( 植物の光合成 )
脂肪族ポリエステルーポリ乳酸
現在の問題点 1. 価格 2. 耐衝撃性 植物由来プラスチックポリ乳酸 ポリ乳酸は使用期間中は安定な性質 廃棄物処理をすると分解する
ポリ乳酸関係の HP http://www.mitsui-chem.co.jp/info/lacea/intro.html http://www.cargilldow.com/corporate/s_home.asp
生分解性高分子と再生医療 肝臓や膵臓などのホルモンや生理活性物質を合成 分泌する臓器 人工臓器の開発は困難 生体内で適当な速度で分解する高分子を足場マトリクスとして細胞 ( 臓器 ) を再生させる