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防汚機能を有する 生体適合性複合高分子材料
九州大学
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
山形大学
大学院理工学研究科
バイオ化学工学専攻教授
田中
賢
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九州大学, 2012
研究背景
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。
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
血液適合性高分子表面
PMPCPEG修飾
Okano (1981) Nakabayashi (1992)Han (1989)
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九州大学, 2012
研究背景ポリ(アクリル酸2-メトキシエチル)(PMEA)
CH2 CH
C
O
O
CH2
n
O2 CH3
血清成分
PMEA
人工心肺コーティング剤血清成分の吸着抑制能
有機溶媒易溶性
非水溶性
透明性
粘着性
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九州大学, 2012
問題点
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。
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。
PMEA表面の構造・物性と血液適合性発現機構の関係は未解明。
PMEA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。
100 μm/div
PMEA膜
基板
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九州大学, 2012
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
CH2 C
C
O
O
CH3
n
CH3
PMMAPMEA
+CH2 CH
C
O
O
CH2
n
O2 CH3
熱処理
ブレンド膜
基板
PMEA表面
室温でガラス状態
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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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
0 20 40 60 80 100200
450
400
Bulk PMEA fraction / vol%
Tem
pera
ture
/ K
350
300
250 50 wt%
353 K相溶領域
(ゴム状態)
相分離領域
(PMEA/PMMA)ブレンドの相図
: 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)
相溶領域(ガラス状態)
PMEA/PMMA
基板
(PMEA/PMMA 50/50)ブレンド膜表面形態
100.0
0.0
Hei
ght /
nm
20 μm
自 乗 平 均 面 粗
さRMS2.6 nm
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
(原子間力顕微鏡(AFM)観察)
T. Hirata, H. Matsuno, M. Tanaka, and K. Tanaka, Phys. Chem. Chem. Phys., 13, 4928 (2011).
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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
Bulk PMEA fraction / wt%
100
20
40
60
80
01000 20 40 60 80
1. Before annealing2. After annealing
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Surf
ace
PMEA
fra
ctio
n / w
t%
分子量
表面張力
<γPMEA(36.7 mN·m-1)
γPMMA(42.2 mN·m-1)
Mn,PMEA(26k)
< Mn,PMMA(85k)
: PMEAannealing
(PMEA/PMMA)ブレンドの表面組成（熱処理温度＠曇点以上）
分析深さ 7 nm
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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
Depth / nm
PMEA
fra
ctio
n / w
t%
100
20
40
60
80
0100 2 4 6 8
2
1
PMEA表面分率の深さ依存性
(50/50)
(10/90)
(PMEA/PMMA)
(PMEA/PMMA)ブレンド膜（熱処理温度＠曇点以上）
形状像
PMEAリッチ相
オーバーレイヤー（非相溶）
位相像
20 μm
150
100
50
20 μm
0 4020 60 800
Distance / μm
断面プロファイル
PMEA/PMMA = 50/50
熱処理により、PMEAが表面濃縮した。
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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
Depth / nm
100
60
70
80
90
50100 2 4 6 8
φsPM
EA(z
) / %
1. 6 h2. 12 h
(PMEA/PMMA)ブレンド膜（熱処理温度＠Tg 以上曇点以下）
20 μm 20 μm
20
0 4020 60 800
10
Hei
ght /
nm
Distance / μm
形状像 位相像
断面プロファイル
熱処理時間
PMEA/PMMA = 50/50
熱処理条件の最適化により、平坦なPMEA表面が形成した。
PMEA濃縮層
（相溶）
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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
表面形態は水環境下においても安定であった。
PMEA/PMMA (50/50 wt/wt)水中浸漬1 h後 水中浸漬24 h後
1 μm 1 μm
4
0
3
2
1Hei
ght /
nm
0 32 4 5Distance / μm
1
4.0
0.0
Hei
ght /
nm
10.0
-10.0
Phas
e/ d
eg.
RMS = 0.33 ± 0.01 nm
1 μm
4
0
3
2
1Hei
ght /
nm
0 32 4 5Distance / μm
1
4.0
0.0
Hei
ght /
nm
10.0
-10.0
Phas
e/ d
eg.
1 μm 1 μm
RMS = 0.36 ± 0.01 nm
(PMEA/PMMA)ブレンド膜の水中安定性
10
九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術10
気泡接触 気泡が非接触
試料
シリンジ
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表面凝集構造の水中浸漬時間依存性
θ
water
air
sample
0 4 16Time / hour
8 12
θ/ d
eg.
48
46
45
43
44
47
54
52
51
49
50
0 4 16Time / hour
8 12
53
θ/ d
eg.
69
67
66
64
65
0 4 16Time / hour
8 12
68
θ/ d
eg.
PMMA PMMAPMEA
PMEA/PMMAPMEA/PMMA
(10/90)ブレンド膜
(50/50)ブレンド膜ホモポリマー膜
積層膜(ホモポリマー膜)
0 4 16Time / hour
8 12
θ/ d
eg.
40
38
37
35
36
39
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九州大学, 2012
新技術の基となる研究成果・技術
38.7 °52.5 °46.0 °68.0 °
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PMEAはPMMAより安定な水界面
を構築することが可能
水界面自由エネルギー(γ1-2 )
> γPMEA-water(1.1 mJ·m-2)
γPMMA-water(17.4 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
0 4 16Time / hour
8 12
θ/ d
eg.
48
46
45
43
44
47
54
52
51
49
50
0 4 16Time / hour
8 12
53
θ/ d
eg.
0 4 16Time / hour
8 12
θ/ d
eg.
40
38
37
35
36
39
69
67
66
64
65
0 4 16Time / hour
8 12
68
θ/ d
eg.
PMMA PMMAPMEA
PMEA/PMMAPMEA/PMMA
(10/90)ブレンド膜
(50/50)ブレンド膜ホモポリマー膜
積層膜(ホモポリマー膜)
PMMA blend(10/90)
PMEAblend(50/50)
35
30
25
20
15
10
5
0
Num
ber P
LT(c
ells
/ 10
4μ
m2 )
0 h8 h
16 h24 h
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九州大学, 2012
2. 血小板粘着1. プレ水中浸漬
water
sample
platelet
sample
浸漬時間: 0, 8, 16, 24 h
血小板粘着数
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。
新技術の基となる研究成果・技術
血小板粘着試験
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九州大学, 2012
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・・・
コーティング特性が低い
血液適合性の発現機構が不明
等の問題がある。
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九州大学, 2012
新技術の特徴・従来技術との比較
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。
PMEA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。
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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九州大学, 2012
想定される用途
防汚機能を有するコーティング剤
医用器具
（人工血管・人工心肺・透析膜 etc）
建築材
（医療施設、水道設備）
船底塗料
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九州大学, 2012
想定される業界
利用者・対象
医療器具メーカー
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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九州大学, 2012
実用化に向けた課題
PMMA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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九州大学, 2012
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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九州大学, 2012
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