ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体バイオマテリアル
ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を含む持続可能なバイオマテリアルを開発するための新規な方法が、考案される。本発明は、ＮＣＣ−ＰＬＡ超分子ナノ複合体材料を形成するための、ＮＣＣ粒子の存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの開環重合をベースにした方法を提案することに関する。この材料は、疎水性であり、且つ広範な範囲の合成及び天然ポリマーと相容性である。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、ＰＬＡに比較して、高い機能性（例えば気体の遮蔽）、レオロジー及び機械的性能、並びに寸法安定性（すなわち、より小さな吸湿膨張係数）を有する。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、完全に再生可能な資源から調製され、且つ潜在的に生体適合性であり、且つリサイクル可能である。ＮＣＣ−ＰＬＡ超分子ナノ複合体は、ほとんどの有機溶媒中に懸濁可能であり、或いは乾燥して固体物質を形成することができる。ＮＣＣ−ＰＬＡ超分子ナノ複合体を、通常のポリマー加工技術を使用して加工し、３次元構造体を開発することができ、或いは繊維、織り糸又はフィラメントに紡糸することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＮＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とからなるナノ複合体、並びにこのようなナノ複合体の製造方法に関する。該ナノ複合体は、疎水性であり、且つ広範な範囲の合成及び天然ポリマーと相容性のある、持続可能で熱的に安定なバイオマテリアルである。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、ＰＬＡに比較して高い機械的性能及び寸法安定性（すなわち、より小さい吸湿膨張係数）を有し、潜在的に生体適合性でリサイクル可能であり、完全に再生可能な資源から作られる。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を、多くの有機溶媒中に懸濁させることができ、或いは乾燥させて固形物質を形成することができる。この固形物質を、通常のポリマー加工技術を使用して加工し、３次元構造体を開発することができる。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀は、多くの事柄の中でも、プラスチックの世紀として特徴付けられている。現代社会をプラスチックなしで想像することは不可能である。製品は、哺乳瓶から包装材、航空機の構成部品までの範囲に及ぶ。ポリオレフィンが、ほとんどすべての市販プラスチックの開発の基礎であるが、リサイクル、健康及び環境への責任、例えばポリカーボネートプラスチック及びエポキシ樹脂の製造におけるビスフェノールＡ（ＢＰＡ）などの化学基本単位を使用する必要性に関する懸念による、それらの長期的使用についての問題が持ち上がっている。
【０００３】
それに応じて、再生可能な資源から作られるバイオプラスチック及びバイオマテリアルを開発するための真剣な努力がなされてきた。ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）は、木質系又は非木質系バイオマスから抽出される高結晶性セルロースである。ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）基本単位から構成される熱可塑性脂肪族ポリエステルである。ＰＬＡは、デンプン及び糖などの再生可能な植物源に由来し、医学、工学、並びに食物及び飲料の包装材において潜在的応用分野を有する。ＰＬＡの分解は、酵素処理を必要としない、エステル結合の加水分解によって達成することができる。しかし、ＰＬＡは、ポリオレフィンと比較して、とりわけ加工中にその使用を大きく制約するいくつかの制約がある。ＰＬＡは、本質的に吸湿性であり、且つ低い熱抵抗性を所持する。ナノスケールでの強化を利用して、ポリマーのレオロジー、機械及び物理的特性を増強し、それによってそれらの加工性、機能性及び最終使用性能を改善することができる。ＮＣＣは、その大きな比表面積、高い強度、高い表面反応性のため、高性能補強材として機能することができる。このことを達成するためには、２つの決定的に重要な条件：（ｉ）ポリマーマトリックス内でのＮＣＣの優れた分散、及び（ｉｉ）種々の環境中での優れた界面力学をもたらすための２つの間の相容性が要求される。
【０００４】
諸研究は、ＮＣＣを使用して、マトリックスのガラス転移温度以上で、一部のナノ複合体の貯蔵弾性率を大きく増大させることができることを示している［１〜３］。ＮＣＣをＰＬＡと配合することによって、完全に再生可能な資源から作られ、満足できる特性を備えたバイオマテリアルを作ることが可能である。しかし、ＮＣＣは親水性でありＰＬＡは疎水性であるので、相容性が決定的に重要で困難な問題になる。公表された結果は、ＰＬＡと未改変又は単に物理的に改変されたＮＣＣとを、界面活性剤又はポリマー相容化剤を使用して直接的に配合することによってＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を調製することは実用的に不可能であることを指摘している［４〜８］。より最近の研究は、ＰＬＡマトリックス中でのＮＣＣの分散を、ＮＣＣをポリカプロラクトン（ＰＣＬ）でグラフトすることによって改善できることを立証した。しかし、ナノ粒子の凝集が、このような系でやはり観察され、生じるナノ複合体の機械的特性の改善が制約された。
【０００５】
本発明の開示
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を提供することを探求する。
【０００６】
本発明は、また、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を製造する方法を提供することを探究する。
【０００７】
さらに本発明は、高分子量ＰＬＡと配合又はブレンドされた、本発明のナノ複合体を含む組成物を提供することを探索する。
【０００８】
本発明の一側面では、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体であって、前記ＰＬＡが、前記ＮＣＣ上にグラフトされている前記ナノ複合体が提供される。
【０００９】
本発明の別の側面では、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体の製造方法であって、非水性媒質中、ＮＣＣ粒子の存在下でのＬ−ラクチドの開環重合を含む前記製造方法が提供される。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、ＰＬＡ、ポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）から選択されるポリマー、例えば高分子量ＰＬＡと配合又はブレンドされた、本発明のナノ複合体を含む組成物が提供される。
【００１１】
後者の配合又はブレンドは、例えば、共押出し、射出成型、又はその他のポリマー加工技術の方法によって実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｌ−ラクチドのＮＣＣとのインサイチュでのグラフト共重合のための手順に関するフローチャートを示す図である。
【図２】ＮＣＣ、ＰＬＡ、及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の固体１３Ｃ核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルを示す図である。ナノ複合体サンプルのピークは、ＮＣＣ及びＰＬＡの個々のピークに符合し、ＮＣＣの存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの開環重合を利用する合成が成功していることを示す。
【図３】ＰＬＡ及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの示差走査熱量法での応答をプロットした図である。ナノ複合体フィルムは、ＰＬＡに比較して相当に改善された結晶化を示し、高められた構造の完全性、熱及び寸法安定性を示している。実際、ＮＣＣは、ＰＬＡの加工及び変換に伴う問題を克服するのを助けることができる。（Ｔｇ＝ガラス転移温度；Ｔｃ＝結晶化温度；Ｔｍ＝融点）。
【図４】種々の重量比の相容化ＮＣＣを用いたフィルムキャストと比較して、ＰＬＡのキャストフィルムの動的機械的応答を示す貯蔵弾性率を温度に対してプロットした図である。ＮＣＣ装填量を増加すると、最終製品の軟化が改善され、より高い結晶化度を示す。本発明により調製される相容化ＮＣＣ、又はＮＣＣ−ＰＬＡ超分子材料を、フィルムキャスティングによって市販グレードのＰＬＡとブレンドした。
【図５】図４に示したものとは異なる方法で調製されたＰＬＡ及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの動的機械的応答を示す貯蔵弾性率を温度に対してプロットした図である。これらのサンプルは、共押出しで配合し、次いで圧縮成型してフィルムを形成した。急速冷却が、この方法の特徴であり、ＰＬＡは完全に非晶性である。ＮＣＣ装量の増加は、最終製品の結晶化度を改善し、それゆえ機械的応答を改善する能力を証明する。
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を含む持続可能で熱安定性のあるバイオマテリアルを開発するための新たな方法に関する。この新規な方法は、ＮＣＣ粒子のＬ−ラクチドとのインサイチュでの開環重合を使用して、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を形成する。生じる材料は、疎水性であり、且つ広範な範囲の合成及び天然ポリマーと相容性がある。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、ＰＬＡに比較して、高い機械的性能及び寸法安定性（すなわち、より小さ吸湿膨張係数）を有する。それらは、潜在的に生体適合性であり、リサイクル可能であり、完全に再生可能な資源から作られる。それらを、ほとんどの有機溶媒中に懸濁させることができ、或いは乾燥させて、通常的なポリマー加工技術を使用して加工して３次元構造体を開発することのできる固体物質を形成することができる。
【００１４】
ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）は、典型的には化学木材パルプの酸加水分解によってコロイド状懸濁液として抽出すことができるが、細菌、セルロース含有海洋動物（例えば、被嚢類）又はワタなどのその他のセルロース系材料も使用することができる。ＮＣＣは、β（１→４）で連結されたＤ−グルコース単位の線状ポリマーであるセルロースから構成され、その鎖は、それら自身を配列して、結晶性及び非晶性領域を形成する。
【００１５】
加水分解による抽出を介して得られるＮＣＣは、９０≦ＤＰ≦１１０の範囲の重合度（ＤＰ）、及び１００個の無水グルコース単位につき３．７〜６．７個のサルフェート基を有する。ＮＣＣは、抽出で使用される原料に応じて、その物理的寸法が、断面が５〜１０ｎｍの、長さが２０〜１００ｎｍの範囲に及ぶクリスタリットを含む。これらの帯電したクリスタリットは、水、又は適切に誘導体化されているならその他の溶媒中に懸濁され、或いは自己会合して、空気、噴霧又は凍結乾燥により固体材料を形成することができる。乾燥されると、ＮＣＣは、ナノメートル範囲（５〜２０ｎｍ）の断面を所持するが、それらの長さは、より大きな桁（１００〜１０００ｎｍ）であり、高いアスペクト比をもたらす、平行六面体のロッド様構造の凝集体を形成する。ＮＣＣは、また、セルロース鎖の理論限界にほぼ近い高い結晶化度（＞８０％、多くは８５〜９７％）によって特徴付けられる。セルロース鎖間の水素結合は、ＮＣＣ中の局所構造を安定化させ、結晶性領域の形成で鍵となる役割を演じる。サンプルの結晶性分率として定義される結晶化度は、ＮＣＣの物理的及び化学的挙動に強力な影響を及ぼす。例えば、ＮＣＣの結晶化度は、化学的誘導体化への接近可能性、膨潤、及び水結合特性に直接的に影響を及ぼす。
【００１６】
本発明のナノ複合体は、疎水性であり、ＮＣＣの不在下でのＬ−ラクチドの開環重合によって形成されるＰＬＡと比較して、改善された成型特性、熱−機械的特性、及び気体遮蔽特性を有する。
【００１７】
該方法において、ＮＣＣ上へのＰＬＡのグラフトを形成するインサイチュでの重合は、ＮＣＣ上のヒドロキシル基によって開始されるか、或いはＮＣＣ上のヒドロキシル基によって部分的に、及び重合のためのヒドロキシルの供給源を提供する開始剤、例えば、アルコールによって部分的に開始され、重合系のための適切なアルコールとしては、ベンジルアルコール及び１−ドデカノールが挙げられる。
【００１８】
ナノ複合体中のＮＣＣは、グラフト化前の元々のＮＣＣの結晶特性を維持している。しかし、ＰＬＡの結晶特性は、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料（すなわち、ＮＣＣ上にグラフトされたＰＬＡ）と配合又はブレンドされると、ＮＣＣによって改質され、ＰＬＡナノ複合体は、ＮＣＣの不在下でのＬ−ラクチドの開環重合によって形成されるＰＬＡ（すなわち、親ＰＬＡ）に比べてより高い結晶化度を獲得する。グラフトされたＰＬＡ、及び続いて配合又はブレンドされた材料のＰＬＡの結晶状態は、親ＰＬＡのそれに比べてより安定である。
【００１９】
開環したラクトンは、カルボン酸及びヒドロキシル基を有し、ポリマー鎖の形成では、１つの開環単位のヒドロキシルが、別の開環単位のカルボン酸とエステル連結を形成し、ＮＣＣを用いて、ポリマー鎖の末端カルボン酸基とＮＣＣのヒドロキシルとの間で、化学的連結又は結合が形成され、それによってエステル連結を形成する。したがって、それぞれ個々のポリマー鎖とＮＣＣとの間でただ１つの連結が形成される。換言すれば、グラグトされたＰＬＡ鎖の末端が、重合工程中に形成されるただ１つのエステル連結を介してＮＣＣに結合される。ＮＣＣ上のヒドロキシル基は、原理的には、ラクチドの重合開始剤として作用することができる。
【００２０】
ナノ複合体は、各ＮＣＣナノ結晶に連結された、いくつかの又は多数のポリマー鎖を有する。すなわち、各ＮＣＣ結晶は、それから放射状に広がるいくつかのポリマー又は多数の鎖を備えた中心結晶を含む構造を形成する。この方式で改変されたＮＣＣは、ＰＬＡに対して良好な溶媒であるクロロホルム中で分散性になる。
【００２１】
インサイチュでの重合反応中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーのモノマー転化率及び分子量は、反応条件、特に、使用されるモノマーの添加量、及び反応媒質中でのＮＣＣ濃度に依存する。一般に、グラフトされた及び遊離のＰＬＡの全質量の、使用したＬ−ラクチドモノマーの全質量に対する比率として定義されるモノマーの転化度、並びに生じるＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料の分子量は、モノマー添加量及びＮＣＣ濃度の増大と共に、非線形的に増大する。
【００２２】
例えば、モノマー：ＮＣＣの質量比が、３０：１で一定に保持される、すなわち、Ｌ−ラクチドモノマーの質量がＮＣＣの質量の３０倍であるが、溶媒（例えば、ＤＭＳＯ）中のＮＣＣ濃度を１．５ｇ／１００ｍＬから２．５ｇ／１００ｍＬに増加させ、同時にすべてのその他の条件を同一に維持すると、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料のモノマー転化率、数平均分子量（Ｍｎ）、及び重量平均分子量（Ｍｗ）は、それぞれ、１２．７％、１５６１、及び１９８９から４４．８％、５５３２、及び１９８０３に増加する。
【００２３】
開環重合は、とりわけ、無水条件下で実施される。非水性反応媒質中のＮＣＣ濃度は、典型的には、１〜１０ｇ／１００ｍＬ、好ましくは１．５〜５ｇ／１００ｍＬの範囲、Ｌ−ラクチドの濃度は、出発ＮＣＣの質量の５〜５０倍、好ましくは１５〜３０倍の範囲に及ぶことができる。
【００２４】
典型的には、ナノ複合体は、遊離ホモポリマー及び未反応化学物質を除去するための徹底的な洗浄の後に、一般には３０％から９０％を超える範囲に及ぶ、より一般的には約８５％の、グラフトされたＰＬＡの質量のＮＣＣの質量に対する比率として定義されるＰＬＡグラフト率を有する。換言すれば、生じるナノ複合体中のＰＬＡの質量は、出発ＮＣＣの質量×８５％である。
【００２５】
とりわけ、重合は、有機溶媒、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中で実施される。さらに、インサイチュでの重合のための媒質は、限定はされないが、アルコール（例えば、エタノール）、アミド（例えば、ジメチルホルムアミド）、アミン（例えば、ピリジン）、エステル（例えば、酢酸エチル）、エーテル（例えば、１，４−ジオキサン）、グリコールエーテル（例えば、２−ブトキシエタノール）、ハロゲン化溶媒（例えば、クロロホルム）、炭化水素溶媒（例えば、トルエン）、及びケトン（例えば、アセトン）でよい。
【００２６】
ＮＣＣの存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの重合は、種々の鎖長のＰＬＡの形成につながる。このＰＬＡの一部、すなわち前に示したように一般には３０〜９０％、典型的には８５％が、ＮＣＣ上にグラフトされる。残りは、遊離ＰＬＡホモポリマー及び未反応モノマーである。精製などにより、未反応ＰＬＡモノマーさらには遊離ＰＬＡホモポリマーを除去することができる。
【００２７】
したがって、重合の後には、非水性媒質からナノ複合体を回収するステップが続く。とりわけ、この回収ステップは、非水性媒質からナノ複合体を沈殿させること、及び生じた沈殿物を透析及び／又は遠心分離によって精製することを含むことができる。反応中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーの質量は、典型的には、出発ＮＣＣの質量の２〜１５倍の範囲に及ぶ。これは、重合反応の条件に強く依存する。しかし、後に続くナノ複合体の加工におけるナノ複合体の良好な分散を促進するのを援助するために、且つ良好な界面を（すなわち、良好な相容性）確保するために、若干の遊離ＰＬＡホモポリマーを保持することが有利であることが見出されている。この段階で、どれほどの遊離ＰＬＡが必要であるかを定量することはできない。こうして生じる遊離ホモポリマーは、（ｉ）任意の加工された製品中での複合体の均一分散、及び（ｉｉ）後に続くポリマー加工中に使用される樹脂、典型的には、必ずしも限定はされないがＰＬＡとの良好な界面、を確保するのに好都合であることが見出されている。
【００２８】
開環重合は、高い温度、典型的には約１００℃〜約１５０℃、とりわけ約１３０℃で、一般には１〜２０時間、とりわけ約１５〜２０時間で実施される。
【００２９】
好都合には、開環重合は、触媒、典型的には金属カルボキシレート触媒の存在下で実施され、その他の触媒としては、金属酸化物及び金属アルコキシド、例えば、錫、亜鉛及びアルミニウムのカルボキシレート、酸化物、及びアルコキシドが挙げられる。
【００３０】
このようにして製造されたＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、適切な溶媒中に分散できるか、或いは乾燥することのできる疎水性超分子材料である。例えば、それは、薬物の送達及び放出のための賦形剤として使用するために、そのままで又はさらに誘導体化して使用できる可能性がある。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、さらに、包装材及びその他の工業的応用のためのフィルム製品及び／又は３次元成型の可能な製品を製造するために、通常のポリマー加工技術、例えば、共押出し、吹込み、射出又は圧縮成型を使用して、ＰＬＡ、及び／又はポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）、若しくはポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）のようなその他のバイオポリマーとブレンドされた組合せ中で使用することができる。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を、さらにまた、織物及び工学的応用のための、エマルジョン及び溶融又は電気紡糸された繊維及び／又は織り糸にすることができる。
【００３１】
本発明のナノ複合体は、したがって、広範な種類の工業的及び医療的応用、例えば、限定はされないが、包装材、自動車、構造体、薬物の放出及び送達、再生医療、医療及び／又は工業的応用のための新規システムを開発するための足場で使用するための潜在能力を有する。
【００３２】
本発明のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、適切な溶媒中に懸濁させることができるか、或いは乾燥させ、そのまま又はさらに誘導体化して薬物の送達及び放出のための賦形剤として潜在的に使用することのできる超分子材料である。
【００３３】
本発明のナノ複合体を、ＰＬＡなどのポリマー及び／又はポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＡ）又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＢ）のようなその他のバイオポリマーと、例えば、通常のポリマー加工技術、例えば、共押出し、吹込み、射出又は圧縮成型を使用して配合又はブレンドして含む本発明の組成物は、包装材及びその他の工業的応用のためのフィルム製品及び／又は３次元成型の可能な製品を作り出すことができる。
【００３４】
後者の組成物を、さらには、織物及び工学的応用のために、エマルジョン及び溶融又は電気紡糸された繊維及び／又は織り糸にすることができる。
【００３５】
本発明によるＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の調製は、図１で手順的に説明される。主要なステップは、適切な有機媒質中でのナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）の存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの開環重合である。典型的な事例であるが、ＮＣＣが水中に懸濁されているなら、開環重合に先立って、分散媒質の交換を行うことが必須である。重合の後に、例えば、水に対する透析、並びにメタノール及び所望ならアセトンでの洗浄を利用して生成物を精製することが必須である。メタノールを使用して、未反応モノマー及び触媒を除去し、アセトンを使用して、系中の遊離ＰＬＡホモポリマー、すなわちＮＣＣ上にグラフトされていないＰＬＡを溶解する。以下が、重合工程の詳細な説明である。
【００３６】
１．典型的には、ＮＣＣは、可変濃度、例えば、４．３９％ｗ／ｗの水中ナノ粒子懸濁液として本発明の目的のために製造され、ＮＣＣ懸濁液は、ＮａＯＨ溶液を用いて中性ｐＨに滴定される。水から適切な有機溶媒、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ、典型的には≧９９．６％）への懸濁媒質の交換は、所望量のＤＭＳＯ（例えば、１１０ｍＬ）を所要質量のＮＣＣ（例えば、水懸濁液中の３０ｇのＮＣＣ）中に徐々に注ぎ、撹拌することによって実施される。次いで、混合物を妥当な期間、例えば、５分間さらに撹拌して、水とＤＭＳＯとの完全混合を可能にする。系中の水を、ロータリーエバポレーター（例えば、ＢＵＣＨＩ、Ｒｏｔａｖａｐｏｒ Ｒ−２００）による２ステップでの蒸留によって除去する。最初のステップでは、蒸留温度を８３℃であるように選択し、真空を７２０トルに設定する。最初のステップの終末に向けて、捕集器中の凝縮液体の体積を一定に維持する。次のステップでは、真空を７４０トルに高めて約２０ｍＬのＤＭＳＯを留出させる。
２．前記の分散媒質の交換のステップは、凍結乾燥又は噴霧乾燥された分散性ＮＣＣ（中性ｐＨ）をＤＭＳＯに直接的に溶解することによって代替することができる。溶解工程は、超音波処理を利用して促進することができる。次いで、ＤＭＳＯが水分を吸収するのを防止するために容器を密閉し、内容物を好ましくは一夜、又は必要ならさらに長く撹拌する。
３．密閉されたフラスコ中のＮＣＣ／ＤＭＳＯ懸濁液中に、次のもの、（ｉ）適切な質量、例えば３９．５ｇのＬ−ラクチド（典型的には、純度≧９８％）、（ｉｉ）０．４ｇの適切な触媒、例えば、錫（ＩＩ）エチルヘキサノエート（Ｓｎ（ｏｃｔ）２、約９５％）、及び（ｉｉｉ）とりわけ高いラクチド添加量でＮＣＣの分散を改善するのに有用である０．２ｇのベンジルアルコール（無水、９９．８％）を添加する。妥当な期間、例えば、５分間撹拌した後、懸濁液を、プローブ型超音波発生器（例えば、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｏｎｉｃ Ｄｉｓｍｅｍｂｒａｔｏｒ、Ｍｏｄｅｌ３００）を使用して２分間超音波処理する。系中の痕跡量の残留水は、懸濁液を、前もって３２０℃で少なくとも３時間活性化した６０ｇのモレキュラーシーブ（３Å、８〜１２メッシュ）を充填した２５０ｍＬの分液ロートを通して最終的に除去される。乾燥されたＮＣＣ／ＤＭＳＯの懸濁液を、次いで、機械式撹拌機を具備しオーブン中で乾燥された５００ｍＬ３つ口フラスコ中にロートから直接的に滴下する。ＤＭＳＯが水分を吸収するのを防ぐために、分液ロート及びフラスコの双方を重合工程の間中、窒素雰囲気中に保持する。
４．開環重合は、密閉されたフラスコを１３０℃の湯浴中に１７時間浸漬することによって実施される。反応中、懸濁液は、磁気又は機械式撹拌機を使用して２００〜５００ｒｐｍで撹拌される。反応後、生じる生成物は、明褐色の澄明懸濁液である。
５．急速撹拌しながら生成物を水中に３：１（水／生成物）の比率で徐々に注ぐことによって、ＤＭＳＯからＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を沈殿させる。続いて、生成物を、例えば透析チューブ（示唆されたカットオフ分子量、ＭＷＣＯ＝１２，０００〜１４，０００）中で流動水に対して少なくとも４時間透析する、及び／又は適切な遠心分離装置（例えば、ＩＥＣ Ｃｅｎｔｒａ（登録商標）ＭＰ４、Ｒｏｔｏｒ２２４）を使用して、白色沈殿物を４，４００ｒｐｍで妥当な時間遠心分離する、精製が後に続く。デカンテーションの後、生成物を、メタノール（≧９９．８％）中に振盪により再分散させ、再び遠心分離する。この遠心分離−デカンテーションのサイクルを、妥当な反復回数、例えば３回繰り返し、不純物を洗い流す、最後に、洗浄された生成物を、真空下で妥当な期間、例えば一夜乾燥する。
６．元のＮＣＣとＮＣＣ−ＰＬＡ超分子ナノ複合体材料とのクロロホルム懸濁液の視覚による比較は、適切な有機溶媒中での後者の完全な分散性を示し、さらにＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の疎水性を示している。
【００３７】
（例１）
本発明に記載のインサイチュでの重合法を利用して調製されたＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料は、６０．２±０．９ｎｍ（Ｚｅｔａｓｉｚｅｒで測定した場合）に等しい等価球の典型的な流体力学的直径（ＤＭＳＯ中に分散させて）を有する粒子をもたらす。該ナノ複合体材料は、典型的な有機溶媒中に完全に分散し、優れた疎水性を示す。グラフトされたポリマーのＮＣＣ対する質量比は、典型的には８０％超である。固体１３Ｃ核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、図２に記載のように、合成の成功を確証している。
【００３８】
（例２）
ポリマー又はポリマー複合体の物理的、機械的、及び遮蔽特性は、材料の固体形態及び結晶化度に依存し、これらの複合体材料の加工は、これらの特性に相当の影響を与えることがある。本発明中に記載のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を、ポリマー加工技術（例えば、フィルムキャスティング、押出し／吹込み成型、射出又は圧縮成型、繊維紡糸など）を使用して加工し、フィルム、繊維、フィラメント、及び一般にはいかなる３次元物体も製造することができる。図３は、５．３％ｗ／ｗのＮＣＣを含むＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの示差走査熱量法の応答を示す。これらのナノ複合体フィルムは、未処理のＰＬＡフィルムに比較して、相当に改善された構造的及び熱的安定性、並びにより低い吸湿膨張率を示す。この独特の挙動は、ＮＣＣがＮＣＣの構造を非摂動状態で維持しながら、非晶性ＰＬＡ中で制御可能な結晶化を開始する能力に由来する。小さく不完全なＰＬＡ結晶は、続いて、溶融及び再結晶を介してより安定な結晶に変化する（図３のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体に関する２つの溶融ピークによって示されるように）。このことは、図４で提供される動的機械的分析データによってさらに証明され、それによって、本発明により調製されたＮＣＣ−ＰＬＡ超分子材料すなわち相容化されたＮＣＣが、ＮＣＣ装填量を増加するにつれてＰＬＡの軟化挙動を改善するようにどれほど機能するかが示される。例えば貯蔵弾性率によって測定した場合、５０℃で、未処理ＰＬＡの４１ＭＰａから５％ｗ／ｗのＮＣＣ装填量での４８０ＭＰａまでの機械的応答の大きな桁の増加が存在する。材料の加工を、結晶化度をより大きな大きさに増大させることを可能にする徐冷却（図４）から急速冷却（図５）に変更すると、たとえより遅い速度でも、この場合のＰＬＡは完全に非晶性であるので、ＮＣＣは、生じる複合体生成物の結晶化度を改善するようにいっそう機能する。改善の大きさの相違は、主として、異なる加工技術による。図４及び図５の双方の例は、やはり、ＮＣＣが、使用される加工技術とは関係なく、最終生成物の結晶化度を増強することにおいて役割を演じることを明瞭に示している。
【００３９】
増加した結晶化度は、熱安定性が重要である成型品にとって望ましい。さらに、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、加工及び機能性に対して肯定的影響を有する特徴的な粘弾性挙動を示す。これらの能力は、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を含有する得られる物体の改善された加工性、改造、及び機械的性能につながる。
【００４０】
本発明のナノ複合体は、高分子量ＰＬＡポリマー、例えば、２０，０００〜１，０００，０００のＭＷを有するＰＬＡポリマーと、共押出し、キャスティング又はその他の通常的なブレンド又は配合技術によって、ブレンド又は配合することができ、ナノ複合体の存在は、相当に強化されたＰＬＡをもたらす。
【００４１】
グラフトされたＰＬＡの分子量は、この個々の事例において２つの間接的方法で測定した。（１）ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を調製するための正確な方法を、ＮＣＣを含めないで使用してラクチドをＰＬＡに重合するための対照実験を実施した。得られたポリマーを、ＧＰＣを使用して分析した。（２）第２の方法には、ＮＣＣ−ＰＬＡ調製工程からの遊離ＰＬＡホモポリマーを集めること、次いで１Ｈ ＮＭＲを使用して該ホモポリマーを特性決定することを含めた。分子量は、末端基の骨格中の反復単位に対する比率により計算した。具体例における数平均分子量（Ｍｎ）は、重合反応の条件に応じて８９０〜６０００の範囲に存在し、グラフトされたＰＬＡが、典型的には、短い鎖長を有することを示している。反応条件のバランスと取ることによって、より長いＰＬＡ鎖を成長させることを可能にし、かくしてＮＣＣ上に高分子量のグラフトされたＰＬＡを生じさせることが理論的に可能である。
【００４２】
参考文献
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＮＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とからなるナノ複合体、並びにこのようなナノ複合体の製造方法に関する。該ナノ複合体は、疎水性であり、且つ広範な範囲の合成及び天然ポリマーと相容性のある、持続可能で熱的に安定なバイオマテリアルである。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、ＰＬＡに比較して高い機械的性能及び寸法安定性（すなわち、より小さい吸湿膨張係数）を有し、潜在的に生体適合性でリサイクル可能であり、完全に再生可能な資源から作られる。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を、多くの有機溶媒中に懸濁させることができ、或いは乾燥させて固形物質を形成することができる。この固形物質を、通常のポリマー加工技術を使用して加工し、３次元構造体を開発することができる。
【背景技術】
【０００２】
２０世紀は、多くの事柄の中でも、プラスチックの世紀として特徴付けられている。現代社会をプラスチックなしで想像することは不可能である。製品は、哺乳瓶から包装材、航空機の構成部品までの範囲に及ぶ。ポリオレフィンが、ほとんどすべての市販プラスチックの開発の基礎であるが、リサイクル、健康及び環境への責任、例えばポリカーボネートプラスチック及びエポキシ樹脂の製造におけるビスフェノールＡ（ＢＰＡ）などの化学基本単位を使用する必要性に関する懸念による、それらの長期的使用についての問題が持ち上がっている。
【０００３】
それに応じて、再生可能な資源から作られるバイオプラスチック及びバイオマテリアルを開発するための真剣な努力がなされてきた。ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）は、木質系又は非木質系バイオマスから抽出される高結晶性セルロースである。ポリ乳酸（ＰＬＡ）は、乳酸（２−ヒドロキシプロピオン酸）基本単位から構成される熱可塑性脂肪族ポリエステルである。ＰＬＡは、デンプン及び糖などの再生可能な植物源に由来し、医学、工学、並びに食物及び飲料の包装材において潜在的応用分野を有する。ＰＬＡの分解は、酵素処理を必要としない、エステル結合の加水分解によって達成することができる。しかし、ＰＬＡは、ポリオレフィンと比較して、とりわけ加工中にその使用を大きく制約するいくつかの制約がある。ＰＬＡは、本質的に吸湿性であり、且つ低い熱抵抗性を所持する。ナノスケールでの強化を利用して、ポリマーのレオロジー、機械及び物理的特性を増強し、それによってそれらの加工性、機能性及び最終使用性能を改善することができる。ＮＣＣは、その大きな比表面積、高い強度、高い表面反応性のため、高性能補強材として機能することができる。このことを達成するためには、２つの決定的に重要な条件：（ｉ）ポリマーマトリックス内でのＮＣＣの優れた分散、及び（ｉｉ）種々の環境中での優れた界面力学をもたらすための２つの間の相容性が要求される。
【０００４】
諸研究は、ＮＣＣを使用して、マトリックスのガラス転移温度以上で、一部のナノ複合体の貯蔵弾性率を大きく増大させることができることを示している［１〜３］。ＮＣＣをＰＬＡと配合することによって、完全に再生可能な資源から作られ、満足できる特性を備えたバイオマテリアルを作ることが可能である。しかし、ＮＣＣは親水性でありＰＬＡは疎水性であるので、相容性が決定的に重要で困難な問題になる。公表された結果は、ＰＬＡと未改変又は単に物理的に改変されたＮＣＣとを、界面活性剤又はポリマー相容化剤を使用して直接的に配合することによってＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を調製することは実用的に不可能であることを指摘している［４〜８］。より最近の研究は、ＰＬＡマトリックス中でのＮＣＣの分散を、ＮＣＣをポリカプロラクトン（ＰＣＬ）でグラフトすることによって改善できることを立証した。しかし、ナノ粒子の凝集が、このような系でやはり観察され、生じるナノ複合体の機械的特性の改善が制約された。
【０００５】
本発明の開示
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を提供することを探求する。
【０００６】
本発明は、また、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を製造する方法を提供することを探究する。
【０００７】
さらに本発明は、高分子量ＰＬＡと配合又はブレンドされた、本発明のナノ複合体を含む組成物を提供することを探索する。
【０００８】
本発明の一側面では、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体であって、前記ＰＬＡが、前記ＮＣＣ上にグラフトされている前記ナノ複合体が提供される。
【０００９】
本発明の別の側面では、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体の製造方法であって、非水性媒質中、ＮＣＣ粒子の存在下でのＬ−ラクチドの開環重合を含む前記製造方法が提供される。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、ＰＬＡ、ポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）から選択されるポリマー、例えば高分子量ＰＬＡと配合又はブレンドされた、本発明のナノ複合体を含む組成物が提供される。
【００１１】
後者の配合又はブレンドは、例えば、共押出し、射出成型、又はその他のポリマー加工技術の方法によって実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】Ｌ−ラクチドのＮＣＣとのインサイチュでのグラフト共重合のための手順に関するフローチャートを示す図である。
【図２】ＮＣＣ、ＰＬＡ、及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の固体１３Ｃ核磁気共鳴（ＮＭＲ）スペクトルを示す図である。ナノ複合体サンプルのピークは、ＮＣＣ及びＰＬＡの個々のピークに符合し、ＮＣＣの存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの開環重合を利用する合成が成功していることを示す。
【図３】ＰＬＡ及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの示差走査熱量法での応答をプロットした図である。ナノ複合体フィルムは、ＰＬＡに比較して相当に改善された結晶化を示し、高められた構造の完全性、熱及び寸法安定性を示している。実際、ＮＣＣは、ＰＬＡの加工及び変換に伴う問題を克服するのを助けることができる。（Ｔｇ＝ガラス転移温度；Ｔｃ＝結晶化温度；Ｔｍ＝融点）。
【図４】種々の重量比の相容化ＮＣＣを用いたフィルムキャストと比較して、ＰＬＡのキャストフィルムの動的機械的応答を示す貯蔵弾性率を温度に対してプロットした図である。ＮＣＣ装填量を増加すると、最終製品の軟化が改善され、より高い結晶化度を示す。本発明により調製される相容化ＮＣＣ、又はＮＣＣ−ＰＬＡ超分子材料を、フィルムキャスティングによって市販グレードのＰＬＡとブレンドした。
【図５】図４に示したものとは異なる方法で調製されたＰＬＡ及びＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの動的機械的応答を示す貯蔵弾性率を温度に対してプロットした図である。これらのサンプルは、共押出しで配合し、次いで圧縮成型してフィルムを形成した。急速冷却が、この方法の特徴であり、ＰＬＡは完全に非晶性である。ＮＣＣ装量の増加は、最終製品の結晶化度を改善し、それゆえ機械的応答を改善する能力を証明する。
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明は、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体を含む持続可能で熱安定性のあるバイオマテリアルを開発するための新たな方法に関する。この新規な方法は、ＮＣＣ粒子のＬ−ラクチドとのインサイチュでの開環重合を使用して、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を形成する。生じる材料は、疎水性であり、且つ広範な範囲の合成及び天然ポリマーと相容性がある。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、ＰＬＡに比較して、高い機械的性能及び寸法安定性（すなわち、より小さ吸湿膨張係数）を有する。それらは、潜在的に生体適合性であり、リサイクル可能であり、完全に再生可能な資源から作られる。それらを、ほとんどの有機溶媒中に懸濁させることができ、或いは乾燥させて、通常的なポリマー加工技術を使用して加工して３次元構造体を開発することのできる固体物質を形成することができる。
【００１４】
ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）は、典型的には化学木材パルプの酸加水分解によってコロイド状懸濁液として抽出すことができるが、細菌、セルロース含有海洋動物（例えば、被嚢類）又はワタなどのその他のセルロース系材料も使用することができる。ＮＣＣは、β（１→４）で連結されたＤ−グルコース単位の線状ポリマーであるセルロースから構成され、その鎖は、それら自身を配列して、結晶性及び非晶性領域を形成する。
【００１５】
加水分解による抽出を介して得られるＮＣＣは、９０≦ＤＰ≦１１０の範囲の重合度（ＤＰ）、及び１００個の無水グルコース単位につき３．７〜６．７個のサルフェート基を有する。ＮＣＣは、抽出で使用される原料に応じて、その物理的寸法が、断面が５〜１０ｎｍの、長さが２０〜１００ｎｍの範囲に及ぶクリスタリットを含む。これらの帯電したクリスタリットは、水、又は適切に誘導体化されているならその他の溶媒中に懸濁され、或いは自己会合して、空気、噴霧又は凍結乾燥により固体材料を形成することができる。乾燥されると、ＮＣＣは、ナノメートル範囲（５〜２０ｎｍ）の断面を所持するが、それらの長さは、より大きな桁（１００〜１０００ｎｍ）であり、高いアスペクト比をもたらす、平行六面体のロッド様構造の凝集体を形成する。ＮＣＣは、また、セルロース鎖の理論限界にほぼ近い高い結晶化度（＞８０％、多くは８５〜９７％）によって特徴付けられる。セルロース鎖間の水素結合は、ＮＣＣ中の局所構造を安定化させ、結晶性領域の形成で鍵となる役割を演じる。サンプルの結晶性分率として定義される結晶化度は、ＮＣＣの物理的及び化学的挙動に強力な影響を及ぼす。例えば、ＮＣＣの結晶化度は、化学的誘導体化への接近可能性、膨潤、及び水結合特性に直接的に影響を及ぼす。
【００１６】
本発明のナノ複合体は、疎水性であり、ＮＣＣの不在下でのＬ−ラクチドの開環重合によって形成されるＰＬＡと比較して、改善された成型特性、熱−機械的特性、及び気体遮蔽特性を有する。
【００１７】
該方法において、ＮＣＣ上へのＰＬＡのグラフトを形成するインサイチュでの重合は、ＮＣＣ上のヒドロキシル基によって開始されるか、或いはＮＣＣ上のヒドロキシル基によって部分的に、及び重合のためのヒドロキシルの供給源を提供する開始剤、例えば、アルコールによって部分的に開始され、重合系のための適切なアルコールとしては、ベンジルアルコール及び１−ドデカノールが挙げられる。
【００１８】
ナノ複合体中のＮＣＣは、グラフト化前の元々のＮＣＣの結晶特性を維持している。しかし、ＰＬＡの結晶特性は、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料（すなわち、ＮＣＣ上にグラフトされたＰＬＡ）と配合又はブレンドされると、ＮＣＣによって改質され、ＰＬＡナノ複合体は、ＮＣＣの不在下でのＬ−ラクチドの開環重合によって形成されるＰＬＡ（すなわち、親ＰＬＡ）に比べてより高い結晶化度を獲得する。グラフトされたＰＬＡ、及び続いて配合又はブレンドされた材料のＰＬＡの結晶状態は、親ＰＬＡのそれに比べてより安定である。
【００１９】
開環したラクトンは、カルボン酸及びヒドロキシル基を有し、ポリマー鎖の形成では、１つの開環単位のヒドロキシルが、別の開環単位のカルボン酸とエステル連結を形成し、ＮＣＣを用いて、ポリマー鎖の末端カルボン酸基とＮＣＣのヒドロキシルとの間で、化学的連結又は結合が形成され、それによってエステル連結を形成する。したがって、それぞれ個々のポリマー鎖とＮＣＣとの間でただ１つの連結が形成される。換言すれば、グラグトされたＰＬＡ鎖の末端が、重合工程中に形成されるただ１つのエステル連結を介してＮＣＣに結合される。ＮＣＣ上のヒドロキシル基は、原理的には、ラクチドの重合開始剤として作用することができる。
【００２０】
ナノ複合体は、各ＮＣＣナノ結晶に連結された、いくつかの又は多数のポリマー鎖を有する。すなわち、各ＮＣＣ結晶は、それから放射状に広がるいくつかのポリマー又は多数の鎖を備えた中心結晶を含む構造を形成する。この方式で改変されたＮＣＣは、ＰＬＡに対して良好な溶媒であるクロロホルム中で分散性になる。
【００２１】
インサイチュでの重合反応中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーのモノマー転化率及び分子量は、反応条件、特に、使用されるモノマーの添加量、及び反応媒質中でのＮＣＣ濃度に依存する。一般に、グラフトされた及び遊離のＰＬＡの全質量の、使用したＬ−ラクチドモノマーの全質量に対する比率として定義されるモノマーの転化度、並びに生じるＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料の分子量は、モノマー添加量及びＮＣＣ濃度の増大と共に、非線形的に増大する。
【００２２】
例えば、モノマー：ＮＣＣの質量比が、３０：１で一定に保持される、すなわち、Ｌ−ラクチドモノマーの質量がＮＣＣの質量の３０倍であるが、溶媒（例えば、ＤＭＳＯ）中のＮＣＣ濃度を１．５ｇ／１００ｍＬから２．５ｇ／１００ｍＬに増加させ、同時にすべてのその他の条件を同一に維持すると、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料のモノマー転化率、数平均分子量（Ｍｎ）、及び重量平均分子量（Ｍｗ）は、それぞれ、１２．７％、１５６１、及び１９８９から４４．８％、５５３２、及び１９８０３に増加する。
【００２３】
開環重合は、とりわけ、無水条件下で実施される。非水性反応媒質中のＮＣＣ濃度は、典型的には、１〜１０ｇ／１００ｍＬ、好ましくは１．５〜５ｇ／１００ｍＬの範囲、Ｌ−ラクチドの濃度は、出発ＮＣＣの質量の５〜５０倍、好ましくは１５〜３０倍の範囲に及ぶことができる。
【００２４】
典型的には、ナノ複合体は、遊離ホモポリマー及び未反応化学物質を除去するための徹底的な洗浄の後に、一般には３０％から９０％を超える範囲に及ぶ、より一般的には約８５％の、グラフトされたＰＬＡの質量のＮＣＣの質量に対する比率として定義されるＰＬＡグラフト率を有する。換言すれば、生じるナノ複合体中のＰＬＡの質量は、出発ＮＣＣの質量×８５％である。
【００２５】
とりわけ、重合は、有機溶媒、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）中で実施される。さらに、インサイチュでの重合のための媒質は、限定はされないが、アルコール（例えば、エタノール）、アミド（例えば、ジメチルホルムアミド）、アミン（例えば、ピリジン）、エステル（例えば、酢酸エチル）、エーテル（例えば、１，４−ジオキサン）、グリコールエーテル（例えば、２−ブトキシエタノール）、ハロゲン化溶媒（例えば、クロロホルム）、炭化水素溶媒（例えば、トルエン）、及びケトン（例えば、アセトン）でよい。
【００２６】
ＮＣＣの存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの重合は、種々の鎖長のＰＬＡの形成につながる。このＰＬＡの一部、すなわち前に示したように一般には３０〜９０％、典型的には８５％が、ＮＣＣ上にグラフトされる。残りは、遊離ＰＬＡホモポリマー及び未反応モノマーである。精製などにより、未反応ＰＬＡモノマーさらには遊離ＰＬＡホモポリマーを除去することができる。
【００２７】
したがって、重合の後には、非水性媒質からナノ複合体を回収するステップが続く。とりわけ、この回収ステップは、非水性媒質からナノ複合体を沈殿させること、及び生じた沈殿物を透析及び／又は遠心分離によって精製することを含むことができる。反応中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーの質量は、典型的には、出発ＮＣＣの質量の２〜１５倍の範囲に及ぶ。これは、重合反応の条件に強く依存する。しかし、後に続くナノ複合体の加工におけるナノ複合体の良好な分散を促進するのを援助するために、且つ良好な界面を（すなわち、良好な相容性）確保するために、若干の遊離ＰＬＡホモポリマーを保持することが有利であることが見出されている。この段階で、どれほどの遊離ＰＬＡが必要であるかを定量することはできない。こうして生じる遊離ホモポリマーは、（ｉ）任意の加工された製品中での複合体の均一分散、及び（ｉｉ）後に続くポリマー加工中に使用される樹脂、典型的には、必ずしも限定はされないがＰＬＡとの良好な界面、を確保するのに好都合であることが見出されている。
【００２８】
開環重合は、高い温度、典型的には約１００℃〜約１５０℃、とりわけ約１３０℃で、一般には１〜２０時間、とりわけ約１５〜２０時間で実施される。
【００２９】
好都合には、開環重合は、触媒、典型的には金属カルボキシレート触媒の存在下で実施され、その他の触媒としては、金属酸化物及び金属アルコキシド、例えば、錫、亜鉛及びアルミニウムのカルボキシレート、酸化物、及びアルコキシドが挙げられる。
【００３０】
このようにして製造されたＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、適切な溶媒中に分散できるか、或いは乾燥することのできる疎水性超分子材料である。例えば、それは、薬物の送達及び放出のための賦形剤として使用するために、そのままで又はさらに誘導体化して使用できる可能性がある。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、さらに、包装材及びその他の工業的応用のためのフィルム製品及び／又は３次元成型の可能な製品を製造するために、通常のポリマー加工技術、例えば、共押出し、吹込み、射出又は圧縮成型を使用して、ＰＬＡ、及び／又はポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）、若しくはポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）のようなその他のバイオポリマーとブレンドされた組合せ中で使用することができる。ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を、さらにまた、織物及び工学的応用のための、エマルジョン及び溶融又は電気紡糸された繊維及び／又は織り糸にすることができる。
【００３１】
本発明のナノ複合体は、したがって、広範な種類の工業的及び医療的応用、例えば、限定はされないが、包装材、自動車、構造体、薬物の放出及び送達、再生医療、医療及び／又は工業的応用のための新規システムを開発するための足場で使用するための潜在能力を有する。
【００３２】
本発明のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、適切な溶媒中に懸濁させることができるか、或いは乾燥させ、そのまま又はさらに誘導体化して薬物の送達及び放出のための賦形剤として潜在的に使用することのできる超分子材料である。
【００３３】
本発明のナノ複合体を、ＰＬＡなどのポリマー及び／又はポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＡ）又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＢ）のようなその他のバイオポリマーと、例えば、通常のポリマー加工技術、例えば、共押出し、吹込み、射出又は圧縮成型を使用して配合又はブレンドして含む本発明の組成物は、包装材及びその他の工業的応用のためのフィルム製品及び／又は３次元成型の可能な製品を作り出すことができる。
【００３４】
後者の組成物を、さらには、織物及び工学的応用のために、エマルジョン及び溶融又は電気紡糸された繊維及び／又は織り糸にすることができる。
【００３５】
本発明によるＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の調製は、図１で手順的に説明される。主要なステップは、適切な有機媒質中でのナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）の存在下でのＬ−ラクチドのインサイチュでの開環重合である。典型的な事例であるが、ＮＣＣが水中に懸濁されているなら、開環重合に先立って、分散媒質の交換を行うことが必須である。重合の後に、例えば、水に対する透析、並びにメタノール及び所望ならアセトンでの洗浄を利用して生成物を精製することが必須である。メタノールを使用して、未反応モノマー及び触媒を除去し、アセトンを使用して、系中の遊離ＰＬＡホモポリマー、すなわちＮＣＣ上にグラフトされていないＰＬＡを溶解する。以下が、重合工程の詳細な説明である。
【００３６】
１．典型的には、ＮＣＣは、可変濃度、例えば、４．３９％ｗ／ｗの水中ナノ粒子懸濁液として本発明の目的のために製造され、ＮＣＣ懸濁液は、ＮａＯＨ溶液を用いて中性ｐＨに滴定される。水から適切な有機溶媒、例えば、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ、典型的には≧９９．６％）への懸濁媒質の交換は、所望量のＤＭＳＯ（例えば、１１０ｍＬ）を所要質量のＮＣＣ（例えば、水懸濁液中の３０ｇのＮＣＣ）中に徐々に注ぎ、撹拌することによって実施される。次いで、混合物を妥当な期間、例えば、５分間さらに撹拌して、水とＤＭＳＯとの完全混合を可能にする。系中の水を、ロータリーエバポレーター（例えば、ＢＵＣＨＩ、Ｒｏｔａｖａｐｏｒ Ｒ−２００）による２ステップでの蒸留によって除去する。最初のステップでは、蒸留温度を８３℃であるように選択し、真空を７２０トルに設定する。最初のステップの終末に向けて、捕集器中の凝縮液体の体積を一定に維持する。次のステップでは、真空を７４０トルに高めて約２０ｍＬのＤＭＳＯを留出させる。
２．前記の分散媒質の交換のステップは、凍結乾燥又は噴霧乾燥された分散性ＮＣＣ（中性ｐＨ）をＤＭＳＯに直接的に溶解することによって代替することができる。溶解工程は、超音波処理を利用して促進することができる。次いで、ＤＭＳＯが水分を吸収するのを防止するために容器を密閉し、内容物を好ましくは一夜、又は必要ならさらに長く撹拌する。
３．密閉されたフラスコ中のＮＣＣ／ＤＭＳＯ懸濁液中に、次のもの、（ｉ）適切な質量、例えば３９．５ｇのＬ−ラクチド（典型的には、純度≧９８％）、（ｉｉ）０．４ｇの適切な触媒、例えば、錫（ＩＩ）エチルヘキサノエート（Ｓｎ（ｏｃｔ）２、約９５％）、及び（ｉｉｉ）とりわけ高いラクチド添加量でＮＣＣの分散を改善するのに有用である０．２ｇのベンジルアルコール（無水、９９．８％）を添加する。妥当な期間、例えば、５分間撹拌した後、懸濁液を、プローブ型超音波発生器（例えば、Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｏｎｉｃ Ｄｉｓｍｅｍｂｒａｔｏｒ、Ｍｏｄｅｌ３００）を使用して２分間超音波処理する。系中の痕跡量の残留水は、懸濁液を、前もって３２０℃で少なくとも３時間活性化した６０ｇのモレキュラーシーブ（３Å、８〜１２メッシュ）を充填した２５０ｍＬの分液ロートを通して最終的に除去される。乾燥されたＮＣＣ／ＤＭＳＯの懸濁液を、次いで、機械式撹拌機を具備しオーブン中で乾燥された５００ｍＬ３つ口フラスコ中にロートから直接的に滴下する。ＤＭＳＯが水分を吸収するのを防ぐために、分液ロート及びフラスコの双方を重合工程の間中、窒素雰囲気中に保持する。
４．開環重合は、密閉されたフラスコを１３０℃の湯浴中に１７時間浸漬することによって実施される。反応中、懸濁液は、磁気又は機械式撹拌機を使用して２００〜５００ｒｐｍで撹拌される。反応後、生じる生成物は、明褐色の澄明懸濁液である。
５．急速撹拌しながら生成物を水中に３：１（水／生成物）の比率で徐々に注ぐことによって、ＤＭＳＯからＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を沈殿させる。続いて、生成物を、例えば透析チューブ（示唆されたカットオフ分子量、ＭＷＣＯ＝１２，０００〜１４，０００）中で流動水に対して少なくとも４時間透析する、及び／又は適切な遠心分離装置（例えば、ＩＥＣ Ｃｅｎｔｒａ（登録商標）ＭＰ４、Ｒｏｔｏｒ２２４）を使用して、白色沈殿物を４，４００ｒｐｍで妥当な時間遠心分離する、精製が後に続く。デカンテーションの後、生成物を、メタノール（≧９９．８％）中に振盪により再分散させ、再び遠心分離する。この遠心分離−デカンテーションのサイクルを、妥当な反復回数、例えば３回繰り返し、不純物を洗い流す、最後に、洗浄された生成物を、真空下で妥当な期間、例えば一夜乾燥する。
６．元のＮＣＣとＮＣＣ−ＰＬＡ超分子ナノ複合体材料とのクロロホルム懸濁液の視覚による比較は、適切な有機溶媒中での後者の完全な分散性を示し、さらにＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体の疎水性を示している。
【００３７】
（例１）
本発明に記載のインサイチュでの重合法を利用して調製されたＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料は、６０．２±０．９ｎｍ（Ｚｅｔａｓｉｚｅｒで測定した場合）に等しい等価球の典型的な流体力学的直径（ＤＭＳＯ中に分散させて）を有する粒子をもたらす。該ナノ複合体材料は、典型的な有機溶媒中に完全に分散し、優れた疎水性を示す。グラフトされたポリマーのＮＣＣ対する質量比は、典型的には８０％超である。固体１３Ｃ核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、図２に記載のように、合成の成功を確証している。
【００３８】
（例２）
ポリマー又はポリマー複合体の物理的、機械的、及び遮蔽特性は、材料の固体形態及び結晶化度に依存し、これらの複合体材料の加工は、これらの特性に相当の影響を与えることがある。本発明中に記載のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を、ポリマー加工技術（例えば、フィルムキャスティング、押出し／吹込み成型、射出又は圧縮成型、繊維紡糸など）を使用して加工し、フィルム、繊維、フィラメント、及び一般にはいかなる３次元物体も製造することができる。図３は、５．３％ｗ／ｗのＮＣＣを含むＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体フィルムの示差走査熱量法の応答を示す。これらのナノ複合体フィルムは、未処理のＰＬＡフィルムに比較して、相当に改善された構造的及び熱的安定性、並びにより低い吸湿膨張率を示す。この独特の挙動は、ＮＣＣがＮＣＣの構造を非摂動状態で維持しながら、非晶性ＰＬＡ中で制御可能な結晶化を開始する能力に由来する。小さく不完全なＰＬＡ結晶は、続いて、溶融及び再結晶を介してより安定な結晶に変化する（図３のＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体に関する２つの溶融ピークによって示されるように）。このことは、図４で提供される動的機械的分析データによってさらに証明され、それによって、本発明により調製されたＮＣＣ−ＰＬＡ超分子材料すなわち相容化されたＮＣＣが、ＮＣＣ装填量を増加するにつれてＰＬＡの軟化挙動を改善するようにどれほど機能するかが示される。例えば貯蔵弾性率によって測定した場合、５０℃で、未処理ＰＬＡの４１ＭＰａから５％ｗ／ｗのＮＣＣ装填量での４８０ＭＰａまでの機械的応答の大きな桁の増加が存在する。材料の加工を、結晶化度をより大きな大きさに増大させることを可能にする徐冷却（図４）から急速冷却（図５）に変更すると、たとえより遅い速度でも、この場合のＰＬＡは完全に非晶性であるので、ＮＣＣは、生じる複合体生成物の結晶化度を改善するようにいっそう機能する。改善の大きさの相違は、主として、異なる加工技術による。図４及び図５の双方の例は、やはり、ＮＣＣが、使用される加工技術とは関係なく、最終生成物の結晶化度を増強することにおいて役割を演じることを明瞭に示している。
【００３９】
増加した結晶化度は、熱安定性が重要である成型品にとって望ましい。さらに、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体は、加工及び機能性に対して肯定的影響を有する特徴的な粘弾性挙動を示す。これらの能力は、ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体材料を含有する得られる物体の改善された加工性、改造、及び機械的性能につながる。
【００４０】
本発明のナノ複合体は、高分子量ＰＬＡポリマー、例えば、２０，０００〜１，０００，０００のＭＷを有するＰＬＡポリマーと、共押出し、キャスティング又はその他の通常的なブレンド又は配合技術によって、ブレンド又は配合することができ、ナノ複合体の存在は、相当に強化されたＰＬＡをもたらす。
【００４１】
グラフトされたＰＬＡの分子量は、この個々の事例において２つの間接的方法で測定した。（１）ＮＣＣ−ＰＬＡナノ複合体を調製するための正確な方法を、ＮＣＣを含めないで使用してラクチドをＰＬＡに重合するための対照実験を実施した。得られたポリマーを、ＧＰＣを使用して分析した。（２）第２の方法には、ＮＣＣ−ＰＬＡ調製工程からの遊離ＰＬＡホモポリマーを集めること、次いで１Ｈ ＮＭＲを使用して該ホモポリマーを特性決定することを含めた。分子量は、末端基の骨格中の反復単位に対する比率により計算した。具体例における数平均分子量（Ｍｎ）は、重合反応の条件に応じて８９０〜６０００の範囲に存在し、グラフトされたＰＬＡが、典型的には、短い鎖長を有することを示している。反応条件のバランスと取ることによって、より長いＰＬＡ鎖を成長させることを可能にし、かくしてＮＣＣ上に高分子量のグラフトされたＰＬＡを生じさせることが理論的に可能である。
【００４２】
参考文献
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水性媒質中、ＮＣＣ粒子の存在下でのＬ−ラクチドの開環重合を含む、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体の製造方法。
【請求項２】
開環重合が、無水条件下で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
非水性媒質からナノ複合体を回収するステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
開環重合が、有機溶媒中で実施される、請求項１〜３いずれかに記載の方法。
【請求項５】
有機溶媒が、ジメチルスルホキシドである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
回収が、非水性媒質からナノ複合体を沈殿させること、及び生じる沈殿物を透析によって精製することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
開環重合が、触媒の存在下で、高い温度で実施される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
高い温度が、約１００℃〜約１５０℃である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
開環重合が、高い温度で１〜２０時間実施される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
時間が、１５〜２０時間である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
開環重合が、前記開環重合のための開始剤の存在下で実施され、前記開始剤がアルコール基を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
開環重合中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーの少なくとも一部が、回収されるナノ複合体と共に加工助剤として保持される、請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体であって、前記ＰＬＡが前記ＮＣＣ上にグラフトされている、上記ナノ複合体。
【請求項１４】
ナノ複合体のＮＣＣナノ結晶が、前記ナノ結晶に独立に連結され、且つ前記ナノ結晶から放射状に広がるいくつかの又は多数のポリマー鎖を有する、請求項１３に記載のナノ複合体。
【請求項１５】
３０％から９０％を超えるＰＬＡのグラフト率を有する、請求項１３又は１４に記載のナノ複合体。
【請求項１６】
グラフト率が、約８５％である、請求項１５に記載のナノ複合体。
【請求項１７】
押出し、射出又は圧縮成型を使用して、ＰＬＡ、ポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）、又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）から選択されるポリマーと配合又はブレンドされた、請求項１３〜１６のいずれかに記載のナノ複合体を含む組成物。
【請求項１８】
ポリマーが、高分子量ＰＬＡである、請求項１７に記載の組成物。
【請求項１９】
ＰＬＡが、２０，０００〜１，０００，０００の分子量を有する、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２０】
包装及びその他の工業的応用のための、フィルム形態又は３次元成型が可能な製品の形態の、請求項１７〜１９のいずれかに記載の組成物。
【請求項２１】
織物及び工学的応用のための、エマルジョン、溶融又は電気紡糸された繊維又は織り糸の形態の、請求項１７〜１９のいずれかに記載の組成物。
【請求項１】
非水性媒質中、ＮＣＣ粒子の存在下でのＬ−ラクチドの開環重合を含む、ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体の製造方法。
【請求項２】
開環重合が、無水条件下で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
非水性媒質からナノ複合体を回収するステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
開環重合が、有機溶媒中で実施される、請求項１〜３いずれかに記載の方法。
【請求項５】
有機溶媒が、ジメチルスルホキシドである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
回収が、非水性媒質からナノ複合体を沈殿させること、及び生じる沈殿物を透析によって精製することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
開環重合が、触媒の存在下で、高い温度で実施される、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
高い温度が、約１００℃〜約１５０℃である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
開環重合が、高い温度で１〜２０時間実施される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
時間が、１５〜２０時間である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
開環重合が、前記開環重合のための開始剤の存在下で実施され、前記開始剤がアルコール基を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
開環重合中に生じる遊離ＰＬＡホモポリマーの少なくとも一部が、回収されるナノ複合体と共に加工助剤として保持される、請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
ナノ結晶性セルロース（ＮＣＣ）とポリ乳酸（ＰＬＡ）とのナノ複合体であって、前記ＰＬＡが前記ＮＣＣ上にグラフトされている、上記ナノ複合体。
【請求項１４】
ナノ複合体のＮＣＣナノ結晶が、前記ナノ結晶に独立に連結され、且つ前記ナノ結晶から放射状に広がるいくつかの又は多数のポリマー鎖を有する、請求項１３に記載のナノ複合体。
【請求項１５】
３０％から９０％を超えるＰＬＡのグラフト率を有する、請求項１３又は１４に記載のナノ複合体。
【請求項１６】
グラフト率が、約８５％である、請求項１５に記載のナノ複合体。
【請求項１７】
押出し、射出又は圧縮成型を使用して、ＰＬＡ、ポリ（ヒドロキシブチレート）（ＰＨＢ）、又はポリ（ヒドロキシアルカノエート）（ＰＨＡ）から選択されるポリマーと配合又はブレンドされた、請求項１３〜１６のいずれかに記載のナノ複合体を含む組成物。
【請求項１８】
ポリマーが、高分子量ＰＬＡである、請求項１７に記載の組成物。
【請求項１９】
ＰＬＡが、２０，０００〜１，０００，０００の分子量を有する、請求項１８に記載の組成物。
【請求項２０】
包装及びその他の工業的応用のための、フィルム形態又は３次元成型が可能な製品の形態の、請求項１７〜１９のいずれかに記載の組成物。
【請求項２１】
織物及び工学的応用のための、エマルジョン、溶融又は電気紡糸された繊維又は織り糸の形態の、請求項１７〜１９のいずれかに記載の組成物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５１９７３６（Ｐ２０１３−５１９７３６Ａ）
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５２２１３（Ｐ２０１２−５５２２１３）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１１／００００９６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９７７００
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（５０７１７１６８３）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２０１１／００００９６
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９７７００
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（５０７１７１６８３）
【Ｆターム（参考）】
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