JP4736636B2

JP4736636B2 - コーティング膜被覆基体の製造方法

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Publication number: JP4736636B2
Application number: JP2005253301A
Authority: JP
Inventors: 伸行坂元; 智山田; 健志郎首藤
Original assignee: NOF Corp
Current assignee: NOF Corp
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: JP2007063459A

Description

本発明は、帯電防止性、プロトン導電性、タンパク質非吸着性及び耐久性に優れたコーティング膜の製造方法に関する。

リン酸エステル基を有する高分子材料は、帯電防止性、プロトン導電性、生体適合性、分散性、吸保湿性、超親水性等のユニークな特性をもつため、燃料電池や防錆金属板、防曇ガラス、高親水性セラミクス、人工臓器、医療用具等への応用がなされている。これらの応用における共通の技術課題は、ガラス、セラミクス、金属、プラスチック等の様々な基板上でリン酸エステル基を有する高分子材料膜の耐久性を保持することである。しかし、基本的にリン酸エステル基を有する高分子材料は水溶性の高い高分子であるため、耐久性、特に耐水性に優れたコーティング膜を得ることは困難であった。

そこで、例えば、特許文献１には、リン酸エステル基を有する高分子材料中に疎水性の耐水性官能基を導入し、耐久性を改善する方法が提案され、また、特許文献２には、リン酸エステル基を有する高分子材料を、架橋剤を用いて架橋させ、耐久性を改善する方法が提案され、更に、特許文献３には、リン酸エステル基を有する重合体を他の樹脂と混合し、１３０℃以下で加熱処理する方法が示されている。
しかし、このような疎水性基の導入、架橋剤の利用や他の樹脂混合する方法では、コーティング膜におけるリン酸エステル基の含有率に制限があったり、リン酸エステル基の分子運動性が損なわれたりするため、リン酸エステル基の性能が十分発揮できないのが実状である。
特開平９−３１３２号公報特開平７−１８４９８９号公報特開２００３−１３８０８８号公報

本発明の課題は、ホスホリルコリン基を有する重合体が有するタンパク質非吸着性等の性能を維持しつつ、優れた帯電防止性、プロトン導電性を示し、耐水性等の耐久性に優れたコーティング膜を備えた基体の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、重量平均分子量５０００〜５００００００のホスホリルコリン基を有する重合体を媒体に溶解し、ホスホリルコリン基を有する重合体含有コーティング液を調製する工程(A)と、該コーティング液を基体に接触させてホスホリルコリン基を有する膜を形成する工程(B)と、形成された膜を２００〜４５０℃で1秒〜３０分間加熱処理する工程(C)とを含み、該工程(C)で得られた膜を以下の方法で測定した溶出率が５０％以下を示す、コーティング膜被覆基体の製造方法が提供される。
溶出率測定法
工程(C)の加熱処理前の基体及び加熱処理後の基体の表面膜を削り取って回収した回収物０．０１ｇを、水／プロパノール(質量比８０／２０)混合溶媒１ｇに加えて、２５℃で６時間以上攪拌し、攪拌液をろ過してろ液を回収する。得られたろ液０．５ｇを１２５℃、２時間乾燥して蒸発残分を測定し、上記膜中の未架橋ポリマー量を算出し、その量からコーティング膜の溶出率を算出する。

本発明の製造方法は、上記工程を採用し、特に、特定条件で加熱処理する工程(C)を行うので、ホスホリルコリン基を有する重合体のタンパク質非吸着性等の性能を維持しつつ、優れた帯電防止性、プロトン導電性を示し、耐水性等の耐久性に優れるコーティング膜被覆基体を簡便に得ることができる。

以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明により得られるコーティング膜は、ホスホリルコリン基を有する重合体含有コーティング液を用いて形成されたホスホリルコリン基を有する膜を、特定条件で加熱処理して得た、耐久性に優れた膜である。
前記コーティング膜は、加熱処理前のホスホリルコリン基を有する膜が発揮するタンパク質非吸着特性を維持して、帯電防止性や耐水性等を改善した膜であって、後述する実施例にも示されるとおり、水／２−プロパノール(質量比で８０／２０)の水系媒体に対して、膜を形成する未架橋物等の重合体の溶出率が５０％以下、好ましくは３０％以下を示す膜である。

前記コーティング液に含有させるホスホリルコリン基重合体は、重合体がホスホリルコリン基を有しておれば特に限定されない。該重合体は、分子設計性の観点からホスホリルコリン基含有単量体を含む組成物を、ラジカル重合して得られものが望ましいが、重縮合、重付加反応させたものも使用でき、更に、高分子にホスホリルコリン基を化学反応により導入した重合体であっても良い。
また、公知の重合体を使用することもでき、例えば、特開昭６２−１４０２３６号公報に開示されているリン酸エステル基を有するブタジエン系共重合体、特開２０００−１３０９７８号公報に開示されているリン酸基含有ポリエステル、Journal of Polymer Science，16，1275−1283(1978)に開示されているアルキル基含有ポリリン酸エステル等が挙げられる。これらリン酸エステル基を有する重合体の中でも、側鎖にリン酸エステル基を有する重合体の方が、加水分解耐性等の点で主鎖中にリン酸エステル基を有する重合体よりも望ましい。
これらの中でも得られるコーティング膜の密着性の観点から、ホスホリルコリン基を有するポリエステルが好ましく挙げられる。

前記ホスホリルコリン基を有する重合体において、リン酸部(ＰＯ₄)の含有割合は特に制限されないが、重合体全体に対して通常１０〜６０質量％、特に３０〜５０質量％が好ましい。リン酸部の含有割合が、１０質量％未満では、リン酸エステルの機能を十分に発揮するのが困難になる可能性があり、６０質量％を超えるとリン酸エステル部位の濃度が高分子連鎖部位に対して大きくなりすぎ、耐久性やコーティング特性等の有機高分子としての機能が低下する可能性がある。
ホスホリルコリン基を有する重合体の分子量は、重量平均分子量で、通常５０００〜５００００００、望ましくは５００００〜１００００００の範囲である。

前記ホスホリルコリン基を有する重合体の原料となる単量体組成物は、ホスホリルコリン基を有する単量体単独又は該ホスホリルコリン基を有する単量体と、共重合可能な他の単量体との混合物のいずれであっても良い。
ホスホリルコリン基を有する単量体としては、例えば、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(ＭＰＣ)が挙げられる。

共重合可能な他の単量体としては、例えば、疎水性の単量体として、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、２−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート等の直鎖又は分岐アルキル(メタ)アクリレート；シクロヘキシル(メタ)アクリレート等の環状アルキル(メタ)アクリレート；ベンジル(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート等の芳香族(メタ)アクリレート；ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等のポリアルキレングリコール(メタ)アクリレート；スチレン、メチルスチレン、クロロメチルスチレン等のスチレン系単量体；メチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル等のビニルエーテル系単量体；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル系単量体が挙げられる。
また、共重合可能な他の単量体としては、上記以外にも、例えば、２−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、２−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、４−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、グリセロール(メタ)アクリレート等の水酸基含有(メタ)アクリレート；アクリル酸、メタクリル酸、スチレンスルホン酸、トリメチルアンモニウムエチル(メタ)アクリレート、２−ヒドロキシ−３−(メタ)アクリロイルオキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド等のイオン性基含有単量体；(メタ)アクリルアミド、アミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート等の含窒素単量体；ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート等の親水性単量体を挙げることができる。
これらは、使用に際して、１種又は２種以上をリン酸エステル基を有する単量体と組合せて用いることができる。

前記単量体組成物において、共重合可能な他の単量体を含有させる場合のホスホリルコリン基を有する単量体の割合は、通常２０〜９５質量％、特に３０〜７０質量％が好ましい。ホスホリルコリン基を有する単量体の割合が２０質量％未満では、ホスホリルコリン基が有する機能を十分に発揮させることができない恐れがあり、９５質量％より多いと他の単量体の機能を十分に発揮させることが困難となる可能性がある。
前記単量体組成物において好ましい組合せは、得られるコーティング膜の性能を勘案して適宜選択でき、例えば、得られるコーティング膜の密着性の観点からは、ＭＰＣ６０〜９０質量％と、ブチルメタアクリレート、２−ヒドロキシエチルメタアクリレート又は２−ヒドロキシ−３−メタクリロイルオキシプロピルトリメチルアンモニウムクロライド１０〜４０質量％との組成物が特に好ましい。

本発明のコーティング膜及びコーティング膜被覆基体は、前記ホスホリルコリン基を有する重合体を含むコーティング液を基体に接触させて形成したホスホリルコリン基を有する膜を、特定温度で加熱処理して得ることができるが、好ましくは以下の本発明の製造方法により得ることができる。
本発明の製造方法は、まず、重量平均分子量５０００〜５００００００のホスホリルコリン基を有する重合体を媒体に溶解し、ホスホリルコリン基を有する重合体含有コーティング液を調製する工程(A)を含む。

工程(A)においてコーティング液の調製は、前述のホスホリルコリン基を有する重合体を媒体に溶解することにより行うことができる。該媒体としては、例えば、水、酢酸緩衝液、リン酸緩衝液、トリス−塩酸緩衝液、炭酸緩衝液、グッドの緩衝液等の各種緩衝溶液；メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセリン、ジメチルスルオキシド、ジメチルホルムアミド等の各種有機溶媒の単独液あるいは２種以上の混合液が挙げられる。
前記コーティング液において、ホスホリルコリン基を有する重合体の濃度は、コーティング膜が容易に調製できる濃度であれば良く、例えば、基体に接触させる方法として後述する連続コーティング法を採用する場合には、均一な塗布膜の得られやすさの観点から０．０１〜５０質量％が好ましい。

前記コーティング液には、前記ホスホリルコリン基を有する重合体及び媒体の他に、必要に応じて、得られるコーティング膜の性能を損ねない範囲で他の物質を添加することもできる。他の物質としては、例えば、リン酸塩類、ポリリン酸類、低分子リン酸エステル類、無機塩類、有機塩類、界面活性剤、防腐剤、色素、架橋剤、紫外線吸収剤、基材との密着性を高めるためのプライマー等が挙げられる。
他の物質の含有割合は、その目的とする性能を勘案して、適宜選択することができる。

本発明の製造方法は、工程(A)で調製したコーティング液を基体に接触させてホスホリルコリン基を有する膜を形成する工程(B)を含む。
工程(B)に用いる基体の材質は、後述する工程(C)の加熱を実施しうる耐熱性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、鉄、銅、ステンレス、アルミニウム等の金属類及びその合金や酸化物、ガラス、セラミクス、シリコンウエハー等の無機材料、ポリイミド、アラミド等の耐熱性高分子材料等が挙げられ、特に、ガラス、ステンレス、アルミニウムが挙げらる。
基体の形態は特に限定されず、基板、繊維、多孔質形態、複雑な形態等が挙げられ、基板も平面に限らず曲面を有していても良い。最も好ましい形態としては１０〜１００ｃｍ幅の平面板が挙げられる。

工程(B)において、コーティング液を基体に接触させる方法としては、例えば、前記コーティング液を基体表面に流延して溶媒を蒸発させる溶媒キャスト法が挙げられる。
溶媒キャスト法には、連続的に基板をスライドさせながら一定量のコーティング液を塗布し溶媒を乾燥させる連続コーティング法や、コーティング液をスプレー等で噴霧して乾燥する方法等が挙げられる。均一の膜が高効率で得られやすい理由から連続コーティング法が好ましい。
工程(B)において形成される膜の厚さは、通常０．０１〜１００μｍの範囲であり、特に０．０５〜２０μｍの範囲が好ましい。該膜の厚さが０．０１μｍよりも薄いと耐久性を高めるのが困難となり、１００μｍよりも厚くすると均一な膜が得られ難くなる恐れがある。
尚、工程(B)において得られる膜は、完全に乾燥されている必要はなく、膜の形態を保持されておれば良い。

本発明の製造方法は、工程(B)で形成された膜を２００〜４５０℃で１秒〜３０分間加熱処理する工程(C)を含む。
工程(C)において、コーティング膜の加熱は、２００〜４５０℃、好ましくは２５０〜３５０℃の温度範囲で、１秒〜３０分間、好ましくは５秒〜１０分間、さらに好ましくは１０秒〜５分間の加熱時間から適宜選択して実施することができる。基本的には、得られる膜の上述の耐水性評価や、タンパク質非吸着性の維持率に応じて条件を適宜決定することができる。
前記加熱温度が２００℃未満又は加熱時間が１秒未満では、所望の耐久性改善効果が得られず、一方、加熱温度が４５０℃を超え、また加熱時間が３０分間を超えると、熱分解の度合いが大きくなりすぎ、タンパク質非吸着性等の本来の性能が低下する恐れがある。
前記加熱は、例えば、熱風循環式オーブン等を用いて行なうことができる。ここで、湿式加熱方式を採用すると、膜の耐久性改善効果が得られないので、本発明における加熱には、湿式加熱方式による加熱は含まれない。

従来のリン酸エステル基を有するコーティング膜の製造においては、リン酸エステル基を有する重合体の分解温度が、通常２００〜２５０℃の範囲にあるため、２００℃を超える温度域で乾燥や架橋、熱処理が実施されることはなかった。しかし、本発明においては、２００〜４５０℃の範囲でホスホリルコリン基を有するコーティング膜を加熱処理することで、コーティング膜のタンパク質非吸着性等の性能を維持した状態で、耐久性を改善しうることが判った。このような現象は、ホスホリルコリン基を有する重合体の一部が加熱により分解し、その部分で熱架橋が生じたからと考えられる。
また、加熱処理前と加熱処理後の膜の赤外吸収スペクトルを観察すると、加熱処理後の膜では、１１６５〜１１７０ｃｍ^-1付近のリン酸エステル(P−O)伸縮振動に由来する吸収が減少していること、リン酸エステル基を有しない他の親水性重合体、例えば、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコールに対して同様な加熱処理を実施しても耐久性向上効果が得られず、単に熱分解劣化するのみであることから、本発明のコーティング膜における前記加熱処理による分解箇所には、リン酸部分が関与しているものと考えられる。

本発明のコーティング膜は、本発明の製造方法等により得ることができ、十分な膜厚と強度を有する場合には、基体から剥離して自己支持性フィルムとすることができる。
本発明のコーティング膜被覆基体は、前記本発明の製造方法等により得ることができる。

以下、合成例、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが本発明はこれらに限定されない。
合成例１
ＭＰＣ５０．０ｇをエタノール１００ｇに溶解して、４つ口フラスコに入れ、３０分間窒素を吹き込んだ後に、６０℃でアゾビスイソブチロニトリル(以下、ＡＩＢＮと略記する)０．２４ｇを加えて８時間重合反応させた。重合液を３Ｌのジエチルエーテル中にかき混ぜながら滴下し、析出した沈殿を濾過し、４８時間室温で真空乾燥を行って粉末３９．８ｇを得た。このポリマーを(Ｐ−１)と略記する。
得られた(Ｐ−１)の分子量を、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(ＧＰＣ)により分析した。分析条件は２０ｍＭリン酸緩衝液(ｐＨ７．４)を溶離液とし、ポリエチレングリコールを標準物質とし、屈折率により検出した。分析結果を表１に示す。

合成例２
ＭＰＣ２８．０ｇ及びブチルメタクリレート(ＢＭＡ)１２．０ｇをエタノール１６０ｇに溶解し４つ口フラスコに入れ、３０分間窒素を吹き込んだ後に、６０℃でＡＩＢＮ０．８２ｇを加えて８時間重合反応させた。重合液を３Lのジエチルエーテル中に撹拌しながら滴下し、析出した沈殿を濾過し、４８時間室温で真空乾燥を行って、粉末３５．１ｇを得た。このポリマーを(Ｐ−２)と略記する。得られた(Ｐ−２)の分子量を合成例１と同様に分析した。結果を表１に示す。

合成例３〜９
合成例１及び２に準じて、表１に示す単量体及び組成比の単量体組成物を用いて、ポリマー(Ｐ−３)〜(Ｐ−９)を得た。得られたポリマーの分子量を合成例１と同様に分析した。結果を表１に示す。
尚、表１中のＢＭＡはブチルメタクリレートを、ＰＭＡはアシッドホスホオキシエチルメタアクリレートを、ＤＡＭＡはジメチルアミノエチルメタクリレートをそれぞれ示す。

実施例１
合成例１で調製した(Ｐ−１)５ｇを純水に溶解させ１００ｇとし、５質量％のポリマー水溶液を得た。この液を注いだバットに、アセトンで事前によく洗浄した各ガラス基板(溶出率測定用；１０ｃｍ×１０ｃｍ、表面抵抗測定用；５ｃｍ×５ｃｍ、タンパク吸着測定用；１ｃｍ×１ｃｍ)をバットに浸漬し、ポリマー液を表面に付着させた後、引き上げて、室温(２５℃)で３０分間乾燥して半乾燥膜を表面に有する基板を作製した。尚、溶出率測定用基板は、上記の浸漬、引き上げ及び乾燥を３回繰返して作製した。
得られた各基板を予め３００℃に加熱しておいた熱風循環式オーブンに入れ、２分間加熱処理を行って、表面に、コーティング膜を有する被覆基板を調製した。
得られた加熱処理前の膜及び加熱処理後のコーティング膜について以下の評価を行った。結果を表２に示す。

＜溶出率測定＞
上記で作製した加熱処理前の基板及び加熱処理後の基板の表面膜を、金属スパーテルで削り取り、粉体又は粘調性体を回収した。得られた回収物０．０１ｇを、水／プロパノール(質量比８０／２０)混合溶媒１ｇに加えて、室温(２５℃)で６時間以上攪拌し、攪拌液をガラスフィルターにてろ過してろ液を回収した。
得られたろ液０．５ｇを１２５℃、２時間乾燥して蒸発残分を測定し、コーティング膜中の未架橋ポリマー量を算出した。得られた未架橋ポリマー量からコーティング膜の溶出率を算出した。

＜表面抵抗率測定＞
相対湿度３５％、温度２５℃の環境下で、上記で作製した加熱処理前の基板及び加熱処理後の基板のコーティング膜の表面抵抗率を、デジタル抵抗率計ＭＣＰ‐ＨＴ((株)ダイアインスツルメンツ製)を用いて測定した。次いで、膜の耐久性(耐水洗性)を調べるためにコーティング膜を流水中で１時間水洗したものについても同様な測定を行った。
尚、同様の測定法によるガラス基板の表面抵抗率は、＞１０13Ω／ｓｑ．であった。

＜タンパク質吸着性試験＞
上記で作製した加熱処理前の基板及び加熱処理後の基板から１ｃｍ×1ｃｍに切り出した試験片を、ウシ血清アルブミン０．６質量％のリン酸緩衝液(以下ＰＢＳと略す)１０．０ｍＬの入った各試験管にそれぞれ入れ、４℃で一晩インキュベートした。続いて試験片を取出し、４．０ｍＬのＰＢＳで３回洗浄した後、２％ドデシル硫酸ナトリウム入りＰＢＳ溶液４．０ｍＬの入った試験管に移し入れ、試験片に吸着したタンパク質を溶液中に溶出させた。この溶出液中のタンパク質の濃度を「マイクロＢＣＡプロティンアッセイキット」(ＰＩＥＲＣＥ社製)を使用して測定した。次いで、膜の耐久性(耐水洗性)を調べるためにコーティング膜を流水中で１時間水洗したものについても同様な測定を行った。
尚、同様の測定法によるガラス基板のタンパク質吸着量は、３．５８μｇであった。

実施例２、３及び比較例１、２
熱風循環式オーブンによる加熱処理条件を表２に示すとおり変更した以外は、実施例１と同様に各コーティング膜を有する基板を作製し、各測定を行った。結果を表２に示す。

実施例４〜６、参考例１〜５及び比較例３、４
(Ｐ−１)の代わりに、合成例２〜９で調製した表２に示すポリマー又はリン酸エステル基を有しない重合体として市販のポリアクリル酸(ポリサイエンス製)(ＰＡｃと略す)及びリン酸エステル基を有する低分子化合物としてのトリプロピルホスフェート(アルドリッチ製)(ＴＰＰと略す)を用いた以外は、実施例１と同様に各コーティング膜を有する基板を作製し、各測定を行った。結果を表２に示す。
尚、タンパク質吸着性試験は、表２に示す例のみで行なった。

表２の結果より、本発明の実施例１〜６のコーティング膜では、加熱処理前のコーティング膜又は比較例のものに比べて未架橋の溶出率が抑えられ、表面抵抗率が低下しており(プロトン導電性が増大し)、耐久性も向上していることが判る。また、タンパク質吸着性試験結果より、本発明に係る実施例のコーティング膜は、加熱処理前のコーティング膜又は比較例のものに比べてタンパク吸着抑制効果が維持され、耐久性も向上していることが判る。

Claims

重量平均分子量５０００〜５００００００のホスホリルコリン基を有する重合体を媒体に溶解し、ホスホリルコリン基を有する重合体含有コーティング液を調製する工程(A)と、該コーティング液を基体に接触させてホスホリルコリン基を有する膜を形成する工程(B)と、形成された膜を２００〜４５０℃で1秒〜３０分間加熱処理する工程(C)とを含み、該工程(C)で得られた膜を以下の方法で測定した溶出率が５０％以下を示す、コーティング膜被覆基体の製造方法。
溶出率測定法
工程(C)の加熱処理前の基体及び加熱処理後の基体の表面膜を削り取って回収した回収物０．０１ｇを、水／プロパノール(質量比８０／２０)混合溶媒１ｇに加えて、２５℃で６時間以上攪拌し、攪拌液をろ過してろ液を回収する。得られたろ液０．５ｇを１２５℃、２時間乾燥して蒸発残分を測定し、上記膜中の未架橋ポリマー量を算出し、その量からコーティング膜の溶出率を算出する。
ホスホリルコリン基を有する重合体が、２−メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン基を有する重合体である請求項１記載の製造方法。