ハイドロゲル繊維

ハイドロゲル繊維は、繊維状に加工されたハイドロゲルであり、その幅は長さよりも大幅に小さくなっています。繊維状のハイドロゲルの比表面積はバルクハイドロゲルよりも大きく、それに応じて機械的特性も変化します。これらの変化の結果、ハイドロゲル繊維は物質交換速度が速く、さまざまな構造に織り込むことができます。

^{通常、毒性が低い水膨潤ネットワークであるハイドロゲル繊維は、薬物キャリア、 [1]、}光センサー、^[2] 、アクチュエーターなど、さまざまな生物医学的用途に使用できます。^[1]

しかし、ハイドロゲルは架橋されており、重合後に繊維状に成形できないため、ハイドロゲル繊維の製造は困難です。ハイドロゲルを繊維状にするには、プレゲル溶液を繊維状にしてから、この形状を維持しながら架橋する必要があります。

ハイドロゲル繊維を製造するには、プレゲル溶液の凝固が最も重要なステップです。プレゲル溶液は繊維形状を維持しながら凝固する必要があります。これを実現するために、化学架橋、相変化、レオロジー特性の変化に基づくいくつかの方法が開発されています。

物理的相互作用の変化は凝固プロセスに利用することができ、繊維状状態は通常、押出ノズルの外側で達成されます。これらの物理的相互作用の可逆性のため、その後の架橋が伝統的に必要とされます。^{[3] [4] [5]}

ハイドロゲル繊維は、溶媒の蒸発によって凝固する電界紡糸によって製造することができる。 ^[3]繊維状態は、静電反発力と溶液の表面張力の組み合わせによって生成される。しかし、架橋ネットワークを形成するには、その後の架橋が通常必要となる。電界紡糸ハイドロゲル繊維の利点の1つは、その直径がnmからμmの範囲にあり、高速物質交換に適していることである。しかし、微細繊維の機械的強度が弱く、製造後に絡み合うため、単一繊維の利用は難しい場合がある。

この方法の一例としては、Tahchiら^{[3 ]が開発した}ポリアクリルアミド（PAAM）半解釈ネットワークの製造が挙げられます。ここでは、最初の線状PAAM（凝固を提供）がAAMモノマー（後続のネットワークを形成）および架橋剤N、N′-メチレンビスアクリルアミド（MBA）と混合されました。電界紡糸プロセス中、線状PAAMは電界紡糸を達成するために必要な物理的特性を提供し、AAMモノマーとMBA架橋剤はPAAM繊維内に2番目の架橋ネットワークを形成するために使用されました。第1ネットワークと第2ネットワークの間に架橋は形成されませんでしたが、物理的な絡み合いにより線状PAAMの漏れが防止されます。

超分子化学により、プレゲル溶液は、ホスト-ゲスト相互作用などの可逆的な超分子相互作用を介して凝固することができます。^[4]このような相互作用は、機械的な力または温度によって操作できます。ネットワークに加えられたエネルギーが十分に高い場合、物理的な架橋点が破壊され、ポリマーは液体状態になり、ノズルを離れた後、架橋が急速に形成されて溶液が凝固します。

一例として、Schermanらが報告したホスト-ゲスト化学が挙げられます。ここでは、ククルビト[8]ウリルと1-ベンジル-3-ビニルイミダゾリウム臭化物（BVIm）との包接錯体の形成により、ネットワークの物理的な架橋点が形成されました。^[4]この物理的な架橋点の形成は、溶液の温度によって制御されます。溶液を加熱し、押し出しノズルで急速に冷却することで、ハイドロゲル繊維が形成されます。また、その後の架橋が行われ、パーメントネットワークが形成されます。

一部の親水性ポリマーは溶融紡糸法によってハイドロゲル繊維にすることができ、凝固は溶融状態からの相転移によって行われます。^[5]電界紡糸と同様に、プレゲル溶液は容器内で液体のままに保たれます。フィラメント状態でノズルを離れた後、繊維は冷たい周囲の空気に触れて凝固し、その形状を維持します。

一例としては、ロングらが開発した溶融紡糸装置が挙げられ、この装置ではポリ乳酸（PLA）とポリカプロラクトン（PCL）繊維の溶融紡糸が実現されている。^[5]

ドロースピニング技術と同様に、直接インク書き込み技術は、可逆的な物理的凝固を利用してハイドロゲル繊維を製造します。 ^[6]プレゲル溶液は、ミクロゲルなどの微粒子を添加することで生成できる剪断減粘プロセスによって液化されます。ノズルから出た後、ハイドロゲルは凝固して形状を維持し、架橋後にネットワークが完成します。

一例として、ルイスら^[6]が開発した繊維の製造が挙げられます。この繊維では、シルクフィブロインを使用して、望ましいせん断減粘特性を生み出しました。その後、溶媒を変更したときにネットワークが形成されました。

物理的凝固と同様に、ハイドロゲル繊維を製造するためにいくつかの化学的架橋法が開発されている。そして、化学的架橋法によるハイドロゲル製造の達成の鍵は、形成されたネットワークとチューブ壁との間の効果的な分離である。^[1]

ハイドロゲル繊維を製造するために、マイクロ流体デバイスに基づく多くの方法が開発されてきた。^[1]

_{最も一般的に使用される繊維製造方法の1つは、CaCl 2}によるアルギン酸ナトリウムの架橋であり、形成されたアルギン酸カルシウムが架橋点として機能し、アルギン酸鎖を結合してネットワークを形成し、ポリマーを固化します。その後、このアルギン酸ハイドロゲル繊維は、二次ネットワークの重合のテンプレートとして使用できます。さらに、マイクロ流体デバイス内の流体力学を制御することにより、デバイスを変更することなく、結果として得られる繊維の直径と形状を調整できます。^[1]

^{実践としては、ヤンら[7]}が報告したアルギン酸溶液の製造が挙げられる。彼らはアルギン酸ナトリウムをコア流体として、CaCl2を健康流体として使用し_、この2つの流体が出会うと架橋ネットワーク（ハイドロゲル繊維）が形成され、層流は反応中も管状の形状を維持した。

他の光開始フリーラジカル重合反応も繊維製造に使用できます。^[1]この場合、shealth 流体はコア流体をチューブ壁から分離するためにのみ使用されました。また、十分に速い凝固を達成するために、通常、より濃縮されたモノマー溶液が使用されました。

一例として、Beebeら^[8]が報告した4-ヒドロキシブチルアクリレート繊維の製造が挙げられます。彼らが使用したマイクロ流体デバイスは、エチルビニルアセテートキャピラリーとPDMSゴムで構築されました。コア流体は、4-ヒドロキシブチルアクリレート、アクリル酸、エチレングリコールジメタクリレート（架橋剤）、2,2'-ジメトキシ-2-フェニルアセトンフェノン（光開始剤）の混合物でした。シース流体は分離のためだけに使用されました。架橋ネットワークは、UV光がコア流体に当たったときにフリーラジカル重合によって形成されました。

短いハイドロゲル繊維しか製造できないが、管状の型の中でハイドロゲルネットワークを重合し、繊維を強制的に押し出すことでハイドロゲル繊維を製造することもできる。^[9]しかし、長さが長くなるにつれて摩擦が増加するため、短いハイドロゲル繊維しか実現できない。

一例として、yunら^[9]が報告したポリ(アクリルアミド-コ-ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート)繊維の製造が挙げられる。プレゲル溶液は、AAM、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA、架橋剤)、および2-ヒドロキシ-2-メチルプロピオフェノン(光開始剤)の混合物であった。混合物を管状の金型に注入し、その後静水力で抽出した。

自己潤滑紡糸と呼ばれる興味深い現象は、繊維の脱型を容易にし、管状の型からハイドロゲル繊維を連続的に生産することを可能にする。^[10]重合プロセス中に、不活性な第2のポリマーが存在する場合、それは特に形成されたネットワークから追い出され、比較的容易に移動することができる。架橋ネットワークの表面にある線状ポリマーも浸透圧のために水溶媒を含むため、潤滑層が形成される。したがって、固化したポリマー繊維は摩擦力が減少された状態でチューブから出ることができ、連続生産が達成できる。

一例として、Zhaoら^[10]が報告したPAAM/PAMPS半相互浸透ネットワークハイドロゲル繊維の製造が挙げられます。プレゲル溶液は、PAMPS、AAM、PEGDA（架橋剤）、および2-ヒドロキシ-4'-（2-ヒドロキシエトキシ）-2-メチルプロピオフェノン（光開始剤）の混合物でした。プレゲル溶液は、一定速度でPTFEチューブに供給され、UV光を使用して反応が開始されました。

表面形態と断面の形状は、溶媒を除去した後に走査型電子顕微鏡（SEM）画像で観察することができます。 ^[1]また、環境走査型電子顕微鏡（ESEM）を使用して湿ったハイドロゲル繊維を観察することができます。^[10]しかし、異なる処理はハイドロゲル繊維の表面形態に劇的な影響を与えます。ハイドロゲル繊維を直接乾燥させると、溶媒を除去した後にポリマーネットワークが崩壊するため、滑らかな表面が得られます。^[1] ハイドロゲル繊維を凍結乾燥させると、通常、氷結晶の細孔形成効果により多孔質表面が見られます。ESEMは表面形態を直接観察できます。結果として得られる画像は通常、水分が徐々に失われることで形成されたしわのある滑らかな表面を示します。^[10]

繊維の機械的特性はテストされますが、実用的な理由から、そのプロセスは難しい場合があります。 [ ^11]機械的特性は、2つのホルダーの間にハイドロゲル繊維を固定することにより、ユニバーサルテストマシンでテストされます。ただし、ホルダーの圧縮により、ハイドロゲル繊維は保持点で破損する傾向があります。^[11]また、テスト中の水分の損失は結果のデータに影響を与えるため、損失を吸収するための予防策を講じる必要があります。^[9]また、ハイドロゲル繊維の引張強度は通常1 MPa未満です。^[10]

光学特性は、光センシング関連の用途のためにテストされます。^[2]これには、光の減衰、屈折率、透過率などが含まれます。^[9]これらの光学特性は、ハイドロゲルの組成によって大きく影響されます。

細胞毒性試験は、細胞増殖足場などの用途で行われる。^[12]蛍光タンパク質を産生する能力を持つ細胞を増殖させることにより、細胞の成長を蛍光イメージング技術で監視することができる。

透明なハイドロゲル繊維は光ファイバーとして使用でき、刺激に反応する官能基をグラフトして光センサーを作成することができます。^[2]たとえば、Yunらによる研究では、グルコースに敏感なフェニルボロン酸がポリマーネットワークにグラフトされました。グルコース濃度が変化すると、フェニルボロン酸の吸着がそれに応じて変化し、特定の波長での光強度で記録できます。

機械的強度が低いという欠点はあるものの、織物法でハイドロゲル繊維を構築するアプローチがいくつかなされてきた。^[1] また、電界紡糸法、メルト紡糸法、DIW法では、高次元のハイドロゲル繊維構造を直接製造することができる。^{[6] [13] [5]}

ハイドロゲル繊維は細胞の成長や薬剤の放出のための足場の製造に使用することができる。^{[12] [1]}

刺激応答性ハイドロゲル繊維は、アクチュエータやソフトロボットとして使用することができます。^{[10] [14] [15] [16] [17]}ハイドロゲル繊維を編み込むことで、一本の繊維の力を高めることができます。また、ハイドロゲル繊維間の滑りにより、曲げによる歪みが軽減され、性能がさらに向上します。^[10]