ナノファイバーはさまざまな最終製品に応用されています。ここでは、ナノファイバーの効用を応用したアプリケーション領域および最終製品例の一部をご紹介いたします。
エア・フィルタ
従来のフィルター膜にナノスパイダー TMを用いて作製したナノファイバーを一層加えることによって、フィルタ性能を高めることができます。
ナノスパイダーTMを用いたエレクトロスピニングではナノファイバー特有の構造が持つ特性を生かすことでフィルタ性能を向上させることができます。
ナノファイバーフィルタは商品化されているフィルタ膜の性能を向上させるだけでなく、それ以上の機能を持たせることも可能です。
ナノファイバーを使用することで得られる価値は:
より低コストの基材 ＋ 薄いナノファイバー皮膜 = 原材料費を抑えながら高いフィルタ性能
技術説明
ナノスパイダーTM を用いて電界紡糸したナノファイバー膜の効果は、機能の組み合わせによって得られるものであるため、他の多くのフィルタとの違いを生み出します。
ナノスパイダー™では多孔質で極めて軽量の単層のファイバー膜を継続して紡糸することができます。
以下のデータは、ナノスパイダーTMによって生産されたナノファイバーの特性についてのまとめたものです。ナノファイバーによりフィルタの性能が向上します。
- サブミクロン繊維直径
平均繊維直径 調整可能範囲 0.075 µmから0.250 µm （0.025µmの増分）
より大きな繊維径の紡糸可能 - 表面積が大きく、気孔率が高い
多孔質 – 60-90% （低固体）
孔サイズ： 0.1 µm-3 µm
比較的狭い細孔径分布
表面積 10-100 m2/g - フィルター効率および風量最適化
幅広い基材との設計が可能
高いフィルター効率を備えながら圧損の少ない複合媒質 - 幅広い材料から選択可
高分子材料とそのブレンドにより広範から材料の選択可
添加物により繊維に付加価値を与えられる
ナノファイバー効果
サブミクロン繊維は、フィルタやフィルタ膜のフィルター効率を向上させます。材料から基材の選定など広範囲の設計なので、メディアの専門家が圧損、フィルター効率およびフィルタ寿命の相互作用を確認しながら必要な条件のための最適化ができます。
下図はエルマルコナノスパイダーTMで電界紡糸したナノファイバーをコーティングしたフィルター膜の代表的な分別濾過効率曲線です。
深層空気濾過
進化し続けるエルマルコのナノファイバー・テクノロジーによってナノファイバーの新たな利用法が実証されました。濾材の表面でなく深層部分で粒子を捕集する勾配濾材です。エルマルコのナノファイバーにより実現された高空隙率、細い繊維径、細孔サイズそして高比表面積がこの濾材のキーポイントとなり、高い構造的フィルタ効率、高い粉塵保持容量、低圧損の特長を持つ勾配複合濾材の性能をアップします。
HVAC参考フィルタ
フィルター効率に優れ、より低い圧力損失、より高い粉塵保持容量を実現
エルマルコのHVAC参考フィルタはナノファイバーの新たな応用例の実証、そして設計から製造までのすべての段階において実現可能なコンセプトであるというとを証明するために作製された参考品です。
HVAC参考フィルターは3層からなる複合材の1層にPA6ナノファイバー層を使用しています。これにより、ナノファイバーを少ない目付でコーティングするだけでF9クラスの濾材が作製できることを実証しています。この深層濾過フィルタは最終的にプリーツ加工され、ISO16890 / IPA蒸気暴露テストに合格しています。
カタログはこちらからダウンロードできます。
合成繊維100%の濾材
ナノファイバーを用いた多層複合濾材は、一般的に流通している合成繊維をベースにしています。少量のナノファイバーをコーティングすることで、高い構造的安定性と丈夫さを兼ね備えた合成繊維100%の濾材が出来上がります。
物理的構造による濾過 （メカニカルフィルター）
メカニカルフィルターは、すべてのフィルタータイプの中で最も汎用性があり、エアフィルターのほとんどの範囲をカバーしています。メカニカルフィルターは時間の経過とともに粒子を捕集するため、捕集効率と圧損は徐々に増加します。逆に、偏光繊維で構成されている静電フィルタは、経時的に、また特定の化学物質、エアロゾル、又は高い相対湿度にさらされたときに収集効率を失います。
実証されたコンセプト
参考フィルタープロジェクトによって必要なデザインの全ておよび製造のステップが開発されたことにより、このコンセプトの実現可能性が実証されました。
この多層複合濾材のコンセプトによってさまざまな設計パラメータによる応用が可能となり、最終的なフィルターのデザイン選定に役立ちます。また、これらの特長により濾過作業時にかかる電力消費量を抑えることができるため、システムの運用コストを下げることにつながります。
液体フィルタ
エルマルコの工業用エレクトロスピニング設備は、さまざまな分野における液体濾過製品のパフォーマンスおよび価値向上に貢献しています。
ナノファイバーを使用した濾過媒体は、水、飲料、バイオ医薬品分野材料、血液、化学物質、油、ディーゼル、ガソリンなど様々な用途があります。ナノファイバーを新しいツールとして、前例のないフィルター媒体の設計が可能になりました。ナノファイバーは既存のフィルター材の性能向上のため、薄くコートして組み込まれる場合やナノファイバーだけを用いてフィルター媒体を設計する場合があります。
エレクトロスピニングの一つであるNanospiderTM技術は、ナノファイバー構造の特性を生かし、最適なフィルターを設計することができます。ナノファイバーフィルター媒体は商品化されているフィルタ膜と性能を競い合うだけでなく、それ以上の機能を持たせることも可能です。
より低コストの基材 ＋ 薄いナノファイバー皮膜 = 原材料費を抑えながら高いフィルター性能
技術説明
高度なフィルター性能を得るためには、フィルタリングされる粒子の大きさに合わせてフィルター材料中のチャネルと孔のサイズの調整が必要です。これまでの研究により、同じ気孔サイズをもつ従来の市販のフィルター膜と比較し、ナノファイバー膜がより高い流出流量をもつことが明らかになっています。
液体濾過でのナノファイバーの重要な機能
– 高多孔度
– 小さいポアサイズ
– 互いにつながった細孔構造
– 特有の物理的性能および機械性能
– 化学的/物理的の表面機能化への設計上のフレキシビリティ
高機能アパレル
近年、人体を保護する衣料に使用するべく、防水通気性生地の研究開発が盛んに行われています。その布の最終性質は、複合されたすべての材料、および後処理加工によって決定されます。アウトドアや産業用の特定性能基準を満たすため、膜技術および先進的な高分子および材料の開発が行われています。
電界紡糸したナノファイバーは、そのユニークな特性が製品機能に貢献すると考えられ、多様な機能衣料への応用が期待されています。ユニークな性質とは、高比表面積、小さい繊維直径、化学との合併の可能性、ろ過特性、層のうすさ、高い通気性、および目付が小さいことなどがあげられます。
技術説明
高性能アパレル素材は、ナノファイバー層単体ではなく複合材料として評価されます。
最もよく評価されるパラメータを以下に示します。
– 耐水性: 水柱測定
– 通気性: 空気透過性
– 透湿度: 材料を通じた水分の拡散
– ウインドプルーフ: 衣服への空気の侵入の遮断
– 耐久性
吸音材
吸音材として大きな利点をもたらすことのできるナノファイバーは、長らく吸音材への応用が提案されています。最近のナノファイバー製造装置の進歩は、生産コストを削減し、高性能のナノファイバーおよびナノファイバー膜により既存の吸音材に容易に複合させることを可能にしました。
音は、空気粘性、材料における非可逆性変形、ならびに繊維と空気の間の熱伝導によって減衰します。
また、吸音効果は、繊維の細かさ、繊維構造、気孔率密度のような構造的特徴に対応しています。
ほとんどの音響エネルギーは空気の振動と孔の表面の間で消費されます。この気孔の表面では速度勾配が低下し、振動粒子の運動エネルギーは熱エネルギーへ変換されます。
音は反射されずに透過するような材料、または熱エネルギーに変化する材料に吸収されます。
吸音は、音吸収係数（α）- その表面上に入射する所定の表面によって吸収音響エネルギーの無次元比- として測定されます。
吸音率は材料に吸収される音エネルギーと吸音材に入社した音エネルギーの比です。それ故に理論上の1が最大値となります。
音のエネルギーの一部は吸収され、残りは周囲環境に反射されます。
吸音率が増加すると、音響絶縁材の効果も改善されます。
医療
下記のアプリケーションはナノファイバーを活用することのできる主な医療分野です。これら以外の多くの医療用アプリケーションでも、同様にナノファイバー材料のユニークな特性から恩恵を受けることができます。医療目的のためのナノファイバーは、生分解性ポリマーから紡糸することができ、これらに多種多様な添加剤を加えることで、必要な機能を付け加えることができます。さらに、ナノファイバーの構造・サイズ(ヒト細胞のサイズに極めて近い)は制御でき、こうして再生医療・組織工学の研究に最適化されます。
創傷治癒
生体高分子(キトサン、ゼラチン、コラーゲン、ポリカプロラクトンなど、あるいはこれらの材料の組合せ)を原料とするナノファイバー膜は、創傷被覆材や、創傷治癒に重要な利益をもたらすことができます 。
in vitroからin vivoでのどちらの実験結果も、ナノファイバー材料が有意な効果を示しました。
汚染された傷にナノファイバー材料を使用する際、ナノファイバー構造に抗菌材料および薬物を添加できます。
成長因子を加え、皮膚組織の増殖を助ける材料を添加することによって肉芽形成や新しい皮膚組織の再表皮形成を促進させます。
創傷を単一のナノファイバー層によって覆うこともできれば、他のキャリアを組み込んだ複合材料としてナノファイバー層を活用することもあります。
再生医学
生体高分子(コラーゲン(ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなど))を原料とするナノファイバー材料は、細胞増殖を促進する基板となりえます。
適切な機械構造および構造特性をもったナノファイバー材料によって、異なる種類の細胞を 移植するのに適したスキャフォールド（足場）を作成することができます。
ナノファイバー基板は細胞増殖を助け、患者の細胞から作られる組織置換を効果的に促します。
また、ナノファイバー足場の製造の間、たとえば、異種生体活性材料、成長因子および免疫抑制薬のといった他の薬物を組み込むことも可能です。
バリア繊維
バリア繊維には疎水性のナノファイバー層（たとえばポリウレタンまたはポリフッ化ビニリデン）が含まれ、ウイルス、細菌、カビなどの微生物侵入を防ぐ効果的なバリアです。
バリア繊維は基本的にナノファイバー層をキャリア層と被覆層の間に挟んだ「サンドイッチ構造」として作製されます。
複合「サンドイッチ」構造は、キャリア層に被覆層をラミネートすることによってつくられます。
スパンボンドやメルトブローン不織布は、キャリアおよび被覆層として選ばれることがあります。
バリア繊維は、手術用ガウン、ドレープ、使い捨てマスクなどに活用できます。
ドラッグデリバリーシステム (DDS)
バイオポリマーから作られたナノファイバー膜は、生体活性材料またはドラッグキャリアとして用いることができます。
医薬品有効成分をナノファイバーの中に組み込むと、医療成分を効率よく放出させることができます。
結果として、ナノファイバーは、これまで難しかった難溶性薬物の生体内利用性を改善します。
私たちは、特に難溶性薬物のための医薬品バイオアベイラビリティーの改善に向け、新規な方法を提案します。
電界紡糸法により作製したナノファイバーを用いる方法は、医薬品有効成分（API）を生分解性ポリマーからなるナノファイバーに取り込むことで、ドラッグデリバリーシステムが自然に速く医薬品を放出することができます。
臨床検査により、この原理は各種の投薬の種類と各種のドラッグデリバリータイプ（例：経口、直腸、膣、経皮）など広範域で適用できることができると証明されました。
ドラッグデリバリーシステムへの効果
- 薬剤放出制御プロファイル
- BCS IIやBCS IVなどの難溶性薬物の剤形
- 高い生物学的利用能を伴ったドラッグデリバリーシステム
医薬品メーカーにとってのメリット
- 既存製剤方法の革新
- 新剤形による知的財産保護の延長
- ドラッグデリバリーシステムにおける必要API減容
- 体へ毒性の影響を軽減
ナノファイバーの製造に使用されるNanospiderTM技術は、研究用途から工業レベルの生産まで容易にスケールアップできるよう設計されています。また、バルク医薬品製造にも適したテクノロジーです。
製剤開発
私たちは、製薬企業にカスタマイズ製剤開発、生産を提案いたします。
新しい画期的な技術によって、私たちはスーパージェネリック(ジェネリックに新たな付加価値を加えたもの)として、既存の製剤に難溶性薬物を組み込むための製剤設計が可能となりました。
我々の技術では多様なドラッグデリバリーシステム用に薬剤をナノファイバー膜に組み込むことができます。
この技術を使用した際に得られるもっとも大きなメリットは、特許の延長が可能であり、また電界紡糸法で作製したナノファイバーの特徴を活かし、市場の拡大を図れることです。
医薬品有効成分
生物学的薬剤を含む種々のタイプの薬剤はナノファイバー作製が可能であり、ドラッグデリバリーを目的とした試験が行われています。
特に、難溶性薬物であるBCS IIやBCS IVはナノファイバーを使うことで大きなメリットを得ることができます。
ローディング容量は、薬剤の種類によって異なりますが、一般的に50wt%までです。
難溶性薬物の生物学的利用能の改善
ナノファイバー膜では、医薬品有効成分(API)がアモルファス状態で分布します。APIの結晶の非存在は示差走査熱量測定 (DSC) によって検証されました。
より正確に言うと、ナノファイバーの中の非結晶APIは、ポリマー内で均一な分子分散しています。
したがって物理化学的にAPIをナノファイバーの空間内に安定させます。
弊社のナノファイバー技術ではAPIの溶解度を増大させるので、生物学的利用能改善に大きく役立ちます。
特にBCS IIやBCS IVなどの難溶性薬物を使用するドラッグデリバリーは、ナノファイバーによって大きなメリットを得ることができます。
ナノスパイダーTM技術によって作製される薬用ナノファイバー膜は、単にBCS IIやBCS IVの医薬品有効成分の溶解性を高くするだけでなく、溶解や放出の過程のスピードを速めることができます。
さらに、非常に広い応用範囲での薬の放出プロフィルを最適化する可能性をもっています。
難溶性薬物の生物学的利用能の改善は、現在当社が集中して取り組んでいる分野であり、ドラッグデリバリー分野のパートナーに高付加価値を提供するために、当社の専門性の利点を最大限に活かし力を注いでいます。
In vitro (イン・ビトロ)
ドラッグデリバリーシステムにおいてナノファイバーが生物学的利用能の改善をもたらすことを証明するために、試験管レベルの体外測定では、異なる種類の医薬をナノファイバーに組み込み、試験を行いました。
ダビガトラン（抗凝固薬の新薬）を用いた試験結果を示します。
Pradaxa（抗凝固薬の商品名）マイクロペレットと電界紡糸法で作製したナノファイバーマットから放出される活性物質DG（10mg）を比較しました。ナノファイバーマットはpolyvinylpyrrolidonからできており、同量の10mgの薬品がロードされています。
胃におけるDGの溶解度はpHが低い条件で非常によい結果が得られました。
しかし薬の吸収は、小腸においてPradaxa錠が沈殿するため治療効果は非常に低くかったです。
一方、ナノファイバー膜は、そのサイズとアモルファス形状から、より良いDG溶解が得られました。
結果、Pradaxa錠剤と比較すると、ナノファイバー膜は薬の高い溶解速度を達成し、また高濃度まで溶解させることがわかりました。
in vitroでの一連の試験結果は、ナノファイバー膜が現在使用されているドラッグディリバリーシステム（特に難溶性薬物を使用した場合）のパフォーマンスを強化できるということを証明しました。
In vivo (イン・ビボ)
パイロット研究で、生体内でのin vivo試験として、ラットを用い、フラボノイドの消化管吸収速度の違いを、ナノファイバーと錠剤を用いて検証しました。
in vivoでの吸収薬物の量は、HPLC/UV検出システムにより決定しました。それぞれ三つのサンプルを用いて試験を行いました。
結論
・フラボノイドの吸収はナノファイバーのほうが早い結果が得られました。
・薬物血中濃度差は投与30分後に最高値を記録しました。
・ナノファイバーにおける薬物血中濃度－時間曲線下面積（AUC）は、錠剤と比較し三割ほど高かったです。
今後、投与量に対する吸収量の比率を上げるため、吸収バリアの影響を少なくしながら同じ薬物吸収量を得るために、低用量のフラボノイドをナノファイバーに加え実験を行う予定です。
バッテリーセパレーター
バッテリーセパレータは、すべてのバッテリーにおいて重要な役割を担っています。セパレータの主な役割は、正極・負極間におけるイオンの移動をスムーズにするのと同時に両極間を隔離し電気回路の短絡を防止することです。セパレータは非常によい電子絶縁体である一方、イオンを通す性能を持ち合わせていることが求められます。イオン移動性は真性型イオン伝導体であるか電解質を含浸することによって得られます。それらは、電池の電解エネルギー効率に逆の影響を与えるいかなるプロセスも最小限にとどめなくてはなりません。
セパレータは電極間に配置され、イオンを透過させながら電極の電気接触を防止する多孔質膜です。
代々セパレータの材料には多種多様なものが使用されてきました。スギのこけらやソーセージの皮に始まり、セルロース紙やセロファンからポリマー材料でできる不織布、発泡体、イオン交換膜および微孔性フラットシート膜までさまざまなものが使われてきました。
電池がより高度になり、セパレータに求められる機能もより高く複雑なものとなってきました。
一般に使用されているPPとPEのセパレータは、PVDF, PVDFコポリマーおよびPANからなるナノファイバーセパレータに置き換わる可能性があります
ナノスパイダーTM装置は、不織布セパレータ生産を可能にします。このナノファイバーを用いたセパレータは、次のような最も重要な電池セパレーター性能要件を満たします:
– 化学的安定性
– 引張強度(巻取機で巻き取り可能である)
– 熱安定性（90°Cで60分間後、5%未満の収縮(真空時))
– 厚さ(寸法安定性）
– 多孔性(40%超)
– 孔サイズおよび細孔径分布(細孔径分布が狭いほど電流密度の不均一性に起因するパフォーマンス低下を防ぐことができる)
優れたパラメーターを持つ電池の構成を実現することが可能です
上記のパラメーターを持たせた電池の構成を実現することが可能です。
エルマルコのNanospiderTM技術は、以下の点においてコストパフォーマンスに優れたセパレータの製造を可能にします：
– セパレータの目付が低いため高分子材料の低消費
– バッテリ電力密度の大幅な上昇
– より高い充放電速度
– 電池の長寿命化
無機マテリアル
無機材料は日常生活で私たちを取り囲む多くのアプリケーションで使用されています。無機材料事業にナノファイバーを取り入れると、より高いパフォーマンスレベルが期待できます。無機ナノファイバーは、セラミックたは金属酸化物で作製されるため、製造工程は有機ナノファイバーとは異なります。
有機成分と調整した材料を用い、エレクトロスピニングによって大量生産したのち、後処理で焼成材料から有機化合物を熱分解させ無機ナノファイバーを得ます。
無機ナノファイバーの主な用途例は、触媒(例: 光触媒)、電極材料、センサや、機械的性質、電気および磁気特性が増加させることができるのでナノコンポジット、また医療や化粧品分野でも応用が期待されています。
ナノファイバー効果
• 電子および物質輸送の特性
• 光吸収
• 種の拡散
• 機械的に安定した構造
• ナノコンポジットとして電気特性および磁気特性をもつナノファイバー
技術データ
• 繊維直径: 120 – 700 nm
• 繊維長: 数 – 数百μm
• 表面積: 数 – 数百m2/g
• 結晶構造: 準備プロセスによって決定される
■お問合せ■
KAZELFA (カゼルファ) 株式会社
Tel: 042-372-8860 Email: info@kazelfacorp.com
