技術ノート | ElastoSens™ Bio
ハイドロゲルの凍結乾燥における最適条件に関する指針
by Dr. Dimitria Camasão
Rheolution Inc. シニア・アプリケーション・スペシャリスト
凍結乾燥は、天然または合成ポリマーからなるハイドロゲルから多孔質のスキャフォールドを製造するための一般的な手法である。 多くの場合、高分子溶液は架橋され（高分子鎖間に結合や相互作用が形成される）、その後、ハイドロゲルが凍結乾燥されて、多孔質の乾燥したスキャフォールドが得られる（1-3）。 この架橋段階は、完了までに数分から数時間かかる場合があり、架橋条件を強制的に停止して試料を凍結乾燥機に移すタイミングは、乾燥したスキャフォールドの最終的な構造に大きな影響を与えます。 この架橋段階から凍結乾燥への移行は、多くの場合、目視によって判断されますが、この判断の精度が欠如していると、最終的に得られる乾燥スキャフォールドにばらつきが生じ、生産収率が大幅に低下する可能性があります。本テクニカルノートでは、ElastoSens™ Bioを使用して、この最適な移行点を決定するための指針について説明します。
高分子溶液から成形されたハイドロゲルへの架橋段階は、時間依存的なプロセスであり、その間、（pH、光、温度などの必要な条件が維持されている限り）鎖間の相互作用の数が最大値に達するまで継続的に増加する。 これは、形成中のハイドロゲルの剛性と直接関係しています。相互作用の増加に伴い、ハイドロゲルの剛性は最大かつ安定したレベルに達するまで継続的に増加します。ElastoSens™ Bioは、サンプルの剛性（せん断弾性率、G’）を時間の関数としてリアルタイムで測定することができ、それによって完全な架橋曲線（または反応速度）を取得することができます（図 1）。
図1：せん断貯蔵弾性率（G’）に基づくハイドロゲルの架橋反応速度。ポリマー鎖間の相互作用の数は時間とともに増加し、それに伴いG’も増加する。最適な乾燥スキャフォールドは、凍結乾燥プロセスが開始された時点でのハイドロゲルの剛性に依存する。
図2：せん断貯蔵弾性率（G’）に基づくハイドロゲルの架橋反応速度。同じハイドロゲルであっても、ロットによって一定の剛性に達するまでの時間が異なる。
数回の反復を経て、ユーザーはElastoSens™ Bioによって得られた架橋曲線の中から、所定のプロセスにおいて最適なスキャフォールド構造（多孔率、細孔径、細孔間の相互接続性、均一性、機械的特性）をもたらす最適な剛性レベル（最適点または最適範囲）を特定することができます（図1）。 この決定後、各生産サイクルにおいて、ポリマー溶液の分画を本装置で試験し、凍結乾燥工程に進む前に同等の剛性レベルに達していることを確認することができます。架橋段階から凍結乾燥工程へのこの正確な移行は、業界において高い生産収率を得るために極めて重要であることが示されています。 さらに、これにより、凍結乾燥製品の研究開発を加速させることも可能になります。
当社の技術が、微小な量の試料を用いて、軟らかい生体材料や組織の粘弾性特性を非破壊的に測定する仕組みをご覧ください。
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