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CN111149144A - 水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法 - Google Patents

水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法 Download PDF

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CN111149144A
CN111149144A CN201880063535.XA CN201880063535A CN111149144A CN 111149144 A CN111149144 A CN 111149144A CN 201880063535 A CN201880063535 A CN 201880063535A CN 111149144 A CN111149144 A CN 111149144A
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CN
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polyvinyl alcohol
hydrogel composition
biological tissue
tissue model
biological
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CN201880063535.XA
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太田信
清水康智
高桥廉
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Tohoku University NUC
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Tohoku University NUC
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Abstract

提供适宜地维持生物组织模型的粘性、并且能够削减制造生物组织模型的时间及费用的水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法。本发明的水凝胶组合物为构成生物组织模型的水凝胶组合物，包含聚乙烯醇和具有假塑性的化合物。生物组织模型包含所述水凝胶组合物。生物组织模型的制造方法包含：生成包含聚乙烯醇和具有假塑性的化合物的溶液的工序；和将所述溶液以0.01～300sec‑1的剪切速率吐出到生物组织模型的铸模中的工序。

Description

水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法
技术领域
本发明涉及作为生物组织模型的成型材料等使用的水凝胶组合物、使用该水凝胶组合物的生物组织模型、及使用该水凝胶组合物的生物组织模型的制造方法。
背景技术
专利文献1公开了一种生物组织模型，其以聚乙烯醇水凝胶组合物为成型材料。如专利文献1所例示的生物组织模型可如下制造：使用分配器等装置向生物组织模型的铸模吐出聚乙烯醇溶液，使经注射成型或压接成型的聚乙烯醇溶液凝胶化，从而制造。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2007-316434号公报
非专利文献
非专利文献1:Kosukegawa，H.，Mamada，K.，Kuroki，K.，Liu，L.，Inoue，K.Hayase，T.and Ohta，M.，Mesurements of Dynamic Viscoelasticity of Poly(vinyl alcohol)Hydrogel for the Development of Blood Vessel Biomodeling，Journal of FluidScience and Technology，、Vol.3，No.4(2008)，pp.533-543
发明内容
发明要解决的课题
在生物组织模型的制造中，为了使水凝胶组合物的粘性及弹性与实际的生物组织的粘性及弹性相同，有时会使用高浓度的聚乙烯醇溶液。聚乙烯醇溶液的粘度随着聚乙烯醇浓度的提高而增大。因此，在将高浓度的聚乙烯醇溶液用于生物组织模型的制造时，吐出聚乙烯醇溶液就需要较多的能量。
另外，若聚乙烯醇溶液浓度高、聚乙烯醇溶液的粘度增大，则分配器的喷嘴部或针部发生堵塞的可能性就增高。喷嘴部或针部发生堵塞时，无法使来自分配器的聚乙烯醇溶液的吐出量维持恒定。因此，在将高浓度的聚乙烯醇溶液用于生物组织模型的制造时，用于使分配器的吐出量维持恒定的维护的时间及费用增加。
因此，在使用高浓度的聚乙烯醇溶液制造生物组织模型时，存在用于制作生物组织模型的时间及费用可能增加的问题。
本发明是解决上述问题的发明，目的在于，提供适宜地维持生物组织模型的粘性、并且能够削减制造生物组织模型的时间及费用的水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法。
用于解决问题的方案
本发明的水凝胶组合物为构成生物组织模型的水凝胶组合物，包含聚乙烯醇和具有假塑性的化合物。
另外，本发明的生物组织模型包含上述水凝胶组合物。
另外，本发明的生物组织模型的制造方法包含：生成包含聚乙烯醇和具有假塑性的化合物的溶液的工序；将上述溶液以0.01～300sec-1的剪切速率吐出到上述生物组织模型的铸模中的工序。
发明的效果
根据本发明，通过使用聚乙烯醇和具有假塑性的化合物，可以提供能够适宜地维持生物组织模型的粘性、并且削减制造生物组织模型的时间及费用的水凝胶组合物、生物组织模型、及生物组织模型的制造方法。
附图说明
图1为示出构成本发明的水凝胶组合物的聚乙烯醇的结构的化学式。
图2为示出本发明的水凝胶组合物的化学结构的概要图。
图3为示出本发明的水凝胶组合物的经氢键连接的交联区域的一部分的概要图。
图4为示出本发明的实施例2的聚乙烯醇溶液的试样1～5的、剪切速率与动态粘度的关系的图。
图5为示出本发明的实施例2的聚乙烯醇溶液的试样1及6～9的、剪切速率与动态粘度的关系的图。
图6为示出本发明的实施例4的含有黄原胶的水凝胶组合物的试样的、黄原胶的浓度与相对于0.5的应变的杨氏模量的关系的图。
具体实施方式
[聚乙烯醇]
对构成本发明的水凝胶组合物的聚乙烯醇1进行说明。
(聚乙烯醇的化学结构)
图1为示出构成本发明的水凝胶组合物的聚乙烯醇1的结构的化学式。需要说明的是，图1的化学式中的m及n为表示1以上的整数的变量。
如图1所示，聚乙烯醇1为包含直链型的基本骨架2和官能团3的高分子化合物的合成树脂。聚乙烯醇1的基本骨架2由以化学式-CH2-CH-表示的m个第1碳氢骨架部2a、和与第1碳氢骨架部2a相同的化学式-CH2-CH-表示的n个第2烃骨架部2b构成。在聚乙烯醇1中，第1碳氢骨架部2a与第2烃骨架部2b通过碳原子间的共价键直链状无规地键合。官能团3具有m个疏水性的乙酸基4(-COOCH3)和n个亲水性的羟基5(-OH)，所述乙酸基4在每1个第1碳氢骨架部2a上连接1个，所述羟基5在每1个第2烃骨架部2b上连接1个。
(聚乙烯醇的制造方法)
作为工业制品的聚乙烯醇1可通过包含合成工序、聚合工序和皂化工序的工序来制造。合成工序为由乙烯及乙酸生成单体即乙酸乙烯酯的工序。聚合工序为由单体即乙酸乙烯酯生成聚合物即聚乙酸乙烯酯的工序。皂化工序为将聚乙酸乙烯酯的乙酸基4的一部分置换为羟基5的工序。将上述工序所制造的聚乙烯醇1的沉淀物从水中分离、纯化，制造结晶性的聚乙烯醇1。对于结晶性的聚乙烯醇1，通过干燥而除去水分，成为聚乙烯醇1的干燥物。聚乙烯醇1的干燥物可根据需要进行粉碎加工，以颗粒状或粉末状的工业制品形式使用。
(聚乙烯醇的工业用途)
聚乙烯醇1除了可作为制作生物组织模型的成型材料使用之外，还可作为人工关节等生物适合性材料的原料、化妆品原料及药品添加剂来使用。
除此以外，聚乙烯醇1还可以用于广泛的用途。例如，聚乙烯醇1还可作为合成纤维即维尼纶的原料、平板显示器用光学膜即偏振片膜的原料、及缩醛树脂的原料使用。此外，聚乙烯醇1还可作为纤维加工剂、纸加工用的涂布剂、纸加工用的粘结剂、粘接剂、液体浆糊、玩具或理科教学材料等中使用的软泥、氯乙烯的聚合稳定剂、无机物的粘结剂等使用。
[水凝胶组合物]
然后，使用图2对本发明的水凝胶组合物10的化学结构进行说明。
(水凝胶组合物的化学结构)
图2为示出本发明的水凝胶组合物10的化学结构的概要图。需要说明的是，本发明的水凝胶组合物10包含聚乙烯醇1的树脂，也称为聚乙烯醇水凝胶。另外，聚乙烯醇水凝胶有时也简称为PVA-H。
凝胶组合物是指如下的组合物：在包含于链状的高分子化合物的特定的原子或原子团处，高分子化合物彼此部分键合而构成三维网格结构，在三维网格结构的内部含有失去了流动性而被束缚的低分子溶剂。在本发明中，将在网格结构的内部含有水作为溶剂的凝胶组合物、或在网格结构的内部含有水与对水有混溶性的有机溶剂的混合溶剂作为溶剂的凝胶组合物称为“水凝胶组合物”。
如图2所示，水凝胶组合物10的网格结构具有高分子链12和交联区域14，所述高分子链12为在高分子化合物中直链状键合的碳链部分；所述交联区域14为第1高分子链12a与第2高分子链12b之间的键合区域。需要说明的是，虽然图2中未能示出，但是第2高分子链12b与第1高分子链12a在扭转的位置邻接，通过交联区域14而在空间上键合。换言之，水凝胶组合物10的三维网格结构通过将第1高分子链12a和第2高分子链12b键合的交联区域14构成。
(水凝胶组合物的溶剂)
另外，如图2所示，水凝胶组合物10包含被由高分子链12和交联区域14构成的三维网格结构的网格部分16束缚而失去了流动性的低分子的溶剂18。虽然未图示，但是溶剂18的分子从高分子链12受到了基于分子间力的强引力，因此溶剂18的分子的自由度在三维网格结构的附近达到最低。即，溶剂18的分子的束缚力在三维网格结构的附近达到最大。另外，随着溶剂18的分子远离三维网格结构，溶剂18的分子的自由度变高，溶剂18的分子的束缚力变小。
在水凝胶组合物10中，作为低分子的溶剂18，没有限定，可以使用例如水与对水具有混溶性的有机溶剂的混合溶剂、水、或生理盐水。
作为适于溶剂18的水，有例如离子交换水、超滤水、反渗透水、蒸馏水等纯水、超纯水等，但不限于此。
另外，作为对水有混溶性的有机溶剂，没有限定，可以使用例如：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇等碳数1～4的烷醇类；二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等酰胺类；丙酮、甲乙酮、二丙酮醇等酮或酮醇类；四氢呋喃、二噁烷等醚类；乙二醇、丙二醇、1,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,2,6-己三醇、巯基乙醇、己二醇、丙三醇等多元醇类；聚乙二醇、聚丙二醇等聚烷二醇类；乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、二乙二醇甲醚、二乙二醇乙醚、三乙二醇单甲醚、三乙二醇单乙醚等多元醇的低级醇醚类；单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺等烷醇胺类；N-甲基-2-吡咯烷酮、2-吡咯烷酮、1,3-二甲基-2-咪唑啉酮、二甲基亚砜等。可根据赋予保湿性、赋予抗菌性、赋予防霉性、赋予导电性、调整粘性或弹性等目的来选择上述有机溶剂。另外，作为上述有机溶剂，可以仅将任一种有机溶剂单独使用，也可以使用两种以上的有机溶剂。
作为适宜的有机溶剂，有例如丙酮、二甲基甲酰胺、丙三醇、或二甲基亚砜等。对于本发明而言最适宜的有机溶剂为二甲基亚砜，其能够对水凝胶组合物10赋予适度的弹性。另外，二甲基甲酰胺也简称为DMF。
水凝胶组合物10可通过将使聚乙烯醇1溶解于低分子的溶剂18而得的溶液凝胶化来制造。具体的制造方法如后所述。
(水凝胶组合物的交联区域)
在本发明中，水凝胶组合物10的交联区域14仅具有通过羟基5的氢键进行物理交联而成的交联结构，可形成不具有通过共价键将高分子化合物彼此交联的、化学交联的交联结构的构成。
图3为示出本发明的水凝胶组合物10的经氢键连接的交联区域14的一部分的概要图。图3中的作为聚乙烯醇1的直链型的烷基链的基本骨架2对应于图2的水凝胶组合物10中的高分子链12。另外，如图3所示，在本发明中，水凝胶组合物10的交联区域14通过聚乙烯醇1的官能团3即羟基5的氢键进行物理交联。
即，水凝胶组合物10中的聚乙烯醇1的树脂具有三维网格结构。另外，水凝胶组合物10具有被束缚在聚乙烯醇1的树脂的三维网格结构的内部的、失去了流动性的低分子的溶剂18。
(水凝胶组合物的物理特性)
水凝胶组合物10根据聚乙烯醇1的聚合度及皂化度以及水凝胶组合物10中所含的聚乙烯醇1的含量等的不同而呈现出多样的物理特性。因此，使用水凝胶组合物10可以制作多样的生物组织模型。这里，对决定水凝胶组合物10的物理特性的参数中的一部分、即聚乙烯醇1的聚合度及皂化度以及水凝胶组合物10中的聚乙烯醇1的含量进行说明。
(聚乙烯醇的聚合度)
聚乙烯醇1的聚合度对应于聚乙烯醇1的基本骨架2的长度，随着聚合度变大，聚乙烯醇1的基本骨架2变长，聚乙烯醇1的分子量变大。聚乙烯醇1的聚合度由聚合工序中的聚乙酸乙烯酯的聚合度决定。聚乙烯醇1的聚合度例如可通过用凝胶渗透色谱法等液相色谱法测定分子量来计算。
另外，在使用图1所示的变量m及变量n的情况下，聚乙烯醇1的聚合度(DP)可用以下的数学式(1)来计算。
DP＝m+n…(1)
随着聚乙烯醇1的聚合度变大，水凝胶组合物10的粘性、皮膜强度、耐水性等物理特性上升。另外，随着聚乙烯醇1的聚合度变大，水凝胶组合物10的低温下的粘度稳定性等物理特性下降。另外，随着聚乙烯醇1的聚合度变大，聚乙烯醇1的分子量及分子间力变大，因此聚乙烯醇1的溶解性下降、粘性上升。
(聚乙烯醇的皂化度)
聚乙烯醇1的皂化度对应于聚乙烯醇1的官能团3中的羟基5的比例(RH)，随着皂化度变大，聚乙烯醇1的羟基5的量变多。聚乙烯醇1的皂化度根据皂化工序中由乙酸基4置换的、聚乙烯醇1中的羟基5的量决定。聚乙烯醇1的皂化度例如可通过用氢氧化钠定量聚乙烯醇1的乙酸基4的量来计算。具体而言，就皂化度(DS)而言，将定量而得的乙酸基4的量换算为摩尔百分率单位、即摩尔％单位作为聚乙烯醇1的官能团3中的乙酸基4的比例(RA)，从而用以下的数学式(2)以摩尔％单位的数值形式来计算。
DS＝RH＝1-RA…(2)
另外，在使用图1所示的变量m及变量n的情况下，聚乙烯醇1的皂化度(DS)通过以下的数学式(4)以单位为摩尔％的数值形式来计算。
DS＝{n/(m+n)}×100…(3)
随着聚乙烯醇1的皂化度变大，水凝胶组合物10的粘性、皮膜强度、耐水性等物理特性上升。另外，随着聚乙烯醇1的皂化度变大，水凝胶组合物10的低温下的粘度稳定性等物理特性下降。另外，随着聚乙烯醇1的皂化度变大，聚乙烯醇1容易结晶，因此聚乙烯醇1的溶解性下降，粘性上升。
(水凝胶组合物中的聚乙烯醇的含量)
水凝胶组合物10中的聚乙烯醇1的含量以重量％单位的、聚乙烯醇1的重量相对于水凝胶组合物10的重量的比例形式来计算。就水凝胶组合物10而言，随着聚乙烯醇1的含量的增加，聚乙烯醇1容易结晶，因此聚乙烯醇1的溶解性下降，水凝胶组合物10的粘性上升。
(利用具有假塑性的化合物进行的物理特性的调整)
在本发明中，使用具有假塑性的化合物作为通过减少聚乙烯醇1的含量而提高聚乙烯醇1的溶解性、且维持水凝胶组合物10的粘性的增稠剂。假塑性是指：在对流体施加压力等时流体的粘性下降的性质。具有假塑性的化合物例如选自黄原胶、超黄原胶(ultraxanthan；ウルトラキサンタンガム)、瓜尔胶、文莱胶、定优胶(diutan gum；ダイユータンガム)、罗望子胶、刺槐豆胶、鼠李聚糖胶(ランザンガム)、角叉菜胶、普鲁兰多糖、可得然胶、羟乙基纤维素、羟丙乙基纤维素、甲基纤维素、丙烯酸类、以及其盐及衍生物、以及它们的组合。
黄原胶为具有假塑性的化合物的代表例，为可通过发酵玉米淀粉等淀粉而生成的多糖类。黄原胶具有通过与水混合而产生粘性的性质，被作为增稠剂或增稠稳定剂用于化妆品、食品添加剂等中。在本发明中，通过将黄原胶添加到水凝胶组合物10中，从而可以减少聚乙烯醇1的含量、提高聚乙烯醇1的溶解性。另外，可以避免由减少聚乙烯醇1的含量而导致的、水凝胶组合物10的粘性下降。
[生物组织模型]
然后，对使用水凝胶组合物10的生物组织模型进行说明。通过使用水凝胶组合物10，可以以特别是粘性、弹性及水分保持性等物理特性与实际的生物软组织的物理特性类似的生物软组织模型形式来制作本发明的生物组织模型。
需要说明的是，在此后的说明中，“生物软组织”只要没有具体指定，则是指除了骨、齿、软骨等生物体的硬组织之外的生物组织。生物软组织没有限定，包括例如血管组织、口腔粘膜等口腔软组织；鼻腔粘膜等鼻腔软组织；耳道粘膜等耳道软组织；脑、心脏、肝脏、胰脏、脾脏、肾脏、膀胱、肺、胃、小肠、大肠、子宫、食道等内脏组织；皮肤组织、肌肉组织、眼球组织等。另外，“生物硬组织”是指骨、齿、软骨等生物体的硬组织。
(生物软组织模型中的聚乙烯醇的聚合度)
在制作生物软组织模型时，使用聚合度为1000～2000的聚乙烯醇1。在聚乙烯醇1的聚合度小于1000的情况下，由于水凝胶组合物10的皮膜强度的降低，生物软组织模型的弹性与实际的生物软组织的弹性相比也降低。另外，若聚乙烯醇1的聚合度超过2000，则由于水凝胶组合物10的粘性的上升，生物软组织模型的粘性与实际的生物软组织的粘性相比也上升。另外，由于水凝胶组合物10的粘性的上升，生物软组织模型的静摩擦系数与实际的生物软组织的静摩擦系数相比也变大。因此，在聚乙烯醇1的聚合度小于1000的情况下或超过2000的情况下，生物软组织模型的触感等官能性下降。
(生物软组织模型中的聚乙烯醇的皂化度)
另外，在制作生物软组织模型作为本发明的生物组织模型时，使用皂化度为85摩尔％以上的聚乙烯醇1。在聚乙烯醇1的皂化度小于85摩尔％的情况下，由于聚乙烯醇1的树脂的皮膜强度的下降，生物软组织模型的弹性与实际的生物软组织的弹性相比也下降。
聚乙烯醇1的皂化度越接近100摩尔％则越可以提高聚乙烯醇1在溶剂18中的溶解度。另一方面，若聚乙烯醇1的皂化度超过98摩尔％，则存在由于聚乙烯醇1的树脂的粘性上升、生物软组织模型的粘性与实际的生物软组织的粘性相比也上升的情况。另外，存在由于水凝胶组合物10的粘性上升、生物软组织模型的静摩擦系数与实际的生物软组织的静摩擦系数相比也变大的情况。因此，在使用皂化度超过98摩尔％的聚乙烯醇1制作生物软组织模型时，需要降低聚乙烯醇1的含量而使水凝胶组合物10的粘性不上升。
另外，在制作生物软组织模型时，可以仅单独使用皂化度为85摩尔％以上且聚合度为1000～2000的一种聚乙烯醇1来生成聚乙烯醇树脂。另外，也可以使用皂化度或聚合度不同的两种以上的聚乙烯醇1来生成皂化度的平均值为85摩尔％以上且聚合度的平均值为1000～2000的聚乙烯醇树脂。需要说明的是，在本申请中，“平均皂化度”这一术语对应于仅单独使用一种聚乙烯醇1时的“皂化度”、及使用两种以上聚乙烯醇1时的“皂化度的平均值”这两者。另外，在本申请中，“平均聚合度”这一术语对应于仅单独使用一种聚乙烯醇1时的“聚合度”、及使用两种以上聚乙烯醇1时的“聚合度的平均值”这两者。
聚乙烯醇1可以通过上述制造方法来制造。另外，聚乙烯醇1可以使用可从市场上获取的工业制品。皂化度为97摩尔％以上且聚合度为500～3000的聚乙烯醇1作为完全皂化型的工业制品而销售。例如，JAPAN VAM&POVAL CO.,LTD.以JF-05、JF-10、JF-17、JF-20、V、VO及VC-10等商品名作为工业制品销售完全皂化型的聚乙烯醇1。另外，株式会社可乐丽以例如PVA-105、PVA-110、PVA-117、PVA-117H、PVA-120及PVA-124等商品名作为工业制品销售完全皂化型的聚乙烯醇1。上述中，JAPAN VAM&POVAL CO.,LTD.的JF-17、JF-20、V、VO及VC-10、以及株式会社可乐丽的PVA-117H的商品名的工业制品属于皂化度为99摩尔％以上且聚合度为500～2000的聚乙烯醇1。
另外，在使用两种以上的聚乙烯醇来提供水凝胶组合物10时，可以将皂化度为70～90摩尔％且聚合度为500～3000的聚乙烯醇与完全皂化型的聚乙烯醇混合使用。
皂化度为70～90摩尔％且聚合度为500～3000的聚乙烯醇1可以通过上述制造方法来制造。另外，作为可从市场上获取的部分皂化型的工业制品，有皂化度为70～90摩尔％且聚合度为500～3000的聚乙烯醇1在销售。例如，JAPAN VAM&POVAL CO.,LTD.以JP-05、JP-10、JP-15、JP-20、JP-24、VP-18及VP-20等商品名作为工业制品销售部分皂化型的聚乙烯醇1。另外，株式会社可乐丽以例如PVA-205、PVA-210、PVA-217、PVA-220及PVA-224等商品名作为工业制品销售第2聚乙烯醇。
需要说明的是，作为聚乙烯醇1，也可以使用粉末状的干燥物或颗粒状的干燥物中的任一干燥物。但是，在考虑干燥物的溶解性及纯化度高度的情况下，聚乙烯醇1适宜为粉末状的干燥物。
(生物软组织模型中的聚乙烯醇的含量)
在制作血管组织等生物软组织模型时，使用5～20重量百分比的聚乙烯醇1的溶液。水凝胶组合物10中，若聚乙烯醇1的含量超过20重量百分比则聚乙烯醇1容易结晶化，因此水凝胶组合物10的粘性与生物软组织的允许范围相比会上升。另外，水凝胶组合物10中，若聚乙烯醇1的含量超过20重量百分比则聚乙烯醇1的溶解性下降。另一方面，水凝胶组合物10中，若聚乙烯醇1的含量小于5重量百分比，则聚乙烯醇1的溶解性上升、但聚乙烯醇1的结晶化得到抑制，因此水凝胶组合物10的粘性下降。
[水凝胶组合物中的其它添加物]
(凝胶化剂)
需要说明的是，水凝胶组合物10中可以根据需要添加少量的凝胶化剂来作为利用氢键进行物理交联的辅助剂。作为凝胶化剂，没有限定，可使用例如四硼酸钠等硼酸盐。另外，凝胶化剂相对于水凝胶组合物10的添加量没有限定，可以设为例如5重量％以下。
(防腐剂)
另外，水凝胶组合物10中可以根据需要添加少量用于赋予保存性的防腐剂。作为防腐剂，没有限定，可添加例如脱氢乙酸盐、山梨酸盐、苯甲酸盐、五氯酚钠、2-吡啶硫醇-1-氧化钠、2,4-二甲基-6-乙酰氧基-间二噁烷、1,2-苯并噻唑磷-3-酮等。防腐剂相对于水凝胶组合物10的添加量没有限定，可设为例如1重量％以下。
(染料或颜料等着色剂)
另外，为了使生物组织模型再现实际的生物组织的色彩，可以在水凝胶组合物10中根据需要添加少量着色剂。着色剂相对于水凝胶组合物10的添加量没有限定，可以设为例如1重量％以下。作为着色剂，没有限定，可以使用例如黑色染料、品红染料、青色染料及黄色染料等染料；或者红色颜料或品红颜料、蓝色颜料或青色颜料、绿色颜料、黄色颜料及黑色颜料等彩色的颜料。
(水溶胀性层状粘土矿物)
另外，在例如制作心脏等脏器的模型作为生物组织模型时，为了使脏器模型的弹性等物理特性与实际的脏器的物理特性类似，可以根据需要将水溶胀性层状粘土矿物添加到水凝胶组合物10中。水溶胀性层状粘土矿物能够分散于溶剂18，为具有层状结构的粘土矿物，水溶胀性层状粘土矿物的添加量没有限定，可设为例如1～5重量％。作为水溶胀性层状粘土矿物，没有限定，可以使用例如水溶胀性锂蒙脱石、水溶胀性胶岭石及水溶胀性皂石等水溶胀性蒙脱石；以及，水溶胀性合成云母等水溶胀性云母。另外，水溶胀性蒙脱石及水溶胀性云母能形成在粘土矿物层间包含钠离子的粘土矿物。
通过向水凝胶组合物10中添加水溶胀性层状粘土矿物，可以使脏器模型的弹性等物理特性、即机械强度与实际的脏器的机械强度类似。换言之，通过向水凝胶组合物10中添加水溶胀性层状粘土矿物，可以使脏器模型的触感等感官性与实际的脏器类似。因此，通过向水凝胶组合物10中添加水溶胀性层状粘土矿物，例如可以使手术用手术刀等切开时的触感与实际的脏器的触感类似，因此可以提供适合于手术练习的脏器模型。
如以上所示，通过使用水凝胶组合物10，可以提供能够使粘性或弹性等物理特性与实际的生物组织的物理特性类似的生物组织模型。特别地，在使用本发明的水凝胶组合物10制作生物软组织模型来作为生物组织模型时，可以提供适合于生物软组织的剥离或切开等手术练习的生物组织模型。
[生物组织模型的制造方法]
然后，对使用水凝胶组合物10的生物组织模型的制造方法的例子进行具体说明。在此后的说明中，考虑了制作血管组织、口腔软组织等生物软组织模型来作为生物组织模型的情况。
生物组织模型可以通过包含下述工序的方法来制造：将聚乙烯醇1添加到溶剂18中的工序；生成聚乙烯醇1的溶液的工序；将生成的聚乙烯醇1的溶液注射到生物组织模型的铸模中的工序；使注射到生物组织模型的铸模中的聚乙烯醇1的溶液凝胶化而制作生物组织模型的工序。
(聚乙烯醇向溶剂中的添加)
构成聚乙烯醇树脂的聚乙烯醇1可以为例如上述皂化度为99摩尔％以上且聚合度为500～2000的完全皂化型的聚乙烯醇1的粉末。添加到溶剂18中的聚乙烯醇1的量可以设为任意的量，以便得到适宜的水凝胶组合物10的物理特性。例如，在生物组织模型为血管组织模型时，可以通过将17重量份的聚乙烯醇1添加到溶剂18中生成。需要说明的是，聚乙烯醇1可以为两种以上的聚乙烯醇1的粉末的混合物。
作为用于制造生物组织模型的溶剂18，可以使用例如作为聚乙烯醇1的溶解性优异且低温下不冷冻的混合溶剂的、水与二甲基亚砜的混合溶剂。需要说明的是，在此后的说明中，二甲基亚砜也简称为DMSO。
另外，混合溶剂中的DMSO相对于水的重量比没有限定，可以设为例如1～10。本发明的水凝胶组合物10的制造中的、DMSO相对于水的适宜的重量比为1～5。生物组织模型的制造中的DMSO相对于水的最适宜的重量比为4。
另外，黄原胶等增稠剂及上述水凝胶组合物10中所含的其它添加物也可以在后文所述的生成聚乙烯醇1的溶液的工序之前添加到溶剂18中。
(聚乙烯醇溶液的生成)
对添加有聚乙烯醇1的溶剂18进行加热，一边用搅拌装置等进行搅拌，一边使其溶解于溶剂18，生成聚乙烯醇1的溶液。溶剂18的加热温度例如可以为60～120℃。另外，在考虑聚乙烯醇1的溶解度等的情况下，溶剂18的适宜的加热温度为100～120℃。需要说明的是，在考虑溶剂18中的水的沸点等的情况下，溶剂18的最适宜的加热温度为100℃。
需要说明的是，聚乙烯醇1向混合物的溶剂18的溶解可以在开放下进行，也可以在密闭下进行，若考虑防止杂质的混入等则适宜在密闭下进行。
(聚乙烯醇溶液向生物组织模型的铸模中的注射)
将生成的聚乙烯醇1的溶液注射到生物组织模型的铸模中。例如，将聚乙烯醇1的溶液在150～160kg/cm2的加压条件下注射到生物组织模型的铸模中，从而注入到生物组织模型的铸模中。通过将注射聚乙烯醇1的溶液时的加压条件设为150～160kg/cm2，可以减少被注入到生物组织模型的铸模中的聚乙烯醇1的溶液中所产生的气泡。因此，通过将注射聚乙烯醇1的溶液时的加压条件设为150～160kg/cm2，可以使被注入到生物组织模型的铸模中的聚乙烯醇1的溶液均质化。
生物组织模型的铸模可以通过例如使用切削加工、光成型(日语：光造形)或3D打印等造形装置的造形处理等来制造。生物组织模型的铸模的材料只要是可以将水凝胶组合物10制作成生物组织的形状的材料就没有特别限定，可以使用例如有机硅树脂、石英玻璃、金属、石膏、蜡或合成树脂等材料。例如，在使用黄铜、不锈钢、镍钛或氧化铝等金属作为生物组织的铸模的材料时，可以提高冷冻处理时的热传导、减少冷冻时间。
(聚乙烯醇溶液的凝胶化)
接着，对注入了聚乙烯醇1的溶液的生物组织模型的铸模进行冷冻处理。通过冷冻处理，从而生物组织模型的铸模的内部的聚乙烯醇1的溶液凝胶化为含有三维网格结构的聚乙烯醇树脂、和被束缚在三维网格结构的网格部分而失去流动性的溶剂18的聚乙烯醇水凝胶，所述三维网格结构的聚乙烯醇树脂具有多个高分子链、和将多个高分子链相互键合的交联区域。用于使聚乙烯醇1的溶液凝胶化的冷冻温度可以设为例如-20℃以下。另外，在考虑生物组织模型、即水凝胶组合物10的粘性及弹性等物理特性的情况下，生物组织模型的铸模的适宜的冷冻处理温度为-40～-20℃以下，最适宜的冷冻温度为-30℃。另外，生物组织模型的铸模的适宜的冷冻处理时间为24小时以上，最适宜的冷冻处理时间为24小时。另外，可以还考虑水凝胶组合物10的物理特性而将生物组织模型的铸模的冷冻处理次数设为数次。然后，将生物组织模型从生物组织模型的铸模中取出。
在生物组织模型的制造方法中，在将生物组织模型从生物组织模型的铸模中取出之前，可以进行将水凝胶组合物10中所含的二甲基亚砜乙醇置换为水的水置换处理。例如，在水凝胶组合物10的水置换处理中，将完成了冷冻处理的生物组织模型的铸模在足够量的乙醇中浸渍120分钟而进行将水凝胶组合物10的二甲基亚砜置换为乙醇的处理。接着，将生物组织模型的铸模在足够量的水中浸渍24小时而进行将水凝胶组合物10的乙醇与水置换的处理。
需要说明的是，也可以用上述以外的方法来制造生物组织模型。例如，也可以通过将上述聚乙烯醇1的溶液注入到生物组织模型的铸模中以外的处理来制造生物组织模型。生物组织模型还可以如下制造：使用喷墨方式的材料喷射造形装置之类的3D打印等造形装置，将聚乙烯醇1的溶液压接成型在生物组织模型的铸模上。另外，生物组织模型也可以通过将聚乙烯醇1的溶液涂布在生物组织模型的铸模上而制造。
另外，生物软组织模型的铸模可以部分地包含骨、齿、软骨等生物硬组织模型。骨、齿、软骨等的生物硬组织模型例如可以由石膏、木材、纸、金属、丙烯酸类树脂等合成树脂制造。
例如，可通过向丙烯酸类树脂中添加锯末和聚乙烯醇来制造骨的模型。就骨的模型而言，可通过丙烯酸类树脂的使用量来再现骨的硬度，通过锯末的粒径来再现骨的触感。另外，就骨的模型而言，可以通过添加聚乙烯醇而再现生物体内部的骨与生物软组织的密合状态。
另外，生物软组织模型例如可以制作成口腔模型、鼻腔模型、耳道模型、眼部模型、头部模型、胸部模型、腹部模型等生物模型的一部分。
例如，在制作口腔模型来作为生物体模型时，口腔模型可以如下制作：向包含上述骨的模型的口腔模型的铸模中注入聚乙烯醇1的溶液，凝胶化后将除了生物硬组织模型之外的铸模取出，从而制作。另外，口腔模型例如还可以如下制作：使用3D打印等造形装置将聚乙烯醇1的溶液压接成型在上述骨的模型上，使其凝胶化成水凝胶组合物10，从而制作。
上述口腔模型可以使骨的模型与口腔粘膜等口腔组织模型的密合状态与生物体内部的骨与口腔组织的密合状态达到同样程度。另外，就上述口腔模型而言，可以利用手术刀等外科用切割器具从生物硬组织模型均匀地剥离生物软组织模型。因此，上述口腔模型可以再现与生物体内部的口腔粘膜剥离手术同样的触感。
实施例
通过以下的实施例具体地说明本发明，但本发明不受这些实施例限定。
需要说明的是，在以下的说明中，有时将聚乙烯醇简称为“PVA”、将黄原胶简称为“XG”。另外，有时将重量百分比浓度简称为“wt％”。
[实施例1]
(聚乙烯醇溶液的试样的制作)
聚乙烯醇使用商品名为J-POVAL JF-17的JAPAN VAM&POVAL CO.,LTD.制的工业制品。J-POVAL JF-17是皂化度被调节为99.0摩尔％以上、聚合度被调节为1700的聚乙烯醇粉末。
在本实施例中，作为具有假塑性的化合物的代表例，使用黄原胶。黄原胶使用和光纯药工业制的工业制品。
二甲基亚砜与水的混合溶剂使用将二甲基亚砜相对于水的重量比调节为4的东丽精细化工株式会社制的工业制品。
以成为表1所示的浓度的方式将聚乙烯醇和黄原胶添加到二甲基亚砜与水的混合溶剂中，在100℃的温度条件下搅拌2小时而使聚乙烯醇和黄原胶溶解于混合溶剂，从而生成聚乙烯醇溶液的试样1～9。需要说明的是，表1中的“N/A”的表述表示聚乙烯醇溶液不含黄原胶。
[表1]
Figure BDA0002430299260000161
表1中的试样1为不含黄原胶的17重量百分比的聚乙烯醇溶液，为以往用于制作血管组织等生物软组织的模型的聚乙烯醇溶液的一例。
[实施例2]
(水凝胶组合物的动态粘度的测定)
测定通过实施例1中说明的方法生成的聚乙烯醇溶液的试样的动态粘度。在测定聚乙烯醇溶液的试样的动态粘度时，作为精密旋转粘度计，使用加拿大Brookfield公司制的型号RS-CPS的流变仪。作为用于测定粘度的传感器，使用型号为R25-2/3的测定芯轴。
在流变仪中，用300秒使聚乙烯醇溶液的试样的剪切速率加速到0.01～300(sec-1)，每隔3秒测定剪切速率和动态粘度。测定动态粘度时的聚乙烯醇溶液的试样的温度维持在40℃。对于每个聚乙烯醇溶液的试样，重复进行3次剪切速率及动态粘度的测定，计算3次测定值的平均值，作为各剪切速率下的动态粘度值。
图4为示出本发明的实施例2的聚乙烯醇溶液的试样1～5的、剪切速率与动态粘度的关系的图。图4的图中的横轴为剪切速率，单位为每秒(sec-1)。图4的图中的纵轴为动态粘度，单位为帕斯卡·秒(Pa·s)。
在图4的图中，用细实线示出试样1的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用双点划线示出试样2的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用粗虚线示出试样3的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用粗实线示出试样4的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用细虚线示出试样5的剪切速率与动态粘度的关系。
如图4所示，对于使用15重量百分比的聚乙烯醇溶液时的动态粘度峰而言，包含0.2重量百分比的黄原胶的试样4中为43.8(Pa·s)，包含0.5重量百分比的黄原胶的试样5中为61.9(Pa·s)。另一方面，作为17重量百分比的聚乙烯醇溶液的试样1的动态粘度峰为62.1(Pa·s)，结果接近15重量百分比的聚乙烯醇溶液的静止状态下的粘性的最大值即61.9(Pa·s)。
该动态粘性的峰是剪切速率为3(sec-1)时的聚乙烯醇溶液的动态粘性，因此可以说表示聚乙烯醇溶液在静止状态下的粘性。这里，15重量百分比的聚乙烯醇溶液的静止状态下的粘性最大为61.9(Pa·s)，可认为由于例如黄原胶中的盐含量等制品间的误差及测定装置等的测定误差而最少产生±10％的误差。因此认为，15重量百分比的聚乙烯醇溶液的静止状态下的粘性最大为68.1(Pa·s)。
因此，由图5的结果可明确，15重量百分比的聚乙烯醇溶液由于添加了大于0重量百分比且0.5重量百分比以下的具有假塑性的化合物而使水凝胶组合物得到了期望的粘性。另外可明确，聚乙烯醇溶液中添加有具有假塑性的化合物的情况下，在0.01～300的剪切速率下明显可见剪切速率依赖性的粘性下降效果。另外可明确，添加有具有假塑性的化合物的聚乙烯醇溶液在0.01～300的剪切速率下的动态粘度大于0(Pa·s)且为68.1(Pa·s)以下。
特别是示出了若剪切速率达到6(sec-1)以上，则15重量百分比的聚乙烯醇溶液的动态粘度与17重量百分比的聚乙烯醇溶液的动态粘度相比显著变小。特别是在包含0.1～0.2重量百分比的黄原胶的15重量百分比的聚乙烯醇溶液的情况下，6～170sec-1的剪切速率下的动态粘度达到16.6～40.8(Pa·s)。另外，剪切速率为12(sec-1)时的试样1的动态粘度与试样2～5的动态粘度之差最小也为19.3(Pa·s)。另一方面，若剪切速率超过170(sec-1)，则试样1的动态粘度与试样2～5的动态粘度之差达到0.2～6.0(Pa·s)左右，几乎恒定。
由以上的结果可明确：在本发明中，以6～170sec-1的剪切速率将包含具有假塑性的化合物的15重量百分比的聚乙烯醇溶液吐出到生物组织模型的铸模中的方式特别有效。这是由于，在6～170sec-1的剪切速率下，包含黄原胶的15重量百分比的聚乙烯醇溶液的动态粘度与不含黄原胶的17重量百分比的聚乙烯醇溶液的动态粘度相比变小。从而，在6～170sec-1的剪切速率下，与17重量百分比的聚乙烯醇溶液相比，可以以较少的能量吐出包含黄原胶的15重量百分比的聚乙烯醇溶液。因此可明确，通过使用包含具有假塑性的化合物的聚乙烯醇溶液，能削减生物组织模型的制造费用。
另外，在本发明中，可以减小聚乙烯醇溶液的动态粘度，因此可以避免堵塞分配器等装置的喷嘴部或针部的情况。因此，可以削减用于维护分配器等装置的费用及时间，能够削减制造生物组织模型的费用及时间。
图5为示出本发明的实施例2的聚乙烯醇溶液的试样1及6～9的、剪切速率与动态粘度的关系的图。即，图5的图中的横轴为剪切速率，单位为每秒(sec-1)。图5的图中的纵轴为动态粘度，单位为帕斯卡·秒(Pa·s)。
在图5的图中，用细实线示出试样1的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用双点划线示出试样6的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用粗虚线示出试样7的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用细虚线示出试样8的剪切速率与动态粘度的关系。另外，用粗实线示出试样9的剪切速率与动态粘度的关系。
如图5所示，使用12重量百分比的聚乙烯醇溶液时的、动态粘度峰在试样9中为18.7(Pa·s)，成为作为12重量百分比的聚乙烯醇溶液的试样6～9的动态粘度峰的最大值。另一方面，如上所述，作为17重量百分比的聚乙烯醇溶液的试样1的动态粘度峰为62.1(Pa·s)。
该动态粘性的峰为剪切速率为3(sec-1)下的聚乙烯醇溶液的动态粘性，因此可以说表示聚乙烯醇溶液在静止状态下的粘性。12重量百分比的聚乙烯醇溶液的静止状态下的粘性最大为18.7(Pa·s)，结果明显低于17重量百分比的聚乙烯醇溶液的静止状态下的粘性即62.1(Pa·s)。由于12重量百分比的聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇依赖性的粘性低于15重量百分比的聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇依赖性的粘性而产生了该结果。因此，由图5的静止状态下的粘性的结果可明确，在12重量百分比的聚乙烯醇溶液的情况下，即使增大黄原胶的浓度也得不到与17重量百分比的聚乙烯醇溶液同等的静态粘性。另外，对于使聚乙烯醇溶液凝胶化的水凝胶组合物而言，同样也得不到期望的粘性。以上的结果表明，12重量百分比的聚乙烯醇溶液的聚乙烯醇依赖性的粘性低，因此即使添加具有假塑性的化合物也无法明显看到剪切速率依赖性的粘性下降效果。
如上所述，在制作血管组织等生物软组织模型时使用5～20重量百分比的聚乙烯醇溶液。12重量百分比的聚乙烯醇溶液的情况下未明显看到剪切速率依赖性的粘性下降效果，15重量百分比的聚乙烯醇溶液的情况下明显可见剪切速率依赖性的粘性下降效果。该结果表明，15重量百分比以上的聚乙烯醇溶液具有剪切速率依赖性的粘性下降效果。另外，12重量百分比的聚乙烯醇溶液虽然未明显看出剪切速率依赖性的粘性下降效果，但是试样9的动态粘度峰上升至18.7(Pa·s)。该结果表明，小于13重量百分比的聚乙烯醇溶液未明显看到剪切速率依赖性的粘性下降效果，小于13重量百分比的聚乙烯醇溶液则明显可见剪切速率依赖性的粘性下降效果。因此，实施例2的动态粘度的测定结果表明：水凝胶组合物中的聚乙烯醇的含量为13～20重量百分比、上述水凝胶组合物中的上述具有假塑性的化合物的含量大于0重量百分比且为0.5重量百分比以下时，明显可见剪切速率依赖性的粘性下降效果。
[实施例3]
(水凝胶组合物的试样的制作)
将通过实施例1所示的方法生成的聚乙烯醇溶液在常温环境下冷却到40℃。然后将聚乙烯醇溶液注入铸模，将注入了聚乙烯醇溶液的铸模在-30℃的温度条件下冷却24小时，如表2及表3所示地制作水凝胶组合物的试样A～M。铸模使用的是长边长度为50mm、短边长度为8mm、厚度为1mm的矩形形状的不锈钢制的铸模。需要说明的是，表2中的“N/A”的表述表示水凝胶组合物不含黄原胶。
[表2]
Figure BDA0002430299260000201
[表3]
Figure BDA0002430299260000202
表2中的试样A为不含黄原胶的含有17重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物，为以往用于制作血管组织等生物软组织模型的水凝胶组合物的一例。
另外，作为比较例，生成了含有以往作为增稠剂的海藻酸钠来代替黄原胶的聚乙烯醇溶液，在与上述试样A～M的制作条件相同的条件下制作表4所示的水凝胶组合物的比较试样AA、BB、及CC。试样AA、BB及CC的试样数均设为1。另外，作为海藻酸钠，使用关东化学工业株式会社的特级“鹿1级”的市售品。需要说明的是，在以下的说明中，有时将海藻酸钠简称为“AlgNa”。
[表4]
Figure BDA0002430299260000211
[实施例4]
(水凝胶组合物的拉伸应力的测定)
测定实施例3中制作的水凝胶组合物的试样A～M、以及比较试样AA、BB及CC的拉伸应力。在测定水凝胶组合物的试样的拉伸应力时，使用作为单轴拉伸试验机的岛津制作所制的型号为EZ-S的小型台式试验机。按照将水凝胶组合物的试样的长边侧的两端用单轴拉伸试验机的夹具夹住且使夹具间的初始距离为40mm的方式固定水凝胶组合物的试样。
接着，将固定后的水凝胶组合物的试样以20mm/min的速度沿着双向拉伸，直至水凝胶组合物的试样的应变达到100％，然后使水凝胶组合物的试样的应变恢复至0％。即，将固定后的水凝胶组合物的试样沿着双向拉伸至夹具间的距离达到初始距离的2倍，然后使夹具间的距离恢复至初始距离。实施例2中将固定后的水凝胶组合物的试样拉伸至80mm，然后恢复至40mm。
在实施例2中，考虑水凝胶组合物的试样的滞后性而将上述动作循环重复3次，在第3次循环中，每隔0.05秒测定水凝胶组合物的试样的应变和水凝胶组合物的试样的拉伸应力。
另外，由拉伸试验的结果计算成为水凝胶组合物的试样的拉伸弹性的指标的杨氏模量。若水凝胶组合物的试样的应变值大于0.6，则应变与拉伸应力之间的非线性性变得显著。因此，对于水凝胶组合物的各试样，计算使杨氏模量维持线形性的0.5的应变、即50％的应变下的杨氏模量。对于试样A～M，以各试样A～M各自的平均值±标准偏差来计算杨氏模量。
图6为示出本发明的实施例4的含有黄原胶的水凝胶组合物的试样的、黄原胶的浓度与相对于0.5的应变的杨氏模量的关系的图。图6中的图的横轴为黄原胶的浓度，单位为重量百分比(wt％)。图6中的纵轴为相对于0.5的应变的杨氏模量，单位为千帕(kPa)。图6中的虚线表示试样A的相对于0.5的应变的杨氏模量的平均值。另外，图6中的实线表示包含15重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物在改变黄原胶浓度时的相对于0.5的应变的杨氏模量的变化，各标绘点从左侧起依次表示试样B～M的相对于0.5的应变的杨氏模量的平均值。另外，各试样B～M的相对于0.5的应变的杨氏模量的标准偏差通过从各标绘点沿着上下方向延伸的误差棒来示出。需要说明的是，不含黄原胶且包含15重量百分比的聚乙烯醇的试样B的、相对于0.5的应变的杨氏模量为140.4±3.8(kPa)，小于150(kPa)。
如图6所示，含有黄原胶的试样C～M可以确保与不含黄原胶的试样B同等程度或更高的杨氏模量。特别地，如图6的单点划线所示，在含有0.15～0.20重量百分比的黄原胶的情况下，包含15重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物的相对于0.5的应变的杨氏模量最接近包含17重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物的相对于0.5的应变的杨氏模量。具体而言，包含17重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物(试样A)的相对于0.5的应变的杨氏模量为204.8±13.7(kPa)。与此相对地，包含0.15重量百分比的黄原胶的试样D的相对于0.5的应变的杨氏模量为186.1±12.1(kPa)。另外，包含0.2重量百分比的黄原胶的试样E的相对于0.5的应变的杨氏模量为172.1±10.9(kPa)。
另外，如图6所示，黄原胶的含量在0.12～0.15重量的范围内的相对于0.5的应变的杨氏模量与黄原胶的含量为0.15～0.20重量百分比时相比降低，但是超过150(kPa)。另外，黄原胶的含量在0.20～0.25重量百分比的范围的相对于0.5的应变的杨氏模量与黄原胶的含量为0.15～0.20重量百分比时相比降低，但超过150(kPa)。另外，即使在范围中包含含有0.40重量百分比的黄原胶的水凝胶组合物(试样H)的、0.34～0.46重量百分比的范围内，相对于0.5的应变的杨氏模量超过150(kPa)。另外，即使在范围中包含含有0.60重量百分比及0.70重量百分比的黄原胶的水凝胶组合物(试样K)的、0.55～0.82重量百分比的范围内，相对于0.5的应变的杨氏模量超过150(kPa)。
与此相对地，比较试样AA的相对于0.5的应变的杨氏模量为98(kPa)。比较试样BB的相对于0.5的应变的杨氏模量为1.1×102(kPa)。比较试样CC的相对于0.5的应变的杨氏模量为1.3×102(kPa)。即，使用含有海藻酸钠的聚乙烯醇溶液的水凝胶组合物中，相对于0.5的应变的杨氏模量最大为1.3×102(kPa)，小于150(kPa)。
以上的结果表明，使用含有具有假塑性的化合物的聚乙烯醇溶液的水凝胶组合物可以有效增加水凝胶组合物的杨氏模量、即水凝胶组合物的硬度。
在非专利文献1中，作为水凝胶组合物的动态粘弹性G’的上限值，使用18重量百分比的聚乙烯醇溶液的水凝胶组合物的动态粘弹性G’为2.0×105(Pa)、即200(kPa)。这里，非专利文献1的动态粘弹性G’为以1(Hz)这种低频率测定而得的值，因此可以作为表示水凝胶组合物的静态粘弹性的、相当于剪切弹性模量的参数来使用。另外，在将水凝胶组合物作为血管组织等生物软组织模型的材料使用时，水凝胶组合物的泊松比为0.5。另外，若水凝胶组合物的泊松比为0.5，则非专利文献1的动态粘弹性G’成为相对于0.5的应变的杨氏模量、即拉伸模量的1/3倍。
因此，在用本实施例的水凝胶组合物制作血管组织等生物软组织模型时，可以按照相对于0.5的应变的杨氏模量至少为6.0×102(kPa)以下的方式构成水凝胶组合物。另外可认为，由于黄原胶中的盐含量等制品间的误差、及测定装置等的测定误差，水凝胶组合物的动态粘弹性G’最少会产生±10％的误差。因此，在也考虑±10％的误差的情况下，可以按照相对于0.5的应变的杨氏模量至少为6.6×102(kPa)以下的方式构成水凝胶组合物。而且，如上所述，在用本实施例的水凝胶组合物制作血管组织等生物软组织模型的情况下，制作使用了最大20重量百分比的聚乙烯醇溶液的水凝胶组合物，因此可以按照相对于0.5的应变的杨氏模量至少为7.0×102(kPa)以下的方式构成水凝胶组合物。
另一方面，根据非专利文献1，水凝胶组合物的动态粘弹性G’的下限值显示为5×103(kPa)。因此，在用本实施例的水凝胶组合物制作血管组织等生物软组织模型时，可以按照相对于0.5的应变的杨氏模量至少为15.0(kPa)以下的方式构成水凝胶组合物。另外，在也考虑±10％的误差的情况下，可以按照相对于0.5的应变的杨氏模量至少为13.5(kPa)以下的方式构成水凝胶组合物。
根据以上的考察，相对于0.5的应变的杨氏模量达到13.5～700(kPa)的水凝胶组合物可适宜作为生物组织模型的成型材料来使用。
另外，黄原胶的含量为0.12～0.25、0.34～0.46或0.55～0.82重量百分比的水凝胶组合物与不含黄原胶的情况相比，相对于0.5的应变的杨氏模量增加。特别是含有0.15～0.20重量百分比的黄原胶的聚乙烯醇的水凝胶组合物，相对于0.5的应变的杨氏模量达到1.6×102～2.0×102(kPa)。因此，黄原胶的含量在上述范围内的水凝胶组合物或相对于0.5的应变的杨氏模量在上述范围内的水凝胶组合物可适宜作为能增加硬度的生物组织模型的成型材料使用。另外，相对于0.5的应变的杨氏模量达到1.6×102～2.0×102(kPa)的水凝胶组合物能够更适宜地作为生物组织模型的成型材料使用。
特别是含有15重量百分比的聚乙烯醇和0.15～0.20重量百分比的黄原胶的水凝胶组合物，其相对于0.5的应变的杨氏模量与不含黄原胶的包含17重量百分比的聚乙烯醇的水凝胶组合物接近。如实施例2所示，含有黄原胶的15重量百分比的聚乙烯醇溶液与不含黄原胶的17重量百分比的聚乙烯醇溶液相比，动态粘性变小。因此，在本发明中，通过用包含15重量百分比的聚乙烯醇和0.15～0.20重量百分比的黄原胶的水凝胶组合物制造生物组织模型，可提供能削减制造的费用及时间的生物组织模型。
符号说明
1 聚乙烯醇、2 基本骨架、2a 第1碳氢骨架部、2b 第2烃骨架部、3 官能团、4 乙酸基、5 羟基、10 水凝胶组合物、12 高分子链、12a 第1 高分子链、12b 第2高分子链、14 交联区域、16 网格部分、18 溶剂。

Claims (10)

1.一种水凝胶组合物，其为构成生物组织模型的水凝胶组合物，包含：
聚乙烯醇、和
具有假塑性的化合物。
2.根据权利要求1所述的水凝胶组合物，其中，所述具有假塑性的化合物选自由黄原胶、超黄原胶、瓜尔胶、文莱胶、定优胶、罗望子胶、刺槐豆胶、鼠李聚糖胶、角叉菜胶、普鲁兰多糖、可得然胶、羟乙基纤维素、羟丙乙基纤维素、甲基纤维素、丙烯酸类、以及其盐及衍生物、以及它们的组合所组成的组。
3.根据权利要求1或2所述的水凝胶组合物，其中，所述水凝胶组合物中的所述聚乙烯醇的含量为13～20重量百分比，
所述水凝胶组合物中的所述具有假塑性的化合物的含量大于0重量百分比且为0.5重量百分比以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的水凝胶组合物，其中，所述水凝胶组合物的相对于0.5的应变的杨氏模量为1.35～700kPa。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的水凝胶组合物，其中，所述聚乙烯醇的平均皂化度为85摩尔％以上，
所述聚乙烯醇的平均聚合度为1000～2000。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的水凝胶组合物，其中，在所述溶液的剪切速率为0.01～300sec-1的情况下，生成所述水凝胶组合物之前的包含所述聚乙烯醇和所述黄原胶的溶液的动态粘度大于0Pa·s且为68.1Pa·s以下。
7.一种生物组织模型，其包含权利要求1～6中任一项所述的水凝胶组合物。
8.根据权利要求7所述的生物组织模型，其中，所述生物组织为生物软组织。
9.根据权利要求8所述的生物组织模型，其中，所述生物软组织为血管组织。
10.一种生物组织模型的制造方法，其包含：
生成包含聚乙烯醇和具有假塑性的化合物的溶液的工序；和
将所述溶液以0.01～300sec-1的剪切速率吐出到所述生物组织模型的铸模中的工序。
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