多溶媒系が電界紡糸プロセスに与える影響

なぜ微細な繊維と単純な液体が重要なのか

通気性のあるマスクからスマート包帯、食品包装まで、現代の多くの材料は極めて細いプラスチック繊維のマットに依存しています。これらのナノファイバーを作る最も汎用性の高い手法の一つが電界紡糸で、高電圧を用いて液体から糸を引き出します。本稿は一見単純だが実務上は重大な問いを投げかけます：実験室で日常的に使われる溶媒――プラスチックを溶かす液体――の選択や混合が、きれいで有用な繊維を生むのか、それとも液体が突然使い物にならないゲルに変わるのかをどのように制御するのか？

荷電した液体から繊維を紡ぐ

電界紡糸は、溶媒に溶かしたポリマーを小さなノズルから供給するところから始まります。高電圧を印加すると細い流れが収集板に向かって飛び、髪の毛よりも細い繊維の網となって固まります。この方法の魅力は、繊維径、表面の滑らかさ、気孔率を用途に応じて調整できる点にあり、薬剤を運ぶドレッシングから空気・水のフィルターまで幅広く使えます。しかしプロセスは液体の性質に非常に敏感です：粘度、表面張力、電気伝導性はいずれもどの溶媒、あるいは溶媒の組み合わせが使われるかで決まります。本研究では生分解性プラスチックであるポリブチレンコハク酸（PBS）に注目し、クロロホルムに溶かしたPBSに沸点の高い第二の溶媒を混ぜた場合に何が起きるかを探っています。

透明な液体が急にゼリー状になるとき

研究チームはクロロホルムを、三つの一般的な有機溶媒――ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）、およびd-リモネン――と系統的に混合し、二種類の市販PBSを溶かしました。その結果、多くの二溶媒混合物は透明のままではなく、ゆっくりと濁り、最終的にゼリー状またはグリース状の塊に変化することが観察され、特にDMFやDMSOが含まれる場合に顕著でした。溶液を注意深く加熱・冷却し、液体とゲルの間で切り替わる温度を追跡することで、研究者らは転移温度をマッピングし、この変化に必要なエネルギー障壁を推定しました。溶媒分子の形状と電荷分布の解析は、高極性のDMFやDMSOが互いに、そしてPBS鎖上の特定部位と強く結びつくことを示唆しています。これらの接触は鎖の一部を事実上固定し、可動性を低下させることで局所的な沈殿やゲル化を促します。

プラスチックのわずかな違いが挙動に大きな差を生む

興味深いことに、分子量はほぼ同じであっても二つのPBS製品はかなり異なる反応を示しました。一方のグレード（BioPBS FD 92）は極性共溶媒の含有量が比較的高い場合にのみゲル化したのに対し、もう一方（PBE 003）はごく少量の添加で濁り始めました。著者らはこの違いを、密度のわずかな差、鎖構造、工場出荷時に加えられた加工助剤といった微妙な相違に結び付けており、これらが溶媒分子がポリマー鎖間に入り込むしやすさを変えていると説明します。粘度測定ではBioPBS溶液の方が粘性が高く、これが電界紡糸中の荷電ジェットを安定化させ、より均一な繊維を得るのに寄与しました。対照的に、粘度の低いPBE 003溶液は不安定になりやすく、時間とともにゲル化が進行すると繊維径のばらつきや紡錘状の欠陥が多く出現しました。

滑らかな糸から多孔で不安定な繊維へ

電子顕微鏡を用いて、研究者らは各溶媒組合せから得られた繊維を比較しました。DMFを第二溶媒に用いると滑らかで連続的な繊維が得られましたが、代わりにDMSOを使うと繊維表面に多孔構造が生じました。著者らはこれを蒸気誘起の相分離に起因すると説明しています：親水性の高いDMSOは周囲の空気から水分を吸収し、溶媒が完全に蒸発する前にPBSが繊維表面で沈殿し、微小な空隙を残すためです。急速にゲル化する混合物では、使える加工ウィンドウは約30分にまで狭まりました。それを超えるとジェットが切れ、繊維径は不規則になり太い紡錘が出現し、時間依存のゲル化が製品品質とスケールアップ能力を直接損なうことが示されました。

より環境配慮した繊維材料への示唆

日常的な観点から、本研究は「互換性のある液体ならどれでも」プラスチックを溶かせば信頼できる、精密に調整されたナノファイバーが得られるわけではないことを示しています。溶媒の組合せと混合比は、液体を紡げる友好的な状態からプロセスを詰まらせる硬いゼリーへ、あるいは滑らかな繊維か多孔質の繊維かのいずれかへと静かに導くことがあります。生分解性PBSについては、DMFやDMSOのような極性の共溶媒は繊維径や質感の制御に有用ですが、含有量と温度を慎重に管理しないとゲル化を引き起こす可能性があります。こうした隠れた相互作用とそれが加工時間に与える影響を特定することで、本研究は医療、包装、ろ過向けのより安全で環境に優しいナノファイバー製品を設計するための実用的な道筋を提供します。予期せぬトラブルのない紡糸ラインを目指す上で有益な知見と言えるでしょう。

引用: Borowczak, M., Sobczyk, K. & Leluk, K. The influence of multi-solvent systems on the electrospinning process. Sci Rep 16, 8666 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42574-0

キーワード: 電界紡糸, ナノファイバー, 生分解性ポリマー, 溶媒混合物, ゲル化