(57)【要約】      （修正有）【課題】環境に対するマイナスの影響を最小限とし、さらなる機能的特徴を与える光学デバイスを提供する。【解決手段】ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法は、バイオポリマーを提供する工程１２と、このバイオポリマーを加工してバイオポリマーマトリックス溶液を得る工程１４と、ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程１６と、その基材のナノパターンが形成された表面の上にバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程１８と、そのバイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、基材の上に固化したバイオポリマー膜を形成させる工程２０とを含み、ここでその固化したバイオポリマー膜は、その上にナノパターンを有する表面を伴い形成される。【選択図】図１
2014139684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮特許出願第６０／８５６，２９７号明細書（出願日：２００６年１１月３日、発明の名称：「Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」）の優先権の恩典を主張する。本出願はさらに、米国仮特許出願第６０／９０７，５０２号明細書（出願日：２００７年４月５日、発明の名称：「Ｎａｎｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」）の優先権の恩典を主張する。
【０００２】
政府支援
本発明は、ｔｈｅ  Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ｏｆｆｉｃｅ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｒｅｓｅａｒｃｈにより交付番号ＦＡ９５５００４１０３６３号として与えられた政府支援のもとになされた。本発明に関して政府は一定の権利を保有している。
【０００３】
発明の分野
本発明は、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスおよびそのようなデバイスを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
光学分野は、十分に確立されている。光学の下位分野としては、回折光学素子、微小光学素子、フォトニクス、および導波光学素子などが挙げられる。研究用途および商業用途のための光学素子のこれらおよびその他の下位分野において、各種の光学デバイスが作製されてきた。たとえば、一般的な光学デバイスとしては、回折格子、フォトニック結晶、光流体デバイス、導波路などが挙げられる。
【０００５】
これらの光学デバイスは、その用途およびその所望される光学的な特性に合わせて、各種の方法を用いて作製される。しかしながら、これらの光学デバイス、およびそれらを製造する際に採用される作製方法には、一般的に、非生分解性材料の顕著な使用が含まれる。たとえば、光学デバイスにおいては、ガラス、溶融シリカ、およびプラスチックが一般的に使用される。そのような材料は生分解性でなく、その光学デバイスが使用されなくなって廃棄された後でも、長期間にわたって環境の中に留まる。言うまでもないことであるが、それらの材料のいくつかは、リサイクルおよび再使用することが可能である。しかしながら、リサイクルにおいても、さらなる天然資源を消費することが必要であり、そのような材料に伴う環境コストが増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、環境に対するマイナスの影響を最小限とするような光学デバイスに対する必要性が、充足されないまま残っている。それに加えて、従来からの光学デバイスによっては得られなかった、さらなる機能的特徴を与える光学デバイスに対する必要性が、充足されないまま残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述のことを考慮に入れて、本発明の目的は、様々な用途において使用することが可能な、各種の新規なバイオポリマー光学デバイスおよびそのような光学デバイスを製造するための方法を提供することである。
【０００８】
本発明の一つの態様は、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを提供することである。
【０００９】
本発明のまた別の態様は、そのようなナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを製造するための方法を提供することである。
【００１０】
本発明の一つの利点は、環境に対するマイナスの影響を最小限とする光学デバイスを提供する点にある。
【００１１】
本発明のまた別の利点は、生体適合性がある光学デバイスを提供する点にある。
【００１２】
本発明のさらにまた別の利点は、従来からの光学デバイスによっては得られなかった、さらなる機能的特徴を有する光学デバイスを提供する点にある。
【００１３】
上記のことに関して、本発明の発明者らは、バイオポリマー、特に絹タンパク質が、新規な構造およびその結果としての機能を与えることを認識するに至った。たとえば、材料科学の観点からは、クモおよびカイコによって紡ぎ出される絹は、これまで知られている内では最も強く、最も強靱な天然繊維を代表するものであって、機能化、加工、および生体適合性において各種の機会を提供する。５０００年を超える歴史の中で、絹は需要のある織物から、科学的に魅力のある繊維へと移行していった。その特徴によって昔の人々を魅了したのと同様に、絹は、その強度、弾性、および生化学的な性質のために、今日この時代においても大いに注目を集めている。自己集合および集合における水の役割についての知見によって、絹の新規な材料特性が拡張した。それらの知見から、ヒドロゲル、超薄膜、厚膜、コンフォーマルコーティング（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ｃｏａｔｉｎｇ）、三次元多孔質マトリックス、固体ブロック、ナノスケール直径の繊維、および大直径の繊維を製造するための新規な加工方法が得られるようになった。
【００１４】
絹ベースの材料は、熱力学的に安定なタンパク質二次構造、別な呼び方ではベータシート（βシート）の天然の物理的架橋を用いて、それらの印象的な機械的性質を達成している。したがって、材料を安定化させるための、外部からの架橋反応や後加工による架橋はまったく必要としない。絹タンパク質鎖の上に多様なアミノ酸側鎖化学基が存在していることによって、絹を官能化させるための、たとえばサイトカイン、モルフォゲン、および細胞結合ドメインなどとの結合化学反応が容易となる。機械的側面、水系加工、機能化の容易さ、多様な加工モード、自己形成架橋、生体適合性、および生分解性を考慮に入れると、この範囲の材料特性および生物学的界面を提供するような、合成ポリマーまたは生物学的に誘導されたポリマー系は、これまで知られていない。
【００１５】
他のバイオポリマーまたは合成ポリマーでは、上述のような絹の特徴の範囲に合わせることは不可能ではあるものの、本発明の発明者らは、絹と同様の、または類似した各種の性質を示すいくつかの他のポリマーを同定した。具体的には、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（プルラン）、デンプン（アミロース  アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組合せを含む、他の天然バイオポリマーが同定された。バイオポリマー、特に絹の上述の特徴を考慮に入れて、本発明は、様々な新規なナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスおよびそのようなデバイスを製造するための方法を提供する。
【００１６】
本発明の一つの態様においては、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの一つの製造方法には、バイオポリマーを提供する工程、そのバイオポリマーを加工してバイオポリマーマトリックス溶液を得る工程、ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程、その基材の、ナノパターンが形成された表面の上にバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程、およびそのバイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、その基材の上に固化したバイオポリマー膜を形成させる工程が含まれる。その固化したバイオポリマー膜は、その表面上にナノパターンが含まれる。また別の実施態様においては、その方法にはさらに、任意で、その固化したバイオポリマー膜をアニールする工程、さらにはそのアニールしたバイオポリマー膜を乾燥させる工程が含まれる。これに関しては、固化したバイオポリマー膜をアニールする任意の工程は、真空環境中、水蒸気環境中、またはその両方を組み合わせた環境中で実施してもよい。
【００１７】
本発明の各種の実施態様においては、その基材と製造されたバイオポリマー光学デバイスは、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、またはビームリシェーパーであってよい。一つの実施態様においては、そのバイオポリマーが絹であり、そのバイオポリマーマトリックス溶液が、およそ１．０重量％以上３０重量％以下の絹を含む絹フィブロイン水溶液、たとえば、およそ８．０重量％の絹を含む絹フィブロイン水溶液である。言うまでもないことであるが、他の実施態様では各種の重量％の溶液を使用して、得られるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの可撓性または強度を、所望の光学的機能は維持しながらも、用途に合わせて、最適化させてもよい。他の実施態様においては、そのバイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（プルラン）、デンプン（アミロース  アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組合せであってもよい。
【００１８】
また別の実施態様においては、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法にはさらに、その固化したバイオポリマー膜の中に有機物質を包埋させる工程、および／またはそのバイオポリマーマトリックス溶液の中に有機物質を添加する工程が含まれる。その有機物質は、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、またはフェノールスルホンフタレイン、またはそれらの有機物質の組合せであってよい。有機物質はさらに、以下のものであってもよい：核酸、色素、細胞、抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子（低分子；small molecules）、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物（light harvesting compounds）、たとえばクロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物、またはそれらの組合せ。
【００１９】
所望される光学デバイスのタイプに応じて、バイオポリマー中、またはバイオポリマーマトリックス溶液中に、有機物質の代わりにまたは有機物質に加えて、他の物質を包埋させてもよい。
【００２０】
本発明のまた別の態様においては、その上にナノパターンを有する表面を持つ固化したバイオポリマー膜を含む、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスが提供される。各種の実施態様においては、そのバイオポリマー光学デバイスが、光学格子、レンズ、マイクロレンズアレイ、パターン発生器、またはビームリシェーパーであってもよい。
【００２１】
本発明のこれらおよびその他の利点および特徴は、添付の図面を併せて参照すれば、以下の本発明の好ましい実施態様の詳細な説明から、より明らかになるであろう。
なお、本発明はさらに、以下の実施態様を含む。
［態様１］
ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程と、
前記基材の前記ナノパターンが形成された表面の上に、バイオポリマーを含むバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程と、
前記バイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、前記基材の上に、その上にナノパターンを有する表面を伴って形成された固化したバイオポリマー膜を形成させる工程と
を含む、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法。
［態様２］
バイオポリマーを提供する工程と、
前記バイオポリマーを加工して、前記バイオポリマーマトリックス溶液を得る工程と
をさらに含む、態様１に記載の方法。
［態様３］
前記固化したバイオポリマー膜をアニールする工程をさらに含む、態様１に記載の方法。
［態様４］
前記固化したバイオポリマー膜をアニールする前記工程が、真空環境および水蒸気環境の内の少なくとも一つの中で実施される、態様２に記載の方法。
［態様５］
前記基材が、光学デバイスのためのテンプレートである、態様１に記載の方法。
［態様６］
前記基材が、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つのためのテンプレートである、態様５に記載の方法。
［態様７］
前記バイオポリマーが絹である、態様１に記載の方法。
［態様８］
前記バイオポリマーマトリックス溶液が、約１．０重量％以上３０重量％以下の絹を含む絹フィブロイン水溶液である、態様７に記載の方法。
［態様９］
前記絹フィブロイン水溶液が、およそ８．０重量％の絹を含む、態様８に記載の方法。
［態様１０］
バイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース  アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様１に記載の方法。
［態様１１］
前記固化したバイオポリマー膜の中に有機物質を包埋させる工程をさらに含む、態様１に記載の方法。
［態様１２］
前記バイオポリマーマトリックス溶液に有機物質を添加する工程をさらに含む、態様１に記載の方法。
［態様１３］
有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレインからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様１２に記載の方法。
［態様１４］
有機物質が、核酸、色素、細胞、抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、たとえばクロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物からなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様１２に記載の方法。
［態様１５］
前記基材の上にナノパターンを機械加工する工程をさらに含む、態様１に記載の方法。
［態様１６］
前記基材の上にナノパターンを機械加工する工程が、レーザーを使用して実施される、態様１５に記載の方法。
［態様１７］
前記機械加工する工程が、レーザーによって発生されるフェムト秒レーザーパルスによって実施される、態様１６に記載の方法。
［態様１８］
その上にナノパターンを有する表面を持つ固化したバイオポリマー膜を含む、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様１９］
レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つである、態様１８に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様２０］
前記固化したポリマー膜が絹である、態様１８に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様２１］
前記固化したバイオポリマー膜が、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース  アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様１８に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様２２］
前記固化したバイオポリマー膜の中に包埋された有機物質をさらに含む、態様１８に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様２３］
有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレインからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様２２に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
［態様２４］
有機物質が、核酸、色素、細胞、抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、たとえばクロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物からなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様２２に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一つの実施態様による方法を説明する、概略フロー図である。
【図２】８％の絹濃度の体積と膜厚との間の関係を示すグラフである。
【図３Ａ】パターンが形成されていない絹膜の写真である。
【図３Ｂ】図３Ａのパターンが形成されていない絹膜の反射率のプリズム結合角度依存性を示すグラフである。
【図３Ｃ】図３Ａの絹膜の光透過率の測定値を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の一つの実施態様に従った、ナノパターンが形成されたバイオポリマー集束レンズの写真である。
【図４Ｂ】図４Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー集束レンズの顕微鏡画像である。
【図５】図４Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー集束レンズを通して見た文字画像の写真である。
【図６Ａ】本発明のまた別の実施態様に従った、ナノパターンが形成されたバイオポリマーレンズアレイの写真である。
【図６Ｂ】図６Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマーレンズアレイを通して見た文字の写真である。
【図７Ａ】本発明のまた別の実施態様に従った、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の一部の走査型電子顕微鏡画像である。
【図７Ｂ】図７Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子のまた別の部分の原子間力顕微鏡画像である。
【図７Ｃ】図７Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子のまた別の部分の高分解能原子間力顕微鏡画像である。
【図８】本発明のまた別の実施態様に従ったまた別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の一部分の高分解能原子間力顕微鏡画像である。
【図９Ａ】本発明に従ったナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の上へ衝突する超連続レーザー光源からの回折次数（ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ  ｏｒｄｅｒｓ）を示す写真である。
【図９Ｂ】本発明に従ったまた別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の上へ衝突する超連続レーザー光源からの回折次数を示す写真である。
【図１０Ａ】本発明に従ったまた別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の中を透過する広帯域白色光レーザーを示す写真である。
【図１０Ｂ】本発明に従ったさらにまた別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折素子の中を透過する広帯域白色光レーザーを示す写真である。
【図１１Ａ】広帯域白色光レーザーを本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを透過させた後に撮影した遠視野像である。
【図１１Ｂ】広帯域白色光レーザーを本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを透過させた後に撮影した遠視野像である。
【図１１Ｃ】広帯域白色光レーザーを本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを透過させた後に撮影した遠視野像である。
【図１２Ａ】表面加工をする前の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の表面の走査型電子顕微鏡画像である。
【図１２Ｂ】表面加工した後の図１２Ａの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の表面の走査型電子顕微鏡画像である。
【図１２Ｃ】それぞれ図１２Ａおよび１２Ｂに示した、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の表面の概略図である。
【図１２Ｄ】それぞれ図１２Ａおよび１２Ｂに示した、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子の表面の概略図である。
【図１３】角膜線維芽細胞の中へ絹フィブロイン回折格子を浸漬させた場合の概略図および回折におよぼすその影響を示す写真である。
【図１４Ａ】緩衝溶液の中の、ナノパターンが形成された絹回折格子を通してレーザービームを伝搬させて得られる効果的な回折を示す図である。
【図１４Ｂ】角膜線維芽細胞溶液の中で絹回折格子を用いた場合の回折性の相対的な損失を示す図である。
【図１５Ａ】ドープしていない本発明に従った、ナノパターンが形成された絹回折格子に超連続光を透過させたときに生成するスペクトル画像の写真である。
【図１５Ｂ】本発明に従って、フェノールスルホンフタレインを包埋させたまた別の、ナノパターンが形成された絹回折格子に超連続光を透過させたときに生成するスペクトル画像の写真である。
【図１５Ｃ】図１５Ｂの、ナノパターンが形成された絹回折格子に超連続光を透過させたとき、それを塩基性溶液に暴露させたときに生成するスペクトル画像の写真である。
【図１６】赤血球をドープした絹回折格子の分光吸光度を示す結果のグラフである。
【図１７】セイヨウワサビペルオキシダーゼを包埋させた絹回折格子の分光吸光度を示す結果のグラフである。
【図１８】キトサンおよびコラーゲンを用いてキャストした回折バイオポリマー光学デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
発明の詳細な説明
以下に詳述されるように、本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、絹のようなバイオポリマーを使用して作った。これに関しては、使用された絹はカイコ絹であった。しかしながら、たとえばクモの糸（クモの絹(spider silk)）、トランスジェニックの絹、および遺伝子改変の絹、それらの変種および組合せ、ならびにその他の絹などを含む様々な異なる絹が存在し、本発明にしたがってそれらを代用品として使用して、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを得てもよい。
【００２４】
さらに、絹に代えて、その他の生分解性ポリマーを使用してもよい。たとえば、さらなるバイオポリマーたとえばキトサンは、所望の機械的性質を示し、水中で加工することが可能であり、一般的には光学的用途のための透明な膜を形成する。その他のバイオポリマー、たとえばキトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース  アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組合せを、特定の用途においては代わりに使用してもよいし、合成生分解性ポリマー、たとえばポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリヒドロキシアルカノエートおよび関連するコポリマーを選択的に使用してもよい。それらのポリマーのいくつかは、水中ではそれほど容易には加工できない。それにも関わらず、そのようなポリマーは、それら単独で、または絹と組み合わせた形で使用してもよいし、特定のバイオポリマー光学デバイスで使用してもよい。
【００２５】
本発明に関連して使用するとき、「ナノパターンが形成された」という用語は、バイオポリマー光学デバイスの表面上に提供された極めて小さなパターニングを指す。そのパターニングは、そのサイズがナノメートルスケール（すなわち、１０−９メートル）で適切に測定されうる、たとえば１００ｎｍ〜数ミクロンの範囲のサイズであるような、構造的な特徴を有している。さらに、本発明のバイオポリマー光学デバイスには、様々な異なる光学デバイス、たとえばレンズ、回折格子、フォトニック結晶、導波路などを組み入れてもよい。
【００２６】
図１は、本発明の一つの実施態様に従ったナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法を示すフローダイヤグラム１０の概略図である。ステップ１１においてバイオポリマーマトリックス溶液が提供されているならば、プロセスは下に記載されているステップ１６に進む。そうでない場合には、ステップ１２においてバイオポリマーが提供される。そのバイオポリマーが絹であるような例では、カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ）の繭からセリシンを抽出することによってバイオポリマーを得てもよい。ステップ１４において、その提供されたバイオポリマーを加工して、バイオポリマーマトリックス溶液を得る。一つの実施態様においては、そのバイオポリマーマトリックス溶液は、水性マトリックス溶液である。しかしながら、他の実施態様においては、使用するバイオポリマーに合わせて、水以外の様々な溶媒、または水と他の溶媒との組合せを使用してもよい。
【００２７】
したがって、絹の例においては、ステップ１４において、絹フィブロイン水溶液をたとえば、８．０重量％に処理してから、それを用いて、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを製造する。言うまでもないことであるが、他の実施態様においては、その溶液濃度を、たとえば浸透ストレスまた乾燥技術により希釈するかまたは濃縮することによって、極めて希薄（約１重量％）から極めて高濃度（最高３０重量％まで）まで変化させてもよい。この点に関しては、他の実施態様においては、用途に合わせて、得られるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの可撓性または強度を最適化させるために、異なる重量パーセントの溶液を使用してもよい。絹フィブロイン水溶液の製造については、「Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ  Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｓｉｌｋ  Ｆｉｂｒｏｉｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｕｓｅｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ」と題された国際公開第２００５／０１２６０６号に詳しい記載がある。
【００２８】
ステップ１６において基材を提供し、バイオポリマー光学デバイスを製造する際のモールドとして使用する。その基材の表面は、バイオポリマー光学デバイスの上に形成される、所望の特徴的な様相を有している。この点に関しては、その基材は、製造されるバイオポリマー光学デバイスにおいて望まれる光学的な特徴に合わせて、光学デバイスの表面上の適切なナノパターンであってもよいし、たとえばナノパターンが形成された光学格子のような光学デバイスであってもよい。次いでステップ１８において、そのバイオポリマーマトリックス水溶液を基材の上にキャストする。次いでステップ２０において、バイオポリマーマトリックス水溶液を乾燥させて、バイオポリマーマトリックス水溶液を固相に転移させる。これに関しては、バイオポリマーマトリックス水溶液をある一定時間たとえば２４時間かけて乾燥させてよく、任意で、バイオポリマーマトリックス水溶液の乾燥を促進させるために、弱い加熱を加えてもよい。乾燥させると、基材の表面上に固化したバイオポリマー膜が形成される。バイオポリマー膜の厚みは、基材に適用したバイオポリマーマトリックス溶液の容積に依存する。
【００２９】
バイオポリマーマトリックス溶液の溶媒を蒸発させてから、任意で、ステップ２２においてその固化したバイオポリマー膜をアニールしてもよい。このアニールステップは、水蒸気環境中、たとえば水蒸気で充満されたチャンバー内で、所望の材料特性に応じて時間を変えて実施するのが好ましい。典型的には、アニールにかける時間は、たとえば２時間〜２日の範囲とするのがよく、真空環境中で実施してもよい。次いでそのアニールしたバイオポリマー膜を、ステップ２４において基材から取り外し、ステップ２６においてさらに乾燥させ、それによってバイオポリマー光学デバイスとする。上述の方法で製造されたアニールした膜は、基材の上に提供されていた表面に一致する機能性光学表面を有している。次いでそのアニールした膜は、本発明に従って、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスとして使用することができる。
【００３０】
実験を実施して、様々なバイオポリマー光学デバイスを製造することによって、上述の方法の検証を行った。８重量％の絹濃度の絹フィブロイン水溶液の体積と、得られる絹膜の厚みとの間の関係を図２のグラフ３０に示しているが、その絹フィブロイン水溶液は、およそ１０平方センチメートルの基材の表面上にキャストした。Ｘ軸は絹フィブロイン溶液の体積（単位ｍＬ）を示し、Ｙ軸は得られた膜の厚み（単位μｍ）を示している。
【００３１】
言うまでもないことであるが、膜の性質、たとえば厚みおよびバイオポリマー含量、さらには光学的な特徴は、そのプロセスで使用されるフィブロインの濃度、堆積させた絹フィブロイン水溶液の体積、およびキャスト溶液を乾燥させてその構造を固定させるための堆積後（ｐｏｓｔ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスなどに基づいて、変化させることができる。得られたバイオポリマー光学デバイスの光学的品質を確保し、バイオポリマー光学デバイスの様々な特性、たとえば透明度、構造的剛性、および可撓性を維持するためには、それらのパラメーターを正確に調節することが望ましい。さらに、バイオポリマーマトリックス溶液に対する添加剤を使用して、バイオポリマー光学デバイスの特徴、たとえば、形態、安定性などを変化させてもよく、そのようなものとしてはポリエチレングリコール、コラーゲンなどが知られている。
【００３２】
１０μｍの厚みを有する、パターンが形成されていないバイオポリマー膜を、絹フィブロイン水溶液を使用して上述の方法で製造し、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の走査型プリズム結合反射率計で特性解析した。図３Ａに、製造され特性解析された、パターンが形成されていないバイオポリマー膜３４を示す。バイオポリマー膜３４の屈折率を測定すると、６３３ｎｍでｎ＝１．５５であった。これは従来のホウケイ酸ガラスの屈折率よりもやや高い。測定された屈折率により、この値が、たとえば空気−絹バイオフォトニック結晶（ＢＰＣ）において光学的に使用するための妥当なコントラストを与えるのに、十分に高いことが確認された（Δｎフィブロイン−Δｎ空気＝０．５５）。パターンが形成されていない絹膜３４の特性解析が、図３Ｂのグラフ３６に示されているが、これは明らかに、反射率のプリズム結合角度依存性を示している。グラフ３６における振動は、導波光への結合によるものであって、導波路材料としての絹の使用を実証している。
【００３３】
さらに、パターンが形成されていない絹膜３４を解析して、透明度を求めた。図３Ｃは、様々な波長における絹膜３４を通過する光の透過率の測定値を示すグラフ３８である。透過率の測定から、パターンが形成されていない絹膜３４が、可視スペクトル全体にわたって高い透明性を有していたことがわかる。比較のために、コラーゲン、およびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の同様の厚みの膜をキャストした。自立性についての構造的な安定性が劣っていることが見出され、また得られたバイオポリマー光学デバイスは、薄膜として実施したときに、自立性がなかった。しかしながら、そのようなバイオポリマーでも、構造的な安定性が重要と考えられないような用途では使用できる可能性がある。
【００３４】
ここで重要なことは、様々な厚みを有する成形膜に、上述の図１の方法を使用してナノスケールでパターンを形成し、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを得ることである。ナノパターンが形成された様々なバイオポリマー光学デバイスが、絹フィブロイン溶液を用いた上述の本発明の方法を使用して満足のいくレベルで製造された。それらのデバイスには、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーが含まれる。具体的には、絹フィブロインの水溶液を、その上にパターンを有する特定の基材の上にキャストした。その基材の表面をＴｅｆｌｏｎ（商標）で被覆しておいて、バイオポリマーマトリックス溶液が液相から固相へと転移した後に、均質に剥離されるようにした。バイオポリマー光学デバイスにおいて高度に規定された、ナノパターンが形成された構造を形成させるための、本発明のバイオポリマーキャスト方法の性能が、回折格子およびレンズをキャストすることによって検証された。２１０ｎｍもの低い寸法と、２０ｎｍ未満の局所的表面粗さを有する、規則的にパターンが形成された特徴が得られた。
【００３５】
生体適合性材料をそのように規則的にパターニングさせることによって、フォトニックバンドギャップを与え、有機物を介して光を処理し、しかも機械的に頑強な光学デバイスを得るために使用することが可能な光学デバイスを製造することが可能となる。それらのデバイスは、以下においてさらに詳しく説明するように、包埋される光学素子の可撓性とタンパク質基材の特有の多様性とが組み合わさっている。本発明によって多くのメリットが得られるが、それには、絹のようなバイオポリマーの有機特性を、有機マトリックスの中に包埋された回折および伝送光学素子の性能と組み合わせて、生物学的に活性な光学素子を作り出すことが含まれる。絹は、分解の調節が可能で、生体適合性で、そして構造的に強い媒体を与え、それを用いて、本発明による光学デバイスを作製することができる。
【００３６】
図４Ａは、絹フィブロイン水溶液を用い上述の方法で製造した、ナノパターンが形成されたバイオポリマー集束レンズ４０を示す写真である。そのバイオポリマー集束レンズ４０は、１センチメートル未満の直径を有しており、その表面上に形成された、ナノパターンが形成された同心円を有している。図４Ｂは、図４Ａに示したバイオポリマー集束レンズ４０の顕微鏡画像４２である。その顕微鏡画像４２は明らかに、バイオポリマー集束レンズ上の、ナノパターンが形成された同心円４４を示している。
【００３７】
図５は、図４Ａの、ナノパターンが形成された集束レンズ４０を通して見た、文字「Ｔｕｆｔｓ］の写真画像５０を示している。この写真は明らかに、本発明の方法によって製造されたバイオポリマーから作った光学デバイスの光学的な応用可能性を示している。
【００３８】
さらに、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを、マイクロレンズアレイの上、および他のパターン発生器の上に絹フィブロイン水溶液をキャストすることによって製造した。具体的には、絹フィブロイン水溶液を光学素子の様々なパターンが形成された表面の上にキャストし、放置固化させ、次いで先に図１に関連して述べた方法に従って、アニールした。図６Ａおよび６Ｂは、絹フィブロイン水溶液を用い、本発明に従って製造したレンズアレイ６０の写真である。レンズアレイ６０は、Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のポリカーボネートフィルムの上にキャストした。そうして得られた絹のレンズアレイ６０は、大きさがおよそ１ｃｍ２であり、その上に１２×１２個のレンズ６２がパターン形成されている。レンズアレイ６０の上に得られたレンズ６２は、モールドとしての機能を果たす基材の上に、バイオポリマーマトリックス溶液たとえば絹フィブロイン水溶液をキャストすることによって、精密にパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを製造することが可能であることを実証している。図６Ｂは、その絹レンズアレイ６０を通して見た文字の写真である。
【００３９】
さらに、様々なラインピッチのホログラフィック回折格子を基材として使用し、本発明に従ったナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子を製造するために、その上に絹フィブロイン水溶液をキャストした。これに関しては、図７Ａは、図１の方法に従い、２，４００ライン／ｍｍのホログラフィック回折格子の上に絹フィブロイン水溶液をキャストすることによって製造した、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子７０の一部の走査型電子顕微鏡画像である。得られた絹のバイオポリマー回折格子７０もまた、２，４００ライン／ｍｍの格子７２を有している。図７Ｂおよび７Ｃはそれぞれ、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子７０の表面の一部の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）および高分解能ＡＦＭ画像である。図７Ｃに示された回折格子７０の部分は、およそ１μｍ２である。これからも判るように、格子の隆起部の幅がおよそ２００ｎｍ、半値全幅（ＦＷＨＭ）での間隔がおよそ２００ｎｍであった。山から谷までの高さの差は、１５０ｎｍと観察された。
【００４０】
図７Ｂおよび７ＣのＡＦＭ画像からも判るように、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子７０は、ナノスケールで高度に規則的に構造化された格子７２と、極めて滑らかな側壁７４とを有している。格子７２の山および格子７２の間の谷における表面粗さのトポグラフィックな評価では、表面粗さの二乗平均平方根（ＲＭＳ）値が２０ｎｍ未満であることが判ったが、それでも構造的には安定している。これらの数値は、光学的および材料の観点から、卓越した分解能の展望を示している。
【００４１】
光学的に平坦な表面上にキャストした絹膜の粗さを測定すると、２．５〜５ナノメートルの間の二乗平均平方根粗さ値と測定されたが、このことは、６３３ｎｍの波長では、容易にλ／５０未満の表面粗さであることを意味している。パターンが形成された絹回折光学素子の原子間力顕微鏡画像は、適切なモールドで絹膜をキャストおよびリフトさせることによって得られる超微細加工のレベルを示している。それらの画像は、数百ナノメートル範囲の解像度を示し、コーナーの鮮鋭度からは、数十ナノメートルまでの細かい忠実なパターニングの可能性が示唆される。
【００４２】
図８は、３，６００ライン／ｍｍのピッチを有する光回折格子の上に絹フィブロイン水溶液をキャストすることにより、これもまた本発明の方法によって製造された、ナノパターンが形成された絹回折格子８０の１μｍ２の部分の高分解能原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。得られたバイオポリマー回折格子８０もまた、３，６００ライン／ｍｍを有している。その構造化された格子８２を測定すると、ＦＷＨＭでの間隔が１２５ｎｍで、山から谷までの高さの差が６０ｎｍであった。これからも判るように、顕著に滑らかな側壁を有する、ナノスケールの、高度に規則的な構造化された格子８２が得られた。この場合もまた、その表面のトポグラフィックな解析から、ＲＭＳ２０ナノメートル未満の表面粗さであることが判った。
【００４３】
ラインピッチが異なり、サイズがたとえば５０×５０ｍｍのような大きさの、別の回折格子例もまた、本発明の方法を使用して製造した。これに関しては、６００ライン／ｍｍおよび１，２００ライン／ｍｍを有する回折格子をさらに使用して、ナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子を製造した。そうして得られたナノパターンが形成されたバイオポリマー回折格子は、ＲＭＳ２０ｎｍ未満の表面の滑らかさを有する微細な形状を再現し、しかも構造的に安定していることが見出された。ある種の領域においては、その滑らかさが、１０ｎｍ未満のＲＭＳ粗さを有することが見出された。
【００４４】
パターンが形成されたバイオポリマー回折格子の試料について、単一波長および白色（超連続）コヒーレント光の両方を、絹回折格子を透過させることによって光学的に解析して、その回折性を調べた。図９Ａは、本発明に従って製造された絹回折格子の上に衝突する白色光レーザー光源からの回折次数を示す写真９０である。これからも判るように、中央次数（ｃｅｎｔｒａｌ  ｏｒｄｅｒ）と３つの回折次数が観察された。ｍ＝１およびｍ＝−１次の回折効率を測定すると、図示した実験ではおよそ３７％であった。平均出力が１Ｗに達するような照射では、回折格子構造に損傷を与えることなく、首尾よく絹回折格子を透過した。
【００４５】
図９Ｂは、本発明に従って作った１，２００ライン／ｍｍを有する絹回折格子の上に衝突させた超連続レーザー光源からの回折次数を示す、また別の写真９６である。それらの回折次数は、絹回折格子から２ｃｍのところで結像させた。この格子の回折効率は、６３３ｎｍにおける一次では３４％であることが判ったが、これは好適なことには従来からの伝送性ガラス格子に匹敵する。
【００４６】
構造的に安定していることと、ナノ構造を忠実に再現することが可能であることが理由で、上述の方法は、各種の回折光学構造または屈折マイクロおよびナノ光学構造を製造するための優れたプロセスとなる。容易に製造可能な各種の光学デバイスとしては、光学格子、上述のようなマイクロおよびナノレンズアレイ、パターン発生器、ビームディフューザー、ビームホモジナイザー、または多層回折光学素子たとえばフォトニック結晶もしくは導波路などが挙げられる。
【００４７】
上述の本発明の方法を使用して、伝送性の、ナノパターンが形成された回折性バイオポリマー光学デバイスを作った。それらの光学デバイスには、絹ディヒューザー、ラインパターン発生器、およびクロスパターン発生器が含まれる。そのような光学デバイスは、適切に形成された波長スケールの表面構造を使用して、光干渉を利用する、予め決められた一次元または二次元の光パターンを作り出す。従来の材料で作られたそのような光学デバイスは、いくつかの使用例を挙げれば、画像形成、分光法、ビームサンプリングおよびトランスフォーメーション、ならびに計量法などに適用されてきた。たとえば絹バイオポリマーのような生物学的マトリックスの中での光の送達を調節するためにこのアプローチ方法を拡張することによって、基材の中にフォトンを最適にカップリングさせる、または意図的な光学的な識別性、干渉、もしくは読取りが可能となる。
【００４８】
図１０Ａは、絹光回折格子１００を示し、図１０Ｂは、絹光回折素子１０４を示す。いずれも本発明の例示実施態様であり、上述の方法で製造した。広帯域白色光レーザーをそれぞれの構造物に透過させた場合の、デバイスの写真を撮影した。
【００４９】
図１１Ａ〜１１Ｃはそれぞれ、各種の絹回折光学デバイスに広帯域白色光レーザーを透過させた後に写真撮影した各種の遠視野像を示している。得られたパターンは、画像を発生させるために使用した広帯域超連続レーザーの散乱のために多色となっている。図１１Ａは、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス１１１を通過するレーザー光の概略図であって、写真１１２に見られる光のパターンを生成させている。図１１Ｂは、また別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを通過させたレーザー光により生成した、また別のパターンの写真１１４である。図１１Ｃは、さらに別の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを通過させた白色レーザー光により生成した、さらに別のパターンの写真１１６である。図１１Ｃの、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，Ｎｏｒｔｈ  ＣａｒｏｌｉｎａのＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．から市販されている回折パターンのレプリカである。
【００５０】
本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの顕著な利点は、完全に有機的で、生体適合性で、極めて機能性の高い基材の中に光学素子を包埋させて、その光学素子を生物学的に活性とすることが可能である点にある。別の言い方をすれば、本発明の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、有機物質たとえばタンパク質を、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの中に包埋させることによって、生物学的に活性化させることができる。たとえば、上述の絹回折格子を加工して、格子の中で生物学的に変化を誘導しうるようにすることができる。この現象が、回折効率を局所的に変化させる。次いで、回折されたビームの変動を、生物学的レベルで起きている変化の指標として機能させることができる。そのような応答性の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、以下のものを添加することによって実施することができる：核酸、色素、細胞、（さらに付属書Ｉに記載されているような）抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、分子認識のためのペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、植物細胞、哺乳動物細胞など、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、光学活性発色団（ベータカロチンまたはポルフィリンを含む）、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、酵母、抗真菌剤、抗ウイルス剤、および複合体たとえばヘモグロビン、電子伝達鎖補酵素およびレドックス成分，集光性化合物、たとえばクロロフィル、フィコビリタンパク質、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物、またはそれらの組合せ。
【００５１】
しかしながら、そのような物質を包埋させることは、コーティングするよりは好ましいが、その理由は、コーティングはより容易に剥がれる可能性があるからである。
【００５２】
回折格子の回折次数は、次式から導かれる。
ｓｉｎα＋ｓｉｎβ＝ｍλ／ｄ
式中、αおよびβはそれぞれ、入射光の入射角および回折角であり、ｍは回折次数であり、ｄは格子のピッチ（単位、ライン／ｍｍ）である。生物学的レベルでの変化によって誘発される、λの関数としてのｄまたは吸光度における変動が、得られる光学的な特色に影響するであろう。そのために、光学的な特色におけるこの変化が、簡便で総合的な検出方法を与える。格子全体に影響がでるような肉眼的効果のために、表面の機能化を任意に調節することが可能であり、それによってスペクトル的な特色の変化を（たとえば、光リミッターと同様に）極めて劇的とすることができる。
【００５３】
図１２Ａは、表面加工をする前の絹回折格子１２０の表面の走査型電子顕微鏡画像を示す。図１２Ｂは、表面加工をした後の絹回折格子１２０の表面の走査型電子顕微鏡画像を示す。具体的には、図１２Ａおよび１２Ｂに示した絹回折格子１２０の表面を加工して、回折格子１２０のトラフ１２４の上に結合（ｂｉｎｄｉｎｇ）が選択的に得られるようにし、それによって、ピッチおよび図１２Ｂに示す回折格子１２０の光学構造を変化させる。図１２Ａでは、その他のトラフはすべて、結合１２６をもって充填されていた。この、他のトラフがすべて充填されていたということは、図１２Ａおよび１２Ｂの走査型電子顕微鏡画像に対応する、図１２Ｃおよび１２Ｄの概略図にも示されている。光学的絹格子の機能化表面の実施化は、それが接触する絹表面に対する親和性が異なる多様な細胞系に、絹回折格子を暴露させることによって得られた。親和性が存在する場合には、細胞が表面上に堆積し、それらが格子によって起きる回折パターンを変化させる。このようにして、細胞の存在を容易に検出することができる。
【００５４】
図１３は、６００ライン／ｍｍを有する絹回折格子１３０を、その絹回折格子１３０を、角膜線維芽細胞１３４を含むプレーンな緩衝溶液１３２の中に浸漬させることによって、角膜線維芽細胞の細胞環境に暴露させることを概略的に示している。絹フィブロインは、線維芽細胞のための良好な基材であって、線維芽細胞が絹回折格子１３０の表面を被覆し、それにより、その回折性を無くす（または妨害する）。それとは対照的に、被覆には不適切な環境に暴露された格子は、それらの回折性を保持する。その妨害作用は、絹回折格子１３０を通過する光の透過率における変化をモニターすることによって検証することができるが、これもまた、図１３のグラフ１３６に概略的に示している。
【００５５】
図１４Ａは、プレーンな緩衝溶液を含む培養皿中のナノパターンが形成された絹回折格子を通してレーザービームを伝搬させたときに起きる、結果としての効果的な回折の写真１４０である。写真１４０には、結果として得られた回折次数１４２がはっきりと見える。それとは対照的に、図１４Ｂは、角膜線維芽細胞溶液を含む培養皿中の同一のナノパターンが形成された絹回折格子を通してレーザービームを伝搬させたときに得られた回折の写真１４４である。明らかに判るように、ナノパターンが形成された絹回折格子を、堆積して回折の次数の変化を起こさせる角膜線維芽細胞の存在下に置いたときには、回折性にはかなりの低下が起きる。格子の回折性を検討することによって、回折格子の機能化された検出における変化を実証することができる。
【００５６】
「活性な」バイオポリマー光学デバイスを実験的に実現させることを、様々な物質を加えて水性絹マトリックス溶液を変化させることにより検討した。次いで、その物質の機能性を、光学マトリックスの中で検証した。それらの実験には、絹マトリックス溶液の中に、生理的に関連のあるタンパク質、酵素、および小さな有機ｐＨ指示薬を包埋させることが含まれていた。それらの試料はすべて、絹フィブロイン水溶液の中に希釈し、それを回折格子の上にキャストして、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを製造したが、そこでは、光学素子の回折性とそのドーパントの生物学的機能とが統合されている。
【００５７】
一つの実験例の結果を、図１５Ａ〜１５Ｃのスペクトル画像写真に示しているが、ここでは、３５０ｎｍから１，０００ｎｍを超えるまでの超連続光を、本発明に従ったナノパターンが形成された絹回折格子の中に透過させた。ナノパターンが形成された絹回折格子から１５ｃｍの距離で、それらのスペクトル画像を撮った。参考とするためであるが、図１５Ａの写真１５０は、ナノパターンが形成されたドープしていない絹回折格子を通過させ、固定平面上に投射したときの、回折超連続光を示している。図１５Ｂの写真１５２は、フェノールスルホンフタレイン（ＰＳＰ）を用いて包埋させ、酸溶液に暴露させることにより活性化させたナノパターンが形成された絹回折格子の中を通過させたときの、回折された超連続光を示している。これからも判るように、絹回折格子のスペクトル的な吸収が変化して、回折された超連続スペクトルは、図１５Ａに見られるものからは変化している。図１５Ｂにおいては、測定されたスペクトル透過率曲線１５４は、検出された回折超連続スペクトルにマッチさせるために、重ね合わされている。図１５Ｃの写真１５６は、ＰＳＰ包埋されたナノパターンが形成された絹回折格子を塩基性溶液に暴露させたときの、回折された超連続スペクトルを示している。測定されたスペクトル透過率曲線１５８もまた、検出された回折超連続スペクトルにマッチさせるために、重ね合わされている。これからも判るように、スペクトルの緑端（すなわち、短波長側）の方向に、より高い吸光度が示されている。
【００５８】
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの生体適合性を確認する目的で、上述のような図１に従って製造した、本発明による絹回折格子の中に赤血球（ＲＢＣ）を組み入れた。そのＲＢＣ−絹フィブロイン溶液は、１ｍＬの８０％ヘマトクリットヒトＲＢＣ溶液と、５ｍＬの８％絹溶液とを組み合わせることによって調製した。その混合物を、６００ライン／ｍｍの光学格子上にキャストし、一夜かけて放置乾燥させた。その膜を、光学格子から取り外し、２時間アニールした。そうして得られたＲＢＣをドープした絹回折格子の中には、格子構造が観察された。
【００５９】
次いで、そのＲＢＣをドープした絹回折格子を試験して、回折次数を観察した。光学的透過率実験を実施して、ヘモグロビン（ＲＢＣ中に含まれる酸素運搬タンパク質）が、絹回折格子のマトリックスの中でその活性を維持しているかどうかを調べた。図１６にその結果のグラフ１６０を示すが、それは、ＲＢＣをドープした絹回折格子の中でヘモグロビン機能が維持されていることを示している。Ｘ軸は波長（単位ｎｍ）に相当し、Ｙ軸は、ＲＢＣをドープした絹回折格子による吸光度を示している。
【００６０】
具体的には、ＲＢＣをドープした絹回折格子を、蒸留水を充填した石英キュベットの中に挿入し、吸光度曲線を観察した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｂ）ＨｂＯ２によって示す。図から判るように、線（ｂ）ＨｂＯ２によって示される吸光度曲線は、オキシヘモグロビンの吸収に典型的な二つのピークを示した。次いで、そのキュベットの中に窒素ガスをバブリングさせて、ヘモグロビンを脱酸素化させた。１５分後に、オキシヘモグロビンの特性吸収ピークが吸光度曲線から消えた。この結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ａ）Ｈｂによって示す。これらの結果は、次いでキュベットへの窒素の流れを止めると、その結果として、オキシヘモグロビンのピークが再び現れるということで、さらに確認した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｃ）ＨｂＯ２によって示す。
【００６１】
また別の実験例においては、セイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）酵素を絹フィブロインマトリックス溶液に添加して、図１に関連して記載されたようにして製造された絹回折格子の中に包埋された酵素の濃度が０．５ｍｇ／ｍＬとなるようにした。酵素活性を検証するために、テトラメチルベンジジン（ＴＭＢ）を使用して、その絹回折格子の中の機能酵素活性を追跡した。ＴＭＢは、活性酵素の存在下では、ＨＲＰおよび過酸化水素と反応して、フリーラジカル反応によって発色する芳香族有機モノマーである。
【００６２】
ＴＭＢの酸化反応生成物は、独特の青色を生ずるか（１電子酸化）、黄色を生ずる（２電子酸化）。図１７の結果のグラフ１７０に、記録された吸収スペクトルを示すが、ここで、Ｘ軸は波長（単位、ｎｍ）に相当し、Ｙ軸はＨＲＰ包埋された回折格子による吸光度を示す。吸収スペクトルは、光学素子をＴＭＢに暴露させた直後、５、１５、２５、および３５秒の、反応の初期の段階でのグラフ９０に記録した。結果のグラフ１７０から判るように、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長範囲における吸光度が徐々に高くなって、およそ６５５ｎｍにピーク吸光度が観察されるが、それによって酵素活性が検証された。さらに、図１７の結果のグラフ１７０に示されたこれらの測定は、ＨＲＰ包埋された絹回折格子を調製してから３０日後に、この期間この回折格子を室温で保存した後に行ったものであることにも注目すべきである。このことは、この期間のあいだ、ＨＲＰが絹タンパク質マトリックスの中で活性を維持していたことを示している。
【００６３】
また別の例としては、有機ｐＨ指示薬のフェノールスルホンフタレイン（フェノールレッド）を絹フィブロイン水性マトリックス溶液と混合して、図１に関連して先に記載した方法で６００ライン／ｍｍの格子の上にキャストした。そうして得られた回折光学構造は、ｐＨ指示薬の機能と、絹回折格子の光学的機能とを維持していた。具体的には、超連続放射線が、フェノールレッド包埋の絹回折格子を通すことで回折された。ついで同一の回折格子を、１ｍＭのＮａＯＨ、１ｍＭのＨＣｌ、およびＤＩ  Ｈ２Ｏを含めて各種のｐＨレベルを有する溶液中に浸漬させた。絹回折格子を浸漬させた溶液の酸度に基づいて、分散スペクトルが変化することが観察された。先に記載したナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの場合と同様に、生物活性絹回折格子が、機械的に頑強であり、室温で貯蔵することが可能であり、再使用することが可能であり、従来からの光学素子と同様に取り扱うことが可能であることが観察された。
【００６４】
先にも説明したように、代わりのバイオポリマーを使用して、本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを作製してもよい。図１８は、異なった材料を使用してキャストした他の回折性バイオポリマー光学デバイスを示す、写真１８０を示している。具体的には、キトサン光学デバイス１８２と、コラーゲン光学デバイス１８４をさらに、本発明に従って製造した。キトサンに関しては、絹と同様の光回折特性が観察された。
【００６５】
上述の説明と、例に挙げて示し説明したナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスとから、本発明が、生分解性の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを提供することは明らかである。本来的に生体適合性であり、水の中で加工することが可能で、調節された寿命で分解することが可能な、高品質の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスが製造された。先にも説明したとおり、本発明の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、小さな有機物質を組み入れることによって、生物学的に活性化させてもよい。たとえば、その小有機物質は、複合体タンパク質たとえば赤血球中のヘモグロビンおよび酵素たとえばペルオキシダーゼであってよい。本発明は、ペプチド、酵素、細胞、抗体、または関連の系の形の不安定な生物学的受容体を直接的に組み入れることが可能になることから、光学デバイスの汎用性を広げ、そのような光学デバイスを生物学的検知デバイスとして機能させることも可能となる。
【００６６】
本発明の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、生体適合性および生分解性が最重要視される環境科学および生命科学において容易に使用することができる。たとえば、上述のようなナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、自然環境たとえば人体の中でのモニターをするのに、存在を感じさせずに使用することができるし、生体内に植え込んでも後日そのデバイスを回収する必要がない可能性もある。本発明の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの分解寿命は、製造プロセスを介して、たとえば溶液マトリックスキャストの比率および量を調節することによって、調節することができる。さらに、本発明の、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、環境中に分散させることが可能であり（この場合もまたそれらを後日回収する必要はない）、それによって、検知および検出のための新規で有用なデバイスが提供される。
【００６７】
本発明の態様および実施態様についてのここまでの記述は、例示と説明のために提供してきたが、説明しつくした訳でもないし、開示されたそのままの形に本発明を限定することを意図したものでもない。当業者ならば、上述の教示を読めば、それらの実施態様のある種の修正、順序の入れ替え、追加、および組合せが可能であるか、または本発明の実施から学びうることはよく認識するところであろう。したがって、本発明には、添付の特許請求の範囲内に入る各種の修正および等価の変形もまた包含されている。
【００６８】
付属書Ｉ
絹膜中における抗体の安定性
材料
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）は、ｅＢｉｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．から購入した。ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧおよびヒトＩｇＧ  ＥＬＩＳＡ  Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｏｎ  Ｋｉｔは、Ｂｅｔｈｙｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  Ｉｎｃ．から購入した。研究において使用したその他の全ての化学薬剤は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から購入した。
【００６９】
絹膜中への抗体の捕捉−ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧ
１６７ｍＬの６％絹溶液と混合した１０ｍＬのＩｇＧ（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹膜中ＩｇＧ濃縮物（ｍｇ／ｇ絹）を作製する。１００μＬの混合ＩｇＧ溶液を、９６ウェルプレートのそれぞれのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一夜置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全てを、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７０】
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）
８３ｍＬの６％絹溶液と混合した０．５ｍＬのＩｇＧ１（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹膜中ＩｇＧ１濃縮物（０．１ｍｇ／ｇ絹）を作製する。５０μＬの混合ＩｇＧ１溶液を、９６ウェルプレートのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一夜置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全部を、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７１】
抗体測定
統計解析のため、同一の条件下で調製した５個のウェルについて測定した。純粋な絹（抗体なし）を対照として使用した。
【００７２】
メタノール非処理試料の場合には、１００μＬのＰＢＳ緩衝液（ｐＨ、７．４）を、ウェルに添加し、それを室温で３０分間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。次いで、溶液の一定分量を、抗体測定にかけた。メタノール処理試料については、１００μＬのＨＦＩＰをそれぞれのウェルに添加し、それを室温で２時間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。その絹ＨＦＩＰ溶液を、換気フード中で一夜乾燥させた。以後のステップはメタノール非処理試料の場合と同様であって、ＰＢＳ緩衝液を添加し、抗体測定のために溶液をピペットで移した。
【００７３】
ＥＬＩＳＡ
ポリスチレン（９６ウェル）マイクロタイタープレートを、抗原コーティング緩衝液（重炭酸塩緩衝液、５０ｍＭ、ｐＨ９．６）中で調製した１０μｇ／ｍＬの濃度の１００μＬの抗原抗ヒトＩｇＧ−アフィニティを用いてコーティングし、次いで室温で保存して一夜インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて、それらのウェルを３回洗浄した。１％のＢＳＡ（ＴＢＳ中）を各ウェル２００μＬずつ用いて非占有部位（ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ  ｓｉｔｅ）をブロックし、次いで室温で３０分間インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔを用いて、それらのウェルを３回洗浄した。次いで、連続希釈の血清１００μＬを用いて、試験ウェルおよび対照ウェルを希釈した。それぞれの希釈は、ＴＢＳ緩衝液中で実施した。それぞれの希釈に対応する、連続希釈のブランクもまた存在させた。次いでそのプレートを、室温で１時間インキュベートした。プレートを、ＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて再び洗浄した（５回）。結合した抗体について、抗ヒトＩｇＧ−ＨＲＰ（１：１００，０００）の適切な結合体を用いて試験したが、その１００μＬをそれぞれのウェルの中にコーティングし、室温で１時間維持した。ＴＢＳ−Ｔを用いてプレートを（５回）洗浄した後に、それぞれのウェルに１００μＬのＴＭＢを添加し、室温で５〜２０分間インキュベートした。それぞれのウェルの４５０ｎｍでの吸光度を、ＶｅｒｓａＭａｘ・マイクロプレート・リーダー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）を用いて測定した。
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図Ａ：２種の異なった様式で調製して３種の異なった温度で保存した絹膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ１活性
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図Ｂ：２種の異なった様式で調製して３種の異なった温度で保存した絹膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ活性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年4月11日(2014.4.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法であって、
ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程と、
前記基材の前記ナノパターンが形成された表面の上に、バイオポリマーを含むバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程と、
前記バイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、前記基材の上に、その上にナノパターンを有する表面を伴って形成された固化したバイオポリマー膜を形成させる工程とを含み、
ここで、前記バイオポリマーが、絹、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プルラン、デンプン、セルロース、ヒアルロン酸、もしくはそれらの組合せであり；
前記固化したバイオポリマー膜が、光学デバイスに適切な少なくとも１つの光学的性質を有しており；
前記光学デバイスが、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つである、
方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記少なくとも１つの光学的性質が、回折光学構造、またはマイクロもしくはナノ光学構造によって提供されるものである、
方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記バイオポリマーを提供する工程と、
前記バイオポリマーを加工して、前記バイオポリマーマトリックス溶液を得る工程とをさらに含む、
方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載の方法であって、
前記固化したバイオポリマー膜をアニールする工程をさらに含む、
方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の方法であって、
前記基材が光学デバイスのためのテンプレートである、
方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法であって、
前記固化したバイオポリマー膜の中に有機物質を包埋させる工程をさらに含む、
方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の方法であって、
前記バイオポリマーマトリックス溶液に有機物質を添加する工程をさらに含む、
方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
前記有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレイン、もしくはそれらの組合せ、または核酸、色素、細胞、抗体、酵素、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞類、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、ルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、クロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物、またはそれらの組合せ、からなる群から選択される、
方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の方法であって、
前記基材の上に前記ナノパターンを提供する工程をさらに含む、
方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法であって、
前記基材上の前記ナノパターンがレーザーによって生成したナノパターンである、
方法。
【請求項１１】
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスであって、
その上にナノパターンを有する表面を備えた固化したバイオポリマー膜を含んでおり、
前記バイオポリマーが、絹、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プルラン、デンプン、セルロース、ヒアルロン酸、もしくはそれらの組合せであり；
前記光学デバイスが、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つである、
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスであって、
前記固化したバイオポリマー膜の中に包埋させた有機物質をさらに含む、
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスであって、
前記有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレイン、もしくはそれらの組合せ、または核酸、色素、細胞、抗体、酵素、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞類、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、ルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、クロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物、またはそれらの組合せ、からなる群から選択される、
ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。