(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記(a)および(b)：
(a)キトサン、およびセルロースとキトサンの混合物からなる群より選択される構造多糖；ならびに
(b)大環状化合物
を含む複合材料を含む包帯であって、
前記複合材料が、膜の材料であり；かつ
前記複合材料が、アルキル化イミダゾリウム塩の溶液に前記構造多糖および前記大環状化合物を溶解させ、これにより得られたイオン性液体組成物からアルキル化イミダゾリウム塩の溶液を除去することにより調製される
ことを特徴とする、前記包帯。
【請求項２】
複合材料がさらにキチンを含む、請求項1記載の包帯。
【請求項３】
大環状化合物が、シクロデキストリン、カリックスアレーン、カルセランド、クラウンエーテル、シクロファン、クリプタンド、ククルビツリル、ピラーアレーン、およびスフェランドからなる群より選択される、請求項1記載の包帯。
【請求項４】
大環状化合物がシクロデキストリンである、請求項3記載の包帯。
【請求項５】
シクロデキストリンが、α-シクロデキストリン、β-シクロデキストリン、またはγ-シクロデキストリンである、請求項4記載の包帯。
【請求項６】
シクロデキストリンが、ヒドロキシル基上の1個または複数の置換を有する修飾シクロデキストリンである、請求項4記載の包帯。
【請求項７】
置換が、アルキル基、ヒドロキシアルキル基、スルホアルキル基、および糖基からなる群より選択される、請求項6記載の包帯。
【請求項８】
修飾シクロデキストリンが、メチルシクロデキストリン、ヒドロキシエチルシクロデキストリン、2-ヒドロキシプロピルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン、スルホブチルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン、およびマルトシルシクロデキストリンからなる群より選択される、請求項6記載の包帯。
【請求項９】
アルキル化イミダゾリウム塩が、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム塩、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム塩、および1-アリル-3-メチルイミダゾリウム塩からなる群より選択される、請求項1記載の包帯。
【請求項１０】
アルキル化イミダゾリウム塩が、塩化1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムである、請求項1記載の包帯。
【請求項１１】
イオン性液体組成物を水溶液で洗浄することで複合材料を得る工程と、こうして得られた複合材料を乾燥させる工程とを含む工程によって、アルキル化イミダゾリウム塩の溶液が除去されることを特徴とする、請求項1記載の包帯。
【請求項１２】
微生物を死滅させるかまたは排除するための方法であって、該微生物と請求項1記載の包帯とを接触させる工程を含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府の資金援助による研究または開発に関する記載
本発明は、米国国立衛生研究所が授与したR15GM-99033に基づく政府支援により行った。政府は本発明において一定の権利を有する。
【０００２】
関連特許出願の相互参照
本出願は米国仮特許出願第61/824,717号の米国特許法119条(e)項に基づく優先権の恩典を主張し、その内容は全体として参照により本明細書に組み入れられる。
【０００３】
本発明の分野は、構造多糖および大環状化合物を含有する複合材料、ならびに該複合材料を調製するためのイオン性液体組成物に関する。特に、本発明の分野は、イオン性液体組成物から形成される、セルロース、キチン、またはキトサンなどの構造多糖、およびシクロデキストリンなどの大環状化合物を含有する複合材料に関する。
【発明の概要】
【０００４】
概要
1つまたは複数の構造多糖および好ましくは1つまたは複数の大環状化合物を含む複合材料が本明細書に開示される。複合材料は、1つまたは複数のイオン性液体に溶解した1つまたは複数の多糖、および好ましくは1つまたは複数のイオン性液体に溶解した1つまたは複数の大環状化合物を含むイオン性液体組成物から調製することができる。複合材料はイオン性液体組成物から、例えばイオン性液体をイオン性液体組成物から除去しかつ1つまたは複数の構造多糖および好ましくは1つまたは複数の大環状化合物を保持することによって調製することができる。
【０００５】
開示される組成物は通常、1つまたは複数の構造多糖を含み、構造多糖としては、β-1,4結合を介して結合した単糖を含む多糖などのポリマーを挙げることができるがそれに限定されない。例えば、構造多糖としては、β-1,4結合を介して結合した6-炭素単糖のポリマーを挙げることができる。開示される化合物に好適な構造多糖としてはセルロース、キチン、および、キトサンなどのキチンの修飾形態を挙げることができるがそれに限定されない。
【０００６】
開示される組成物は、好ましくは1つまたは複数の大環状化合物を含む。好適な大環状化合物としてはシクロデキストリン、カリックスアレーン、カルセランド、クラウンエーテル、シクロファン、クリプタンド、ククルビツリル、ピラーアレーン、およびスフェランドを挙げることができるがそれに限定されない。
【０００７】
いくつかの態様では、大環状化合物はシクロデキストリンである。さらなる態様では、シクロデキストリンはα-シクロデキストリン、β-シクロデキストリン、またはγ-シクロデキストリンである。例えば、シクロデキストリンは、シクロデキストリンの任意のグルコース単量体のヒドロキシル基上の1個または複数の置換、例えば2-ヒドロキシル基、3-ヒドロキシル基、および6-ヒドロキシル基のうち1つまたは複数の上での置換を有することで修飾されていてもよい。好適な置換としてはアルキル基置換(例えばメチル置換)、ヒドロキシアルキル基置換、スルホアルキル基置換、アルキルアンモニウム基置換、ニトリル基置換、ホスフィン基置換、および糖基置換を挙げることができるがそれに限定されない。修飾シクロデキストリンとしてはメチルシクロデキストリン(例えばメチルβ-シクロデキストリン)、ヒドロキシエチルシクロデキストリン(例えば、ヒドロキシエチルβ-シクロデキストリン)、2-ヒドロキシプロピルシクロデキストリン(例えば2-ヒドロキシプロピルβ-シクロデキストリンおよび2-ヒドロキシプロピルγ-シクロデキストリン)、スルホブチルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン(例えばグルコシルα-シクロデキストリンおよびグルコシルβ-シクロデキストリン)、ならびにマルトシルシクロデキストリン(例えばマルトシルα-シクロデキストリンおよびマルトシルβ-シクロデキストリン)を挙げることができるがそれに限定されない。
【０００８】
開示される組成物材料は、イオン性液体組成物から、例えば、1つまたは複数のイオン性液体に溶解した1つまたは複数の多糖、および好ましくは1つまたは複数のイオン性液体に溶解した1つまたは複数の大環状化合物を含むイオン性液体組成物から形成することができる。イオン性液体組成物を形成するために好適なイオン性液体としてはアルキル化イミダゾリウム塩を挙げることができるがそれに限定されない。いくつかの態様では、アルキル化イミダゾリウム塩は1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム塩、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム塩、および1-アリル-3-メチルイミダゾリウム塩からなる群より選択される。好適な塩としては塩化物塩を挙げることができるがそれに限定されない。
【０００９】
開示されるイオン性液体組成物では、構造多糖がイオン性液体に溶解しうる。いくつかの態様では、イオン性液体は少なくとも約2%、4%、6%、8%、10%、15%、20% w/wの溶解構造多糖を含みうる。
【００１０】
開示されるイオン性液体組成物では、大環状化合物がイオン性液体に溶解しうる。いくつかの態様では、イオン性液体は少なくとも約2%、4%、6%、8%、10%、15%、20% w/wの溶解大環状化合物を含みうる。
【００１１】
溶解イオン性液体組成物は、構造多糖および好ましくは大環状化合物を含む開示される複合材料を調製するための方法において利用することができる。例えば、開示される方法では、構造多糖および好ましくは大環状化合物を含む複合材料は、(1) 構造多糖および好ましくは大環状化合物を含む本明細書に開示されるイオン性液体組成物であって、構造多糖および好ましくは大環状化合物がイオン性液体に溶解したイオン性液体組成物を得るかまたは調製する工程; ならびに(2) イオン性液体をイオン性液体組成物を除去しかつ構造多糖および好ましくは大環状化合物を保持する工程によって調製することができる。イオン性液体は、洗浄(例えば水溶液での)を含むがそれに限定されない工程によって、組成物から除去することができる。洗浄後に複合材料に残留する水は、乾燥(例えば空気中での)および凍結乾燥(すなわち減圧乾燥)を含むがそれに限定されない工程によって複合材料から除去することができる。複合材料は任意の所望の形状、例えば膜または粉末(例えば微粒子および/もしくはナノ粒子の粉末)に成形することができる。
【００１２】
開示される複合材料は様々なプロセスにおいて利用することができる。いくつかの態様では、複合材料は、混入物を流れ(例えば液体流または気流)から除去するために利用することができる。したがって、本方法は、流れと複合材料とを接触させる工程、および場合によっては流れを複合材料に通す工程を含みうる。混入物としてはクロロフェノール(例えば2-クロロフェノール、3-クロロフェノール、4-クロロフェノール、3,4-ジクロロフェノール、および2,4,5-トリクロロフェノール)、ビスフェノールA、2,4,6-トリクロロアニソール(例えばワイン中の「コルクテイント」としての)、1-メチルシクロプロペン、ならびに金属イオン(例えばCd2+、Pb2+、およびZn2+)を挙げることができるがそれに限定されない。
【００１３】
他の態様では、複合材料は、例えばフィルター処理の一部として、またはバッチ処理の一部として、毒素を水性環境から除去するために利用することができる。例えば、複合材料と毒素とを水中で接触させることができ、これにより毒素が複合材料に対する親和性を示し、毒素が複合材料中に取り込まれ、これにより毒素が水から除去される。開示される方法により除去される毒素としては、複合材料に対する親和性を示す任意の毒素を挙げることができ、任意の毒素としては、ラン藻により産生されるミクロシスチンなどの細菌毒素を挙げることができる。毒素を水性環境から除去するために複合材料を利用した後で、毒素を複合材料から除去しかつ複合材料の再利用を可能にするために複合材料を処理することで(すなわち毒素を吸着する複合材料の能力の再生を通じて)、複合材料を再生することができる。
【００１４】
他の態様では、複合材料は、化合物を精製する(例えば水溶液、液体流、または気流から)ために利用することができる。例えば、複合材料は、水溶液、液体流、または気流と、精製すべき化合物に対する親和性を示す複合材料とを接触させることで、該化合物を含む水溶液、液体流、または気流から該化合物を精製するために利用することができる。いくつかの態様では、化合物の混合物中の他の化合物に対する親和性よりも大きな精製すべき化合物に対する親和性を複合材料が示した、例えば水溶液、液体流、または気流中の該混合物から、該化合物を精製することができる。精製すべき化合物を複合材料に優先的に結合させ、かつ化合物の混合物を含む水溶液、液体流、または気流中の化合物の混合物から該化合物を除去するために、複合材料と該水溶液、液体流、または気流とを接触させることができる。いくつかの態様では、精製すべき化合物は、該化合物の別の鏡像異性体に対する親和性よりも大きな該化合物の1つの鏡像異性体に対する親和性を複合材料が示す、例えば該化合物のラセミ混合物中に存在する該化合物の特定の鏡像異性体である。
【００１５】
他の態様では、複合材料は、細菌を含むがそれに限定されない微生物を死滅させるかまたは排除するために利用することができる。例えば、複合材料と、黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)(メチシリン耐性株を含む)およびフェカリス菌(Enterococcus faecalis)(バンコマイシン耐性株を含む)、緑膿菌(Pseudomonas aeruginosa)、大腸菌(Escherichia coli)を含むがそれに限定されない細菌とを、これらの細菌を死滅させるかまたは排除するために接触させることができる。本明細書において想定されるように、これらの細菌は水溶液、液体流、または気流中に存在しうる。
【００１６】
他の態様では、複合材料は、緑膿菌、大腸菌、黄色ブドウ球菌、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌、およびバンコマイシン耐性フェカリス菌などの細菌を含むがそれに限定されない様々な微生物の水中での付着およびバイオフィルム形成を阻害するために利用することができる。例えば、基材が水性環境中で利用される場合、基材上での細菌の増殖およびバイオフィルム形成を阻害または阻止するために、基材を複合材料でコーティングすることができる。
【００１７】
他の態様では、複合材料は、反応を触媒するために利用することができる。例えば、複合材料は、反応混合物と複合材料とを接触させ、場合によっては反応混合物を複合材料に通すことによって反応を触媒するために利用することができる。
【００１８】
他の態様では、複合材料は、化合物を輸送および放出するために利用することができる。例えば、複合材料は、概して長期間にわたって化合物を(例えば、果実または新鮮な花の成熟を遅延させるために1-メチルシクロプロペンなどの薬物または化合物を)輸送および放出するために利用することができる。したがって、複合材料は果実または花の包装において利用することができる。
【００１９】
好ましくは、開示される複合材料中で、大環状化合物が構造多糖に結合している。したがって、開示される方法では、好ましくは、流れまたは反応混合物を複合材料と接触させるかまたは複合材料に通した後で、大環状化合物は複合材料から除去されない。
【００２０】
開示される材料は様々な用途向けに構成可能である。これらとしては、液体流または気流用のフィルター中で使用されるフィルター材料、および創傷用の包帯または果実もしくは花用の包装中で使用される布材料が挙げられるがそれに限定されない。
以下に、本発明の基本的な諸特徴および種々の態様を列挙する。
［１］
イオン性液体に溶解した構造多糖および大環状化合物を含む、イオン性液体組成物。
［２］
構造多糖が、β-1,4結合を介して結合した6-炭素単糖を含むポリマーである、［1］記載の組成物。
［３］
構造多糖がセルロースである、［1］記載の組成物。
［４］
構造多糖がキチンである、［1］記載の組成物。
［５］
構造多糖がキトサンである、［1］記載の組成物。
［６］
大環状化合物が、シクロデキストリン、カリックスアレーン、カルセランド、クラウンエーテル、シクロファン、クリプタンド、ククルビツリル、ピラーアレーン、およびスフェランドからなる群より選択される、［1］記載の組成物。
［７］
大環状化合物がシクロデキストリンである、［6］記載の組成物。
［８］
シクロデキストリンが、α-シクロデキストリン、β-シクロデキストリン、またはγ-シクロデキストリンである、［7］記載の組成物。
［９］
シクロデキストリンが、ヒドロキシル基上の1個または複数の置換を有する修飾シクロデキストリンである、［7］記載の組成物。
［１０］
置換が、アルキル基、ヒドロキシアルキル基、スルホアルキル基、および糖基からなる群より選択される、［9］記載の組成物。
［１１］
修飾シクロデキストリンが、メチルシクロデキストリン、ヒドロキシエチルシクロデキストリン、2-ヒドロキシプロピルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン、スルホブチルシクロデキストリン、グルコシルシクロデキストリン、およびマルトシルシクロデキストリンからなる群より選択される、［9］記載の組成物。
［１２］
イオン性液体がアルキル化イミダゾリウム塩である、［1］記載の組成物。
［１３］
アルキル化イミダゾリウム塩が、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム塩、1-エチル-3-メチルイミダゾリウム塩、および1-アリル-3-メチルイミダゾリウム塩からなる群より選択される、［12］記載の組成物。
［１４］
イオン性液体が塩化1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムである、［1］記載の組成物。
［１５］
イオン性液体組成物が少なくとも4% w/wの溶解構造多糖を含む、［1］記載の組成物。
［１６］
イオン性液体組成物が少なくとも10% w/wの溶解構造多糖を含む、［1］記載の組成物。
［１７］
構造多糖および大環状化合物を含む複合材料を調製するための方法であって、イオン性液体を［1］記載の組成物から除去する工程を含む、方法。
［１８］
イオン性液体組成物を水溶液で洗浄することで複合材料を得る工程と、こうして得られた複合材料を乾燥させる工程とを含む工程によって、イオン性液体が除去される、［17］記載の方法。
［１９］
［17］記載の方法によって調製される複合材料。
［２０］
混入物を流れから除去するための方法であって、該流れと［19］記載の複合材料とを接触させる工程を含む、方法。
［２１］
微生物を死滅させるかまたは排除するための方法であって、該微生物と［19］記載の複合材料とを接触させる工程を含む、方法。
［２２］
化合物を流れから精製する方法であって、該化合物と［19］記載の複合材料とを接触させる工程を含む、方法。
［２３］
前記化合物が鏡像異性体であり、前記流れが該化合物のラセミ混合物を含む、［22］記載の方法。
［２４］
反応を触媒するための方法であって、反応混合物と［19］記載の複合材料とを接触させる工程を含む、方法。
［２５］
化合物を送達するための方法であって、該化合物と［19］記載の複合材料とを接触させる工程、および該化合物を該複合材料から拡散させる工程を含む、方法。
［２６］
［19］記載の複合材料を含むフィルター。
［２７］
［19］記載の複合材料を含む包帯。
［２８］
化合物の鏡像異性体を該化合物のラセミ混合物から精製する方法であって、該ラセミ混合物と複合材料とを接触させる工程を含み、該複合材料が、構造多糖をイオン性液体に溶解させた後、該イオン性液体をイオン性液体組成物から除去することで該複合材料を得ることによって調製される、方法。
［２９］
構造多糖がセルロースとキトサンとの混合物である、［28］記載の方法。
［３０］
前記化合物がアミノ酸である、［28］記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】[BMIm+Cl-]; CS粉末; α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD粉末; ならびに異なる合成段階での[CS + α-TCD]複合材料のX線粉末回折スペクトル。
【図１Ｂ】[BMIm+Cl-]; CS粉末; α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD粉末; ならびに異なる合成段階での[CS + β-TCD]複合材料のX線粉末回折スペクトル。
【図１Ｃ】[BMIm+Cl-]; CS粉末; α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD粉末; ならびに異なる合成段階での[CS + γ-TCD]複合材料のX線粉末回折スペクトル。
【図２Ａ】100% CS、α-TCD、および50:50 CS/α-TCD複合材料のFTIRスペクトル。
【図２Ｂ】100% CS、α-TCD、および50:50 CS/α-TCD複合材料のNIRスペクトル。
【図３Ａ】100% CELの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図３Ｂ】100% CSの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図３Ｃ】50:50 CEL/γ-TCDの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図３Ｄ】50:50 CEL/β-TCDの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図３Ｅ】50:50 CS/γ-TCDの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図３Ｆ】50:50 CS/β-TCDの表面のSEM画像(左列の画像)および断面のSEM画像(右列の画像)。
【図４】[CEL + γ-TCD]複合材および[CS + γ-TCD]複合材中のγ-TCD濃度の関数としての引張強度のプロット。
【図５】(A) 50:50 CS/β-TCDおよび(B) 50:50 CEL/β-TCDの粒子内細孔拡散モデルプロット。
【図６Ａ】100% CELおよび100% CSによるすべての分析物の平衡収着能(qe)のプロット。
【図６Ｂ】100% CELおよび50:50 CEL/β-TCDによるすべての分析物の平衡収着能(qe)のプロット。
【図６Ｃ】100% CSおよび50:50 CEL/β-TCDによるすべての分析物の平衡収着能(qe)のプロット。
【図６Ｄ】4つすべての複合材によるすべての分析物の平衡収着能(qe)のプロット。
【図７Ａ】[CEL + CS]複合材料中のCS濃度の関数としての2,4,5-トリクロロフェノールの吸着に関するqeおよびkのプロット。
【図７Ｂ】3,4-ジ-Cl-Phに関する50:50 CS/α-TCD、50:50 CS/β-TCD、および50:50 γ-TCD CS複合材の収着プロファイルのプロット。
【図７Ｃ】CS + TCD複合材料中のα-TCD、β-TCD、およびγ-TCD濃度の関数としての該複合材による3,4-ジクロロフェノールの平衡収着能のプロット。
【図８】50:50 CS/γ-TCD複合材料上への3,4-ジ-Cl-Phの吸着に関するラングミュア、フロイントリッヒ、およびDubinin-Radushkevich等温式モデルに対する実験値のフィッティング。
【図９Ａ】100%CS、β-TCD粉末、および50:50 CS:β-TCDのFTIRスペクトル。
【図９Ｂ】100%CS、γ-TCD、および50:50 CS:γ-TCDのFTIRスペクトル。
【図１０Ａ】100%CS、β-TCD粉末、および50:50 CS:β-TCDのNIRスペクトル。
【図１０Ｂ】100%CS、γ-TCD、および50:50 CS:γ-TCDのNIRスペクトル。
【図１１Ａ】CEL/TCD複合材料のFT-IRスペクトル。
【図１１Ｂ】CEL/TCD複合材料のNIRスペクトル。
【図１２Ａ】100%CS複合材料の擬二次線形プロット。
【図１２Ｂ】100%CEL複合材料の擬二次線形プロット。
【図１３Ａ】50:50 CS:β-TCD複合材料の擬二次線形プロット。
【図１３Ｂ】50:50 CEL:β-TCD複合材料の擬二次線形プロット。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
詳細な説明
開示される主題は、以下に定義の用語を利用してさらに記述することができる。
【００２３】
文脈により別途指定または指示しない限り、「a」、「an」および「the」という用語は「1つまたは複数」を意味する。例えば、「化合物(a compound)」は「1つまたは複数の化合物」を意味すると解釈すべきである。
【００２４】
本明細書において使用される「約(about)」、「約(approximately)」、「実質的に」および「有意に」は当業者に理解されるものであり、それらが使用される文脈によってある程度異なる。用語が使用される文脈があることを前提として、当業者に不明瞭にその用語が使用される場合、「約(about)」および「約(approximately)」は特定の用語のプラスまたはマイナス10%以下を意味し、「実質的に」および「有意に」は特定の用語のプラスまたはマイナス10%超を意味する。
【００２５】
本明細書において使用される「含む(include)」および「含む(including)」という用語は、「含む(comprise)」および「含む(comprising)」という用語と同一の意味を有するが、これは、これら後者の用語が、これら移行語に続く記載された要素のみに請求項を限定しない「開放式の」移行語であるという点においてである。「からなる」という用語は、「含む(comprising)」という用語に包含されてはいるが、この移行語に続く記載された要素のみに請求項を限定する「閉鎖式の」移行語として解釈すべきである。「から本質的になる」という用語は、「含む(comprising)」という用語に包含されてはいるが、この移行語に続くさらなる要素を、これらさらなる要素が請求項の基本的でかつ新規の特徴に本質的に影響しない場合にのみ許容する、「半開放式の」移行語として解釈すべきである。
【００２６】
複合材料、および複合材料を調製するためのイオン性液体組成物が開示される。複合材料は、通常は1つまたは複数の構造多糖を含み、かつ好ましくは1つまたは複数の大環状化合物を含む。
【００２７】
本明細書において使用される「構造多糖」とは、生物の生体構造を形成可能な水不溶性多糖を意味する。通常、構造多糖は、β-1,4結合を介して結合したグルコース、またはグルコースの修飾形態(例えばN-アセチルグルコサミンおよびグルコサミン)などの6-炭素糖のポリマーである。構造多糖としてはセルロース、キチン、および、アルカリ溶液(例えばNaOH)での処理によってキチンの1個または複数のN-アセチルグルコサミン単量体単位を脱アセチル化することでキチンから形成可能なキトサンを挙げることができるがそれに限定されない。キトサン系多糖複合材料およびその調製は、参照により本明細書に組み入れられるTran et al., J. Biomed. Mater. Res. Part A 2013:101A:2248-2257(以下「Tran et al. 2013」)に開示されている。
【００２８】
本明細書において使用される「大環状化合物」とは、環状巨大分子、または分子(例えば、配位子に配位可能な2個以上の潜在的なドナー原子を好ましくは含む9個以上の原子の環を含む分子)の巨大分子環状部分のことである。大環状化合物としてはシクロデキストリン(例えばα-シクロデキストリン、β-シクロデキストリン、およびγ-シクロデキストリン)、カリックスアレーン、カルセランド、クラウンエーテル、シクロファン、クリプタンド、ククルビツリル、ピラーアレーン、ならびにスフェランドを挙げることができるがそれに限定されない。
【００２９】
大環状化合物の化学構造が特に関心の対象となる。というのも、これらの化合物(「ホスト化合物」としても知られる)がそれらの空洞に他の分子(「ゲスト化合物」としても知られる)を捕捉することで「包接錯体」を形成することができるからである。ゲスト分子のサイズおよび形状がホスト化合物の空洞のそれと同等である場合にのみ、ゲスト分子は大環状化合物の空洞に捕捉されうる。したがって、適切に構成された大環状化合物は、多くの異なる化合物の混合物からゲスト化合物を選択的に抽出することができる。したがって、大環状化合物は、薬物などの化合物の混入物および担体の選択的除去を含む種々の用途において使用されている。大環状化合物の選択性がその空洞のサイズおよび形状に依存することから、異なる種類の大環状化合物(シクロデキストリン、カリックスアレーン、ククルビツリル、ピラーアレーン、およびクラウンエーテル)が異なる種類のゲスト化合物に対する異なる選択性を示す。これらのうち、シクロデキストリンが、天然化合物である唯一の公知の大環状化合物である。すなわち、それらは、本明細書に開示される複合材料の一成分として使用される際に完全に生体適合性および生分解性である。他の大環状化合物(カリックスアレーン、ククルビツリル、ピラーアレーン、およびクラウンエーテル)はいずれも人工化合物である。原則として、それらはシクロデキストリンのコストよりも相対的に低いコストで合成することができ、シクロデキストリンのそれに比べて異なる選択性を示す(例えば、それらのうち一部は重金属イオンと包接化合物を形成しうる)。
【００３０】
開示される複合材料は、1つまたは複数のイオン性液体に溶解した1つまたは複数の構造多糖(および好ましくは1つまたは複数の大環状化合物)を含むイオン性液体組成物から調製することができる。本明細書において使用される「イオン性液体」とは液体状態の塩、通常は、融点が約100℃未満である塩を意味する。イオン性液体としてはアルキル化イミダゾリウムカチオンに基づく塩、例えば下記式を挙げることができるがそれに限定されない:
0006449249.tif 000002
式中、R1およびR2はC1〜C6アルキル(直鎖または分岐)であり、X-は任意のカチオン(例えば、塩化物イオンなどのハロゲン化物イオン、リン酸イオン、シアナミドイオンなど)である。
【００３１】
開示される複合材料は、混入物を水溶液、液体流、または気流から除去するための方法において利用することができる。ミクロシスチンを除去するためのキトサン-セルロース複合材料は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるTran et al., J. of Hazard. Mat. 252-253 (2013) 355-366に開示されている。
【００３２】
開示される複合材料は、化合物を水溶液、液体流、または気流から精製するための方法において利用することができる。特に、複合材料は、化合物を化合物の混合物から精製するための方法において利用することができる。アミノ酸の特定の鏡像異性体をラセミ混合物から精製するためにキトサン-セルロース複合材料を使用する方法は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるDuri et al. Langmuir, 2014, 30(2), pp 642-650(以下「Duri et al. 2014」)に開示されている。Duri et al. 2014に開示されているように、化合物の鏡像異性体を化合物のラセミ混合物から精製するための方法では、複合材料は構造多糖(例えばキトサンおよびセルロース)からなりうる。したがって、化合物の鏡像異性体を化合物のラセミ混合物から精製するための方法において複合材料が利用される場合、複合材料内での大環状化合物の存在は任意的であってもよい。
【００３３】
開示される複合材料は、微生物(例えば細菌)の増殖を阻害または阻止するための方法において利用することができる。例えば、水溶液、液体流、または気流中の微生物の増殖を阻害または阻止するために、開示される複合材料と微生物を含む水溶液、液体流、または気流とを接触させることができる。あるいは、基材上の微生物の増殖を阻害または阻止するために、開示される複合材料を使用して基材をコーティングすることができる。キトサン系多糖複合材料の抗微生物性は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられるTran et al., J. Biomed. Mater. Res. Part A 2013:101A:2248-2257(以下「Tran et al. 2013」)およびHarkins AL, Duri S, Kloth LC, Tran CD. 2014. "Chitosan-cellulose composite for wound dressing material. Part 2. Antimicrobial activity, blood absorption ability, and biocompatibility." J Biomed Mater Res Part B 2014: 00B: 000-000(以下「Harkins et al. 2014」)に開示されている。Tran et al. 2013およびHarkins et al. 2014に開示されているように、微生物増殖を阻害または阻止するために開示される複合材料を使用する方法では、複合材料は構造多糖(例えばキトサンおよびセルロース)からなりうる。したがって、微生物増殖を阻害または阻止するための方法において複合材料が利用される場合、複合材料内での大環状化合物の存在は任意的であってもよい。
【実施例】
【００３４】
以下の実施例は例示的なものであり、特許請求される主題を限定することを意図するものではない。
【００３５】
2013年3月21日にオンラインで入手可能なDuri et al., "Supramolecular Composition Materials from Cellulose, Chitosan, and Cyclodextrins: Facile Preparation and Their Selective Inclusion Complex Formation with Endocrine Disruptors," Langmuir. 2013. 29(16):5037-49が参照され、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【００３６】
要約
本発明者らは、セルロース(CEL)、キトサン(CS)、ならびに(2,3,6-トリ-O-アセチル)-α-、β-、およびγ-シクロデキストリン(α-、β-、およびγ-TCD)から高性能超分子多糖複合材を調製するための単純かつ1工程の方法の開発に成功した。この方法では、複合材を溶解させて調製するための溶媒として、イオン性液体(IL)である[BMIm+Cl-]を使用した。使用したILの大部分(88%超)が再利用のために回収されたことから、本方法は再循環可能な方法である。XRD、FT-IR、NIR、およびSEMを使用して溶解プロセスをモニタリングし、多糖が化学修飾なしに再生されたことを確認した。優れた機械特性(CELによる)、汚染物質および毒素の優れた吸着剤であること(CSによる)、ならびに包接錯体形成を通じたサイズ/構造選択性(TCDによる)を含む、各成分の独自の特性が、複合材中で損なわれていないことがわかった。具体的には、速度式および吸着等温式からの結果は、CS系複合材が内分泌攪乱物質(ポリクロロフェノール、ビスフェノール-A)を効果的に吸着することができるが、その吸着が分析物のサイズおよび構造とは無関係であることを示している。逆に、γ-TCD系複合材による吸着は、分析物のサイズおよび構造に対する強力な依存を示す。例えば、3つすべてのTCD系複合材(すなわちα-、β-、およびγ-TCD)が2-、3-、および4-クロロフェノールを効果的に吸着することができるが、γ-TCD系複合材のみが、3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールを含む嵩高な基を有する分析物を吸着することができる。さらに、γ-TCD系複合材による嵩高な基を有する分析物の平衡収着能は、CS系複合材によるそれよりもはるかに高い。まとめると、これらの結果は、相対的に大きな空洞サイズを有するγ-TCD系複合材が、嵩高な基を有する分析物との包接錯体を容易に形成することができ、包接錯体形成を通じて、表面吸着のみにより分析物を吸着可能なCS系複合材に比べてはるかに多くの分析物をサイズ/構造選択性を伴って強力に吸着することができるということを示している。
【００３７】
序論
超分子複合材料は、様々な分子間力によって一緒に保持される2つ以上の化学種の会合から作り出される、組織化された複雑な実体である1-5。その構造は相加的相互作用の結果であるのみならず協同的相互作用の結果でもあり、その特性は多くの場合、個々の各成分の特性の合計よりもすぐれている1-3。シクロデキストリン(CD)などの大環状多糖を含有する超分子複合材料が特に関心の対象となる。というのも、CD(α-、β-、およびγ-CD)が、異なるサイズおよび形状を有する種々の異なる化合物との包接錯体を選択的に形成することが知られているからである4-6。CD系超分子複合材料の特性を完全かつ実際に利用することができるためには、封入されたCDがそれらの独自の特性を保持する固体形態(膜および/または粒子)に、これらの材料を容易に加工することが必要である。CDは高度に水溶性であり、その低い機械強度およびレオロジー強度が理由で、膜に加工することができない。したがって、得られる材料を固体の薄膜および/または粒子に加工することができるようにCDの機械強度を増加させるためには、多くの場合、CDを人工ポリマーと化学反応させかつ/または人工ポリマーにグラフトすることが必要である7-10。これらの方法によって合成されたCD系材料が報告されている。残念ながら、それらの潜在能力にもかかわらず、そのような材料の実際的な用途は相当に限定されている。というのも、合成において使用される反応が複雑であるため合成専門家に限定されることに加えて、使用される方法がCDの所望の特性を改変させかつ/または低下させることもあるからである7,8,11,12。したがって、CD系超分子材料を固体の膜(または粒子)に加工できるように、合成化学物質および/またはポリマーによる化学修飾によってではなく、CDに構造的に類似したセルロースおよび/またはキトサンなどの天然多糖の使用によって、その機械強度を向上させることが望ましい。
【００３８】
セルロース(CEL)およびキトサン(CS)は、地球上で最も豊富な生体再生可能バイオポリマーのうちの2つである。後者は、カニおよびエビなどの甲殻類の外骨格に見られる2番目に豊富な天然多糖であるキチンのN-脱アセチル化によって誘導される。これらの多糖では、水素結合内および水素結合間の広範なネットワークによって、それらが秩序ある構造をとることが可能になる。そのような構造に起因して、CELは優れた機械強度を示し、CSは止血、創傷治癒、殺菌および殺真菌、薬物送達、ならびに有機および無機汚染物質の吸着性などの著しい特性を示すが、この構造によってそれらは大部分の溶媒に不溶性になる9,10,13-18。CELおよびCSは、それらの優れた機械強度および独自の特性によって、CDの優れた支持ポリマーとなるであろうだけに、このことは相当に残念である。得られる[CELおよび/またはCS+CD]複合材は、すべてのその成分の特性の組み合わせである特性を有すると予想される。すなわち、それは優れた機械強度を有することができ(CELによる)、出血を停止させ、創傷を治癒し、細菌を死滅させ、薬物を送達することができ(CSによる)、異なる種類、サイズ、および形状の多種多様な化合物との包接錯体を選択的に形成することができる(CDによる)。残念ながら、これまで、そのような超分子は、3つすべての化合物を溶解させることができる好適な溶媒の欠如が理由で実現していない。この困難は、CDが水溶性であるがCELおよびCSが大部分の溶媒に不溶性であるという事実に起因する。さらに、CEL、CS、およびCDの3つすべてを溶解させることができる溶媒または溶媒系は存在しない。
【００３９】
CELおよびCSに好適な溶媒を発見するために過去数年に相当な努力が行われ、いくつかの溶媒系が報告されている19-20。例えば、メチルモルホリン-N-オキシド、ジメチルヘキシルシリルクロリド、またはジメチルアセトアミド(DMAc)中LiClなどの高温および強外来溶媒が、CELを溶解させるために必要であり、一方、酢酸などの酸が、CSが水に溶解可能になるようにそのアミノ基をプロトン化するために必要である6,29。これらの方法は、腐食性および揮発性の溶媒の使用に基づき、高温を必要とし、かつ、多糖の構造および特性の変化につながることがある副反応および不純物の悪影響を受けることから、望ましくない。より重要なことには、CELおよびCSの両方を溶解させるために単一の溶媒または溶媒系を使用することは不可能である。CS、CEL、およびCDの3つすべてを、高温下でなくかつ腐食性および揮発性の溶媒によらず、再循環可能な「環境に優しい(green)」溶媒によって効果的に溶解させることができる新規の方法が特に必要である。これは、そのような方法が、生体適合性であるだけでなく構成要素の特性を組み合わせて有する[CS+CD]および[CEL+CD]複合材料の調製を促進すると考えられるためである。
【００４０】
最近、本発明者らは、この問題に対する解決策を提供しうる新規方法を開発した21。この方法では、本発明者らは、(1) 酸または塩基を使用せず、したがって任意のありうる化学変化または物理変化を回避する、CSだけでなくCELを含む他の多糖も溶解させるための革新的で単純で無公害の方法を開発するために、環境に優しい溶媒である単純なイオン性液体のブチルメチルイミダゾリウムクロリド(BMIm+Cl-)の利点を活用し22-25、(2) CS系材料の生分解性、生体適合性、および抗感染性、ならびに薬物担体特性を損なわずに構造を強化しかつ有用性を拡張するために、支持材料としてCELなどの天然バイオポリマーのみを使用した。この方法を使用することで、本発明者らは、異なる組成を有するCELおよびCSを含有する複合材料を合成することに成功した。予想通り、得られた複合材料は、構成要素の利点の組み合わせ、すなわち、優れた化学安定性および機械安定性(CELによる)ならびに優れた抗微生物性(CSによる)を有することがわかった。[CEL+CS]複合材料は、従来の方法により調製される他のCS系材料よりも広範囲の細菌の増殖を阻害する。具体的には、24時間にわたって、この複合材料がメチシリン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)、バンコマイシン耐性腸球菌(Enterococcus)(VRE)、黄色ブドウ球菌、および大腸菌などの細菌の増殖を実質的に阻害したことがわかった21。
【００４１】
提示される情報は実に挑発的なものであり、新規超分子複合材料をCEL、CS、およびCDから合成するために化学修飾なしでこの単純な1工程の方法を使用することが可能であることを明らかに示している。[CEL+CS]複合材に関する本発明者らの以前の研究の結果に基づけば21、[CELおよび/またはCS+CD]複合材料が構成要素のすべての特性、すなわち機械強度(CELによる)、毒素および汚染物質の優れた吸着性(CSによる)を有することができ、異なるサイズおよび形状の基材との包接錯体を選択的に形成することができる(CDによる)と予想される。このような考察により、本発明者らは、新規超分子複合材料をCEL、CS、およびCDから合成するための本発明者らが最近開発した方法を使用してブレイクスルーを促進することを目的とする本研究を開始することを思い立った。内分泌攪乱物質などの有機汚染物質の除去のための複合材料の合成、分光学的特徴づけ、および応用に関する結果を本明細書において報告する。
【００４２】
実験セクション
化学物質
セルロース(微晶質粉末)およびキトサン(分子量約310〜375kDa)をSigma-Aldrich(ウィスコンシン州ミルウォーキー)から購入し、受け取ったまま使用した。本発明者らの実験室において既に使用した手順を使用して、新たに減圧蒸留した1-メチルイミダゾールおよび1-クロロブタン(マサチューセッツ州ワードヒル、Alfa Aesar)から[BMIm+Cl-]を合成した21,26。2-クロロフェノール(2 Cl-Ph)、3クロロフェノール(3 Cl-Ph)、4-クロロフェノール(4 Cl-Ph)、3,4ジクロロフェノール(3,4ジCl-Ph)、2,4,5トリクロロフェノール(2,4,5トリCl-Ph)、およびビスフェノールA(BPA)をSigma Aldrich(ウィスコンシン州ミルウォーキー)から得た。ヘプタキス(2,3,6-トリ-O-アセチル)-β-シクロデキストリン(β-TCD)(オレゴン州ポートランド、TCI America)、ヘキサキス(2,3,6-トリ-O-アセチル)-α-シクロデキストリン(α-TCD)、およびオクタキス(2,3,6-トリ-O-アセチル)-γ-シクロデキストリン(γ-TCD)(オランダ、Cyclodextrin-Shop)を受け取ったまま使用した。スキーム1は、本研究において使用される化合物の構造を示す。
スキーム1  使用される化合物の構造
0006449249.tif 000003
【００４３】
機器使用
元素分析をMidwest Microlab, LLC(インディアナ州インディアナポリス)によって行った。1H NMRスペクトルをVNMRS 400分光計上で取得した。近赤外(NIR)スペクトルを自家製NIR分光計上で記録した27。FT-IRスペクトルをPerkinElmer 100分光計上で分解能2cm-1でKBrによって、またはZnSe単一反射ATRアクセサリ(Pike Miracle ATR)によって測定した。X線回折(XRD)測定値をRigaku MiniFlex II回折計上でNi濾過Cu Kα線(1.54059Å)を利用して取得した28。複合材料の表面および断面の走査型電子顕微鏡画像を減圧下にて加速電圧3kVでHitachi S4800走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して取得した。引張強度の測定をInstron 5500R引張試験機上で行った。
【００４４】
[CEL + TCD]および[CS + TCD]複合材膜の調製
スキーム2に示すように、CEL、CS、および[CEL+CS]の合成用に本発明者らの実験室において既に開発された手順と同様の手順を使用して[CEL+α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD]ならびに[CS+α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD]複合材料を合成した2。
スキーム2  セルロース-キトサン-TCD複合材料を調製するために使用した手順
0006449249.tif 000004
【００４５】
基本的には、スキーム2に示すように、イオン性液体[BMIm+ Cl-]を、CEL、CS、α-TCD、β-TCD、およびγ-TCDを溶解させるための溶媒として使用した。溶解を100℃およびArまたはN2雰囲気下で行った。すべての多糖をイオン性液体の約1重量%ずつ数回加えた。以前の添加分が完全に溶解した後でのみ、所望の濃度に到達するまで引き続き数回加えた。複合材膜に関しては、CEL(またはCS)を最初に溶解させ、TCDを最後に溶解させて、各成分を順次溶解させた。この手順を使用して、CEL(最大10% w/w(ILの)で含有)、CS(最大4% w/w)の溶液、ならびにCEL(またはCS)およびα-TCD、β-TCD、またはγ-TCDを様々な割合で含有する複合材溶液を約6〜8時間で調製した。
【００４６】
溶解が完了した時点で、適切なサイズを有するRDSステンレス鋼コーティングロッド(ニューヨーク州ウェブスター、RDS Specialties)を使用してガラススライドまたはマイラーシート上に多糖の[BMIm+Cl-]均一溶液を流延して、異なる組成および濃度のCEL(またはCS)およびα-TCD、β-TCD、またはγ-TCDを有する薄膜を生成した。必要であれば、溶液を所望の厚さのPTFE金型上に流延することで、より分厚い複合材料を得ることができる。次にそれらを室温で24時間保持して溶液をゲル化に供することでゲル膜を得た。次に、膜に残留する[BMIm+ Cl-]を、膜を脱イオン水中で約3日間洗浄して除去することで、湿潤膜を得た。この期間の間、洗浄水を新たな脱イオン水に常に交換することでイオン性液体の除去を最大化した。使用した[BMIm+ Cl-]を洗浄済みの水溶液から蒸留により回収した。[BMIm+Cl-]の少なくとも88%が再利用のために回収されたことがわかった。再生複合材料を終夜凍結乾燥させて水を除去することで乾燥多孔質複合材膜(乾燥膜)を得た。
【００４７】
吸着速度式を測定するために使用した手順
2つの対応するキュベットをすべての吸着測定に使用し、一方は複合材による汚染物質の吸着について使用し、他方はブランク(ブランク1)として使用した。試料(複合材料の乾燥膜約0.02g)を吸着実験の前に水中で徹底的に洗浄して、[BMIm+ Cl-]が完全に除去されたことをさらに確認した。というのも、任意の残留ILの吸着がポリクロロフェノールまたはBPAの吸着と干渉することがあるからである。試料を洗浄するために、PTFEから加工されて、窓が2つのPTFEメッシュで覆われた薄いセルに、秤量済みの複合材料を入れた。メッシュにより、洗浄プロセス中の材料を通じた水の自由な循環が確実になった。試料を収容するPTFEを2Lビーカーに入れ、ビーカーを脱イオン水で満たし、室温で24時間攪拌した。この間、洗浄中の水の吸光度を214および287nmでモニタリングして、任意の[BMIm+ Cl-]の存在を決定した。ビーカー中の水を4時間ごとに新たな脱イオン水に交換した。
【００４８】
24時間後、複合材料を水から取り出し、試料キュベットに入れた。測定中に試料セルおよびブランクセルの両方を小さなマグネチックスピンバーを使用して攪拌した。測定中にマグネチックスピンバーによる試料の損傷を妨げかつ溶液の循環を最大化するために、2つのPTFEメッシュの間に試料を挟み込んだ。具体的には、1枚のPTFEメッシュを分光光度セルの下部に置いた。洗浄した膜試料をPTFEメッシュの上部に平らに置いた。別の1枚のPTFEメッシュを試料の上部に置き、最後に小さなマグネチックスピンバーを第2のメッシュの上部に置いた。ブランクセルは試料セルと同一の内容物を有していたが、但し複合材料がなかった。ポリクロロフェノールまたはBPAの1.55 x 10-4M水溶液ちょうど2.70mLを試料セルおよびブランクセルの両方に加えた。第2のブランクセル(ブランク2)も使用した。このブランクセル2は試料セルと同一の内容物(すなわちPTFEメッシュ、複合材膜、PTFTメッシュ、およびマグネチックスピンバー)を有していたが、但し汚染物質がなかった。セル内容物(PTFEメッシュ、マグネチックスピンバー)によりかつ複合材料によらない汚染物質の任意の吸着をブランク1のシグナルによって補正した。ブランク2は、複合材膜からの残留ILの漏出による汚染物質の吸着に対する任意のありうる干渉に関する情報を提供した。各汚染物質に対する適切な波長、すなわち2-および3-クロロフェノールに対する274nm、4-クロロフェノールに対する280nm、3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールに対するそれぞれ282nmおよび289nm、ならびにビスフェノールAに対する276nmに設定したPerkin Elmer Lambda 35紫外可視分光計上で測定を行った。測定値を最初の2時間は10分間隔で、2時間後には20分間隔で取得した。各測定後、セルを引き続き攪拌するためにマグネチックスターラーに戻した。報告値は試料のシグナルとブランク1およびブランク2のシグナルとの差とした。しかし、両ブランクセルにより測定されるシグナルは実験誤差の範囲内であり、無視できるものであることがわかった。
【００４９】
速度式データの解析
擬一次、擬二次および粒子内拡散速度式モデルを使用して、異なるポリクロロフェノールおよびBPAの吸着速度式を評価し、かつ吸着プロセスにおける取り込みの程度を定量化した。
【００５０】
擬一次速度式モデル
Lagergrenの擬一次式の一次形式を以下に示す:52
ln(qe - qt) = ln qe - k1t [SI-1]
式中、qtおよびqeは、時間tおよび平衡状態(mg g-1)でそれぞれ吸着された汚染物質の量であり、k1(分-1)は、ln (qe - qt)対tの線形プロットの勾配から計算される擬一次速度定数である。
【００５１】
擬二次速度式モデル
Hoモデルによれば、擬二次反応の速度は、収着剤の表面上の種の量、および平衡状態で収着された種の量に依存しうる。平衡収着能qeは、温度、初期濃度、および溶質-収着剤相互作用の性質などの因子に依存する。Hoモデルの一次式は以下のように表すことができる:52
0006449249.tif 000005
式中、k2は擬二次収着速度定数(g/mg.分)であり、qeは平衡状態で吸着された分析物の量(mg/g)であり、qtは任意の時間tで吸着された分析物の量(mg/g)である。
【００５２】
初期吸着速度hが下記式である場合:
h = k2qe2 [SI-3]
Eq SI-2は以下のように再編成することができる。
0006449249.tif 000006
【００５３】
t/qtをtに対してプロットすることで線形プロットを得ることができる。qeおよびhは勾配および切片から得ることができ、k2はhおよびqeからEq SI-3に従って計算することができる。
【００５４】
粒子内拡散モデル
粒子内拡散式を以下のように示す:51,53
qt = kit0.5 + I [SI-5]
式中、ki(mg g-1分-0.5)は粒子内拡散速度定数であり、I(mg g-1)は、境界層の厚さに関する情報を与える定数である51,53。このモデルによれば、qt対t0.5のプロットが直線を示す場合、吸着プロセスは粒子内拡散によって制御され、一方、データが多重線形プロットを示す場合、2つ以上の段階が吸着プロセスに影響する。
【００５５】
平衡収着等温式を測定するために使用した手順
公知の初期濃度の汚染物質溶液10mLを収容するストッパ付き50mLバイアル中でバッチ収着実験を行った。秤量済みの重量(0.1g)の複合材料を溶液に加えた。試料を25℃の振盪水浴中にて250rpmで72時間攪拌した。各フラスコ中の汚染物質の残留量を紫外可視分光光度法によって分析した。複合材料上に吸着された汚染物質の量を、以下の物質収支式を使用して計算した:
0006449249.tif 000007
式中、qe(mg/g)は平衡収着能であり、CiおよびCe(mg/L)はそれぞれ初期および最終の汚染物質濃度である。V(L)は溶液の量であり、m(g)は複合材膜材料の重量である。
【００５６】
吸着等温式の分析
収着平衡を記述するための異なる等温式モデルが開発されている。本研究ではラングミュア、フロイントリッヒ、およびDubinin-Radushkevich(D-R)等温式を使用した。
【００５７】
ラングミュア等温式
ラングミュア収着等温式は、取り込みが吸着分子間の相互作用なしに単層収着によって均一表面上で生じることを記述するものであり、一般的に下記式として表される(Langmuir, 1916):54
0006449249.tif 000008
式中、qe(mg g-1)およびCe(mg L-1)は平衡状態での吸着質のそれぞれ固相濃度および液相濃度であり、qm(mg g-1)は最大吸着能であり、KL(L mg-1)は吸着平衡定数である。定数KLおよびqmはCe/qeとCeとの間のプロットの勾配および切片から決定することができる。
【００５８】
フロイントリッヒ等温式
フロイントリッヒ等温式は不均一表面上での非理想的吸着に適用可能であり、等温式の一次形式は下記式のように表すことができる(Freundlich, 1906):55
0006449249.tif 000009
式中、qe(mg g-1)は吸着剤上での平衡濃度であり、Ce(mg L-1)は溶液中での平衡濃度であり、KF(mg g-1)(L g-1)1/nは収着能に関するフロイントリッヒ定数であり、nは不均一性因子である。KFおよび1/nは、対数qe対対数Ceのプロットの直線の切片および勾配から計算される。n値は、収着プロセスの好ましさの尺度であることが知られている58。1〜10の値が好ましい収着を表すことが知られている。
【００５９】
Dubinin-Radushkevich(D-R)等温式
Dubinin-Radushkevich(D-R)等温式モデルは表面エネルギーの不均一性を予想するものであり、下記式を有する:57
0006449249.tif 000010
式中、qm(mg g-1)は最大吸着能であり、β(mmol2 J-2)は吸着の平均自由エネルギーに関連する係数であり、ε(J mmol-1)はポランニー電位であり、Rは気体定数(8.314 J mol-1 K-1)であり、Tは温度(K)であり、Ce(mg L-1)は平衡濃度である。D-R定数qmおよびβはln qeとε2との間のプロットの切片および勾配から決定することができる。
【００６０】
D-R等温式モデルにおける定数βは、収着プロセスの平均自由エネルギーE(KJ mol-1)に関連することが知られており、平均自由エネルギーは、収着機構に関する情報を与えることができる。Eは下記式1を使用して計算することができる59。
0006449249.tif 000011
【００６１】
この理論によれば、Eが8〜16KJmol-1である場合に、吸着プロセスは化学吸着を介して進行すると想定され、一方、8KJmol-1未満の値では、収着プロセスは多くの場合、物理的性質に左右される59。
【００６２】
結果および考察
CEL/CS+α-TCD、β-TCD、およびγ-TCD複合材料の合成および特徴づけ
本試験において使用したCSは、製造者(Sigma-Aldrich)によって、脱アセチル化度(DA)値75%を有するものと指定された。以下に説明するように、汚染物質を吸着する能力を含むCSの独自の特性がそのアミノ基によるものであることから、そのDA値を決定するために実験を行った。FT-IRおよび1H NMRという2つの異なる方法を決定に使用した30-35。FT-IR法では、スペクトルを分解能2cm-1で取得した。CS試料を50℃で2日間減圧乾燥させた。次に少量の乾燥試料をKBr中で粉砕し、圧縮してFT-IR用のペレットにした。4つのKBrペレットを調製し、それらのスペクトルを記録した。脱アセチル化度(DA)を4つのスペクトルから計算し、平均値を標準偏差と共に報告する。DA値は下記式に基づいて計算した30-31:
DA(%) = 100 - [(A1655/A3450) * 100/1.33] [2]
式中、A1655およびA3450はそれぞれアミドC=Oの1655cm-1での吸光度およびOHバンドの3450cm-1での吸光度である。因数1.33は完全N-アセチル化キトサンのA1655/A3450比の値を示す。この方法を使用してDA%値84±2が発見された。
【００６３】
1H NMR決定のためにスペクトルを70℃で取得した。既に50℃で2日間減圧乾燥させたキトサン試料約5mgを2wt% DCl/D2O溶液0.5mLに70℃で溶解させた。脱アセチル化度(DA)を下記式から、N-アセチルのCH3残基の積分強度ICH3、およびキトサン残基のプロトン2〜6の積分強度の合計IH2-H6を使用して評価した35。
0006449249.tif 000012
【００６４】
この方法を使用してDA値78%が発見された。
【００６５】
キトサン試料が何らかのタンパク質不純物を含有しうることが報告されている。したがって、本研究において使用したCS試料中の任意のありうるタンパク質不純物を決定するために実験を行った。タンパク質不純物の割合(%P)を下記式から計算することができる36-38:
%P = (%N - NT) X 6.25 [4]
式中、6.25はタンパク質中の窒素の理論的割合に対応しており; %Nは、元素分析によって測定された窒素の割合を表し; NTは、キトサン試料の理論的窒素含有量を表す。それは、キトサンの脱アセチル化度(DA)、ならびにそれぞれ完全アセチル化キチンおよび完全脱アセチル化キトサンにおける窒素の割合(6.89および8.69)36-38に基づいて計算された。DA値84%(FT-IRによる)および78%(NMRによる)を使用して、CS試料中のタンパク質不純物の割合がそれぞれ1.89%および1.24%であることを発見した。元素分析に関連する誤差、ならびにFT-IR法およびNMR法によるDA値の決定に関連する誤差を考慮に入れる場合、これら2つの%P値は実験誤差の範囲内で同一であると想定されうる。
【００６６】
実験セクションに記載のように、[CEL+TCD]および[CS+TCD]複合材料を調製するためにCEL、CS、およびTCDを溶解させるための唯一の溶媒として[BMIm+ Cl-]を使用した。[BMIm+ Cl-]が多糖を溶解させることができる唯一のILではないことを付け加えることは注目すべきである。酢酸エチルメチルイミダゾリウム(EMIm+Ac-)、BMIm+Ac-、および塩化アリルメチルイミダゾリウム(AMIm+Cl-)を含む他のILも同様に多糖を溶解させることが知られている。これらのILに比べて相対的に高濃度の多糖を溶解させることができることから、[BMIm+ Cl-]が選択された。例えば、[BMIm+ Cl-]、[AMIm+Cl-]、[BMIm+Ac-]、および[EMIm+Ac-]中のCELの溶解度はそれぞれ20%、15%、12%、および8%であると報告された。さらに、[BMIm+ Cl-]はこれらのILよりも相対的に安価である。というのも、それが相対的に安価な試薬(1-メチルイミダゾールおよび1-クロロブタン)から1工程の方法で容易に合成可能である一方で、他のILが、より高価な試薬(酢酸銀)および2工程の合成方法を必要とすることから相対的に高価であるからである29, 39-43。
【００６７】
[BMIm+ Cl-]は、完全に水混和性であることから、複合材のゲル膜を水で洗浄することでこの膜から除去した。洗浄済みの水の中にILが存在しないことが確認されるまで(214nmおよび287nmでのILのUV吸収をモニタリングすることで)、洗浄水を新たな水に繰り返し交換した。使用したILを、洗浄済みの水溶液を蒸留することで回収した(ILは揮発性でないことから残留していた)。回収した[BMIm+Cl-]を再利用前に70℃で終夜減圧乾燥させた。[BMIm+Cl-]の少なくとも88%が再利用のために回収されたことがわかった。したがって、[BMIm+Cl-]が調製において使用される唯一の溶媒であり、その大部分が再利用のために回収されたことから、ここで開発された方法は再循環可能である。
【００６８】
[BMIm+Cl-]イオン性液体中での多糖、例えばCSおよびTCDの溶解、ならびに複合材料中でのそれらの再生を、粉末X線回折(XRD)によって追跡および試験した。図1は、様々な調製段階での[CS+α-TCD]、[CS+β-TCD]、および[CS+γ-TCD]複合材のXRDスペクトルを示す。α-、β-、およびγ-TCD材料のXRDスペクトル(それぞれ1A、B、およびCの赤色曲線)の間の差は、これらの出発シクロデキストリン材料が異なる構造的形態を有することを示すようである。β-TCD粉末のXRDスペクトルは高結晶性構造と一致しているが、α-TCDおよびγ-TCDのXRDスペクトルは、これらのCDが非晶質構造を有することを示唆しているようである2。[BMIm+Cl-]のXRDスペクトル(黒色曲線)およびゲル膜のXRDスペクトル(紫色曲線)を測定することで、イオン性液体中のCSおよびTCDの溶解を決定した。図示するように、ゲル膜のXRDスペクトルは[BMIm+Cl-]のそれと同様であり、CSまたはTCD回折ピークのいずれも示さない。CSおよびTCDのXRDピークの欠如、およびゲル膜のスペクトルと[BMIm+Cl-]のそれとの間の類似性は、[BMIm+Cl-]がCSおよびTCDを完全に溶解させたことを明らかに示している。再生複合材膜(乾燥膜)のXRDスペクトルも図1に示す。予想通り、50:50 CS:α-TCD、50:50 CS:β-TCD、および50:50 CS:γ-TCD再生複合材膜のXRDスペクトルは、それぞれα-TCD、β-TCD、およびγ-TCDのそれに起因しうるXRDピークを示す。
【００６９】
FT-IRおよびNIR分光法を使用して、得られた複合材膜の化学組成を特徴づけた。α-TCD粉末、100%CS、および[CS+α-TCD]複合材料のFT-IRスペクトルおよびNIRスペクトルをそれぞれ図2Aおよび図2Bに示す(β-TCDおよびγ-TCDに対応するこれらのスペクトルは図9Aおよび図9Bならびに図10Aおよび図10Bに示す)。図示するように、100% CS乾燥膜のFT-IRスペクトルは、特徴的なCSバンドを3400cm-1(O-H伸縮振動)、3250〜3350cm-1(対称および非対称N-H伸縮)、2850〜2900cm-1(C-H伸縮)、1657cm-1(C=O、アミド1)、1595cm-1(N-H変形)、1380cm-1(CH3対称変形)、1319cm-1(C-N伸縮、アミドIII)、および890〜1150cm-1(エーテル結合)の周りに示す21,35-37。参考までに、α-TCD出発原料のFT-IRスペクトルも2Aに赤色曲線として示す(β-およびγ-TCD粉末のそれはそれぞれ図9Aおよび図9Bにある)。2Aにおけるα-TCDのスペクトルならびに9AおよびBにおけるβ-およびγ-TCD粉末のスペクトルは互いに非常に類似している。このことは、これら3つの化合物が、環を構成するグルコース部分の数のみ異なっていることから予想通りである。これらのスペクトルの主要な吸収バンドは、約1746cm-1におけるC=O伸縮振動によるバンドであり、約1372cm-1および1434cm-1における中程度のバンドおよび弱いバンドは、酢酸イオンのCH3基の対称変形および非対称変形、約1216cm-1における酢酸イオンのC-O非対称伸縮振動、ならびに酢酸イオンのO-CH2-C基の非対称伸縮振動に起因しうる21,47,48。
【００７０】
50:50 CS:α-TCD複合材膜のFT-IRスペクトルも含まれる。予想通り、複合材料は、CSによるバンドに加えて、α-TCDによる上記のすべてのバンドも示す。
【００７１】
さらに、NIR測定からの結果によって、TCDのCSへの組み込みの成功(図2Bおよび図10)ならびにCELへの組み込みの成功(図11)が確認される。100% CS膜は1492nm、1938nm、および2104nmの周りのNIR吸収バンドを示し(図2B)、これらのバンドは-OH基のオーバートーン遷移および複合遷移に帰属しうる21,28,46,48。さらに、CSは、-NH基による約1548nmおよび2028nmの周りのバンドも示す49。
【００７２】
FT-IRと同様に、α-、β-、およびγ-TCDのNIRスペクトルも非常に類似している。これらに関する主要なバンドは1415nm(メチル-CH基の第1のオーバートーン)、1680nmおよび1720nm(-CH基の第1のオーバートーン)、1908nmおよび2135nm(-C=O、アセチル基)の周りにある50。図2B(ならびに図10Aおよび図10B)に示すように、[CS+α-TCD]、[CS+β-TCD]、および[CS+γ-TCD]複合材料のNIRスペクトルはCSおよびTCDの両方によるバンドを含む。
【００７３】
同様に、FT-IRおよびNIRの結果によって、α-TCD、β-TCD、およびγ-TCDがCELに成功裏に組み込まれたことも確認される。明確にするために、β-TCD粉末のみ、50:50 CEL:β-TCD、および100% CEL膜のFT-IRおよびNIRスペクトルをそれぞれ図11Aおよび図11Bに示す。100% CEL膜(図11A)は、3400cm-1、2850〜2900cm-1、および890〜1150cm-1の周りにおける3つの顕著なバンドを示す。これらのバンドをそれぞれO-H基、C-H基、および-O-基の伸縮振動に仮に帰属させることができる44。CS複合材料と同様に、[CEL+β-TCD]複合材料のFT-IRおよびNIRスペクトル(ならびに[CEL+α-TCD]および[CEL+γ-TCD]複合材、スペクトルは図示せず)も、TCDおよびCELの両方によるバンドを示す。
【００７４】
SEMによる複合材料の分析によって、この材料の微小構造に関するいくつかの興味深い特徴が明らかになる。再生1成分100%CEL膜および100%CS膜(第1段および第2段)ならびに50:50[CEL+γ-TCD]、[CEL+β-TCD]、[CS+γ-TCD]、および[CS+β-TCD](第3段〜第6段)の表面画像(左列の画像)および断面画像(右列の画像)を図3に示す。予想通り、表面画像および断面画像はいずれも、1成分CELおよびCSが均一であることを明らかに示す。化学的には、CSとCELとの間の唯一の差は、前者におけるアミノである。しかし、SEMによって記録されるそれらの構造は実質的に異なる。具体的には、CSは相当に平滑な構造を示すが、CELは、直径約0.5〜1.0ミクロンを有する繊維を有する繊維状構造として配置されるようである。興味深いことに、CSとγ-TCDとの間の50:50複合材の構造(第5段の構造)は50:50[CS+β-TCD]のそれ(第6段の構造)と非常に異なっているようである。後者のSEM画像は、50:50[CS+γ-TCD]複合材の相当に繊維状の構造とは異なった相当に平滑な構造をそれが有することを示しているようである。同様に、50:50[CEL+γ-TCD]の微小構造(第3段)の微小構造も[CEL+β-TCD]のそれと異なっている。相対的に小さなβ-CDが相当に堅固な構造を有する一方、大きなγ-CDがより柔軟な構造を有することが知られている。また、γ-CDが非常に水溶性である(23.2g/水100mL)一方で、β-CDは水にほとんど溶解不可能である(1.85g/100mL)。これらの差が理由で、β-TCDは、CSまたはCELとの複合材を形成する場合に、γ-TCDとCELまたはCSとの間の複合体の微小構造とは大きく異なる微小構造をとることがありうる。
【００７５】
上記のように、CDの機械強度およびレオロジー強度が低いことから、実際にはCDを実際的用途向けに膜に加工することはできない。CELまたはCSを加えることで、実際的用途向けに十分な機械強度が複合材料に与えられるか否かを決定するために、異なるCELおよびCS濃度を有する[CEL+TCD]および[CS+TCD]複合材膜の引張強度を決定するための測定を行った。得られた図4に示す結果は、CELまたはCSを複合材料中に加えることでそれらの引張強度が実質的に増加することを明らかに示している。例えば、[CEL+γ-TCD]複合材中のCEL(または[CS+γTCD]中のCS)の濃度を50%から75%に増加させることで、引張強度の最大2倍(または6倍)の増加を実現することができる。また、[CEL+γ-TCD]複合材の引張強度は対応する[CS+γ-TCD]複合材よりも相対的に高い。このことは、CELの機械強度およびレオロジー強度がCSのそれよりも相対的に高いという事実を考慮すればほとんど驚くべきことではない。したがって、[CEL+TCD]および[CS+TCD]複合材料が、これら材料の利用に対して現在課されている主要な障害を克服したものである、すなわち、実際的用途に必要な機械強度を有しているということは明白である。
【００７６】
まとめると、提示されたXRD、FT-IR、NIR、およびSEMの結果は、CEL、CS、ならびにα-TCD、β-TCD、およびγ-TCDを含有するすべての新規多糖複合材料が、唯一の溶媒としてのイオン性液体[BMIm+Cl-]の使用によって成功裏に合成されたことを明らかに示している。[BMIm+Cl-]の大部分(少なくとも88%)が再利用のために回収されたことから、本方法は再循環可能な方法である。予想通り、CEL(またはCS)を複合材中に加えることで、複合材の機械強度が実質的に増加する。また、複合材は、CSおよびTCDの特性を保持することができると予想され、すなわち、汚染物質の良好な吸着剤であり(CSによる)、かつ異なるサイズおよび形状の基材との包接錯体を選択的に形成するであろう(TCDによる)と予想される。ポリクロロフェノールおよびビスフェノールAを含む様々な内分泌攪乱物質を選択的に吸着するそれらの能力の初期評価を以下のセクションに記載する。
【００７７】
内分泌攪乱物質(2-、3-、および4-クロロフェノール、3,4-ジクロロフェノール、2,4,5-トリクロロフェノール、ならびにビスフェノールA)の吸着
吸着速度式
以下を決定するために実験を行った: (1) CEL、CS、[CEL+TCD]、および[CS+TCD]複合材料がクロロフェノールおよびビスフェノールAを吸着可能であるか否か; (2) 吸着可能である場合、速度定数、平衡状態での吸着量(qe)、および吸着プロセスの機構; (3) 最高吸着を示す複合材料; ならびに(4) TCDが異なるサイズおよび形状を有する分析物の吸着に対する選択性を示しうるか否か。これらは、最後に速度式データを擬一次モデルおよび擬二次モデルの両方にフィッティングすることで達成される。吸着プロセスに適した反応次数を相関係数(R2)およびモデル選択基準(MSC)値に基づいて決定した。次に速度定数およびqe値を速度式結果から得た51, 52。引き続き、吸着等温式測定の結果と共にデータを粒子内拡散モデルにフィッティングすることで、吸着プロセスへのさらなる洞察を得た。
【００７８】
擬一次および擬二次速度式モデルを使用して、クロロフェノールおよびビスフェノールAを含む異なる分析物に関する100%CEL、100%CS、50:50 CS:β-TCD、および50:50 CEL:β-TCD複合材料の速度定数および平衡吸着能を得た。100%CEL、100%CS、50:50 CS:β-TCD、および50:50 CEL:β-TCDによるすべての分析物の吸着の擬一次および擬二次フィッティングによって得られた結果を表3〜6に列挙する。いずれの場合でも、擬二次速度式モデルのR2およびMSC値が、擬一次速度式モデルの対応する値よりも大きい。さらに、擬一次速度論モデルで得られた平衡吸着能qeの理論値および実験値は、異なる分析物ごとに大きく変動した。結果は、100%CEL、100%CS、50:50 CS:β-TCD、および50:50 CEL:β-TCD複合材料上への様々なクロロフェノールおよびBPAの吸着が擬二次速度式モデルによって最もよく記述されることを示唆しているようである。擬二次速度式モデルが示す系の良好な相関は、吸着剤と分析物との間の電子の共有または交換を通じた原子価力を必然的に伴う化学収着が有意なものでありうることを示唆している52。
【００７９】
上記実験セクションに記載の粒子内拡散モデルを使用してデータを解析することで、吸着機構に関するさらなる情報を得ることができる。50:50 CEL:β-TCDおよび50:50 CS:β-TCD複合材上に吸着された3,4-ジ-Cl-Ph、2,4,5-トリ-Cl-Ph、およびBPAという3つの試験分析物に関する代表的な粒子内細孔拡散プロット(qt対t1/2)を図5Aおよび図5Bに示す。図示するように、qt対t1/2のプロットは線形ではなく、むしろ非線形であり、このプロットは両複合材上のすべての分析物に関する2つの線形セグメントにフィッティングすることができるが、例外として、50:50 CS:β-TCD上での2,4,5-トリ-Cl-Phのデータは場合によってはR2=0.9819を伴う線形回帰にフィッティングされることがある。このモデルによれば、第1のより鋭い線形領域は即時吸着または外表面吸着に帰属しうるものであり、一方、第2の領域は、粒子内拡散が律速的である漸進的吸着段階によるものでありうる51, 53。これらの結果は、粒子内拡散が唯一の律速段階であるわけではなく、他の機構も吸着プロセスに寄与しうるということを示唆しているようである。
【００８０】
次に、平衡収着能(qe)および速度定数(k2)に関して擬二次速度式から得られた結果を使用して、複合材料の収着性能を評価した。表1では、それぞれ100%CEL、50:50 CEL:β-TCD、100%CS、および50:50 CS:β-TCD上での5つの異なるクロロフェノールおよびBPAのqeおよびk2値が列挙される。提示および考察を明確にするために、表からのデータを使用して3対の複合材、すなわち100%CELおよび100%CS(図6A)、100%CELおよび50:50 CEL:β-TCD(図6B)、ならびに100%CSおよび50:50 CS:β-TCD(図6C)に関する3つのプロットを構築した。図6Dでは、すべての複合材料によってすべての分析物について得られた結果がプロットされる。
【００８１】
図6Aからは、すべての分析物において、100% CS材料の平衡収着能が100%CEL材料の対応するそれよりもはるかに高く、例えば2,4,5-トリ-Cl-Phにおいて、100%CS材料が100%CEL材料の最大6倍の平衡収着能を示すということが明らかである。CEL材料とCS材料との差が最も小さいBPAにおいてであっても、CS材料はなおCEL材料のそれの2倍のqe値を有する。このことは、CELが不活性であることが知られている一方で、CSが様々な汚染物質の効果的な吸着剤であることが報告されていることから予想通りである。
【００８２】
次に、これらの結果をさらに確認するためにさらなる実験を行った。具体的には、異なるCELおよびCSの組成を有する6つの異なる[CEL+CS]複合材料を合成し、それらによる2,4,5トリクロロフェノールの吸着を測定した。複合材中のCS濃度の関数としてプロットされて、qeおよびk2値に関して得られた結果を図7Aに示す。CSをCEL中に加えたことで2,4,5トリクロロフェノールの取り込みが改善されたことは明らかである。例えば、50% CSをCELに加えた際にqe値は5倍増加したし、平衡収着能は複合体中のCS濃度に比例するようである。これらの結果は、CSが内分泌攪乱物質の吸着の原因であること、および、内分泌攪乱物質に対する複合体の収着能が、複合体中のCS濃度を適切に調節することで任意の値に設定可能であることを明らかに示している。
【００８３】
β-TCDは、CELに加えられる際に、平衡収着能に対してCSのそれとははるかに異なる効果を発揮するようである。図6Bに示すように、50% β-TCDをCELに加えた際にqe値の実質的増大が観察されたが、増大はすべての分析物について観察されたわけではなく(CSについて見られたように)、4つの分析物についてのみ観察され、すなわち、2-および3-クロロフェノールでは約3倍の増大が観察され、4-クロロフェノールおよびビスフェノール-Aでは約2倍の増大が観察された。実験誤差内では、50% β-TCDをCELに加えた際に、観察可能な増大は3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールについて観察されなかった。3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールの増大の欠如は種々の理由によって説明されうるが、最もありうる理由はおそらく、β-TCDとの包接錯体を形成するこれらの化合物の能力を立体障害的に妨げる、これらの化合物上の嵩高なジクロロ基およびトリクロロ基による。
【００８４】
吸着プロセスに対するCSおよびβ-TCDの効果の差をさらに調査するために、すべての分析物に関する100%CSおよび50:50 CS:β-TCDによる吸着結果を図6Cにおいてプロットした。CSはβ-TCDに比べて相対的に高いqe値を、3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールを含むすべての分析物に関して示す。上記のように、後者の2つの化合物は、嵩高な基が理由でβ-TCDの空洞に含まれることができないことがある。結果は、CSがβ-TCDのそれとは異なる機構によって分析物を吸着することができることを示しているようであり、すなわち、表面吸着がCSの主要かつ唯一の吸着機構であるようである一方、β-TCDでは、包接錯体形成が主要な吸着プロセスであるようであり、表面吸着は二次的機構である。CSによる表面吸着の効率は包接錯体形成のそれよりも相対的に高いが、ホスト化合物およびゲスト化合物のサイズおよび形状が理由で選択性を示すことができないと予想される。この可能性を調査するために、3,4-ジクロロフェノールの50:50 CS:γ-TCDによる吸着ならびに100%CEL、100%CS、50:50 CEL:β-TCD、および50:50 CS:β-TCDによる吸着を測定した。結果を図6Dの最も右側の最後の群として提示する。予想通り、提示された機構は、得られた結果によってさらに確認される。具体的には、以前のセクションに記載のように、3,4-ジクロロフェノールはその嵩高なジクロロ基が理由でβ-TCDとの包接錯体を形成することができない。したがって、それは主に表面吸着を通じてCSおよびβ-TCDによって吸着された。逆に、β-TCDの空洞よりも約58%大きい空洞を有するγ-TCDは、包接錯体形成を通じてその空洞に3,4-ジクロロフェノールを十分に収容することができ、これにより50:50 CS:γ-TCDの吸着能は他の複合材に比べて実質的に増大する。
【００８５】
TCDによって得られる包接錯体形成およびサイズ選択性を確認するためのさらなる証拠を図7Bに示し、図7Bでは50:50 CS:α-TCD、50:50 CS:β-TCD、および50:50 CS:γ-TCDによる3,4-ジクロロフェノールの収着プロファイルがプロットされる。予想通り、α-TCDおよびβ-TCDの空洞は3,4-ジクロロフェノールを収容するには小さすぎることから、後者は表面吸着によって50:50 CS:α-TCDおよび50:50 CS:β-TCD上に吸着されることしかできず、これにより両複合材料の低くかつ類似した吸着曲線が生じる。逆に、より大きなγ-TCDを有する50:50 CS:γ-TCDは3,4-ジクロロフェノールとの包接錯体を容易に形成することができ、したがってはるかに多くの分析物を吸着する、すなわち実質的により高い収着プロファイルを示すことができる。
【００８６】
CS+α-TCD、CS+β-TCD、およびCS+γ-TCD中のα-、β-、およびγ-TCD濃度の関数としての該複合材料による3,4-ジクロロフェノールの平衡収着能(qe)のプロットを図7Cに示す。やはり、50:50 CS:α-TCDおよび50:50 CS:β-TCDが3,4-ジクロロフェノールとの包接錯体を形成することができないことから、それらのqe値は該複合材料中のα-およびβ-TCDの濃度にかかわらず同一のままである。CS+γ-TCD材料のqeプロファイルがCS+α-TCDおよびCS+β-TCDのそれに比べて異なりかつはるかに高いというだけでなく、qe値が複合材料中のγ-TCD濃度に比例してもいる。例えば、50% γ-TCDをCS材料に加えることでqe値が最大5倍増加する。これはおそらく、γ-TCDが3,4ジクロロフェノールとの包接錯体を容易に形成することができることから、[CS+γ-TCD]材料中のγ-TCD濃度を増加させることで包接錯体の濃度が高くなり、したがって値がqe高くなったという事実が理由である。
【００８７】
吸着等温式
次に、吸着プロセスへの洞察を得るために、100%CSおよび50:50 CS:γ-TCDによる3,4-ジクロロフェノールの吸着に関する吸着等温式を決定するための調査を行った。上記で提示された速度式の結果が、これら2つの複合材が2つの別個の異なった機構、すなわち表面吸着および包接錯体形成により3,4-ジクロロフェノールを吸着することを示すことから、これらの複合材が選択された。実験セクションにおいて先に記載の3つの異なるモデル、すなわちラングミュア等温式54、フロイントリッヒ等温式55、およびDubinin-Radushkevich(D-R)等温式56, 57に実験結果をフィッティングした。これら3つのモデルへの実験値のフィッティングを図8に示す。これらのモデルへのフィッティングから得られたパラメータを表2に示す。列挙される通り、実験値は理論モデルに相対的によく適合する。例えば、ラングミュア、フロイントリッヒ、およびD-Rモデルへの100%CSおよび50:50 CS:γ-TCD複合材のフィッティングに関するR2値はそれぞれ0.977および0.984、0.970および0.949、ならびに0.972および0.912であることがわかった。ラングミュアモデルおよびD-Rモデルで得られた飽和吸着能qmaxの値、すなわち50:50 CS:γ-TCDによる137.6mg/gおよび102.6mg/g、ならびに100% CSによる63.2mg/gおよび26.7mg/gについても相対的に良好な一致が見られた。ラングミュア等温式モデルと実験データとの間の良好なフィッティングは、収着が単層であって、各分子の収着が同等の活性化エネルギーを示すこと、および分析物-分析物相互作用が無視できるものであることを示唆している58。
【００８８】
吸着プロセスに関するさらなる情報をフロイントリッヒ等温式モデルから、特にEq SI-8中の定数nから得ることができる。というのも、それが収着プロセスの好ましさの尺度であることが知られているからである58。nが100%CSおよび50:50 CS:γ-TCDについてそれぞれ1.0および1.4であることがわかったことから、後者による3,4ジクロロフェノールの吸着は前者によるそれよりも好ましいようである。
【００８９】
Dubinin-Radushkevich等温式モデルへのフィッティングから、3,4ジCl-Ph 1モル当たりの収着プロセスの平均自由エネルギーEの値は、100%CSおよび50:50 CS:γ-TCDについてそれぞれ2.5KJ/molおよび13.9KJ/molであることがわかった。この理論によれば、50:50 CS:γ-TCD複合体膜上への3,4ジCl-Phの収着は化学吸着であり、より多量の100%CS上への物理吸着による収着よりもはるかに強力である。この発見は予想通りである。というのも、上記のように、50:50 CS:γ-TCD複合材料が3,4-ジクロロフェノールとの包接錯体を容易に形成することができ、包接錯体形成による吸着が、表面吸着によってのみ分析物を吸着可能な100%CSに比べて相対的に強力であり、本質的に化学吸着であるからである。
【００９０】
まとめると、吸着等温式の結果は速度式の結果を完全に裏づける。具体的には、両結果は、3,4-ジクロロフェノールとの包接錯体を形成する能力を有する50:50 CS:γ-TCDが、相対的に弱くかつ効果が低い表面吸着によってしか吸着できない100% CSに比べてはるかに多くの分析物を強力かつ効果的に吸着することができることを明らかに示している。
【００９１】
結語
要約すると、本発明者らは、CEL、CS、ならびにα-、β-、およびγ-TCDから新規高性能超分子多糖複合材料を合成するための新規で、単純でかつ1工程の方法の開発に成功した。複合材の溶解および調製のための唯一の溶媒として、イオン性液体(IL)である[BMIm+Cl-]を使用した。[BMIm+Cl-]の大部分(88%超)が再利用のために回収されたことから、本方法は再循環可能な方法である。得られた[CEL/CS+TCD]複合材は構成要素の特性、すなわち優れた機械強度(CELによる)、汚染物質の優れた吸着能力(CSによる)、ならびに適切なサイズおよび形状を有する基材との包接錯体を選択的に形成する能力(γ-TCDによる)を保持する。具体的には、CS系複合材料およびTCD系複合材料はいずれも、内分泌攪乱物質、例えばクロロフェノールおよびビスフェノールAなどの汚染物質を効果的に吸着することができる。CS系複合材は汚染物質を効果的に吸着することができるが、その吸着は分析物のサイズおよび構造とは無関係である。逆に、TCD系複合材による吸着は、分析物のサイズおよび構造に対する強力な依存を示す。例えば、3つすべてのTCD系複合材(すなわちα-、β-、およびγ-TCD)が2-、3-、および4-クロロフェノールを効果的に吸着することができるが、γ-TCD系複合材のみが、3,4-ジクロロフェノールおよび2,4,5-トリクロロフェノールを含む嵩高な基を有する分析物を吸着することができる。さらに、γ-TCD系複合材による嵩高な基を有する分析物の平衡収着能は、CS系複合材によるそれよりもはるかに高い。これらの結果は、吸着速度式および吸着等温式からの結果と共に、相対的に大きな空洞サイズを有するγ-TCD系複合材が、嵩高な基を有する分析物との包接錯体を容易に形成することができ、包接錯体形成を通じて、表面吸着のみにより分析物を吸着可能なCS系複合材に比べてはるかに多くの分析物をサイズ/構造選択性を伴って強力に吸着することができるということを明らかに示している。例えば、50:50 CS:γ-TCD複合材料1gによって3,4-ジクロロフェノール最大138mgが吸着可能であるのに比べて、100%CS材料1g当たりでは3,4-ジクロロフェノール63mgしか吸着可能ではない。本研究において提示された予備的結果は非常に励みになるものであり、実験条件を適切に修正する(例えば複合材料の膜を微粒子に置き換えることで表面積を増加させる)ことによって、より高い吸着効率を得ることができることを明らかに示している。さらに、本研究において使用したすべての複合材料(CEL、CS、CEL+TCD、CS+TCD)がCEL、CS、およびTCD中のグルコース単位およびグルコサミン単位を理由としてキラルであることから、それらは、キラル分析物の吸着における何らかの立体特異性を示しうると予想される。これらの可能性は本発明者らの現在の集中的な研究の主題である。
【００９２】
参考文献
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【００９３】
前述の説明において、当業者には本発明の範囲および真意を逸脱することなく本明細書に開示される本発明に様々な置換および修正を加えることができることが容易に明らかであろう。本明細書に例示的に記載されている本発明は、本明細書に具体的に開示されていない任意の1つまたは複数の要素、1つまたは複数の限定の非存在下で好適に実施することができる。使用された用語および表現は、限定ではなく記述の用語として使用されており、そのような用語および表現の使用において、提示および記述される特徴の任意の均等物またはその一部を排除するという意図はなく、本発明の範囲内で様々な修正が可能であると認識される。したがって、具体的な態様および任意的な特徴により本発明を説明してきたが、本明細書に開示される概念の修正および/または変形を当業者が使用することができること、および、そのような修正および変形が本発明の範囲内であると考えられることを理解すべきである。
【００９４】
いくつかの特許および非特許参考文献の引用が本明細書において行われる。引用参考文献はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。本明細書におけるある用語の定義と引用参考文献におけるその用語の定義との間に齟齬がある場合、その用語は本明細書における定義に基づいて解釈すべきである。
【００９５】
（表１）100% CEL、100% CS、50:50 CEL/β-TCD、および50:50 CS/β-TCD複合材料の擬二次速度式パラメータの比較
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【００９６】
（表２）100% CSおよび50:50 CS/γ-TCD複合材料上への3,4-ジクロロフェノールの吸着に関する吸着等温式パラメータ
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【００９７】
（表３）100% CS膜上へのクロロフェノールおよびBPAの吸着に関する速度式パラメータ
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【００９８】
（表４）100% CEL膜上へのクロロフェノールおよびBPAの吸着に関する速度式パラメータ
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【００９９】
（表５）50:50 CS:β-TCD複合材料上へのクロロフェノールおよびBPAの吸着に関する速度式パラメータ
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【０１００】
（表６）50:50 CEL:β-TCD複合材料上へのクロロフェノールおよびBPAの吸着に関する速度式パラメータ
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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