(57)【要約】【課題】マトリックスの内部にヘリックス構造が安定に含有されている複合構造体を提供する。【解決手段】内部にヘリックス構造（例えば、ＰＭＬＧ）を含有する多孔性シリカから成る複合構造体。親水部とヘリックス部とを含む界面活性物質、シリカ源、ゾルゲル反応触媒および水を含むゾルゲル反応溶液を調製してゾルゲル反応を行ない、ゾルゲル反応により沈殿が生じる前にゾルゲル反応溶液をスピンコーティング法などにより薄膜化することによって得られる。【選択図】      図１
2004256313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘリックス構造を含有する多孔性シリカから成ることを特徴とする複合構造体。
【請求項２】
多孔性シリカがヘキサゴナル相を形成していることを特徴とする請求項１に記載の複合構造体。
【請求項３】
ヘリックス構造がペプチドから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の複合構造体。
【請求項４】
ペプチドがαヘリックスペプチドであることを特徴とする請求項３に記載の複合構造体。
【請求項５】
αヘリックスペプチドがポリ（γ−メチル−Ｌ−グルタメート）であることを特徴とする請求項４に記載の複合構造体。
【請求項６】
請求項１の複合構造体を製造する方法であって、親水部とヘリックス部とを含む界面活性物質、シリカ源、ゾルゲル反応触媒および水を含むゾルゲル反応溶液を調製してゾルゲル反応を行なう工程、および、前記ゾルゲル反応により沈殿が生じる前にゾルゲル反応溶液を薄膜化する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
薄膜化工程が、スピンコーティング法、ディップコーティング法またはキャスト法によって行なわれることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無機物質と有機物質を組み合わせた複合構造体の技術分野に属し、特に、内部にヘリックス構造を含有するシリカから成る新規な構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生体高分子に由来するヘリックス構造（らせん構造、または単に、ヘリックスとも呼ばれる）には、大変有用な構造情報が含まれている。例えば、ヘリックスの巻き方の向き（右巻き、左巻き）、ヘリックスのピッチ、他の構造（ランダム構造など）との間の平衡や変換などである。このようなヘリックスの構造特性に基づく機能は、ヘリックスを溶液に溶かした状態で主に学術的な目的から研究されてきたにすぎない。ヘリックス構造を安定に保持した素材を開発すれば、その素材は、１）ヘリックス構造との相互作用を利用した物質分離（特に光学分割）、２）外部物質との相互作用によるヘリックス構造の変化を利用したセンサー、３）ヘリックス構造の保持や他の構造への変換挙動を利用した演算素子やメモリー素子などに応用できると期待される。生体系においても、種々のヘリックス構造はタンパク質の特異構造を保つなどの大きな寄与があり、ヘリックス構造を安定に保持した人工素材を開発すれば、そのモデルとして生化学の基礎研究に大きく貢献する可能性もある。しかしながら、ヘリックス構造が制御されることなく、ランダムに集積されたならば、構造制御が無秩序に行われることになり、機能開発の面でも基礎研究の面でもその有用性は限られることになる。
【０００３】
αヘリックスなどのヘリックス構造を規則構造として固定化する手法として、ヘリックス構造を含む両親媒性物質を水面上に並べ、基板上にＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）法で積層する手法が知られている。しかしながら、この手法で作製される規則構造体は、機械的・化学的強度に劣り、例えば、これらのＬＢ膜を溶液に浸漬すると、ヘリックスの集積構造は破壊され、ヘリックス成分は溶液中に分散してしまう。
【０００４】
この欠点を補うためには、ヘリックス構造を機械的強度に優れるマトリックス中に固定化することが考えられる。マトリックスは機械的強度に優れるだけではなく、構造サイズなどが精緻に決められ、ヘリックス構造が秩序だって固定されるものでなくてはならない。そのようなマットリックスとして最適なものは、多孔性シリカ、所謂、メソポーラスシリカである。多孔性シリカは、ナノメートルサイズの直径を持つ空孔が規則的に並んだ構造を有しており、機械的強度に優れるだけではなく、空間の規則性からもヘリックスの固定化マトリックスとして最適なものである。しかしながら、多孔性シリカ空孔にヘリックス構造を持つ分子を外部から導入することは、ナノメートルサイズの空孔内での分子拡散の制限などから非常に困難である。すなわち、多孔性シリカの外部からその空孔に分子量の大きいヘリックス構造を密に均一に導入するのは事実上不可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、多孔性シリカのようなマトリックスの内部にヘリックス構造が安定に含有されている新しいタイプの複合構造体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、検討を重ねた結果、ヘリックス構造を有し界面活性物質としても機能し得るような分子を鋳造としてゾルゲル反応を行わせることによって、上記の目的が達成できることを見出し、本発明を導き出したものである。
【０００７】
かくして、本発明に従えば、ヘリックス構造を含有する多孔性シリカから成ることを特徴とする複合構造体、ならびに、該複合構造体を製造する方法であって、親水部とヘリックス部とを含む界面活性物質、シリカ源、ゾルゲル反応触媒および水を含むゾルゲル反応溶液を調製してゾルゲル反応を行なう工程、および、前記ゾルゲル反応により沈殿が生じる前にゾルゲル反応溶液を薄膜化する工程、を含むことを特徴とする方法が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
界面活性物質（界面活性剤）の集合構造（例えば、棒状ミセル）を鋳型として、その周辺（表面）で適当なシリカ源を原料としてゾル‐ゲル反応を行わせてシリカを合成し、その後に鋳型を除く（一般的には焼成による）ことによって多孔性シリカを作製することは従来より行なわれていた。本発明は、このような多孔性シリカの作製過程を根本から変える手法により実現されたものである。すなわち、多孔性シリカを作製するための鋳型分子として従来の単なる界面活性剤を用いるのではなく、ヘリックス構造を有する多くの分子が有する特性を利用してそれ自体を界面活性作用のある鋳型分子として多孔性シリカを作製する。この場合、本発明においては、ゾル‐ゲル反応で作製された多孔性シリカとヘリックス分子の複合体を焼成することなくそのまま溶液状態から製膜化し、これによって、ヘリックスを多孔性シリカ空孔内に充填した目的の構造体、すなわち、ナノメートルレベルの孔径の規則構造内に、ヘリックス構造が密で均一に固定化された複合構造体が得られる（図１参照）。
以下、本発明の複合構造体を得るのに用いられる界面活性物質およびその複合構造体製造方法を中心として本発明の実施の形態を説明する。
【０００９】
界面活性物質
本発明において鋳型分子として用いられる界面活性物質（界面活性剤）の好ましい構造例を図２にまとめている。なお、図２に示す化学構造式においては慣用的な表示法に従い炭素原子や水素原子を省略していることがある。
図２に（１）として示されるように、本発明で用いられる界面活性物質は、親水部とヘリックス部とを含むものである。図２の下方に示す例からも理解されるように、生体由来あるいは合成高分子から成るヘリックスは、疎水部分を含んでいるので、親水部とヘリックス部とから成る本発明の鋳型分子は、全体として、親水部と疎水部とを含む界面活性物質として機能する。以下に説明するように、親水部は、ヘリックス部とは別個の分子から導入されてヘリックス部と結合されるのが一般的であるが、ヘリックスそのものに親水部分が含まれているときは、そのような親水部を別途に導入・結合させることなくヘリックスだけで界面活性物質とすることも可能である。
【００１０】
親水部に好ましい例としては、図２の式（３）や（４）に示すような四級アンモニウム塩やポリエチレングリコールが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ヘリックス部の例も図２に示している。入手や取扱いが容易であることなどの理由から好ましいのは、ペプチドを主体とするヘリックス構造で、αヘリックス、３１０ヘリックス、πヘリックスなどが例としてあげられる。これらの構造式を図２（Ａ）にまとめているが、ポリメチルグルタメート、ポリベンジルグルタメート、それらの加水分解型であるポリグルタミン酸との共重合体、ポリロイシン、ポリアミノイソ酪酸、ポリプロリンなどが代表例としてあげられる。ペプチドから構成されるヘリックス構造として特に好ましいのは、ポリ（γ−メチル−Ｌ−グルタメート）（以下、ＰＭＬＧと略記することがある）に代表されるαヘリックスペプチドである。
【００１１】
さらに、以上のような単純ポリペプチド以外の天然高分子もヘリックス部として用いることができ（図２（Ｂ）参照）、ポリ乳酸、核酸類、コラーゲン、らせん多糖類などが代表例として挙げられる。また、ポリアセチレン誘導体、ポリイソシアニド誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリシラン誘導体、ポリホスファゼン誘導体など多くの合成高分子もヘリックス構造を取ることが知られており、これらもヘリックス部として用いることが可能である（図２（Ｃ）参照）。
【００１２】
かくして、本発明の複合構造体を得るのに用いられる親水部とヘリックス部とを含む界面活性物質の特に好ましい具体例としては図２の式（２）のような、ポリエチレングリコールとＰＭＬＧのブロック共重合体が挙げられる。
【００１３】
如上の本発明で用いられるヘリックス含有界面活性物質は、既知の合成反応を工夫することにより得ることができる。例えば、ペプチド型のヘリックス部を有する界面活性物質は、一般に、ユニットを形成する所望のアミノ酸（またはその修飾体）のＮ−カルボキシ酸無水物を合成し、これに親水部を重合させることによって得られる（後述の実施例１参照）。
【００１４】
複合構造体の製造
本発明に従いヘリックス構造を含有する多孔性シリカから成る複合構造体を製造するには、先ず、如上のヘリックス含有界面活性物質、シリカ源、ゾル−ゲル反応触媒および水を含む反応溶液を調製してゾル−ゲル反応を行わせる。シリカ源としては、アルコキシド、水溶性珪酸塩、コロイダルシリカなどの種々のものが使用可能であるが、好ましいのは、テトラエトキシシラン（オルト珪酸テトラエチル：ＴＥＯＳ）、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシドである。ゾル−ゲル反応触媒とは、アルコキシド等のシリカ源を加水分解し、重縮合させる反応の触媒であり、塩酸のような酸、水酸化ナトリウムのようなアルカリ、アミン等を使用することができる。
ゾル−ゲル反応溶液には、必要に応じて混合を円滑にするため有機溶媒を添加してもよい。また、ゾル−ゲル反応は、軽く加熱した後、冷却してゲル生成を促進するように行ってもよいが、一般的には、２０〜３０℃の常温下に実施することができる。
【００１５】
以上のようにして、界面活性物質の集合構造を鋳型として、その周囲（表面）でゾルゲル反応が起こり鋳型に応じた構造のシリカが生成する。本発明は、原理的には、使用する界面活性物質や作製条件に従い、棒状ミセル、層状二分子膜構造、球状ミセル等の界面活性物質の各種の集合構造を鋳型とし、それに応じて各種の構造の多孔性シリカを作製するのに適用できるが、一般的には、シリンダー状の細孔が蜂の巣状に配列した所謂ヘキサゴナル（六方晶）相の多孔性シリカを得るのに好適である。
【００１６】
また、ゾルゲル反応に基づく構造体の調製は、通常、生成したゲルが沈殿するまで反応を進めた後、そのゲルを利用するものであるが、本発明の複合構造体の製造における特徴は、ゾルゲル反応により沈殿が生じる前にゾルゲル反応溶液から薄膜を調製することにある。すなわち、ゾルゲル反応の進行に伴ないゾルゲル反応溶液は粘稠になっているが未だ沈殿は生じていない段階（一般にゾルゲル反応の開始から１０分〜１時間後）でゾルゲル反応溶液を薄膜化する。
【００１７】
かくして、本発明に従えば、ゾルゲル反応溶液を適当な手段を用いて基板上に薄膜化することによって、多孔性シリカの透明な薄膜を作ることができる。透明な薄膜を作製するための手段としては、一般に、スピンコーティング法の他、ディップコーティング法やキャスト法を用いることができる。また、基板としては、ガラスや種々のプラスチックフィルム、金属板など多様なものを用いることができる。
【００１８】
本発明に従い、以上のようにして得られる多孔性シリカは、ヘキサゴナル相のような規則性を有し、且つ、その内部にヘリックス構造を含有した複合構造体であることが確認されている（後述の実施例２および３参照）。また、本発明の複合構造体は、従来の多孔性シリカにおけるように焼成を伴うことなく溶液状態から薄膜化した透明なフィルム状を呈しながら、きわめて安定である（後述の実施例４および５参照）。
したがって、本発明の複合構造体は、ヘリックス構造に由来する薄膜状の機能素子として既述したような各種の分野において応用展開されるものと期待できる。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の特徴をさらに具体的に明らかにするため実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって制限されるものではない。
実施例１：界面活性物質の合成
親水部とヘリックス部とを含む界面活性物質として、図２の式（２）においてｍ＝２８、ｎ＝１１４に相当する界面活性剤を次のように合成した。
γ−メチル−Ｌ−グルタメートテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）に懸濁させ、反応温度５５℃で撹拌しながら、トリホスゲンを加えた。反応溶液が透明になった後、３０分間窒素通気をした。反応溶液を４０℃以下で減圧濃縮してから、脱水ヘキサン中に冷凍固化させて、γ−メチル−Ｌ−グルタメート−Ｎ−カルボキシ酸無水物を析出させた。
一方、片末端にアミノ基を有する分子量５０５０（重合度１１４）のポリエチレングリコールを開始剤として、脱水Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに溶解した。そこに、開始剤の４０倍のモル数の上記γ−メチル−Ｌ−グルタメート−Ｎ−カルボキシ酸無水物の脱水Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液を徐々に滴下した。１６０時間反応させた後、反応溶液をジエチルエーテル中に滴下して沈殿させた。ジエチルエーテルを用いて繰り返し、再沈殿操作を行いヘリックス含有界面活性剤の白色固体を得た。重合で得られたＰＭＬＧ（ポリγ−メチル−Ｌ−グルタメート）の平均重合度は、この条件では３０前後であった。
【００２０】
実施例２：複合構造体の製造と規則構造確認
テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、エタノール、水、塩酸をモル比１：１０：１５：０．１６で混合し、室温下１時間撹拌し、シリカ源（ＴＥＯＳ）の部分加水分解を行った。その適量と実施例１で合成したヘリックス含有界面活性剤０．０５ｇおよびエタノール０．１ｇを加え、室温下で２０分撹拌した。得られたゾル−ゲル反応溶液をカバーガラス上に、２０００ｒｐｍでスピンコートし、透明なフィルムを得た。
この薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを測定したところ１００．３Åに相当する位置に強いピークが得られた（図３参照）。これは、得られた多孔性シリカ複合構造体が高い規則性の構造を有していることを示している。この測定では高次のピークが得られなかったので、念のため、さらに、このフィルムを４５０℃で焼成した後、再びＸＲＤパターンを測定した。その結果、７３．６Åに相当する位置に強いピークが得られた（図４参照）。この結果は、得られた多孔性シリカ複合構造体フィルムがヘキサゴナルの規則性を持つことを支持している。
【００２１】
実施例３：複合構造体中のヘリックス構造の確認
実施例２で得られた構造体の構造を検討するため、得られたフィルム（焼成前）を円偏光二色性分光法（ＣＤスペクトル法）によって検討した。その結果、αヘリックス特有のスペクトルパターンが確認された（図５参照）。また、このフィルムをフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ法）により分析したところ、アミドＩ領域では、αヘリックス由来のピーク（１６５８ｃｍ−１）がほぼ支配的であり、βシートなどの他の構造に由来するピークはほとんど見られなかった（図６参照）。以上の結果は、作製された多孔性シリカ複合構造体がαヘリックス構造を密に充填したものであることを支持している。
さらに得られた多孔性シリカを熱重量分析（ＴＧＡ）によって検討したところ、加熱により２２％の重量減少が見られた（図７参照）。このことから、複合構造体におけるヘリックスの含量は０．０２４ｍｍｏｌ／ｇであることが確かめられた。
【００２２】
実施例４：ギ酸に対するヘリックス構造の安定性の検討
ギ酸はαヘリックスをβシート構造に変換することが知られている。例えば、実施例１で合成したようなヘリックス含有界面活性剤をそのままガラス基板上にキャストして、それをギ酸蒸気にさらすと、その二次構造がαヘリックスからβシートに変換されることが確かめられた（図８参照）。一方、本発明に従い、実施例２で得られたαヘリックスを含有する多孔性シリカフィルムの場合には、ギ酸蒸気にさらしても、αヘリックス構造が保たれることが明らかとなった（図９参照）。これは、ナノメートルサイズで構造制御された空間内にヘリックス構造が固定化されたために、その構造維持性が向上し、安定性が極めて高くなったことを示している。
【００２３】
実施例５：尿素に対するヘリックス構造の安定性の検討
尿素は、タンパク質やペプチドのαヘリックスなどの高次構造を壊し、ランダムな構造に変換することで知られている。前述の本発明に従い実施例２で調製し多孔性シリカ複合構造体を、タンパク質変性で一般的に用いられた８Ｍの濃度の尿素水溶液に数日間浸した。しかしながら、その前後で測定したＣＤスペクトルは変化せず、αヘリックス構造の維持が確認された（図１０参照）。この事例からも、本発明で得られる多孔性シリカ複合体中ではヘリックス構造の安定性が極めて高く向上していることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体を模式的に示す図である。
【図２】本発明で用いられるヘリックス含有界面活性剤の好ましい構造を例示する。
【図３】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体のＸ線回折パターンを示す。
【図４】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体の焼成後のＸ線回折パターンを示す。
【図５】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体のＣＤスペクトルを示す。
【図６】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体のＦＴ−ＩＲスペクトルを示す。
【図７】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体のＴＧＡスペクトルを示す。
【図８】ヘリックス含有界面活性剤をギ酸蒸気にさらした際のＣＤスペクトル変化を示す。
【図９】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体をギ酸蒸気にさらした際のＣＤスペクトル変化を示す。
【図１０】本発明に従うヘリックス含有多孔性シリカ複合構造体を尿素水溶液に浸漬させた際のＣＤスペクトル変化を示す。
【図１】
2004256313.tif 000003
【図２】
2004256313.tif 000004
【図３】
2004256313.tif 000005
【図４】
2004256313.tif 000006
【図５】
2004256313.tif 000007
【図６】
2004256313.tif 000008
【図７】
2004256313.tif 000009
【図８】
2004256313.tif 000010
【図９】
2004256313.tif 000011
【図１０】
2004256313.tif 000012