(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性のｐHを有し塩が添加された水溶液中でコラーゲンとアルコキシシランを常温下に保持して、コラーゲン繊維の表面にシリカを沈着させた後、凍結乾燥および焼成を行いコラーゲンを除去する工程を含むことを特徴とする中空糸状シリカの製造方法。
【請求項２】
アルコキシシランがテトラエトキシシランであることを特徴とする請求項１の中空糸状シリカの製造方法。
【請求項３】
コラーゲンがI型のコラーゲンであることを特徴とする請求項1または請求項2の中空糸状シリカの製造方法。
【請求項４】
外径50〜100nmの円柱形状内部に内径25〜50nmの中空部分が存在する中空糸状シリカであって、前記中空部分が内径2〜4nmの複数のシリカ中空繊維の束から構成されていることを特徴とする中空糸状シリカ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒もしくは触媒担体、生体有機分子固定化用担体（バイオリアクター、バイオセンサー）、吸着剤または断熱材などへの応用が期待される新規な形状のシリカとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリカに代表される無機多孔材料はその表面積の大きさおよび孔径に起因する分子の選択性から、触媒やその担体、バイオリアクターやバイオセンサー用支持体、吸着剤、クロマトグラフ用材料等として多用され、更なる改良が試みられている。これらの多孔材料の調製には何らかの鋳型を用いる方法が使われている。鋳型を用いた材料調製法としてはこれまでにも様々な手法が提示されている。例えば、両親媒性物質の自己組織化を利用して無機の多孔材料を調製できることなどが知られている(例えば、P. Yang他、Nature, 396, 152 (1998)。本発明者らも、イオン性低分子ゲル中に形成される繊維状自己組織体を鋳型に中空糸状シリカを調製できることを示した（特願平10-325920）。
【０００３】
生体関連物質の中にはこれらの自己組織体と同様に様々な高次構造を有するものがあり、鋳型として用いることが試みられている。例えばバクテリアと無機塩の混合溶液からバクテリアの分泌した網状の組織体を引き上げると数百μｍの直径を有する無機繊維を得られることが報告されている（N. H. Mendelson, Science, 258, 1633 (1992)）。このように生体材料を鋳型として用いれば、その特異な性状に応じた特徴的な性状の材料を得ることができると期待されるが、実用性のある材料を製造できる技術として具現化されたものは少ない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、生体関連物質を鋳型として利用して無機多孔材料を製造する新しい技術を確立することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コラーゲンの特性に注目して上記目的を達成したものであり、中性のｐHを有し塩が添加された水溶液中でコラーゲンとアルコキシシランを常温下に保持して、コラーゲン繊維の表面にシリカを沈着させた後、凍結乾燥および焼成を行いコラーゲンを除去する工程を含むことを特徴とする中空糸状シリカの製造方法を提供する。本発明の中空糸状シリカの製造方法の好ましい態様においては、アルコキシシランはテトラエトキシシランであり、また、コラーゲンはI型のコラーゲンである。
【０００６】
本発明はさらに、上記のごとき方法によって製造され、外径50〜100nmの円柱形状内部に内径25〜50nmの中空部分が存在する中空糸状シリカを提供する。特に、本発明の好ましい態様に従えば、これまでに見られなかったユニークな形状のシリカ、すなわち、上記中空部分が内径3nm程度（2〜4nm）の更に細いシリカ中空繊維の束から構成された蓮根様形状から成る中空糸状シリカが提供される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
アルコキシシランなどのゾルが水素イオンなどを触媒として重合、架橋しながら酸化物重合体を生成してゲル化することはよく知られている。本発明は、このようなゾル‐ゲル重合反応がコラーゲン繊維を鋳型としてこのコラーゲン繊維上で進行したことに基づくものと考えられる。
【０００８】
すなわち、本発明の方法に従えば、中性のｐH、すなわちｐH=7付近(一般にｐH＝6.5〜7.5)においてコラーゲンとアルコキシシランを長時間保持することにより、コラーゲン繊維の表面にシリカが沈着するが、これは、主として、以下のような静電的な相互作用によるものと解される：コラーゲンは両性電解質であり、その等電点はｐH=8〜9であるので、ｐH=7付近ではカチオン電荷を帯びていると考えられる。一方、アルコキシシランのシラノール基の等電点は約ｐH=2であるから、ｐH=7付近ではアニオンとして挙動するものと考えられる。しかも、コラーゲンはｐH=7付近でのみ特徴的な安定した繊維構造をとる。かくして、コラーゲン繊維の表面にシラノール基を介してシリカが吸着され、ゾル‐ゲル重合反応が進行してシリカの繊維が形成するものと思われる。
【０００９】
コラーゲン繊維が鋳型となってシリカの吸着、成長(重合)が生じたことは得られた生成物を顕微鏡観察すると中空糸形状のシリカが生成しており、特にその中空構造が多数のチューブの束（細いシリカ中空繊維の束）から構成されていることからも推測される。さらに、この構造は焼成前後でほとんど異なるところはなく、また一旦コラーゲン繊維を生成してからシリケート溶液に浸漬しても形成すること等から、コラーゲンが鋳型となったことは明らかである。
【００１０】
本発明の方法に従い、コラーゲン繊維を鋳型にして中空糸状シリカ(シリカ繊維)を調製するには、予めコラーゲン繊維を形成しておき、これをアルコキシシラン水溶液に浸漬してシリカを沈着させる手法と、適当なバッファーによりｐHが調整された水溶液に当初からコラーゲンとケイ素アルコキシドを添加、混合する手法とがあるが、中空形状の明瞭な中空糸状シリカを得るためには、通常、後者の方が好ましい。またコラーゲン溶液は粘稠なのでこれを他の成分と混合するのに激しく攪拌するか、静置して自然に混合していくのを待つかという選択もあるが、表面の荒れの少ないシリカ繊維を得ることができる点から後者の方が好ましい。恐らく激しい攪拌はコラーゲン分子に何らかの損傷を与え繊維の形成を阻害するものと考えられ、むしろ静置することで生じる濃度勾配のついた初期状態から繊維の成長が始まることにより分子間の配向が揃い繊維構造の形成に有利に働くものと考えられる。
【００１１】
本発明に従い、コラーゲン繊維にシリカを沈着(吸着)させた後、凍結乾燥および焼成することによって中空糸状のシリカ、特に中空糸形状が複数束になった構造を得るための要因の一つは、コラーゲン繊維にシリカを沈着させる水溶液中のイオン強度である。すなわち、十分量のシリケート（アルコキシシラン）を存在させるとともに、コラーゲン分子間の静電反発力を遮蔽し得るような塩を添加することが必要である。
【００１２】
このような塩を添加すると、コラーゲン分子間の凝集が促進され、より凝集した形状のコラーゲン繊維（すなわち鋳型）を得ることができ、その結果、これにシリカが吸着すると中空構造の明瞭な中空糸状シリカ(シリカ繊維)を調製できる。但し、塩が高濃度すぎるとコラーゲン表面へのシリカの静電的吸着を阻害する方向に働くと考えられ、塩の濃度には最適な値が存在する。本発明において用いられる塩の例としては、NaClなどの塩化物や、硝酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩などが挙げられ、これらの塩は、一般に、コラーゲンの重量に対して1／10〜30倍程度、濃度1〜1000(mmol dm-3)で用いられるのが好ましく、更に好ましくは、コラーゲンの重量に対して2〜10倍、濃度として50〜600（mmol dm-3）で用いられる。
【００１３】
本発明の方法に従い中空糸状シリカを製造するのに用いられるアルコキシシランとしては、テトラメトキシシラン（TMOS）、テトラエトキシシラン（TEOS）などが挙げられる。得られる中空糸状シリカ(シリカ繊維)の表面が滑らかであり、繊維内部の中空状態の微細構造が明確に出現する点から、TEOSを使用することが好ましい。これは、TEOSの反応速度がTMOSより遅いため鋳型表面に吸着した後の成長が鋳型に沿った形で平均的に生じやすいためではないかと考えられる。中空糸状シリカを得るのに好ましいTEOSの量と濃度は、コラーゲン重量に対して0.5〜200倍、10〜2000（mmol dm-3）であり、更に好ましくは、5〜100倍、100〜1000（mmol dm-3）である。
【００１４】
本発明の方法においては用いられるコラーゲンは、一般に、線維性のI、IIまたはIII型のコラーゲンである。特に好ましいのは、生体内の主要タンパク質であり、安定な繊維構造を有するI型（タイプI）コラーゲンである。
【００１５】
コラーゲン繊維を鋳型としてこれにシリカを吸着(沈着)させる工程は、塩が添加され、コラーゲンとシリカ(アルコキシシラン)を含有する中性ｐHの水溶液を、常温、一般的には30〜40℃（例えば37℃）において、保持することによって実施される。該水溶液をこのように保持して2日間位経過するとコラーゲン繊維にシリカが沈着した形状が出現し始め、以後、時間の経過とともにその形状が安定化する。したがって、コラーゲン繊維にシリカを沈着させるこの工程は、少なくとも2日間以上、好ましくは10日間以上、一般的には12〜16日間、コラーゲンとアルコキシシランを含有する水溶液を保持することにより実施される。
【００１６】
この工程の後、生成物を凍結乾燥し、さらに、焼成を行い、コラーゲン等の有機物を除去する。焼成処理は、低温(例えば200℃)および高温(例えば500℃)において窒素雰囲気で加熱した後、最終的に高温（例えば500℃）において空気中で加熱することによって行う。
【００１７】
以上のようにして、外径50〜100nm、内径25〜50nmの中空糸状シリカが得られるが、中空部分は単一の場合に限られず、条件によって、複数の微細なチューブ（細いシリカ中空繊維）が束状に集合しているものも作製可能である。アルコキシシランの濃度が適正であると、微細なチューブ構造が一本毎に分離して見え、絡み合いながら繊維内部を繊維軸に沿って貫通しているような中空糸状シリカが得られる。アルコキシシランの濃度(シリカの濃度)が高いと一本毎の輪郭が明瞭に分離して見えにくくなり、一方、アルコキシシラン濃度が低いと内部の微細なチューブ構造が不明確になる上にシリカ繊維自体が網のように結合して1本毎に分離して見える本数が少なくなる傾向がある。この内部チューブの1本毎の直径はいずれも2〜4nmである。また、塩濃度に関しても微細チューブによる束状構造形成に関して適正な値があり、高いと微細構造のないチューブとなり、低すぎるとチューブ構造は不明確となる。
【００１８】
本発明の中空糸状シリカの別の特徴は、シリカ繊維がその繊維軸に沿って繊維径をほぼ同一の周期で変化させているものが得られることがあることである。更にその周期は約60〜80nmであり、これはコラーゲン繊維の持つ67nmの周期構造と近い値であり、シリカの成長がこの周期構造を反映して生じたことを示唆している。アルコキシシランの濃度が高すぎたり低すぎたりすると、シリカ繊維表面の細かな凹凸が多くなり、上記のような周期構造の存在が不明確になる傾向がある。また、塩濃度が高すぎると外径変動は小さくなり、少なすぎると不規則で小さな間隔の変動となる。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の特徴をさらに明かにするため実施例を示すが、本発明はこの実施例によって制限されるものではない。
実施例１
塩としてNaClを添加した50mmol／dm3のリン酸緩衝液（0.1ml）に、TEOSと1mlのコラーゲン溶液（I型、3mg／ml、ｐH＝3の塩酸水溶液；日本ハム（株）社製）を攪拌することなく混合した。TEOSおよびNaClの濃度は表1に示している。実験No.1〜3は、塩（NaCl）濃度を一定にしてTEOS濃度を変えたものであり、実験No.4〜7はTEOS濃度を一定にして塩濃度を変えたものである。
【００２０】
各試料は、サンプル管に入れ蓋をし、恒温槽中(37℃)で14日間保存した後、凍結乾燥（−2℃、真空中）した。各々のサンプルの一部は焼成してコラーゲン等の有機物を除去した。それぞれ電子顕微鏡にて観察した。焼成条件：窒素流通下、200℃で1時間→窒素流通下(1リットル／分)、500℃で2時間→空気流通下（1リットル／分)、500℃で4時間。結果は表１にまとめている。
【００２１】
【表１】
0003869142.tif 000002
【００２２】
実験No.2で得られた生成物の焼成前(凍結乾燥後)および焼成後のTEM(透過電子顕微鏡)写真を、それぞれ、図１および図２として示す。コラーゲン、TEOSおよびNaClの量比により、微細なチューブ（繊維）が束になって中空部分を形成し、コラーゲン繊維の周期構造に相応して外径が変動している中空糸状シリカが得られることが観察される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって得られる中空糸状シリカの1例の焼成前の繊維の形状を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明によって得られる中空糸状シリカの1例の焼成後の繊維の形状を示す透過電子顕微鏡写真である。
【図１】
0003869142.tif 000003
【図２】
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