(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０−１〜１０−３ｍｍＨｇの真空中において、紫外〜可視光の領域の適当なパルス幅のレーザーを用いる場合には光増感剤を最大０．１重量％までドープしたβシート型フィブロインのターゲットを、また、近赤外領域の適当なパルス幅のレーザーを用いる場合にはこの波長のレーザーを吸収する最大０．１重量％までドープしても良いβシート型シルクフィブロインのターゲットを用い、前記ターゲットに適当な間隔を置いて配置された基体表面に、前記パルスレーザーの照射によって前記ターゲットから発生したβシート型フィブロインのアブレーション噴出物を堆積させることを特徴とする、前記パルスレーザーアブレーションのみによって前記基体表面にβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法。
【請求項２】
パルスレーザーのパルス幅が８ｎｓ〜２０ｎｓであり、レーザー光強度が２００〜１０００ｍＪ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載のβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法。
【請求項３】
ターゲットとして一種または２種以上の光増感剤を最大０．１重量％までドープしたβシート型フィブロインを用い、前記ターゲットに照射されたＮｄ３＋：ＹＡＧレーザーの基本波、第二及び第三高調波の少なくとも１つの波長の吸収により前記ターゲットから発生したβシート型フィブロインのアブレーション噴出物を基体表面に堆積させることを特徴とする請求項１または２に記載のβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法。
【請求項４】
基板が金属、プラスチック、石英、ＺｎＳｅからなるものであることを特徴とする請求項１、２または３に記載のパルスレーザーによるβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体を構成する材料に関係なく、該基体表面に均一で、制御された厚さのβシート型フィブロイン膜（逆平行βシート型フィブロイン膜という場合もある。）をドライプロセスのみによって形成する方法に関する。具体的には、パルスレーザーアブレーションのターゲットとして、光増感剤を含まないまたは光増感剤を最大０．１重量％まで含有させたβシート型フィブロインからなるものを用い、パルスレーザーとして紫外〜近赤外領域のものを用いたパルスレーザーアブレーション法により、ワンステップドライプロセスによりβシート型フィブロイン薄膜を所望基体表面に形成する方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来シルクは繊維製品の素材として大いに利用されてきたが、繊維製品の素材の多様化、また、遺伝子工学の発展に伴いシルクタンパクの新たな利用分野の研究が盛んになされてきた。シルクフィブロインは優れた生体適合性、酵素固定能力などを有することは周知である。前記生体適合性を利用した初期の技術は、手術用縫合糸としての利用である。その後前記特性を利用する種々の医科用材料や生化学的材料、例えば酵素固定膜、透析膜、人工血管、人工皮膚、人工角膜、コンタクトレンズ、医薬カプセル等の材料としての利用が検討されてきた。例えば、酵素や抗体などを固定した膜はバイオセンサーとしての利用が考えられ、その利用は、醗酵食品工業、臨床検査での化学分析、工業プロセス、環境計測、食品、医療、薬学、化粧品等の分野で幅広く利用されている。特にグルコース検出電極は実用されている。ところで、前記利用は多くの場合水不溶性の薄膜の形状で利用されている。その製法は、シルクフィブロインの溶液を作り、種々の処理手段によりフィブロインを再度析出あるいはゲル化することによって膜などの種々の形状に加工することによって実現している。しかしながら、シルクフィブロインの好ましい溶剤は少ないし、薄膜を形成する基体材料になじみを持つ溶剤を選択しようと思ったら皆無に等しい。また、得られる膜厚を制御することが難しく、他の材料と複合して利用しようとしても、複合させる材料になじむ溶剤などが無いなどにより複合化技術の確立が難しいといった種々の問題がある。更に、シルクフィブロインを膜ないしフィルムに加工した場合、十分な柔軟性、伸縮性を示さず、非常に脆く機械的強度に劣るものとなり、薄い膜になると取扱い中に曲げると容易に折れ、破損するし、自己支持性の膜として利用するために、流延法によりフイルムを作ろうとしても基体から膜を剥離することが困難になるという問題がある。このような柔軟性の欠如、脆弱性が前記の医用材料や生化学的材料への実用化を阻んでいる。従って、それぞれの目的にあった特性の膜を、被被覆基体の材質に拘わらず、形成できる方法（場合によっては複合化する方法）を確立することは極めて意義が大きいといえる。
【０００３】
薄膜の形成法としてのアブレーション技術は、初期には無機材料の膜、例えばダイヤモンドライク炭素膜の形成などへの応用が研究されていたが、それが有機物、更に高分子材料（ターゲット材料）を、レーザーを照射することにより飛散（アブレーション）させ、対置された別の表面へ堆積させ、該表面に前記材料の薄膜を再構築させる、薄膜形成技術へと展開してきた。この方法では、レーザー光を照射したターゲット部分のみの物質を移動させることが可能であり、高分子化合物などの有機物質からなる薄膜をドライプロセスのみで形成させることができるという画期的な技術である（福村裕史著「分子注入とアブレーション転写」「核燃料サイクルにおけるレーザープロセス技術に関する調査報告書」レーザー技術研究所、５３頁−参照、以下、文献Ａ）。更に、文献Ａには、Hansenらは、様々な高分子フイルムを、真空中で紫外レーザー（192nm,248nm,355nm）および近赤外レーザー（1064nm）を前記フイルムを作る高分子材料からなるターゲットをアブレーションさせるレーザーとして用いて、３ｃｍ離れて対置されたガラス基板上に形成する試みをし、その結果、テフロン、ポリエチレンを除く汎用高分子においては、照射波長、光強度を適当に選ぶことによって、滑らかな膜が得られることが分かったこと、近赤外と355nmの紫外光の場合には滑らかな膜が得られないことを確認したことが報告されていることに言及している。
【０００４】
前記のようなレーザーアブレーション応用技術の中で、本発明者は、前記多くの機能的用途を持つ材料の基本材料となるβシート型シルクフィブロイン薄膜の形成に、レーザーアブレーション技術を応用することを提案している〔例えば、１９９８年９月２８−３０日に東京都立大学において開催された「光化学討論会」において「レーザーアブレーション堆積法による蛋白質の超薄膜の創製：薄膜における２次構造の制御」と題する研究発表を参照〕。ここでは、増感剤としてアントラセンをドープしたβシート型フィブロインをアブレーションのターゲットとすることにより、パルス幅２０ｎｓ、光強度３００ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザー（351nm）を用いたパルスレーザーアブレーションにより、βシート型構造がある程度保持されたフィブロイン膜が対置された基体表面に得られたことが報告されている。また、光増感剤であるアントラセンの添加量を５、１および０．２重量％にしたターゲット材料を用いた時の膜の形成特性について考察され、５重量％添加したものからは薄膜が形成できなかったこと、他の２つのものからはβシート型構造がある程度保持されたフィブロイン薄膜（混在型薄膜）が形成できたこと、および一部βシート型構造が保持されたことの要因を、アントラセンによる増感は、アミド結合（ペプチド鎖）による多光子吸収の励起による水素結合の開裂をある程度回避させることができたことによるもの、と推測している。ちなみに、増感剤をドープしないターゲットを用いた場合には、光強度が７００ｍＪ／ｃｍ２のエキシマレーザー（351nm）を用いてアブレーションを行う必要があり、該アブレーションにおいては、多光子吸収によるアミド結合の励起による水素結合の開裂が起こるために、対置された基体表面に形成された薄膜はターゲット材料のβシート構造が破壊されたランダムコイル構造の薄膜となること、換言すれば、レーザーアブレーションのみの工程により前記基体表面にターゲット材料の化学構造を完全に保持した薄膜を形成することができなかったこと、が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、前記いずれのフィブロイン薄膜の形成においても、形成される膜の構造、特に２次構造はターゲット材料の特性を保持していない。従って、得られた薄膜はそのままでは、従来の膜の形成方法で得られるβシート構造フィブロイン薄膜の持つ特性を持たないために膜としての有用性が小さい。ところで、ランダムコイル型のフィブロインは熱処理によりβシート構造フィブロインに転移することが知られているので、前記混在型薄膜を熱処理することによりβシート構造フィブロイン薄膜に転移することが確認できた。
本発明の課題は、ターゲット材料の構造を再構築するのに前記熱処理の工程を必要とすることなく、レーザーアブレーション工程のみで、フィブロインの２次構造を保持した薄膜を形成できる方法を提供することにある。そのような方法を、実現すべく、増感剤のドープと形成される薄膜の構造との関係、用いるレーザー波長、パルス幅、光強度などと形成される薄膜の構造との関係を鋭意検討する中で、驚くべきことに、増感剤のドープを０．１重量％以下にすることによって、また、レーザー光として近赤外の波長1064nmのものを用いることにより前記増感剤を添加しなくても、レーザーアブレーション工程のみによって所望の基体（基体の材質を問わない）表面に、ターゲットとして用いたβシート構造フィブロイン薄膜を再構築できることを見出して前記課題を解決した。また、増感剤をド−プしたターゲット材料を用いた場合、形成される薄膜中の前記増感剤の量は、ターゲット中の増感剤の量の１／１０程度に低減していることも、驚くべき発見であった。というのは、増感剤は、レーザーアブレーション工程で一時的に存在すれば良く、基体表面でのβシート構造フィブロイン薄膜の再構築の最終段階まで関与していないことが推測できるからである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１０−１〜１０−３ｍｍＨｇの真空中において、紫外〜可視光の領域の適当なパルス幅のレーザーを用いる場合には光増感剤を最大０．１重量％までドープしたβシート型フィブロインのターゲットを、また、近赤外領域の適当なパルス幅のレーザーを用いる場合にはこの波長のレーザーを吸収する最大０．１重量％までドープしても良いβシート型シルクフィブロインのターゲットを用い、前記ターゲットに適当な間隔を置いて配置された基体表面に、前記パルスレーザーの照射によって前記ターゲットから発生したβシート型フィブロインのアブレーション噴出物を堆積させることを特徴とする、前記パルスレーザーアブレーションのみによって前記基体表面にβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法である。好ましくは、パルスレーザーのパルス幅が８ｎｓ〜２０ｎｓであり、レーザー光強度が２００〜１０００ｍＪ／ｃｍ２であることを特徴とする前記βシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法であり、更に好ましくは、ターゲットとして一種または２種以上の光増感剤を最大０．１重量％までドープしたβシート型フィブロインを用い、前記ターゲットに照射されたＮｄ３＋：ＹＡＧレーザーの基本波、第二及び第三高調波の少なくとも１つの波長の吸収により前記ターゲットから発生したβシート型フィブロインのアブレーション噴出物を基体表面に堆積させることを特徴とする前記βシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法である。また、基板が金属、プラスチック、石英、ＺｎＳｅからなるものであることを特徴とする前記パルスレーザーによるβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成する方法である。
【０００７】
【本発明の実施の態様】
本発明をより詳細に説明する。
Ａ．パルスレーザーアブレーションに用いるターゲット材料は、使用されるレーザー波長、パルス幅、光強度との関連で、薄膜を形成する材料の構造がレーザーにより実質的に破壊されないものを使用する必要がある。
Ａ−１．レーザー波長として、近赤外領域、特に1064nmのＹＡＧレーザを用いる場合には、この波長のレーザーを吸収する増感剤を加えても良いが、増感剤を添加せずにβシート型シルクフィブロインをペレット状に成型したものが使用できる。
Ａ−２．増感剤として、レーザーアブレーションに用いられるレーザーの基本波、第二高調波または第三高調波の少なくとも１つの波長の吸収によりβシート型シルクフィブロイン薄膜を作成するものを用いる、例えば、355nmまたは532nmのレーザーを用いる場合には、増感剤としては、ナフタレン、ピレンなどの縮合芳香族化合物、色素、例えば可視域に吸収を持つローダミン、ローズベンガルを最大０．１重量％ドープしたβシート型シルクフィブロインが使用される。前記高調波は、基本波長、例えばＹＡＧの1064nmを、ＫＤＰと呼ばれる結晶（組成はＫＨ２Ｐ０４）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ３等の非線形結晶により変換することによって得られる。前記増感剤に用いる材料は、要は、薄膜を形成する材料の化学損傷を少なくするレーザー吸収特性（レーザーの吸収効率を向上させる特性）、または薄膜を形成する材料の化学損傷が小さい波長（フィブロイン自身を直接励起しない波長）の光の吸収により前記レーザーアブレーションによる薄膜の形成を進行させるレーザー吸収特性を有すればよい。
【０００８】
Ｂ．レーザー発生手段としては、固体レーザー（Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザー）、気体レーザー（炭酸ガスレーザー）、半導体レーザー、色素レーザー、エキシマレーザーなど種々のものがある。レーザーのパルス幅は、使用するレーザーの波長にもよるが８ｎｓ〜２０ｎｓを採用するのがよい。パルス幅が狭くなると（例えば、１０ピコ秒、１００フェムト秒）フィブロイン自身の多光子吸収の寄与が大きくなり好ましくないが、前記範囲に限定されない。使用するレーザーの波長は、増感剤０．１重量％以下ドープしたターゲットを用いることにより、増感剤の吸収特性により、波長を紫外光〜近赤外光の範囲で利用できる。レーザー強度も、使用する波長、増感剤の使用、不使用とも関連するが、ターゲット材料の熱分解による破壊を起こさない範囲、例えば２００ｍＪ／ｃｍ２〜１Ｊ／ｃｍ２で利用される。増感剤をドープしないで、近赤外（1064nm）でアブレーションを行うには、１Ｊ／ｃｍ２程度の光強度が必要である。
【０００９】
Ｃ．パルスレーザーアブレーションを実施する装置高々１０−３ｍｍＨｇの真空（高真空にする必要がないこと）を達成できる減圧チャンバー、ターゲット材料を固定して回転できる回転ステージ、前記ターゲットから適当な間隔を維持して、前記ターゲット材料のアブレーション噴出物が堆積されて薄膜が形成される基体を保持する部材、チャンバー内の前記ターゲットにパルスレーザーを連続照射するレーザー照射装置からなる。なお、複合膜を形成できるように、ターゲットの前記回転ステージは、別のターゲット材料を固定した回転ステージに交換できる様に構成されていても良い。また、逆に薄膜が形成される基体を、所望のターゲットに該ターゲットから適当な間隔を維持して平行配置されるように移動できるように構成されていても良い。また、他の材料と同時に基体上に堆積させることができるように、複数のパルスレーザー照射装置と複数のターゲット保持装置を設けるように設計することもできる。本発明のパルスレーザーアブレーションを実施するに際して、基体の温度は室温でよく、加熱を要しない。
【００１０】
Ｄ．基体材料としては、例えば、酵素電極を作る材料の場合には、適当な金属材料が、また、化学工学の機能膜や選択膜などを形成するには、プラスチックの基体、センサーなどを形成には、Ｓｉ単結晶、ＺｎＳなど、また、医用材料（人工血管、コンタクトレンズ）のコーティング材として使用する場合、その材料となる樹脂類も用いることができる。どのような材料の基体にも、また、前記フィブロインの特性を付与したい種々の材料の表面を、物理的、化学的及び生物学的改質するのに本発明の薄膜形成方法を適用することができる。本発明の薄膜形成方法の実施原理を図１及び２に示す。図１は増感剤をドープしない典型的な方法であり、増感剤をドープしてない逆平行βシート型フィブロインターゲット（Ｎ．Ｓｆｉｂ．）を、Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザーの基本波パルス（1064nm、パルス幅、10ns）を用いて照射し、ターゲットのアブレーション飛散物（ｆｉｂ．ＡＢ）を適当な基体（ＳＴ）方向に飛散させ、該基体上に堆積させて該逆平行βシート型フィブロインの薄膜（ｆｉｂ．ＴＦ）を形成する方法である。図２は、増感剤（Ｓ）をドープした逆平行βシート型フィブロインターゲット（Ｓｆｉｂ．）を使用し、Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザーの第三高調波（波長355nm）を用いたものである。増感剤の吸収波長を変えることにより、第二高調波（波長532nm）や他のレーザーを利用できることはむろんである。
【００１１】
【実施例】
実施例１
市販の粉末状の逆平行βシート型フィブロイン（和光純薬工業）を加圧成型プレスしてペレット状に成形し、これを図１のアブレーションターゲット（Ｎ．Ｓｆｉｂ．）とした。Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザーの基本波パルス（1064nm、パルス幅、8ns〜10ns）を用いて強度約１Ｊ／ｃｍ２で照射し、前記ターゲットのアブレーション（ｆｉｂ．ＡＢ）を約２ｃｍ離して前記ターゲットに平行に配置した基体（ＳＴ：石英：室温）方向に飛散させ、該基体の表面に堆積させて薄膜を形成した（１０−３ｍｍＨｇの真空中で行った。）。得られた薄膜の赤外吸収スペクトル〔図３の（ａ）〕を測定し、アミド特性吸収帯の肩及び極大位置〔図３の（ｂ）〕から、該薄膜は逆平行βシート型フィブロインの二次構造が保持されたものであることが分かった。
【００１２】
実施例２
市販の粉末状の逆平行βシート型フィブロイン（和光純薬工業）を、光学増感剤であるアントラセンを、前記フィブロイン中にドープされる増感剤の量が０．１重量％になるように溶解したアセトン中に分散させ、溶媒留去後に乾燥させる。増感剤をドープした前記逆平行βシート型フィブロイン粉末を、実施例１と同様に成形した。これを図２のアブレーションターゲット（Ｓｆｉｂ．ｆｉｂ．）とした。Ｎｄ３＋：ＹＡＧレーザーの第三高調波（波長355nm：パルス幅、8ns〜10ns ）を用いて強度約２００〜４００ｍＪ／ｃｍ２で、実施例１と同様にして前記ターゲットのアブレーション（ｆｉｂ．ＡＢ）を約２ｃｍ離して前記ターゲットに平行に配置した基体（ＳＴ：石英：室温）方向に飛散させ、該基体の表面に堆積させて薄膜を形成した（１０−３ｍｍＨｇの真空中で行った。）。得られた薄膜の赤外吸収スペクトル〔図４の（ａ）〕を測定し、アミド特性吸収帯の肩及び極大位置〔図４の（ｂ）〕から、該薄膜は逆平行βシート型フィブロインの二次構造が保持されたものであることが分かった。また、薄膜の紫外・可視吸収スペクトルから形成された逆平行βシート型フィブロイン薄膜中の増感剤の量は、ターゲット材料中の量の１／１０になっていることが分かった。
【００１３】
実施例３
実施例２の増感剤を色素（可視光を吸収するローダミン、またはローズベンガル）に替えてターゲット材料を作った。該ターゲット材料をＮｄ３＋：ＹＡＧレーザーの第二高調波（波長532nm、光強度100〜200nJ/cm２）を用いて実施例２と同様にして逆平行βシート型フィブロインの二次構造が保持された薄膜を得ることができた。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のパルスレーザーアブレーション方を用いれば、ターゲット材料の逆平行βシート型フィブロインの二次構造が保持された薄膜を、アブレーション工程のみによって、所望の基体表面に、膜厚を制御して形成することができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の増感剤をドープしてない逆平行βシート型フィブロインターゲット（Ｎ．Ｓｆｉｂ．）を用いて該ターゲットフィブロインからなる薄膜を形成する方法の１態様
【図２】 本発明の増感剤をドープした逆平行βシート型フィブロインターゲット（Ｓｆｉｂ．）を用いて該ターゲットフィブロインからなる薄膜を形成する方法の１態様
【図３】 実施例１で得られた薄膜の赤外吸収スペクトル（ａ）、アミド特性吸収帯（ｂ）
【図４】 実施例２で得られた薄膜の赤外吸収スペクトル（ａ）、アミド特性吸収帯（ｂ）
【符号の説明】
Ｎ．Ｓｆｉｂ． 増感剤ドープなし逆平行βシート型フィブロインターゲットｆｉｂ．ＡＢ アブレーション飛散物ＳＴ 基体 ｆｉｂ．ＴＦ 堆積βシート型フィブロイン薄膜Ｓ 増感剤 Ｓｆｉｂ． 増感剤ドープ逆平行βシート型フィブロインターゲット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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