バイオミメティック材料プロセッシングの開発
高井治 齋 藤 永 宏 石 崎 貴 裕を営んでいる生物もいる．生物が有するこれらの高次機能，.

は じめに

高次構造は，環境の変化に順応した生物の進化とともに，常温・常圧下の低環境負荷型のプロセスにより作り出されてい地球の誕生は今から約 46 億年前であり，その頃の地球はる．このような「生物の高次構造，高次機能，環境低負荷型

雷放電，火山噴火，隕石落下等の激しい環境下に曝されてい低温プロセス」を学び，新規材料を創成していくことが，たと言われている．このような激しい環境下において，雷の「バイオミメティク材料プロセッシング」である．このプロ放電に誘発された化学反応により無機物から有機物が合成さセスは低温プロセスを活用するためエネルギー消費量が少なれ，生命体が誕生したとの仮説がある．人類を含む生物は現いため， CO2 削減に大いに寄与する材料プロセスであると在まで，数億年の間環境の変化に順応を重ね，環境と共存しいえる．

ながら進化をとげ，現在の環境に順応している．

我々のグループは，バイオミメティク材料プロセッシング

自然界に目を向けると，環境に順応するための特異的な機を実現させるために，蓮の葉の有する特異的な機能(超はっ能を有する生物が多数存在する．たとえば，水鳥の羽，アメ水性)を発現させている「かたち」を模倣し，工学的に超はンボウの足，里芋や蓮の葉などは水を極めて良く弾く．このっ水表面を形成することに成功している．また，生命の起源機能を「超はっ水」と呼ぶ．超はっ水性を示す要因は，表面とも言われている水中のプラズマ(ソリューションプラズマ)を覆っている疎水性ワックス状物質と表面の微細な凹凸構造を反応場に用いたナノ材料創製や表面改質も行っている．本にある．自然界では，様々な動植物が環境に順応するため，報では，現在までに我々が取り組んできたバイオミメティッ

超はっ水性を獲得してきているのである．一方，海藻等に代ク材料プロセシングについて紹介する．

表されるように水中に生きる動植物の体皮は，超親水性のものも少なくない．また，アフリカ南部のナミブ砂漠に生息するナミビアン・ダークリン・ビートルという甲虫は，鞘翅に.

超はっ水・超親水マイクロパターン表面での細菌接着挙動

0.5 mm の突起(親水性)を有しており，この突起と突起の間に，ナノレベルの小さな突起(はっ水性)を持つ．この甲虫

超はっ水膜の形成法としてゾル・ゲル法(1)(2) ，熱 CVD

は，霧の中に浮遊する微細な水滴を親水性の部分で収集す法(3)，プラズマ CVD 法(4)等のさまざまな方法が研究開発さる．収集した水滴は融合し大きくなり，その水滴ははっ水性れている．この中で，プラズマ CVD 法は常温かつ基板に対の突起上を転がり，甲虫の口に誘導される．これにより，甲してダメージフリーな成膜プロセスであり，プラスチック，虫は水分を補給する．このようにはっ水性，親水性という濡ガラス，半導体，金属，紙等，多種多様な基材へのはっ水性れ性の観点から対峙する機能を保有することにより生命活動付与を実現できるプロセスの一つである．

名古屋大学教授エコトピア科学研究所(〒4648603 名古屋市千種区不老町)
名古屋大学准教授工学研究科
産業技術総合研究所サステナブルマテリアル研究部門研究員
Development of Biomimetic Materials Processing; Osamu Takai, Nagahiro Saito, Takahiro Ishizaki(EcoTopia Science Institute,Nagoya University, Nagoya. Graduate School of Engineering, Nagoya University, Nagoya. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Materials Research Institute for Sustainable Development, Nagoya)
Keywords: biomimetic, ultra water repellent (UWR) surface, superhydrophilic surface, fibrinogen, solution plasma, carbon nanoball (CNB),surface modification
2008年12月 8 日受理

ミ ニ 特 集ここでは，マイクロ波プラズマ CVD 法による超はっ水膜菌，土壌菌，緑膿菌を培養した後の位相差顕微鏡像を図に表面の作製法について説明する．先ず，基板をエタノール中示す．大腸菌および枯草菌は超はっ水・超親水マイクロパタで約 10 分間超音波洗浄し，自然乾燥させる．この基板を反ーン上で超はっ水領域に選択的に付着した．一方，土壌菌は応容器内に設置する．原料にはトリメチルメトキシシラン表面にほとんど付着しなかった．また，緑膿菌は両方の領域(TMMOS)を用い，基板には n 型 Si(111)およびガラス基板で僅かに付着した．次に，パターン上における超はっ水領域を用いた．反応容器内に基板を設置した後，ロータリーポンの幅を 10 mm にした表面で同様に培養を行った．その結果プで反応容器内を排気し，反応容器内が 5 Pa 以下の真空度を図に示す．この場合でも同様に，大腸菌および枯草菌がに到達した後，励起ガスとしてアルゴン( Ar )を 30 Pa 導入

超はっ水領域に選択的に付着した．このような菌の付着性のした．その後， TMMOS を反応容器内に導入し，マイクロ違いを調べるために，基材の表面特性(表面粗さ，表面電波出力 300 W で 10分間プラズマを発振させた．その他の詳細に関しては引用文献を参照されたい(4)(7) ．図に，プラズマ CVD 法により作製した超はっ水膜上の水滴挙動を示す．この水滴接触角は150度をかなり超えており，この表面は超はっ水性表面である．また，この超はっ水膜の可視光の透過率は90を超えており，ほぼ透明である．
プラズマ CVD 法により作製した超はっ水膜表面に波長172 nm の真空紫外(VUV)光を照射することでシラノール基(SiOH)を形成することができる(8)．この場合の表面の水滴になり，その表面は超親水性となる．VUV 光
接触角度は 0°を利用することにより，超はっ水・超親水パターン表面を形成できる．プラズマ CVD 法により作製した超はっ水膜表面

図2

超はっ水・超親水マイクロパターン表面上のESEM 写真．

図3

超はっ水・超親水マイクロパターンへの細菌の付着の位相差顕微鏡像．

図4

超はっ水・超親水マイクロパターンへの微生物の付着の位相差顕微鏡像．

上にフォトマスクと石英板を置き，真空チャンバー内で 10Pa まで減圧して VUV 光を 20 分間照射する．この VUV 光の照射により， TMMOS を構成する有機分子は CO, CO2,H2O といった気体分子となり除去される．フォトマスクを用いることにより，露光部の超はっ水膜表面が分解・除去され，下地のシリコン基板が露出し，超はっ水・超親水のマイクロパターンを作製できる．このパターン上では，濡れ性という点において究極に対峙する二つの状態が集積化されている．ESEM(環境制御走査型顕微鏡)による超はっ水・超親水のマイクロパターン上での水滴の様子を図に示す．球状の水滴が超親水領域上で選択的に形成されていることを確認できる．
超はっ水・超親水マイクロパターン表面を足場として微生物の培養を行った．培養に用いた細菌は，大腸菌，枯草菌，土壌菌，緑膿菌の 4 種類である．培養条件は，培養時間を24時間，培養温度を37°C，CO2 濃度を 5，初期の細菌濃度を 1.0×104 cell/ml とした．
超はっ水・超親水マイクロパターン表面で大腸菌，枯草

図1

ガラス上に成膜した超はっ水表面上の水滴の様子．

ま て り あ 第48巻 第 4 号(2009)Materia Japan位，ゼータ電位)および菌と培地中のたんぱく質のゼータ電

160°Cで24時間加熱して，ポリスチレンブラシ(PSB)を作製位の測定を行った．超はっ水および超親水性表面の表面粗さした．次に，ドラフト内で，ジクロロエタン，無水酢酸，濃を計測した結果，表面粗さは同程度であった．一方，表面電硫酸を所定の濃度で混合し，その混合液に PS ブラシ基板を位およびゼータ電位では，超はっ水表面の方が超親水性表面浸漬させた．一定温度で数十分間加熱し， PSB のベンゼンよりも高かった．このような表面特性の違いが菌の選択的な環にスルホ基を導入した．所定の反応時間経過後に，基板を付着に大きな影響を与えていると考えられる．また，菌およ取 り 出 し エ タ ノ ー ル で 表 面 を リ ン ス し た 後 ， 0.5 M のびたんぱく質のゼータ電位はすべて負の値を示し，その絶対NaHCO3 水溶液に約一日浸漬させ，スルホ基の水素イオン値の大きさの順番は，枯草菌≒緑膿菌＞大腸菌＞たんぱく質をナトリウムイオンに置換し，ポリスチレンスルホン酸ナト＞土壌菌であった．これらの結果から，菌の表面への付着は，リウムブラシ(PSSB)を作製した．

 初期状態では微生物と培地中のたんぱく質は分散，◯
 表面◯

タンパク質には，フィブリノゲンを，溶媒には，ダルベッとの静電斥力の小さい培地中のタンパク質が微生物より先にコりん酸緩衝生理食塩水( D PBS )を用いた．タンパク質の表面に付着(この時のたんぱく質の付着は疎水性が高い表面吸着実験の手順は次の通りである． DPBS を溶媒として濃 表面がタンパク質で覆われた後に微生物で促進される)，◯度 0.1 mM (34 mg/ml血中濃度の約 1/100)フィブリノゲンが付着，の順に起こっていると推察できる．より精密な細菌溶液を調整した．調整したタンパク質溶液をインキュベータパターンを形成するためには，より詳細な細菌付着機構の解内で約30分暖め，VUV 照射した基板と PSSB 基板を浸漬さ明が必要である．

せた．浸漬時間は 1 ～ 60 分とした． Si 基板と PSSB 基板へのタンパク質の吸着量変化は，赤外吸収分光法( FT IR )に.

高分子電解質ブラシ被覆親水性表面へのタンパク質の接着制御より評価した．
タンパク質が基板に吸着すると，タンパク質に起因するアミド I バンドの赤外吸収スペクトルが出現する．このため，高分子ブラシは，長鎖高分子が直線的に延伸し，ブラシ状タンパク質吸着の確認には，アミド I バンドの赤外吸収スペになったものである．この延伸は，材料表面において高分子クトルが用いられる．アミド I バンドは 1600 ～ 1700 cm－1の充填密度が高い場合に，分子鎖の重なりを避けるために高の領域に存在し，NH の変角および CN の伸縮運動などを分子間に作用する斥力により生じる．このような高分子の振伴ったペプチド結合部におけるグループ振動の中の C＝O 伸る舞いも自己組織化であり，バイオミメティックの範疇であ縮に起因する．また，タンパク質の二次構造である a ヘリる．高分子ブラシの中でもポリマーに高分子電解質を用いたックス， b シート，ランダムコイルなどに帰属される複合ものを高分子電解質ブラシ( PEB: Polyelectrolyte Brush )と吸収ピークである．そのため，アミド I 吸収帯の変化を追跡いう． PEB は電解質であるため，水溶液中で対イオンの捕することは，タンパク質の定量分析や構造分析に有効であ捉・放出が可能である．このため， PEB は帯電していない

る．アミド I バンドによるピーク面積強度から，タンパク質高分子ブラシに比べて強い静電相互作用があり，直鎖状に伸の吸着量を見積もった．フィブリノゲンを吸着させた PSSB長できる．また，対イオンを捕捉することにより，収縮する基板および Si 基板の各時間における FTIR の結果を図，ことも可能であり，構造としての自由度が高い．さらに，

にそれぞれ示す．時間の経過に伴って，アミド I バンドのPEB 表面は帯電しているため親水性であり，その親水性をピーク強度が大きくなり，このアミド I バンドのピーク面積保持することができる．このような性質から高分子電解質ブ強度を比べることで相対的にタンパク質の吸着量の変化がわ

ラシはタンパク質の吸着制御のモデル表面として注目されてかる．

いる．

フィブリノゲンを吸着させた PSSB 基板および Si 基板の本項では，高分子電解質ブラシであるポリスチレンスルホ

アミド I バンドのピーク面積強度の時間変化を図に示す．

ン酸ナトリウムブラシ(PSSB: Poly(Styrene Sulfonate sodi-

タ ン パ ク 質 の 吸 着 量 は ， Si 基 板 よ り も PSSB 基 板 上 で 多um salt) Brush)を被覆した表面におけるフィブリノゲンのい．タンパク質は一般的に疎水性表面につきやすい．これ吸着について紹介する．

は，タンパク質に含まれる疎水性官能基と表面に存在する疎ブラシ作製の原料にはアニオン重合によって合成したポリ水性官能基との間に働く疎水性相互作用に起因する．水滴接スチレン(PS)の末端が SiCl3 でキャッピングされたポリマー

触角に着目すると， Si 基板表面は約 40 °， PSSB 表面は 5 ～を含むトルエン溶液を用いた． PSSB の作製には n 型( 111)であり， PSSB 表面の方が高い親水性である．定説どお10 °Si 基板およびスライドガラスを用いた．まず，基板をアセりであれば， PSSB 表面よりも Si 基板表面に多くのタンパトン，エタノール，超純水の順にそれぞれ 10 分間ずつ超音ク質が吸着すると予想できる．しかし， Si 基板表面および波洗浄を行い，真空乾燥した．続いて，大気圧下で VUV 光PSSB 表面はいずれも親水性であるが，タンパク質の吸着量を30分照射し，基板表面の有機物の除去を行うとともに OHが大きく異なり，PSSB 表面における吸着量の方が遙かに大基を導入した． VUV 照射後，基板を PS のトルエン溶液にきい．これは，単純な親水性，疎水性による効果ではなく，浸漬させ，室温下で 1 時間静置した．基板を溶液から引きPSSB が表面に存在するためである．このようなタンパク質上げ，電気炉の中に入れ減圧した．その後，窒素雰囲気下吸着の促進効果は，PSSB が電解質であり，対イオンの存在

ミ ニ 特 集図8
図7

フィブリノゲン吸着後の PSSB 基板および Si 基板のアミド I バンドのピーク面積強度の時間変化．

図5

フィブリノゲン吸着後の PSSB 基板上における FT
IR スペクトル．

図6

フィブリノゲン吸着後の Si 基板上における FTIR スペクトル．

溶液の色変化の様子．

あり，気相中のプラズマとは異なる性質を有する．ソリュー
ションプラズマにより，ラジカル，電子，紫外線，過酸化水素，オゾンなどの活性種が溶液中で発生する．ソリューショによるところが大きいであろう．一方，タンパク質の吸着にンプラズマは，従来の液中プラズマに対し，高周波数で電圧起因する主要な因子の解明については，今後の検討課題であを印加していることを特徴としている．これにより，液中でる．

非平衡低温プラズマの形成が実現し，また，プラズマ相を囲

このように基板とタンパク質の接着界面に高分子電解質ブ

む液体の膨張・圧縮運動とプラズマ相が連動することができラシを用いることで，タンパク質の接着を促進することがでる．筆者らは，動的な物質移動界面を有し，かつ，非平衡低きる．

温プラズマである「ソリューションプラズマ」を反応場とし用い，新しいナノ材料合成(9)(10)や材料の表面改質プロセス

.

ソリューションプラズマによるカーボンナノボー
ル(CNB)の表面修飾に関する研究を進めている．本項では，ソリューションプラ
ズマによるカーボンナノボール(CNB)への Pt 修飾に関する現況を紹介する．

ソリューションプラズマは，溶液中で生成するプラズマでま て り あ 第48巻 第 4 号(2009)Materia Japan

原料には， 150 mL の超純水に，塩化白金酸六水和物( H2.

おわりに本報では，自然界に学んだバイオミメティックプロセスを駆使した三つの試みについて紹介した．本報で紹介した研究
成果は，バイオチップ，生体親和性表面の構築，材料の表面改質等の実用化に対して，今後の研究の方向性を示すもので
図9

Pt/CNB の TEM 像．

あるが，より重要な位置付けとして，バイオミメティックなコンセプトに立脚した研究の成功例であるということに，ぜひ注目していただきたい．
地球上には多くの生物が存在し，進化と適応を長い間繰り返すことによって，それぞれの置かれた環境において，ある程度最適化された組織構造や反応過程を獲得している．生物を「師」とするバイオミメティックなプロセスは，エネルギー使用量を大幅に削減できるため，地球規模の環境問題を命

図 10

EDS 分 析 結 果 ． ( a ) Pt / CNB の STEM BF 像(b) 炭素マッピング像 (c) 白金マッピング像

題にしている人類にとって，ぜひ利用すべき研究の方向性の一つである．

文献

PtCl6 ・ 6H2O ，純度 98.5 ，和光純薬製)を 1.44 mM ，白金ナノ粒子の保護剤となるポリビニルピロリドン K30 ( PVP
K30 ，( C6H9NO ) n ，和光純薬製)を 12 mM となるように加えた溶液にカーボンナノボールを 50 mg 加えたものを用いた．放電の条件は，パルス周波数を 15 kHz ，パルス幅を2.0 ms ，印加電圧を 2.4 kV とした．また，タングステン電極間の距離を 0.5 mm とした．以上の条件の下，CNB，塩化白金酸イオンを含む溶液中でソリューションプラズマを 40分間発生させた．
合成した Pt/CNB は透過型電子顕微鏡(TEM)によって観察した．また， ICP 発光分光分析によって Pt / CNB の白金担持量を評価した．
ソリューションプラズマ発生後の溶液の色変化を図に示す．ソリューションプラズマの放電時間は左から順に 10 ，20， 30， 40 分である．放電時間が長くなるほど，溶液の色が茶褐色に変化した．この色変化は白金ナノ粒子の形成を示すものである． Pt / CNB の TEM 像を図に示す． CNB 上にコントラストの異なるナノ粒子が担持している．エネルギー分散型 X 線分光分析( EDS)によるマッピング像(図)から，CNB に担持しているナノ粒子は Pt である．Pt/CNB を10 mg/L 含む溶液を調製し，その中に含まれる Pt 担持量を( 1 ) T. Onda, S. Shibuichi, N. Satoh and K. Tsujii: Langmuir,12(1996), 2125.
( 2 ) S. Shibuichi, T. Onda, N. Satoh and K. Tsujii: J. Phys. Chem.,
100(1996), 19512.
( 3 ) D. OnerÄand T. J. McCarthy: Langmuir, 16(2000), 7777.
( 4 ) A. Hozumi and O. Takai: Thin Solid Films, 303(1997), 222.
( 5 ) Y. Wu, H. Sugimura, Y. Inoue and O. Takai: Chem. Vap. Dep.,8(2002), 47.
( 6 ) A. Hozumi, K. Ushiyama, H. Sugimura and O. Takai: Langmuir, 15(1999), 7600.
( 7 ) Y. Wu, M. Bekke, Y. Inoue, H. Sugimura, H. Kitaguchi, C. Liu
and O. Takai: Thin Solid Films, 457(2004), 122.
( 8 ) L. Hong, H. Sugimura, O. Takai, N. Nakagiri and M. Okada:Jpn. J. Appl. Phys., 42,(2003) L394.
( 9 ) J. Hieda, N. Saito and O. Takai: Surf. Coat. Tecnol.,202(2008), 53435346.
(10) J. Hieda, N. Saito and O. Takai: J. Vac. Sci. Tecnol. A,A 26(2008), 854.
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齋藤永宏
平成12年 早稲田大学大学院理工学研究科後期博士課程卒業．
平成12年 4 月 早稲田大学理工学部助手
平成12年10月 名古屋大学工学研究科リサーチアソシエイト
平成16年より現職．
専門分野反応動力学，表面物理化学．
ソリューションプラズマによるバイオミメティック材料の開発と応用に従事．現在は，主としてソリューションプラズマの反応場の解明を中心に活動．

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ICP 発光分光分析によって評価した． 10 mg / L の Pt / CNBを 分 散 さ せ た 溶 液 中 に 含 ま れ て い る Pt 担 持 量 は 0.715 ±0.022 mg/L であった．

ソリューションプラズマを反応場に用いることにより，1回のプロセスで CNB に Pt を担持させることができる．今後，ソリューションプラズマが新しい表面修飾法として活用されていくことが期待できる．



高井治

齋藤永宏

石崎貴裕

ミ ニ 特 集