広いpH領域において優れた生体適合性表面を提供する双性イオンポリマー
徳島大学 大学院社会産業理工学研究部
理工学域 応用化学系 物質機能化学分野
教授 安澤 幹人
2023 年 9 月 12 日

双性イオン化合物、その製造方法及び用途【国際出願番号】【優先権データ】
【出願人】
【発明者】

PCT/JP2020/044365（出願日：2020年11月27日）
特願2019-215921（出願日：2019年11月29日）
国立大学法人徳島大学［100%］
安澤 幹人
三木 翼
荒川 幸弘
今田 泰嗣
松木 均

Ⅰ 発明の概要■本発明は，アンモニウム基及びリン酸エステル基を有する新規な分子構造の双性イオン化合物、その製造方法及び用途に関するものである。
この材料により、タンパク質吸着抑制作用が向上した生体適合性材料の提供を可能とした。

双性イオン化合物、その製造方法及び用途

Ⅱ 背景技術
バイオマテリアル（生体適合性材料）の課題
血液と直接接触する医療機器
人工血管

ステント

血小板
タンパク質材料表面

補助人工心臓

人工肺（ECMO） 等タンパク質吸着

有害な生体反応・疎水性表面・血栓生成・静電的引力・炎症反応・水素結合・汚れの付着

タンパク質吸着抑制の必要性
双性イオン化合物を用いた生体適合性材料

Ⅱ 背景技術
リン脂質類似双性イオン性モノマーを用いた現行の生体適合性材料
細胞膜

細胞膜の構造物質
← 親水部
← 疎水部

リン脂質二重層

ホスホリルコリン基
タンパク質吸着抑制効果・高親水性・電気的に中性に近い
・生分解性が低い
・水素結合の供与体でない

日油(株)がMPCを生体適合性素材として事業化（Lipidure®）
その他の双性イオン性モノマー

Ⅲ 内容
双性イオンモノマー単位から成る新規ポリマー
現行モノマーのMPCのPC基において４級アンモニウムカチオン基とホスホジエステル基とを入れ替えた構造（CHP基）を有するモノマー単位を含むポリマー及び生体適合性材料

本発明に用いる双性イオン性モノマー例

参考（現行モノマー）【CHP基の特長】
・脱離可能なプロトン数の増加
・従来の材料と比較して負に帯電・従来の材料とは異なったpH範囲での適用

CHP基【生体適合性材料としての優位性】
・低いｐＨにおいても高い親水性 → 酸性領域を含む広範なｐＨ領域において正に帯電しにくい↓
広いpH領域において優れた生体適合性表面を提供し易い従来技術とその問題点
生体適合性材料として医療機器等で活用されている
MPCは、pH 3.5 以下の酸性環境下において、正の電荷を持つと思われることから、低いpHでは、MPC を用いて得られた表面の特徴である抗血栓性や親水性が低下する傾向がある。
血液全体の pH が、3.5 以下に低下することは考えにく
いが、炎症部位や癌細胞近傍等の局所部位においては、 pH 3 以下になることも報告されており、その部位において生成した小さな血栓が、より大きな血栓へと成長することも考えられる。

各種極性基のリポソームのゼータ電位と溶液pHの関係(a) Illustration of the charge orientationand net charge of naturally occurring
phospholipid headgroups (PC, PS, PG,PA) and the CP lipid headgroups (CPeand CP). *The neutral block of the PS
headgroup contains a primary amineand carboxylate that are zwitter- neutral
at physiological pH. (b) Liposome zetapotential as a function of solution pH.

MPCの末端基は、pH 3.5以下
では、正の電荷を示すが、MCHPの末端基は、pH 2 以下
でも、負の電荷を維持する。

Reprinted with permission from J. Am. Chem. Soc., 134, 4485–4488 (2012), Copyright 2012, American Chemical Society

新技術の特徴・従来技術との比較
本発明の MCHPを用いて得られた表面は、 pH
3 の酸性環境下においても負に帯電しており、良好な抗血栓性・親水性を示す。
血液等と常時接触する医療機器の表面においては、広いpH領域において優れた抗血栓性等の生体適合性を有することが望ましく、医療機器の使用寿命の長期化に繋がることが期待される。
また、MCHP は、簡便な3ステップで合成できることから材料のコスト削減が可能と思われ、幅広い用途への応用が期待される。

Ⅳ 請求項【請求項１】（独立項）
下記式（１）： ［式中、Ｒ１は、水素原子又はメチル基であり、Ｒ２は、ＯＨ又はＯ－であり、Ｘ１は、－Ｏ－又は－Ｎ(Ｑ１)－であり、Ｑ１は、水素原子又はＣ１－６アルキル基であり、ｍは、１～１２の整数であり、ｎは、１～４の整数である］
で表される単位を含み、且つ、前記単位の割合が全モノマー単位に対して９０モル％を超える、ポリマー。
【請求項２】（独立項）
下記式（１）： ［請求項１と同じ］で表される単位、及び下記式（２）：［式中、Ｒ３は、水素原子又はメチル基であり、Ｒ４は、Ｃ３－１６アルキル基であり、Ｘ２は、－Ｏ－又は－Ｎ(Ｑ２)－であり、Ｑ２は、水素原子又はＣ１－６アルキル基である］で表される単位を含む、ポリマー。

【請求項３】
式（１）で表される単位と式（２）で表される単位とのモル比が、１０：９０～４０：６０である、請求項２に記載のポリマー。
【請求項４】
下記式（１）：［請求項１と同じ］で表される単位を含むポリマーを含むフィルム又はシート。

Ⅳ 請求項【請求項５】
下記式（１）： ［請求項１と同じ］で表される単位を含むポリマーを含む生体適合性材料。
【請求項６】
医療材料の表面被覆材である、請求項５に記載の生体適合性材料。

【請求項７】
基材と、該基材に一端が固定され、他端が自由端である複数のポリマー鎖で形成されたポリマー層とを含むポリマーブラシであって、前記複数のポリマー鎖が、下記式（１）： ［請求項１と同じ］で表される単位を含むポリマーを含む、ポリマーブラシ。
【請求項８】（独立項）
下記式（３）：［式中、Ｒ１は、水素原子又はメチル基であり、Ｒ２は、ＯＨ又はＯ－であり、Ｘ１は、－Ｏ－又は－Ｎ(Ｑ１)－であり、Ｑ１は、水素原子又はＣ１－６アルキル基であり、ｍは、１～１２の整数であり、ｎは、１～４の整数である］
で表される化合物の製造方法であって、下記式（４）：（式中、Ｒ５及びＲ６は、同一又は異なって、アルキル基であり、Ｒ１、Ｘ１、ｍ、及びｎは前記と同じである）
で表される化合物を、下記式（５）：（式中、Ｒ７～Ｒ９は、同一又は異なって、アルキル基であり、Ｚは、ハロゲン原子である）
で表される化合物と反応させ、引き続き、水及び／又はアルコールと反応させる工程を含む、方法。

Ⅳ 請求項【請求項９】（独立項）
下記式（３）：［式中、Ｒ１は、水素原子又はメチル基であり、Ｒ２は、ＯＨ又はＯ－であり、Ｘ１は、－Ｏ－又は－Ｎ(Ｑ１)－であり、Ｑ１は、水素原子又はＣ１－６アルキル基であり、ｍは、１～１２の整数であり、ｎは、１～４の整数である］
で表される化合物の製造方法であって、下記式（１０）：（式中、Ｒ１、Ｘ１、ｍ、及びｎは前記と同じである）
で表される化合物を、ＰＯＣｌ３又はＰ２Ｏ５と反応させ、引き続き、加水分解する工程を含む、方法。

構造解析
1H-NMR & 31P-NMR

Solvent: D2O (with DSS-d6 0.001 g)

3.0

7.22

74.39

2.0

4,5DSS-d6

1.99
1.00

abundance
01.00

1.92

1.0

2.10

6

32

3.03

17.0
X : parts per Million : Proton

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.00

構造解析
Solvent: D2O (with DSS-d6 0.001 g)

abundance
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13
01H-NMR & 31P-NMR-0.54919.0 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 -6.0 -7.0 -8.0 -9.0 -10.0 -11.0 -12.0 -13.0 -14.0 -15.0 -16.0 -17.0 -18.0 -19.0 -20.0

X : parts per Million : Phosphorus31

構造解析
1H-NMR & 31P-NMR
1H

Solvent: D2O (with DSS-d6 0.001 g)

12

34,56789

Shift / ppm

1.9

6.1 ,
5.7

4.6

3.8 ,
3.7

4.3

3.2//

Integration

3.031,1

1.99

4.39

2.10

7.22//

Shift / ppm///////-0.1

Integration///////

1.92

NMR
MCHP

DSS-d6ポリマー溶液を用いた表面修飾

・ガラス基板・10 wt%のポリマー溶液
・溶媒キャスト法

用いたポリマー溶液

・ポリプロピレン基板
・0.5 wt% のポリマー溶液
・ディップコーティング法

1

表面開始原子移動ラジカル重合（SI-ATRP）を用いた表面修飾～ポリマーブラシ表面形成～

Surface

Surfaceinitiator

monomer

Surface initiated atom transfer radical polymerization(SI-ATRP)

実施例

比較例

修飾表面の生体適合性の評価 ～タンパク質吸着試験～
１．ＦＩＴＣ標識フィブリノーゲン緩衝溶液の調製

pH 7.4 vs pH 2.8

FITC
Dialysis with PBS (pH 7.4)

DMSO
Dialysis with PBS(pH 7.4)

Fibrinogen

Dialysis with McIlvaine
buffer (pH 2.8)

FITC-fibrinogen
pH 7.4 solution

FITC-fibrinogen
pH 2.8 solution

FITC-fibrinogen
CBS ( pH 9.6)
２．蛍光顕微鏡及びSEM観察
ポリマー修飾サンプル

incubate in buffer solution(pH 7.4 and 2.8) for 3 h

incubate in FITC-fibrinogensolution for 3 hFluorescence Microscope / FE-SEM

修飾表面の生体適合性の評価～接触角測定～比較例

実施例

Slide Glass

Si-Br

Si-p(MPC)

Si-p(MCHP)

46.3±0.4°68.6±0.9°37.8±3.6°

22.7±4.3°

WAC
図 2 Water contact angle for modified surfaces

スライドガラスの静的水接触角は、約 46.3 ˚ であるのに対し、 Si-p(MPC) 及びSip(MCHP) は、スライドガラスよりも親水性であり、静的水接触角は、それぞれ、約 37.8
˚ 及び 22.7 ˚ であった。このことから、Si-p(MCHP)は、高い親水性表面が形成されることが分かる。

修飾表面の生体適合性の評価～pH と 対水接触角～
比較例

比較例
実施例

Deprotonation and protonation of MPC

実施例

比較例

脱離可能なプロトン数の増加

実施例

修飾表面の酸性領域における対水接触角変化

Deprotonation and protonation of MCHP

Si-p(MCHP) は、スライドガラス、及び Si-p(MPC) に比べて、より親水性であり、広いpH域 において安定であることが分かる。例えば、pH が 3.8 から 1.0 に低下するにつれて、 Si-p(MPC) は、対水接触角が大きく変化（上昇）するのに対し、 Si-p(MCHP) は、接触角がほとんど変化しない。

修飾表面の生体適合性の評価～ポリマー溶液を用いた表面修飾～
蛍光顕微鏡解析結果

DI：イタコン酸ジメチル

修飾表面の生体適合性の評価～ポリマーブラシ表面修飾～
蛍光顕微鏡解析結果
蛍光強度

吸着面積

比較例

比較例
実施例

実施例

Fluorescence microscopy analysis for modified surfaces

Integration density: Sums all of the pixels within a region and gives a total value.
Adsorption area: The percentage of the fluorescence section in total area.
スライドガラス上のタンパク質の吸着量は、 Si-p(MCHP) 及び Si-p(MPC) に比べて著しく多い。また、スライドガラス上のタンパク質の吸着面積も、Si-p(MCHP) 及び Sip(MPC) に比べて著しく大きい。 Si-p(MCHP) は、タンパク質の吸着量が最も少なく、吸着面積も約５％と低いことが分かる。

修飾表面の生体適合性の評価～ポリマーブラシ表面修飾～

pHの影響

pH 7.4100%10050

実施例 比較例
14.5%

015.7%

100%

Integrated density (a.u.)

Integrated density (a.u.)

蛍光顕微鏡解析結果

pH 2.810050

実施例 比較例
12.7%
1.5%

0

Fluorescence microscopy analysis for modified surfacesSi-p(MCHP) は、酸性域においてもタンパク質の吸着抑制効果が高い

想定される用途• 生体適合性（生体親和性、抗血栓性）が求められる医療機器（ステント、補助人工心臓等）• 手術器具の可動部など血液の付着・凝固の防止• 保水性（親水性）が求められる材料（コンタク
トレンズ、点眼剤、化粧品、細胞培養培地等）• タンパク質の吸着（非特異吸着）抑制が求められるアフィニティバイオセンサ（抗原抗体反応を活用した診断薬等）

実用化に向けた課題• 現在、ステンレス（SUS316L）やニッケルチタン合金（ニチノール）の表面をMCHPのポリマーを用いて修飾することにより、良好な抗血栓性を示すことが確認された。しかし、 MCHPのポリマーを修飾したステントの血管内留置は実施できていない。
• 純度の非常に高いMCHPモノマーの合成が容易であり、製造コストも低く抑えられると考えているが、スケールアップ技術の検証は、不十分である。
• 分子構造を考慮すると安全性の高い材料と思われるが、安全性試験は実施できていない。

企業への期待• 医療機器の製造開発を実施している、企業との共同研究を希望。
• また、コンタクトレンズ、診断薬、化粧品を開発中の企業、保水性、親水性、防汚性等の機能導入が有用な製品開発を考えている企業との共同研究を希望。
• MCHPモノマー及びポリマーのサンプル提供が可能。

お問い合わせ先
徳島大学
研究支援・産官学連携センター
知的財産主席研究員
四国TLO 大山真吾
ＴＥＬ 088-656-9400
e-mail ohyama＠s-tlo.co.jp