13

ポリビニレンカーボネート及びその誘導体の合成と血小板粘着特性
金山
松田

城田
野中木寿敬綿＊ 1
悟＊ 2
生＊ 3
二＊ 3

Synthesis and Platelet Adhesion on Films of Poly(vinylene carbonate)and ItsDerivatives
Yu KANESHIRO
Satoru YAMADA
Hisao MATSUNO
Keiji TANAKA

Poly(vinylene carbonate) (PVCA) was synthesized by typical bulk radical polymerization. Cyclic carbonate groups
in PVCA can react with amino groups, so Poly(β-hydroxyvinyl N-substituted carbamate)s (PHCs) were synthesizedby aminolysis reactions ofPVCA and identified by NMR spectroscopy.

The films of PVCA and PHCs wereprepared by spin-coating method onto Si wafers. Aggregation states of these polymers and blood platelet adhesion
behaviors on them were investigated. The number and activation degree of platelets on the various PHC films werestrongly correlated to their surface/interfacial free energies. But this was not the case for the PVCA film.

1．はじめにることは、コーティング材料や薄膜デバイスに止まらず機能材料全体の発展に対して極めて重要である 2）。

医療用デバイスの血液適合性（生体適合性）の向上

田中らはこれまでに、高分子鎖の水界面での局所配向を目的に、ヘパリン等の抗血液凝固活性をもつ物質をや分子運動性が血小板粘着挙動にいかに影響を及ぼす基材表面にコーティングする技術が多く用いられていかを研究してきた 3）～ 5）。血小板は高分子材料の界面状

る 1）。しかしながら、ヘパリン等は動物臓器から抽出態に非常に敏感であり、粘着数、偽足形成、伸展程度された生物由来物質であるため、その安全性に課題がの点から見た血小板の粘着挙動は、バイオセンサーやあり、非生物由来のコーティング材料が求められてい人工心肺などといった生体デバイスの設計に重要な指る。

針を与える 6）。

一方、合成高分子の界面における凝集状態や物理特ポリ（ビニレンカーボネート）（PVCA）は、加水分性はコーティング材料や薄膜デバイスの性能に強く影解によりアミノ化合物と容易に反応するため、アミノ響を与える。これら凝集状態や物理特性をより理解す化合物を選択することで、適度な親水性や界面における分子運動性を付与することができる。本報告では、

＊1
＊2
＊3

ファンクショナルポリマー研究所／環境バイオグループ
ライフサイエンス研究所／バイオマテリアルグループ
九州大学大学院工学研究院応用化学部門

PVCA と、カルバメート基を持つ PVCA 誘導体、すなわちポリ（N 置換カルバミン酸β－ヒドロキシビニル）

TOSOH Research & Technology Review Vol.60（2016）

14（PHCs）を合成し、ポリマー鎖の凝集状態が血小板粘（n －ヘキシルアミン、2 −メトキシプロピルアミン、2 −着、活性化挙動に及ぼす影響を検討した。

テトラヒドロフルフリルアミン）を用いてアミノリシ
ス反応を行い、側鎖に水酸基とカルバメート基をもつ

2．実

験

［1］試薬

PHCs（2,3a,3b,4a,4b,5）を合成した 8）。例として、3aの合成を Scheme １に示す。Figure １に各種ポリマーの構造式と、PHCs の収率を示す。

PVCA の原料となる炭酸ビニレンはハイケム株式会

PVCA を DMF 中に溶解し、所定量のアミンを加え、社より入手した。その他の試薬（和光純薬工業）は購窒素雰囲気下、60℃で反応を行った。反応中、サンプ入品をそのまま用いた。

リング物をガスクロマトグラフで分析して反応追跡を行った。PVCA のアミノリシス化の割合は加えるアミ［2］PVCA および PHCs の合成ンの量でコントロールした。反応終了後、窒素雰囲気（1）ビニレンカーボネートの重合下、メチルエチルケトン（MEK）中に滴下すること

既報7）を参考に、ビニレンカーボネートの重合を行でポリマーを析出させた。析出したポリマーを濾過し、MEK で洗浄した後、真空下、常温で一晩乾燥させた。

い、PVCA（1）を合成した。
ガラス製アンプル管に所定量のビニレンカーボネー得られた白色固体をヘキサンで 10 時間ソックスレー

ト、アゾ開始剤、連鎖移動剤としてジメチルホルムア抽出した後、真空下、100℃で 8 時間乾燥させ、PHCsミド（DMF）を加え、封管した後、60℃で振盪した。
18 時間後、アンプル管を開封して内容物を取り出し、DMF に溶解させ、過剰のイソプロパノール中に滴下DMFすることでポリマーを析出させた。析出したポリマー

60℃ 8hrをろ過した後、真空下、80℃で 18 時間乾燥させ、収率約 60％で PVCA を得た。

13(a) (m/n=0.53) 80%y（2）PVCA のアミノリシス反応
PVCA の環状カーボネート基に対して、一級アミン

Scheme 1 Synthesis of PHCs(3a)2 83%y3a 80%y

3b 81%y14b 84%y
4a 70%y

5 84%yFigure 1 Chemical structures of PVCA (1) and PHCs having hydroxygroups in addition to N- n- hexylcarbamate (2), N- 2methylpropylcarbamate (3a, 3b), N- 3- methoxypropylcarbamate(4a, 4b), or N- 2- tetrahydrofurylmethylcarbamate (5) groups inthe side chainsNote, 0 ≤ m ≤ n9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］

東ソー研究・技術報告

Table 1 Characteristics of PVCA and PHCs used in this study

第 60 巻（2016）15によって測定した。GPC 装置としては東ソー（株）

Polymer

Mna

PDIbm/n

製

124.0k2.50（株）製

227.0k

2.3

13a26.2k

2.10.53を 40℃に設定し、溶離液として LiBr（10mM）含有

3b23.5k

2.3

14a28.0k

2.20.50

4b27.0k2.31分子量既知のポリエチレンオキサイド試料を用いて校522.0k

2.41

正した。なお、Mw および Mn はポリエチレンオキサa The number-average molecular weight ( Mbn ) and polydispersity
index (PDI) determined by gel permeation chromatography.

9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］（2,3a,3b,4a,4b,5）を得た。Table 1 に各種ポリマーの性質をまとめた。

HLC − 8120GPC を用い、カラムとしては東ソー
TSKgel SuperAWM − H を用い、カラム温度

DMF を用いて測定した。測定試料は 1.0㎎／ ml の濃度で調製し、0.2ml 注入して測定した。分子量の検量線は、イド換算の値として求めた。
［4］評

価（1）製膜PVCA 及び PHCs をテトラヒドロフラン（THF）に溶解させ、シリコン基板上にスピンコートし、室温で［3］測24 時間真空乾燥させた。膜の厚さは約 200nm であっ定た。

（1）アミノリシスの追跡
反応液中の成分を、ガスクロマトグラフ（島津製作所製 GC － 14B）を用いて分析した。分離カラムはキャ（2）製膜性評価

ピラリーカラム Inert Cap for Amine（長さ 60m、内径製膜したシリコン基板を水浸漬させ（室温、24 時0.32mm）用い、内部標準物質としてナフタレンを用間）、前後の光学顕微鏡観察を行った。Figure ３に水いて内部標準法により測定した。

浸漬後の PVCA と PHC の膜の光学顕微鏡の画像（a～ e）と、参考として市販の PET シート（帝人デュポン製）（f）を示す。1 ～ 4a において、水浸漬前後で膜（2）重合体の組成重合体の同定、および PHCs のカーバメイト基を含の崩壊は観測されず、安定な膜であることを確認した。

む単位（m）と環状カーボネート基単位（n − m）の比

4b と 5 は水溶性が高いため、水と接触した際に膜が1率は、プロトン核磁気共鳴分光（ H − NMR）スペクト崩壊した。従って、以下は 4b と５を除く薄膜についル分析、カーボン核磁気共鳴分光（13C − NMR）スペて議論する。

13

クトル分析より求めた。例として、3a の C − NMR スペクトルを Figure 2 に示す。

（3）表面自由エネルギーによる濡れ性評価
大気下、室温において、液滴投下による静的接触角（3）重合体の物性測定を行った。液滴として水およびヨウ化メチレンを重量平均分子量（Mw）、数平均分子量（Mn）およ用いて測定した接触角（θ i）から膜表面のポリマーび重量平均分子量と数平均分子量の比（Mw ／ Mn）は、の凝集状態を考察した。それぞれの接触角を用いて、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィー（GPC）

Owens の式⑴から膜表面の自由エネルギーと（γ s）と水浸漬後（24 時間）の膜表面の自由エネルギー（γ s(w)）を算出した 10）。
γ（1＋cosθ）＝2 γsdγd ＋2 γshγh⑴Table 2 にそれぞれの接触角測定の結果とγ s、γ s(w)を示す。
（4）血小板粘着特性評価
膜表面の血液に対する抗血栓性を調べるために、シリコン基板に成膜した各種ポリマー薄膜について、血Figure 2 13C-NMR spectrum of PHCs(3a)小板粘着試験を行った。各膜は、リン酸緩衝液（PBS溶液）に暴露しないもの、PBS 溶液に 24 時間暴露しTOSOH Research & Technology Review Vol.60（2016）

16(a)

(b)

(c)

50μm

(d)

50μm

(e)

50μm

(f)

50μm

50μm50μm

Figure 3 Digital microscopic images for spin-coated filmsof (a) 1, (b) 2, (c) 3a, (d) 3b, (e) 4a , and for (f) aPET sheet.
9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］

Table 2 Theθi,γS andγS(w)values for each film. Probes (i); H 2 O and CH2I2
droplets for surfaces, an air bubble and a C7H16 droplet for waterinterfaces.
FilmθH2O/˚

θCH2I2/˚

γS/ mJm -2

θair/˚

θC7H16/˚γS(W)/ mJm -2

148.1 ±1.347.4 ±1.2

53.2

NDa

NDa

NDa

297.0 ±1.161.4 ±0.827.8117.4 ±1.2

95.4±0.6

3a83.5 ±0.655.4 ±0.933.0128.1 ±0.9117.5 ±2.7 3.73b87.5 ±0.543.8 ±0.537.8

125.5 ±0.4 109.4 ±1.8 5.94a59.2 ±0.7

40.1 ±0.6

48.5

143.7 ±0.8 132.1 ±1.7 1.5PET

78.8 ±0.3

36.0 ±4.342.6

108.9 ±0.9

70.5±1.41128a ND; not determined.
9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］

たものを用いた。

か否かという観点から説明することができる。一方、試験に用いた血液は、ヒト肘静脈より採血した血液γ s(w) の値から、水と接触した後、順列は変わることをクエン酸ナトリウムで抗凝固化処理した多血小板血が分かった（2>3b>3a>4a）。これは、水によって誘発

漿として調節した。調製した多血小板血漿を各膜の表される膜の表面再編成の度合いがそれぞれ異なってい面に 60 分間接触させ、PBS 溶液でリンス後、粘着しるためである。一方、PVCA 膜のθ air とθ C7H16 の値にた血小板の数および形態を走査型電子顕微鏡（SEM）はほとんど差がなく、両プローブは水中では膜表面ににて観察した。

くっつかなかった。この現象はより高い親水性表面に起こるものであり 3b）、PVCA は、水、空気中の両方に3．結果と考察（1）表面自由エネルギーによる濡れ性評価
Table ２より、最も疎水性を示したのは PHC（2）であり、最も親水性を示したのは PVCA であった。
PHC 膜において、γ s の値に基づく疎水性の順列（2>3a>3b>4a）は、側鎖にエーテル酸素を有しているおいて、最も親水的界面をもつことが分かった。
（2）血小板粘着特性評価
Figure 4 にあらかじめ PBS 溶液に暴露しなかった
スピンコート薄膜（a ～ e）および PET（f）シートの血小板粘着の走査電子顕微鏡（SEM）画像を示す。定量的なデータは Figure 4 の（g）、（h）に示す。

東ソー研究・技術報告(a)

第 60 巻（2016）

(b)

(c)

10μm10μm(d)(e)

10μm(h)2015105123a3b4aPET10μm

25NPLT/ 10 5 cells cm -2

NPLT/ 10 5 ce lls cm-2

25010μm

(f)

10μm

(g)

17−Type III−Type II

20−Type I

151050123a3b4aPETFigure 4 SEM images of platelets adhered on thin films of (a) 1,(b) 2, (c) 3a, (d) 3b, and (e) 4a, and on (f ) a PET sheet
without prei−mmersion in a PBS solution(g) The N PLT for each film and (h) its breakdownclassified into three stages based on the degree ofactivation of platelets adhered.
9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］

血小板の活性化程度は、球状の血小板（type Ⅰ）、れ替わり、γ s(w) 値の順序と相関があった。膜の最外層

少量の偽足形成が生じた円形（type Ⅱ、部分的に活性におけるポリマーの凝集状態は、周囲媒体に強く依存化した血小板）、多くの偽足形成が生じた扁平形（typeする。従ってこの場合、膜を長時間 PBS 溶液に暴露Ⅲ、血栓を形成しやすい活性化血小板）の三種類に分することで、粘着試験の前に、膜の表面構造再編成が類される 。PHC 膜では、血小板粘着の数（NPLT）の十分に起こっているため、血小板粘着挙動の結果は、順列（2>3a>3b>4a）は、γ s 値と相関している。また、γ s 値よりむしろγ s(w) 値と相関がある。従って、PHC血小板の活性化程度も同じ順序となった。一見すると、誘導体における血小板粘着はγ s(w) 値によって制御さ血小板粘着挙動は、用いたポリマーのγ s 値によってれることが明確になった。

6）制御されるように思える。しかしながら、PVCA 膜と一方で、PVCA 膜の血小板粘着挙動は、PHC 膜とはPET 膜では当てはまらない。PVCA は用いられたサン異なる傾向を示した。PBS 溶液に暴露した場合、NPLTプルの中で最も親水性であるが、PVCA 膜の NPLT と活の値は減少し、type Ⅲの活性が著しく抑制された。こ性程度は最も高い。従って、表面の親水性は生物不活の特性は、PVCA が水と接触することでポリマー鎖の性を制御する要因の一つではあるがるとは限らない

11）、常に優位とな3,5）。

表面再編成が起こることに関係している。PVCA の化学構造から、PVCA の主鎖の部分である疎水的なメチ

Figure 5 には、膜をあらかじめ PBS 溶液に 24 時間

ン基は、空気中において膜の最外層に位置していると暴露したスピンコート薄膜（a ～ e）および PET（f）シーされるが、親水的なカーボネート基が大きく寄与する

トの血小板粘着の SEM 画像を示す。定量的なデータため、PVCA のγ s 値は、最も高い値となった。水溶は Figure 5 の（g）、（h）に示す。

液中に PVCA 膜を浸漬させると、メチン基による水界PHC 膜 で は、NPLT の 順 序（2>3b>3a.>4a） と な り、面への効果は減少するため、より親水的な界面を形成の最大値と最小値である 2 と 4a については、事前のする。その結果として、PVCA 膜上の血小板粘着が抑暴露に依存しなかったが、3a と 3b の順序は暴露後入制された。しかしながら、NPLT 値は、PVCA よりも親TOSOH Research & Technology Review Vol.60（2016）

18(a)

(b)

(c)

10μm

10μm

(d)

(e)

(f)

10μm

(g)

10μm(h)201510512

3a3b4aPET10μm

25NPLT/ 10 5 cells cm -2

NPLT/ 10 5 ce lls cm-2

25010μm− Type III− Type II

20− Type I

151050123a3b4aPETFigure 5 SEM images of adhesive platelets on thin films of (a) 1,(b) 2, (c) 3a, (d) 3b, and (e) 4a and on (f) a PET sheetwith pre-immersion in a PBS solution for 24 h(g) The NPLT for each film and (h) its breakdownclassified into three stages based on the degree ofactivation of the platelet.
9）［出典：Hisao Matsuno et al ., Chem.Lett ., 45, 913−915（2016）］

水性の低い 3a、4a の場合より依然として大きかった。

級アミンを用いてアミノリシス反応を行い、誘導体と考えられる理由は２つあり、ひとつは、PVCA の側鎖なる側鎖に水酸基とカルバメート基をもつ PHCs をのカルボニル基の有無である。これまでに、ポリメタ合成した。ポリマーをコーティングした膜表面のポリクリレートのカルボニル基は水分子と強い水素結合をマーの凝集状態と、血小板粘着挙動について観察を形成するために水相側へ配向しやすいことが明らかに行った。PHC 膜上での血小板粘着と活性化は、表面されている。これにより、界面において、生体不活性および界面自由エネルギーと強い相関性を示し、一方、な性質とは逆方向に寄与する水分子の高秩序なネット

PVCA 膜では付加的要因が考慮された。これらの基礎ワーク構造の形成が生じる

12,13）。従って、PVCA 表面において、より高い親水性を持つにもかかわらず、血知識が、高い生体不活性さが要求されるバイオメディカルデバイスの設計に役立つことを期待する。

小板が接着し、活性化が起こった｡ もうひとつは、水界面における側鎖の運動性である。側鎖の局所ダイ
ナミクスは、主鎖よりも速いとされる、しかしなが参考文献

ら PVCA の場合、側鎖のカルボニル基は、主鎖骨格の１）a）サイエンス＆テクノロジー、生体適合性制御

C-C 結合により環化されている。それ故、その運動性と要求特性掌握から実践する高分子バイオマテリは、一次の側鎖基と比較してそれほど早くないと考えアルの設計・開発戦略、39 − 44（2014）られる。高分子の低い運動性もまた、生体不活性に対して優位ではないとされる

3a）。

２）R.A.L. Jones, R.W. Richerds, Polymers at Surfaces

and Interfaces , Cambridge University Press（1999）
３）a）T.Hirata, H.Matsuno, D.Kawaguchi,

4．まとめ
PVCA をラジカル重合で合成し、PVCA を種々の 1

T.Hirai, N.L.Yamada, M.Tanaka, K.Tanaka,

Langmuir ,31,3611（2015）b）T.Hirata, H.Matsuno,
D.Kawaguchi, N.L.Yamada, M.Tanaka, K.Tanaka,

東ソー研究・技術報告

Phys. Chem. Chem Phys .,17,17399（2015）c）
T.Hirata, H.Matsuno, D.Kawaguchi, N.L.Yamada,
M.Tanaka, K.Tanaka, Polymer ,78,219（2015）４）H.Matsuno, R.Tsukamoto, S.Shinomura, T.Hirai,
Y.Oda, K.Tanaka, Polymer J ., in press, doi:
10.1038/pj.2015.118
５）Y.Oda, C.Zhang, D.Kawaguchi, H.Matsuno,
S.Kanaoka, S.Aoshima, K.Tanaka, in press, doi:
10.1002/ admi.201600034.
６）a）Tanaka, T.Motomura, M.Kawada, T.Anzai,
Y.Kasori, T.Shiroya, K.Shimura, N.Onishi,
A.Mochizuki, Biomaterials ,21,1471（2000）b）
M.Tanaka, A.Mochizuki, N.Ishii, T.Motomura,T.Hatakeyama, Biomacromolecules , 3, 36（2002）
７）a）綱 本 博 孝、 大 阪 市 立 大、 炭 酸 ビ ニ レ ン の 重合、共重合、ならびにポリマーの性質（1988）ｂ）
G.Smets, K.Hayashi, J. Polym. Sci . ,29, 257（1958）
８）a）V.D.Nemirovskii, M.A.Pavlovskaya,
V.V.Stepanov, S S.Skorolhodov, Polym. Sci. USSR ,7, 1750（1965）b）L.Ding, Y.Li, Y.Li, Y.Liang,J.Huang, Eur. Polym. J . , 37, 2453（2001）c）
Y.Kaneshiro, H.Miyata, Jpn. Pat. JP P2015-196738A（2015）
９）H.Matsuno, R.Tsukamoto, Y.Kaneshiro, S.Yamada,
K.Tanaka, Chem. Lett , 45, 913 − 915（2016）10）D.K.Owens, R.C.Wendt, J. Appl. Polym. Sci .,13,1741（1969）11）S.hen, L.Li, C.Zhao, J.Zheng, Polymer , 51,5283（2010）
12）a）A.Horinouchi, H.Atarashi, Y.Fujii, K.Tanaka,

Macromolecules ,45,4638（2012）b）Y.Oda,
A.Horinouchi, D.Kawaguchi, H.Matsuno,S.Kanaoka, S.Aoshima, K.Tanaka, Langmuir ,30,1215（2014）13）Y. Tateishi, N. Kai, H. Noguchi, K. Uosaki, T.
Nagamura, K. Tanaka, Polym. Chem .,1,303（2010）

第 60 巻（2016）19