天然物由来高分子を利用した新規サンスクリーンカプセルの創出
大阪公立大学大学院工学研究科物質化学生命系専攻応用化学分野

北山雄己哉

Sunlight contains harmful ultraviolet light. Sunscreen materials are great important materials for skin protection fromsunlight. Herein, hollow/capsule polymer particles possessing ultraviolet absorbance capability were fabricated by theinterfacial photoreaction of spherical polymer particles possessing photoreactive cinnamoul and coumarin groups. In theinterfacial photocrosslinking approach, [2+2] photodimerization reaction between two cinnamoyl and coumarin groups
proceeds under suitable wavelength lights, but the photodimerization reaction only proceeds at the particle interfacial region.
Using this interfacial photocrosslinking approach, shell-crosslinked hollow polymer particles were obtained directly from
simple spherical polymer particles via a facile procedure. Encapsulation of various molecules in the hollow polymer particles
was achieved by post-introduction based on the solvent exchange procedure.

１．緒言

サンスクリーン材料は、太陽光に含まれる有害な紫外線（UV）から皮膚を保護するために用いられる。太陽光には、皮膚炎や光老化の原因となる UVB（280 ‒ 320 nm）、DNA損傷や皮膚がんの原因となる UVA（320 ‒ 400 nm）が特に多く含まれるため、これらを効果的に遮蔽するサンスクリーン材料の開発は重要である。現在は、無機ナノ粒子や芳香族系有機低分子化合物がサンスクリーン材料として用いられている。しかし、前者は皮膚を透過し生細胞に侵入する上に、光触媒機能により活性酸素種を発生させ細胞毒性や老化の原因となる可能性がある。後者は、低分子である

図1

ことから皮膚への浸透が懸念され炎症が生じる恐れがある。

界面光架橋反応の概要図

そのため、安全、低毒性かつ効果的に UV 光を遮蔽できる
相分離自己組織化法 6）など様々な中空粒子調製法が報告さサンスクリーン材料の開発が望まれる。
植物に含まれる天然由来分子である桂皮酸は、UVBれてきた 7 - 8）が、本手法では、光照射と微粒子洗浄という領 域（280 nm）に 高 い モ ル 吸 光 係 数 を 有 す る だ け で な

簡便かつ安全なステップで中空粒子を作製できることを特く、適切な光照射により［2 π+ 2 π］二量化反応を示すこと徴としている。さらに、得られる中空粒子には、未反応のが知られている。以前の研究で、桂皮酸から誘導された光反応性基が必ず残存するため非常に高い UVB 吸収を示

2 -Cinnamoylethyl methacrylate（CEMA）を重合して作製す。

した高分子微粒子に、UV 照射を行うと微粒子界面近傍限

本研究では、界面光架橋反応を基盤技術とした UVA 領

定的に Cinnamoyl 基間二量化反応（ポリマー間架橋反応）域に吸光を示す機能性サンスクリーンカプセルの創出を目が生じる「界面光架橋反応」を見出した

1 - 3）。この発見の後、指す。クマリンは植物などの天然に広く存在する芳香成分微粒子内部に残存する未架橋ポリマーを洗浄除去することの一種であり、UVA 領域（λmax= 320 ～ 330 nm）以上の波ができ、内部に空隙を有する中空粒子が得られることを明長に光吸収を示す。さらに、光反応性アルケン部位を有らかにした（図 1）。これまでにも、テンプレート法

4 - 5）

やするため、光二量化反応が期待できる。そこで本研究では、UVA に光反応性・吸収性を示す新規天然物由来モノマー

Preparation of Sunscreen Capsules Using
Photoreactive Polymers Possessing
Natural Compounds
Yukiya Kitayama
Department of Applied Chemistry,
Graduate School of Engineering, Osaka
Metropolitan Universityを創製し、界面光架橋反応を利用して UVA 吸収を示す中空粒子の作製を試みる。さらに、モデル分子として蛍光色素を内包したカプセルを調製できるか検討した。これにより、微粒子の界面光架橋反応を利用して様々な波長の吸収を示す高分子微粒子材料を創ることが出来るか検討した。

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２．方法

2 . 1. クマリン誘導体モノマーの合成
UVA 領域に吸収を示すクマリン基を光反応性部位としてもつモノマー（COMA）を以下のように合成した（図 2）。
具体的には、７- ヒドロキシクマリンおよび２- ブロモエ

図2COMA の合成ルート

タノールを炭酸カリウム存在下、アセトン中で反応させた。その後、シリカゲルクロマトグラフィによって精製し、7 -（2 - ヒドロキシエトキシ）クマリンを得た。さらに、７-（２- ヒドロキシエトキシ）クマリンをメタクリル酸クロリドとピリジンを溶解させたテトラヒドロフラン（THF）中で反応させた。その後、シリカゲルクロマトグラフィで精製することで、目的物である７-（２- メタクリロイルオキシエトキシ）クマリン（COMA）を光反応性モノマーとして得た。
図3

溶媒蒸発法による微粒子合成プロセス

2 . 2 . 桂皮酸誘導体モノマーの合成
リファレンス化合物として UVB 領域に吸収を示す桂皮酸を光反応性部位として有するモノマー（CEMA）を合成し、シェル部が架橋された中空粒子を作製した。

した。桂皮酸クロリドと 2 - ヒドロキシエチルメタクリレートをトリエチルアミン存在下、室温で一晩反応させ、シ

2 . 5 . モデル蛍光分子を内包したカプセル粒子の合成リカゲルカラムクロマトグラフィを用いて精製した。

Rhodamine B を溶解した THF/DMSO 混合液に中空粒子を分散させ、その後多量の純水に溶媒置換することによ2 . 3 . シンナモイル構造およびクマリン構造を側鎖に有する光反応性ポリマーの合成り、カプセル粒子の調製を行った。

3．結果および考察

2 , 2’ - アゾビスイソブチロニトリルを開始剤としたラジカル重合を用いて、CEMA とメタクリル酸メチル（MMA）

CEMA および COMA の合成について、核磁気共鳴装置のランダム共重合体（P（CEMA-MMA））をシンナモイル（1 H-NMR）により評価したところ、それぞれ目的物の単離・基含有光反応性ポリマーとして合成した。ポリマーは再精製ができていることを確認した。CEMA の吸収スペク沈殿により精製・回収した。さらに、2 , 2’- アゾビスイ

トルを紫外可視分光光度計により測定したところ、極大吸ソブチロニトリルを開始剤としたラジカル重合を用いて、収波長 λ max を約 280 nm に有しており、UVB 領域に吸収をCOMA とメタクリル酸メチル（MMA）のランダム共重合示した。また COMA の紫外可視分光光度計測定を行った体（P（COMA-MMA））をクマリン基含有光反応性ポリマ

ところ、λmax を約 321 nm に有しており、UVA 領域に吸収ーとして合成した。ポリマーは再沈殿により精製・回収を示すモノマーを得ることができた。

した。また合成石英基板上にキャスト法により P（COMA-

さらに、CEMAおよび COMAをMMAとともに 2 , 2’ -アゾ

MMA）薄 膜 を 形 成 し、 光 照 射（λ= 365 nm）後 の UV-Vis

ビスイソブチロニトリルを開始剤としたラジカル重合によ測定を行い、スペクトルの経時変化を調査することで Pって共重合体（P（CEMA-MMA）およびP（COMA-MMA））（COMA-MMA）の光反応性を評価した。

を合成した。再沈殿精製の後、1 H-NMR によるポリマー組成を評価したところ、ほぼ仕込み比通りに各モノマーが2 . 4 . 中空粒子の合成共重合されたポリマーであることがわかった。得られたポ得られた P（CEMA-MMA）および P（COMA-MMA）をリマーの紫外可視分光光度計測定から、P（CEMA-MMA）

クロロホルムに溶解させ、ポリビニルアルコール（けん化は桂皮酸由来の λ max = 280 nm に有しており、P（COMA-度：88 %、重合度：1000）水溶液中にホモジナイザーを用MMA）はクマリン由来吸収を λ max= 323 nm に有しているこ

いて分散させ、クロロホルムを蒸発させることにより真球とがわかった。このことから、両ポリマーはそれぞれシン状高分子微粒子を調製した（図 3）。この真球状粒子に対しナモイル構造とクマリン構造を保持していることがわかって、水分散状態で光照射を行うことで界面光架橋反応を行た。

い、THF を用いた遠心洗浄により未架橋ポリマーを除去− 61 −

次に、P（CEMA-MMA）を合成石英基板上に薄膜状にコスメトロジー研究報告 Vol. 31, 2023

成形し、λ= 254 nm の光照射を行い、経時的な紫外可視分子の調製を溶媒蒸発法により実施した。溶媒蒸発法では、光光度計測定を行った。その結果、光照射時間の増加に伴ポリマーを水が混和しない有機溶媒に一度溶解し、そのポい、シンナモイル基由来の吸収が徐々に減少し、光反応がリマー溶液を分散安定剤水溶液中で分散させた後、有機溶進行していることが示唆された。また、P（COMA-MMA）

媒を蒸発させることにより真球状高分子微粒子を得るこを石英基板上で薄膜状に成型し λ= 254 nm の光照射を行っとができる。そこで、各ポリマーの有機溶媒への溶解性をた場合、クマリン由来吸光度の減少は観察されなかった。

評価した。P（CEMA-MMA）および P（COMA-MMA）と一方、P（COMA-MMA）に対して λ= 365 nm の光照射を行もにクロロホルムに溶解したことから、クロロホルムを有った場合、照射時間とともにクマリン基由来の吸光度が減機溶媒として用いた溶媒蒸発法により、微粒子化を試み

少し、本ポリマーが当該波長に対して光反応性を有していた。得られた微粒子分散液を光学顕微鏡で観察したところ、ることがわかった（図 4）。さらに、両ポリマーともに光照マイクロメートルサイズの真球状高分子微粒子が観察で射後に吸光度が一定値に収束することから、一部のシンナ

き、マイクロメートルサイズの P（CEMA-MMA）および Pモイル基およびクマリン基が光照射後も残存していること（COMA-MMA）微粒子を得ることができた（図 5）。

がわかった。すなわち光反応性部位が、ポリマー光架橋後次に、得られた高分子微粒子に対して界面光架橋反応にも光吸収部位として残存することが示唆された。この残存よる中空粒子化を試みた。P（CEMA-MMA）微粒子には、光反応性部位に由来して、中空粒子やカプセルは UVB や薄膜形態で光反応が進行したことが示唆された λ= 254 nm

UVA に対する吸収を示すと期待できた。の光照射を行った。光照射前後では微粒子モルフォロジ

次に、P（CEMA-MMA）および P（COMA-MMA）微粒

ィに変化はなく、真球状高分子のままであったが、光照射後の粒子を、THF を良溶媒として用いた遠心洗浄を行ったところ、粒子内部からポリマーが除去された中空粒子が得られたことがわかった（図 5）。一方、λ= 365 nm の光照射を行ったところ、P（CEMA-MMA）粒子の架橋反応は進行しなかった。また、P（COMA-MMA）微粒子には、λ= 365 nm の光照射を行ったところ、こちらも光照射前後で粒子形態に変化はなく真球状粒子のままであったが、THF 洗浄後に中空粒子が得られていた（図 5）。一方、
λ= 254 nm の光照射を行ったところ、P（COMA-MMA）粒子の架橋反応は進行しなかった。以上の結果から、シンナ
モイル基やクマリン基を側鎖に有する高分子微粒子に適切な光照射条件による微粒子界面光架橋反応を適用することにより中空粒子を得ることができることが明らかになった。
次に、中空粒子のシェル厚み制御を試みた。微粒子界面光架橋反応は、粒子外部から光反応が進行するため、光照

図４ P（COMA-MMA）薄膜への種々光照射時間ごとの紫外可視分光光度計スペクトル（ë = 365 nm）射時間に伴いシェル厚みが変化する可能性がある。そこで、P（COMA-MMA）粒子に対する界面光架橋反応を異なる

図 5 光照射前（a）、光照射後（b）および未架橋ポリマー洗浄後（c）の P（COMA-MMA）微粒子の光学顕微鏡写真（ë = 365 nm）。

− 62 −

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（e）

図６

光照射時間を変更した P（COMA-MMA）
中空粒子の光学顕微鏡写真（a-d）とシェル膜厚（e）

光照射時間で実施し、得られた中空粒子のシェル厚み制御（引用文献）を試みた。その結果、予想通り光照射時間の増加に伴い、

1） Y., Kitayama, The Interfacial Photoreaction: AnP（COMA-MMA）粒子のシェル膜厚は増加していた（図 6）。

Efficient Strategy to Create Functional Polymer

結果として、光照射時間で中空粒子のシェル厚みを制御でParticles. Polym. J, 51（10），963-974（2019）

きることが明らかになった。

2） Y. Kitayama, K. Yoshikawa, T. Takeuchi, Efficient

次に、中空粒子内部への機能性分子内包によるカプセル

Pathway for Preparing Hollow Particles: Site-specific化を試みた。得られた中空粒子はシェル部が架橋している

Crosslinking of Spherical Polymer Particles with

ために、良溶媒中においても粒子形態を保持できるととも

Photoresponsive Groups that Play a Dual Role in Shellに、シェル部の膨潤と拡散により後天的に薬物等の分子をCrosslinking and Core Shielding. Langmuir, 32（36），粒子内部に導入できる。その後、貧溶媒に溶媒を置換する

9245-9253（2016）

ことでシェル部を収縮させ、粒子内部に物理的に種々の分

3） Y. Kitayama, T. Takeuchi, Fabrication of Redox-子を封入することが可能となる。この溶媒交換法を利用すResponsive Degradable Capsule Particles by a Shell-

ることで、カプセル粒子の作製を試みた。ここでは、モデ

Selective Photoinduced Cross-Linking Approach from

ル分子として蛍光色素である Rhodamine B を用いて検討

Spherical Polymer Particles. Chem, Eur. J., 23（52），を進めた。具体的には、界面光架橋反応により調製した

12870-12875（2017）

中空粒子を、Rhodamine B を溶解した THF/DMSO 混合

4） A. P. R. Johnston, C. Cortez, A. S. Angelatos, F.

溶媒中に浸漬しインキュベーション後、溶媒を PVA 水溶

Caruso, Layer-by-layer Engineered Capsules and Their液に変更することによりローダミン B の内包を試みた。得Applications. Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 11（4），られた粒子の共焦点レーザー顕微鏡観察を行ったところ、

203-209（2006）

粒子のコア部に明確なローダミン B 由来蛍光を観察する

5） X. L. Xu, S. A. Asher, , Synthesis and Utilization ofことができた溶媒置換法により作製した粒子の内部から、

Monodisperse Hollow Polymeric Particles in Photonic

Rhodamine B 由来の蛍光が観察されたことから、カプセ

Crystals. J. Am. Chem. Soc., 126（25），7940-7945（2004）

ル粒子が得られたことがわかった。

４．総

6） H. Minami, H. Kobayashi, M. Okubo, Preparation of
Hollow Polymer Particles with a Single Hole in the括

Shell by SaPSeP. Langmuir, 21（13），5655-5658（2005）

以上のように、UVA 吸収性の Coumarin 基を含むモノ

7） Y. Luo, H. Gu, A General Strategy for Nano-

マーおよびポリマーの合成に成功し、現在は本ポリマーをEncapsulation via Interfacially Confined Living/

利用してサンスクリーン用微粒子材料の合成を引き続き推Controlled Radical Miniemulsion Polymerization.

進している。本研究で得られる微粒子材料は、皮膚浸透性

Macromol. Rapid. Commun., 27（1），21-25（2006）の低いマイクロサイズに調整できるだけでなく、天然物由

8） F. Ishizuka, R. H. Utama, S. Kim, M. H. Stenzel, P.

来化合物の誘導体であり安全性が高い。そのため、本研究

B. Zetterlund, RAFT Inverse Miniemulsion Peripheryを遂行することで新しいサンスクリーン用微粒子材料の創

Polymerization in Binary Solvent Mixtures for Synthesis

製技術の確立が期待できる。

of Nanocapsules. Eur. Polym. J., 73, 324-334.（2015）− 63 −