ソフトな界面分子膜を足場とした機能性ゲル薄膜構築手法の開発
お茶の水女子大学基幹研究院自然科学系

伊村

くらら

Low molecular weight gelators (LMWGs) form self-assembled 3D networks via noncovalent forces, such as hydrogenbonding or hydrophobic interactions, and they occur in a sol-gel transition in stimulus-response. As their various functions,they attract much interest in the material fields such as drug delivery, sensing and tissue engineering. Amphiphiliccompounds are also assembled in various shapes such as spherical micelles, rod-shaped micelles, and worm-like micellesin the solutions. Their molecular assembling behavior is useful as LMWGs and studies on the surfactant-based LMWGs
have been intense so far. An amidoamine derivative amphiphile, C18AOH, shows intermolecular hydrogen bonding and acts
as a hydrogelator. C18AOH hydrogel exhibits sol-gel transition upon temperature and pH. It is known that inorganic salts
induced the change in the aggregation of biological matters such as proteins and polymers containing amide groups. The
addition of electrolytes would be expected to affect the self-assembled morphology of amidoamine surfactants due to theweakening of the intermolecular hydrogen bonding between the amide groups. In this study, we aimed to control the gelation
properties of C18AOH and investigated the effect of the addition of electrolytes on the amide moieties. Focused on the
C18AOH air-water interface monolayer, we examined the effect of electrolytes on the two-dimensional molecular orientationof the C18AOH monolayer. The gelation properties were also studied by powder X-ray diffraction and Fourier transform
infrared spectroscopy. It is indicated that intermolecular hydrogen bonding would be affected by the addition of hydrated
cations. It was found that the C18AOH fibril became elongated in the presence of MgCl2. In conclusion, the addition of thecations which promoted the hydration to the C18AOH modulated the intermolecular hydrogen bonding of amide groups,
which is one of the driving forces for gelation and achieved the control of the hydrogel properties.

１．緒

ゾル - ゲル転移を引き起こすなど多様な機能を持つことか

言ら、薬物輸送やセンシング、組織工学などの材料分野にお両親媒性物質が形成する分子集合体は、化粧品や医薬品、ける利用が目されている。低分子ゲルの機能開発において食品といった様々な分野で幅広く活用されている 1）。そのも、他の界面活性剤ゲルと同様、その分子集合状態の制御中でも、ひも状ミセルやリオトロピック液晶、α ゲルといはきわめて重要である。

った粘弾性の高いゲル様の機能を示す分子集合体（界面活

さらに、これら界面活性剤ゲルは分子集合体の内部に多性剤ゲル）には、高分子ゲルには見られない両親媒性分子

様な物質を取り込み包接することで、機能性複合ゲルを構特有の優れた機能の発現が期待される。界面活性剤ゲルの築しうる。コスメトロジー分野における応用に向けては、

多くは、二分子膜平面が多層に積み重なったラメラと呼ばより効率的なヒドロゲルの形成と分子包接が求められる。

れる構造からなる。構造の特定は比較的容易であり、各種

さらには、分子集合すなわちゲル化が可逆的に起こり、この X 線回折装置や偏光顕微鏡観察によっても同定が可能でれらの機能を自在に制御できることが望ましい。界面活性ある。しかし、その熱力学的安定性や結晶多形は多様であ剤の分子集合特性を鑑みれば、単一の分子構造でありながり、これらの因子はゲルの物性へ多大な影響をおよぼしう

らも、分子集積制御を通じてゲル化特性を自在に操ることる。これまでに両親媒性物質によるゲルとして、液晶相やも可能である。本研究では、界面活性剤ゲルのより効果的

α ゲルといった分子運動性の高いものから、低分子ゲルフな応用に向け、分子集合転移と制御の仕組みを気－液界面

ァイバーに分類されるような結晶性の比較的高いものなど

での分子集積に基づいて検証するものである。

多くの報告がなされてきた。近年、水素結合や疎水性相互界面活性剤の分子集合作用は低分子ゲルの構築を考え

作用、π-π 相互作用などの非共有結合を介して自己会合し、る場合においても有用であり、これまでに界面活性剤由

高分子様の網目構造を取る低分子ゲルに注目が集まってい来の低分子ゲル化剤も多く報告されてきた 3）。本来、界面る 2）。これらは、温度や pH といった外部刺激に応答した活性剤の多くは水溶性であり水中ではミセルといった分子集合体を取り得る。ここに、長鎖炭化水素鎖の疎水性相互作用や官能基の分子間水素結合といった会合を強め

Fabrication of functional hydrogels
based on the molecular membrane ofamphiphilic gelator

る因子を付加することで、ゲルファイバーの形成を促す
ことができる。これまでに、C 18 H 37 の炭化水素鎖を持つ
アミドアミン型界面活性剤 N（2 -hydroxy-ethyl）
-3｛
［2 -

Clara Imura（2 -hydroxy-ethylcarbamoyl）-ethyl］- octadecyl-amino｝

Ochanomizu Univesity-propionamide（以下 C 18 AOH、Fig. 1）は、親水部アミド− 21 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 31, 2023

用いて、水面上に形成した。バリアで膜を圧縮しながらWilhelmy プレートを用いて表面圧を測定し、表面圧 - 分
子占有面積等温線（π - A 等温線）から、分子配向状態を検討した。このとき、下層液には 5 種の塩化物（KCl、LiCl、
NaCl、CaCl 2、MgCl 2）をそれぞれ 0 〜 300 mM となるように添加した。いずれの場合も下層液の液性を中性とすることで、C 18 AOH は親水部アミンがプロトン化していない
Fig. 1 アミドアミン型界面活性剤の（a）分子構造ならびに（b）ヒドロゲルの形成

非イオン性の状態にあるとみなした。全ての実験は、20℃から 50 ℃の恒温環境にて実施した。

2 . 3 . C18 AOHヒドロゲルの形成と評価
基の分子間水素結合に基づいてヒドロゲルを形成すること

C 18 AOHヒドロゲルは、最低ゲル化濃度以上の C 18 AOHが報告されている 4）。また、気－液界面においては単分子

熱懸濁液を室温で徐冷して得た。このとき、バイアルチュ膜の形成も示唆されている 5）。C 18 AOH の物性は pH といーブを反転させ、流動性を失っているものをゲル、流動性

った外的因子の影響を受けやすく、温度と pH といった外が残っているものをゾルと判断した。ヒドロゲルには、5部刺激によって可逆的にゾル－ゲル転移をもたらす（Fig.

種の塩化物（KCl、LiCl、NaCl、CaCl 2、MgCl 2）をそれぞ

1）。しかし、マクロなゲル機能に紐づけながら分子集積

れ 0 ～ 200 mM となるように添加した。

構造を緻密に調整するには至っていない。先行研究により、得られたゲルのファイバー形状は偏光顕微鏡（オリンC 18 AOH と類似構造を持つアミドアミン型界面活性剤でパス製 BX 53）を用いて観察した。さらに、C 18 AOH ヒ

は、塩化リチウムの添加によってアミド基の分子間水素結

ドロゲルの分子集積構造は、粉末 X 線回折装置（リガク

合が弱められ、分子集合形態が変化することが報告されて製 Ultima IV）を用いて解析した。ゲル中での C 18 AOH の6）いる 。無機塩の作用による分子集合状態の変化はタンパ

分子間相互作用は、赤外分光光度計（日本分光製 FT/IR-

ク質をはじめとしたアミド基を持つ高分子化合物において4700）を用いて測定した。

も観測されており、無機塩存在下では親水基の水和によっ

3．結て分子間相互作用に影響がおよぶことが指摘されてきた。
そこで本研究では、気－液界面における展開単分子膜の果

3 . 1. 気- 液界面単分子膜の形成と添加無機塩の影響挙動に焦点をあて、界面活性剤ゲルとしての要求を満たす

無機塩存在下における C 18 AOH のゲル形成挙動を検証

べく C 18 AOH ゲルの分子集積の効果的な制御を目指した。

するにあたり、まず C 18 AOH のゲル形成作用における親水基の分子間相互作用へ影響をおよぼす種々の添加物を重要な因子となる親水部官能基の水素結合が、添加無機

組み合わせることで、C 18 AOH 親水部への水和状態変化

塩の影響を受けてどのように変化するかを調べた。これによるゲル形成作用の制御を検討した。まず、分子集合挙には、ヒドロゲル化剤分子の気 - 液界面単分子膜におけ動に影響をおよぼす無機塩の探索と解析を行い、これらにる、二次元的な分子配向の変化から検討を行うこととした。

よってもたらされる界面活性剤ゲルの構造解析を実施した。

C 18 AOH は pH= 6 以上の環境では難水溶性の両親媒性物質であり、中性の水面上に展開単分子膜を形成することが2．実験方法可能である。界面活性剤ゲルに見られるラメラ構造は二分2 . 1. 両 親 媒 性 分 子 N-（2 -hydroxy-ethyl）- 3 ｛［2 -（2 -hydroxy-ethylcarbamoyl）-ethyl］-octadecyl-amino｝-propionamide の合成

子膜の集合体であり、こうした展開単分子膜における分子

本 研 究 で 用 い た ア ミ ド ア ミ ン 型 の 両 親 媒 性 分 子 N-の気－液界面単分子膜における π - A 等温線を検証した。

（2 -hydroxy-ethyl）- 3 -｛［2（2- -hydroxy-ethylcarbamoyl）

C 18 AOH 単分子膜は液体膨張膜を形成していることが示

間相互作用の知見はゲル形成においても有用となる。
ま ず、 下 層 液 に 無 機 塩 を 含 ま な い 系 で の C 18 AOH-ethyl］- octadecyl-amino｝-propionamide（以下、C 18 AOH）
は、

唆された（Fig. 2 a）
。これは分岐してかさ高い親水部を有オクタデシルアミンを原料として合成し、再結晶したもの

する C 18 AOH の分子構造に起因すると考えられた。下を用いた。

層液温度が 20 ℃のとき、この π - A 等温線にはおよそ 38
mN/m 付近で屈曲点が現れたが、圧縮を続けても表面圧

2 . 2 . 気- 液界面単分子膜の形成と評価は低下せず膜の崩壊は起こらなかった。この結果からも、C 18 AOH 気 - 液界面単分子膜は、Biolin Scientific 社製
ラングミュア・ブロジェットトラフ KSV-NIMA small を

C 18 AOH の分子膜は柔軟な性質を有していることがうかがわれる。

− 22 −

ソフトな界面分子膜を足場とした機能性ゲル薄膜構築手法の開発

ると、水面上の C 18 AOH 分子は直立できず傾斜した状態
で並ぶようになると考えられる。すなわち、添加無機塩に含まれるカチオンは、C 18 AOH の分子配向に影響をもたらしうることが明らかになった。このような分子配向変化
は、バルク中でのヒドロゲルの形成においても観測されると予想される。そこで、気－液界面単分子膜に対して、より強く影響をおよぼした CaCl 2、MgCl 2 に着目し、これらを添加した系での C 18 AOH ヒドロゲルの形成能の制御を試みた。

3 . 2 . ヒドロゲル形成能に添加無機塩がおよぼす影響
C 18 AOH ヒドロゲルにおいて、ゲル化に要する最小濃度（最低ゲル化濃度）は 0 . 60 wt% であることが分かっている 4）。これに対し、CaCl 2 および MgCl 2 を 50 mM の濃度となるように添加すると、最低ゲル化濃度はそれぞれ
0 . 85 wt%、0 . 80 wt% まで上昇した。参照系として NaCl を添加した系の最低ゲル化濃度は 0 . 65 wt% であったことを考慮すると、前項の気－液界面単分子膜における挙動と同様に、カチオン種の違いに基づくヒドロゲル形成能への影響が生じていると言える。無機塩添加による最低ゲル化
濃度の上昇はゲル形成作用が阻害されていることを意味
し、この結果は気－液界面単分子膜にて CaCl 2 や MgCl 2 が
C 18 AOH 分子間のパッキングの緩和をもたらしたことと矛盾しない。
添加無機塩が C 18 AOH のゾル－ゲル転移温度におよぼす影響も検討した。無機塩を添加しない場合の転移温度はFig. 2 気-液界面単分子膜における（a）π-A等温線および（b）
表面圧 30 mN/mでのC 18 AOH分子占有面積（20℃、いずれも塩化物濃度を10 mMとした）

pH= 8 条件においておよそ 45 ℃であったものの、50 mMの MgCl 2 を添加した系では 49 ℃まで上昇した。これもまた、無機塩の添加により C 18 AOH の最低ゲル化濃度が上昇した結果と矛盾せず、無機塩が C 18 AOH のゲル形成能

次いで、下層液に無機塩として塩化物を添加し、その π -Aを緩める効果をもたらすことを示唆している。ただし、い等温線を無機塩非添加系と比較した。無機塩を添加した場

ずれの無機塩においても、C 18 AOH のゲル形成作用を打合でも C 18 AOH 単分子膜は液体膨張膜を形成し、塩濃度

ち消すといった作用は示さず、低分子ゲル化剤として要求を増すにつれて膜はさらに膨張することが示された。こされるゲル形成力を十分に保持していることも確認された。

の膜膨張作用は塩化物の種類に依らず観測され、およそ分子レベルでの配向状態の変化をマクロなゲル物性と塩濃度 10 mM 以上で顕著な拡張が見受けられた。Fig. 2 b

して引出し制御するには、分子集積構造に現れる挙動にに、 下 層 液 温 度 が 20 ℃、 表 面 圧 が 30 mN/m の と き の

つ いて も把 握す る 必要 があ る。そ こ で次 に、C 18 AOH

C 18 AOH 単分子膜の分子占有面積を示す。無機塩を添加

ヒドロゲルの分子集積構造に対して、添加無機塩の影響2

していない系での C 18 AOH 分子占有面積 41 . 52 Å に対がどのようにおよんでいるかを検証した。ここではまず、

2

C 18 AOH 分子間に働く相互作用の状態を、フーリエ変換

以上に拡がった。興味深いことに、Fig. 2 b に示すように

型赤外分光法（FT-IR）から調べた。Fig. 3 に、C 18 AOH

この分子占有面積の増大は塩化物に含まれるカチオン種のヒドロゲルの FT-IR スペクトルを、無機塩を含まない系

水和イオン半径におよそ依存し、水和イオン半径が大きいと CaCl 2 および MgCl 2 をそれぞれ添加した系で比較してし、無機塩を 10 mM 添加した場合の分子占有面積は 50 Å

ほど強く現れることが分かった。特に MgCl 2 添加系での示す。界面活性剤の疎水部炭化水素鎖における CH 2 対称

分子占有面積は 55 . 15 Å 2 となり、C 18 AOH 単分子膜中で伸縮振動および逆対称伸縮振動は、それぞれ 2850 cm- 1 付の分子パッキングをより緩める作用を持つことが示された。

近と 2920 cm- 1 付近に現れる。このバンドが高波数側にこの MgCl 2 添加系のように C 18 AOH 分子間の距離を拡が現れるほど炭化水素鎖の運動性が高い状態にあることが− 23 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 31, 2023

分かり、界面活性剤由来のゲルであればおよそ CH 2 逆対-1た。一方で、無機塩を添加した系の FT-IR スペクトルで

称伸縮振動は 2918 cm 付近に現れることが報告されていは、Amide I バンドに僅かながら高波数シフトが見られた。

る。C 18 AOH ヒドロゲルでは、これらのバンドはそれぞ

特に、CaCl 2 および MgCl 2 を添加した系では、吸収ピーク-1-1

れ 2849 cm と 2917 cm に現れ、炭化水素鎖の運動性がよりも高波数側にて吸光度の増加が観測された。これらは、ゲル相の中でもやや低く水和結晶のものに近いことが示唆

C 18 AOH アミド基の分子間水素結合が弱められているこ

された。ここに濃度が 50 mM となるように無機塩を添加とを示唆するものである。添加塩が C 18 AOH ヒドロゲル

しても、これらのバンドの波数は大きく変化しなかった。

におよぼす作用は、主として疎水部炭化水素鎖ではなく親

つまり、C 18 AOH ヒドロゲルの分子集積において、添加

水部アミド基におよんでいることが確かめられた。

無機塩は疎水部炭化水素鎖には影響をおよぼしにくいと言さらに、添加無機塩が C 18 AOH 分子集積にもたらすえる。次いで、親水部官能基相互作用への無機塩の影響を

影響を、粉末 X 線回折法（XRD）による構造解析からも検検討した。C 18 AOH の親水部にはアミド基とヒドロキシ証した。得られたヒドロゲルの XRD パターンには周期的基がそれぞれ２つずつ存在する。特に、アミド基は梯子様な構造を示すピークが現れ、いずれの系もラメラ構造をの分子間水素結合を形成することで、C 18 AOH のゲル化

とることが分かった。Bragg 式から算出したラメラ面間形成において重要な役割を果たしている。そこで、アミド

隔を、それぞれの塩添加系について Table 1 に示す。無基の水素結合状態を Amide I バンドから確認した。C ＝ O

機塩を添加しないヒドロゲルでは 3 . 37 nm であった面間伸縮振動によるこのバンドの吸収波数はアミド基の水素結隔は、CaCl 2 添加系、MgCl 2 添加系ではそれぞれ 3 . 35 nm、合状態に依存し、アミド基の水素結合が弱いほど高波数側

3 . 32 nm まで収縮した。Fig. 4 に、無機塩に含まれるカチに出現する。無機塩を添加していない C 18 AOH ヒドロゲ

オンの水和イオン半径に対する傾向を示す。いずれの塩化-1

ルでは、アミド I バンドは 1638 cm に現れた。この波数物でもラメラ面間隔を狭める作用を示したが、水和イオン

はおおよそ既報 4 , 7）のアミドアミン誘導体型ゲル化剤によ半径が大きいものほど顕著にこの効果が現れることが分かる低分子ゲルで現れた波数とも一致し、C 18 AOH ヒドロった。
最後に、C 18 AOH ヒドロゲル中のファイバー形状に添

ゲルのアミド基は分子間で水素結合を生じていると判断しFig. 3 C18AOH ヒドロゲルの FT-IR スペクトル（a）塩添加無し、（b）CaCl2 添加系、（c）MgCl2 添加系．
（b）および（c）では塩添加系と合わせて塩添加無しの場合のスペクトルを破線で示した．

Table 1C18AOH ヒドロゲルの XRD パターンにおける回折ピークとラメラ面間隔（いずれの塩添加系も C18AOH 濃度 2wt% に対し塩化物濃度を 50mM とした）

添加塩化物

非添加

KCl

NaCl

LiCl

CaCl2

MgCl2

回折ピーク 2θ

2.62°
5.20°
7.79°

2.63°
5.18°
7.77°

2.62°
5.15°
7.74°

2.62°
5.26°
7.75°

2.64°
5.22°
7.84°

2.66°
5.26°
7.79°

面間隔 d/nm

3.38

3.36

3.37

3.37

3.35

3.32

− 24 −

ソフトな界面分子膜を足場とした機能性ゲル薄膜構築手法の開発

Fig. 4 塩化物濃度 50mM における C18AOH
ヒドロゲルのラメラ面間隔とカチオンの水和イ
オン半径の関係

Fig. 5 直交偏光下における C18AOH ヒドロゲルの顕微鏡像（a）［MgCl2］=0mM、（b）［MgCl2］=50mM

加塩がおよぼす影響を確かめた。偏光顕微鏡像（Fig. 5）にルにおけるラメラ面間隔の減少を引き起こしたと推測してて、C 18 AOH ヒドロゲルにはラメラ構造由来の複屈折性いる。これにより、ファイバー成長にも差異を生じ、マグを示す針状のファイバーが観測され、これらが三次元ネッ

ネシウムイオンを含む系ではよりしなやかで細長いゲルフ

トワークを形成していることが確認された。この形状は無ァイバーを形成することができた。これらの結果より、ア機塩を添加した系では変化し、CaCl 2 および MgCl 2 を添加

ミド基の水和を促進するカチオンの添加によって分子間水したヒドロゲルではより細長く伸長した。ゲルファイバー

素結合の緩和が引き起こされ、ヒドロゲル形成作用を制御の形態変化は、ゾル－ゲル転移温度といったゲルのマクロできることが示された。本研究で添加した塩化物は生体中物性と強い相関がある。効率的な三次元ネットワーク構築

でも存在するものであり、マクロなゲル機能に紐づけながはゲル形成に要するゲル化剤量の低減につながり、ゲルのら分子集積構造を緻密に調整する知見は、イオン種を含む

テクスチャーの制御にも有用である。

環境下でのゲル応用にむけて有用であると考えている。

４．考察とまとめ謝辞

アミドアミン型の両親媒性分子 C 18 AOH のヒドロゲル

研究の遂行にあたって多大なるご支援をいただいた公益形成について、種々の塩化物を添加することで得られる効

財団法人コーセーコスメトロジー研究財団に篤く御礼を申

果を調査した。界面活性剤の親水部官能基に対して選択的し上げます。

に作用をおよぼしていることが明らかとなり、アミド基間の水素結合の緩和とそれによる分子間距離の拡大が示唆さ（引用文献）れた。この作用は、塩化物に含まれるカチオンの水和イオ

1） Sarkar, S.; Choudhury, P.; Dinda, S.; Das, P. K.,

ン半径に強く依存しており、マグネシウムイオンといった

Tailor-Made Self-Assemblies from Functionalized

水和イオン半径の大きなカチオンを含む系ほど効果的に分Amphiphiles: Diversity and Applications. Langmuir

子間相互作用の緩和を誘起した。つまり、カチオン種によ，10449-10468.
2018, 34（36）ってゲル形成駆動力の調節が可能であることを意味してい

2） Estroff, L. A.; Hamilton, A. D, Water Gelation byる。こうした作用のメカニズムとして、カチオンが水和す

Small Organic Molecules. Chem. Rev. 2 0 0 4,1 0 4（3），1201-1218.

ることによる水の分極の促進やゲル化剤官能基への直接的

3） Suzuki, M.; Yumoto, M.; Shirai, H.; Hanabusa, K.,

な付加が考えられる。
また、ゲルファイバーの分子集積にも大きな影響をもたSupramolecular Gels Formed by Amphiphilic Low-

らした。マグネシウムイオンといったカチオンを含む系でMolecular-Weight Gelators of N , N -Diacyl-L-Lysine

は、C 18 AOH 分子膜における分子間距離が拡大するため、Derivatives. Chem. Eur. J. 2008, 14（7），2133-2144.

分子の傾斜が起こりやすいと考えられる。このような分子

4） Morita, C.; Kawai, C.; Kikuchi, A.; Imura, Y.; Kawai,

傾斜がラメラ構造中でも生じ、塩化物添加系でのヒドロゲ

T., Effect of amide moieties for hydrogelators onα− 25 −εコスメトロジー研究報告 Vol. 31, 2023

gelation property and heating-free pH responsive gel-Hydrogen Bonding of Amide Groups. Langmuir 2013,

sol phase transition. J. Oleo Sci. 2012, 41（6），603-605.

29（13），5450-5456.

5） Morita-Imura, C.; Mita, S.; Shindo, H., Effect of the7） Morita, C; Kawai, C.; Tsujimoto, K.; Kasai, K.; Ogue,

Air/Water Interfacial Properties of Amine Derivatives

Y.; Imura, Y.; Kawai, T, High organogelation abilityon the in Situ Fabrication of Microsized Gold Sheets.

and soft-templating for ultrathin Au nanowires of long-

Langmuir 2019, 35（11），4029-4036.

chain amidoamine derivatives. J. Oleo Sci. 2013, 62（2），6） Morita, C.; Imura, Y.; Ogawa, T.; Kurata, H.; Kawai,T., Thermal-Sensitive Viscosity Transition of ElongatedMicelles Induced by Breaking Intermolecular− 26 −

81-87.