平成18年度〔2006〕No.51
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用
清水 正高＊1・藤本 幹治＊2・馬場 由成＊3
Preparation of Monodispersed Chitosan Microspheres Using SPG Membrane Emulsification
and Its Application as Drug Carriers
Masataka SHIMIZU, Kanji FUJIMOTO and Yoshinari BABA
酪酸は潰瘍性大腸炎治療に極めて有効な成分であることが知られているが，そのまま経口投与しても胃や小腸で前吸収され，大腸に到達しない可能性が高い。筆者らは生体に安全で難分解性のキトサンに注目し，この微粒子を大腸までの酪酸運搬体として利用する経口製剤の開発を目指した。まず，キトサンの有機酸水溶液を分散水滴とする単分散W/Oエマルションを膜乳化法で調製し，浸透圧差を利用して水滴のキトサンを濃縮析出させ，最後にアルカリ中和によって単分散キトサン微粒子を合成する方法を開発した。
次に，アニオン性の酪酸とカチオン性キトサンの静電的な結合を利用して酪酸をキトサン微粒子に内包させた酪酸運搬体，すなわち潰瘍性大腸炎治療用経口製剤を試作して酪酸徐放実験を行った。
キーワード：膜乳化，キトサン，多孔粒子，薬物運搬体，多孔質ガラス
１

はじめにしかし，実際にこれら微粒子を合成することはキトサンpoly（N-acetyl-D-glucosamine）は，容易でない。特に，均一な粒径を有し，かつ薬物エビやカニのような甲殻類に含まれるキチンからを一定速度で徐放する微粒子の作成は非常に難し得られる地球上で最も豊富に存在する多糖類の一い。これに対して本報で論じる新技術は，基本的つであり，これを利用した多くの食品形態がある。に１段調製法であるにもかかわらず，単分散性をキトサンは，セルロース２位のOH基がNH 2基に確保しながら多様な機能性を発現する微粒子を生置き換わったピラノース環が連結しているカチオ成する可能性を秘めている7）−8）。

ン性の生体高分子であり，その生体適合性を利用

本研究では２つの目標を掲げた。１つ目は，①した医薬品も多い1）−6）。キトサンの化学構造を図

粒径がコントロールされたキトサン微粒子の製造

１に示す。

技術を確立することであり，２つ目は，②同微粒

最近では薬物運搬体の合成も盛んに研究されて子を酪酸の薬物運搬体として利用し，潰瘍性大腸いるなど，キトサン微粒子は工業的，医薬的に広炎の治療製剤を開発することである。酪酸は潰瘍く応用が期待されている。もし，均一な粒径分布，性大腸炎に薬効があることが知られている。しか

例えば，10μm付近に平均粒径を有するキトサン

し，大腸到達前の胃や小腸などで消化管吸収され微粒子が生成できるならば，分離分析化学，生物学，製剤，電子機器の分野で最も汎用な機能性材料の一つとなる可能性もある。
＊

本報は，Journal of Ion Exchangeの18巻４号p.220〜225（2007）に掲載済み．
＊１ 材料開発部＊２ JSTイノベーションサテライト宮崎＊３ 宮崎大学工学部資源環境化学科

図１

キトサンの化学構造23

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用やすい性質があるため，酪酸を大腸内でのみ放出

キトサン微粒子の調製フローを図２に示す。有する何らかの仕組みが求められる。そこで本研究

機酸水溶液に溶解したキトサンの水滴からなる単では，生体に安全なキトサンを壁材にした酪酸運分散W/Oエマルション（以下，キトサンW/Oエ搬体の開発を目指した。キトサンは有機酸に易溶マルション）は，多孔質ガラス膜（SPGテクノ株であるが，水や強酸には難溶であり，胃や小腸で式会社）とそれらを装着する装置モジュール（清は溶解性を示さない高分子材料である。

本鐵工株式会社）を使用し，直接乳化により調製まず，①のキトサン微粒子生成実験では，有機した。多孔質ガラス膜は外径10mm，全長150

酸水溶液に溶解したキトサンの水滴からなる単分mmの円筒状であり，平均細孔径はそれぞれ19.3，散W/Oエマルションを膜乳化法で調製した。そ8.82，5.5，2.0μmであった。の後，高浸透圧の塩化ナトリウムNaCl水滴から最初に，それぞれの膜に最適な透過圧で分散水なるW/Oエマルションと混合させることにより，相となるキトサン水溶液を直接乳化し，連続油相

キトサン水滴を濃縮し，キトサンが球状に析出しに分散して単分散のキトサン水滴を生成した。連た状態を形成した。これにアルカリ水溶液（水酸続油相は，油性界面活性剤のソルビタンモノオレ化ナトリウムNaOH水溶液あるいは炭酸アンモニートSpan80（和光純薬工業株式会社）を含んだウム（NH4）2CO3水溶液）を必要量加えてキトサヘキサンであった。

ンを不溶化し，単分散キトサン微粒子を得た。こ次に，高速かくはん式ホモミキサーを用い，こで，NaCl濃度，キトサン濃度，SPG膜細孔径

NaCl水溶液を上記と同じ油相に分散乳化したおよび有機酸の種類を変えることで，生成するキW/Oエマルション（以下，NaCl W/Oエマルショ

トサン微粒子の物理化学的特性がどのように変化ン）を調製し，これをキトサンW/Oエマルショするかを調べた。

ンと混合した。両水滴間の浸透圧差を駆動力にキ一方，②では，有機酸の一つである酪酸水溶液

トサン水滴からNaCl水滴に水が移動するため，にキトサンを溶解し，①と同様の手順でキトサン

キトサン水滴は濃縮されてキトサンが球状に析出微粒子を調製した。ただし，アルカリ水溶液でキした。

トサンを不溶化するプロセスを省略し，酪酸を包その後，１mol・dm−3のアルカリ水溶液を添加含したキトサンが球状に析出したままの微粒子をした。アルカリによって水滴中に析出したキトサ回収して潰瘍性大腸炎の治療製剤とした。また，ンは不溶化され，キトサン微粒子が生成した。ろ

その製剤の309Kにおける酪酸放出挙動を調べた。

過，エタノールと蒸留水による洗浄によりヘキサ２方２−１法
キトサン溶液の調製

キトサンはフルカ株式会社より入手した。分子量は80,000〜100,000，コロイド滴定により求めた脱アセチル化度は約95%であった。酢酸，クエン酸，酪酸などの有機酸が２wt%含有する有機酸水溶液にキトサンを２wt%になるように溶解（以下，キトサン水溶液）した。その後，キトサン水溶液に残る不溶物を３G1ガラスフィルターで除去して清澄にした。
２−２24

キトサン微粒子の調製方法

図２

キトサン微粒子あるいは酪酸包含微粒子の調製フロー

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用

ン，Span80およびNaClなどを除去し，キトサン微粒子を回収した。
２−３

酪酸包含微粒子の調製方法

図２に示すように，酪酸水溶液にキトサンを溶解し，直接乳化により単分散のキトサンW/Oエマルションを調製した。その後，①と同様の手順でキトサン微粒子を調製した。ただし，アルカリ水溶液でキトサンを不溶化するプロセスを省略し，酪酸を包含したキトサンが球状に析出したままの微粒子を回収して潰瘍性大腸炎の治療製剤とした。
２−４ キトサンW/Oエマルションとキトサン微粒子の特性解析
薬物運搬体の最適な製造条件を見つけるために得られたキトサン微粒子の特性を調べた。W/O
エマルションは光学顕微鏡，微粒子は走査型電子顕微鏡SEM（日本電子株式会社，JSM-35CFⅡ）により観察した。水滴径分布と微粒子径分布はレーザー回折散乱式粒度分布計（株式会社島津製作所，SALD-2000）を用いて測定し，必要に応じ

図３ キトサンW/Oエマルションの光学顕微鏡写真（上）とキトサン微粒子のSEM写真（下）て顕微鏡写真から直接計測して分布を算出した。
微粒子の乾燥状態における比表面積と空隙率はガス吸着測定装置ソープトマチック（ファイソンズ社，1800），キトサンの真密度はヘリウム比重計（株式会社島津製作所，1330）により求めた。
３結果

３−１ キトサンW/Oエマルションの水滴径分布とキトサン微粒子の粒径分布
細孔径8.82μmのSPG膜を用い，直接乳化法により調製したキトサンW/Oエマルションの光学顕微鏡写真とキトサン微粒子のSEM写真を図３に示す。さらにキトサンW/Oエマルションの水滴径累積分布とキトサン微粒子の粒径累積分布を

図４ キ ト サ ン W / O エ マ ル シ ョ ン の 水 滴 径 累 積 分 布（W/O）とキトサン微粒子の粒径累積分布（particle）比較して図４に示す。単分散状のキトサンW/Oエマルションと単分散状キトサン微粒子が生成さすなわち，キトサン水滴とNaCl水滴間の浸透圧れたことを確認した。また，W/Oエマルション

差の影響をSEM写真で図５に示す。NaClが低濃の水滴径分布が小さい方へシフトした結果がキト度で浸透圧差が小さい場合，キトサン水滴からサン微粒子の粒径分布であることから，キトサンNaCl水滴へ移動する水分量が少ないためにキト水滴が濃縮されてキトサン微粒子になったことがサンの濃縮率は小さくなる。例えば，NaClが0明らかとなった。

mol・dm−3ではキトサンの析出が不十分で微粒子

キトサン水滴の濃縮に及ぼすNaCl濃度の影響，が全て凝固し，0.17mol・dm−3では非球形粒子と25

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用

NaCl 0mol・dm−3

0.17mol・dm−30.51mol・dm−30.86mol・dm−31.7mol・dm−33.4mol・dm−3

図５

異なるNaCl濃度条件で生成したキトサン微粒子のSEM写真なった。一方，NaCl濃度が3.4mol・dm−3と非常エマルションを生成した場合，分散水相の溶質濃に大きい場合には，脱水が著しく微粒子に亀裂が度や粘度によって水滴径が変化することは基本的生じたと推測される。球形と分散性を保持した微にほとんどないことが知られている。このことを粒子を調製する最適なNaCl濃度は0.5〜1.7mol・反映してW/Oエマルションの水滴径はキトサンdm であった。そこで，これ以降の実験では濃度に依存しなかったと考えられる。

−3

1.5mol・dm のNaCl濃度を採用した。
−3３−２

キトサン濃度の影響

一方，キトサン微粒子の粒径はキトサン濃度の影響を受けた。もし，微粒子が緻密体であるなら

図６は，キトサンW/Oエマルション水滴径とば，当然，キトサン濃度が低かった微粒子は小さ

キトサン微粒子径に及ぼす有機酸水溶液中キトサ

く，高かったものは大きくなる。図６もキトサンン濃度の影響を示している。直接乳化法で単分散濃度と粒径が対応しており，キトサン微粒子は緻

図６ キトサンW/Oエマルション水滴径（◇）とキトサン微粒子径（■）に及ぼす有機酸水溶液中キトサン濃度の影響

図７ キトサンW/Oエマルション水滴径（◇）とキトサン微粒子径（■）に及ぼす多孔質ガラス膜細孔径の影響
SPG膜細孔径は2.0，5.5，8.82，19.3μm.

26

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用

密体であるか，あるいは，粒径に関わり表１なく同程度の空隙率を有していることを有機酸種類

キトサン微粒子の内部構造に及ぼす有機酸種類の影響

比表面積［m2/g］

空隙率［vol%］

示唆している。

蟻酸14.63.93

３−３

酢酸

10.3

6.39

1.473.72

SPG膜細孔径の影響

図７にW/Oエマルション水滴径およプロピオン酸びキトサン微粒子径と使用したSPG膜細酪酸

1.473.75

孔径の関係をプロットした。W/Oエマクエン酸

4.66

5.24

ルション水滴径d w とSPG膜細孔径 D m の比は，膜乳化（直接乳化）法の普遍的な値であるdw／Dm=３となり，直接乳化が成立していることが明らかである。
それに対して微粒子径dpの勾配は低く，dw＝2.6dp（1）であった。ここで１個の水滴体積Vw，微粒子体積Vp，微粒子の空隙Ve，キトサンの実体積Vcおよびキトサンの真密度1.5g/cm3から，Vw＝（π/6）dw3（2）

Vp＝Vc＋Ve＝（π/6）dp3＝2Vw/150（3）である。以上の（1）〜（3）式より，キトサン微粒子の空隙率εは，ε＝Ve/Vp×100＝76.6vol%（4）となった。すなわち，図７のキトサン微粒子は，

図８ 酪酸の放出率に及ぼすキトサン微粒子径の影響
微粒子径；◇1.28，■4.3，△11.4μm

その粒径に関わりなく全ての粒子が77vol%程度の空隙率を有していることが明らかとなった。
３−４ キトサン微粒子の内部構造に及ぼす有機酸種類の影響
乾燥したキトサン微粒子の空隙率と比表面積をソープトマチックにより測定し，表１にまとめた。
有機酸以外の調製条件は同一である。空隙率および比表面積ともに値が小さいものの，有機酸の種類によって若干内部構造が異なる微粒子が得られることが明らかになった。
乾燥微粒子の空隙率は３〜５vol%であったが，上記３−３の粒径から推定した値は77vol%であった。微粒子を水に再分散し，レーザー回折散乱
式粒度分布計を用いて湿式で粒径測定を行ったた

図９ 酪酸の放出率に及ぼす酪酸内包量の影響◇1：0.34，■1：1.

め，微粒子が水和して空隙率77vol%まで膨張したと推測される。こうした水和膨張と乾燥収縮は添加し，309K条件下，微粒子から放出された酪天然多糖類であるキトサン微粒子に特徴的な性質酸の量を中和滴定で測定した。図８に酪酸放出率であると考えられる。に及ぼすキトサン微粒子径の影響を示す。放出率３−５

キトサン微粒子からの酪酸放出率

は，キトサン微粒子に内包された酪酸量に対する酪酸を内包したキトサン微粒子を生理食塩水に生理食塩水へ溶解した酪酸量の比として表した。
27

膜乳化法による均一キトサン微粒子の調製と薬物運搬体への応用

図８に示すようにキトサン微粒子径が大きくなるに従って酪酸放出速度は減少した。微粒子の界面積と酪酸放出速度が対応していることを示している。そこで酪酸放出速度に及ぼす酪酸内包量の影響を調べた。キトサンモノマー分子と内包された酪酸分子数比が１：0.34（◇）と１：１（■）の２例を比較して図９に示す。その結果，放出速度は酪酸内包量に依存しないことが明らかになった。
４

まとめ
本報では，W/Oエマルションを経由してキトサン微粒子を製造する基本的な手法を明らかにした。微粒子生成のポイントは浸透圧差を利用した水の油相透過によるキトサン濃縮工程であった。
また，直接乳化法を利用することにより粒径コントロールも可能であった。さらに得られたキトサン微粒子は，乾燥状態の空隙率が３〜５vol%，水和状態の空隙率が77vol%であり，水和膨張が非常に大きかった。一方，酪酸運搬体としての機能は明らかにすることができなかった。潰瘍性大腸炎治療用経口製剤については，さらなる検討が必要であると考えられる。
５参考文献

１）S.Y. Lin and R.I. Perng, Chem. Pharm. Bull.,40（4） 1058-1060（1992）．
２）C.G. Begona and D. Ruth, Int. J. Pharm., 148,231-240（1997）．
３）O. Kwunchit and W. M. Bernd, Int. J. Pharm.,
56, 229-237 （1997）．
４）T. Hino, A.Yanamoto, S. Symabayashi,
M.Tanaka and D.Tsuji, J. Control. Release, 69,413-419（2000）．
５）C. L. Caren and W. M. Bernd, Int. J. Pharm.,
194, 229-237（2000）．
６）M. Burjak, M. Bogataj, M. Velnar, I. Grabnarand A. Mrhar, Int. J. Pharm., 224, 123-130（2001）．
７）中島忠夫，清水正高，化学工学論文集，19（6）, 984-990 （1993）.
８）S. Omi, K. Katami, A.Yamamoto and M. Iso,28

J. Appl. Polym. Sci., 51, 1-11 （1994）．