パルスレーザー照射による局所高温場を用いた高融点材料粒子の合成とホウ素中性子捕捉療法用新規薬剤粒子の開発
産業技術総合研究所 ナノ材料研究部門主任研究員 石川善恵

（平成 26 年度一般研究開発助成 AF-2014204）

キーワード：レーザープロセス, 液中レーザー溶融法，サブミクロン球状粒子に関する研究が数多くなされているが、腫瘍細胞選択性や1． 研究の目的と背景
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ホウ素中性子捕捉療法用ホウ素薬剤についてB 蓄積量、安全性などの課題を完全に克服するには至っていない。そこで、有機ホウ素化合物からなる従来の BNCT 薬剤に対し、大量の 10B を含むナノ～サブミクロンサイズの10天然ホウ素の 2 割を占める B は高い中性子吸収断面積を有し、中性子を吸収することによって電離効果の高いα粒子を放出する。α粒子の飛程は 5～10 ミクロンと、一般的な細胞の大きさよりも小さいことから、10B を含む化合物を腫瘍細胞に選択的に取り込ませることによって、中性子照射により腫瘍細胞のみを選択的に破壊することが可能である 1)。これがホウ素無機粒子が新たに注目されている。しかし単体のホウ素粒子
では表面の酸化によって毒性を有する H3BO3 の生成が避けられないことから、化学的に安定な B4C や BN が有力な候補と考えられている。現在申請者らは B4C に着目し、基礎的な invitro、in vivo 試験を通して BNCT 薬剤としての可能性を検証しているところである。

中性子捕捉療法(BNCT)の原理であり、これまで外科的治療が困難な腫瘍への適応や低侵襲な治療として、臨床試験が進められているところである。

薬剤化研究を進めて行く上では、粒子の体内動態を明らかにする必要がある。特に化学的に安定な無機粒子の場合、投与方法や投与部位によっては、一般的な薬剤分子とは大きくBNCT を安全かつ効率良く実施するためには、腫瘍細胞に、選択的かつ十分な量の 10B の蓄積が必須である。現在ではボロカプテイト(BSH; Na2B12H11SH)やパラボロノフェニールアラニン(BPA; C9O4NBH12)などが用いられているが、それらの腫瘍細胞に対する選択性や蓄積特性は未だ不十分である 2)。この異なる動態を示すと考えられている。そこで例えば、in vivo 試
験において生きた動物体内の粒子の分布をその場観察することが可能となれば、体内動態に関する情報を得ることが出来る。そこで本研究では、MRI 造影効果を有する Fe を含有するB4C 粒子の合成を試みた。

ため、実際にはこれらの薬剤を大量に投与するために２，３ガス中でのレーザーアブレーションによる薄膜作製や微粒子合

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粒子合成手法について成は古くから知られているが、1990 年台後半より、液中のターレーザーを用いた材料合成プロセスとしてガス中でのレーゲットに対してのレーザーアブレーションに関する研究が開始

ザーアブレーションによる薄膜作製や微粒子合成が古くからされた。この液中レーザーアブレーション法では大がかりな真知られているが、1990 年台後半より、液中のターゲットに対し空装置等が不要で、液中に固定したターゲット基板や液中にてのレーザーアブレーション（液中レーザーアブレーション法）分散したターゲット粒子にレーザー照射するだけで容易にクラに関する研究が開始された 3)。この手法では液中に固定したスターやナノ粒子の合成が可能であることから、現在も国内外

ターゲット基板や液中に分散したターゲット粒子にレーザー照で広く研究がなされている。リットルにも及ぶ点滴がなされて射するだけで容易にクラスターやナノ粒子の合成が可能であおり、患者への肉体的な負担が避けられないことが問題となっる。これに対し申請者らは、一般的なアブレーションでのレーている。そこでホウ素化合物のドラッグデリバリーシステム構築

ザーフルエンスより、1～2 桁程度低いフルエンスのレーザー

を分散液中の粒子に照射することで、原料粒子よりも大きなサブミクロン球状粒子が主生成物として得られる現象を見出した
4)

3． 実験成果
3・1 酸化鉄粒子の選定。このプロセスでは、原料粒子がアブレーションするのではな

く溶融液滴化し、直後に冷却を経ることで表面張力による球形を維持した粒子が生成する。そこで我々はこの手法を「液中レーザー溶融法」と称し、新しい球状粒子合成方法として研究を進めてきた。
これまでにこの液中レーザー溶融法によって、有機溶媒予め本手法で得た B4C 粒子(a)と複合化を試みた酸化鉄原
料粒子の SEM 写真を図 1(b), (c)に示す。-Fe2O3 は約 10 nm程度のナノ粒子(b)であり、Fe3O4 は約 100 nm の粒子が不規則に連なった形状の粒子(c)であった。
B4C 粒子との混合分散液を 150 mJ cm-2 pulse-1 で照射して中に分散したホウ素粒子に適切なフルエンスのレーザー光を照射することでホウ素を瞬間的に溶融液滴化し、生じた高(b)(a)

温のホウ素液滴と液滴周囲の分散媒分子との高温化学反応により B4C 球状粒子が得られることを確認している。このように本手法を用いれば、高融点材料であるホウ素を室温大気200 nm

500 nm圧下の液体中で瞬時に溶融することが可能である。さらに
BNCT 用要素薬剤として不可欠な同位体濃縮された 10B 化(c)

合物のなかでも比較的容易に入手が可能な 10B 粒子を原料として容易に B4C 粒子を合成することが可能である。そこで本研究では B4C 粒子にイメージング機能を付与することを目

1 m的とし、B4C 粒子と鉄化合物粒子の混合分散液に対して本手法を適用することでイメージング機能やハイパーサーミアなどの応用が期待出来る、磁性を有したホウ素化合物粒子

図 1 照射前の原料粒子(a) 本手法で得た B4C 粒子, (b) -Fe2O3, (c) Fe3O4の合成を目的とした。

2． 実験方法(a)

B4C 球状粒子は、B の濃度 100 ppｍのエタノール分散液 5ml に、約 300 mJ cm-2 pulse-1 で 5 分間レーザー照射(Nd:YAGレーザー, パルス幅: 7 ns，パルス周波数: 30 Hz, 波長: 3551 mnm)後に改修した粒子を、未反応のホウ素を溶解除去するために硝酸水溶液で処理したものを洗浄して得た。
合成した炭化ホウ素粒子と、種々の酸化鉄粒子をそれぞれ(b)100 ppm となるように調製したエタノール分散液を照射用ガラス容器に 5 ml 採った。照射用ガラス容器は超音波浴中に固定し、液面からレーザー光を様々なフルエンスで 5 分間照射した。照射後の粒子は磁気分離により磁性を有する粒子のみを1 m回収した。X 線回折（XRD）を用いた回収粒子の結晶構造分析や、走査電子顕微鏡(SEM)による形状観察を行った。さらに振動試料型磁力計(VSM)を用いて回収粒子の磁気特性を評価した。

図 2 照射後、磁気回収して得られた粒子。
(a) B4C と-Fe2O3 の混合分散液の照射後,(b) B4C と Fe3O4 の混合分散液の照射後。

得た粒子の磁気回収物を図 2 に示す。-Fe2O3 との混合分散

-Fe2O3 の混合分散液の照射の場合、-FeOOH に加えて液の照射の場合(a)、針状または薄膜状の生成物が確認出来FeB の生成が確認出来た。一方で、B4C と Fe3O4 の混合分散たが、生成した球状粒子は比較的サイズの揃ったサブミクロン

液照射の場合、磁気回収物は Fe3O4 であり、B を含む化合物球状粒子であった。これに対し Fe3O4 との混合分散液の照射は確認出来なかった。これは、-Fe2O3 の場合はナノ粒子での場合(b)、サブミクロンサイズの粒子に加えて、大きな粒子のあり、分散液中で B4C 粒子と接触しやすいのに対し、Fe3O4 は融合によって生じたと考えられるミクロンサイズの粒子も確認

比較的大きな粒子の連続体であることから-Fe2O3 と比べて出来た。

B4C と接触しにくかったためと考えられる。後のさらなる分析に

これらの粒子の XRD 測定結果を図 3 に示す。B4C とよって、図 2 (a)，(b)共に観察された球状粒子を覆っている針状または薄膜状の生成物は-FeOOH であり、希酸で処理することによって溶解除去が可能であることが明らかとなった。こ-FeOOH

Intensity (a.u.)

FeB
Fe3O4

れらの結果より、本研究では原料鉄酸化物として-Fe2O3 を用いることとした。

(b) B4C + Fe3O4(a) B4C + -Fe2O33・2 Fe-B 合金生成メカニズムの解明
B4C 粒子と-Fe2O3 との混合分散液へ、種々のフルエンスでレーザー照射後、磁気回収した粒子の SEM 写真を図 4 に2030405060o2 ( )示す。得られた粒子はいずれの条件においても球状の粒子であった。また得られた粒子の XRD 測定を行ったところ、75 や

図 3 照射後、磁気回収して得られた粒子の XRD。
(a) B4C と-Fe2O3 の混合分散液の照射後,(b) B4C と Fe3O4 の混合分散液の照射後。

100 mJ cm-2 pulse-1 で照射した場合の磁気回収物は-Fe2O3と-FeOOH であり、B を含む化合物は確認出来なかった。150,
200 mJ cm-2 pulse-1 では-FeOOH に加えて FeB が確認され、250, 300 mJ cm-2 pulse-1 でさらに Fe2B も生成することが明らかになった。
粒子の比熱や各状態におけるエンタルビー変化を用いると、あるサイズの一つの粒子の状態変化に必要な熱量を求めることが出来る。一方で、粒子がレーザー光から吸収するエネルギーは、フルエンスと粒子サイズや波長依存性を考慮した粒子の吸収効率から求めることが出来る。粒子が吸収したエネルギー全てが粒子の温度上昇に利用されると仮定すると、各フルエンスにおける B4C と-Fe2O3 粒子の状態を推測することが出来る。
75 や 100 mJ cm-2 pulse-1 では B4C は固体のままであるが、-Fe2O3 は溶融が可能と推測される。従って、図 4(a)に示す粒子は-Fe2O3 の溶融により生じた球状粒子と考えられる。これまでの研究により、エタノール中で鉄酸化物を照射すると、FeO や Fe などの低酸化状態の成分を含む球状粒子が得られ

図 4 様々なレーザーフルエンスで照射して得られた粒子。(a) 75, (b) 100, (c) 200 mJ cm-2 pulse-1

ることがわかっている 5)。これは、高温の鉄酸化物溶融液滴を取り囲んでいるエタノール分子の熱分解により、還元性を有する CO や H2 が発生するためと考えられる。-Fe2O3 は反強磁性材料であるが、本研究ではレーザー照射後に磁気回収された粒子が得られ、その粒子は-Fe2O3 と-FeOOH であった。

謝辞

これはレーザー照射によって高温になった-Fe2O3 が溶融や本研究は、公益財団法人天田財団平成 26 年度一般研究

分解によって低酸化状態の Fe3O4 を経て再度酸化することに開発助成(AF-2014204)からの研究費により行われた。

より-Fe2O3 が生成したと考えられる。さらに、-Fe2O3 がレーザー照射により熱分解した一部の成分が分散媒であるエタノール中で加水分解を受けて-FeOOH が生成したと考えられ参考文献

る。
一方、150 mJ cm-2 pulse-1 以上のフルエンスでは-Fe2O3および B4C の両方が溶融していると推測される。この様に、本

1) R. F. Barth, A. H. Soloway, and R. G. Fairchild, Cancer
Res. 50, 1061 (1990)

手法において FeB や Fe2B のような Fe-B の合金粒子を得るた

2) M. W. Mortensen, P. G. Sørensen, O. Björkdahl, M. R.

めには、それぞれの成分を含む原料粒子の両方が溶融してJensen, H. J. G. Gundersen, and T. Bjørnholm, Appl. Radiat.

いる必要があることが明らかとなった。

Isot. 64, 315 (2006).

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150 mJ cm pulse で得られた粒子の磁気測定を行ったところ、室温で強磁性を示した 。本手法は同位体濃縮され た
10

B4C に対しても適応が可能であり、比較的入手が容易な 10B

粒子を原料として様々な応用が期待出来る、磁性を有したホウ素薬剤の製造技術としての可能性を示していると考える。

3) P. P. Patil. M. D. Phase, A. S. Kulkarni, V. S. Ghaisas, K.
S. Kulkarni, M. S. Kanetkar, B. S. Ogale, G. V. Bhide, Phys.
Rev. Lett. 58, 238 (1987).
4) Y. Ishikawa, Y. Shimizu, T. Sasaki, N. Koshizaki, Aool.
Phys. Lett. 91, 161110 (2007).
5) 石川 善恵, 越崎 直人, Alexander Pyatenko, 電気学

4． 結論
B4C と-Fe2O3 粒子の混合分散液へのレーザー照射によって Fe-B 合金球状粒子を得ることが出来た。合金粒子を得るた
めには、B4C と-Fe2O3 の両方ともに溶融するフルエンスが必要であることが明らかとなった。

会誌 論文誌 C, 135, 9, 1066 (2015)