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九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 2110124F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL11（様式第 5 号）

水 /エ タ ノ ー ル 混 合 溶 液 中 の ポ リ オ キ サ ゾ リ ン/ポ リ カ ル ボ キ シ ベ
タインメタクリレートブロック共重合体の秩序構造転移
Ordered Structure Transition of Polyoxazoline/Poly(carboxybetaine methacrylate)
Block Copolymers in Water/Ethanol Mixed Solutions
檜垣勇次・高橋将也・古澤利庫・前田沙弥・舛田拓己
Yuji Higaki, Masaya Takahashi, Riku Furusawa, Saya Maeda, Takumi Masuda
大分大学 理工学部
Faculty of Science and Technology, Oita University※１※２※３※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利用情報の公開が必要な課題は、本利用報告書とは別に利用年度終了後 2 年以内に研究成果
公 開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ アル 利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
非 イ オ ン 性 の ポ リ (2-エ チ ル -2-オ キ サ ゾ リ ン )（ PEtOx）と 双 性 イ オ ン 性 の ポ リ カ ル ボ
キ シ ベ タ イ ン メ タ ク リ レ ー ト （ PCB） で 構 成 さ れ る ブ ロ ッ ク 共 重 合 体 が 水 ／ エ タ ノ ール 混 合 溶 液 で 形 成 す る 秩 序 構 造 を 小 角 X 線 散 乱 測 定 で 解 析 し た 。水 ／ エ タ ノ ー ル 混 合溶液，エタノール溶液では，特定のエタノール体積分率で秩序化し，高分子濃度とエタ ノ ー ル 分 率 に 応 じ て 構 造 転 移 す る 現 象 を 発 見 し た 。 PCB 鎖 が 共 貧 溶 媒 効 果 を 示 し ，共 貧 溶 媒 組 成 と な る 特 定 の エ タ ノ ー ル 分 率 で PCB 鎖 が 高 度 に 凝 集 し て 秩 序 構 造 を 形成 し た 。溶 液 の エ タ ノ ー ル 分 率 に 応 じ て PCB 相 の エ タ ノ ー ル 分 率 が 共 貧 溶 媒 組 成 か ら逸脱して溶媒和したため膨張し，構造転移が発現したと考えられる。
（ English ）The ordered structures produced by block copolymers composed of nonionic poly(2-ethyl-2oxazoline) (PEtOx) and zwitterionic poly(carboxybetaine methacrylate) (PCB) in
water/ethanol mixed solutions were investigated by small-angle X-ray scattering. The orderedstructures were produced at a specific ethanol volume fraction and exhibited the structuraltransition depending on the polymer concentration and ethanol volume fraction. Since thePCB chains aggregated at a specific ethanol fraction due to the co-nonsolvency, the block
copolymer solution exhibited an ordered morphology at the ethanol fraction. The orderedstructure transition was induced by volume expansion of the PCB phase through the deviationfrom the co-nonsolvency composition depending on the ethanol fraction of the solutions.
２．背景と目的
非相溶高分子鎖から成るブロック共重合体は，濃厚溶液中で分子間相互作用や形態エントロピーに応じて秩序構造を形成する 1。秩序構造の形態は，分子鎖と溶媒の協奏的相互作用による界面曲率の変調に応じて転移する 2。医用分野で多く用いられているポリエチレングリコール（PEG）
は多くの人が抗 PEG 抗体を保持していることや易分解性に課題があり，ポリエチルオキサゾリン（PEtOx）が PEG 代替材料として注目されている。また，双性イオン高分子は水溶液中で溶媒やイオンとの静電的相互作用が複雑であり，その実態は解明されていない。本申請課題では，ポリエチルオキサゾリンとポリカルボキシベタインから成るブロック共重合体（PEtOx-b-PCB）（Figure 1）の水／エタノール混合溶液中で形成する秩序構造を系統的に解析し，溶媒組成に応じた特異的な秩序構造発現機構の解明を目的とした。生体適合性ブロック共重合体のナノ秩序構造転移を厳密に制御することで，選択的化合物内包／徐放機能や，異方性物質輸送／遮蔽機能など多様な特性が期待されるため，薬物送達キャリアを始めとする次世代医用分子システム構築のために重要な要素技術となり得る。

Figure 1. Chemical structure of the PEtOx-b-PCB
diblock copolymer.

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
ポリエチルオキサゾリン（PEtOx）とポリカルボキシベタイン（PCB）から成るブロック共重合体（PEtOx39-b-PCB32）の水／エタノール混合溶液を試料として用いた。カプトンフィルム（厚み：12.5 µm）に半径3 mm の円型穴をあけたカプトン製両面テープ（厚み：160 µm）を貼り，ブロック共重合体の667 mg/mL水／エタノール混合溶液をカプトンフィルムで挟んだ状態で封止して測定試料とした。サンプルIDの下付数字はそれぞれの分子鎖の重合度である。X線エネルギー 8000eV（波長 1.55 Å）のX線を試料に照射し，検出器としてPILATUS 300K（DECTRIS Co. Ltd., pixelsize: 172×172 µm2, total number of pixels: 487×619, frame rate: 200 Hz）を用い，散乱X線の2次元強度データを得た。カメラ長は1635 mmで実験した。解析ソフトFit2Dを用い，1次元散乱X線強度プロファイルを得た。
４．実験結果と考察
高分子濃度 667 mg / mL の PEtOx39-b-PCB32 水／エタノール混合溶液の円環平均した 1 次元散乱
強度プロファイルを Figure 2 に示す。エタノール体積分率（fEtOH）: 0.2-0.4 では散漫なピークが観測され，無秩序状態（Disorder; DIS）であった。PEtOx 鎖と PCB 鎖は相溶状態にある，もしくは相分離しているが不均質なドメイン構造を形成しており，密度揺らぎによる散漫なピークが観測されたと考えられる。fEtOH: 0.5-0.6 では，構造因子由来のピークが確認され，シリンダー状ドメインの六方最密充填格子構造（Hexagonal cylinder; HEX）を形成した。さらにエタノール分率が上昇すると，fEtOH: 0.7-0.8 でラメラ構造（Lamellae; LAM）に起因する高次ピークが観測され，溶媒組成に応じて秩序構造が転移する現象を発見した。

Figure 2. SAXS patterns of the PEtOx39-b-PCB32 667 mg/mL water/ethanol mixed solutions.

５．今後の課題
PEtOx39-b-PCB32 が水／エタノール混合溶液中で秩序構造を形成し，構造が転移する挙動が確認された。PCB 鎖の共貧溶媒効果が凝集の駆動力であるならば，温度変化によって構造形成・構造転移する区画が変化すると考えられるため，引き続き SAXS 測定で仮説を立証する。
６．参考文献1. M. W. Matsen, F. S. B., J. Chem. Phys. 1997, 106, 2436-2448.
2. S. Choi, F. S. Bates, T. P. Lodge, Macromolecules 2014, 47, 7978-7986.
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
1. Takahashi, M.; Shimizu, A.; Yusa, S.; Higaki, Y.; Lyotropic Morphology Transition of Double
Zwitterionic Diblock Copolymer Aqueous Solutions. Macromol, Chem, Phys. 2021, 2000377
2. Sakamaki, T.; Inutsuka, Y.; Igata, K.; Higaki, K.; Yamada, N. L.; Higaki, Y.; Takahara, A., Ion-SpecificHydration States of Zwitterionic Poly(sulfobetaine methacrylate) Brushes in Aqueous Solutions.
Langmuir 2018, 35 (5), 1583-1589.
3. Higaki, Y.; Inutsuka, Y.; Sakamaki, T.; Terayama, Y.; Takenaka, A.; Higaki, K.; Yamada, N. L.;
Moriwaki, T.; Ikemoto, Y.; Takahara, A., Effect of Charged Group Spacer Length on Hydration State in
Zwitterionic Poly(sulfobetaine) Brushes. Langmuir 2017, 33 (34), 8404-8412.
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
小角 X 線散乱，両親水性高分子，ミクロ相分離
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入して。
ください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

①

論文（査読付）発表の報告（報告時期： 2022 年 8 月）