討論会の話題から

第 61 回放射線化学討論会

DDS 構築へ向けた電子線グラフト重合による pH 応答膜の作製
早稲田大学先進理工学研究科

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はじめに

我々の体内において，病の発現の有無は身体の pHによるところが大きい．例としては，腎臓が血液内のpH の調整を行い調整のバランスが崩れると血中の pHが低くなり緑内障や白内障を引き起こす 1, 2)．また，骨粗しょう症における破骨細胞が分泌する酸や，がん細胞における糖代謝による乳酸の分泌 3) など，我々の身体において局所的に著しい pH の低下が見られることがある．そこで現在，薬学分野においてドラッグデリバリーシステム（DDS）が注目を集めている．DDS とは薬の挙動を制御し効率化を図ることで，従来の経口および静脈投与の方法に比べてより少ない副作用で効果的に薬物の投与を行う手法である 4)．
本研究で用いるポリアクリル酸は pH 応答性ポリマーとして知られている．pH 応答性ポリマーは，環境中の pH の変化にともなって，急激に分子構造が変化をする．このポリアクリル酸は，pH が低い時には分子鎖が縮まり，pH が高い時には分子鎖が伸張する性質を持っている．
本研究では，このポリアクリル酸の多孔質膜の孔への修飾による DDS 構築へむけた機能性素材の開発を目的としている．このポリアクリル酸修飾による機能化にあたり，放射線機能化技術のひとつである電子線グラフト重合法を用いた．
本研究では，病の発現に関わる体内の pH 変化に対して，薬物送達が制御できる機能性膜の作製を目的とする．そこで，マイクロオーダーの細孔を有する延伸

Fabrication of DDS Applying pH-sensitive Membrane by theElectron Beam Graft polymerization
Shohei Mikami∗ (School of Advanced Science and Engineering,Waseda University),〒169–0072 東京都新宿区大久保 3–14–9
TEL: 03–5286–2917, E-mail: mikasy0@moegi.waseda.jp

放 射 線 化 学 第 107 号 (2019)三上 翔平∗

多孔質 PTFE（ePTFE）を基材とし，電子線グラフト重合を用いることでポリアクリル酸を付与し，その pH応答性について評価を行ったので報告する．
2 ポリアクリル酸グラフト膜の作製

厚さ 45 μm，孔径 1 μm の ePTFE（住友電工）を用いて，当研究室に設置してある低エネルギー電子線加速器（Curetron®，NHV Corp.）を用いて電子線（0.5 mA，200 kV，室温，窒素雰囲気）を 25 kGy 照射した．照射済み試料は 1 時間の大気暴露の後，グラフト容器に入れアクリル酸水溶液（10 vol%）へ浸漬させた．このグラフト容器は，液体窒素にて凍らせ真空引きを 15 分行い，30 分間流水にて解凍を行う作業である解凍脱気を 2 サイクル行い，グラフト重合（60 ◦ C，80 ◦ C：2 h，4 h，6 h）を行った．出来上がったグラフト膜は純水中で 2 日洗浄の後，恒温槽（60 ◦ C）で一晩乾燥させた．
なお，例えば，反応温度 60 ◦ C，反応時間 6 時間で作製したグラフト膜を 60–6 膜と今後略称する．グラフト率 GY は，グラフト反応前後の重量を W0 および Wgとし，GY = 100(Wg − W0 )/W0 により求めた．
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諸物性の評価

アクリル酸グラフトの確認を行うため早稲田大学理工学術院物性計測センター設置の FT-IR（Nicolet6700，Thermo Scientific 製）を用いて ATR 法にて測定を行った．測定範囲 525 cm−1 –3000 cm−1 ，分解能 2 cm−1 ，ス
キャン回数 32 回で測定を行った．またグラフト膜に対して走査型電子顕微鏡（SEM，VE-8300，KEYENCELtd.）にて表面構造の観察を 3800 倍にて行った．
アクリル酸が基材の中までグラフトを行っているのか確認を行うため早稲田大学理工学術院物性計測セン
ター設置の SEM-EDX（S-3000N，HITACHI Ltd.）による断面観察を倍率 1000 倍，元素マッピングを dwell
time 200 μs，フレーム数 32 で行った．通常アクリル83

三上 翔平酸のカルボン酸基は観察が困難なため，カルボン酸基

pH 応答の評価および考察のため，得られたグラフトをカリウム溶液にてカリウム置換を行いスタック作製した．

膜を精製水および塩酸（pH 1）へ 30 分浸漬させ，その後，XRD（RINT-Ultima III，Rigaku Technologies, Inc.）作製したグラフト膜が pH 応答によって薬の制御をによる結晶化度の測定（X 線源: Cu，管電圧: 40 kV，行うことを確かめるため薬物透過試験を行った．薬物としてアスピリンを使用し，温度が 40 ◦ C で，アスピリン水溶液 10 mM と，純水（pH 7）または塩酸（pH 1）をグラフト膜で隔て，膜を 1 時間後に透過したアスピリンを定量した．この透過量は早稲田大学環境保全センターが所有する全有機炭素計（TOC-VCSH，島津製作所）にて測定・定量することにより薬物透過量を求めた．また，透過量比を次のように定義する．
透過量比 = （塩酸時の透過量）/（純水時の透過量）

管電流: 40 mA）を行った．
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結果と考察

反応温度 60 ◦ C および 80 ◦ C，反応時間 6 時間のグラフト重合にて，それぞれ 11 %–12 % のグラフト膜を得ることができた．
次に IR スペクトルの測定結果を Fig. 1 に示す．反
応温度 60 ◦ C および 80 ◦ C 双方でアクリル酸に代表される C=O（1700 cm−1 ）のピークが見られたことから，前述のグラフト前後での重量変化はアクリル酸が基材にグラフトしたことによるものであるといえる．
IR スペクトル測定では膜全体にアクリル酸がグラフトをしているのか否かが確認できないため SEM-EDXにより膜厚方向のアクリル酸の分布を確認した結果をFigure 1. IR spectra of non-grafted and graftedePTFE. Gray: 25 kGy irradiation and nongrafted; blue: grafted at 60 ◦ C for 2 h; yellow:grafted at 60 ◦ C for 4 h; green: grafted at 60 ◦ Cfor 6 h.

Fig. 2 に示す．Figure 2 右がカリウム元素マッピングの結果で，反応温度 60 ◦ C および 80 ◦ C ともに 4 時間
以上ではっきりとカリウム元素が確認できたため，内部までグラフト重合反応が行われたと考えられる．理由としては，使用した ePTFE 基材の多孔質性によりアクリル酸が内部まで浸透しやすかったと考えられる．
グラフト前後および，ePTFE へ吸収線量 25 kGy の電子線のみ照射した際の試料の様子を SEM で観察した結果を Fig. 3 に示す．細い繊維であるフィブリルの部分が太くなったことから，アクリル酸が付与されたと考えられる．しかしながら孔がいまだ保持されておFigure 2. SEM-EDX images. Left: base image; right: elemental mapping for potassium.

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放 射 線 化 学

DDS 構築へ向けた電子線グラフト重合による pH 応答膜の作製

Table 1. Permeation test.

Graft condition

pH 7

pH 1

Permeation ratio

60 ◦ C, 6 h

17 μM

75 μM

4.366 μM

120 μM

1.9◦

80 C, 6 h

Table 2. Crystallinity.

Graft condition

pH 7

pH 140 ◦ C, 6 h

9.6 %

43 %

◦

12 %

72 %

◦

45 %

61 %

60 C, 6 h
80 C, 6 hを行った結果を Table 1 に示す．反応温度 60 ◦ C および 80 ◦ C にて，純水中の透過量よりも塩酸中の透過量のほうが大きな結果が得られたことから， pH 応答による薬物透過の制御が示唆される結果となった．またFigure 3. SEM images (×3800). Top: Not irradiated; middle: irradiated only; bottom: grafted.

り，pH 応答にともない孔の開閉を行う余地があることが確認された．
60–6 膜および 80–6 膜に対してアスピリン水溶液を純水（pH 7）または塩酸（pH 1）にて隔てた系で 1 時間の薬物透過試験を行った結果を表にて示す．今回作製したグラフト膜について， 1 時間の薬物透過試験
第 107 号 (2019)80–6 膜と 60–6 膜の透過量比はそれぞれ異なっていることからグラフト構造の違いが予想される．60–6 膜
では 80–6 膜に比べて純水時の透過量が少ないことから，ePTFE の細孔をよく埋めることができることがわ
かる．
結晶化度測定の結果では，60 ◦ C 膜では結晶化度に有意差が確認でき，pH 応答による構造変化を認められた．一方で反応温度 80 ◦ C の膜では，反応温度 60 ◦ C
ほどの差が見られなかった理由としては，結晶構造に関与するほどのグラフト鎖が成長しなかったと考えられる．
以上より，60 ◦ C と 80 ◦ C のグラフト膜を比較すると温度の低い 60 ◦ C で作製した膜の方が異なる pH 環境下での結晶性および，薬物透過量比という面でのpH への応答性が優れていることが分かった．そこで，さらに低い 40 ◦ C での反応温度でグラフト膜作製を試みた．今回反応温度 40 ◦ C 反応時間 6 時間でのグラフト膜作製の結果，グラフト率が 13 % の膜を得た．得
られたグラフト膜に対して XRD 測定を行った結果，純水または塩酸浸漬後の結晶化度はそれぞれ，9.6 %，43 % であった（Table 2）．40 ◦ C，60 ◦ C，80 ◦ C で得られたグラフト膜について純水浸漬後の結晶化度を比べると，反応温度が一番低い 40 ◦ C が低い値を取った理由は，反応温度が低いほどグラフト鎖が長く成長したことによりランダムな配置になったためであると考えられる．
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三上 翔平究 [16L01] の助成を受け行われました．関係者各位に
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今後の展望

今回，電子線グラフト重合法を用いてポリアクリル酸の ePTFE へのグラフト重合を試みた．FT-IR 測定，
SEM および SEM-EDX の結果から，アクリル酸は延伸多孔質膜の内部にまで付与されていることがわかった．また，透過試験および XRD による結晶化度測定
により，今回作製したグラフト膜が pH の異なる環境下で細孔の開閉を制御できることを確認した．
加えて，異なる反応温度ではグラフト構造が異なることが示唆される結果となった．PTFE 基材へのグラフトの際，結晶部から非晶部へとグラフト鎖が伸びるという報告がある 5)．今後はこの結晶部と非晶部の間隔を X 線小角散乱（SAXS）を用いるなどし，グラフト鎖の考察をおこなってゆく．

〈謝 辞〉

感謝いたします．
〈参 考 文 献〉

1) K. Shirakabe, G. Priori, H. Yamada, H. Ando, S.
Horita, T. Fujita, I. Fujimoto, A. Mizutani, G. Seki, K.
Mikoshiba, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 103 (2006)
9542.
2) T. G. Graeber, C. Osmanian, T. Jacks, D. E. Housman,
C. J. Koch, S. W. Lowe, A. J. Giaccia, Nature, 379(1996) 88.
3) Y. Kato, S. Ozawa, M. Tsukuda, E. Kubota, K.
Miyazaki, Y. St-Pierre, R. Hata, FEBS J., 274 (2007)
3171.
4) S. Mura, J. Nicolas, P. Couvreur, Nat. Mater., 12 (2013)
991.
5) H. Iwase, S. Sawada, T. Yamaki, Y. Maekawa, S.
Koizumi, Int. J. Polym. Sci., 2011 (2011) 301807.

本研究の一部は，早稲田大学理工研プロジェクト研

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