高分子ベシクル積層膜の秩序構造とダイナミクス
大分大学理工学部

檜垣勇次

Polymer micelles are valid for the bio-compatible smart molecular system in the field of nanomedicine. Doublezwitterionic diblock copolymers composed of a poly(carboxybetaine methacrylate) (PCB) chain and a poly(sulfobetainemethacrylate) (PSB) chain (PCB-b-PSB) were synthesized by radical addition fragmentation chain transfer polymerization.
Well-defined diblock copolymers with narrow molecular weight distribution were systematically produced. The
hydrodynamic radius of gyration of the particles produced by the PCB-b-PSB aggregation was determined by dynamic
light scattering measurement. The PCB-b-PSB diblock copolymers with high molecular weight PSB block produced
uniform micellar aggregates with narrow size distribution in the salt-free aqueous solution. Because the sulfobetaines show
electrostatic and/or dipolar cohesive interactions to produce sulfobetaine couples in salt-free water, the PSB chains yield
insoluble core with network structure to produce micellar aggregates. The micellar structure depends on the concentrationof co-existing zwitterions. The PCB-b-PSB micellar aggregates transformed in the presence of sulfobetaine compounds,
whereas the other zwitterions including glycine and taurine hardly induced the transformation of the aggregates. Thezwitterion-specific structure modulation is rationalized by the complementary interaction of the zwitterions depending on
the charged groups, charge density balance, and geometric form. The micellar structure transform efficiency also depends
on the charge spacer length (CSL) of the sulfobetine compounds. The dissociation of PCB-b-PSB chains from the micellar
aggregates was preferentially induced through the interactions with sulfobetaines with long CSL. The electrostatic anddipolar interactions are encouraged in the long CSL sulfobetaines because the dipole moment and charge density areaugmented by separating the charges.

1.

緒子の集合体であるため低分子量両親媒性分子である界面活言性剤や脂質と比較して，会合体の構造安定性が高く，分子両親媒性分子の媒質中における会合により形成されるミセル状分子集合体や中空球状分子集合体であるベシクルは，量の制御や分子鎖の部分的な修飾によって，会合体の形態と環境応答性の設計が容易である（Fig. 1）2 , 3）。

薬物や美容有効成分の輸送や徐放，微小反応場など，物質正電荷と負電荷が炭化水素鎖で連結された双性イオンを科学分野や医療分野における実用化の可能性から多大な注側鎖に有する双性イオン高分子は，電荷と水との強い相互目を集めている。ベシクル内部に薬剤を直接内包した薬物作用により極めて親水性が高く，実効電荷が中性であるた

内包ベシクル，ベシクルに酵素を内包した生体内反応性ベめ生体高分子を含む荷電粒子との相互作用が弱く，非特異シクル，腫瘍への集積を促進するターゲッティング機能を的吸着が抑制されるため，生体適合性高分子として注目さ付与したベシクルキャリアなど，数多くの機能性ベシクル

れている 4 , 5）。双性イオン高分子は，双性イオン構造，分が提案されている。しかしながら，脂質分子で構成された子量，高分子濃度に応じて多様な自己集合特性を示す。ポベシクルは，構造安定性が低い上に，膜透過性が高く，選リカルボキシベタイン（PCB）は水中で高度に水和して溶解択的物質輸送に課題がある。さらに，細胞膜では内葉と外する。一方，ポリスルホベタイン（PSB）は水中でスルホベ葉を構成する脂質の組成が非対称であるため膜貫通タンパク質の配向が制御されており選択的物質輸送が実現されるのに対し，脂質分子の自己集合により形成される人工ベシ
クルは対称構造であるため，膜構成物質の配向制御や，内層と外層の独立した膜機能の制御に課題がある 1）。一方，非対称多成分高分子鎖であるブロック共重合体の集積により構築される高分子ミセル／ベシクルは，高分子量鎖状分

Ordered Structure and Dynamics ofPolymer Vesicle Multi-Layered Films
Yuji Higaki
Faculty of Science and Technology, OitaUniversityFig. 1 Schematic representations of aggregate geometry
depending on the volume fraction of block copolymer
components.

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コスメトロジー研究報告 Vol. 29, 2021

タイン基同士の相互作用により凝集する。スルホベタイン

重溶媒には 200 mM NaCl 重水溶液を用いた。GPC 測定は，凝集体はイオンにより相互作用が遮蔽されるため，電解質

島津製作所製高速液体クロマトグラフィーシステムを用い，水溶液中では分子鎖が解離する 6）。したがって，双性イオ

TSKgel G 5000 PWXL と TSKgel G 3000 PWXL を連結したン高分子を適切に分子設計することで，ブロック共重合体カラムを用いて，溶離液を 200 mM NaCl 水溶液とし，流の固体表面への集積とナノメートルスケールの秩序構造形

速 0 . 6 mL/min，カラムオーブン温度 40 ℃で測定した。ポ成の制御が実現され，隔離された層に局在化した内包分子リエチレンオキシド標準試料でキャリブレーションした。

が計画的に徐放される積層ラメラ膜が構築されると着想しそこで本研究では，PCB と PSB で構成される双性イオ

2. 2. PCB-b-PSB水溶液中における会合体構造の解析

ン高分子ブロック共重合体（PCB-b-PSB）が固体表面で形動的光散乱（DLS）測定は，Zetasizer Nano ZS（Malvern）成する高分子構造体の秩序構造とそのダイナミクスの解明にて，He-Ne レーザー（波長 633 nm）を用い，測定温度 25を目的とした。PCB-b-PSB の合成，PCB-b-PSB が水溶液℃，測定角度 173 ˚ で行った。溶液の PCB-b-PSB 濃度は中で形成する高分子会合体の構造と環境応答性形態変化の

1 . 0 mg/mL とし，孔径 0 . 20 μm の親水化 PTFE フィルタ解明まで研究が進捗したので，研究成果を報告する。

ー（Advantec, HP 020 AN）で濾過して測定に供した。散乱た。

２．方

光強度の自己相関関数から計測した緩和時間より算出した法

剛体球の拡散係数より，Stokes - Einstein 式に基づき流体

2. 1. PCB-b-PSB双性イオン高分子ブロック共重合体の合成力学的半径（Rh）を求めた。

３．結果・考察

可逆的付加開裂連鎖移動（RAFT）重合により，PCB 高
Macro-CTA より PSB 鎖を RAFT 重合によって鎖延長す3. 1. PCB-b-PSB双性イオン高分子ブロック共重合体の合成ることで PCB-b-PSB を合成した（Fig. 2）7）。反応溶液を透合 成 し た PCB Macro-CTA と PCB-b-PSB の GPC 測 定

析精製した後，溶液をメタノールに滴下し，沈殿物を遠心により計測した数平均分子量（Mn, GPC）と分子量分布（Mw/分離により回収した。

Mn, GPC），1 H-NMR 測定により計測した PSB 鎖の重合度に分 子 連 鎖 移 動 剤（PCB Macro-CTA）を 合 成 し た。PCB合成したブロック共重合体の PCB/PSB 組成は 1 H-NMR基づき算出した数平均分子量（Mn, NMR），PCB 鎖と PSB 鎖測定，数平均分子量（Mn）と分子量分布（Mw/Mn）は GPC 測の重合度から算出したブロック共重合体の重合度比を1定により計測した。 H-NMR 測定は，AVANCE-III 400

Table 1 に示す。PCB Macro-CTA の分子量分布は十分に（Bruker Co., Ltd.）を用い，室温，400 MHz で測定した。

狭く，高度に分子量制御された高分子鎖が得られた。PCBFig. 2

Table 1aPreparation of the PCB Macro-CTA and PCB-b-PSB diblock copolymers

Characteristics of the PCB Macro-CTA and PCB-b-PSB diblock copolymers

SampleMn, GPCa

Mw/Mn, GPCa

Mn, NMRb

PCB/PSBNMRb

PCB 43 Macro-CTA

9 , 500

1 . 11--PCB 43 -b-PSB 40

21 , 100

1 . 1121 , 200

1 / 0 . 93

PCB 43 -b-PSB 100

32 , 100

1 . 1038 , 800

1 / 2 . 33

PCB 43 -b-PSB 166

55 , 800

1 . 0858 , 2001 / 3 . 86The data were determined by GPC measurements, b The data were determined by theintegration of 1 H-NMR signals assigned to methyl protons of quaternary ammonium cations.

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高分子ベシクル積層膜の秩序構造とダイナミクス

一 方，PSB 組 成 比 の 低 い PCB 43 -b-PSB 100 と PCB 43 -b-

Macro-CTA を RAFT 重合で鎖延長して PSB 鎖の分子量を制御することで PCB/PSB 組成比の異なる PCB-b-PSB

PSB 40 は，会合体由来のシグナルと単分子鎖由来のシグナブロック共重合体を系統的に合成した。PCB-b-PSB のルがそれぞれ観測された（Fig. 3 ⒝ , ⒞）。PSB の重合度が1H-NMR スペクトルには，PCB の四級アンモニウムカチ低下すると，分子鎖間で相互作用するスルホベタイン基のオンメチル基（3 . 35 ppm）と PSB の四級アンモニウムカチ数が減少するため，会合駆動力が低下する。したがって，オンメチル基（3 . 24 ppm）に帰属されるシグナルがそれぞ孤立分子鎖に相当する Rh ≒ 4 nm の散乱体が発生している

れ観測され，それらの積分比より PSB 鎖の重合度を算出と 推 測 す る。 ま た，PCB と PSB の 重 合 度 が 同 等 で あ る

してPCB-b-PSBの数平均分子量を算出した（Mn, NMR）
。Mn, GPCPCB 43 -b-PSB 40 では，ブロック共重合体の分子量が小さと Mn, NMR がよく対応しており，GPC 測定で計測された分いにもかかわらず，会合体の Rh が大きくなった。PCB 鎖子量，分子量分布は十分に正確であると考えられる。と PSB 鎖の体積比が均等になるとブロック共重合体凝集体の界面曲率が低下して二分子膜状の会合体を形成する。

3. 2. PCB-b-PSB水溶液中における会合体構造の解析【分子構造依存性】

すなわち，ミセル状会合体からベシクル状会合体への構造

PCB 43 -b-PSB 166 は純水中で Rh= 40 . 5 nm の粒径分布のPSB 鎖の界面曲率が低下したために会合数が増大している

狭い均質な会合体を形成した（Fig. 3 ⒜）。ブロック共重合と解釈することもできる。ただし，Rh が小さいほど散乱体を構成する PCB 鎖と PSB 鎖は共に親水性であるが，光強度が弱いため，大部分の分子鎖は孤立鎖として存在しPSB は水中で側鎖のスルホベタイン基同士が静電的相互作ている。

転移を起こしていると考えられる。あるいは，PCB 鎖と用，あるいは双極子相互作用により凝集する。したがって，

PCB 43 -b-PSB 166，PCB 43 -b-PSB 100 は純水中でミセル状

PCB-b-PSB は PSB 鎖が凝集したコアを形成し，PCB 鎖が会合体を形成していたが，塩濃度の増加に伴い，分子鎖が水和膨潤したシェルを形成することにより，コアシェル型会合体から脱離した（Fig. 4 ⒜ , ⒝）。PSB 側鎖のスルホベ球状会合体を形成していると考えられる。透過型電子顕微

タイン基間相互作用が水溶液中のイオンにより阻害される

鏡による相補的な解析が必要であるが，ブロック共重合体ためであると考えられる。一方，PCB 43 -b-PSB 40 は会合が形成する高分子ベシクルは，Rh> 100 nm となることが形態の変化がみられなかった（Fig. 4 ⒞）。二分子膜状会合多いため，計測されている会合体はミセル状会合体である体は球状会合体と比較して分子鎖の狭雑によるエントロピと解釈している。

ー損失が小さいことに加え，PSB 分子鎖の分子量が低いためイオンによる会合阻害の影響が低かったと考えられる。

Fig. 3

Rh distributions of ⒜ PCB43-b-PSB166, ⒝ PCB43-b-PSB100, ⒞ PCB43-b-PSB40 aggregates in salt-free water.

Fig. 4 R h distributions of ⒜ PCB 43-b-PSB166, ⒝ PCB 43-b-PSB100, ⒞ PCB 43-b-PSB 40 aggregates in salt-free water（blue），
10 mM NaCl aq.（green），and 100 mM NaCl aq.（red）．

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コスメトロジー研究報告 Vol. 29, 2021

3. 3. PCB-b-PSB水溶液中における会合体構造の解析【双性イオン選択的相互作用】

PSB 166 が形成する Rh= 40 . 5 nm の均質会合体の形態は，共双性イオン高分子 PCB-b-PSB は，スルホベタイン基が存するスルホベタイン（SB 4）の濃度増大に応じて不安定化，選択的に会合することでミセル状会合体を形成する。すな

粗大化し，孤立鎖に解離した（Fig. 6）。PSB 側鎖のスルホわち，スルホベタイン，カルボキシベタインは双性イオン

ベタイン基と溶液中に存在する SB 4 が相互作用するため，選択的に会合し分子構造体を形成している。したがって，スルホベタイン側鎖間の凝集が解離することで PCB-b-

この分子組織体は共存する双性イオンの構造に応じて構造PSB の会合が阻害されたと考える（Fig. 7）。また，電荷間変化が誘導されると考えられる。

スペーサー炭素数 6 のスルホベタインが最も効果的に会合験に用いた双性イオンの構造を Fig. 5 に示す。PCB 43 -b-

純水中で最も均質な会合体を形成する PCB 43 -b-PSB 166を阻害した（Fig. 8）。電荷間距離が離れているため双極子について双性イオン特異的な会合形態変化を研究した。実モーメントが大きく，分子形態の自由度が高いことに加え，Fig. 5 Chemical structure of zwitterions employed in thisstudy.

Fig. 6 R h distributions of PCB 43-b-PSB166 in ⒜ salt-freewater（blue），⒝ 10 mM SB4 aq.（green），⒞ 100 mM SB4aq.（purple），and ⒟ 1000 mM SB4 aq.（red）．

Fig. 7 Schematic representation of PCB-b-PSB aggregate form variation through the association and dissociation ofzwitterions depending on the co-existing zwitterion species and the concentration.

Fig. 8 R h distributions of PCB 43-b-PSB166 in ⒜ salt-free water（blue），⒝ 100mM
SB2 aq.（green），⒞ 100 mM SB4 aq.（purple），and ⒟ 100 mM SB6 aq.（red）．

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正電荷と負電荷が干渉しないため電荷密度が高く，電荷間（引用文献）の相互作用が強く働くためであると考える。一方，グリシ1） Peyret, A.; Zhao, H.; Lecommandoux, S., Preparation

ン水溶液とタウリン水溶液では会合体の形態変化は誘導さ

and Properties of Asymmetric Synthetic Membranes

れなかった。グリシンとタウリンはスルホベタインと同じ

Based on Lipid and Polymer Self-Assembly. Langmuir
2018, 34, 3376-3385.

く双性イオンであるが，電荷部位の構造，電荷間距離，電荷密度についてスルホベタインとの対称性が低く，スルホ2） Blanazs, A.; Armes, S. P.; Ryan, A. J., Self-Assembled

ベタイン基の会合が阻害されないためであると考える。すBlock Copolymer Aggregates: From Micelles to

なわち，PCB-b-PSB 会合体の形態は共存する双性イオン

Vesicles and their Biological Applications. Macromol.
Rapid Commun. 2009, 30, 267-277.との双性イオン特異的な相互作用により大きく変化するこ

3） Cabral, H.; Miyata, K.; Osada, K.; Kataoka, K., Blockとが示された。

４．総

Copolymer Micelles in Nanomedicine Applications.

括Chem. Rev. 2018, 118, 6844-6892.

合成した PCB-b-PSB 双性イオン高分子ブロック共重合

4） Shao, Q.; Jiang, S., Molecular Understanding and体は，ブロック共重合体の分子量と PCB/PSB 組成比に応Design of Zwitterionic Materials. Adv. Mater. 2014, 27,

じて水溶液中で多様な形態の会合体を形成することが明ら

15-26.

かとなった。両双性イオン高分子ブロック共重合体は，双5） Paschke, S.; Lienkamp, K., Polyzwitterions: From

性イオン高分子鎖における水溶性の非対称性と環境応答性

Surface Properties and Bioactivity Profiles toを利用した新たな会合性高分子群として位置づけられる。

Biomedical Applications. ACS Appl. Polym. Mater.
2020, 2, 129-151.

本研究の目的である固体表面に集積したブロック共重合体会合体の秩序構造とそのダイナミクスの解明のため，固体

6） Shao, Q.; Mi, L.; Han, X.; Bai, T.; Liu, S.; Li, Y.; Jiang,

表面に吸着したブロック共重合体が形成する構造を中性子

S., Differences in Cationic and Anionic Charge Densities

8）

反射率測定 ，相互作用ポテンシャルを反射干渉顕微鏡

Dictate Zwitterionic Associations and Stimuli Responses.

9）J. Phys. Chem. B 2014, 118, 6956-6962.

により計測する実験をそれぞれ実施する予定である。今年
度は，感染症拡大による移動制限のため当初計画していた

7） Lim, J.; Matsuoka, H.; Yusa, S.; Saruwatari, Y.,

中性子反射率測定による吸着膜の構造解析，および反射干Temperature-Responsive Behavior of Double

渉顕微鏡実験を実施することができなかった。

Hydrophilic Carboxy-Sulfobetaine Block Copolymers
and Their Self -Assemblies in Water. Langmuir 2019,謝辞35, 1571-1582.

本研究の遂行にあたり，多大なるご支援を賜りました公

8） Higaki, Y.; Kobayashi, M.; Takahara, A., Hydration

益財団法人コーセーコスメトロジー研究財団に心より感謝State Variation of Polyzwitterion Brushes through

申し上げます。

Interplay with Ions. Langmuir 2020, 36, 9015-9024.

また，本研究は当研究室の清水 茜 氏の尽力によるもの

9） Higaki, Y.; Fröhlich, B.; Yamamoto, A.; Murakami, R.;

で あ り， 動 的 光 散 乱 測 定 装 置 を 用 い た 研 究 に あ た り

Kaneko, M.; Takahara, A.; Tanaka, M., Ion-Specific

一二三 恵美 教授（大分大学全学研究推進機構）にご協力いModulation of Interfacial Interaction Potentials

ただきました。この場をお借りいたしまして厚く御礼申し

between Solid Substrates and Cell-Sized Particles

上げます。

Mediated via Zwitterionic, Super-Hydrophilic Poly（sulfobetaine）Brushes. J. Phys. Chem. B 2 0 1 7, 1 2 1,
1396-1404.

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