生体適合性超薄膜の吸水および保湿特性の評価
東北大学大学院

薬学研究科

安順

斉一

Polyelectrolyte multilayer films were prepared using polysaccharides as materials to elucidate the wetting propertiesof the thin films. Glycogen was successfully assembled into multilayer films using poly（ethyleneimine）（PEI）asa counterpart of the alternating deposition, probably through hydrogen bonding as driving force. On the otherhand, anionic polysaccharides including dextran sulfate（SD），chondroitin sulfuric acid（SC），alginic acid（Alg），
and sulfonated α- and β-cyclodextrins（α-SCD and β-SCD）can be assembled into thin films using PEI as a cationiccomponent of the films. The kinetics of evaporation of water from the swelled films was studied using quartz crystal
microbalance（QCM）．The kinetics are composed of an initial fast evaporation and consecutive slow process. Thus, itis speculated that water is entrapped in the two different kinds of environment in the films.

１．緒

作用による引力を利用する方法も確立されており、水素言結合や生物的特異結合なども利用できる。この方法により、各種の高分子化合物は薄膜形成が可能であり材料の表面タンパク質や DNA などを利用した超薄膜の研究も進んで処理などに幅広く利用されている。また、生体適合材料のいる２−５）。これまでに、種々の材料がこの方法により薄膜開発という観点から、生体類似高分子や生体親和性高分子に形成されて物性が研究されているが、吸水特性や保湿性で材料表面に処理を施すことも行われている。生体適合材に関する検討は行われていない。良好な吸水および保湿特料は、人工臓器や生体センサーの開発など広範囲な利用分性の生体適合性交互累積膜が開発されれば、皮膚保護材料野があり、高機能材料の開発はきわめて重要な課題である。

としての利用も可能であろう。

生体適合材料としては生体高分子を用いることが最も容易

２．実であるが、製膜特性などの性質が必ずしも好適であるとはかぎらない。特に、薄膜として利用する場合には、良好な

２- １

験

材料

物性の薄膜を得るためには製膜方法などに工夫が必要であ

ポリエチレンイミン 30％水溶液（PEI、分子量 60,000-る。とりわけ、膜厚や膜構造を精密に制御することが、膜80,000）およびポリアリルアミン 20％水溶液（PAA、分子物性を向上させるためには重要である。

量 10,000）は市販品を所定の濃度に希釈して用いた。グリ

本研究では、生体適合性超薄膜を作製するために交互累コーゲン（Gly）、デキストラン（Dex）、デキストラン硫

積膜法を採用し、高分子材料として多糖類を用いた際の超酸（SD）、コンドロイチン硫酸（SC）、アルギン酸（Alg）、薄膜の吸水および保湿特性について検討した。交互累積膜

α-, β-, γ- シクロデキストリン（α-, β-, γ-CD）、および硫酸化

法は約 10 年前に Decher 教授らにより確立された超薄膜シクロデキストリン（α-SCD, β-SCD）は市販品を精製す作製法で、正および負の電荷を持つ高分子化合物の希薄溶ることなくそのまま使用した。実験に用いた材料の化学構液にガラスや金属の基板を交互に浸すことにより、基板表造を図１にまとめて示した。これらの材料の水溶液は精製面に正負の高分子化合物を静電的引力により交互に吸着固水を使用した緩衝液で作製した。

定化する方法である 。ナノメーター程度の厚さの超薄膜１）が作製できることや、累積回数を加減して膜厚を任意に制２- ２装置御できることなどの利点があり、簡便な薄膜作製技術と交互累積膜の評価と水分含量の測定には、水晶振動子ミして注目されている。Decher らの方法は、正負の電荷にクロバランス（QCA920、セイコー EG & G）を用いた。プロ

よる静電的引力に基づくものであったが、その他の相互ーブとして用いた水晶振動子は、基準振動数９M H z の AT

Evaluation of wetting and dewetting
properties of biocompatible thin films
Jun-ichi Anzai
Graduate School of PharmaceuticalSciences, Tohoku University

カット素子で表面に直径 0.4mm の円盤状に白金が薄く被覆してある。このプローブでは、水晶振動子への物質１ng の吸着量を約 0.9Hz の振動数変化として検出することができる。

２- ３

超薄膜の作製と吸水量および保湿特性の評価

本研究では、交互累積膜の作製には２種類の異なる駆動力を用いた。すなわち、正負の静電的引力による吸着によ− 35 −

H
N

N

NH nn
NH2NH2

ポリエチレンイミン

ポリアリルアミン

CH2OH
O

COOH
O

OH

O

CH2OH
O
OOO

OH

CH2OH

nCH2O
HO

CH2OH
O

OH

OH

O
OH

CH2OH
O
O

O

OSO3H

HO

O
O

OH

n

OSO3H

デキストラン硫酸
O
CH2O

O

OH

O

O
OH

OH

OH

CH2O

OSO3H

OH
CH2OH
O

HO
O

nO

グリコーゲンCH2OHONHCOCH3コンドロイチン硫酸
OH

OH

O

O

OSO3H

OH

O

CH2OSO3H
O

OH

CH2OH
O

O

OH

O
OH

O

HO

COOH
O

COOH
O

OH OH O

OH

O
OHnn

アルギン酸

OH
デキストラン

CH2OHOOCH2OSO3HOOHOOHOnn=6 α-シクロデキストリン
n=7 β-シクロデキストリン
n=8 γ-シクロデキストリン

図１OHO
OSO3Hnn=6 α-硫酸シクロデキストリン
n=7 β-硫酸シクロデキストリン

本研究に用いた多糖類など高分子材料の化学構造る方法と水素結合による方法である。前者には、多糖類と表面を水でよく洗浄した水晶振動子を、はじめ PE I またして Gly、Dex、α-, β-, および γ-CD を用いて PEI と交互

は PAA 溶液に 30 分間浸して吸着させ、つづいて蒸留水で累積膜とした。この際には、これらの膜材料は２mg mL −10 分間洗浄した。次に、多糖類の溶液に 30 分間浸して吸の濃度のリン酸緩衝液（pH7）として累積膜作製に用いた。

着させた後同様に洗浄した。この操作をくり返して任意の総また、後者には、SD、SC、Alg 、α-SCD および β-SCD を数の交互累積膜を作製した。水晶振 動子に上述の材料を負電荷を有する多糖類とし、正電荷を持つ PAA と累積膜を吸着させた後に乾燥して QCM による振動数の測定を行った。

1作製した。この場合には、溶液濃度は 0.1mg mL−1とした。

− 36 −

表面に累積膜を被覆した水晶振動子を蒸留水に浸して充生体適合性超薄膜の吸水および保湿特性の評価分に吸水させてから空気中に引き上げて、そのまま風乾して水を蒸発させた。この過程の振動数変化を QCM により追跡した。

３．結３- １

果

多糖類の累積膜の調製はじめに、電荷を持たない多糖類と PEI を用いて交互累積膜を作製することを試みた。Gly と PEI を用いて交互累積膜を作製した際の QCM における振動数変化を図２に示した。縦軸に Gly と PEI を吸着させた後に乾燥させて測定した振動数を、横軸には累積膜の層数を示した。図から明らかなように、Gly および PEI を吸着させるたびに振図２

PEI/Gly 交互累積膜の調製：水晶振動子ミクロバランスによる評価動数が減少することがわかった。QCM の振動数変化（∆F／ Hz）と吸着物質の質量には式（１）の関係があるので、振動数が減少したことは、水晶振動子表面に Gly と PEIが交互に吸着していることを示している。振動数変化は、５層の累積膜、５（Gly ／ PEI）膜、で− 10,700Hz、10（Gly／ PEI）膜で− 25,100Hz であった。質量に換算するとそれ
ぞれ 12mg および 28mg の（Gly ／ PEI）が累積膜として吸着したことを示している。
振動数変化（∆F ／ Hz）=−0.91× 吸着質量（Ｍ／ng）──（１）同様にして、Dex、α-, β-, および γ-CD 用いた累積膜の調製を試みた。５層の累積膜を作製したときの振動数変化は、-550Hz（Dex）、− 730Hz（α-CD）、− 760Hz（β-CD）、および -430Hz（γ-CD）であった。これらの値は、同条件で累積膜を作製したにもかかわらず Gly に比べて 10％以下であり著しく低いものであった。すなわち、PEI とこれらの多糖類は良好な交互累積膜になりにくいことを示している。

図３

次に、正負の電荷の静電的引力を利用して多糖類累積膜種々の多糖類の累積膜の調製を作製するために、SD、SC、Alg、α-SCD, および β-SCDを用いた。これらの多糖類はいづれも分子中にスルホン酸

３- ２多糖類交互累積膜の吸水量および保湿特性またはカルボン酸に基づく負電荷を有している。正電荷をPEI と Gly を用いて作製した５層の累積膜を蒸留水に浸もつ高分子材料として PAA を用いた。上記の５種の負電して充分に吸水させた後に、空気中で自然乾燥したとき

荷多糖類と PAA から交互累積膜を作製した際の QCM にの QCM の振動数の経時変化を図４に示す。はじめの１分おける振動数変化を図３にまとめて示した。いづれの場合程度で振動数の急激な増大がみられ、引き続いて振動数はにも、累積操作を重ねるに伴って振動数の減少が観察さ徐々に増大して約 20 分後にほぼ一定の値になった。このれた。これは、良好に交互累積膜が作製できたことを示

過程の振動数変化は、急激な変化は約 10,000Hz、後続のしている。それぞれ５層の交互累積膜としたときの振動遅い過程の変化量は約 8,500Hz であった。振動数が増大し数変化は、− 4,200Hz（SD）、− 6,800Hz（SC）、− 4600Hz

たことは、水晶振動子表面に形成された多糖類累積膜中か（Alg）、− 6,200Hz（α-SCD）、および− 4,200Hz（β-SCD）

ら水が蒸発したために、振動子表面の質量が減少したことであった。重量に換算すると、4,700ng（SD）、7,500ng（SC）、を示している。累積膜中から蒸発したと考えられる水の量

5,100ng（Alg）、6,900ng（a-SCD）、および 4,700ng（b-SCD）

は、それぞれの過程で 11mg および 9.4mg と計算される。

であった。これらの値は、静電的引力を利用しないで作製

既に述べたようにこの累積膜の重量は 28mg なので、膜重を試みた累積膜に比べてかなり大きな値であり、良好な累量にほぼ匹敵する水が累積膜の中に含まれていたと思われ積膜が形成されていると判断できる。

る。他の多糖類を用いた累積膜を用いた実験結果も、振動− 37 −

図４PEI/Gly 交互累積膜からの水の蒸発過程

数変化の値は異なるが Gly と同様に振動数変化の速い過程と遅い過程が観察された。
次に、SD、SC、Alg 、α-SCD, および β-SCD を用いて図５作製した累積膜についても同様の検討を行った。QCM種々の多糖類累積膜からの水の蒸発過程による結果を図５にまとめて示した。いづれの累積膜でも、リゴ糖も含まれ、これらも静電的引力により薄膜となるこ

図４に示した（PEI／Gyl）
累積膜と同様の挙動が観察された。
水の蒸発に伴う振動数とは興味深い。今回の研究目的からは逸脱するが、CD 化変化果から、これらの累積膜中に含まれていた水の重量は、合物は溶解補助や除放の目的で食品や医薬品の広く利用さ7,800ng（SD）、8,800ng（SC）、10,000ng（Alg）、5,000ngれており、CD 含有超薄膜として新たな用途が広がるかも（a-SCD）、および 7,800ng（b-SCD）と計算される。

知れない６、７）。

４．考作製した多糖類累積膜の吸水過程については本研究で察は明らかにすることはできなかったが、累積膜中に含ま

図 ２ の 結 果 は、PEI と Gly を 用 い る と 交 互 累 積 膜れる水が蒸発する過程に関して興味ある現象が観察されを 作 製 で き る こ と を 示 し て い る。PEI は 中 性 付 近 のた。すなわち、QCM により累積膜からの水の蒸発を追pH で ア ミ ノ 基 の 一 部 は 水 素 イ オ ン が 付 加 し て 正 電 荷跡した結果、急激に振動数変化が起きる初期の過程とを 有 し て い る と 考 え ら れ る が、Gly は 電 荷 を も た な い後続する緩慢な過程が、いづれの累積膜でも観察されの で、 こ の 両 者 は ア ミ ノ 基 と 水 酸 基 の 水 素 結 合 を 介た。これは、累積膜の表面付近に存在する水の蒸発と累して結合したのではないかと考えられる。また、Dex、積膜内部に存在する水の蒸発過程に対応するのではない

α-CD、β-CD、および γ-CD でも僅かの振動数変化が観かと推定される。本研究で使用した多糖類累積膜の厚さは、察され、これらの物質が吸着していることが示唆されたが、用いた材料の密度を 1.2 g cm− 3 と仮定すると８）、例えば 10吸着量は Gly を用いた場合に比べて非常に少なかった。こ層の 10（Gly ／ PEI）膜で約 700 ナノメーター程度、５層

れは、水素結合は弱い結合であり、結合点間の距離や配向の５（Alg ／ PEI）膜では約 130 ナノメーターと計算されに依存する性質をもっていることから理解できる。換言するが、このように薄い膜においても膜表面と膜内部に存在れば、用いる材料間の構造的な相補性がよくないと良好なする水の蒸発過程（保湿特性）に差異があることは興味深

累積膜は形成されないことを示唆している。

い。これは、内部の水が蒸発する過程は水の膜表面までの一方、正負の電荷の間に作用する静電的引力を利用する拡散速度も蒸発速度に影響する重要な因子であり、膜表面

累積膜では、材料の構造に著しく依存することなく概ね良と内部では蒸発速度を決める過程が異なることに起因する好な累積膜が作製できた。各種の合成高分子を用いた交ものと推定される。

互累積膜の作製条件は詳細に検討されており、多糖類を本研究では、多糖類高分子として合計 10 種の材料を用材料として用いる場合にもこれらの条件は適用できるもいたが、吸水および保湿特性に関しては、材料の構造によのと思われる。したがって、多糖類の累積膜を作製するる明確な相違を明らかにすることはできなかった。また、場合には、水素結合などによって吸着させるよりも静電多糖類累積膜の膜厚を変えて実験を行ったが、厚い膜には的相互作用による方が汎用性に富むものと思われる。なお、多量の吸水が観察された以外、蒸発速度に関しては膜厚の今回用いた多糖類材料の中には、SD、SC、Alg のような影響は観察されなかった。これらの点に関しては今後の検鎖状多糖類とともに α-SCD および β-SCD のような環状オ討課題として残った。

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