化粧品素材としての生体安定性を有する発色ナノ粒子含有液の開発

東京電機大学工学部電気電子工学科

平 栗健 二We have developed photoluminescent stable silicon nanocrystals (nc-Si) which have attracted great interest as quantum dots
due to their nontoxic, abundant, and low-cost materials. The nc-Si particles show visible luminescent properties caused by aradiative recombination of electrons and holes in the Si-nc. The emitted colours can be tuned by changing the size of the nc-Si. In
order to know the limit concentration for cytotoxicity, we investigated the response of HeLa cells. We detected a toxicity of nc-Si at
1,120 μg/mL. We suggested one of the mechanisms that nc-Si can generate oxygen radicals and the radicals were associated withmembrane damages.

１．緒

可視領域の光学マーカーとして期待されている。発光色と言

ナノシリコンの粒子径の関係は、直径約 3 [nm] で赤色、約発光性ナノシリコン（nc-Si）は、可視領域において発光2.3 [nm] で緑色、約 2 [nm] で青色となり、目的の色を自由1, 2）する物質であり、最近の研究により、粒子状態で固体状まに制御する応用に適している

たは溶液内へ分散することが可能になっている。そこで、状発光性ナノシリコンは、多方面に添加できるので電子工

生体内への取り込み、毛細血管内での流動性、さらには学、光工学、機械工学だけでなく医学、薬学、化学など広

生体への安全性に優れた新規の半導体ナノ粒子材料として、範囲への応用が期待されている。また、この発光性ナノシシリコンナノ粒子が有望視されている。この材料は、今日リコンは、励起源として、発光波長よりエネルギーの高いの半導体産業を支えてきたバルクシリコン結晶のサイズ短波長の光によって発光するので、赤色には青色の励起光（直径）を 4.3 [nm]（この値は電子と正孔が静電引力で弱く源、青色には紫外線の励起光源など、発色の選択に光源を結合した粒子的状態、すなわち励起子のボーア半径に相当）選ぶことも出来る 。

23）

4

さらに、この材料は、最近の生体への安全やリサイクル以下に縮小したもので、粒子を構成する原子数も 10 〜 1023。特に、溶液中での分散

4, 5）[ 個 ]（通常のシリコン結晶の原子数は 10 [ 個 ] である）と等の環境や省エネを考慮した材料である極小にしたものである。

①ナノシリコンは、原料が Si であるので地球上に豊富に。その理由は、また、材料自体もシリコン元素のみで構成されているた存在する元素として安定に確保できる。②この Si は、ガめ、資源面、環境面以外に、特に人体に優しい無害性・無ラスの主成分として広く利用されており、生体適合性も十毒性の物質であり、しかも材料費や製造費が安価な物質と分有する材料である。③加えて、Si の形成には半導体工業して最大のメリットを有している。さらに、このナノシリとして培われた幅広い先端技術があり、化粧品への応用にコン粒子の物性や機能性に関しても、大変ユニークな材料応える十分な要素を持っている。

である。その主な物性は、電子や励起子が 3.0 [nm] 以下の本研究では、この発光性ナノシリコンを含有する溶液をナノ空間に閉じ込められることによって起こる量子閉じ込化粧用材料として利用する可能性について調査するために、め効果である。この量子閉じ込め効果により、バルクシリ生体に対する安定性について評価する。特に、現在、利用コン結晶では見られない可視領域での発光現象が現れる。

が期待されているが生体への影響が大きいと懸念されてい可視発光は、その材料のもつバンドギャップエネルギーがる Cd および Se により構成されている量子ドット（QD）と可視領域まで広がることで得られる。さらに、粒子径によ比較する。比較の試料としては、濃度の異なる溶液を作製って発光波長が制御できるため、赤色から青色までの広いし、細胞毒性を検討した。

２．実
Luminescent nanocrystalline siliconparticles with biocompatibility forcosmetic application
Kenji Hirakuri
Department of Electrical and Electronic
Engineering, School of Engineering,Tokyo Denki University験

図１に作製方法の概要図を示す。スパッタ条件並びにエ5）ッチング条件は、通常のパラメータで行った 。発光性ナノシリコン分散溶液の作製には、真空中でのスパッタ法と液相エッチング法を併用した。高周波スパッタリング法を用いて、ターゲット材料である比抵抗２-９[Ωcm] の p 形シリコンチップ（面方位（100））を純度 99.99 [%] の石英デ− 14 −

化粧品素材としての生体安定性を有する発色ナノ粒子含有液の開発

ィスクを同時にスパッタリングすることにより比抵抗 0.01

この試料を生理食塩水に分散させた。細胞毒性試験には、[Ωcm] の p 形シリコン基板（面方位（100））上シリコン原

ヒト子宮頸癌細胞株 HeLa 細胞を用いた。この細胞は、マ子が混在したアモルファス SiOx 膜を形成した。

ルチウェルプレート内に 5×10 [ cells/well] を播種し、104スパッタリング後の試料は、アルゴンガス雰囲気中に[ ％ ] の仔牛血清と抗生物質を添加した Minimum essentialて 1100 [ ℃ ] で１[ 時間 ] の熱処理を行った。この熱処理にmedium（MEM）を培養液として、37 [ ℃ ]、5 [%] の CO2

おいて、過剰に含まれたシリコン原子とボロン原子が自在湿潤環境条件下において 48 [ 時間 ] 培養した。その後、培に移動し、Si 原子がボロン原子を取り込みながら凝集する。

養液を取り除き、ウェルに毒性試験評価用材料として 2.5

この過程を経て、SiO2 層内にボロンドープされたシリコン[nm] のサイズをしたシリコンナノ粒子を 2.8 [mg/mL] からナノ粒子を形成した。このとき形成されたボロンドープシ

280 [mg/mL] までの濃度で培養液とともに添加し、37 [℃ ]、リコンナノ粒子のサイズは、約 3.0 [ nm] であった。熱処理

5 [%] の CO2 湿潤環境条件下において、さらに 48 [ 時間 ] 培

後の試料は、HF 水溶液の蒸気に暴露し余分な SiOx 膜を除養した。48 [ 時間 ] の培養期間において、ナノシリコン粒去した。粒子状になった nc-Si を生理食塩水内に拡散して、子は HeLa 細胞内に容易に貪食されていることを光学顕微

nc-Si 分散溶液を作製した。本方法にて作製した nc-Si 分散

鏡観察像より確認している。現在までに、細胞内に貪食さ溶液の発光写真を図２に示す。

れる粒子濃度は、1120 [mg/mL] まで確認されている。また、発光性ナノシリコンの細胞毒性を評価するために分散溶液中のナノシリコン濃度を変化させて培養試験を行っ

毒性試験用材料を添加しないで培養した細胞は、コントロールとして使用した。

た。ナノシリコンの含有量は、11.2 〜 1120 [mg/mL] とした。

ナノシリコン粒子濃度 56 [mg/mL] の溶液を HeLa 細胞内評価に使用した細胞は、子宮癌細胞（HeLa 細胞）を使用し、に取り込み、48 [ 時間 ] 培養し、その後、細胞の安定性を培養条件は通常の条件とした。細胞毒性評価試験の条件を顕微鏡により評価した。ナノシリコン粒子含有 HeLa 細胞

表１に示す。

および添加していない HeLa 細胞の様子を顕微鏡像ならび３．結に紫外照射時の蛍光像を取得した（図３）。48 [ 時間 ] 後の果細胞は、安定して増殖していることが分かる。さらに、蛍得られたナノシリコン粒子を電子顕微鏡により観察した。

光像からはナノシリコン粒子からの発光が観察され、このその結果、平均粒径 6.5 [ nm±1.5nm] の粒子が観察された。

時点での細胞毒性および発光特性が良好であることが示唆

図１

スパッタ装置図ならびにターゲット条件
表１

細胞培養条件細胞
子宮癌細胞（HeLa 細胞）
培養液
Minimal essential medical alpha（MEM-α）
培養条件 暗室（37℃，CO2：5%）
細胞数12,500 [cells/well]
培養時間 48 [h]評価試料 CdSe (QD), nc-Si
溶液添加量 11.2, 112, 1120 [μg/mL]
青色溶液

緑色溶液
図２

赤色溶液

各色に発光した nc-Si 分散溶液

− 15 −

コスメトロジー研究報告 Vol.18, 2010

透過後

蛍光像

nc-Si
含有nc-Si
無図３

nc-Si 粒子の透過および蛍光像

図４

細胞毒性評価試験結果の細胞安定性を検討する必要がある。

された。
ナノシリコン粒子の比較対象としてナノシリコン粒子と同条件で細胞と共培養したセレン化カドミウム（CdSe）

謝

辞粒子を 用 い、 比 較・ 評 価を行った。比較的低濃度 で は、本研究を遂行するにあたり、経費を援助いただきました

nc-Si および CdSe 試料ともに、ほぼ 100 [ ％] の安定性を示

財団法人コスメトロジー研究振興財団に深謝いたします。

したが、1000 [mg/mL] を超える濃度では顕著な違いが現

細胞毒性試験評価に対する知見をいただきました国立国際れた。nc-Si 粒子では、活性率が 60 [%] 程度あるのに対し医療センター研究所山本先生に感謝いたします。て、CdSe では極端な低値を示した（図４）。この結果より、nc-Si 粒子は毒性が低く、細胞に対する安定性を持つこと（参考文献）が示唆された。

１）Sato, K., Hirakuri, K.: Influence of paramagnetic

次に、毒性試験用材料を含んだ状態で培養された細胞

defects on multicolored luminescence from

は、MTT アッセイ試薬と培養液を 1:1 の比率で混合した溶

nanocrystalline silicon, J. Appl. Phys. 100, p.114303

液を各ウェルに 20 [mL] ずつ添加し、37 [ ℃ ]、5 [%] の CO2（2006）．

恒温装置で発色させた。各ウェルにおいて、プレートリー

２）Sato, K., Hirakuri, K., Iwase, M., Izumi, T.: Fabrication

ダーで 450 [nm] の吸光度値から算出した細胞生存率を毒of highly efficient full-color electroluminescent device

性評価の指標とした。細胞生存率は、すべての粒子濃度にcomposed of nanocrystalline silicon, J. Nanosci.

対してコントロールと同様であり、比較的安定した傾向をNanotechnol. 5, pp.271-276（2005）．

示している。また、ナノ粒子が貪食された細胞に、UV 光３）Barreto, J., Perálvarez, M., Rodríguez, J. A., Morales,を照射することで、サイズ（この実験で使用した粒子サイ

A., Riera, M., López, M., Garrido, B., Lechuga, L.,ズは 2.3 [nm] である。
）に依存した緑色の発光を確認するこDominguez, C.: Pulsed electroluminescence in siliconとができている。この発光輝度は貪食濃度に依存しており、

nanocrystals-based devices fabricated by PECVD,

5.6 [mg/mL] 以上の濃度において室内照明下でも肉眼で鮮Physica E 38, pp.193-196（2007）．
４）Sato, K., Kishimoto, N., Hirakuri, K.: Enhancement

明に確認できている。

４．考of electroluminescent properties in ethanol察dispersible nanocrystalline silicon particles, J. Nanosci.
Nanotechnol. 8 pp.374-378（2008）．

ここまでの研究結果からは、発光性ナノシリコンの細胞毒性は極めて低いことが判明した。これは、nc-Si が Si 元５）Sato, K., Hirakuri, K.: Influence of oxidized layer on

素より構成されており、素材の安定性や不活性な表面で覆operating voltage and luminance of nanocrystalline

われていることが要因と考えられる。CdSe 系の発光性ナ

silicon electroluminescent device, J. Nanosci.

ノ粒子材料では、光励起によって粒子が活性化し、細胞にNanotechnol. 6 pp.200-204（2006）．

影響を与えることが報告されている。このため、励起粒子− 16 −