シルクフィブロインｰ高分子化合物
複合体の開発大学院工学研究院
生命機能科学部門教授 中澤 靖元
2023年 9月 7日
1

従来技術とその問題点
生分解性材料

人工材料

長所

合成高分子材料

ポリグリコール酸(PGA)
ポリ乳酸(PLA)
ポリエチレングリコール(PEG)
ポリカプロラクトン
その他、上記の共重合体など

無機材料

β-リン酸三カルシウム
炭酸カルシウム

天然高分子材料

ー再生医療用スキャフォールド素材例ー

コラーゲン・ゼラチン
アルギン酸
ヒアルロン酸・アガロース
キトサン
フィブリン

◼分解速度、強度、形状などの制御が容易◼構成成分の性格な同定が可能◼成形性の高さ◼高い細胞親和性◼細胞の機能維持・分化に対する能動的な働きかけ

短所◼分解されたときの生成物の毒性◼生体への異物反応◼低い細胞親和性◼ 分解速度の制御が困難◼ 低い材料強度◼ 異種タンパク質による炎症性◼ 完全な構成成分の同定が困難

再生医療材料としてシルクフィブロイン（SF)を利用することで天然高分子材料のデメリットを解消◼ カイコによる高純度フィブロインの大量生産◼ 多様な成形加工法と、形態に基づいた分解性・物性の制御が可能◼ シルクフィブロインが有する低炎症性Z. Shao & F. Vollrath Nature 418, 741(2002)

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2従来技術とその問題点
R01

R02

R03 R04

R05

R06

ーシルクフィブロイン一次構造ー
R07

R08

R09

R10R11

N末端側C末端側A01

A02

A03 A04

A05

A06

A07

A08

A09

UaUb

Ua

A10

A11

Repetitive domain [R06]
A05

Ua Ub Ua

Ub

UaUb

Ub Ua A06

領域名称

配列

二次構造

結晶性存在率

結晶領域(Ua)（AGSGAG)nβ-sheet

高56％

半結晶領域(Ub)(AGYGAG)nDistortedβ-sheet

低33％89%(Zhou et al., Nucleic Acids Research, 28, 2413 (2000))◼ 一次構造が非常に単純であり、結晶相と非晶相の周期構造を形成◼ 反応性アミノ酸残基が局在しているTokyo University of Agriculture and Technology

3繊維学会誌, 70, 286-290 (2014)/人工臓器 48, 227–230 (2019)

従来技術とその問題点

ーシルクフィブロイン成形加工例ー

臭化リチウム水溶液に溶解

精練

家蚕繭

透析

フィブロイン繊維

フィブロイン水溶液
キャスト

濃縮

エレクトロスピニング

プラスチック様樹脂

フィルム

ナノファイバー

凍結乾燥

スポンジ（コラーゲン含有）

繊維学会誌, 70, 286-290 (2014)/人工臓器 48, 227–230 (2019)

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4従来技術とその問題点

ー心臓修復パッチー

ePTFE（延伸ポリテトラフルオロエチレン）
既存製品の課題◆埋植時の血液漏出◆劣化に伴う材料破綻
◆石灰化
◆血栓形成
◆成長性欠如シルクフィブロイン(SF)

埋植後半永久的に材料形態を維持する必要がある

強度・耐久性フィブロイン不織布（エレクトロスピニング）

健常心におけるヒト心筋組織

弾性・分解性約30MPa約120kPa

シルクフィブロインを基盤としたシートデバイス
物性制御のため、他の高分子化合物との複合化（ブレンド）

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5従来技術とその問題点
1,1,1,3,3,3Hexafluoro-2-propanolーSF複合化によるシートデバイス作製例ー
熱可塑性ポリウレタンとの複合化②射出速度①電圧+TPUSF sponge
Sample nameSF (%)PU (%)

SF

1000SF7TPU3SF7BPU37030

SF5TPU5SF5BPU55050SF3TPU7SF3BPU73070

TPUBPU

0100

④温度
⑤湿度

①電圧：17〜22ｋV（材料・重量比による）②射出速度：12µl/min③シリンジ−ターゲット間距離④温度：２５−３０℃⑤湿度：３０−５０％③シリンジターゲット間距離SF-PU
混合シート

γ線滅菌（＞30kGy)

SF-BPU

SF-TPU

精製水
72時間浸漬

38℃, 100% RH
24時間静置Tokyo University of Agriculture and Technology

6従来技術とその問題点

ーSF複合化によるシートデバイス作製例ー
熱可塑性ポリウレタンとの複合化

SF-PU不織布のSEM像
SF/TPU
3/7

0.7±0.2 µm

SF/TPU
7/3

SF/TPU
5/5

0.9±0.4 µm

0.9±0.6 µm
SF/BPU5/5
キャストフィルム

◼ 平均径1µm程度の繊維から構成◼ PUの濃度によらず均一な繊維を形成◼ 全ての不織布においてSFとPUの分離は確認されない（キャストフィルムは分離する）

200 μmTokyo University of Agriculture and Technology

7Organogenesis 13, 115–124 (2017).
J. Mater. Sci. Mater. Med. 28, 191 (2017).

従来技術とその問題点

ーSF複合化によるシートデバイス作製例ー
熱可塑性ポリウレタンとの複合化

各重量比のSF-TPU不織布(SF7PU3)埋植実験（6ヶ月）
HEα-SMA

MTC

EVG

CD31

KOSSA

TA ：tunica adventitia（血管外膜）
TM：tunica media（血管中膜）
Asterisk：tunica intima（血管内膜）
P：patch; パッチ
Arrow： tissue infiltration（組織浸潤）Tokyo University of Agriculture and Technology

8従来技術とその問題点

ーSF複合化によるシートデバイス作製例ー
熱可塑性ポリウレタンとの複合化

弾性線維形成率

全て1ヶ月程度で生成。
6ヶ月例では、SF7PU3が弾性線維形成率が高い
J. Mater. Sci. Mater. Med 28, 191 (2017)

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9従来技術とその問題点◼ 一般的にシルクフィブロインは、異種ポリマーと熱力学的に非相溶であり、その混合材量については、ポリマー間の界面接着性が低いことが知られている。
◼ これまでポリウレタンおよびポリカーボネート系の一部にシルクフィブロインと混和性を示すことを見いだし、組織工学材料の素材としての応用研究を進めている。
◼ しかしながら、上述したポリマーはいずれも、「比較的混和しやすい」のみに留まっており、材料の長期的使用による材料の劣化や素材間の剥離などが懸念される。
◼ シルクフィブロインと相溶（もしくは混和）し、物性が大きく向上する高分子化合物は現在のところ報告されていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較
SF

PSF：シルクフィブロイン
P：異種高分子（ポリウレタンなど）◼ 分子鎖中にカルボキシ基を含む高分子化合物に、シルクフィブロイン結晶領域に存在する反復配列のモデルペプチドを化学的に修飾する。
◼ 修飾した高分子化合物をシルクフィブロインとブレンドすることで、シルクフィブロインーポリウレタン界面の局所的な相互作用による相溶性の向上を図る。
◼ 本技術の適用により、シルクフィブロインの物性向上が期待される。
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新技術の特徴・従来技術との比較
引張試験による物性評価
SFのみ

SF/ペプチド修飾PUブレンド

MPa

SF/PUブレンド

最大応力b％

破断伸度
caaMPaa

降伏応力％b

降伏伸度

bbaaa

各グラフにおいて、異なるアルファベット間では有意差あり（p<0.01）◼
◼

c

ヤング率：SF10<<SFG5<<SF5
SF5, SF10と比べてSFG5では、最大応力・破断伸度・降伏応力・降伏伸度が上昇

MPa

ヤング率acb

PUへのペプチド修飾による相溶性の向上を示唆

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新技術の特徴・従来技術との比較
動的粘弾性測定より得られた損失正接（tanδ）
SF/PUブレンド
SF/ペプチド修飾PUブレンド

Tg
(WPU)

Tm (SF)
Tg(SF)

Tg： ガラス転移温度（非晶部の運動性増加）
Tm： 結晶緩和温度（結晶部の運動性増加）

SF/PUブレンド
SF/ペプチド修飾PUブレンド◼ ポリウレタンへのペプチド修飾により、SFとポリウレタンのTgが近接→SF-WPU間の相溶性が向上◼ ポリウレタンへのペプチド修飾により、 SF結晶緩和温度が10℃以上上昇→熱安定性が向上

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新技術の特徴・従来技術との比較◼ 少量のシルクフィブロインモデルペプチドを高分子化合物に修飾することにより、シルクフィブロインと合成高分子の混和性を向上させることに成功した。
◼ 先行研究で実施してきた、シルクフィブロイン-合成高分子ブレンド
材料の物性を向上（ヤング率、破断伸度、最大応力の増加）させることができた。
◼ また混合によって降伏応力や降伏伸度が増加した。これは、動的な環境下で機能する人工血管や心臓修復パッチ、人工弁膜等において、塑性変形を抑制する効果を有している。

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想定される用途◼
◼
◼
◼
◼
◼

組織再生型人工血管（シート）
組織再生型心臓修復パッチ・心臓弁（シート）人工軟骨（スポンジ・樹脂）
創傷被覆材（シート）機能性アパレル素材（シート）
シルク製一般工業製品

プラスチック様樹脂

フィルム

ナノファイバー

スポンジ

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例：実用化に向けた課題◼ カルボキシ基を有する一部の合成高分子について、物性が向上することを確認済み。
◼ ポリウレタン以外にも様々な高分子化合物での素材作製を実施。
◼ シルクフィブロインとブレンドする高分子化合物へのペプチド修飾条件を確立する

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例：企業への期待◼医療に限定せず、様々な分野でのシルクフィブロイン素材の応用を希望◼シルクフィブロインを基盤とした様々な素材応用にご興味があれば、ご相談ください。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：樹脂組成物、医療用材料、及び、樹脂組成物を生産する方法• 出願番号 ：出願済み、未公開• 出願人：東京農工大学• 発明者：中澤 靖元、秋岡 翔太、松本 祐里

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東京農工大学先端産学連携研究推進センター
Tel042-388-7550
Fax042-388-7553
e-mail suishin@ml.tuat.ac.jp

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