博 士 論 文 概 要
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(2) 分 子 イ ン プ リ ン ト ポ リ マ（ Molecularly imprinted polymer: M IP）は 、抗 体 の よ う な特異結合性を有する合成高分子であり、特異結合の対象となる鋳型物質の共存 下で、鋳型物質に配位するモノマと架橋性モノマを共重合させることで合成でき る。このポリマでは配位性モノマ由来の官能基が鋳型物質に相互作用しやすく配 置され、鋳型物質がインプリントされた状態といえる。 本 論 文 で は 、 こ の MIP の 薄 膜 が 鋳 型 物 質 の 存 在 下 で 溶 質 の 拡 散 透 過 速 度 を 変 化 さ せ る 現 象 “ゲ ー ト 効 果 ”を 見 出 し た 。 ま た 、 こ の ゲ ー ト 効 果 を 応 用 し 、 分 子 認 識 にともなって溶質の拡散透過速度を自動制御する膜を開発することを目的とした。 分子認識をともなう透過速度自動制御膜は、病因物質量に応じて薬物投与速度を 制御できる化学刺激応答性薬物送達カプセル、既存のバイオセンサよりも高い安 定性を有する化学センサなど、医療デバイス用材料に広く応用できる。 1) MIP グ ラ フ ト 膜 の 作 製 、 お よ び 拡 散 透 過 速 度 の 評 価 第 1 章 で は 、 テ オ フ ィ リ ン （ T h e o ）、 あ る い は T h e o の 類 似 物 質 で あ る カ フ ェ イ ン （ Caf） を イ ン プ リ ン ト し た 膜 を 試 作 し 、 鋳 型 物 質 あ る い は 類 似 物 質 が MIP 膜 の拡散透過速度に与える影響について検討した。 鋳 型 物 質 に T h e o ま た は C a f 、配 位 性 モ ノ マ に メ タ ク リ ル 酸 、架 橋 性 モ ノ マ に ジ メ タ ク リ ル 酸 エ チ レ ン を 用 い 、 MIP を 再 生 セ ル ロ ー ス （ RC） 膜 に グ ラ フ ト し た 。 また、鋳型物質を加えない重合操作で共重合体をグラフトした膜も作製した。 こ れ ら の 膜 を T h e o - M I P 膜 、C a f - M I P 膜 、N o n - M I P 膜 と し 、各 膜 の 拡 散 透 過 速 度 を 二 室 回 分 式 透 析 で 求 め た ク レ ア チ ニ ン の 総 括 物 質 移 動 係 数 KL を 用 い て 評 価 し た。また、鋳型物質およびその類似物質が膜の溶質透過速度に与える影響を検討 す る た め 、 Theo あ る い は Caf 存 在 下 の KL を 非 存 在 下 の KL と 比 較 し た 。 そ の 結 果 、 Non-MIP 膜 の KL は Theo に よ っ て も 、 Caf に よ っ て も 約 14%だ け 減 少 し 、両 者 が K L に 与 え る 作 用 に 明 確 な 違 い は 認 め ら れ な か っ た 。イ ン プ リ ン ト し ていない共重合体は、両者の違いを識別できないことが示唆された。 Theo-MIP 膜 に お け る KL は 、 Theo に よ り 40%増 加 し 、 Caf で は わ ず か に 減 少 し た 。 Caf-MIP 膜 の KL は 、 Caf に よ り 8%減 少 し 、 Theo に よ り 9%増 加 し た 。 こ れ ら の 結 果 は 、T h e o - M I P 膜 あ る い は C a f - M I P 膜 が 鋳 型 物 質 と 類 似 物 質 を 高 い 選 択 性 を もって識別し、溶質拡散透過速度を変化させたことを示唆している。鋳型物質と 反 応 す る こ と で 、 MIP グ ラ フ ト 層 が そ の 形 状 、 特 に 空 隙 率 を 著 し く 変 化 さ せ た と 考察できる。 2) ゲ ー ト 効 果 の 機 構 解 明 に 関 す る 研 究 医療用材料に応用する透過速度制御膜には、高い選択性と大きな透過速度変化 が 要 求 さ れ る が 、 1)で 試 作 し た MIP 膜 で は 不 十 分 だ っ た 。 MIP 膜 を 至 適 設 計 す る には、ゲート効果の機構解明が不可欠である。 1.
(3) ゲ ー ト 効 果 は MIP 中 に 存 在 す る 配 位 性 モ ノ マ 由 来 の 官 能 基 と 鋳 型 物 質 と の 相 互 作 用 に 起 因 す る 。 そ こ で 第 2 章 で は 、 MIP 膜 中 に 生 じ る 相 互 作 用 の う ち 、 静 電 的 相互作用に着目して、ゲート効果の機構を検討した。 T h e o - M I P グ ラ フ ト 電 極 を 用 い た サ イ ク リ ッ ク ボ ル タ メ ト リ に よ り 、ゲ ー ト 効 果 と 試 験 液 の pH、 あ る い は 電 解 質 KNO3 濃 度 と の 関 係 を 検 討 し た 。 そ の 結 果 、 pH の 増 加 に 伴 い マ ー カ 物 質 の 酸 化 電 流 値 が 減 少 し た 。 こ れ ら の 結 果 は 、 MIP 層 中 の カ ル ボ キ シ ル 基 同 士 の 電 気 的 反 発 に よ り 、 MIP の 膨 潤 状 態 が 変 化 し た こ と を 示 し て い る 。 MIP グ ラ フ ト 層 の 不 均 一 性 、 お よ び 官 能 基 の 荷 電 状 態 に よ り 変 化 す る MIP の 膨 潤 ・ 収 縮 が ゲ ー ト 効 果 に 大 き な 影 響 を 与 え て い る こ と が 示 唆 さ れ た 。 さ ら に 、 Theo-MIP 膜 に お い て も KNO3 存 在 下 で 透 析 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 膜 で も 電 極 で も 、 KNO3 濃 度 の 増 加 に 伴 い ゲ ー ト 効 果 は 減 少 し た 。 こ の ゲ ー ト 効 果 の 抑制は、電解質が鋳型物質とカルボキシル基の間の静電的相互作用を遮蔽したこ とに起因すると考察できる。電解質によるイオン遮蔽効果によってゲート効果が 抑 制 さ れ た こ と か ら 、 MIP グ ラ フ ト 層 中 の カ ル ボ キ シ ル 基 と 鋳 型 物 質 の 間 に 生 じ る静電的相互作用がゲート効果を生じさせる大きな要因であることが示唆された。 3) リ ビ ン グ ラ ジ カ ル 重 合 に よ り 作 製 し た MIP 膜 の ゲ ー ト 効 果 ゲ ー ト 効 果 の 機 構 か ら 導 か れ る 至 適 設 計 に 合 わ せ て M I P 膜 を 作 製 す る に は 、重 合系を精密に制御する技術が必要である。しかし、単なるラジカル重合では、成 長・連鎖・停止反応がランダムに進行するため、制御が困難である。そこで第 3 章 で は 、 リ ビ ン グ ラ ジ カ ル 重 合 法 に よ り RC 膜 表 面 へ MIP を グ ラ フ ト す る こ と を 提 案 し た 。 リ ビ ン グ ラ ジ カ ル 重 合 で は iniferter と 呼 ば れ る 光 応 答 性 開 始 剤 を 用 い る こ と で 、紫 外 線 照 射 に よ り 反 応 を 制 御 で き る 。本 論 文 で は R C 膜 表 面 に i n i f e r t e r を 固 定 化 し て M I P を グ ラ フ ト し 、紫 外 線 照 射 時 間 と ゲ ー ト 効 果 の 関 係 を 検 討 し た 。 Theo-MIP 膜 の KL 変 化 率 と 増 減 方 向 は 、 紫 外 線 照 射 時 間 に よ り 大 き く 変 動 し 、 両者の間に単純な相関は見出せなかった。しかし、鋳型物質に対する特異選択性 を大きくする紫外線照射時間の至適値が存在することが分かった。これらの結果 は 、 MIP グ ラ フ ト 量 や 密 度 が ゲ ー ト 効 果 を 大 き く 変 化 さ せ る 要 因 で あ る こ と を 示 し て い る 。リ ビ ン グ ラ ジ カ ル 重 合 に よ り M IP 膜 を 作 製 す る こ と で 、紫 外 線 照 射 に よりゲート効果を制御できる可能性が示唆された。 ま た 、 ゲ ー ト 膜 を 設 計 す る に は 、 MIP グ ラ フ ト 量 の 制 御 だ け で は 不 十 分 で 、 密 度 を よ り 精 密 に 制 御 す る こ と が 重 要 で あ る 。 さ ら に は 、 MIP 層 の 鋳 型 物 質 に よ る 膨潤・収縮と透過速度変化の大きさの関係をより詳細に検討する必要がある。 そ こ で 第 4 章 で は 、 iniferter 固 定 化 量 を シ ラ ン カ ッ プ リ ン グ 剤 組 成 に よ り 変 化 さ せ M I P グ ラ フ ト 密 度 を 制 御 し た 。加 え て 、Wi l s o n p l o t 法 に よ り ク レ ア チ ニ ン の 拡 散 透 過 係 数 k M を 求 め 、溶 質 透 過 に 影 響 す る 境 膜 抵 抗 を 排 除 し て ゲ ー ト 効 果 を 評 価 し た 。 さ ら に 、 原 子 間 力 顕 微 鏡 （ AFM） に よ り 鋳 型 物 質 に よ る MIP 層 の 膨 潤 ・ 2.
(4) 収縮パターンを観察し、透過速度変化の大きさと膨潤・収縮の関係を検討した。 Iniferter 固 定 化 量 を 減 ら し MIP グ ラ フ ト 密 度 を 減 少 さ せ た 結 果 、 Theo-MIP は T h e o に よ っ て ク レ ア チ ニ ン の 拡 散 透 過 係 数 k M を 約 3 倍 に 増 加 さ せ た 。ま た 、A F M によりこの膜の表面形状変化を観察したところ、鋳型物質存在下において著しく 膨 潤 す る 様 子 が 観 察 さ れ た 。以 上 の 結 果 か ら 、T h e o - M I P 膜 の ゲ ー ト 効 果 は 、鋳 型 物 質 と の 相 互 作 用 に よ り M I P グ ラ フ ト 層 が 膨 潤 し 、膜 の 空 隙 率 が 著 し く 増 大 し た こ と に 起 因 す る 。ま た 、M I P グ ラ フ ト 層 の 密 度 を 低 下 さ せ る こ と に よ り 、T h e o - M I P 膜のゲート効果の大きさを顕著に増加させることができた。 4) 光 学 活 性 物 質 を イ ン プ リ ン ト し た 膜 の ゲ ー ト 効 果 Theo-MIP、 Caf-MIP は 、 鋳 型 物 質 を 識 別 し 、 膜 の 形 状 を 変 化 さ せ 、 透 過 速 度 を 変 化 さ せ る ゲ ー ト 効 果 を 示 し た 。し か し 、Theo と Caf は 、化 学 構 造 は 類 似 し て い る が 、 化 学 的 性 質 は 完 全 に 同 一 で は な い 。 し た が っ て Theo-MIP、 Caf-MIP の ゲ ー ト効果が、構造の違いを識別して生じたのではなく、化学的性質の違いに起因す る可能性が否定できない。そこで第 5 章では、光学活性物質であるフェニルアラ ニ ン を イ ン プ リ ン ト し た 膜 （ PA - M I P 膜 ）、 第 6 章 で は グ ル コ ー ス を イ ン プ リ ン ト し た 膜 （ Glc-MIP ） を 作 製 し 、 ゲ ー ト 効 果 に お け る 不 斉 識 別 能 を 検 討 し た 。 さ ら に PA は 配 位 性 モ ノ マ と の 非 共 有 結 合 、G l c は 共 有 結 合 を 利 用 す る こ と で イ ン プ リ ントし、インプリント手法の違いがゲート効果に与える影響も検討した。 その結果、光学活性物質をインプリントした膜においても、鋳型物質の存在下 で k M を 大 き く 変 化 さ せ る ゲ ー ト 効 果 が 認 め ら れ た 。ま た 、こ の ゲ ー ト 効 果 と 比 較 し て 、鋳 型 物 質 の 光 学 異 性 体 に よ る k M 変 化 は 小 さ く 、M I P に 高 い 不 斉 識 別 能 が 存 在 し た 。 さ ら に 非 共 有 結 合 型 の PA - M I P 膜 で も 、 共 有 結 合 型 の G l c - M I P 膜 で も 、 不 斉 識 別 能 が 認 め ら れ た 。 以 上 の 結 果 か ら 、 MIP 膜 の ゲ ー ト 効 果 は 、 鋳 型 物 質 と 他の物質の化学構造の違いを識別することで生じていることが示された。 5 ) M I P 膜 の Wi l s o n p l o t に お け る 傾 き の 変 化 と ゲ ー ト 効 果 T h e o - M I P, PA - M I P で は Wi l s o n p l o t に よ り k M を 算 出 し 、ゲ ー ト 効 果 を 評 価 し た 。 こ の と き 、 Wi l s o n p l o t の 傾 き が 、 鋳 型 物 質 存 在 下 で 著 し く 増 加 す る こ と が 示 さ れ た。この結果は、透析実験における溶液の攪拌速度が増加するにつれて、鋳型物 質 存 在 下 で の MIP グ ラ フ ト 層 の 形 状 変 化 が 徐 々 に 大 き く な る こ と を 示 し て い る 。 溶 液 の 流 動 状 態 の 変 化 、特 に ず り 応 力 の 変 化 が M I P 層 の 形 状 変 化 お よ び ゲ ー ト 効 果に影響を与えることが示唆された。 本 研 究 で 作 製 し た M I P 膜 は 、鋳 型 物 質 の 構 造 を 識 別 し た 上 で グ ラ フ ト 層 の 形 状 を変化させ、溶質の拡散透過速度を変化させる。このような膜は、分子認識に伴 い拡散透過速度を自動制御できるため、医療デバイス用材料として期待できる。 3.
(5) 研 究 業 績 種 類 別. 論文. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. Improvement of hydrogen peroxide sensitivity by an electrochemiluminescent method with luminal using pol yion adsorpt ion onto the e l e c t r o d e , E l e c t ro c h e m i s t r y（ 掲 載 決 定 ） , Y. Y O S H I M I , M . K A M A D A , Y. O H K AWA R A , K . H AT TO R I a n d K . S A K A I. 論文（○） E ff e c t o f e l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s o n g a t e e ff e c t i n m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l y m e r s , E l e c t ro c h e m i s t r y , 7 2 , 5 0 8 - 5 1 0 , J u l y 2 0 0 4 , K . H AT TO R I, Y. Y O S H IM I , T. I TO , K . H IR A N O , F. K O H O R I a n d K . SAKAI 論文（○） G a t e e ff e c t o f t h e o p h y l l i n e - i m p r i n t e d p o l ym e r s g r a f t e d t o t h e c e l l u l o s e b y l i v i n g r a d i c a l p o l ym e r i z a t i o n , J . M e m . S c i . , 2 3 3 , 1 6 9 - 1 7 3 , M a r c h 2 0 0 4 , K . H AT TO R I, M . H IWATA R I, C . I I YA M A , Y. Y O S H IM I, F. K O H O R I, K . S A K A I a n d S . A . P ILE T S K Y 論文（○） G a t e e f f e c t o f c e l l u l o s i c d i a l ys i s m e m b r a n e g r a f t e d w i t h m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l y m e r, J . C h e m . E n g . J p n . , 3 4 , 1 4 6 6 - 1 4 6 9 , N o v e m b e r 2 0 0 1 , K . H AT TO R I, Y. Y O S H IM I a n d K . S A K A I, 講演. N e t d e g r e e o f g a t e e ff e c t o f m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d m e m b r a n e c a n b e e v a l u a t e d b y W I LS O N P LO T, M IP 2 0 0 4 – 3 r d In t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n M o l e c u l a r I m p r i n t i n g , C a r d i ff , U n i t e d K i n g d o m , S e p t . 2 0 0 4 , K . H AT TO R I, A . S A S A K I, Y. WATA N A B E , Y. Y O S H IM I , F. K O H O R I and K. SAKAI. 講演. 溶質拡散透過速度を自動的に制御する分子認識ゲート膜の開発 化 学 工 学 会 秋 田 大 会 、 秋 田 、 2004 年 7 月 、 服 部 浩 二 、 吉 見 靖 男 小堀深、酒井清孝. 講演. C h i r a l - s e l e c t i v i t y o n g a t e e ff e c t o f p h e n yl a l a n i n e - i m p r i n t e d p o l y m e r s g r a f t e d o n t o c e l l u l o s i c m e m b r a n e , T h e 1 0 t h In t e r n a t i o n a l M e e t i n g o n C h e m i c a l S e n s o r s , Ts u k u b a , J a p a n , J u l y 2 0 0 4 , K . H AT TO R I, A . S A S A K I, Y. WATA N A B E , Y. Y O S H IM I, F. K O H O R I a n d K . S A K A I. 講演. フ ェ ニ ル ア ラ ニ ン イ ン プ リ ン ト 膜 の ゲ ー ト 効 果 に 対 す る Wi l s o n Plot 法 に よ る 精 密 評 価 、 化 学 工 学 会 第 69 年 会 、 大 阪 、 2004 年 4 月、服部浩二、佐々木啓紘、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. 分子認識に伴って溶質拡散透過速度を自動的に制御する膜の開 発 、 化 学 工 学 会 バ イ オ 部 会 メ デ ィ カ ル 分 科 会 研 究 会 、 東 京 、 2004 年 3 月 、服 部 浩 二 、吉 見 靖 男 、小 堀 深 、酒 井 清 孝 、S e r g e y A . P i l e t s k y. 5.
(6) 講演. C h i r a l r e c o g n i t i o n i n g a t e e f f e c t o f m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l ym e r g r a f t e d o n c e l l u l o s i c d i a l ys i s m e m b r a n e , S y n t h e t i c R e c e p t o r 2 0 0 3 F i r s t W o r l d C o n g r e s s o n S yn t h e t i c R e c e p t o r s , O c t o b e r 2 0 0 3 , Li s b o n , P o r t u g a l , K . H A T T O R I, A . S A S A K I, Y . W A T A N A B E , Y . Y O S H IM I , F. KOHORI and K. SAKAI. 講演. G a t e e f f e c t o f m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l ym e r g r a f t e d o n c e l l u l o s i c d i a l ys i s m e m b r a n e b y l i v i n g r a d i c a l c o p o l ym e r i z a t i o n , S yn t h e t i c R e c e p t o r 2 0 0 3 - F i r s t W o r l d C o n g r e s s o n S yn t h e t i c R e c e p t o r s , O c t o b e r 2 0 0 3 , Li s b o n , P o r t u g a l , K . H A T T O R I, M . H I W A T A R I, Y . Y O S H IM I, F . K O H O R I a n d K . S A K A I. 講演. 光学活性物質をインプリントしたポリマーのゲート効果における 不 斉 認 識 能 、 化 学 工 学 会 第 36 回 秋 季 大 会 、 仙 台 、 2003 年 9 月 、 服部浩二、渡邊優太、佐々木啓紘、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. リビングラジカル重合によって作製された分子インプリントグラ フ ト 膜 の ゲ ー ト 効 果 、 日 本 膜 学 会 25 年 会 、 東 京 、 2003 年 5 月 、 服部浩二、樋渡道士、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. テオフィリンインプリントポリマーのゲート効果の機構、電気化 学 会 創 立 70 周 年 記 念 大 会 、 東 京 、 2003 年 4 月 、 服 部 浩 二 、 伊 東 徹、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. 分子インプリントポリマーグラフト膜のゲート効果に重合条件が 与 え る 影 響 、 化 学 工 学 会 第 68 年 会 、 東 京 、 2003 年 3 月 、 服 部 浩 二、小林憲由、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. リビングラジカル重合法により分子インプリントポリマーをグラ フ ト し た 透 析 膜 の ゲ ー ト 効 果 、化 学 工 学 会 第 6 8 年 会 、東 京 、2 0 0 3 年 3 月、服部浩二、樋渡道士、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. 分子インプリント膜のゲート効果、および電解質によるゲート効 果 の 抑 制 、 日 本 人 工 臓 器 学 会 第 40 回 大 会 、 札 幌 、 2002 年 10 月 、 服部浩二、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. I n f l u e n c e o f e l e c t r o l yt e s o n t h e g a t e e ff e c t o f m o l e c u l a r l y i m p r i n t e d p o l ym e r, M I P 2 0 0 2 - 2 n d I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n M o l e c u l a r I m p r i n t i n g , L a G r a n d e M o t t e , F r a n c e , S e p t e m b e r 2 0 0 2 , K . H AT TO R I, T. ITO , Y. Y O S H IM I , F. K O H O R I a n d K . S A K A I. 講演. セルロース膜にグラフトされた分子インプリント薄膜におけるカ ル ボ キ シ ル 基 定 量 法 、 化 学 工 学 会 第 34 回 秋 季 大 会 、 札 幌 、 2001 年 9 月、服部浩二、吉見靖男、小堀深、酒井清孝. 講演. 分子インプリントのゲート効果に電解質が与える影響、日本膜学 会 第 23 年 会 、 東 京 、 2001 年 5 月 、 服 部 浩 二 、 吉 見 靖 男 、 酒 井 清 孝 6.
(7) 講演. 分子インプリントをグラフトされたセルロース膜の「ゲート効 果 」、第 1 回 高 分 子 学 会 セ パ レ ー シ ョ ン ズ サ イ エ ン ス ＆ テ ク ノ ロ ジ ー 自 由 討 論 会 、 東 京 、 2000 年 7 月 、 服 部 浩 二 、 吉 見 靖 男 、 酒 井 清 孝. 講演. Gate effect of cellulosic dial ysis membrane grafted with molecularl y i m p r i n t e d p o l ym e r , M IP 2 0 0 0 - 1 s t In t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n M o l e c u l a r I m p r i n t i n g , C a r d i ff , U n i t e d K i n g d o m , J u l y 2 0 0 0 , K . H AT TO R I, Y. Y O S H IM I a n d K . S A K A I. 講演. 分子インプリントをグラフトした透析膜の拡散透過速度に鋳型物 質 が 与 え る 影 響 、 化 学 工 学 会 第 65 年 会 、 工 学 院 大 学 、 2000 年 3 月、服部浩二、吉見靖男、酒井清孝. 7.
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