博 士 論 文 概 要
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(2) 近年、微少量で迅速な反応・分離・分析を実現させるマイクロ流体システムの 開 発 が 著 し い 進 歩 を 遂 げ て い る 。マ イ ク ロ 化 学 プ ロ セ ス の 基 礎 と な っ て い る の は 、 微小空間における物理化学的特性や高い比表面積である。つまり、マイクロ流路 内の材料表面の物性がプロセス効率に大きく反映され、表面科学的知見から流路 表面を改質する試みがなされている。このような界面での分子間相互作用の解明 は、材料表面の特性を活かしたデバイス創製や微小空間での最適なプロセス設計 に欠くことのできない情報となる。 外部刺激に応答し物理化学的性質を変化させる機能性高分子の基材表面への導 入は、マイクロ流路界面での分子間相互作用を容易に制御できる手段として有効 と考えられる。本研究では、温度刺激で水との親和性を可逆的に制御しうる機能 性 高 分 子 の ポ リ ( N - イ ソ プ ロ ピ ル ア ク リ ル ア ミ ド ) ( P I PA A m ) を 固 定 化 し た 表 面 に 着 目 し た 。P I PA A m は 水 溶 液 中 で 下 限 臨 界 溶 液 温 度 ( L C S T ) を 境 に 水 分 子 と の 親 和 性 が 不 連 続 に 変 化 し 、基 材 表 面 に 導 入 す る と 、温 度 変 化 の み で 表 面 の 親 水 性 / 疎 水 性が可逆的に変化する。 本論文では、新規マイクロ流体デバイス表面を設計し、温度応答性界面と分子 と の 相 互 作 用 を 解 析 し た 。 P I PA A m 固 定 化 表 面 は 温 度 変 化 に 応 答 し て 水 分 子 や 疎 水 性 物 質 と の 親 和 性 を 制 御 で き る 。材 料 表 面 に P I PA A m 分 子 を 精 密 に 制 御 し 導 入 したナノ界面での水分子との相互作用を明らかにし、温度制御による流体の on-off ス イ ッ チ ン グ を 可 能 と す る イ ン テ リ ジ ェ ン ト 表 面 を 開 発 し た 。 さ ら に 、 表 面 グ ラ フ ト 構 造 の 観 点 か ら P I PA A m 修 飾 界 面 と 生 理 活 性 物 質 と の 相 互 作 用 を 解 析し、温度変化によって生体分子の溶出挙動を動的に制御しうるマイクロ流体シ ステムを提案した。 本論文は 6 章より構成される。 第 1 章では、本論文の背景となる既往研究についてまとめるとともに、本論文 の目的を述べた。固体表面への高分子の精密グラフト手法と高分子グラフト界面 での微視的な力学的解析から、高分子グラフト表面を利用したマイクロ流体シス テムへの応用に至るまでの既往研究を議論した。さらに、温度応答性高分子の P I PA A m を グ ラ フ ト し た 基 材 表 面 の イ ン テ リ ジ ェ ン ト バ イ オ マ テ リ ア ル と し て の 応用研究を記述した。これらの背景のもと、本論文の目的と意義を議論した。 第 2 章 で は 、 表 面 開 始 ラ ジ カ ル 重 合 お よ び 電 子 線 照 射 重 合 に よ り 、 P I PA A m を 内腔表面のみにグラフトしたシリカキャピラリーを調製した。キャピラリー内表 面 の ぬ れ 性 を 評 価 し 、い ず れ の P I PA A m 修 飾 キ ャ ピ ラ リ ー で も メ ニ ス カ ス 高 さ が 約 3 0 ℃ を 境 に 急 激 に 変 化 し た 。こ の と き 、キ ャ ピ ラ リ ー 内 径 の 変 化 に 関 わ ら ず 所 定 温 度 で の 接 触 角 は 一 定 で あ っ た 。こ の 結 果 は 、キ ャ ピ ラ リ ー 内 腔 表 面 へ の 修 飾 、 お よ び グ ラ フ ト さ れ た P I PA A m 層 の 水 和・膨 潤 に よ る 内 径 変 化 は 無 視 で き る こ と を 示 唆 し 、実 際 に 電 子 顕 微 鏡 観 察 や P I PA A m 修 飾 カ バ ー ガ ラ ス 表 面 の 温 度 に 応 答 し た P I PA A m 層 の 厚 み 変 化 か ら も 、内 径 変 化 は き わ め て 小 さ い こ と が 実 証 さ れ た 。 1.
(3) この温度応答性キャピラリー内で水を送液すると、相転移温度以下できわめて大 きな送液圧を要するのに対し、高温側で未処理キャピラリーと同等の低い送液圧 と な る こ と を 見 い だ し た 。ま た 、小 さ な 温 度 変 化 で 再 現 性 よ く 完 全 な 流 れ の o n - o f f スイッチングを実現した。この結果は、マイクロ空間での表面特性を利用し、ナ ノ メ ー ト ル レ ベ ル で 表 面 グ ラ フ ト さ れ た P I PA A m 層 の 温 度 変 化 に よ る 水 和 / 脱 水 和変化がマイクロ流体の流れに大きく影響することを示している。このような結 果 は こ れ ま で 例 が 無 く 、 P I PA A m 修 飾 キ ャ ピ ラ リ ー を 用 い た 新 規 な 温 度 制 御 型 マ イ ク ロ 流 体 on-off ス イ ッ チ ン グ バ ル ブ シ ス テ ム を 構 築 で き た 。 第 3 章 では 、温 度応答 性界 面で の 水分子 や生 理活 性 物質の 相互 作用 を 詳細に 検 討 す る た め に 、表 面 開 始 原 子 移 動 ラ ジ カ ル 重 合 ( AT R P ) 法 を 用 い て 精 密 に グ ラ フ ト 制 御 さ れ た P I PA A m 修 飾 表 面 の 調 製 し た 。 表 面 開 始 AT R P 法 に よ る P I PA A m 修 飾表面は、高い平滑性を維持したまま、リビング重合の特徴である重合時間の増 加に伴うポリマー厚みの直線的な増加が確認された。これらの表面の温度変化に 応 答 し た 表 面 ぬ れ 性 特 性 は 、 重 合 時 間 の 延 長 に と も な い LCST 以 下 で は よ り 親 水 性 を 示 し た の に 対 し 、L C S T 以 上 で は 重 合 時 間 に 依 ら ず ほ ぼ 一 定 で あ っ た 。次 に 、 AT R P 重 合 開 始 剤 の 導 入 密 度 を 制 御 し 、 P I PA A ｍ グ ラ フ ト 密 度 が 表 面 ぬ れ 性 に 与 え る 影 響 を 検 討 し た 。 L C S T 以 下 で は P I PA A m グ ラ フ ト 密 度 の 増 加 に と も な い 親 水 性 が 増 加 す る 一 方 、高 温 側 で は 密 度 に 依 ら ず 一 定 で あ っ た 。す な わ ち 、P I PA A m グラフト量の増加とともに膨潤時の親水性度が大きくなり、凝集時は自由末端 P I PA A m 鎖 が 強 く 疎 水 性 凝 集 し 、 ほ ぼ 一 定 の 疎 水 性 を 示 し た と 考 え ら れ た 。 以 上 よ り 、表 面 開 始 AT R P 法 に よ り P I PA A m 層 厚 み と グ ラ フ ト 密 度 を 三 次 元 的 に 制 御 し、表面ぬれ性を変化させられる温度応答性表面の作製に成功した。 第 4 章 で は 、表 面 開 始 AT R P 法 に よ り 高 い 平 滑 性 を 有 す る P I PA A m 修 飾 雲 母 表 面を調製し、水存在下で温度を変化させたときの共振表面ずり伝達の距離依存性 を 測 定 し た 。 2 5 ℃ で は 、 P I PA A m 修 飾 雲 母 表 面 間 が 長 距 離 分 離 し て い る 状 態 か ら ず り 伝 達 が 生 じ た の に 対 し 、3 5 ℃ で は 凝 集 時 の P I PA A m 層 間 の 接 触 に 基 づ く 距 離 か ら ず り 伝 達 が 生 じ た 。 こ の 結 果 は 、 LCST 以 下 で の 表 面 に グ ラ フ ト さ れ た P I PA A m 層 の 膨 潤 挙 動 を 考 慮 し て も 、さ ら に 遠 距 離 か ら の P I PA A m 修 飾 雲 母 表 面 間の相互作用が生起していることを示している。既往研究より、この遠距離から の ず り 伝 達 は 水 分 子 の み の 構 造 化 と い う よ り も 、 P I PA A m 分 子 鎖 と 水 分 子 と の 水 素結合と側鎖イソプロピル基の疎水性水和による影響が大きいと考えられた。こ の 結 果 は 第 ２ 章 で 示 し た P I PA A m 修 飾 キ ャ ピ ラ リ ー か ら な る マ イ ク ロ 流 体 バ ル ブ シ ス テ ム で 、相 転 移 温 度 以 下 で の 表 面 グ ラ フ ト P I PA A m 層 と 水 分 子 と の 強 い 相 互作用が送液圧増加の要因となっている可能性を示唆している。 第 5 章 で は 、 表 面 P I PA A ｍ 層 厚 み と 密 度 を AT R P 法 に よ り 変 化 さ せ た と き の P I PA A m 修 飾 表 面 と 培 養 細 胞 と の 相 互 作 用 を 、 血 管 内 皮 細 胞 の 接 着 挙 動 か ら 考 察 し た 。 P I PA A m 修 飾 表 面 で は 、 P I PA A m 層 厚 み の 増 加 に と も な い 血 管 内 皮 細 胞 の 2.
(4) 接 着 が 抑 制 さ れ 、 P I PA A m 層 厚 み 3 0 n m 以 上 で 細 胞 伸 展 が ほ と ん ど 観 察 さ れ ず 、 細 胞 非 接 着 性 表 面 と な っ た 。同 様 に 低 密 度 P I PA A m 修 飾 表 面 上 で も ポ リ マ ー 厚 み の増加にともない、顕著に細胞接着性が低下した。これは、培養細胞の接着に表 面 固 定 化 さ れ た P I PA A m 分 子 鎖 長 と そ の 水 和 変 化 が 大 き く 寄 与 す る こ と を 示 し て い る 。 次 に 、 P I PA A m 層 厚 み と 密 度 を 考 慮 し た ポ リ マ ー グ ラ フ ト 量 で 規 格 化 す る と 、低 密 度 P I PA A m 修 飾 表 面 ほ ど ポ リ マ ー グ ラ フ ト 量 の 増 加 に 伴 う 細 胞 非 接 着 性 が 強 く 発 現 す る こ と が わ か っ た 。 P I PA A m 修 飾 表 面 と 培 養 細 胞 と の 相 互 作 用 制 御 に は 、 表 面 グ ラ フ ト さ れ た ポ リ マ ー 量 に 加 え 、 P I PA A m 分 子 鎖 の 運 動 性 を 考 慮 した表面設計が重要であることが示された。 第 6 章 で は 、表 面 グ ラ フ ト さ れ た P I PA A m 鎖 の 分 子 構 造 の 違 い に 伴 う P I PA A m 修飾表面と疎水性生体分子との相互作用を解析し、マイクロ流体システムを利用 した生体分子の溶出制御を検討した。生体分子として疎水性ステロイド類を選択 し 、 表 面 開 始 AT R P 法 に よ る 高 密 度 自 由 末 端 鎖 P I PA A m 修 飾 中 空 キ ャ ピ ラ リ ー 、 電 子 線 重 合 法 で 調 製 し た 三 次 元 架 橋 P I PA A m 修 飾 多 孔 性 モ ノ リ ス キ ャ ピ ラ リ ー か ら の 溶 出 挙 動 を 検 討 し た 。高 密 度 自 由 末 端 P I PA A m 鎖 修 飾 キ ャ ピ ラ リ ー は 、温 度 上 昇 に と も な い ス テ ロ イ ド 類 の 保 持 時 間 が P I PA A m 修 飾 モ ノ リ ス キ ャ ピ ラ リ ー よ り も 顕 著 に 延 長 し た 。 疎 水 性 の 高 い テ ス ト ス テ ロ ン に 関 し て 、 P I PA A m 修 飾 モノリスキャピラリーでは温度上昇にともないピーク幅が増大したのに対し、 P I PA A m 修 飾 中 空 キ ャ ピ ラ リ ー で は 温 度 上 昇 と と も に ピ ー ク が よ り 対 称 性 を 示 し た 。多 孔 性 モ ノ リ ス キ ャ ピ ラ リ ー 中 に グ ラ フ ト さ れ た P I PA A m は ハ イ ド ロ ゲ ル 層 を形成し、高温側ではテストステロンとの疎水性相互作用とゲル内への溶質の拡 散 で テ ー リ ン グ を 誘 発 す る 一 方 、 AT R P 法 で 調 製 し た 表 面 は 高 密 度 で 鎖 長 制 御 さ れ た P I PA A m 層 が 形 成 さ れ た 結 果 、 温 度 に 応 答 し た P I PA A m 鎖 の 運 動 性 が 非 常 に 高 く 、 ス テ ロ イ ド 分 子 の 拡 散 な し に 効 率 よ く 保 持 し た 。 以 上 よ り 、 AT R P 法 に よ る 高 密 度 で 鎖 長 制 御 さ れ た P I PA A m グ ラ フ ト 構 造 を マ イ ク ロ 流 路 表 面 に 適 用 し、カラムクロマトグラフィーで用いる充填剤を使うことなく、高効率に生理活 性物質を分離する新しい分離システムへの応用の可能性が示された。 以上のように本論文では、精密制御された温度応答性インテリジェント表面を 新規に調製し、その界面とさまざまな分子との相互作用を表面科学的観点から解 析した。表面にグラフトされた高分子の構築構造、ポリマー厚みおよびグラフト 密度が水分子や生体由来の生理活性物質との相互作用にきわめて大きな影響を与 えることを見出し、リビングラジカル重合表面でこれらの相互作用を制御できる ことを示した。さらに、マイクロ流体システムへの応用により、マクロスケール では実現できない流動状態や相互作用の制御に有効であることを明らかとした。. 3.
(5) 研 究 業 績 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. ○論文. Thermal Modulated Interaction of Aqueous Steroids Using Polymer-Grafted Capillaries Langmuir, accepted Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Yoshikatsu Akiyama, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. ○論文. Microfluidics Valves Comprising Nanolayer Thermoresponsive Polymer-Grafted Capillaries Adv. Mater., Sept. 22, 2005, published online. Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. ○論文. Aqueous Elution Control in Wettability Modulated Microchannels Grafted Thermoresponsive Polymers; 9th Int. Conf. On Micro Total Analysis Systems; µTAS2005, Boston, 2005, 2, p. 1264-1266 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. ○論文. Thermoresponsive Polymer Brushes For Modulated Interactions With Bioactive Compounds Polym. Prepr., The 230th National Meeting & Exposition of the American Chemical Society, Washington, DC, 2005, 46(2), p. 124-125. Akihiko Kikuchi, Naokazu Idota, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. ○論文. Thermal Control of Aqueous Fluidics in Microchannels Grafted with Thermoresponsive Polymer 8th Int. Conf. On Micro Total Analysis Systems; µTAS2004, Malmo, 2004, 1, p. 584-586 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 講演. Aqueous Elution Control in Wettability Modulated Microchannels Grafted Thermoresponsive Polymers 9th Int. Conf. On Micro Total Analysis Systems; µTAS2005, Boston (USA), Oct. 2005 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 講演. ATRP による温度応答性表面のぬれ性制御と生体分子の溶出特性 第 54 回高分子討論会, 山形大学(山形), 2005 年 9 月 高分子学会予稿集, 2005, 54, p. 5147-5148 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 表面開始リビングラジカル重合でナノスケール厚みを制御した温度応答性表面と培養細 胞との相互作用 第 16 回高分子ゲル研究討論会, 東京大学(東京), 2005 年 1 月 第 16 回高分子ゲル研究討論会講演 予稿集, 2005, p. 107-108 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. Aqueous Micro-LC for Separation of Hydrophobic Bioactive Compounds Utilizing High-density Thermoresponsive Polymer Grafted Nanobio Interface in Capillary 4th Asia International Symposium on Biomaterials, Tsukuba (Japan), Nov. 2004 4th Asia Int. Symposium on Biomater. Proc., 2004, p. 294 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 5. with. with.
(6) 研 究 業 績 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 講演. リビングラジカル重合により鎖長制御した温度応答性高分子修飾表面上での培養細胞の 接着/脱着挙動の評価 日本バイオマテリアル学会シンポジウム 2004, つくば国際会議場(茨城), 2004 年 11 月 日本バイオマテリアル学会シンポジウム 2004 予稿集, 2004, p. 127 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. Thermal Control of Aqueous Fluidics in Microchannels Grafted with Thermoresponsive Polymer 8th Int. Conf. On Micro Total Analysis Systems 2004, Malmo (Sweden), Sep. 2004 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 講演. 鎖長制御した温度応答性マイクロチャンネル内での生体分子の溶出特性評価 第 53 回高分子討論会, 北海道大学(北海道), 2004 年 9 月 高分子学会予稿集, 2004, 53, p. 4462-4463 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 温度応答性高分子の高密度グラフト表面の調製〜高分子層厚みの細胞接着挙動に与える 影響〜 第 33 回医用高分子シンポジウム, 上智大学(東京), 2004 年 7 月 講演予稿集 第 33 回医用高分子シンポジウム, 2004, p. 71-72 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 高密度でグラフトされた温度応答性高分子修飾表面上での生理活性物質の保持制御 第 53 回高分子学会年次大会, 神戸国際会議場(兵庫), 2004 年 5 月 高分子学会予稿集, 2004, 53, p. 1990 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 温度応答性内表面を有する微小流路内での疎水性生理活性物質の溶出制御 第 9 回化学とマイクロ・ナノシステム研究会, 京都大学(京都), 2004 年 5 月 第 9 回化学とマイクロ・ナノシステム研究会 講演予稿集, 2004, p. 43 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 温度変化で生体分子の溶出制御を可能にする高密度グラフト界面の調製 化学工学会第 69 年会, 大阪府立大学(大阪), 2004 年 4 月 化学工学会第 69 年会 研究発表講演予稿集, 2004 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 微小空間における温度応答性インテリジェント界面と生理活性物質との相互作用解析 第 13 回インテリジェント材料/システムシンポジウム, 化学会館(東京), 2004 年 3 月 第 13 回インテリジェント材料/システムシンポジウム 講演予稿集, 2004, p. 32-33 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 6.
(7) 研 究 業 績 種 類 別. 題名、. 発表・発行掲載誌名、. 発表・発行年月、. 連名者（申請者含む）. 講演. 水系マイクロ LC 分離を目指した温度応答性高分子修飾キャピラリーの調製 第 25 回日本バイオマテリアル学会大会, 大阪国際会議場(大阪), 2003 年 12 月 第 25 回日本バイオマテリアル学会大会 予稿集, 2003, p. 361 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. Preparation of Thermoresponsive Hydrogel-grafted Capillary Tubings for Elution Control of Hydrophobic Bioactive Compounds. ISSP International Workshops GEL Sympo 2003, University of Tokyo (Japan), Nov. 2003 ISSP Int. Workshops GEL Sympo 2003 Preprints, 2003, p. 122 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 講演. Microfluidics を利用した温度応答性表面と生理活性物質との相互作用特性の評価 第 52 回高分子討論会, 山口大学(山口), 2003 年 9 月 高分子学会予稿集, 2003, 52, p. 4041-4042 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. Preparation of Thermo-responsive Capillaries for Elution Control of Hydrophobic Bioactive Compounds on Microfluidic System 2003 Fall Meeting of the Korea Society for Biomaterials, Hannam University (Korea), Sep. 2003 2003 Fall Meeting of the Korea Soc. for Biomater. Transaction, 2003, p. 323-324 Naokazu Idota, Akihiko Kikuchi, Jun Kobayashi, Kiyotaka Sakai, Teruo Okano. 講演. 温度応答性キャピラリーを用いた生理活性物質の溶出挙動制御 化学工学会第 36 回秋季大会, 東北大学(宮城), 2003 年 9 月 化学工学会 第 36 回秋季大会 研究発表講演要旨集, 2003 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. ぬれを大きく変化させる温度応答性キャピラリーの作製と生体分子の相互作用 第 32 回医用高分子シンポジウム, 上智大学(東京), 2003 年 7 月 講演予稿集 第 32 回医用高分子シンポジウム, 2003, p. 23-24 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. 温度応答性キャピラリー表面と生理活性物質との相互作用の検討 第 52 回高分子学会年次大会, 名古屋国際会議場(愛知), 2003 年 5 月 高分子学会予稿集, 2003, 52, p. 788 井戸田直和, 菊池明彦, 小林純, 酒井清孝, 岡野光夫. 講演. コンピュータシミュレーションによる外部灌流中空糸膜型人工肺の至適設計 日本医工学治療学会第 15 回学術大会, 北海道厚生年金会館(北海道), 2000 年 8 月 日本医工学治療学会第 15 回学術大会 抄録集, 2000, p. 71 井戸田直和, 松岡靖晃, 小堀深, 酒井清孝, 田原耕一郎, 桑名克之. 7.
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