総 説
フラーレンナノアーキテクトニクス：
ゼロ次元からの多彩な自己組織化構造
Fullerene Nanoarchitectonics: Rich Possibilities in
Organized Structures from Zero-Dimensional Unit
連絡者 ：有賀 克彦 E-mail ：[email protected] 論文要旨：ナノテクノロジーの次に何が来るのが「ナノアーキテクトニクス（ナノからの建築学）」である。 本稿では，ナノアーキテクトニクスの可能性の高さを示すため，単一元素（炭素）からなるゼロ次元分子で あるフラーレン分子（C60，C70など）から，いかに多様な構造体が形作られるかを，最近の研究例をもとに 例示する。この目的通り，液－液界面析出法（LLIP）のようなサンプル瓶とピペットで行えるような手法で， 一次元，二次元，三次元，あるいはそれらが組み合わさったような階層構造がゼロ次元分子から生み出され ることが分かった。場合によっては，その集合過程は時間や刺激によって制御されうり，細胞や生物個体に 見られるような分化や変態という生物ならではの過程を，炭素物質で模倣できることをも示した。また，逆 に，フラーレン集合体を用いての生物の制御も可能で，幹細胞の増殖・分化制御をフラーレン集合構造を担 持した表面で行うことも可能であった。
Abstract: What comes next after nanotechnology is "nanoarchitectonics" (materials construction from nanoscale). In this review paper, in order to illustrate the high potential of nanoarchitectonics, we exemplified how a wide variety of structures can be formed from fullerene molecules (e.g. C60 and C70),
which are zero-dimensional molecular units composed of a single element (carbon). It has been found that hierarchical structures of one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional, and hierarchical (based on various dimensional motifs) can be nanoarchitected from zero-dimensional molecules using techniques such as lab-bench procedure, liquid-liquid interfacial precipitation (LLIP). In some cases, the assembly process and their sequences can be controlled by time and stimuli, inducing structural shifts of fullerene assemblies to mimic the unique biological processes of differentiation and metamor-phosis that occur in cells and individual organisms. Conversely, it is also possible to use fullerene as-semblies to control living cells, such as the proliferation and differentiation of stem cells, on surfaces bearing fullerene assembly nanoarchitectures.
Key words: fullerene, liquid interface, nanoarchitectonics, self-assembly, stem cell
Lok Kumar SHRESTHA
物質・材料研究機構 WPI
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 〒 305-0044
茨城県つくば市並木 1-1
Lok Kumar SHRESTHA
WPI Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS) 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki
305-0044, Japan.
有賀 克彦
1, 2 1 物質・材料研究機構 WPI 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 〒 305-0044 茨城県つくば市並木 1-1 2 東京大学大学院新領域創成科学研究科 2 〒 277-8561 千葉県柏市柏の葉 5-1-5 Katsuhiko ARIGA1, 21 WPI Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS)
1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305-0044, Japan.
2 Graduate School of Frontier Sciences, The University of Tokyo
2 5-1-5 Kashiwanoha, Kashiwa, Chiba
1 ナノアーキテクトニクスとは ナノテクノロジーはだれもが知るところとなってき た。諸説あるが，リチャード・ファインマン博士の講義 「There’s Plenty of Room at the Bottom」で，ナノスケー ルの物質や現象に対する重要性が提起されたといわれて いる。その後，走査型トンネル顕微鏡などの発明によっ て原子や分子を直接観察できるようになり，微細加工技 術の発達によって微細・集積化が可能になり，ナノサイ エンス・ナノテクノロジーが現実化した。ナノスケール の物体・現象を観察し，それを生かした機能を開発する 研究の流れが 20 世紀後半には確立した。 その次に何が来るのか？我々が今展開しているのが 「ナノアーキテクトニクス（ナノからの建築学）」である1）。 これは，ナノスケールの部品（原子，分子，ナノ物質） を用い，建築するように機能物質を開発する方法論であ る。ナノテクノロジーの知識を駆使し，有機化学，超分 子化学，物質科学，生物学などの技術をミックスし，ナ ノ構造の特性をフルに生かした機能物質を作製するもの である。ナノアーキテクトニクスをこの意味で初めて 使ったのは，青野正和博士が主催した「1st internation- al symposium on nanoarchitectonics using suprainter-actions（NASI-1）」というシンポジウムである。このシ ンポジウムが開かれたのが 2000 年であるので，ナノアー キテクトニクスは 21 世紀の科学技術を背負う概念とい えるかもしれない。 本稿では，ナノアーキテクトニクスの可能性の高さを 示すため，単一元素（炭素）からなるゼロ次元分子であ るフラーレン分子（C60，C70など）から，いかに多様な 構造体が形作られるかを，最近の研究例をもとに例示す る2）。多様な例を示すことが目的なので，比較的表層的 な表現で，多くの例を挙げていくことをご容赦願いたい。 2 様々な次元性を持つフラーレン集合体 ゼロ次元フラーレンから多種多様な構造体を単なる超 分子集合で作ることができる。その方法論は極めて簡単 で液－液界面析出法（Liquid-Liquid Interfacial Precipi-tation, LLIP）という方法を使う。これは，フラーレン をその良溶媒に溶かし，そこに混ざり合わない貧溶媒を 静かに加えることにより，その界面でフラーレンの超分 子集合体を得る方法で，サンプル瓶とピンセットだけで 精密構造を作る手法である。溶媒の組み合わせや条件を 変えるだけで，多種多様な次元のフラーレン集合体が得 られる（Fig. 1）。
一次元のナノロッドやナノチューブは，C60のメシチ レン溶液の上に静かに tert- ブチルアルコールやイソプ ロピルアルコールを加えることによって作成された。こ れを，真空下 2000℃で根地処理するとフラーレン構造 は壊れ融合してグラフィティックな炭素構造になるが， ロッドやチューブといった一次元構造は保持されること が分かった3）。 六角形やひし形をしたナノシートのような二次元構造 も，同様なプロセスで作ることができる。例えば，多様 な孔構造を持つ二次元の六角形ナノシート（ヘキサゴン） が溶媒の組み合わせを変えるだけで，孔構造を調整しな がら作製できる4）。これらの二次元ナノシートは，四塩 化炭素とベンゼンの混合溶液とイソプロピルアルコール の界面で得られる。二次元のナノシートの面に垂直に孔 があくわけであるが，四塩化炭素とベンゼンの混合比を 変えるだけで，孔径を 15 から 25 nm の範囲でチューニ ングすることができた。 サイコロのような三次元的なキュービック構造の形成 もいくつかの系で報告されている。その 1 つの例は， Ag（I）イオンの存在下での立方体型の C60の集合体の 形成である5）。これは，Ag（I）イオンと C 60分子のオ ルガノメタリックコンプレックスの単位構造を反映した ものである。この三次元的なキュービック型集合体をブ チルアルコールやイソプロピルアルコールで洗うと， Ag（I）イオンが除かれていって，全体的にキュービッ ク構造を保ったまま，その内部ではナノロッドが入り組 んだような複雑な三次元構造体が得られた。 様々な構造のフラーレン集合体が得られている。ゴー ヤのような擬似一次元異形フラーレン（C60）集合体も 同様に作製可能である6）。透過型電子顕微鏡観察によっ て，ナノポーラス構造が内包されていることが確認され た。ゴーヤ型のフラーレンをコーティングした水晶発振 子を用いて，溶媒蒸気に対するセンシング特性を調べ た。センサー出力は，アニリン＞トルエン＞ベンゼン＞ エタノール＞ヘキサン＞シクロヘキサン＞メタノール＞ 水であり，芳香族ゲストに対して高いセンシング特性を 示した。 3 階層構造を持つフラーレン集合体 前項の最後の例に示すように，集合体の形成に加えて 追加操作を行うと，集合構造の変化が誘起されて階層的 な構造が得られることがある。単純な平衡状態に基づく Self-Assembly 過程に対して，いくつかの過程を組み合 わせて非対称で階層的な構造を作っていくのがナノアー キテクトニクスの特徴でもある7）。例えば，メシチレン と tert- ブチルアルコールの界面で超音波を緩やかに照 射しながら C70分子を集合させると，表面がスムーズな 三次元のキュービックな集合構造が形成された。キュー ビック集合体をイソプロピルアルコールに緩やかに振動 させながら接すると，なめらかな表面が構造変化を起こ していき，表面から一次元のナノロッドが垂直に生え， 各面から垂直にロッドが伸展している階層的な構造体が 得られる。さらに詳しく観察すると，そのナノロッドに は無数のナノ孔が存在することが分かった。総じていう と，メインのキュービック構造がありその表面から一回 り小さい一次元のナノロッドが生えており，そのナノ ロッドにはさらに小さい孔構造が存在するという，階層 構造が形成されているのである8）。 キュービック構造の各面に大きな孔が 1 つずつあいた 階層構造も得られる。メシチレン /tert- ブチルアルコー ル溶媒系のある条件で C70分子を集合させると，一辺 3.5 µm 程度のキュービック構造の各面の中央に直径 1-1.5 µm 程度の孔があいた Hole-on-Cube 型の階層構造が得 られた9）。このマイクロポアは，マイクロ粒子の選別認 識に用いることができる。例えば，ほぼ同じ大きさの高 分子樹脂のマイクロ粒子と炭化したグラフィティックな マイクロ粒子の孔への取り込みを比較したところ，グラ フィティックなマイクロ粒子を優先的にトラップした （Fig. 2）。C70集合体の表面とグラフィティック粒子のア ロマティックな炭素の表面との間の親和性により，選択 性のある粒子選別がなされているものと考えられる。こ れは，PM2.5などの公害粒子の除去に有用かもしれない。 マイクロ粒子に対する捕捉能のあるフラーレン集合体 として，フラーレンマイクロホーンというキュベット状 構造も報告されている10）。まず，C 60と C70分子を所定
Fig. 2 Selective entrapment of graphitic carbon particle over polymer resin particle into a hole on C70 cube.
の比でメシチレンに溶かした後，tert- ブチルアルコー ルを加えて沈殿させると，両者が混合したフラーレンマ イクロチューブが得られる。溶媒を蒸発させていると 1 本のマイクロチューブの真ん中が細くなっていき，最終 的には 2 つのマイクロホーンを生ずる。マイクロホーン は角のように片方がとがっており片方には孔が開いてい る。このマイクロホーンによるマイクロ粒子の取り込み を調べたところ，ウイルス粒子のモデルであるシリカマ イクロ粒子が，カーボンマイクロ粒子やポリマーマイク ロ粒子の数倍から 10 倍の選択性で取り込まれることが 明らかになった。カーボンマイクロホーンの表面には弱 い電荷があり，親水的で電荷のあるシリカマイクロ粒子 と静電的に相互作用して取り込まれていると推定され る。 4 生物のように分化していくフラーレン集合体 このような研究で取り扱っているフラーレンの集合体 は，基本的に非共有結合で自己集合している物体なので， その形を自在に変えうる。この特性を生かして，細胞が 分化していくような，あるいは生物が変態していくよう な超分子集合体を作ることができる。細胞分化は，卵か らカエルのオタマジャクシへの成長に見られるように， 生物の形状を劇的に変化させる。以下の例では，フラー レン誘導体の簡単な自己組織化により，このような生物 学的分化を模倣できることを示す。 ペンタキス（フェニル）フラーレンとペンタキス（4-ドデシルフェニル）フラーレンの 2 つの C60フラーレン 誘導体を用い，それらの液－液界面における相分離とそ れに引き続く集合構造の選択的成長によって，カエルの 卵からオタマジャクシへの変化のような超分子分化・変 態現象を再現することができた11）（Fig. 3）。この 2 つの フラーレンをイソプロピルアルコールとトルエンの界面 で共集合させると，卵のような球状構造が得られ，時間 とともにペンタキス（フェニル）フラーレン本体の球状 表面に，孤立したペンタキス（4- ドデシルフェニル）フ ラーレンのパッチ状ドメインの相分離が生じた。超音波 処理で 2 つの系を混合して均一な集合体に変化させる と，ペンタキス（4- ドデシルフェニル）フラーレンの筒 状の集合体が選択的に成長し，オタマジャクシ状構造へ の形状変化が達成された。相分離した 1 つのドメインか らは，1 つのペンタキス（4- ドデシルフェニル）フラー レンの尾部しか形成されない。相分離したパッチドメイ ンの数は時間依存的な特徴を持っていたため，成長した 尾の数は均一な自己集合モードへの変換のタイミングで 決まる。 このように生体成分を一切使用しないプロセスで，基 本的な物理化学的事象を駆使することによって，分化・ 変態のような生物現象を模倣できる。いろいろな条件で 違う形態のものを産み出す多形現象を示すのは容易であ るが，時間とともに形態が変わっていくような分化現象・
変態現象を超分子系で実現するのは大きなチャレンジで ある。 5 生物の分化を制御するフラーレン集合体 このようなフラーレンの集合体構造やそれを熱処理し てカーボン素材としたものは，様々な用途に使われる。 例えば，フラーレン集合体を配列固定化した基板表面は， 幹細胞の増殖・分化制御に用いることができる。 組織や細胞は常に様々な機械的刺激にさらされてお り，それらが生体活動を制御している。サイトカインや 成長因子などの生化学物質は , 細胞膜上の受容体を介し て細胞内の反応を媒介する。様々な力学的特徴を持つ表 面構造の開発は細胞工学にとっても大変重要なことなの である。細胞や組織のメカニカルな反応や影響を研究す る分野は，メカノバイオロジーと呼ばれている。細胞の 増殖，分化，さらには死は，メカノトランスダクション を介したメカニカルな刺激によって誘導されうる。 固体表面に配向した一次元フラーレン（C60）ナノウィ スカーを C2C12 筋芽細胞の細胞足場として用いている 例を報告した12）。フラーレンナノウィスカーは , まず液 －液界面析出法（LLIP）により作製し , 次に Langmuir-Blodgett 法により固体表面に高度に配向した集合体と して固定化した。次に，配向したフラーレンナノウィス カー足場上での C2C12 筋芽細胞の細胞接着と成長方向 を調べた。配向した硬いナノカーボン材料上で細胞を培 養すると，筋形成の初期段階で多角形の筋芽細胞から細 長い細胞へと細胞形状が劇的に変化し，さらにそれらが 融合して筋管を形成することが分かった。このケースで は，一次元的にパターン化された硬いナノカーボン材料 である配向フラーレンナノウィスカー上に，有向性の筋 管が形成されるとともに，筋原性の分化が著しく促進さ れることが確認された。 幹細胞を用いた治療医学においては，幹細胞のような 多能型を長期的に維持することが重要な課題となってい る。硬いフラーレンナノウィスカーの一次元整列構造を 用いると，拡散，配向，局所的な力学的相互作用などが 細胞増殖挙動に大きな影響を与え，間葉系幹細胞の自己 再生を促進することが分かった13）。細胞増殖と同時に， 長期的な多能性の維持が可能である。今回開発された技 術は，フラーレンナノウィスカーのパターン化された表 面をセンチメートルサイズの大面積で作製することがで きるため，組織工学や臨床現場での幹細胞の in vitro 応 用に有用であると考えられる。 6 おわりに 本稿では，ナノアーキテクトニクス（ナノからの建築 学）の有用性を示すため，単一元素（炭素）からなるゼ ロ次元分子（ナノ部品）であるフラーレン（C60や C70 分子）から多様な構造や機能物質が，自発的なあるいは 外的因子による刺激のもとの集合過程で形作られていく ことを示した。この目的通り，液－液界面析出法（LLIP） のような簡単な手法で，一次元，二次元，三次元，ある いはそれらが組み合わさったような階層構造がゼロ次元 分子から生み出されることが分かった。場合によっては， その集合過程は時間や刺激によって制御されうり，細胞 や生物個体に見られるような分化や変態という生物なら ではの過程を，炭素物質で模倣できることをも示した。 また，逆に，フラーレン集合体を用いての生物の制御も 可能で，幹細胞の増殖・分化制御をフラーレン集合構造 を担持した表面で行うこともできることを示した。本稿 では，あえて単純なゼロ次元ユニットであるフラーレン を例として取り上げたが，もちろん，このようなナノアー キテクトニクスによる機能系創成は様々な分子や物質に 適用されうるものである。 文 献 1） Ariga, K. Small Sci. 1, 2000032（2021）． 2） Ariga, K.; Shrestha, L.K. Mater. Adv. 2, 582-597（2021）． 3） Shrestha, L.K.; Shrestha, R.G.; Yamauchi, Y.; Hill, J.P.; Nishimura, T.; Miyazawa, K.; Kawai, T.; Okada, S.; Wakabayashi, K.; Ariga, K. Angew. Chem. Int. Ed. 54, 951-955（2015）．
4） Shrestha, L.K.; Yamauchi, Y.; Hill, J.P.; Miyazawa, K.; Ariga, K. J. Am. Chem. Soc. 135, 586-589（2013）． 5） Shrestha, L.K.; Sathish, M.; Hill, J.P.; Miyazawa, K.;
Tsuruoka, T.; Sanchez-Ballester, N.M.; Honma, I.; Ji, Q.; Ariga, K. J. Mater. Chem. C 1, 1174-1181（2013）． 6） Furuuchi, N.; Shrestha, R.G.; Yamashita, Y.; Hirao, T.;
Ariga, K.; Shrestha, L.K. Sensors 19, 267（2019）． 7） Ariga, K.; Jia, X.; Song, J.; Hill, J.P.; Leong, D.T.; Jia, Y.;
Li, J. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 15424-15446（2020）． 8） Bairi, P.; Minami, K.; Nakanishi, W.; Hill, J.P.; Ariga, K.; Shrestha, L.K. ACS Nano 10, 6631-6637（2016）． 9） Bairi, P.; Minami, K.; Hill, J.P.; Ariga, K.; Shrestha, L.K. ACS Nano 11, 7790-7796（2017）． 10） Tang, Q.; Maji, S.; Jiang, B.; Sun, J.; Zhao, W.; Hill, J.P.; Ariga, K.; Fuchs, H.; Ji, Q.; Shrestha, L.K. ACS Nano 13, 14005-14012（2019）． 11） Bairi, P.; Minami, K.; Hill, J.P.; Nakanishi, W.; Shrestha, L.K.; Liu, C.; Harano, K.; Nakamura, E.; Ariga, K. ACS Nano 10, 8796-8802（2016）． 12） Minami, K.; Kasuya, Y.; Yamazaki, T.; Ji, Q.; Nakanishi, W.; Hill, J.P.; Sakai, H.; Ariga, K. Adv. Mater. 27, 4020-4026（2015）． 13） Jia, X.; Minami, K.; Uto, K.; Chang, A.C.; Hill, J.P.; Na-kanishi, J.; Ariga, K. Adv. Mater. 32, 1905942（2020）．
