環状トポロジーに立脚した新奇高分子材料開発

• Project/Area Number: 22K18334
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 35:Polymers, organic materials, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 山本 拓矢 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30525986)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥25,610,000 (Direct Cost: ¥19,700,000、Indirect Cost: ¥5,910,000); Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2023: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 環状高分子 / PEG

Outline of Research at the Start

環状高分子は、対応する直鎖状高分子とは『かたち（トポロジー）』の違いから物性が異なること（トポロジー効果）が知られており、学術的関心から近年様々な研究が行われている。しかし、実際のところ、多少のトポロジー効果の発現は古くから知られているものの、これら僅かな違いを材料分野の応用として展開するのは難しいと考えられていた。本研究は、研究代表者の発見に基づき、環状高分子の「かたち（トポロジー）」に立脚した新奇現象を追究し、様々な官能基化された環状高分子の合成、およびそれらを複合化した機能材料の創出を行うものである。

Outline of Annual Research Achievements

金ナノ粒子（AuNPs）は、そのサイズや形状の制御可能性、光学特性や低毒性から、ドラッグデリバリーキャリアやイメージング応用の面で注目を集めている。中でも、生体適合性が高く水溶性のポリエチレングリコール（PEG）によるAuNPsの表面修飾、すなわち「PEG化」は、生物学的関連分野への応用に用いられている。最近我々は、環状構造を持つPEG（c-PEG）がAuNPs表面に物理吸着して複合体（AuNPs/c-PEG）を形成し、生理的条件や加熱条件など様々な環境下で高い分散安定性を示すことを明らかにした。しかし、AuNPsとc-PEGの相互作用や吸着状態については、未だ不明な点が多い。本研究では、様々な官能基を有する低分子チオールをAuNPs/c-PEGに添加し、吸着したc-PEG分子の状態をDLS、ゼータ電位、NMR測定により評価し、c-PEGの吸着性能と金表面の官能基種との相関を調べた。さらに、あらかじめ様々な低分子チオールで表面修飾したAuNPsにc-PEGを添加し、添加順序の影響を調査した。その結果、各種低分子チオールのAuNPs表面に吸着したc-PEGの置換能が確かめられ、3-メルカプトプロピオン酸（MPA）の添加によりAuNPs/c-PEGの粒径が減少し、分散安定性が維持されることが確認された。また、MPAにおいてその濃度依存性についても確かめられ、c-PEGの分子量依存性についても確認された。ゼータ電位、NMRの測定からMPAの添加によってAuNPs表面に吸着していたc-PEGの脱離が確認され、一定濃度以上のMPAの添加によって起こるAuNPs/c-PEGの粒径の減少もc-PEGの脱離によって引き起こされることが判明した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

c-PEGをあらかじめ吸着させたAuNPs複合体の水分散液に対しDLSによる粒子径の変化から、AuNPs表面のc-PEGに対する低分子量チオールの添加効果を評価した。その結果、（2-メルカプトエタノール（MCE）と3-メルカプトプロピオン酸（MPA）の添加により、複合体の粒子径は元のAuNPsと同じ程度まで減少し、AuNPs表面からc-PEGが脱離したことが示唆された。一方、2-メルカプトエチルアミン(MEA)を添加しても、大きなサイズ縮小は起こらず、システイン(Cys)の場合、一部のc-PEGのみが置換されたことが示唆された。
次に、MPAの濃度依存性を調べたところ、10e-4 M以上の領域でAuNPs/c-PEG複合体の著しいサイズ減少が観察され、5e-3 M以上では元のAuNPsと同等の粒子サイズとなった。さらに、MPAを添加したc-PEG/AuNPs複合体のNMR測定では、c-PEG由来のNMRシグナルが観測され、粒子径の減少がc-PEGの脱離によるものであることが確認された。また、MPA添加によるゼータ電位の低下もc-PEGの脱離を示していた。すなわち、適切な低分子チオールを用いることで、AuNPs表面との相互作用を制御することができ、c-PEGを脱離させることに成功した。
最後に、粒子径20 nmのAuNPs水分散液を、MCE、MEA、MPA、CysであらかじめAuNPs表面に修飾した。これらにc-PEGを加え粒子径を測定した。その結果、MCE、MPA、Cysで修飾したAuNPの粒子径はc-PEG添加後もほとんど変化しなかったことから、c-PEGは様々な表面官能基を持つAuNPに吸着しないことが示唆された。一方、MEAの添加はAuNPsの凝集を誘導した。以上の結果より、研究は概ね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、さらに多様な低分子チオールを検討し、c-PEGの吸着特性を精査する。また、分光分析、熱分析、中性子散乱・反射率測定による構造解析、および分子動力学シミュレーションを通して吸着原理を明らかにする。加えて、多環構造や開裂性の官能基を環の一部に導入することで、外部刺激がトリガーとなるナノ粒子の物性制御を目指す。さらに、金ナノロッド、銀ナノ粒子、酸化鉄粒子などの金属酸化物のナノ粒子や量子ドット、フラーレンやカーボンナノチューブ等の炭素系ナノ材料やタンパク質、および脂質ナノ粒子やPolyion ComplexのDDS材料への展開を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Molecular Weight-Dependent Oxidation and Optoelectronic Properties of Defect-Free Macrocyclic Poly(3-hexylthiophene) (2023)
  • Author(s): Sato Ryohei、Utagawa Atsuo、Fushimi Koji、Li Feng、Isono Takuya、Tajima Kenji、Satoh Toshifumi、Sato Shin-ichiro、Hirata Hiroshi、Kikkawa Yoshihiro、Yamamoto Takuya
  • Journal Title: Polymers Volume: 15 Issue: 3 Pages: 666-666
  • DOI: 10.3390/polym15030666
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Size Control and Enhanced Stability of Silver Nanoparticles by Cyclic Poly(ethylene glycol) (2022)
  • Author(s): Wang Yubo、Quinsaat Jose Enrico Quijano、Li Feng、Isono Takuya、Tajima Kenji、Satoh Toshifumi、Sato Shin-ichiro、Yamamoto Takuya
  • Journal Title: Polymers Volume: 14 Issue: 21 Pages: 4535-4535
  • DOI: 10.3390/polym14214535
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Topology and Sequence-Dependent Micellization and Phase Separation of Pluronic L35, L64, 10R5, and 17R4: Effects of Cyclization and the Chain Ends (2022)
  • Author(s): Watanabe Tomohisa、Wang Yubo、Ono Tomoko、Chimura Satoru、Isono Takuya、Tajima Kenji、Satoh Toshifumi、Sato Shin-ichiro、Ida Daichi、Yamamoto Takuya
  • Journal Title: Polymers Volume: 14 Issue: 9 Pages: 1823-1823
  • DOI: 10.3390/polym14091823
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 金ナノ粒子に吸着した環状ポリエチレングリコールの定量と界面構造の探索 (2024)
  • Author(s): 山崎正人、山本拓矢
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2024年冬季研究発表会
• [Presentation] 環状PEGが金ナノ粒子表面に吸着する相互作用の熱力学的解析 (2024)
  • Author(s): 高塚慧、山本拓矢
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2024年冬季研究発表会
• [Presentation] 低分子チオールによる金ナノ粒子表面に吸着した環状ポリエチレングリコールの置換と物性変化 (2024)
  • Author(s): 丸山侑祈、Bincy Akkoli Pottammal、山崎正人、山本拓矢
  • Organizer: 第58回北海道支部研究発表会
• [Presentation] ホモキラルな直鎖状 環状ポリプロピレングリコールの合成とキラルカラムを用いたトポロジカルおよび光学分割 (2024)
  • Author(s): 田中友規、木下裕奈、小野朋子、山本拓矢
  • Organizer: 第58回北海道支部研究発表会
• [Presentation] 酸開裂部位を有する環状ポリエチレングリコールのトポロジー変換制御 (2023)
  • Author(s): 山崎正人、渡邉智久、山本拓矢
  • Organizer: 第72回高分子学会年次大会
• [Presentation] Polymer topology effects on the self-assembly of cyclized Pluronic surfactants (2023)
  • Author(s): Tomohisa Watanabe, Takuya Yamamoto
  • Organizer: Annual Meeting of the Belgian Polymer Group (BPG Annual Meeting 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小角中性子散乱による環状ポリエチレングリコール－金ナノ粒子複合体の構造解析 (2023)
  • Author(s): 渡邉智久、岩瀬裕希、領木研之、山本拓矢
  • Organizer: 日本中性子科学会第23回年会
• [Presentation] 環状ホモキラルit-PPGの合成およびトポロジーと立体規則性効果の探索 (2023)
  • Author(s): 木下 祐奈、山本 拓矢
  • Organizer: 第57回北海道支部研究発表会
• [Presentation] 環状化プルロニック界面活性剤が形成するミセルにおける高分子トポロジーの効果 (2022)
  • Author(s): 渡邉 智久、井田 大地、領木 研之、山本 拓矢
  • Organizer: 第71回高分子年次大会
• [Presentation] 環状化PEGおよびPluronicの温度応答性に対する高分子トポロジー効果 (2022)
  • Author(s): 渡邉 智久、井田 大地、領木 研之、山本 拓矢
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 環状化PEGおよびPluronicによるフラーレンの水分散化 (2022)
  • Author(s): オウ ギョクハク、平田 拓、山本 拓矢
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 環状ポリエチレングリコールのナノ粒子表面への吸着特性解析 (2022)
  • Author(s): 高塚 慧、渡邉 智久、山本 拓矢
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 酸開裂能を有する環状ポリエチレングリコールの合成 (2022)
  • Author(s): 山崎 正人、山本 拓矢
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 酸開裂部位を有する環状ポリエチレングリコールの合成および刺激応答性金ナノ粒子分散安定剤としての検討 (2022)
  • Author(s): 山崎 正人、山本 拓矢
  • Organizer: 第73回コロイドおよび界面化学討論会