抗菌機能を付与したシリカハイブリッドナノマテリアルの開発

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17F17813
• Research Institution: Nagoya Institute of Technology
• Principal Investigator: 小幡 亜希子 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40402656)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): REARDON PHILIP 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2017-11-10 – 2020-03-31
• Keywords: 生体材料 / ハイブリッド材料 / 繊維構造体 / 抗菌

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、抗菌性イオンを導入した有機無機ハイブリッド粒子および繊維の開発を目指す。我々の研究室ではすでに、生分解性ポリマーであるポリγグルタミン酸と、シランカップリング剤の一種であるGPTMSからなるハイブリッド繊維構造体の作製に成功し報告している。この材料は、水を溶媒として用いて合成が可能であることから、生体材料として高い安全性を確保すると共に、タンパク質を変性させずに容易に担持することが可能であることも見出している。本材料に新たに抗菌性を付与することで、インプラント材料全般にて課題とされる細菌感染を防止する機能を実現する。さらに繊維構造体だけでなく、ナノ粒子の成形にも挑戦することで応用拡大を狙う。
抗菌に効果的と報告のある亜鉛や銅イオンを本ハイブリッド構造内に導入することで、材料の分解と共に各イオンが溶出し、抗菌機能が発現するシステムを目指す。一方でこれらイオンは、適切な量が供給されることで細胞の活性化を促すことも報告されていることから、イオンの供給システムについて重点的に検討する。ハイブリッド材料の組成や化学構造はもちろん、サイズや形状についてもデザインすることで、目的とする材料の実現を目指す。得られた材料については、大腸菌等を用いた抗菌性試験を実施することで材料だけでなく生物学的見地からも幅広い評価を行う。
本年度は、既報のポリγグルタミン酸・GPTMSハイブリッド材料をベースに、亜鉛イオンを導入した材料の合成について重点的に検討した。基本となるハイブリッド材料の合成方法および繊維化技術については確立されていることから、それらをベースに新たに亜鉛イオンの導入と、それに付随する材料物性の変化について評価した。形状として、まずは繊維構造体の成形のみに絞った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

水を溶媒としてポリγグルタミン酸、各種イオン源となる化合物、そしてGPTMSを混合し、得られた溶液をエレクトロスピニング法にて繊維化した。基本組成としてハイブリッド材料に含有されるカルシウムイオンの一部を、亜鉛イオンに置き換えるかたちで組成を変化させ、そのときの溶液状態及び繊維形状に対する影響を検討した。その結果、各イオンの量比に依存して繊維化の可否が変化することがわかった。これまでに検討した組成においては、カルシウムイオンが比較的多量な系においてスピニングが可能であり、かつ走査型電子顕微鏡による観察結果より均一な繊維構造体であることを確認した。得られた材料をpH=7の緩衝溶液中に浸漬し、溶液中のイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析法により測定した結果、組成によって分解速度の変化が観察された。この時、各種イオンが材料から徐放される挙動も確認され、この徐放スピードは組成中のカチオンの量比に依存した。

Strategy for Future Research Activity

亜鉛イオンを導入したタイプのハイブリッド繊維構造体の作製に成功した。しかし、抗菌機能の発現を実現するには、適したイオン量をより長期的に徐放する機能が求められる。そこで今後は、これまでに得た結果を元にさらに材料組成を検討してゆく。具体的には、ポリγグルタミン酸に対する全カチオン量比やGPTMS量比などについて組成を振り、繊維化の可否および得られた繊維構造体の物性に対する影響を観察する。
さらに、銅イオンの導入についても同様に検討を進める。これらの検討を進めることで、イオン種の違いを含めた組成設計の違いによるハイブリッド材の化学構造への影響、およびこれに伴い発生する生成物の物性への影響など、本ハイブリッド材における体系的な科学的知見の取得を目指す。
一方で、上述した検討をふまえて材料組成を絞った上で、ナノ粒子の成形についても試みる。目的とする材料が得られ次第、大腸菌等を用いた抗菌性試験をスタートさせ、実際の機能発現を確認すると共に、必要であれば材料組成の設計にフィードバックさせて改良を進める。