2021 Fiscal Year Annual Research Report

Development of super-selective ion separation membranes via biomimetic approarch

Research Project

Project/Area Number	20H02502
Research Institution	Shinshu University
Principal Investigator	佐伯大輔信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (70633832)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	膜分離 / イオン分離 / 生体模倣 / 脂質二分子膜 / イオンチャネル
Outline of Annual Research Achievements	液中から目的のイオンのみを分離する技術は、水処理を始めとして電池や医療など、様々な分野において求められているが、高効率、選択的かつ連続的に分離する技術は未だ確立されていない。一方、生体膜においては膜タンパク質などの機能性分子により効率的かつ選択的な物質輸送が行われている。本研究では、生体膜のイオン透過現象に着目し、生体分子の一種であるイオンチャネルを分離素子とした、特定のイオンのみを分離可能な超選択的イオン分離膜の創製を行う。 2021年度は下記の項目について検討した。 I）イオンチャネルの導入方法および透過性評価方法の確立：本年度は、イオンチャネルを分離素子として用いた際のイオン分離膜としての性能を見積もるため、ストップトフロー分光測定装置を用いて、pH感受性蛍光色素を内包化したamphotericin B導入リポソームのイオンの透過速度の評価方法を確立した。 II) 生体模倣型イオン分離膜の製膜方法の確立：昨年度に続き、静電相互作用を駆動力としたリポソーム融合法を用いた、透過性を有する支持体表面への固定化平面脂質膜 (SLB) の形成方法について検討した。SLBの構造や流動性を共焦点レーザー顕微鏡により評価し、支持体の表面物性や脂質組成、イオンチャネルの導入量、融合誘発剤の添加が、平面的かつ欠陥の無い脂質膜構造の形成に重要であることが分かった。 III) イオン交換膜としての性能評価方法の確立：昨年度までに設計、作製した電気透析装置を用いて、得られたSLBのイオン交換膜としての透過性評価を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason それぞれの項目について、下記の知見が得られた。 I) イオンチャネルのイオン透過速度の評価方法が確立できたことで、脂質膜組成やイオンチャネルの種類、イオン種がイオン透過速度に及ぼす影響を評価し、イオン分離膜としての性能を制御するための基礎を構築することができた。 II) SLBをイオン分離膜として用いる際には、イオンチャネルを導入するために脂質膜組成を調整する必要があるが、脂質膜組成やイオンチャネルの導入自体がSLB形成に大きく影響することが分かった。 III) 現時点では、IIのSLB形成の検討が遅れており、イオンチャネルを導入したSLBについては評価が行えていないが、SLBの形成自体が支持体の持つイオン透過性に影響を与えることが予備検討により確認できた。
Strategy for Future Research Activity	2022年度は下記の通り検討を進める。 I) 昨年度までに確立した手法により、イオンチャネルの導入方法や膜組成、イオンチャネルの種類がイオン透過速度に及ぼす影響を評価し、イオン分離膜として高い性能を発現しうる条件を確立する。 II) 得られたSLBについてIIIの評価を行い、イオン分離膜として機能させる上での問題点を確認し、必要に応じて支持体の構造やSLBの安定化方法などについての検討を行う。 III) カチオン透過性イオンチャネルを導入したSLBのイオン交換膜としての性能を評価する。Iのリポソームにおける評価結果を基に、IIの製膜方法の検討へフィードバックし、イオン交換膜としての機能発現を目指す。