静電紡糸ナノファイバーの 製造と新規用途開発 九州大学 大学院工学研究院 化学工学部門 助教 境 慎司 1 研究背景 高電圧を印加 原料溶液 静電紡糸法の特徴 •さまざまな高分子溶液に適用可能 •容易に直径数十～数マイクロメートルの繊維が得られる •繊維径の制御が容易に行える(印可電圧の操作) •紡糸装置が簡便かつラボスケールの装置なら格安で作れる •得られる構造体は不織布 2 静電紡糸法に関する文献数の推移 1600 1400 ナノ繊維 1200 文献数 1000 800 600 400 200 0 1994 静電紡糸 1996 1998 2000 2002 2004 2006 発表年 古くて新しい技術 – 1934年にプラスチックの静電紡糸に関する特許 3 我々の検討対象 バイオに関わる用途にゾル-ゲル法を経て得られるシリカか らなる/シリカを含む静電紡糸ファイバーを利用 1. 無機シリカファイバーを動物細胞培養担体として利用 2. シリカ修飾酵素を含むファイバーを物質生産用反応膜とし て利用 3. 新規バイオ関連用途の開発 4 1. 動物細胞培養担体 動物細胞培養担体 細胞培養ディッシュなどの二次元培養は細胞の形態や機能 が生体内の細胞とは異なることから、生体外で生体内と同 様の三次元細胞を培養する技術が広く求められています。 さらに、実際の利用を考えると ・ オートクレーブで滅菌可能であること ・ 培養中に材料の分解が起こらないこと ・ 細胞の観察が容易であること ・ 細胞を高密度で培養可能であること をいずれも満たす担体は有用性が高い 5 1. 動物細胞培養担体 静電紡糸無機シリカファイバー不織布の特徴 • 数百ナノメートルのファイバーからなり、空隙率は95%以上 • PVA・ポリスチレン・キトサン・ゼラチンなどの静電紡糸不織 布はオートクレーブ滅菌が難しいのに対して、オートクレーブ が可能 • -Si-O-Si-の無機骨格で構成されるため化学的安定性が高い • 繊維径が細く、空隙率も高いため光を透過しやすく光学顕微鏡 でも観察しやすい 2cm 6μm 6 1. 動物細胞培養担体 細胞培養に使用した結果 Fig. ヒト骨芽細胞株 MG63のシリカファイバー上での増殖挙動. 7 1. 動物細胞培養担体 シリカファイバーに熱処理を行うと 未熱処理 ２００μm 培養１日後 培養１４日後 ２００μm 500度 熱処理 ２００μm ＳＥＭ観察写真-培養１４日目 ２００μm 容易に繊維の親疎水性をコントロールできる 8 1. 動物細胞培養担体 想定される用途 ・ 3次元細胞組織化観察実験用担体 ・ 抗体医薬等生産用バイオリアクター用培養担体 ・ 抗ガン剤および各種薬物の代謝シュミレータ用担体 ・ 再生医療用担体 9 1. 動物細胞培養担体 企業への期待 動物細胞の培養に関するニーズを持つ企業との共同 研究を希望 細胞培養担体以外にも広範な応用用途が考えられる 材料なので技術相談・各種問い合わせを歓迎します。 現在の共同研究機関： 福岡県工業技術センター, 日本バイリーン 10 本技術に関する知的財産権 【発明の名称】 ナノファイバーを含む新規スキャフォールド およびその用途 【公開番号】 特許公開２００７－３１９０７４ 【出願人】九州大学, 福岡県 【発明者】境慎司,川上幸衛,山田裕介,山口哲,金沢英一 11 2. 酵素固定化担体 酵素固定化担体 酵素は一般的な化学触媒と異なり，特異性が高く，常温常 圧の緩和な条件下で効率よく反応を触媒することから，食 品，医薬品，化学工業などに広く利用されている。 高価な酵素を再利用しやすくするために行われるのが担体 への固定化である。 http://www.agen.ufl.edu/~chyn/age4660/lect/lect_21/lect_21.htm 12 2. 酵素固定化担体 シリカ修飾リパーゼ包括ファイバー不織布の特徴 ・ 約1μmのファイバーからなり、空隙率は95%以上 ・ リパーゼの周囲には活性化のためのシリカゲルが存在する ・ 裁断によって容易に成形が可能である ・ 従来の固定化担体と比較して基質/生成物の拡散距離が短い 5 μm 13 2. 酵素固定化担体 リパーゼのシリカ修飾 リパーゼ 生体内(水中)：脂質の加水分解を触媒 有機溶媒中：エステル合成・交換反応を触媒 基質 疎水的な環境下に置くと lid リパーゼが活性化 アルキル基含有シリカ微粒子 有機溶媒中での反応において 活性の向上, 熱安定性の向上 リパーゼ 14 2. 酵素固定化担体 単位酵素量当たりの反応初速度 [μmol・min-1・mg-1] 性能評価結果 約20倍 約5倍 リパーゼ シリカ修飾 リパーゼ包括 リパーゼ包括不織布 不織布 Fig. 各試料の単位酵素量当たりの反応初速度 15 2. 酵素固定化担体 不織布の特徴を活かした流通型反応器への適用 生成物 不織布（8枚）をホルダーに固定 基質溶液 ポンプ 円形に成形した不織布 16 2. 酵素固定化担体 想定される用途 ・ バイオ燃料製造プロセスへの利用(JSTの受託研究進行中) ・ エステル交換・エステル合成反応による医薬品等の製造 17 2. 酵素固定化担体 企業への期待 現在、リパーゼを使用したプロセスを利用している、 または今後利用してみたいと考えている企業は是非 問い合わせ下さい。 特に将来の事業化に向けたシステムを扱える企業と の共同研究を希望します。 現在の共同研究機関： 福岡県工業技術センター, 日本バイリーン 18 本技術に関する知的財産権 【発明の名称】固定化酵素ナノファイバー及びその製造方法 並びに該ナノファイバーを用いた反応装置 【公開番号】 特許公開２００９－５６６９ 【出願人】九州大学, 福岡県 【発明者】境慎司,川上幸衛,安徳浩一,山口哲 19 その他の保有技術 その他の保有技術 【発明の名称】機能性キトサン誘導体、キトサン架橋物、及 びキトサン架橋物の製造方法 【公開番号】特許公開2008－174671 【出願人】九州大学,焼津水産化学工業株式会社 【発明者】境慎司,川上幸衛,山田裕介,渡辺一浩 【発明の名称】多糖質微粒子及び多糖質微粒子の製造方法 【公開番号】 特許公開2008－174510 【出願人】九州大学, 焼津水産化学工業株式会社 【発明者】境慎司,川上幸衛,橋本一郎,渡辺一浩 20 その他の保有技術 フェノール性水酸基導入キトサン 酵素反応前 酵素反応後 ・中性でも可溶 ・ペルオキシダーゼやチロシナーゼの酵素反応でゲル化する (pH7, 室温) ・W/Oエマルションを利用して薬物等包括微粒子も作製可能 21 その他の保有技術 多糖質微粒子の新たな作製法 包括直後 フェノール性水酸基導入高分子溶液 ペルオキシダー ゼを含む液滴 8日後 H2O2が拡散 H2O2を溶解させた有機溶媒 マウスES細胞から得られた胚様体様組織 100μm ・動物細胞でさえも生存を保ったまま微粒子に包括可能 ・タンパク質・水溶性の薬剤なども包括可能かつ有機溶媒中 での微粒子形成のため非常に高い包括率 22 お問い合わせ先 九州大学工学研究院化学工学部門 助教 境 慎司 ＴＥＬ ＦＡＸ e-mail 092－802 － 2768 092－802 － 2768 sakai＠chem-eng.kyushu-u.ac.jp 23
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