JP6598234B2 - Sericin-copper phosphate hybrid structure, production method thereof, and heavy metal ion adsorbent - Google Patents
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Description
本発明は有機−無機ハイブリッド構造体に関し、特にセリシンと硫酸銅から作製することができるセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体及びその製造方法とそれを用いた重金属イオン除去の応用に関する。 The present invention relates to an organic-inorganic hybrid structure, and more particularly to a sericin-copper phosphate hybrid structure that can be prepared from sericin and copper sulfate, a method for producing the same, and an application of heavy metal ion removal using the same.
無機と有機の構成要素とを組み合わせた機能的ハイブリッド(hybrid)構造の持つ無数の自然パターンの構造的な複雑さ、作成の容易さ及び応用の可能性は常に研究者を魅了し、それらの組み立て過程を理解し制御する努力を鼓舞し続けてきた(非特許文献1〜3)。全体がミクロンスケールのサイズを持ち、構成する部位はナノスケールの複雑な部品からできている階層的ハイブリッド構造を実験室ベースで合成しようというアプローチは、充分に定義された構造物を製造する際と同程度に精緻な水準で制御できていない(非特許文献4〜8)。生体分子から生成される有機−無機ハイブリッドの「花状構造体」(生物無機ハイブリッド体(bioinorganic hybrid)とも称する)は、その生触媒作用(biocatalysis)、薬物送達、バイオセンシング等の広い応用(非特許文献9〜12)を有するために、最近ますます関心を集めている。生体分子と無機材料との相互作用は、ハイブリッド材料自体の持つ機能性をさらに増大させる役割を果たす。稠密構造の球体あるいは多面体のようなコンパクト構造と比較して、階層的な花状構造ははるかに大きな表面積を有し、また多孔性を有していればその機能性がさらに一層拡大される(非特許文献9)。ナノスケールの花状構造体のコアに生体分子を固定し取り込むことで、溶液中を自由に動き回る分子に比べてより大きな活性、耐久性及び安定性を示すようになる(非特許文献9〜13)。また、ハイブリッド構造体に含まれた生体分子を、構成する階層的モルフォロジーを壊すことなく取り除くことができれば、生体分子が入っていた場所は空き領域になり、多孔性及び表面積は増大する。このような手法によって作り出された構造体は、優れた触媒となりうる(非特許文献14)。 The structural complexity, ease of creation and potential application of the myriad natural patterns of a functional hybrid structure combining inorganic and organic components has always fascinated researchers and assembled them It has continued to inspire efforts to understand and control the process (Non-Patent Documents 1 to 3). The approach of synthesizing a hierarchical hybrid structure, which has a micron-scale size as a whole and is composed of complex parts of nanoscale on a laboratory basis, is used to produce a well-defined structure. It cannot be controlled at the same level of precision (Non-Patent Documents 4 to 8). Organic-inorganic hybrid “flower-like structures” (also referred to as bioinorganic hybrids) produced from biomolecules are widely used in biocatalysis, drug delivery, biosensing, etc. In order to have patent documents 9 to 12), there has been an increasing interest recently. The interaction between the biomolecule and the inorganic material plays a role of further increasing the functionality of the hybrid material itself. Compared to compact structures such as dense spheres or polyhedrons, hierarchical flower-like structures have a much larger surface area, and if porous, their functionality is further expanded ( Non-patent document 9). By immobilizing and taking in biomolecules in the core of the nanoscale flower-like structure, it shows greater activity, durability and stability than molecules that move around freely in the solution (Non-Patent Documents 9 to 13). ). In addition, if the biomolecules contained in the hybrid structure can be removed without breaking the hierarchical morphology that constitutes the structure, the place where the biomolecules were contained becomes an empty area, and the porosity and surface area increase. A structure produced by such a method can be an excellent catalyst (Non-Patent Document 14).
生物分子ハイブリッド体はその組み合わせられた機能の応用によるだけではなく、化学的に多様であり、組成が柔軟であり、また生体適合性が良好であることから、これを製造することに多大な努力が注がれてきた。しかしながら、これまでに報告されたところでは、階層的な生物無機ハイブリッド体の大部分は酵素分子を使用して作製されている。従って、多様な側面での可能性を探索するため、他の機能性生体分子を実現することが強く求められる。 Biomolecular hybrids are not only due to the application of their combined functions, but are also chemically diverse, flexible in composition, and have good biocompatibility, making great efforts to produce them. Has been poured. However, as reported so far, most of the hierarchical bio-inorganic hybrids have been made using enzyme molecules. Therefore, in order to explore possibilities in various aspects, it is strongly required to realize other functional biomolecules.
天然の高分子であるシルク(絹)は大いに有望な生体ポリマーの一つであるが、シルクは数千年間に渡って織物業及び医療用途における伝統的な用途の面で豊かな歴史を有している(非特許文献15、16)。シルクは簡単に入手でき、機械的強度、光学特性及び生体適合性が良好であり、また劣化の管理が可能であることから、シルクは多機能先端材料の有望な候補となっている(非特許文献15〜17)。 Silk, a natural polymer, is one of the most promising biopolymers, but it has a rich history of traditional uses in textile and medical applications for thousands of years. (Non-Patent Documents 15 and 16). Silk is a promising candidate for multifunctional advanced materials because it is readily available, has good mechanical strength, optical properties and biocompatibility, and is capable of managing degradation (non-patented) References 15-17).
最近の大きな進展により、フォトニクス(非特許文献18)、リソグラフィー用レジスト(非特許文献19)、微細構造パターン(非特許文献20)、生物医学的機器(非特許文献21)及び薬剤送達(非特許文献22)へのシルクの応用についての希望の持てる新たな可能性が明らかにされ、これによって、シルク応用のホストとして用いるためのシルクベース材料を多重スケールで作製するための革新的な手法を更に開発することが必要となった。蚕から得られたシルクは主に2種類のたんぱく質、すなわち繊維のコア部分のタンパク質であるフィブロイン(fibroin)及びセリシン(sericin)と呼ばれる膠質タンパク質(glue protein)からなる。セリシンはフィブロイン繊維上に連続した粘着性の層となって被覆し、シルク繊維同士を接着することによって繭を生成する。不溶性のフィブロインとは異なり、セリシンは良好な親水性、生分解性、並びに酸化、バクテリア及び紫外光への耐性などの独特な特性を有する(非特許文献23〜26)。セリシンはまた各種の生物学的活性及び薬理的機能を示す一方、培養基に添加することによって細胞の付着、成長及び増殖を増進する(非特許文献28、29)。 Recent major developments include photonics (Non-Patent Document 18), lithographic resists (Non-Patent Document 19), microstructure patterns (Non-Patent Document 20), biomedical devices (Non-Patent Document 21) and drug delivery (Non-Patent Documents). 22) A new hopeful possibility for the application of silk to ref. 22) has been clarified, which further provides an innovative method for producing silk-based materials on multiple scales for use as a host for silk applications. It became necessary to develop. Silk obtained from silkworms is mainly composed of two types of proteins, namely, fibroin, which is a protein in the core of the fiber, and glue protein called sericin. Sericin is coated as a continuous adhesive layer on fibroin fibers, and silk fibers are bonded together to produce wrinkles. Unlike insoluble fibroin, sericin has unique properties such as good hydrophilicity, biodegradability, and resistance to oxidation, bacteria and ultraviolet light (Non-Patent Documents 23 to 26). Sericin also exhibits various biological activities and pharmacological functions, while promoting cell attachment, growth and proliferation by addition to culture media (Non-patent Documents 28 and 29).
このような各種の有利な性質があるにもかかわらず、機能性構造の作製のためにセリシンを使用することは、セリシンを処理して有用な材料を得ることが困難であるために、これまでに充分に研究されてきたフィブロインに比較すると、その範囲は依然として限られている。しかし、最近のいくつかの研究でシルクのセリシンの興味深い応用が調べられ、セリシンの有用性についての新たな展望が開かれた(非特許文献29、30)。 Despite these various advantageous properties, the use of sericin for the creation of functional structures has hitherto been difficult because it is difficult to process sericin to obtain useful materials. Compared to fibroin, which has been well studied, its scope is still limited. However, several recent studies have explored interesting applications of silk sericin and opened up new perspectives on the usefulness of sericin (29, 30).
このような可能性は別としても、階層的なハイブリッド花状構造体を作成するためにセリシンを選択することを強く動機付ける2つの主要な理由がある。第1に、セリシンが有するアミノ酸の大部分は水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のような強い極性を持つ分子鎖を有している点にある。その結果、セリシンは水溶性を有し、金属と強く結合する特徴を持つ(非特許文献17、31)。第2には、セリシンは非常に安価であって豊富に得られる材料であって、通常は生糸製造の際の脱ガムプロセスの間の副産物として廃棄されてきた(非特許文献17)点にある。 Apart from this possibility, there are two main reasons that strongly motivate the selection of sericin to create hierarchical hybrid floral structures. Firstly, most of the amino acids possessed by sericin have molecular chains having strong polarities such as hydroxyl groups, carboxyl groups and amino groups. As a result, sericin is water-soluble and has a characteristic of strongly binding to metal (Non-patent Documents 17 and 31). Secondly, sericin is a very cheap and abundant material that has usually been discarded as a by-product during the degumming process during raw silk production (Non-Patent Document 17). .
本発明は、上述した従来技術の問題点を解消し、生糸製造の際の副産物として充分に利用が進んでいなかったセリシンを使用して、複雑なナノ構造を有するセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体(以下、セリシン−リン酸銅ハイブリッド花状構造体、あるいは単にハイブリッド花状構造体と称する)を提供することをその課題とする。また、水に溶けた重金属イオンを除去するため、このハイブリッド構造体を利用することにある。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and uses sericin that has not been sufficiently utilized as a by-product in raw silk production, and uses a sericin-copper phosphate hybrid structure having a complex nanostructure. It is an object of the present invention to provide a body (hereinafter referred to as a sericin-copper phosphate hybrid floral structure or simply a hybrid floral structure). Another object is to use this hybrid structure to remove heavy metal ions dissolved in water.
本発明の一側面によれば、一または複数のセリシン−リン酸銅ハイブリッドナノシートが互いに積み重なったシートを複数枚有し、前記複数のシートが中心部から互いに異なる方向に伸びるように前記中心部で結合されたセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体が与えられる。
ここで、前記ハイブリッド構造体は略球状の形状を有してよい。
また、前記ハイブリッド構造体のサイズが2〜20μmの範囲であってよい。
また、前記シートの平均厚さは200〜600nmの範囲であってよい。
また、前記セリシン−リン酸銅複合体ナノシートの平均厚さは15〜50nmの範囲であってよい。
また、前記シートが細孔を有してよい。
本発明の他の側面によれば、前記何れかのセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体の、一または複数のセリシン−リン酸銅ハイブリッドナノシートが互いに積み重なったシートを複数枚有し、前記複数のシートが中心部から互いに異なる方向に伸びるように前記中心部で結合された構造の花状モルフォロジーを有し、かつ前記セリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体からセリシンが除かれたリン酸銅構造体が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、セリシン及び銅イオンを含むリン酸緩衝液からの沈殿としてセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体を製造する方法が与えられる。
ここで、前記リン酸緩衝液は更に塩素イオンを含んでよい。
また、前記銅イオンは、前記リン酸緩衝液への硫酸銅の添加によって与えられてよい。
また、セリシンの濃度が0.1〜0.3mg/mLであり、前記銅イオンを与える硫酸銅の濃度が1〜3mMであってよい。
あるいは、セリシンの濃度が0.01〜0.05mg/mLであり、前記銅イオンを与える硫酸銅の濃度が0.1〜0.5mMであってよい。
あるいは、セリシンの濃度が0.4〜1mg/mLであり、前記銅イオンを与える硫酸銅の濃度が4〜10mMであってよい。
本発明の更に他の側面によれば、前記何れかの方法によって製造されたセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体を熱処理することで前記セリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体の、一または複数のセリシン−リン酸銅ハイブリッドナノシートが互いに積み重なったシートを複数枚有し、前記複数のシートが中心部から互いに異なる方向に伸びるように前記中心部で結合された構造の花状モルフォロジーを維持したままで前記セリシンを除去する、リン酸銅構造体の製造方法が与えられる。
本発明の更に他の側面によれば、前記何れかのセリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体からなる重金属イオン吸着剤が与えられる。
ここで、前記重金属イオンは鉛、水銀及びカドミウムからなる群から選択される一または複数の元素のイオンであってよい。
According to an aspect of the present invention, the center portion includes a plurality of sheets in which one or a plurality of sericin-copper phosphate hybrid nanosheets are stacked on each other, and the plurality of sheets extend in different directions from the center portion. A bound sericin-copper phosphate hybrid structure is provided.
Here, the hybrid structure may have a substantially spherical shape.
The size of the hybrid structure may be in the range of 2 to 20 μm.
The average thickness of the sheet may be in the range of 200 to 600 nm.
The average thickness of the sericin-copper phosphate composite nanosheet may be in the range of 15 to 50 nm.
The sheet may have pores.
According to another aspect of the present invention, the sericin-copper phosphate hybrid structure has a plurality of sheets in which one or a plurality of sericin-copper phosphate hybrid nanosheets are stacked, and the plurality of sheets Provided with a copper phosphate structure having a flower- like morphology of structures connected at the center so as to extend in different directions from the center , and having sericin removed from the sericin-copper phosphate hybrid structure. It is done.
According to yet another aspect of the present invention, a method is provided for producing a sericin-copper phosphate hybrid structure as a precipitate from a phosphate buffer containing sericin and copper ions.
Here, the phosphate buffer may further contain chloride ions.
The copper ions may be provided by adding copper sulfate to the phosphate buffer.
Moreover, the density | concentration of sericin may be 0.1-0.3 mg / mL, and the density | concentration of the copper sulfate which gives the said copper ion may be 1-3 mM.
Or the density | concentration of sericin may be 0.01-0.05 mg / mL, and the density | concentration of the copper sulfate which gives the said copper ion may be 0.1-0.5 mM.
Or the density | concentration of sericin may be 0.4-1 mg / mL, and the density | concentration of the copper sulfate which gives the said copper ion may be 4-10 mM.
According to still another aspect of the present invention , one or a plurality of sericin-containing sericin-copper phosphate hybrid structures are obtained by heat-treating the sericin-copper phosphate hybrid structures manufactured by any of the above methods. The sericin has a plurality of sheets in which copper phosphate hybrid nanosheets are stacked on each other, and maintains the flower- like morphology of the structure in which the plurality of sheets extend from the central part in different directions. A method of manufacturing a copper phosphate structure is provided that removes.
According to still another aspect of the present invention, there is provided a heavy metal ion adsorbent comprising any one of the sericin-copper phosphate hybrid structures.
Here, the heavy metal ion may be an ion of one or more elements selected from the group consisting of lead, mercury and cadmium.
本発明によれば、従来の同種の材料よりも更に表面積の大きなハイブリッド構造体を、より短時間で作製することができる。更に、このハイブリッド構造体を高温アニールすることによって、その全体的な構造を維持したままで多孔性がさらに増大した構造体を作製することができる。 According to the present invention, a hybrid structure having a larger surface area than a conventional similar material can be produced in a shorter time. Further, by annealing the hybrid structure at a high temperature, it is possible to produce a structure having a further increased porosity while maintaining the overall structure.
本発明の一態様によれば、シルクタンパク質であるセリシンを有機成分とし、リン酸銅(II)を無機成分とした、本来的なたんぱく質構造を改変しない、ワンポット式の共沈法により、複雑な有機−無機ハイブリッド花状構造体が制御された態様で製造される。この有機−無機ハイブリッド花状構造体は各種の顕微鏡技術及び分光技術により完全に特徴を明らかにすることができる。本願発明者は以前に、成長のスケーラビリティに適合させる目的で、生物ハイブリッド花状構造体の形成のための生体分子及び金属イオンの成長条件を最適化した。合成されたハイブリッド構造の花状モルフォロジーはセリシンの濃度及びリン酸緩衝溶液の強度に大きく依存する。更には、この多孔質ハイブリッド構造の表面積が対応する金属リン酸塩に比べて顕著に増大することも観察された。これは、多様な応用の観点から非常に重要である。 According to one aspect of the present invention, a complex one-pot coprecipitation method that uses silk protein sericin as an organic component and copper (II) phosphate as an inorganic component and does not modify the original protein structure. An organic-inorganic hybrid floral structure is produced in a controlled manner. This organic-inorganic hybrid floral structure can be fully characterized by various microscopic and spectroscopic techniques. The inventor has previously optimized the growth conditions of biomolecules and metal ions for the formation of biohybrid floral structures in order to adapt to growth scalability. The floral morphology of the synthesized hybrid structure is highly dependent on the concentration of sericin and the strength of the phosphate buffer solution. Furthermore, it was observed that the surface area of this porous hybrid structure was significantly increased compared to the corresponding metal phosphate. This is very important from the viewpoint of various applications.
このハイブリッド花状構造体のサイズは2〜20μmが好ましい。また、ハイブリッド花状構造体の「花弁」部分はセリシン−リン酸銅ハイブリッドナノシートが互いに積み重なった構造を有するが、個々のナノシートの平均厚さは好ましくは15〜50nmであり、花弁全体の厚さは好ましくは200〜600nmである。 The size of the hybrid floral structure is preferably 2 to 20 μm. The “petal” portion of the hybrid flower-like structure has a structure in which sericin-copper phosphate hybrid nanosheets are stacked on each other, but the average thickness of each nanosheet is preferably 15 to 50 nm, and the total petal thickness Is preferably 200 to 600 nm.
更には、成長したままの状態のハイブリッド花状構造体はか焼によりセリシン分子を完全に消散させると、花状構造体の花弁部の多孔性が顕著に増大するが、良好な熱的安定性を示す。このようなか焼後の状態では、花状構造体は有機−無機ハイブリッドという特徴は失われているが、か焼前の構造体のモルフォロジーを維持しつつ、多孔性がより顕著になり、しかも有機物を含まないために高温の使用環境に耐えることができるなどの有用な特徴を有している。 Furthermore, when the hybrid flower-like structure in an as-grown state completely dissipates the sericin molecules by calcination, the porosity of the petal portion of the flower-like structure is significantly increased, but good thermal stability is achieved. Indicates. In such a state after calcination, the flower-like structure loses the characteristics of an organic-inorganic hybrid, but the porosity becomes more remarkable while maintaining the morphology of the structure before calcination, and the organic matter It has useful characteristics such as being able to withstand high temperature use environment because it does not contain.
本発明の構造体の利用の一例として、以下で説明する実施例において、実施例で作製したハイブリッド花状構造体が水中から鉛イオンを吸着する能力を有することを示す。 As an example of utilization of the structure of the present invention, in the examples described below, it is shown that the hybrid flower-like structures produced in the examples have the ability to adsorb lead ions from water.
以下実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。ここで、当然のことであるが、以下の実施例は本発明の理解を助けるためのものであり、本発明を限定する意図はないことに注意されたい。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. Here, it should be noted that the following examples are intended to assist the understanding of the present invention and are not intended to limit the present invention.
シルクタンパク質であるセリシン−無機物ハイブリッド花状構造体の合成のための本発明の一実施例に基づく一般的な手順を図1に示す。典型的な実験では、CuSO4水溶液(1mM)を、シルクタンパク質であるセリシンの透明溶液(0.1mg/mL)を含む10mMのリン酸緩衝化生理的食塩水(1X PBS、pH7.4)に添加した。その結果の混合液を数分間穏やかに振盪し、室温(約25℃)で放置した。12時間後、多孔質で一様に成長した花状構造を有する大量の青色の沈殿物が現れた。これに対して、セリシン単独の1X PBS溶液ではセリシンは自己集合して各種の直径のナノ粒子を形成し、また硫酸銅単独の1X PBS溶液からは硫酸銅の大きな結晶となって沈殿したが、これらにおいては花状モルフォロジーはその痕跡も見られなかった。 A general procedure according to one embodiment of the present invention for the synthesis of a silk protein sericin-inorganic hybrid floral structure is shown in FIG. In a typical experiment, an aqueous CuSO 4 solution (1 mM) was added to 10 mM phosphate buffered saline (1 × PBS, pH 7.4) containing a clear solution of silk protein sericin (0.1 mg / mL). Added. The resulting mixture was gently shaken for a few minutes and left at room temperature (about 25 ° C.). After 12 hours, a large amount of blue precipitate appeared, having a porous and uniformly grown flower-like structure. In contrast, in sericin alone 1X PBS solution, sericin self-assembles to form nanoparticles of various diameters, and from copper sulfate alone 1X PBS solution precipitates as large crystals of copper sulfate, In these, no traces of flower morphology were seen.
図2(a)は一つのハイブリッド花状構造体(平均サイズ6〜8μm)の走査電子顕微鏡(SEM)像を示す。このSEM像は200〜600nmの範囲の厚さを有する花弁(図2(b))がはっきりした階層構成を有していることを示している。詳細に観察したところ、個々の花弁は実際には互いに貼りついた数10枚のナノシート(平均厚さ15〜30nm)の組み合わせであって、これらの表面に多数の細孔あるいは亀裂が存在する(図2(c)、(d))ことが判明した。 FIG. 2A shows a scanning electron microscope (SEM) image of one hybrid flower-like structure (average size 6 to 8 μm). This SEM image shows that petals (FIG. 2 (b)) having a thickness in the range of 200 to 600 nm have a clear hierarchical structure. When observed in detail, each petal is actually a combination of several tens of nanosheets (average thickness 15-30 nm) attached to each other, and there are numerous pores or cracks on these surfaces ( 2 (c) and (d)) were found.
ハイブリッド花状構造体の透過電子顕微鏡(TEM)像及びレーザー走査顕微鏡(LSM)像をそれぞれ図2(c)及び図2(g)に示す。ここで、ナノシート花弁の一つの結晶格子縞が高分解能TEM像によりはっきりと観察される(図2(c)の差し込み図)。ハイブリッド花状構造体のエネルギー分散X線(EDX)解析によりC、O、P、Cl及びCuの存在が示された(図3)。X線回折(XRD)を用いてハイブリッド花状構造体の結晶構造を調べた。鋭く強い回折ピークから、アモルファス状のシルクセリシンと異なった、ハイブリッド花状構造体の高度に結晶化した特性が確認され、またこれらのピークは図4に示すようにCu3(PO4)2・3H2Oのそれに良くあてはまった。更に、X線光電子解析(XPS)を行うことで、このハイブリッド材料の個々の成分及びそれらの原子濃度を調べた。その結果を表1並びに図5及び図6に示す。特性結合エネルギーのピークはハイブリッド構造中にタンパク質分子及びリン酸銅が存在することを明確に示している。 A transmission electron microscope (TEM) image and a laser scanning microscope (LSM) image of the hybrid flower-like structure are shown in FIG. 2 (c) and FIG. 2 (g), respectively. Here, one crystal lattice fringe of the nanosheet petal is clearly observed by a high-resolution TEM image (inset of FIG. 2 (c)). Energy dispersive X-ray (EDX) analysis of the hybrid floral structure showed the presence of C, O, P, Cl and Cu (FIG. 3). The crystal structure of the hybrid floral structure was examined using X-ray diffraction (XRD). The sharp and strong diffraction peaks confirm the highly crystallized characteristics of the hybrid flower-like structure different from amorphous silk sericin, and these peaks are Cu 3 (PO 4 ) 2. Fits well for 3H 2 O. Furthermore, by performing X-ray photoelectron analysis (XPS), individual components of the hybrid material and their atomic concentrations were examined. The results are shown in Table 1 and FIGS. The characteristic binding energy peak clearly shows the presence of protein molecules and copper phosphate in the hybrid structure.
花状階層的ハイブリッド構造の形成の成長条件を最適化するため、反応条件を変えながらいくつかの合成実験を行った。成長したままのハイブリッド材料のモルフォロジーは主にセリシン、Cu+2、PBSの濃度並びに反応時間に依存する。図7に示すように、1X PBS中のセリシンとCu+2との濃度比の範囲の組み合わせにより色々なタイプの花状構造が生成された。これと対照的に、他のパラメータを変えないでPBS濃度を2倍(2Xあるいは20mM)にしたところ、幾分不明瞭なモルフォロジーのハイブリッド構造が比較的急速に沈殿することが観察され、他方、半分の濃度のPBS(0.5Xまたは5mM)では、やや塊状の固体の沈殿であるごく少数の微小構造が溶液中にできるだけであった。これらの結果を図8に示す。上記実験結果に基づいて、以降の実験については、0.1mg/mLのセリシン及び1mGのCu+2を含む1X PBSを用いてハイブリッド花状構造体を作成するという条件を選択した。 In order to optimize the growth conditions for the formation of flower-like hierarchical hybrid structures, several synthetic experiments were performed with varying reaction conditions. The morphology of the as-grown hybrid material depends mainly on the concentration of sericin, Cu +2 , PBS and the reaction time. As shown in FIG. 7, various types of flower-like structures were generated by combining the range of concentration ratios of sericin and Cu +2 in 1 × PBS. In contrast, when the PBS concentration was doubled (2X or 20 mM) without changing other parameters, it was observed that a somewhat ambiguous morphological hybrid structure precipitated relatively quickly, At half concentrations of PBS (0.5X or 5 mM), only a few microstructures in solution were possible, which were slightly lumpy solid precipitates. These results are shown in FIG. Based on the above experimental results, for the subsequent experiments, the condition of creating a hybrid flower-like structure using 1 × PBS containing 0.1 mg / mL sericin and 1 mG Cu +2 was selected.
ここで、上述の個々の成分の最適比を一定に固定しておいて、セリシン濃度がハイブリッド花状構造体の形成に与える影響を調べた。セリシン濃度を広い範囲(0.01〜1mg/mL)内で変化させることで、合成されたハイブリッド花状構造体のモルフォロジーに大きな変異が見られた。この実験の結果、1mg/mL及び0.5mg/mLのセリシンから作られたハイブリッド花状構造体はより小型で一様に成長した球状物体であることが示された(図9A及び図9B)。セリシンの濃度を徐々に減少させていくと(0.1mg/mL及び0.01mg/mL)、ハイブリッド花状構造体のモルフォロジーが変化して、より大きく、また満開になった自然界の花を模倣する構造となった(図9A(c)、(d))。非常に低いセリシン濃度では(0.01mg/mL)、個々の花弁は非常に薄いように見えたが、濃度が0.25mg/mLまで高くなるについて、図10に示すように、これらが一体化してはるかに厚くまた小型の花弁を形成するようになった。濃度をさらに上げると、図11に示すように、モルフォロジーは球形へと変化したが、ここでその表面は高密度の花弁の網の目構造をなしているように見え、またこれらの花弁は湾曲した波上の縁を有するとともに花弁の間に多数の空所が存在する(図11)。この結果は、ハイブリッド花状構造体の形成及びモルフォロジーはセリシン濃度に強く依存することを示している。また、この結果はタンパク質濃度の変化によっては上記のような劇的なモルフォロジー変化が観察されなかった酵素ハイブリッド体についての以前の報告(非特許文献9、11)とも大幅に異なっている。 Here, the effect of the sericin concentration on the formation of a hybrid flower-like structure was examined while the above-mentioned optimum ratios of the individual components were fixed. By changing the sericin concentration within a wide range (0.01 to 1 mg / mL), a large variation was observed in the morphology of the synthesized hybrid floral structure. The results of this experiment showed that the hybrid flower-like structures made from 1 mg / mL and 0.5 mg / mL sericin were smaller and uniformly grown spherical objects (FIGS. 9A and 9B). . As the concentration of sericin is gradually reduced (0.1 mg / mL and 0.01 mg / mL), the morphology of the hybrid flower-like structure changes, mimicking larger, full bloom nature flowers. (Fig. 9A (c), (d)). At very low sericin concentrations (0.01 mg / mL), the individual petals appeared to be very thin, but as the concentration increased to 0.25 mg / mL, they integrated as shown in FIG. Much thicker and smaller petals. When the concentration was further increased, the morphology changed to a spherical shape, as shown in FIG. 11, where the surface appeared to form a dense petal mesh structure and the petals were curved. There are a number of voids between the petals as well as the undulating edges on the wave (FIG. 11). This result indicates that the formation and morphology of hybrid floral structures are strongly dependent on sericin concentration. This result is also significantly different from previous reports (Non-Patent Documents 9 and 11) on enzyme hybrids in which the dramatic change in morphology as described above was not observed depending on changes in protein concentration.
更に条件を多様に変化させて、花弁が多層構造の場合及び単層構造になる場合、また全体として図11に示すような、表面に高密度の花弁の網の目構造(つまり多数の孔)の見られる球状構造を取る場合の作製条件を求めたところ、以下の結果が得られた。
・多層構造の花状構造体の作製条件:セリシン濃度が0.1〜0.3mg/mL。CuSO4濃度が1〜3mM。
・単層構造の花状構造体の作製条件:セリシン濃度が0.01〜0.05mg/mL。CuSO4濃度が0.1〜0.5mM。
・球状構造体の作製条件:セリシン濃度が0.4〜1mg/mL。CuSO4濃度が4〜10mM。
Furthermore, by changing the conditions in various ways, when the petals have a multi-layer structure and a single-layer structure, and as a whole, the structure of a high-density petal mesh on the surface (that is, a large number of holes) as shown in FIG. As a result of obtaining the production conditions in the case of taking a spherical structure with the following, the following results were obtained.
-Preparation conditions of the flower-like structure of a multilayer structure: Sericin concentration is 0.1-0.3 mg / mL. CuSO 4 concentration is 1 to 3 mM.
-Preparation conditions of the flower-like structure of a single layer structure: Sericin concentration is 0.01-0.05 mg / mL. CuSO 4 concentration is 0.1-0.5 mM.
Spherical structure production conditions: Sericin concentration is 0.4 to 1 mg / mL. CuSO 4 concentration is 4-10 mM.
本発明のハイブリッド花状構造体のXRDパターン中のピーク位置はリン酸銅結晶のピーク位置と同じであり(図4)、また大きな規則的に配置された格子構造も花弁のTEM像中に観察された(図2(f))ので、ハイブリッド花状構造体中の花弁はリン酸銅結晶の規則的な配置によって形成されると結論付けてよい。その形成機構を理解するため、2種類の相異なるセリシン濃度設定(0.1mg/mL及び0.01mg/mL)を用いてハイブリッド花状構造体の成長を時間を追って観察した。ここで、各種の成長する時間での個々の濃度を一定に保持した。モルフォロジーが時間毎に徐々に変化する様子を図9B(e)から(h)並びに図12に示す。これらの変化から、その成長には少なくとも2つの段階があることが示唆される。成長開始から2時間以内の初期段階では、リン酸銅の非常に薄い(約10nm)カールしたナノシートで構成される花状モルフォロジーが成長する(図9B(e)及び(f)並びに図12(a)及び(b))。第2段階(6時間)では、リン酸銅ナノ結晶の核形成とその後の成長が薄いナノシート花弁の表面上で開始され、比較的厚くまた層状になった花弁を形成する(図9B(g)、図12(c)及び(d))。最終段階(12時間)では、成長過程が継続して完全に成長した多層の花状構造が形成される(図9B(h)、図12(e)及び(f))。 The peak position in the XRD pattern of the hybrid flower-like structure of the present invention is the same as the peak position of the copper phosphate crystal (FIG. 4), and a large regularly arranged lattice structure is also observed in the TEM image of the petal. (FIG. 2 (f)), it may be concluded that the petals in the hybrid floral structure are formed by regular arrangement of copper phosphate crystals. In order to understand the formation mechanism, the growth of hybrid floral structures was observed over time using two different sericin concentration settings (0.1 mg / mL and 0.01 mg / mL). Here, the individual concentrations at various growth times were kept constant. FIGS. 9B (e) to 9 (h) and FIG. 12 show how the morphology gradually changes with time. These changes suggest that there are at least two stages of growth. In the initial stage within 2 hours from the start of growth, a flower-like morphology composed of very thin (about 10 nm) curled nanosheets of copper phosphate grows (FIGS. 9B (e) and (f) and FIG. 12 (a) ) And (b)). In the second stage (6 hours), nucleation and subsequent growth of copper phosphate nanocrystals is initiated on the surface of the thin nanosheet petals to form a relatively thick and layered petal (FIG. 9B (g) FIG. 12 (c) and (d)). In the final stage (12 hours), the growth process continues and a fully grown multilayered flower-like structure is formed (FIGS. 9B (h), 12 (e) and 12 (f)).
本過程全体にわたって、セリシンの役割はタンパク質(酵素)−無機ハイブリッドナノ花状構造体(非特許文献9)におけるタンパク質の役割と同様であるかもしれない。タンパク質(酵素)−無機ハイブリッドナノ花状構造体では、タンパク質分子と銅イオンとの間の相互作用により複合体の形成とその後のハイブリッド花状構造体の成長がもたらされる。しかしながら、初期成長段階では両者の間に大きな相違が見出された。これは、主にシルクたんぱく質中の各種の金属との結合の配位機構要素(非特許文献32〜34)によって金属と非常に強い複合体を形成するという、本来的に「接着剤的である」タンパク質セリシンの能力によるものである。アミド骨格以外でも、水酸基、カルボキシル基及びアミノ基のようなセリシンの各種の極性側鎖もまた、Cu+2との錯体を形成して、初期成長モードでのリン酸銅の大きな折りたたまれたナノシート状の花弁(図9B(e)、(f))の形成を促進することができる。セリシンの役割はまた上述の結果、すなわちセリシン濃度を低下させるとそれに対応して核形成サイトの個数及び「接着剤状」のバインダーが減少して、その結果として花弁が薄く、またより大きく開いた構造となる(図9A(a)〜(d))、という事実と一貫している。更に、満開になったセリシン花状構造体を形成するために要する時間(12時間)は、酵素ハイブリッド花状構造体の形成時間(72時間)(非特許文献9、11)に比べて際立って短い。これは、階層的なハイブリッド構造形成の主要な原動力であるところのCu+2イオンとセリシンタンパク質の結合サイトとの間の動的な相互作用による迅速な共沈反応に起因するものかもしれない。 Throughout this process, the role of sericin may be similar to the role of protein in protein (enzyme) -inorganic hybrid nanofloral structures (Non-Patent Document 9). In a protein (enzyme) -inorganic hybrid nanofloral structure, the interaction between protein molecules and copper ions results in complex formation and subsequent growth of the hybrid floral structure. However, a great difference was found between the two at the initial growth stage. This is inherently “adhesive” in that a very strong complex is formed with a metal mainly by coordination mechanism elements (Non-Patent Documents 32-34) for bonding with various metals in silk protein. "It depends on the ability of the protein sericin. In addition to the amide skeleton, various polar side chains of sericin such as hydroxyl, carboxyl and amino groups also form complexes with Cu +2 to form large folded nanosheets of copper phosphate in the initial growth mode The formation of petals (FIGS. 9B (e) and (f)) can be promoted. The role of sericin is also the result of the above, i.e. lowering sericin concentration correspondingly reduces the number of nucleation sites and "adhesive" binder, resulting in thinner petals and wider opening. This is consistent with the fact that the structure is obtained (FIGS. 9A (a) to 9 (d)). Furthermore, the time required for forming a sericin flower-like structure in full bloom (12 hours) is conspicuous compared to the formation time of the enzyme hybrid flower-like structure (72 hours) (Non-Patent Documents 9 and 11). short. This may be due to the rapid coprecipitation reaction due to the dynamic interaction between the Cu +2 ion and the binding site of the sericin protein, which is the main driving force for the formation of hierarchical hybrid structures.
また、セリシン分子が存在しない場合には大きい結晶が形成されるが花状構造体はできなかった。更に、結合サイトを封鎖することによるシルクセリシンの優れた架橋剤として知られているグルタルアルデヒド(非特許文献37)でハイブリッド花状構造体に制御された処理を施すことにより、花状モルフォロジー及び花弁の凝集体の全面的な変形がもたらされる(図13(a)及び図14(a))。他方、Cu+2イオンの強力なキレート剤であるエチレンジアミン四酢酸(EDTA)を添加することで、ハイブリッド花状構造体が乱れた構造であって花弁が散らばった状態に変化した(図13(b)及び図14(b))。この結果は、このような階層構造を安定化させる支柱となる強力なたんぱく質−金属イオン相互作用が必要となることを更にまた示している。 In the absence of sericin molecules, large crystals were formed, but no flower-like structures were formed. Furthermore, by applying a controlled treatment to the hybrid flower-like structure with glutaraldehyde (Non-patent Document 37), which is known as an excellent cross-linking agent for silk sericin by blocking the binding site, flower-like morphology and petals are obtained. This leads to a total deformation of the aggregates (FIGS. 13 (a) and 14 (a)). On the other hand, by adding ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), which is a strong chelating agent of Cu +2 ions, the hybrid floral structure was disordered and the petals were scattered (FIG. 13 (b)). And FIG. 14B). This result further shows that a strong protein-metal ion interaction is required as a pillar to stabilize such a hierarchical structure.
更には、塩素イオン(Cl−)が階層的なハイブリッド構造の成長に重要な役割を演じることがわかった。EDX及びXPSのスペクトルにもまた塩素の存在が示された(図3及び図5)。合成結果を図15に示すように、Cl−イオンが存在しないリン酸緩衝液からでは、Cu+2とセリシンとの比率を以前と同じに維持したにもかかわらず、ハイブリッド花状構造体は何も形成されなかった。上と同じの実験条件で同様な濃度の他のハロゲン元素(Br−、I−)のアルカリ金属塩を添加してもやはり花状モルフォロジーは何も生成されず、図16に示すような何らかの固体沈殿物が得られた。従って、Cl−イオンはリン酸銅の結晶化プロセスに影響を与え、またタンパク質で誘発される核形成が好ましい向きになるのを助けることによって、ハイブリッド花状構造体の階層的成長を支援する(非特許文献38,39)。 Furthermore, it has been found that chloride ions (Cl − ) play an important role in the growth of hierarchical hybrid structures. EDX and XPS spectra also showed the presence of chlorine (FIGS. 3 and 5). As shown in FIG. 15, from the phosphate buffer without the Cl − ion, the hybrid flower-like structure is nothing even though the ratio of Cu +2 to sericin was kept the same as before. Not formed. Even when an alkali metal salt of another halogen element (Br − , I − ) having a similar concentration is added under the same experimental conditions as above, no flower-like morphology is generated, and some solid as shown in FIG. A precipitate was obtained. Thus, Cl − ions influence the copper phosphate crystallization process and assist in the hierarchical growth of hybrid floral structures by helping to direct protein-induced nucleation in a favorable orientation ( Non-patent literature 38, 39).
赤外分光は主にタンパク質の特性アミド結合(characteristic amide bond)を解析することによる当該タンパク質の二次構造を決定するための重要なツールである(非特許文献40)。減衰全反射フーリエ変換赤外(ATR FT−IR)分光を調べることにより、ハイブリッド花状構造体の形成についての直接的な証明が与えられるだけではなく、セリシンタンパク質の立体配座恒常性(conformational constancy)についての貴重な情報も提供される。図13(c)及び図17に示すように、ATR−FTIRスペクトルは、ハイブリッド体形成の前と後とでセリシンタンパク質の主要なアミド結合の顕著な変化を示さなかった(アミドI:1636cm−1及び1634cm−1、アミドII:1515cm−1及び1514cm−1並びにアミドIII:両方とも1238cm−1)(非特許文献41)。これはタンパク質の真の立体配座はハイブリッド花状構造体の中で元のままであり、タンパク質分子とその相手となる無機物との間には共有結合が形成されなかったことを明確に示している。これに対して、新たに形成された1048cm−1における強いIRバンドはハイブリッド花状構造体のリン酸基に対応付けられた。 Infrared spectroscopy is an important tool for determining the secondary structure of a protein mainly by analyzing the characteristic amide bond of the protein (Non-patent Document 40). Examination of attenuated total reflection Fourier transform infrared (ATR FT-IR) spectroscopy not only provides direct proof for the formation of hybrid floral structures, but also conformational constancy of sericin proteins. ) Is also provided with valuable information. As shown in FIG. 13 (c) and FIG. 17, the ATR-FTIR spectrum showed no significant change in the major amide bond of sericin protein before and after hybrid formation (amide I: 1636 cm −1 and 1634 cm -1, amide II: 1515cm -1 and 1514cm -1 and amide III: both 1238cm -1) (non-Patent Document 41). This clearly shows that the true conformation of the protein remains intact in the hybrid flower-like structure and no covalent bond has formed between the protein molecule and its partner inorganic. Yes. In contrast, the newly formed strong IR band at 1048 cm −1 was associated with the phosphate group of the hybrid floral structure.
更に、これらの合成された生体ハイブリッド花状構造体は大きな表面積を有することを示すことができる。これは標準的なBrunauer-Emmett-Teller(BET)法によって確認された。図13(d)はハイブリッド花状構造体及びリン酸銅の各々についての典型的な窒素吸着−脱着等温線及びBJH(Barrett-Joyner-Halenda)細孔サイズ分布曲線を示す。ハイブリッド花状構造体のBET表面積は171m2g−1と計算されたが、これは合成されたままの状態のリン酸銅のBET表面積(34m2g−1)の約5倍も大きかった。この注目すべき特性表面積の増大は、特徴的な表面多孔性を有し相互接続され積重ねられた、ハイブリッド花状構造体のナノシート花弁によるものである。その上、観察された表面積は、他の階層的な金属リン酸塩だけではなく各種の花状ハイブリッド材料(非特許文献42、43)と比較しても非常に有望なものである。低圧力領域における典型的なヒステリシスループは、図13(d)の差し込み図に示すように、比較的狭い範囲の対応する細孔サイズ分布を有する、花状構造中のメソ細孔の存在を指示している。ハイブリッド花状構造体の平均細孔直径及び累積細孔容積ははそれぞれ3.08nm及び0.363cm3g−1である。これらの選択的に成長した比較的小さなメソ細孔(3〜10nm)はナノシート内の細孔を反映しているが、比較的大きな僅かな細孔(>10nm)は間を開けて積み重ねられた花弁のナノシートに関連付けることができる。合成されたままの状態のリン酸銅の場合は、平均細孔直径及び対応する累積細孔容積はそれぞれ3.09nm及び0.085cm3g−1である。 Furthermore, it can be shown that these synthesized biological hybrid floral structures have a large surface area. This was confirmed by the standard Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. FIG. 13 (d) shows a typical nitrogen adsorption-desorption isotherm and a BJH (Barrett-Joyner-Halenda) pore size distribution curve for each of the hybrid flower-like structure and copper phosphate. The BET surface area of the hybrid flower-like structure was calculated to be 171 m 2 g −1 , which was about 5 times larger than the BET surface area of the as-synthesized copper phosphate (34 m 2 g −1 ). This remarkable increase in characteristic surface area is due to the nanosheet petals of hybrid floral structures that have characteristic surface porosity and are interconnected and stacked. In addition, the observed surface area is very promising when compared to various floral hybrid materials (Non-Patent Documents 42 and 43) as well as other hierarchical metal phosphates. A typical hysteresis loop in the low pressure region indicates the presence of mesopores in the flower-like structure with a corresponding narrow pore size distribution, as shown in the inset of FIG. 13 (d). is doing. The average pore diameter and cumulative pore volume of the hybrid flower-like structure are 3.08 nm and 0.363 cm 3 g −1 , respectively. These selectively grown relatively small mesopores (3-10 nm) reflect the pores in the nanosheets, while the relatively large few pores (> 10 nm) were stacked at intervals. Can be associated with petal nanosheets. For as-synthesized copper phosphate, the average pore diameter and the corresponding cumulative pore volume are 3.09 nm and 0.085 cm 3 g −1 , respectively.
以前の酵素ハイブリッド体の報告とは対照的に、これらのセリシンが組み込まれたハイブリッド花状構造体は、高温で放置することでセリシン分子を完全に消散させた後でさえも(非特許文献9、11)、例外的に良好な熱安定性を示した。ハイブリッド花状構造体を400℃で2時間か焼することで、図13(e)、(f)に示すように、ハイブリッド構造の全体的な花状モルフォロジーに影響を与えることなくタンパク質分子が完全に分解された。しかしながら、この処理の間、微小構造の多孔性は大いに増大した。セリシン分子が占有していたサイトが空になったためとするのが、その最も確からしい理由付けであろう。EDX解析及びATR−FTIRスペクトルにより、図18に示すように、熱処理後にはハイブリッド花状構造体中にはいかなるタンパク質分子も存在しないことが確認された。熱重量分析(TGA)及び示差走査熱量測定(DSC)も行って、ハイブリッド花状構造体の熱的挙動を調べ、図19に示す結果を得た。図19(a)のTG曲線からわかるように、25〜135℃の低温領域における最初の重量損失(約6%)(125℃におけるDSC吸熱ピーク)は水が失われたことによるものであった。2番目の重量損失は150〜450℃の領域で起こったが(230℃及び355℃におけるブロードなDSC吸熱ピーク)、これはハイブリッド花状構造体のセリシン分子が完全に分解することに対応付けられた(非特許文献44)。この温度領域内での重量損失の量は約2.5%であったが、これはハイブリッド花状構造体中のセリシンの量に帰せられるはずである。従って、450℃の加熱で残留していた質量から計算されたハイブリッド花状構造体中の無機成分の質量割合は約91.5%であった。この現象は、図20に示す前駆体材料であるセリシン及びリン酸銅の熱的解析によってさらに確認された。 In contrast to previous reports of enzyme hybrids, hybrid sericin structures incorporating these sericins have been allowed to stand at high temperatures even after the sericin molecules have been completely dissipated (Non-Patent Document 9). 11), which showed exceptionally good thermal stability. By calcining the hybrid flower-like structure at 400 ° C. for 2 hours, as shown in FIGS. 13 (e) and (f), the protein molecules are completely formed without affecting the overall flower-like morphology of the hybrid structure. Was broken down. However, the porosity of the microstructure was greatly increased during this process. The most probable reason is that the site occupied by the sericin molecule is empty. EDX analysis and ATR-FTIR spectrum confirmed that no protein molecules were present in the hybrid flower-like structure after heat treatment, as shown in FIG. Thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) were also performed to investigate the thermal behavior of the hybrid flower-like structure, and the results shown in FIG. 19 were obtained. As can be seen from the TG curve in FIG. 19 (a), the first weight loss (about 6%) (DSC endothermic peak at 125 ° C.) in the low temperature region of 25 to 135 ° C. was due to the loss of water. . The second weight loss occurred in the 150-450 ° C region (broad DSC endothermic peaks at 230 ° C and 355 ° C), which is associated with the complete degradation of the sericin molecule of the hybrid flower-like structure. (Non-patent document 44). The amount of weight loss within this temperature region was about 2.5%, which should be attributed to the amount of sericin in the hybrid flower-like structure. Therefore, the mass ratio of the inorganic component in the hybrid flower-like structure calculated from the mass remaining after heating at 450 ° C. was about 91.5%. This phenomenon was further confirmed by thermal analysis of sericin and copper phosphate, which are precursor materials shown in FIG.
以上まとめるに、シルクタンパク質であるセリシンを採用し、シルクセリシン及びリン酸銅の好ましい性質を引き出すことで、環境にやさしくまた簡便な共沈法を用いて有機−無機ハイブリッド花状構造体を作製した。全質量の僅かに数%を占めるだけで、シルクセリシンは充分に秩序付けられた花状構造を高精度で高い製造のスケーラビリティをもって形成するのを支援する。その上、シルクタンパク質の本来的な構造上の完全性はハイブリッド構造中でも維持され、これによってそのハイブリッド構造が多様な生物学的機能を発揮する可能性を広げる。生適合性を有するシルクセリシンは、その培養基への応用については良く知られており(非特許文献27,28)、また銅ベースの材料の方は有望な抗菌剤として働く(非特許文献45、46)。よって、階層的多孔質構造を形成する両者の組み合わせは3D細胞培養のための非常に有効な足場となるであろう。更には、これらのたんぱく質で機能化された多孔質構造は重金属やその他の有毒物質の優れた吸着剤となり得る(非特許文献42、43〜47)。それとは別に、遷移金属リン酸塩、とりわけリン酸銅は多様な触媒反応で良く知られており、また多くの特別な性質を有するが、それは遷移金属のd軌道電子の空間配置によるものである(非特許文献14、48〜50)。他方、仮焼でもたらされる多孔性の改善により大量輸送が促進され、ハイブリッド花状構造体に触媒分野における広範な新規かつ関心をそそる応用をもたらす。 In summary, by using sericin, a silk protein, and extracting the desirable properties of silk sericin and copper phosphate, an organic-inorganic hybrid floral structure was produced using an environmentally friendly and simple coprecipitation method. . With only a few percent of the total mass, silk sericin helps to form well-ordered flower-like structures with high precision and high manufacturing scalability. Moreover, the inherent structural integrity of silk proteins is maintained even in hybrid structures, thereby opening up the possibility of the hybrid structure exerting various biological functions. Silk sericin having biocompatibility is well known for its application to culture media (Non-patent Documents 27 and 28), and copper-based materials act as promising antibacterial agents (Non-patent Document 45, 46). Thus, the combination of both forming a hierarchical porous structure would be a very effective scaffold for 3D cell culture. Furthermore, the porous structure functionalized with these proteins can be an excellent adsorbent for heavy metals and other toxic substances (Non-patent Documents 42 and 43 to 47). Apart from that, transition metal phosphates, especially copper phosphate, are well known for a variety of catalytic reactions and have many special properties, due to the spatial arrangement of the transition metal's d-orbital electrons. (Nonpatent literature 14, 48-50). On the other hand, the improved porosity provided by calcining facilitates mass transport, bringing the hybrid flower-like structure to a wide range of new and interesting applications in the catalytic field.
ここで、本発明の一態様によるハイブリッド花状構造体はその広い表面や多数の孔の存在によって、触媒としての利用可能性だけではなく、上述したように各種の物質を吸着する能力も有することを、鉛イオン吸着能力の実験により確認した。 Here, the hybrid flower-like structure according to one embodiment of the present invention has not only the possibility of being used as a catalyst but also the ability to adsorb various substances as described above due to the presence of a wide surface and a large number of pores. Was confirmed by an experiment of lead ion adsorption ability.
上記実施例で作製した、充分に成長して花弁がナノシートの多層構造となっている図2(a)に示すハイブリッド花状構造体を分散させた水溶液(5mg/20mL)中に硝酸鉛(Pb2(NO3)2)を添加し、この混合溶液中の鉛濃度の時間変化を誘導結合プラズマ原子発光分光法(ICP)を用いて測定することにより、吸着による溶液中の鉛濃度の低下を観察した。これにより、本発明のハイブリッド花状構造体の高い吸着能力が確認できた。その結果を図21に示す。この分析に当たって、硝酸鉛の最初の濃度として50mg/L及び25mg/Lの2種類の場合について測定を行い、測定結果をそれぞれ●及び△でグラフ上にプロットした。 Lead nitrate (Pb) in an aqueous solution (5 mg / 20 mL) in which the hybrid flower-like structure shown in FIG. 2 (NO 3 ) 2 ) was added, and the change in the lead concentration in this mixed solution was measured using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP) to reduce the lead concentration in the solution due to adsorption. Observed. Thereby, the high adsorption capability of the hybrid floral structure of the present invention was confirmed. The result is shown in FIG. In this analysis, measurements were made for two cases of 50 mg / L and 25 mg / L as the initial concentration of lead nitrate, and the measurement results were plotted on the graph with ● and Δ, respectively.
また、他の重金属イオン除去能力を調べる目的で、硝酸水銀(Hg2(NO3)2)及び硝酸カドミウム(Cd2(NO3)2)の溶液を作製し、それぞれの水溶液20mLに硝酸鉛溶液からの吸着の測定に使用したものと同じハイブリッド花状構造体を10mg加え、時間と共に構造体にこれらの重金属イオンが吸着して水溶液中の重金属イオン濃度が減少する振る舞いを時間ごとにプロットしたグラフを図22に示す。図22には、同じ条件で測定した硝酸鉛についての測定結果も、比較のためにプロットした。なお、本願では重金属とは比重が鉄以上の金属を言う。 In addition, for the purpose of investigating the ability to remove other heavy metal ions, solutions of mercury nitrate (Hg 2 (NO 3 ) 2 ) and cadmium nitrate (Cd 2 (NO 3 ) 2 ) were prepared, and a lead nitrate solution was added to 20 mL of each aqueous solution. A graph in which 10 mg of the same hybrid flower-like structure as used for the measurement of adsorption from the sample is added, and the behavior in which the heavy metal ions are adsorbed on the structure with time and the concentration of heavy metal ions in the aqueous solution decreases is plotted with time. Is shown in FIG. In FIG. 22, the measurement results for lead nitrate measured under the same conditions are also plotted for comparison. In the present application, heavy metal means a metal having a specific gravity of iron or more.
[実験]
上記諸実施例において使用した材料、具体的な合成及び測定手順・装置は以下のとおりである。
[Experiment]
The materials, specific synthesis and measurement procedures / devices used in the above examples are as follows.
<材料>
共沈反応の前駆体試薬として、純粋なセリシン(和光純薬工業株式会社)、無水硫酸銅(II)(Sigma-Aldrich)及びリン酸緩衝食塩水(米国のLonza)を使用した。塩分を含まないリン酸緩衝液はナカライテスク株式会社から購入した。Milli-Q精製脱イオン水を使用して貯蔵液を作製した。
<Material>
Pure sericin (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), anhydrous copper (II) sulfate (Sigma-Aldrich) and phosphate buffered saline (Lonza, USA) were used as precursor reagents for the coprecipitation reaction. A phosphate buffer solution containing no salt was purchased from Nacalai Tesque. A stock solution was made using Milli-Q purified deionized water.
<ハイブリッド花状構造体の合成の詳細>
最初に、20mgのセリシン粉末を1mLのMilli-Q精製脱イオン水に溶解することにより、シルクタンパク質であるセリシンの貯蔵溶液を作製した。次に、この貯蔵溶液を1X(10mM)リン酸緩衝食塩水(PBS、pH7.4)で希釈して、共沈反応のための各種の濃度の溶液を準備した。また、脱イオン水を使って100mMのCuSO4貯蔵溶液も作製しておいた。典型的な実験では40μLのCuSO4水溶液(100mM)を4mLのセリシン1X PBS溶液(0.1mg/mL)に添加し、その結果の混合液を数分間穏やかに振盪した。その後、25℃で12時間静置した。この混合液から明青色の沈殿を集めて脱イオン水で洗浄し、室温で乾燥した。これらの成長させたままの状態のハイブリッド花状構造体について、本願明細書に記載した実験技法を用いて各種の顕微鏡観察及び測定による特性評価を行った。
<Details of synthesis of hybrid floral structure>
First, a stock solution of sericin, a silk protein, was made by dissolving 20 mg of sericin powder in 1 mL of Milli-Q purified deionized water. Next, this stock solution was diluted with 1 × (10 mM) phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4) to prepare solutions of various concentrations for coprecipitation reaction. A 100 mM CuSO 4 stock solution was also made using deionized water. In a typical experiment, 40 μL of CuSO 4 aqueous solution (100 mM) was added to 4 mL of sericin 1 × PBS solution (0.1 mg / mL) and the resulting mixture was gently shaken for several minutes. Then, it left still at 25 degreeC for 12 hours. A light blue precipitate was collected from this mixture, washed with deionized water, and dried at room temperature. These hybrid flower-like structures in the as-grown state were evaluated by various microscopic observations and measurements using the experimental techniques described in this specification.
同じ実験手順に従って、セリシンとCuSO4との比率を何通りかに変化させた場合について、また食塩なしのリン酸緩衝液(1X、pH7.4)についても制御された実験を行った。 In accordance with the same experimental procedure, controlled experiments were performed for several changes in the ratio of sericin to CuSO 4 and also for phosphate buffer without salt (1 ×, pH 7.4).
16.7mgのKBr及び23.2mgのKIを100mLの1Xリン酸緩衝液(pH7.4、NaCl、KClは含まず)中に溶解することによって、臭素及びヨウ素を含有するリン酸緩衝液をそれぞれ作製した。セリシン貯蔵液をこの新たに作製した臭素またはヨウ素を含むリン酸緩衝液(1X、pH7.4)で希釈し、上述したのと同じ製造手順を実行した。 Dissolve 16.7 mg KBr and 23.2 mg KI in 100 mL of 1X phosphate buffer (pH 7.4, not including NaCl, KCl) to obtain a phosphate buffer containing bromine and iodine, respectively. Produced. The sericin stock was diluted with this newly prepared phosphate buffer containing bromine or iodine (1X, pH 7.4) and the same manufacturing procedure as described above was performed.
ハイブリッド花状構造体の成長の時間変化を調べるため、反応中の各種の時点で沈殿を集めて脱イオン水で洗浄してから、顕微鏡による観察を行った。 In order to examine the change over time of the growth of the hybrid flower-like structure, the precipitates were collected at various points during the reaction, washed with deionized water, and then observed with a microscope.
グルタルアルデヒド及びEDTA処理について調べるため、成長したままの状態のセリシンが組み込まれたハイブリッド花状構造体の水への分散液(0.1mg/mLのセリシンから合成したもの)をグルタルアルデヒド(0.8wt%)溶液及びEDTA(1wt%)溶液中で別個に処理し、12時間静置した。 In order to investigate glutaraldehyde and EDTA treatment, a dispersion of water in a hybrid flower-like structure incorporating sericin in an as-grown state (synthesized from 0.1 mg / mL sericin) was mixed with glutaraldehyde (0. 8 wt%) solution and EDTA (1 wt%) solution were treated separately and allowed to stand for 12 hours.
か焼については、成長したままの状態のハイブリッド花状構造体をSiウエハー上で乾燥して400℃で2時間加熱した。 For calcination, the as-grown hybrid floral structure was dried on a Si wafer and heated at 400 ° C. for 2 hours.
<特性評価>
・SEM分析について
作製されたままの状態のハイブリッド花状構造体を完全に洗浄たものの分散液をガラス基板上に載せて乾燥させ、その後、白金で被覆した。SEM測定はHitachi S4800及びSU8000電界放射顕微鏡により行った。元素分析はSEMに取り付けられたEDX測定装置を使用して行った。
<Characteristic evaluation>
-About SEM analysis The dispersion liquid of the hybrid flower-like structure as it was produced was washed completely and placed on a glass substrate, and then coated with platinum. SEM measurements were performed with Hitachi S4800 and SU8000 field emission microscopes. Elemental analysis was performed using an EDX measuring device attached to the SEM.
・TEM分析について
ハイブリッド花状構造体の2μLの希釈された分散液をTEMグリッドに付与して室温で乾燥させ、その後、動作電圧200kVでJOEL JEM-2100F高分解能電子顕微鏡によって像を得た。
-About TEM analysis The 2 microliters diluted dispersion liquid of the hybrid flower-like structure was applied to the TEM grid, and it was made to dry at room temperature, Then, the image was acquired with the JOEL JEM-2100F high resolution electron microscope with the operating voltage of 200 kV.
・LSMイメージングについて
ハイブリッド花状構造体のLSMイメージングはKEYENCE VK-9710(紫色レーザー)をによって行った。
-About LSM imaging LSM imaging of the hybrid flower-like structure was performed by KEYENCE VK-9710 (purple laser).
・XRD分析について
乾燥したハイブリッド花状構造体のXRD分析はRigaku Rint 2000 Ultima III X線回折計により、Cu Kα放射(λ=1.5406Å、m40kV/40mA)を使用して行った。2θ走査範囲は0.02°刻みで1〜80°、走査速度は1°/minとした。
-About XRD analysis The XRD analysis of the dried hybrid floral structure was performed by Rigaku Rint 2000 Ultima III X-ray diffractometer using Cu Ka radiation ((lambda) = 1.5406 *, m40kV / 40mA). The 2θ scanning range was 1 to 80 ° in steps of 0.02 °, and the scanning speed was 1 ° / min.
・XPS分析について
Si基板上に堆積したハイブリッド花状構造体の表面特性をThermo Fisher Science, Theta Probeシステムを用いて、XPSにより評価した。図5は0〜1400eVの範囲で走査したサンプルのXPSプロファイルを示す。ここにはC、O、P、Cl及びCu元素の存在が示されている。表1及び図6にC1s、N1s、O1s、P2p、Cl2p及びCu2pピークの結合エネルギーを、それぞれの元素の原子濃度とともに示す。C1s及びN1sの高分解能XPSスペクトルはシルクタンパク質のセリシンの特性官能基の存在を明確に示している(非特許文献51、52)。他方で、Cuの結合エネルギーデータにより、リン酸銅の存在が確認される(Cu2p3/2:934.7eV)。これに関して、主要な2つの成分であるO1sピーク(531.3eV)及びP2pピーク(133.5eV)はPO4 −3基に対応付けられる(図6)(非特許文献53、54)。
-About XPS analysis The surface characteristic of the hybrid flower-like structure deposited on Si substrate was evaluated by XPS using Thermo Fisher Science, Theta Probe system. FIG. 5 shows the XPS profile of the sample scanned in the range of 0-1400 eV. Here, the presence of C, O, P, Cl and Cu elements is shown. Table 1 and FIG. 6 show the binding energies of the C1s, N1s, O1s, P2p, Cl2p and Cu2p peaks together with the atomic concentrations of the respective elements. The high-resolution XPS spectra of C1s and N1s clearly show the presence of characteristic functional groups of silk protein sericin (Non-Patent Documents 51 and 52). On the other hand, the presence of copper phosphate is confirmed by the binding energy data of Cu (Cu2p 3/2 : 934.7 eV). In this regard, the main two components, the O1s peak (531.3 eV) and the P2p peak (133.5 eV), are associated with the PO 4 -3 group (FIG. 6) (Non-patent Documents 53 and 54).
・ATR−FTIR測定
NICOLET 4700 FTIR測定装置により、各サンプルをシリコンウエハー上に載せて測定した。
・ ATR-FTIR measurement
Each sample was placed on a silicon wafer and measured with a NICOLET 4700 FTIR measuring device.
<熱分析>
熱安定性の測定のため、成長したままの状態のハイブリッド花状構造体をSiウエハー上で乾燥させ、このSiウエハーを強制エアフロープログラマブル加熱炉(Yamato Muffle Furnace FO 610、確度: 1150℃で±2℃)中で400℃、2時間加熱してからSEM分析を行った。
<Thermal analysis>
For measurement of thermal stability, the as-grown hybrid flower-like structure was dried on a Si wafer, and this Si wafer was subjected to forced airflow programmable heating furnace (Yamato Muffle Furnace FO 610, accuracy: ± 2 at 1150 ° C) C.) at 400 ° C. for 2 hours, and then SEM analysis was performed.
・TG分析について
SII Exstar TG/DTA 6200熱分析器上でN2の動的気圧(dynamic atmosphere of dinitrogen)(流量=30cm3/min)で行った。サンプルをアルミナるつぼ中で5℃/minの速度で25℃から500℃まで加熱した。Exstar X-DSC 7000高感度熱分析器によりDSC測定を行った。
・ About TG analysis
It was carried out on a SII Exstar TG / DTA 6200 thermal analyzer with N 2 dynamic atmosphere of dinitrogen (flow rate = 30 cm 3 / min). The sample was heated from 25 ° C. to 500 ° C. at a rate of 5 ° C./min in an alumina crucible. DSC measurement was performed with Exstar X-DSC 7000 high sensitivity thermal analyzer.
・表面積及び細孔サイズ測定について
サンプルを100℃で20時間、真空乾燥した後、Quantachrome Autosorb iQ2自動化ガス収着分析器により、比表面積及び細孔サイズ分布を試験した。
-Measurement of surface area and pore size After the sample was vacuum dried at 100 ° C for 20 hours, the specific surface area and pore size distribution were tested with a Quantachrome Autosorb iQ2 automated gas sorption analyzer.
本発明に基づくハイブリッド花状構造体は、その複雑なナノ構造により広い表面積を有することから、触媒、各種の物質の吸着等の広い分野に応用されることが期待される。 The hybrid flower-like structure according to the present invention has a large surface area due to its complicated nanostructure, and is expected to be applied to a wide range of fields such as adsorption of catalysts and various substances.
Claims (16)
前記複数のシートが中心部から互いに異なる方向に伸びるように前記中心部で結合された
セリシン−リン酸銅ハイブリッド構造体。 A plurality of sheets in which one or more sericin-copper phosphate hybrid nanosheets are stacked on each other;
A sericin-copper phosphate hybrid structure bonded at the center so that the plurality of sheets extend from the center in different directions.
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