2008-01-05

生分解性プラスチックのバイオケミカルナノ加工に関する基礎的研究

Basic Study on Biochemical Nano-Fabrication of Biodegradable Plastics

80717600 細野陽介 (Yosuke Hosono) Supervisor : 青山藤詞郎 (Tojiro Aoyoma) １．緒 論 現在，多くの製品にプラスチックが用いられている．しかし，

従来のプラスチックは，環境負荷が極めて高いと考えられる．

そこで，近年関心が高まりつつある環境問題に対し環境にやさ

しい生分解性のプラスチックが開発されるようになった． また近年，数 cm角のチップ上で極微量な生体試料の操作，分析を可能にするバイオデバイスに関する研究が盛んになされ

ており，将来は使い捨てが容易であるプラスチックが主流にな

ると考えられる．従来のプラスチックの微細加工は主に射出成

形加工で行われているが，数 m 以下の微細形状の形成は現状の技術では困難とされている．そこで，このバイオデバイスの

作成に，前述した生分解性プラスチックを用いて酵素による超

微細な除去加工が適用できるのではないかと考えた． 本研究では，実際のバイオデバイス作成に先立ち，分解の基

礎特性の調査と，適切な加工条件及び加工方法を検討提案する

ことを目的とする． ２．加工メカニズム 本研究では数多く存在するバイオプラスチックの中でもその

機械的，物理的性質に優れ，最も広く使われていると言われる1) L型ポリ乳酸（PLLA）と，その分解酵素であるProteinase Kを用いる．Proteinase Kを含む溶液にPLLAを浸すと，疎水性相互作用によって Proteinase KがPLLA表面に吸着し，触媒作用によってその表面の加水分解を促進する．この加水分解によっ

て，PLLAは乳酸モノマーに分解され(図 1)，最終的には二酸化炭素と水のみに分解される２) ．分解された部分はPLLA表面から剥離するため，これを極微小な除去加工と捉えることができ

る．表面に吸着したProteinase Kは純水による洗浄では離れず，エタノールやクロロホルムに浸すことによって離脱し，加水分

解は停止する．本研究では40％エタノール溶液により反応を停止させる．このことより，条件を選択することで分解量，すな

わち加工量を任意に調節することが可能である． ３．試験試料 本研究で用いるProteinase Kは，PLLAのアモルファス（非結晶）部分の加水分解を選択的に促進するため，PLLA の結晶化度が上がるにしたがって分解速度は低下する．したがって，分

解を均一に行うためには非結晶なPLLAを用いることが不可欠である．そこで試験用に，表面粗さがサブナノレベルで結晶化

度 10％以下のPLLAプレートを独自に作成し，これを試験試料とした(図2)．Proteinase Kは，0.05mol/lのTris-HCl緩衝溶液に溶解させ，１日以上所望温度に設定した恒温槽でインキュベー

トし酵素液として用いた． ４．加工基礎特性 ４.１ 温度依存性

PLLA の分解速度は，分解中の温度に大きく依存すると考えられる．そこで，分解温度を室温から50℃まで様々に変え，濃度 100 g/mlで分解試験を行った結果を図3に示す．室温（22℃）において，分解を確認することができなかった．このことから，

Proteinase Kは一定以上の温度に達しないと，その活性を発揮し

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100

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Fig.4 Concentration of Enzyme and Degradation Depth

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5

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0 50 100 150 200Enzyme concentrat ion g/ml

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Fig.5 Concentration of Enzyme and Degradation Rate

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40℃

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Fig.3 Temperature and Degradation Depth

Fig.2 PLLA plate

Fig.1 Degradation Mechanism

CO C

O

CH3H

n

Poly L-lactic Acid(PLLA)

Enzyme(Proteinase K)

Hydrolysis

COH C

O

CH3H

OH

L-lactic Acid

CO C

O

CH3H

n

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CH3H

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CH3H

n

Poly L-lactic Acid(PLLA)

Enzyme(Proteinase K)

Hydrolysis

COH C

O

CH3H

OHCOH C

O

CH3H

OH

L-lactic Acid

ないといえる．分解量は時間に対してほぼ比例して増加するこ

とが確認できた． また,50℃を超えると分解が均等には進まなくなる．この原因はPLLA自体が変性したためであると考えられる．以上より，分解を加工として扱う上で必要不可欠な，分

解量をコントロールするという意味では， 40℃近辺での分解が適当であると考えられる． ４.２ 濃度依存性

PLLA の分解速度は，分解中の酵素濃度にも依存すると考えられる．そこで酵素濃度を 50 g/mlから200 g/mlまで様々に変え，40℃で分解試験を行った結果を図 4に示す．どの濃度においても，分解量は時間に比例して増加した．酵素濃度が高くな

ればなるほど分解速度は速くなるという結果が得られたが，

50 g/mlから100 g/mlまでにかけては非常に大きく速度の変化が見られるのに対し，それ以降は増加量が少なくなっている．

そこで，濃度と分解速度の関係を図5に示す．このグラフより，PLLAの分解は，濃度が 100 g/mlあたりまでは分解速度が濃度に比例して増加し，100 g/mlを超えると分解速度は一定の値に収束してゆくと考えられる．分解量に対する酵素の効率を考え

ると酵素濃度は 100 g/ml程度が適当であると考えられる． ５．任意形状微細加工 ５.１ PDMSマスクによる加工

PLLA表面に，幅およそ 320 m及び 420 mの溝加工を施した自己粘着性のある PDMS マスク接着させることにより酵素溶液が付着する領域をコントロールし，PLLA 表面に単純溝加工を行った（図6）結果を図 7,8に示す．加工条件は基礎特性試験で得られた，分解温度40℃，酵素濃度 100 g/mである．分解量は時間に比例していることから，加工量の制御が可能である

ことが示された．また加工量が溝幅には影響を受けなかったこ

とから，更なる微細加工の可能性が示された． ５.２ 寒天酵素液による加工

通常の酵素液に寒天を溶解させることにより寒天酵素液を作

成し，成形した寒天酵素液をPLLA表面に置くことで分解を行った．寒天濃度を変化させ分解試験を行った結果を図9に示す．寒天濃度が増加するにつれて分解速度が小さくなることがわか

った．寒天の濃度が高いほど成形性は高いが，2.0wt%では加工が確認できなかった．以上より，加工量と成形性を考慮し，寒

天濃度は 1.5wt%が適当であると考えられる．また，寒天酵素液を用いて任意形状加工の可能性をマクロレベルで確認した．寒

天を微細に成形することが今後の課題である． ６．結論 本研究で得られた結果を以下に示す．

(1) PLLAの分解は一定の温度に達するまで確認できない．また,加工量を調節するという意味では 40℃近辺が適当であると考えられる．

(2) PLLAの分解は酵素液の濃度が高いほど早いが，酵素の量と速度の関係を考えると，100 g/ml 近辺が適当であると考えられる．

(3) PLLAの表面にPDMSマスクを施すことによって，微細な単純溝を加工することに成功した．

(4) 寒天で酵素液を固化させた寒天酵素液の有効性を確認し，任意形状加工の可能性を示した．

Fig.8 Groove Width and Degradation Depth

Fig.7 Simple Groove Pattern

Fig.9 Agar concentration and Degradation Depth

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nm Normal

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1.5wt%

参考文献 1) 望月政嗣：わがグリーンケミストリーの系譜－生分解性プラスチック研究 20年の歴史－<7>，加工技術，Vol.42 No.3，p225-p231，2007

2) Yamashita,K. et al, Enzymatic Degradation of Poly (L-lactide) Film by Proteinase K: Quartz Crystal Microbalance and Atomic Force Microscopy Study,

Fig.6 Groove Patterning Process

PLLA

Enzyme Buffer

Simple Groove

PDMS Mask

2. Degradation1. Masking 3. Observation

PLLA

Enzyme Buffer

Simple Groove

PDMS Mask

2. Degradation1. Masking 3. Observation

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