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東京理科大学 理工学部 先端化学科

教授 酒井 秀樹

簡便な製造法による中空シリカ粒子とその多様な応用

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• 低密度・高比表面積• 低屈折率• 物質内包能

＜特徴＞ ＜応用＞

ü 軽量・断熱材ü 触媒担体 etc.

シリカ中空粒子

反射防止フィルム、DDSキャリアへの応用も期待≤ 100 nm

調製方法

Ø ハードテンプレート法

Ø エマルション法

ü 形状安定性： 高ü プロセスが煩雑, 高コスト

ü マイクロオーダーü 形状安定性： 低 (ナノサイズ）

ソフトテンプレート法

中空部に物質内包可能

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従来技術とその問題点

シリカ中空粒子→ ・低屈折率を利用した反射防止フィルム

・空隙を利用した遮熱材料

・低比重顔料

・薬剤封入カプセル

などへの応用

従来の中空粒子調製技術

・ハードテンプレート法 → 微細粒子が調製可能・プロセス煩雑

・ソフトテンプレート法 → 比較的簡便に合成できるが、

100 nm 以下のサイズの粒子を

高収率で得るのは困難

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ベシクルをテンプレートとしたシリカナノ中空粒子の調製

ベシクル： 界面活性剤が形成する二分子膜閉鎖小胞体

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術では困難であった、100nm以下のサイズのシリカ中空粒子を、ソフトテンプレート法の一種である「ベシクルテンプレート法」を用いて調製することに成功した。

• さらに、粒子径の減少だけでなく、水中での分散性に優れる中空粒子調製法を開発することができた。

• 本技術で得られたシリカ中空粒子分散液を利用することにより、透明な塗布膜作成が可能となり、低屈折シリカフィルムを得ることができた。

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新技術の特徴「１」・アンモニア塩基性での反応による

微細なシリカ中空粒子・シリカチューブの調製

• 二鎖型カチオン界面活性剤が形成するベシクルを

テンプレートとしてシリカ中空粒子を調製。

• アンモニア弱塩基性（pH11）とし、反応時の攪拌速度を制御することにより、中空粒子のサイズ制御（数10 nm〜200 nm) が可能。

・ 比較的簡便なプロセスにより、シリカ中空粒子が

高収率で生成

• さらに、攪拌速度、pHの調節により、同一の構造指向剤からシリカチューブを得ることも可能

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シリカ中空粒子

• 低密度・高比表面積• 物質内包能• 熱的・化学的安定性• 生体適合性：高

✓ 軽量材、断熱材、分離材✓ 反射防止材料、薬剤送達材料 (≦ 100 nm)

ベシクルテンプレート法＜特徴＞

ベシクル

• 調製方法が簡便かつ安価• 物質内包能： 高（水溶性、油溶性物質共に）

⇒ナノサイズ(≦ 100 nm)の中空構造を形成

100 nm

100 nm以下の中空ナノ粒子を形成するが、粒子凝集が著しいFig. シリカ中空ナノ粒子のTEM像

凝集体形成界面活性剤混合水溶液

NH3 aq.

ベシクル分散液

撹拌

シリカ前駆体

pH： アンモニア塩基性

ベシクルテンプレート法によるシリカナノ中空粒子の調製

1) 相馬央登, 東京理科大学修士学位論文 (2011)

ベシクルを構造指向剤とした高分散性シリカ中空ナノ粒子の調製

生成

8

pH=11.0

pH=11.5

pH=10.5

100 nm

100 nm100 nm

100 nm

100 nm

図各反応pHで調製したシリカ粒子のTEM観察結果(撹拌速度 500 rpm)

100 nm

pH=7.0

100 nm以下の中空粒子 200 nm以上の中空粒子

pH=12.0 pH=12.5

～反応pHの検討～

pH=11.0, 11.5で粒子径100 nm以下のシリカ中空粒子の調製に成功

pH11

未満

↓

凝集が

顕著

9

粒子径100 nm以下のシリカ中空粒子を収率90 %以上

で調製することに成功

100 nm

～最適調製条件によるシリカ中空粒子の調製～

粒子凝集が激しく、分散性：低

問題点

pH調整(pH=11.5)

TEOS 2.0~2.5 g撹拌 (室温, 500 rpm, 1 h)

焼成 (500 ℃, 6 h)

超音波照射 (2 h, 42 kHz)

吸引濾過

乾燥(120 ℃, 10 h)

水熱処理 (150 ℃, 6 h )

界面活性剤水溶液(60 mM) 25 g

DDAB : DTAB(9 : 1)

NH3 aq.

界面活性剤

塩基性触媒

反応pH

TEOS添加量

撹拌時間

水熱処理

DDAB

NaOH aq.

pH=12.5

2.0 g

24 h

120℃,48 h

DDAB:DTAB=9 : 1

NH3 aq.

pH=11.5

2.0 ~ 2.5g

1 h

150℃,6 h

10

NH3 aq.

pH調整(pH=11.4~11.8)

TEOS 2.0 g

撹拌 (室温, 100~170 rpm, 24 h)

焼成 (500 ℃, 6 h)

超音波照射 (2 h, 42 kHz)

吸引濾過

乾燥(120 ℃, 10 h)

界面活性剤水溶液(60 mM) 25 gDDAB : DTAB(10:0~9:1)

シリカチューブ形成条件

調製条件の制御によりシリカチューブの調製法を確立

～シリカチューブの形成～

500 nm

pH=11.4,

150 rpm

500 nm

pH=11.5,

130 rpm

（水熱処理は行なっていない）

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新技術の特徴「2」・反応途中でのpHジャンプによる

高分散性シリカナノ中空粒子の調製

• 二鎖型カチオン界面活性剤が形成するベシクルを

テンプレートとしてシリカ中空粒子を調製。

• 反応初期のpHをアンモニア弱塩基性（pH11程度）とし、反応時にpHを中性領域(pH7, 8)に低下させることにより、高分散性シリカナノ中空粒子（数10 nm〜200 nm) の調製を達成。

・ 比較的簡便なプロセスにより、シリカ中空粒子が

高収率で生成

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×2) Linyong Song et al., J. Non-crystalline Solids, 2230-2235, 352 (2006)

3) Qiyu Yu et al., Langmuir 7185-7191, 27 (2011)

高分散性シリカ中空ナノ粒子の設計指針

pH11.5 （従来）

✓ 微細な中空粒子の形成に必須✓ 粒子間のゾル-ゲル反応により凝集

pH5.0～8.0 （報告例）（ハードテンプレート、エマルション法）

2,3)

✓ ゾル-ゲル反応速度：遅

✓ 高分散粒子を形成 （＞100 nm）

新規（pH： 塩基性⇒中性付近に途中変化）の合成フロー

pH11.5

反応を促進

pH7.0, 8.0

凝集を抑制

界面活性剤混合水溶液

ベシクル分散液

超音波照射

NH3 aq. TEOS

撹拌 水熱処理

HCl aq.

撹拌

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実験方法

評価方法

• 透過型電子顕微鏡観察 (TEM)

• 動的光散乱測定 (DLS)

試薬

N+Br-

➢ 界面活性剤

• ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド

• ドデシルトリメチルアンモニウムブロミド

NBr

➢ シリカ前駆体

• テトラエトキシシラン (TEOS)

➢ 溶媒 （pH調整剤含む）

• 超純水 (H2O) (18.2 MΩ・cm)

• 25 %アンモニア水 (NH3 aq.)

• 35～37 %塩酸 (HCl aq.)

(DDAB)

(DTAB)

DDAB/DTAB(=9/1)界面活性剤混合水溶液(30 mM) 50 g

pH調整 (pH11.5)

pH調整 (pH7.0 , 8.0)

撹拌 (25 ℃, 500 rpm, 2 h)

撹拌 (25 ℃, 500 rpm, 12 h)

超音波照射 (35.0 kHz, 2 h)

水熱処理 (150 ℃, 6 h)

吸引ろ過

乾燥 (120 ℃, 1 day)

シリカ中空ナノ粒子

NH3 aq.

HCl aq.

TEOS 2.0 gpH変化

高分散性シリカ中空ナノ粒子の調製

＊） ベシクルのサイズ： 粒子径40～110 nm

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200 nm

pH11.5⇒7.0

200 nm

pH11.5⇒8.0

200 nm

pH11.5 （固定）

各pH条件下で調製したシリカ中空ナノ粒子のTEM像 （左から pH11.5⇒7.0, 11.5⇒8.0, 11.5（固定）, 8.0（固定））

調製したシリカ中空ナノ粒子のDLS測定データ （pH11.5⇒8.0）

調製直後 調製1年後

分散安定性評価 （目視観察）

反応過程でpHを塩基性⇒中性付近に変化させることで、分散安定性に優れる径20～50 nmのシリカ中空ナノ粒子の調製に成功

pH8.0 （固定）

200 nm

高分散性シリカ中空ナノ粒子の調製結果 & 考察

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

12 3 4 5 6 7 8

102 3 4 5 6 7 8

1002 3 4 5 6 7 8

1000

Nu

mb

er

/rel

. pH11.5⇒8.0

Ave. 24.8 nm

ζ-電位： +63.54 mV

1 10 100 1000

Diameter [nm]

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高分散性シリカ中空ナノ粒子の調製プロセス

形成機構の解明に関する検討事項

① ベシクル（40～110 nm）と中空ナノ粒子（20～50 nm）とのサイズの不一致② 反応pHの変化による分散・分散安定性向上の要因

形成機構解明の指針

加水分解・重縮合反応

ベシクル分散液（粒子径： 40～110 nm）

シリカ前駆体(TEOS)

✓pH11.5⇒8.0

✓pH11.5

高分散粒子

凝集体

シリカ中空ナノ粒子（粒子径： 20～50 nm）

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評価方法

• 透過型電子顕微鏡観察 (TEM)

• 極低温透過型電子顕微鏡 (cryo-TEM)

従来のサイズのベシクル調製法

pH調整 (pH11.5)

超音波照射 (35.0 kHz , 2 h)

ベシクル (粒径: ≤ 50-110 nm)

DDAB/DTAB(=9/1)界面活性剤混合水溶液(30 mM) 50 g

pH調整 (pH 8.0)

撹拌 (25 ℃, 500 rpm, 2 h)

撹拌 (25 ℃, 500 rpm, 12 h)

ベシクル分散液

水熱処理 (150 ℃, 6 h)

吸引ろ過

乾燥 (120 ℃, 1 day)

シリカ中空ナノ粒子

HCl aq.

TEOS 2.0 g

微細化機構解明 （ベシクルと中空ナノ粒子のサイズ相関）

大きいサイズのベシクル調製法

pH調整 (pH11.5)

ボルテックス撹拌 (5 min.)

ベシクル (粒径: ＞約100 nm)

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➢ 従来のサイズ（超音波照射）のベシクル

➢ 大きいサイズ（ボルテックス撹拌）のベシクル

微細化機構解明 （ベシクルと中空ナノ粒子のサイズ相関）

200 nm 200 nm

調製したベシクルのcryo-TEM像 （従来のサイズ）

200 nm 200 nm

調製したベシクルのcryo-TEM像 （大きいサイズ）

200 nm

200 nm

調製したシリカ中空ナノ粒子のTEM像

調製したシリカ中空ナノ粒子のTEM像

粒子径分布：30～70 nm

粒子径分布：20～50 nm

粒子径分布：約40～110 nm

粒子径分布：約250～500 nm

大きなベシクルからも微細なシリカ中空ナノ粒子が形成

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微細化機構解明 （ベシクルと中空ナノ粒子のサイズ相関）

「鋳型」型のサイズ≒構造体のサイズ

外的因子 etc.

「構造指向剤」型のサイズ＞構造体のサイズ

ベシクルと形成される中空ナノ粒子のサイズ相関50

40

30

20

10

0

12 3 4 5 6 7 8

102 3 4 5 6 7 8

1002 3 4 5 6 7 8

1000

Nu

mb

er /

rel

.

従来のサイズ（超音波照射）

1 10 100 1000

Diameter [nm]

： ベシクル

： シリカ中空粒子

60

50

40

30

20

10

0

12 3 4 5 6 7 8

102 3 4 5 6 7 8

1002 3 4 5 6 7 8

1000

大きいサイズ（ボルテックス撹拌）

： ベシクル

： シリカ中空粒子

1 10 100 1000

Nu

mb

er /

rel

.

Diameter [nm]

ベシクル及びシリカ中空ナノ粒子の粒子径分布に関するヒストグラム （左：従来のサイズ、 右：大きいサイズ）

中空ナノ粒子の形成においてベシクルは「構造指向剤」としての役割を果たす

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高分散性シリカ中空ナノ粒子の形成機構

シリカ壁の形成初期にベシクルが不安定化

ベシクル分散液(粒子径： 40～110 nm)

シリカ前駆体(TEOS)

①撹拌時のせん断力②エタノールの生成

中空粒子の微細化（粒子径： 20～50 nm）

pH11.5

pH＞9.0で起こるシリカの溶解/析出平衡の抑制（pH=8.0変化時において）

pHを8.0に変化

シリカ表面

OH

O

O

HH H

H H

OOHH

界面活性剤の吸着と水和層の形成⇒ 粒子間の反応による凝集を抑制

高分散ナノ粒子形成

考察

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中空粒子の塗膜化と反射防止機能評価

UV-vis 吸収スペクトル

Fig. コーティング薄膜のUV-vis.スペクトル

交互積層法を用いたシリカ中空粒子のコーティングにより、反射防止機能発現

• ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩（アニオン性ポリマー）: PSS

• ポリジアリルアミンジメチルアンモニウム塩（カチオン性ポリマー）： PDDA

✓ バインダー（ポリマー）

• シリカ中空粒子水分散液（合成物質） [粒子径： 30~50 nm, ζ-電位： +63.54 mV]

✓ コーティング材料

ディップコーティングによる塗膜形成

PDDA Mw: < 100,000 PSS Mw: ~70,000

FE-SEM➢ PSS/PDDA×4 ＋ PSS/HSNPs×5

前処理後に交互積層を5回行ったコーティング基板のFE-SEM像

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コーティングありコーティングなし

コーティング膜の目視観察

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ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy ）➢ ホウ素(10B)と熱中性子の核分裂反応により、選択的にガン細胞を破壊する放射線治療法

＜特長＞

✓ 難治性ガンの新しい治療法

✓ 身体への負担が少ない治療法

✓ 細胞単位のピンポイントな治療法

Ex. ) 浸潤ガン、多発病変、再発ガン etc.

⇒ 照射時間30 min, 1回のみ

: ホウ素薬剤 :ガン細胞 : 正常細胞

ホウ素薬剤を投与、集積 熱中性子線照射ホウ素薬剤を取り込んだガン細胞のみ破壊

欠点： 薬剤の腫瘍への集積選択性

DDSキャリア

⇒ EPR効果により、腫瘍集積選択性： 高

＜シリカ中空粒子＞＜リポソーム＞

✓ 物質内包量： 大✓ キャリアの崩壊

✓ 物質内包量： 大✓ 強固なシェル✓ （薬剤の漏出なし）

ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)への展開

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想定される用途

１）無機材料でありながら低屈折率

→ 反射防止コーティング剤への応用

（タブレットディスプレーなど）

２）低比重顔料としての種々のインクへの配合

３）コーティングにより遮熱・断熱材料への展開

４）他の機能性材料との複合化

・有機／無機複合紫外線吸収剤への応用

・ＤＤＳ担体としての展開

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実用化に向けた課題と展望

• 現在までに、分散安定性に優れたシリカ中空粒子の調製に成功しているが、洗浄などの工程によっても、界面活性剤を完全には除去できていないので、応用目的によってはその除去法の確立が必要である。

• シリカ以外にも、チタニア・アルミナ・ヒドロキシアパタイト・ポリマーなどの中空粒子化の検討実績があります。

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企業への期待

• 界面活性剤の完全除去については、洗浄溶媒の最適化などにより克服できると考えている。

• 従来の方法に比べて簡便であり、生産コスト・設備投資が抑えられる。

• 低屈折率無機フィルム・低屈折率透明遮熱フィルム・顔料の分散性向上などの応用分野に関して、また、シリカに限らず様々な材料の中空粒子化と応用について連携できればと考えています。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：

中空シリカ粒子の製造方法及び中空シリカ粒子

• 出願番号 ：特願2014-166604

• 公開番号 : 特開2016-041643

• 出願人 ：学校法人東京理科大学

• 発明者 ：酒井秀樹、他５名

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東京理科大学

研究戦略・産学連携センター

担当URA 是成 幸子

ＴＥＬ ０３－５２２８－７４４０

ＦＡＸ ０３－５２２８－７４４１

e-mail ｕｒａ＠ａｄｍｉｎ.ｔｕｓ.ａｃ.ｊｐ

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