キチンナノファイバーは伸びきり鎖の結晶であるため,構造的な欠陥がなく,優れた物性(高強度,高弾性,低熱膨張)をもつ.キチンナノファイバーの物性を活かす用途として,素材を強化する補強繊維が挙げられる (2) 2) S. Ifuku, S. Morooka, A. N. Nakagaito, M. Morimoto & H. Saimoto: Green Chem., 13, 1708 ( 2011). .カニ殻は本来,キチンナノファイバーで補強した天然の有機・無機ナノ複合体であるから,この用途は理にかなっている.ナノファイバーを補強繊維として配合しても透明性や柔軟性など素材本来の特徴は変わらない.これはキチンナノファイバーが可視光線の波長(およそ400~800 nm)よりも十分に細いため,ナノファイバーの界面において可視光線の散乱が生じにくいためである.これまでにわれわれはアクリル樹脂やキトサンフィルム,ポリシルセスキオキサンなどさまざまな透明素材にキチンナノファイバーを配合してきた.いずれも透明性や柔軟性を損なうことなく,諸物性を大幅に向上することができた.しかしながら,同様の形状と物性をもち,コスト面で有利なセルロースナノファイバーでも同等の効果が得られるため,キチンナノファイバーの特色を活かす必要がある.たとえば,縫合糸を使わずに生体組織を接着するバイオマス由来の接着剤を開発しているが,キチンナノファイバーを配合することによって接着強度を3倍に向上することができる (3) 3) K. Azuma, M. Nishihara, H. Shimizu, Y. Itoh, O. Takashima, T. Osaki, N. Itoh, T. Imagawa, Y. Murahata, T. Tsuka et al. : Biomaterials, 42, 20 ( 2015). .キチンナノファイバーは生体に対する親和性が高く,また,ヒトも含めた多くの動物がキチナーゼを産生してキチンを分解できるため,生体接着剤のような医療用材料は有望な用途であろう.このように,セルロースナノファイバーと差別化が可能なキチンナノファイバーの大きな特徴は生体機能であろう.キチンおよびキトサンは創傷や火傷の治癒が知られ,その効果を活かした医療用材料が製品化されている.われわれはそのような機能に着目し,キチンナノファイバーの生体機能を明らかにしている (4, 5) 4) K. Azuma, S. Ifuku, T. Osaki, Y. Okamoto & S. Minami: J. Biomed.
皮膚炎の緩和効果 アトピー性皮膚炎は慢性炎症性の皮膚疾患です。治療には通常はステロイド剤が処方されますが、いくつかの副作用がしれれています。キチンナノファイバーを皮膚炎に塗布することにより、炎症を緩和することを明らかにしています。アトピー性皮膚炎を誘発させたマウスに対して、キチンナノファイバーを定期的に塗布しました。35日間の経過を臨床スコアおよび組織学的スコアにより評価したところ、顕著な炎症の緩和効果が確認できました。具体的には、炎症に伴う表皮の肥厚や角質の増加が抑制され、表皮および真皮における炎症細胞の浸潤も抑制されました。アレルギー性皮膚炎に関わる血清中のIgE抗体の濃度も低値でした。これらの一連の効果は市販のステロイド薬のそれと同程度でした。これは、ナノファイバーの塗布により、炎症に関連するNF-κB,COX-2,およびiNOSの産生量が抑制したことが影響していると推察されます。 ・ Carbohydrate Polymers, 146, 320-327 (2016). 育毛・発毛効果 一部をキトサンに変性したキチンナノファイバーが毛髪の成長を促すことを報告しています。剃毛したマウスの背面ににナノファイバー水分散液を12日間にわたり塗布したところ。発毛部の面積率と毛髪の長さが増加しました。この効果は育毛効果の認められている有効成分(ミノキシジル)よりも高値でした。ナノファイバーを配合した培地でヒト由来の毛乳頭細胞を培養したところ、毛乳頭細胞数の増加と毛根の血管形成を促すVEGF、毛母細胞の活性化を促すFGF-7の産生量の亢進が認められました。微細なナノファイバーが毛根深部まで到達し、休止期の毛根を刺激し、成長期へと移行させ、毛髪の成長を促していると推察されます。 ・ International Journal of Biological Macromolecules, 126, 11-17 (2019). 補強材としての利用 キチンナノファイバーは剛直な高分子鎖が集合した伸び切り鎖の微結晶性繊維であるため優れた物性を備えています。その様な特徴は材料の物性を強化する補強繊維として利用することが可能です プラスチックの補強 キチンナノファイバーを配合したアクリル系プラスチックフィルムを作成しています。ナノファイバーによる補強効果により強度と弾性率が向上し、熱膨張性が大幅に低下する一方、ナノファイバーを補強繊維として配合しても透明性や柔軟性などプラスチック本来の特徴は変わりません。これはキチンナノファイバー(およそ10 nm)が可視光線の波長(およそ400~800 nm)よりも十分に細いため、ナノファイバーの界面において可視光線の散乱を生じにくいためです。 ・ Green Chemistry, 13, 1708-1711 (2011).
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キチン・キトサンが創傷治癒に及ぼす影響 創傷治癒の過程には、大きく炎症期、増殖期およびリモデリング期が存在する。キチン・キトサンは、それぞれの過程に影響を及ぼすことが明らかとなっている 4, 5 。具体的には、創部への白血球の誘導を促進する、多型白血球の誘導を促進し組織での異物貪食を促す、肉芽組織の形成を促し増殖期への誘導を行う、速やかな上皮化を行うといったことが知られている。また、創傷治癒に重要なプロスタグランジンなどの生理活性物質を放出させる。また、キチン・キトサンは血小板凝集能を強化し、血小板由来成長因子の放出を促進する。このような各種成長因子・生理活性物質は、血管内皮細胞・線維芽細胞などを創部に誘導する。 興味深いのは、 in vitro ではキチン・キトサンは直接的には血管内皮細胞・線維芽細胞増殖を刺激しないことが指摘されている。しかし、キチン・キトサンの分解産物は血管内皮細胞の遊走活性を誘導する。したがって、キチン・キトサンは創傷治癒の第一段階である炎症期の速やかな開始に寄与するとともに、その分解産物が創傷治癒過程に影響を及ぼしていると考えられている。 3. キチンによる創傷被覆材 前述のような創傷治癒促進効果、生分解性および安全性の高さ(低抗原性)から、キチンは臨床現場にて創傷被覆材として応用がされている。1989年には、人患者に対する臨床応用について発表されており、現在に至るまで製品化されている。特に「創の保護」、「湿潤環境の維持」、「治癒の促進」および「疼痛の軽減」を目的とし、創への使用がなされている 6 。 また、キチン・キトサンの効果は人のみならず動物(獣医療)でも、よく知られるところである。南らは1990年頃より獣医療(産業動物(牛)、伴侶動物(犬、猫))での応用を開始し、良好な成績を発表している 4 。実際の症例での使用経験から、キチン・キトサンは皮膚のケロイド化を防ぎ、広範囲な創傷・感染創などにも有用であることを明らかにしている。さらに興味深いのは、その治癒過程において被毛も含め皮膚の良好な再生を誘導することである。その知見をふまえ、1992年にはキチン・キトサンを利用した動物用創傷被覆材も製品化された(1992年発売の製品はすでに製造されていないが、キトサンを綿状にした創傷被覆材が動物医療にも使用される場合がある 11 )。 4. キチン・キトサンの新展開 近年、様々な材料由来のナノファイバーが作製されており、キチン・キトサンもその例外ではない。特に、鳥取大学 伊福伸介教授らのグループはキチン粉末から解繊処理と酸添加という非常にシンプルな方法でのキチンナノファイバーの作製に成功している 7 。キチンナノファイバーの特徴は従来のキチンと異なり水への親和性・分散性が高く均一な水分散液となり安定する点である。 図 3.
植物に対する効果 病害抵抗性の誘導 多くの植物はキチンオリゴ糖を認識する受容体を備えており、シグナルの伝達を経て病害抵抗性が発現することが知られています。キチンナノファイバーも同様に植物の病害抵抗性を誘導します。例えば、イネはいもち病菌に感染すると枯れてしまいますが、予めキチンナノファイバーを散布すると免疫機能が活性化されて、立ち枯れを抑制できます。このような効果はトマト、キュウリ、梨についても確認しています。菌類の細胞壁にもキチンナノファイバーが含まれています。植物はキチンを認識する受容体を自然免疫として獲得することにより菌の襲来に備えているわけです。 ・ Frontiers in Plant Science, 6, 1-7 (2015). キチンナノファイバーの化学改質 キチンナノファイバーは反応性の 高いアミノ基や水酸基を備えているため、用途に応じて化学的に修飾して、表面改質や機能性を付与することが出来ます。 ・ Molecules, 19(11), 18367-18380 (2014). アセチル化 キチンナノファイバーを強酸中で、無水酢酸と反応することによりアセチル化できます。導入されるアセチル基の置換度は反応時間に応じて制御できます。親水性の水酸基が疎水性のアセチル基で保護されるため、キチンナノファイバーの複合フィルムの吸湿性を大幅に下げることが出来ます。そのため、吸湿に伴う複合フィルムの寸法変化を抑制できます。 ・ Biomacromolecules, 10, 1326-1330 (2010). ポリアクリル酸のグラフト キチンナノファイバーを水溶性の過酸で処理するとその表面にラジカルが発生します。次いでアクリル酸を添加することにより、ナノファイバー表面のラジカルを起点にしてラジカル重合反応が進行し、ポリアクリル酸をグラフトすることが出来ます。ポリアクリル酸の重合度はモノマーの仕込み量で調節できます。ポリアクリル酸によって表面に負の荷電が生じるため、塩基性水溶液に対する分散性が向上する。本反応は水中で行えるため、水分散液として製造されるナノファイバーの改質に都合が良いです。また、用途に応じて多様なビニルポリマーをグラフトが可能です。 ・ Carbohydrate Polymers, 90, 623-627 (2012). フタロイル化 キチンナノファイバーは適当な濃度の水酸化ナトリウムで処理すると表面の一部が加水分解により脱アセチル化されます。脱アセチル化により生じるアミノ基に対して様々な官能基を化学選択的に導入することが出来ます。表面を脱アセチル化したキチンナノファイバーに対して無水フタル酸を添加して加熱することによって表面にイミド結合を介したフタロイル化キチンナノファイバーが得られます。この反応は水中で行うことが特徴です。フタロイル化によって芳香族系の溶媒に対する親和性が高まり、疎水性のベンゼンやトルエン、キシレンに対して均一に分散できます。また、フタロイル基は紫外線を吸収するため、フタロイル化キチンナノファイバーを用いて作成したキャストフィルムや複合フィルムは肌に有害とされる紫外線を十分に吸収します。一方で可視光の領域は吸収が無いため透明性は損なわれません。 ・ RSC Advances, 4, 19246-19250 (2014).
キチンナノファイバーの実用化にあたって,関連物質であるセルロースナノファイバーとの特徴の違いを十分に把握しなければならない.セルロースナノファイバーの研究はキチンナノファイバーよりも先行しており,国内外を問わず大規模にその利用開発が進められている.セルロースは樹木として地球上に大量に貯蔵され,製紙や繊維,食品産業を中心に大規模に利用されるため,原料のコストはキチンと比較して圧倒的に低い.よって,キチンナノファイバーの実用化にはセルロースナノファイバーとの差別化が必要不可欠である.次に差別化において有効と思われるキチンナノファイバーの機能を紹介する.
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