JP2008500187A - 自己会合性ナノチューブ及び調製方法 - Google Patents

Abstract

本発明は単一鎖アキラルジアセチレンから、各分子が超分子構造体（supra molecular association）を形成する条件下で構成されたナノチューブ及びナノカーペットの合成に関する。自己会合は、中央の調節器なしに個々の分子が明確な（通常非共有的な）構造になるような、組織的な関連である。自己会合は分子又は分子群の能力を推測し、分子自身の構造にのみ基づいた安定又は擬安定状態を仮定する。自己会合系の原動力は、個々の要素が単独でいるよりも低いエネルギーを達成する超分子構造によるものである。

Description

関連出願のクロスリファレンス
本出願は２００４年５月１３日に提出した米国仮出願No.６０／５７０，７８５の利益を請求し、参考文献としてここに取り込む。

発明の分野
本発明は自己会合性ナノチューブ及びナノカーペットの調製に関する。

発明の背景
純粋で洗練された（well-defined）ナノ構造物質の製造は、エレクトロニクス及び生物工学における進歩に必須である。我々はここにこの目的に適合する物質の合成を開示する。

カーボンナノチューブの発見は、ナノエレクトロニクスデバイス分野において潜在的な意義を有するため、この１０年間に非常に大きな注目を集めてきた（Iijima,S. Nature vol.354, 5658(1991)）。両親媒性脂質から製造されるミクロ及びナノチューブも生物学から材料科学、化学及び物理学にわたる厳格な（in disciplines）科学者達の想像を捕らえてきた。このタイプのチューブは小分子ワイヤーから薬剤カプセル化あるいはバイオセンサにわたる種々の用途において進歩した物質として約束されている。これまでごく少数の、ほぼ全てがキラルの脂質が、制御された条件下でチューブ構造を形成することができている。さらにチューブは一般に均一の大きさではない。光学活性のリン脂質変異体を調製する困難性は、典型的な脂質及びリン脂質類似体を脂質へリックス及びチューブの製造における使用の障害となる。

これら問題は、ジアセチレン脂質の化学的修飾により解決する種々の試みがなされて来た。Schoenらは冷却プロセスにてキラルジアセチレンリン脂質から成る脂質チューブを作る方法を検討してきた（米国特許No.４，９９０，２９１）。ジアセチレンリン脂質は明らかに異なる吸熱又は発熱転移温度を有している。このため、ジアセチレンリン脂質の水素化を吸熱転移温度より上で行い、次いでゆっくり温度を低下させることにより脂質チューブを形成することができる。球状リポソームとは異なり、脂質チューブは形成するのに用いる脂質のキラル性を反映する。分子パッキングにおけるキラリティはヘリカル構造において反映され、しばしばチューブの電子顕微鏡観察により可視化でき、そして円偏光二色性スペクトル（CDスペクトル）により大きなピークが観測される。反対のエナンチオマー脂質を使用したときに、らせん構造及びCDスペクトルの両方が対掌性を変化させるので、キラリティの重要性が強調される。

Mol.Cryst.Liq.Cryst. vol.106,371(1984)でSchoen及びYagerにより、２つの鎖を有するキラルな脂質ジアセチレン、１，２−ビス（トリコーサ−１０，１２−ジイノイル）−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホコリン（DC8,9PCと省略される）のリポソームから水で会合させたナノチューブが観測された。DC8,9PCから形成したチューブは平均半径０．５μｍ及び長さ５０〜２００μｍの範囲のものを有する。この実験で形成されたチューブの大きさ及び安定性は調製条件に敏感で、熱履歴は結果として不均質の調製物であった。２つのジアセチレン鎖から成るキラル脂質を用いた他の研究は、均一のナノチューブ構造をこれら前駆体から形成するのは困難であることを示した（Thomasら、Science vol.267,1635(1995); Spectorら、Nano Letters vol.1, 375(1984); Wandら、 Langmuir vol.15,6135(1999); Svensonら、Langmuir vol.15,4464(1999); Seddonら、Angew.Chem.Int.Ed.vol.41,2988(2002); Thomasら、J.Am.Chem.Soc.vol.124,1227(2002)。

Chengら、Langmuir vol.16,5333(2000)、及びFrankelら、J.Am.Chemi.Soc.vol.116,10057(1994)は、単一のキラルジアセチレン鎖がチューブを形成することを見出した。さらにSinghら、J.Chem.Soc.,Chem.Commun.1222(1988)は、二つのジアセチレン鎖から構成される非キラル両親媒物からチューブを形成できることを見出した。最後にLindsellら、Chem.Mater.vol.12,1572(2000)はマイクロメーターサイズのチューブ（ナノチューブではない）を単一のジアセチレン鎖から構成される非キラル両親媒性物質から形成した。これらの結果からキラリティ及び２つのジアセチレン鎖が両親媒性物質に存在することは、チューブ形成において絶対条件ではないことがわかる。しかしながらこれら研究がいくつかのチューブ様構造を製造することができたとはいえ、これら調製物は完全にヘテロジニアスであった。

本発明は、アキラルの単一鎖ジアセチレン両親媒性物質からほぼ均質の単一分散ナノチューブ及び関連する構造であるナノカーペットの合成に成功したことを報告する。安価で単純な脂質の顕著な自己会合性は前例にないものであり、エレクトロニクス、オプティクス、バイオセンサ及び時間工学（time engineering）のためのやぐら構造（scaffold）のナノ構造材料の合理的な設計に向けて、真のステップとなる。

発明の概要
本発明は、単一鎖、非キラル、ジアセチレン両親媒性物質のナノチューブ及びナノカーペットを提供する。ナノチューブ又はナノカーペットは、モノマー物質が一般式（A）のものである。式中、ａ及びｂは約５〜１５であり；Rは場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む結合基であり；R’はH又は場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む結合基であり：ｎは約０〜３の整数であり；ここでR’は同一か又は異なり、ｎは2又は3であり：XはF、Cl、Br、I、CF3SO3又はCF3CO2であり、そしてこれらの組み合わせである。

本発明は分子が非共有結合性自己会合にて会合した均一半径ナノチューブを提供する。

実施例１：ブロモエタンによる四級化により得られる化合物２．３．４、及び５（図１）混合物からのナノチューブ
合成スキームは図１パネルAに要約する。化合物２は、３．０ｇの１０，１２−ペンタコサジイン酸（PDA）を２．７７ｇのＮ−ヒドロキシスクシンイミド（NETS）及び４．６１ｇの１−［３−（ジメチルアミノ）プロピル］−３−エチルカルボジイミド（DEC）と反応させてスクシンイミジルエステルに変換して製造する。得られる化合物はクロロホルム中の１００倍過剰のエチレンジアミンに３０分間にわたって添加する。一晩室温で反応後、混合物をクロロホルムで抽出する。有機相をＮａＳＯ４及びロータリーエバポレーターでで乾燥し、白色粉末を得る（化合物２）。次いで化合物２は室温でクロロホルム／ニトロメタン1:1混合物中の過剰のエチルブロミドと混合して四級化反応させる。反応溶剤をロータリーエバポレーターで除去し、少量のクロロホルム（約1−10ミリリットル）に溶解した白色固体を得る。このクロロホルム溶液に大過剰（約3−4倍）のヘキサンをまずゆっくり添加し、ついで真空オーブンにて室温で乾燥させてナノチューブを形成する。乾燥させた配合物を水又はヘキサンに再懸濁させ、ついで5−30分間超音波水浴中で室温で超音波処理する。超音波処理した溶液をガラス板上に広げ、そして3時間室温で乾燥する。

質量分析及びＮＭＲ分析によると化合物２，３，４及び５から構成される化合物の混合物であることがわかる。
実施例2：エチル頭部基でアルキル化したＰＤＡの第2級アミン塩からのナノチューブ（化合物3、図1）
ＤＥＣの存在下ＮＨＳで修飾したＰＤＡ（上述の通り）をジクロロメタン中の１０倍過剰のＮ−エチルエチレンジアミンにゆっくり加える。反応後、混合物を過剰の水で洗浄する。有機相を硫酸ナトリウム及びロータリーエバポレーターで乾燥し、白色粉末を得る（図1、化合物6、パネルＢ）。純粋な化合物3を化合物6から調製した。化合物6をクロロホルムに溶解させ等体積のＨＢｒ水溶液を加える。混合物を激しく振とうし、ＨＢｒを有機相に移動させる。有機相を除去し、そしてロータリーエバポレーターで濃縮する。クロロホルム溶液にヘキサンを加え化合物3を沈殿させ、そして沈殿物を減圧下室温で乾燥する。ナノチューブを調製するために乾燥させた沈殿物を水又はヘキサンに再懸濁させ、ガラス表面上に滴下し、乾燥させる。

ＳＥＭによると、ナノチューブは壁厚（３１ｎｍ）及び内径（４１ｎｍ）について完全に単分散である（図２Ｃ）。

これらの構造の精密な構成は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＮＤ．ＴＥＭ）により提供される。裸のナノチューブのＴＥＭとリンタングステン酸による染色により中空の内芯と5つの脂質二重相からなる壁が明らかになる（各二重相は直径４３．１Åである）（図3Ａ）。溶液中での構造はＳＡＸＳによりさらに同定される。結果（図３１３）は、過剰の水中でのチューブ状二重層の平衡空間は５７．９Åであることを示す。チューブの半径は試料全体にわたり均一であるが、長さは様々であり、平均するとおおよそ１μｍである。
実施例３：ナノチューブ半径の対照：Ｎ−プロピル頭部基でアルキル化されたＰＤＡの第2級アミン塩からのナノチューブ
ＤＥＣ存在下でＮＨＳで修飾したＰＤＡを、クロロホルム中の１０倍過剰のＮ−プロピルエチレンジアミンにゆっくり加えた。反応後、混合物を水洗する。有機相を硫酸ナトリウムとロータリーエバポレーターで乾燥し、白色粉末を得る。ｎ−プロピル頭部基でアルキル化されたＰＤＡのＨＢｒアミン塩と、この物質のナノチューブは上述の通り調製する。

ＳＥＭによるとナノチューブは壁厚（３１ｎｍ）及び内径（３４ｎｍ）について完全に単分散である。ナノチューブの半径は試料全体にわたって均一で、長さは２００ｎｍから１．８μｍまで様々である。
実施例4：ナノチューブ半径の対照：Ｎ−ブチル頭部基でアルキル化されたＰＤＡの第2アミン塩からのナノチューブ
ＤＥＣ存在下でＮＨＳで修飾したＰＤＡをジクロロエタン中の１０倍過剰のＮ−ブチルエチレンジアミンにゆっくり加えた。アミン塩及びナノチューブを上述の通り調製する。

ＳＥＭによると、ナノチューブは壁厚（３３ｎｍ）及び内径（１６ｎｍ）について完全に単分散である。ナノチューブの半径は試料全体にわたって均一で、長さは２００ｎｍから１．８μｍまで様々である。
実施例５：実施例１で合成したとおりの、ブロモエタンで四級化した、化合物２，３，４及び５の混合物からのナノカメット（nanocamets）
高度に配列したナノチューブから構成されるポリジアセチレンナノカーペットとそのラメラ構造を外的鋳型を用いることなく調製する。最初の実験ではナノチューブの形成で用いた方法を用い、２０ｍｌ（ミリリットル）の原始的な（primitive）ミクロ構造の水溶液（０．０５ｍｇ／ｍｌ）を5分間２５℃（摂氏）で超音波処理した。次いでジアセチレンモノマーを２５４ｎｍのＵＶ照射により３０分間５℃で重合した。得られた溶液の０．５ｍｌをガラススライドに広げ1時間室温で乾燥させた。この時点では完全に乾燥させる前であり、ここにクロロホルム1滴を表面に加え、そしてスライドをさらに2時間乾燥させた。乾燥後ＳＥＭによる観察を行った。

図２Ｄ、２Ｅ及び２Ｆのナノカーペットは外的鋳型を用いることなく調製した。顕微鏡写真は、ラメラ構造から立ち上がるナノカーペットの柱を示しており、（図２Ｄ及び２Ｅ）これはナノチューブの末端の一部が融解して形成されたのであろう。我々は水／クロロホルム界面において、クロロホルムが単一のチューブで終わる「融解」ナノチューブを形成する能力を観察した。クロロホルムに接触させる前にナノチューブの外表及び内表は疎水性で底が抜けた状態である（open-ended）ことがわかった。いかなる特定の理論にも束縛されないが、我々の最近の仮説では、少量のクロロホルムをナノチューブの無秩序の表面に加えると、まずチューブの頂部表面を融解し、配列していない（disoriented）柱が表れるラメラ構造を形成する。おそらくクロロホルムが徐々に除去されることによりチューブが配列するのであろう。どのようなメカニズムであれ、得られるナノカーペットの柱はおよそ半径１００ｎｍ、長さ１ｇｍである（図２Ｆ）。各々の柱は、上述の無秩序のナノチューブ系で観測されたように、全く同じ半径の3−４つのナノチューブのクラスターからなる。カーペットバッキング（carpetbacking）は厚さ１２０ｎｍである（図２Ｆ）。
実施例６：エチル頭部基でアルキル化されたＰＤＡの第2級アミン塩（化合物３）からのナノカーペット（図１）
ポリジアセチレンナノカーペットは外的鋳型を用いることなく調製する。最初の実験では化合物3をクロロホルムに溶解させた。溶液をガラススライドに広げ、室温で1時間乾燥させ、そして表面に水を加え、スライドをさらに６１Ｌ乾燥させた。乾燥後ＳＥＭによる観察を行った。

図４Ａ及び４Ｂのナノカーペットはガラススライド上に調製した。顕微鏡写真はラメラ構造から立ち上がるナノカーペットの柱を示しており、得られたナノカーペットの柱は厚さおよそ５μｍである。

実施例７：ナノチューブ長さの対照
図1の、エチル頭部基でアルキル化されたＰＤＡの第2級アミン（化合物３）（１ｍｇ／ｍｌ）をガラス試験管に入れた。不溶性の試料をヒートガンで注意深く温めて沸騰させた。約８０℃でＰＤＡの第2級アミン塩の溶液が透明になった。溶液を室温まで冷却し、ついで同定の前に４℃に維持したチャンバーに１週間置いた。

ＳＥＭによると、ナノチューブは壁厚（２７）ｎｍ及び内径（４１ｎｍ）について完全に単分散である。ナノチューブの半径は試料全体にわたって均一で、長さは１５μｍから２０μｍまで様々である（図５）。
実施例８：ナノチューブの抗菌活性
ナノチューブと細菌との相互作用を見積もるためにいくつかの実験を行った。抗菌活性は１０μｇ／ｍｌのナノチューブ中で２×１０５大腸菌をインキュベーションすることにより試験した。大腸菌Ｋ１２はＬ培地中で一晩で成長し、０．３ｍＭリン酸カリウム（ｐＨ７．２）で希釈した。そして顕微鏡写真又は抗菌アッセイのいずれかに使用した。抗菌アッセイのためには、５×１０５セルを含む１ｍｌの懸濁液を１ｍｌのナノチューブ溶液と混合した。混合物を３７℃で１時間振とうし、試料を連続的に希釈してＬ培地−アガーに置いて目視で勘定した。この処置は９９．９８％のセルを１時間以内に殺した。

ジアセチレン分子へのＷ光線の照射により分子間の架橋を形成し、ポリマー性の色原体の物質を形成した。溶液中のナノチューブのＵＶ照射により色が白から深濃青に変化した。架橋ナノチューブが細菌と混合するとき、この物質はセルとナノチューブとを凝集沈殿させるように作用し、色が濃青から淡青に変わる。

この凝集挙動の原因は電子顕微鏡で観察できる。ナノチューブの溶液を調製し大腸菌懸濁液と混合した。ＴＥＭグリッドをこの混合物に浸し、余分な液体をふき取って、そしてグリッドをＴＥＭで観察した。このような準備において大部分のナノチューブは細菌の外表と相互作用していた。図６は細菌のセルの外表と融合したナノチューブのまさにその例を示し、セルはナノチューブ物質に包まれている。

Claims (30)

1. 均一の半径を有するモノマーを含むナノチューブであって、該ナノチューブが分子の非共有結合性自己会合により会合した、前記ナノチューブ。
2. 少なくとも1の単一鎖非キラルジアセチレン両親媒性モノマーを含むナノチューブ。
3. 1を超える数の請求項2に記載のナノチューブのクラスターであって、該ナノチューブの各々が互いに均一の大きさである、前記クラスター。
4. 請求項2に記載のナノチューブであって、該モノマーが以下の一般式：
   （式中、ａ及びｂは約５〜１５であり；Rは場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む結合基であり；R’はH又は場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む結合基であり：ｎは約０〜３の整数であり；ここでR’は同一か又は異なり、ｎは2又は3であり：XはF、Cl、Br、I、CF3SO3又はCF3CO2であり、そしてこれらの組み合わせである）
   を含む、前記ナノチューブ。
5. XがBrである、請求項4に記載のナノチューブ。
6. ｎが整数1である、請求項4に記載のナノチューブ。
7. XがBrである、請求項6に記載のナノチューブ。
8. 単一鎖非キラルジアセチレン両親媒性モノマーを含む2又はそれ以上のナノチューブの構造配置を含むナノカーペット構造。
9. ナノチューブが以下の式：
   （式中、ａ及びｂは約５〜１５であり；Rは場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む結合基であり；R’はH又は場合によりＯ又はＮを含有する線状又は分岐のアルキル又は芳香族鎖を含む有機基であり：ｎは約０〜３の整数であり；ここでR’は同一か又は異なり、ｎは2又は3であり：XはF、Cl、Br、I、CF3SO3又はCF3CO2であり、そしてこれらの組み合わせである）
   を有するモノマー性物質を含有する、請求項8に記載のナノカーペット。
10. XがBrである、請求項９に記載のナノカーペット。
11. ｎが整数1である、請求項９に記載のナノカーペット。
12. ナノチューブが抗菌活性を有する、請求項1、２、３及び４のいずれか1項に記載のナノチューブ。
13. ナノカーペットが抗菌性を有する、請求項8に記載のナノカーペット。
14. ナノチューブがキャリヤー表面に付着可能である、請求項１、２、３、４、及び８のいずれかに記載のナノチューブ。
15. 該キャリヤーが細菌細胞である、請求項14に記載のナノチューブ。
16. 各ナノチューブが、互いに同一の均一な半径及び長さを有する、請求項１、２、３、４及び８のいずれかに記載のナノチューブ。
17. 該ナノチューブが花様構造を有する、請求項１、２、３、４及び８のいずれかに記載のナノチューブ。
18. 少なくとも１の単一鎖非キラルジアセチレン両親媒性モノマーを含むナノチューブを含む製品。
19. 該ナノチューブが、ナノやぐら構造（nano-scaffold structure）、ナノファブリック（nanofabric）、ナノカーペット、又はナノベルトを形成可能である、請求項118に記載の製品。
20. ナノチューブを形成する方法であって：
    １０、１２−ペンタコサジイン酸（pentacosadiynoic acid）をN−ヒドロキシスクシンイミド及び１−（３−（ジメチルアミノ）プロピル）−３−エチルカルボジイミドの存在下でスクシンイミジルエステルに転換し；
    該スクシンイミジルエステルを、クロロホルム中の過剰なエチレンジアミンに添加してこれらの混合物を形成し；
    該混合物をクロロホルムで抽出し；
    該混合物の該有機相をNaSO4で乾燥し、蒸発乾固し、そしてクロロホルム／ニトロメタン（１：１）中のエチルブロミドと共に室温で四級化し；
    クロロホルム及びニトロメタン反応溶媒を蒸発乾固し；
    クロロホルム中に該修飾１０，１２−ペンタコサジイン酸を溶解して修飾１０，１２−ペンタコサジイン酸とクロロホルムとの混合物を形成して、該１０，１２−ペンタコサジイン酸とクロロホルムとの混合物にヘキサンを添加して該ナノチューブミクロ構造を形成する
    肯定を含む、前記方法。
21. 該ナノチューブミクロ構造を乾燥することを含む請求項２０に記載の方法。
22. 該ナノチューブミクロ構造を超音波処理し、そしてこれ乾燥することを含む請求項２０に記載の方法。
23. 該ナノチューブミクロ構造を超音波処理し、これを紫外線を用いて重合し、そして重合したナノチューブミクロ構造を乾燥することを含む、請求項２０に記載の方法。
24. 該ナノチューブミクロ構造の該分子が自己会合することを含む、請求項２０に記載の方法。
25. 均一の半径を有するモノマーを含む重合化ナノチューブであって、該ナノチューブが非共有自己会合により会合したナノチューブであり、該ナノチューブが重合されて重合発色物質を形成する、前記重合化ナノチューブ。
26. さらに重合化ナノチューブ構造を含む請求項２、３、４、８、９及び１９のいずれか１項に記載のナノチューブ。
27. 重合発色物質を含む請求項２６に記載のナノチューブ。
28. 細菌細胞の外表と相互作用可能である、請求項２７に記載のナノチューブ。
29. 細菌細胞を包囲可能である、請求項２７に記載のナノチューブ。
30. それらの塩を含む請求項１〜２９に記載のナノチューブ。

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