JP2008264889A - 生体適合性膜加工方法及びセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 生体適合性表面をナノメートルスケールで微細加工する方法を提供し、その精密な加工により、生体適合性表面の精密な特定加工領域に更にセンサ分子を自己組織的に集積したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を提供する。
【解決手段】
SPM探針を物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査し、前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡に用いるSPM探針であって、位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端のSPM探針に、SPM探針の先端部分に、リンカー分子を介して、取り付けられた酵素が、酵素の働きにより生体適合性膜を加工することを特徴とする生体適合性膜加工方法及びこの方法により得られる自己組織的に集積したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子。

【選択図】 図１

Description

本発明は、人などの動物の体内に埋め込むのに適した生体適合性膜の加工方法およびこの加工方法を利用して作成したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子に関する。

従来の技術では、探針を物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査し、前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡であって、前記探針にセンサとなる分子または原子集団が固定されており、前記物理量が前記探針を前記物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査した場合に、前記センサとなる分子または原子集団と前記物質表面が相互作用もしくは化学反応をする時に生ずる物理量であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡は、既に知られている（特許文献１）。ここでは、物質表面の構造を、分子レベルや原子集団のレベルで直接調べたり加工する走査型プローブ顕微鏡およびそれによる分子加工法を開示しているが、この方法では加工サイズのコントロールがSPM装置に依存しているうえ、酵素あるいは変異酵素の固定化については言及されていない。

また、位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端に、酵素を固定化することにより、分子加工用部材を構成し、これを使用することにより、基板上に配置した分子を加工することも知られている（特許文献２）。
ここでは、分子レベルで超微細化工が可能で、基板上の決められた位置で、分子の分解、連結あるいは修飾等を行うための新たな手段が開示されている。これは、SPM探針に酵素を固定化して分子加工用部材を構成している。ただし、この発明では、基質がタンパク質またはペプチド、酵素がプロテアーゼと記載され、加工サイズのコントロールや、生体適合性表面の作製に関する記述までは開示されていない。

さらに、検出や加工の対象を生体適合性表面とすることについては、基板表面に溝を形成し、溝に導電性材料を配し電極を形成し、溝パターンはプレスなどの方法によって作られることは既に知られている（特許文献３参照）。
しかし、生体適合性表面をナノメートルスケールで微細加工し、加工領域に更にセンサ分子を自己組織的に集積するという技術思想は、これまでにまったく無かった。
特開平5-93623号公報 特開2004-261920号公報 特表2002-506205号公報

本発明は、生体適合性表面をナノメートルスケールで微細加工する方法を提供し、その精密な加工により、生体適合性表面の精密な特定加工領域に更にセンサ分子を自己組織的に集積したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を提供する。

上記目的を達成するために本発明は、走査型プローブ顕微鏡に用いるSPM（SPMは走査型プローブ顕微鏡の略称）探針を用い、位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端のSPM探針に、SPM探針の先端部分に、リンカー分子を介して、取り付けられた酵素を用いて、酵素の働きにより生体適合性膜を加工することを特徴とする生体適合性膜加工方法及び生体適合性表面の精密な特定加工領域に更にセンサ分子を集積したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を提供するものである。
すなわち、本発明は、SPM探針を物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査し、前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡に用いるSPM探針であって、位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端のSPM探針に、SPM探針の先端部分に、リンカー分子を介して、取り付けられた酵素が、酵素の働きにより生体適合性膜を加工することを特徴とする生体適合性膜加工方法である。
また、本発明においては、SPM探針の先端部分表面が金又はシリコンであり、一方の末端がチオール又はシランであり、他方の末端がカルボキシルであり、分子中央部は炭素数３〜２０のアルキル、デキストラン若しくはポリエチレングリコールであるリンカー分子を用いることができる。

さらに本発明は、リンカー分子の他方の末端カルボキシルとしてニトリロ三酢酸を有するリンカー分子を用い、ヒスチジンタグがある酵素を用いることもできる。
また本発明は、生体適合性膜として、ポリヒドロキシアルカン酸、ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなどのポリエステルから選ばれるポリマーを用いることが出来る。
さらに本発明においては、生体適合性膜を加工する酵素の働きにより行われる加工は、生体適合性膜の分解若しくは重合である。
ここにおいては、分解が、プロティナーゼK、ポリヒドロキシアルカン酸分解酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、DNアーゼから選ばれる加水分解酵素で行われ、重合が、ポリヒドロキシアルカン酸重合酵素、リパーゼ、DNAポリメラーゼから選ばれる重合酵素で行われる。
また本発明は、これらの生体適合性膜加工方法を用いて、金又はシリコン基板上に設けた生体適合性膜を所定の箇所のみ分解し、分解した箇所の金基板上に、センサ分子を、一方の末端がチオール又はシランであり、他方の末端がカルボキシルであり、分子中央部は炭素数３〜２０のアルキル、デキストラン若しくはポリエチレングリコールであるリンカー分子を用いて、金基板に結合させたセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子である。

本発明の生体適合性膜加工方法は、加工するサイズは、加水分解の場合、探針に取り付けた酵素の密度、活性、基質特異性でコントロールすることができ、最小で酵素の大きさ：5-10
nmまでの超微細化工が可能であり、生体内への埋め込み可能な超小型のセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を作ることが出来る。

本発明における生体適合性膜加工方法に用いるSPM探針の作製及びそれを用いた生体適合性膜加工方法について説明する。
（SPM探針へのリンカー分子の設置）
SPM探針の先端部分表面を金又はシリコンとし、一方の末端がチオール又はシランであり、他方の末端がカルボキシルであり、分子中央部は炭素数３〜２０のアルキル、デキストラン若しくはポリエチレングリコールであるリンカー分子を用いることにより、金−チオール反応、シランカップリング反応によってリンカー分子をSPM探針に設置する。アルキル基の部分は、炭素数３〜２０のアルキル、ポリエチレングリコール、デキストランなど、酵素に不活性な分子であればどのようなものでも良い。
固定化対象の酵素にヒスチジンタグがある場合には、金属イオンとの錯形成に基づき、酵素を固定化するため、例えば、ニトリロ三酢酸等の分子を先端部に保有する分子を上述の方法でSPM探針に固定化する。

（酵素の選択）
酵素は、加水分解酵素もしくは化合物合成酵素（重合酵素）を用いる。これらの酵素をスペーサー分子に設置する。
本発明の典型例として、加水分解酵素としてプロティナーゼK、ポリヒドロキシアルカン酸分解酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、DNアーゼなどが挙げられ、また、重合酵素としてポリヒドロキシアルカン酸重合酵素、リパーゼ、DNAポリメラーゼなどが挙げられる。

（加工サイズの制御）
酵素の探針への固定化密度は、スペーサー分子の設置の際に、酵素固定化に参加することができない分子（例えば、末端がメチル基）と混合して下地のスペーサー領域を作製するか、あるいは、酵素の固定化を阻害するような嵩高い分子を混合しておくことによりコントロールすることができる。

（加工対象）
本発明で用いる生体適合性膜は、生体に対する影響が少ない高分子であれば、どのようなものでも良い。例えば、ポリヒドロキシアルカン酸、ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなどのポリエステル、その他、酵素反応によって、分解や重合が可能な高分子材料が好ましく用いられる。

（加工領域）
ナノリソグラフィー（超微細化工）において、SPM探針を用いた加工法の中では、最小の5-10
nmの精度で加工を達成する。そのため、超微細なナノ流路などを望みの箇所に設置することができるようになる。

本発明の生体適合性膜加工方法は素子、例えば、化学反応で起こる神経抹消部における神経伝達物質の授受による筋肉動作を模倣したデバイスの開発に役立つ。すなわち、義肢などの無機的な機械と神経などの生体系を接続するためのインターフェイスとなる。本発明のセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子は、体内への埋め込み可能であり、かつ神経伝達物質の捕捉に伴い、シグナルを機械的装具へ電気的に伝達することが可能である。

位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端を、所定の形状に添って、下記の実施例１により得られる分解に用いることができるSPM探針を移動させれば、所定の形状のポリ乳酸被膜を分解することができる。
また、次のようにして、堆積に用いるSPM探針を作成することもできる。
金製の基板の上に厚さ５〜１００ｎｍのポリヒドロキシアルカン酸被膜を設け、
SPM探針の先端部分表面を金とし、一方の末端がチオールであり、他方の末端がカルボキシルであり、分子中央部は炭素数６程度のアルキルであるリンカー分子（3,3’-dithiobis[N-(5-amino-5-carboxypentyl)propionamide-N’,N’-diacetic
acid]）とポリヒドロキシアルカン酸重合酵素を、Ni(II)を介して固定化すれば、酵素固定化SPM探針を作成することができる。
位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブ先端に当該SPM探針を固定し、所定の形状に添ってSPM探針を移動させれば、所定の形状のポリヒドロキシアルカン酸被膜の上に、ポリヒドロキシアルカン酸被膜を堆積することもできる。

図２を用いてさらに本発明の可能性を詳しく説明する。
（センサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子の製造）
下記の実施例１で得られた所定の形状のポリ乳酸被膜が分解された所定の形状の基板表面の金に、一方の末端がチオールであるセンサ分子（センサ部位にクラウンエーテル若しくはビピリジンを有するセンサ分子）を結合させれば、図２に示すようにセンサ分子を自己組織的に集積し固定化することができ、センサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を作ることができる。
センサ分子はホスト・ゲスト化学により標的分子を捕捉して形態変化もしくは電位変化を起こすため、生体内にセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を埋め込めば、生体内の特定の分子を検知し、これを電気信号として取り出すことも可能である。

本発明について図１を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（酵素固定化SPM探針の作成）
シリコン製の基板の上に厚さ５〜１００ｎｍのポリ乳酸被膜を設けた。
SPM探針の先端部分表面を金とし、一方の末端がチオールであり、他方の末端がカルボキシルであり、分子中央部は炭素数１０程度のアルキルであるリンカー分子（11-メルカプトウンデカン酸）と加水分解酵素（プロティナーゼK）を用いて、酵素固定化SPM探針を作成した。この酵素固定化SPM探針は、加水分解酵素による作用により、微細な部分の分解を行うことができる。

本発明の生体適合性膜加工方法は、超微細化工が可能であり、生体内への埋め込み可能な超小型のセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子を作成することが出来るため、医療分野での貢献が期待でき、産業上極めて利用可能性が高いものである。

本発明における表面加工方法の説明図 センサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子

Claims (7)

1. SPM探針を物質表面に接近もしくは接触させて原子レベルの精度で走査し、前記物質表面と前記探針との間で生じる物理量を検出する走査型プローブ顕微鏡に用いるSPM探針であって、位置決め手段により位置決め可能に設けられる表面走査用プローブのSPM探針の先端部分に、リンカー分子を介して、取り付けられた酵素が、酵素の働きにより生体適合性膜を加工することを特徴とする生体適合性膜加工方法。
2. SPM探針の先端部分表面が金又はシリコンであり、一方の末端がチオール又はシランであり、他方の末端がカルボキシル基であり、分子中央部は炭素数３〜２０のアルキル、デキストラン若しくはポリエチレングリコールであるリンカー分子を用いる請求項１に記載した生体適合性膜加工方法。
3. リンカー分子の他方の末端カルボキシルとしてニトリロ三酢酸を有するリンカー分子を用い、ヒスチジンタグがある酵素を用いる請求項２に記載した生体適合性膜加工方法。
4. 生体適合性膜が、ポリヒドロキシアルカン酸、ポリ乳酸、ポリカプロラクトンなどのポリエステルから選ばれるポリマーである請求項１ないし請求項３のいずれかに記載した生体適合性膜加工方法。
5. 生体適合性膜を加工する酵素の働きにより行われる加工が、生体適合性膜の分解若しくは重合である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載した生体適合性膜加工方法。
6. 分解が、プロティナーゼK、ポリヒドロキシアルカン酸分解酵素、リパーゼ、プロテアーゼ、DNアーゼから選ばれる加水分解酵素であり、重合がポリヒドロキシアルカン酸重合酵素、リパーゼ、DNAポリメラーゼから選ばれる重合酵素である請求項５に記載した生体適合性膜加工方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかの生体適合性膜加工方法を用いて、金基板上に設けた生体適合性膜を所定の箇所のみ分解し、分解した箇所の金又はシリコン基板上に、一方の末端がチオール又はシランからなるセンサ分子を固定化したセンサ分子搭載型生体適合性インターフェイス素子。
   
   
   

Images