JP2014139684A - ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法は、バイオポリマーを提供する工程12と、このバイオポリマーを加工してバイオポリマーマトリックス溶液を得る工程14と、ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程16と、その基材のナノパターンが形成された表面の上にバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程18と、そのバイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、基材の上に固化したバイオポリマー膜を形成させる工程20とを含み、ここでその固化したバイオポリマー膜は、その上にナノパターンを有する表面を伴い形成される。
【選択図】図1
Description
本出願は、米国仮特許出願第60/856,297号明細書(出願日:2006年11月3日、発明の名称:「Biopolymer Devices and Methods for Manufacturing the Same」)の優先権の恩典を主張する。本出願はさらに、米国仮特許出願第60/907,502号明細書(出願日:2007年4月5日、発明の名称:「Nanopatterned Biopolymer Optical Device and Method of Manufacturing the Same」)の優先権の恩典を主張する。
本発明は、the Air Force Office of Scientific Researchにより交付番号FA95500410363号として与えられた政府支援のもとになされた。本発明に関して政府は一定の権利を保有している。
本発明は、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスおよびそのようなデバイスを製造するための方法に関する。
光学分野は、十分に確立されている。光学の下位分野としては、回折光学素子、微小光学素子、フォトニクス、および導波光学素子などが挙げられる。研究用途および商業用途のための光学素子のこれらおよびその他の下位分野において、各種の光学デバイスが作製されてきた。たとえば、一般的な光学デバイスとしては、回折格子、フォトニック結晶、光流体デバイス、導波路などが挙げられる。
なお、本発明はさらに、以下の実施態様を含む。
[態様1]
ナノパターンが形成された表面を有する基材を提供する工程と、
前記基材の前記ナノパターンが形成された表面の上に、バイオポリマーを含むバイオポリマーマトリックス溶液をキャストする工程と、
前記バイオポリマーマトリックス溶液を乾燥させて、前記基材の上に、その上にナノパターンを有する表面を伴って形成された固化したバイオポリマー膜を形成させる工程と
を含む、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスの製造方法。
[態様2]
バイオポリマーを提供する工程と、
前記バイオポリマーを加工して、前記バイオポリマーマトリックス溶液を得る工程と
をさらに含む、態様1に記載の方法。
[態様3]
前記固化したバイオポリマー膜をアニールする工程をさらに含む、態様1に記載の方法。
[態様4]
前記固化したバイオポリマー膜をアニールする前記工程が、真空環境および水蒸気環境の内の少なくとも一つの中で実施される、態様2に記載の方法。
[態様5]
前記基材が、光学デバイスのためのテンプレートである、態様1に記載の方法。
[態様6]
前記基材が、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つのためのテンプレートである、態様5に記載の方法。
[態様7]
前記バイオポリマーが絹である、態様1に記載の方法。
[態様8]
前記バイオポリマーマトリックス溶液が、約1.0重量%以上30重量%以下の絹を含む絹フィブロイン水溶液である、態様7に記載の方法。
[態様9]
前記絹フィブロイン水溶液が、およそ8.0重量%の絹を含む、態様8に記載の方法。
[態様10]
バイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン(アミロース アミロペクチン)、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様1に記載の方法。
[態様11]
前記固化したバイオポリマー膜の中に有機物質を包埋させる工程をさらに含む、態様1に記載の方法。
[態様12]
前記バイオポリマーマトリックス溶液に有機物質を添加する工程をさらに含む、態様1に記載の方法。
[態様13]
有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレインからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様12に記載の方法。
[態様14]
有機物質が、核酸、色素、細胞、抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、DNAポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、DNA、RNA、RNAi、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、たとえばクロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物からなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様12に記載の方法。
[態様15]
前記基材の上にナノパターンを機械加工する工程をさらに含む、態様1に記載の方法。
[態様16]
前記基材の上にナノパターンを機械加工する工程が、レーザーを使用して実施される、態様15に記載の方法。
[態様17]
前記機械加工する工程が、レーザーによって発生されるフェムト秒レーザーパルスによって実施される、態様16に記載の方法。
[態様18]
その上にナノパターンを有する表面を持つ固化したバイオポリマー膜を含む、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様19]
レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーの少なくとも一つである、態様18に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様20]
前記固化したポリマー膜が絹である、態様18に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様21]
前記固化したバイオポリマー膜が、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン(アミロース アミロペクチン)、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様18に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様22]
前記固化したバイオポリマー膜の中に包埋された有機物質をさらに含む、態様18に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様23]
有機物質が、赤血球、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、およびフェノールスルホンフタレインからなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様22に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
[態様24]
有機物質が、核酸、色素、細胞、抗体、酵素、たとえば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、DNAポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、タンパク質、ペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、DNA、RNA、RNAi、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、糖質、発色団、発光性有機化合物、たとえばルシフェリン、カロチン、および発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス薬、集光性化合物、たとえばクロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリン、ならびに関連する電子的に活性な化合物からなる群、またはそれらの組合せから選択される、態様22に記載のナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイス。
以下に詳述されるように、本発明によるナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスは、絹のようなバイオポリマーを使用して作った。これに関しては、使用された絹はカイコ絹であった。しかしながら、たとえばクモの糸(クモの絹(spider silk))、トランスジェニックの絹、および遺伝子改変の絹、それらの変種および組合せ、ならびにその他の絹などを含む様々な異なる絹が存在し、本発明にしたがってそれらを代用品として使用して、ナノパターンが形成されたバイオポリマー光学デバイスを得てもよい。
sinα+sinβ=mλ/d
式中、αおよびβはそれぞれ、入射光の入射角および回折角であり、mは回折次数であり、dは格子のピッチ(単位、ライン/mm)である。生物学的レベルでの変化によって誘発される、λの関数としてのdまたは吸光度における変動が、得られる光学的な特色に影響するであろう。そのために、光学的な特色におけるこの変化が、簡便で総合的な検出方法を与える。格子全体に影響がでるような肉眼的効果のために、表面の機能化を任意に調節することが可能であり、それによってスペクトル的な特色の変化を(たとえば、光リミッターと同様に)極めて劇的とすることができる。
絹膜中における抗体の安定性
材料
抗IL−8モノクローナル抗体(IgG1)は、eBioscience,Inc.から購入した。ヒトポリクローナル抗体IgGおよびヒトIgG ELISA Quantitation Kitは、Bethyl Laboratories Inc.から購入した。研究において使用したその他の全ての化学薬剤は、Sigma−Aldrich(St.Louis,MO)から購入した。
167mLの6%絹溶液と混合した10mLのIgG(1mg/mL)で、絹膜中IgG濃縮物(mg/g絹)を作製する。100μLの混合IgG溶液を、96ウェルプレートのそれぞれのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一夜置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを90%メタノール溶液中に5分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた96ウェルプレートの全てを、4℃、室温、および37℃で保存した。
83mLの6%絹溶液と混合した0.5mLのIgG1(1mg/mL)で、絹膜中IgG1濃縮物(0.1mg/g絹)を作製する。50μLの混合IgG1溶液を、96ウェルプレートのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一夜置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを90%メタノール溶液中に5分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた96ウェルプレートの全部を、4℃、室温、および37℃で保存した。
統計解析のため、同一の条件下で調製した5個のウェルについて測定した。純粋な絹(抗体なし)を対照として使用した。
ポリスチレン(96ウェル)マイクロタイタープレートを、抗原コーティング緩衝液(重炭酸塩緩衝液、50mM、pH9.6)中で調製した10μg/mLの濃度の100μLの抗原抗ヒトIgG−アフィニティを用いてコーティングし、次いで室温で保存して一夜インキュベートした。次いでTBS−T緩衝液を用いて、それらのウェルを3回洗浄した。1%のBSA(TBS中)を各ウェル200μLずつ用いて非占有部位(unoccupied site)をブロックし、次いで室温で30分間インキュベートした。次いでTBS−Tを用いて、それらのウェルを3回洗浄した。次いで、連続希釈の血清100μLを用いて、試験ウェルおよび対照ウェルを希釈した。それぞれの希釈は、TBS緩衝液中で実施した。それぞれの希釈に対応する、連続希釈のブランクもまた存在させた。次いでそのプレートを、室温で1時間インキュベートした。プレートを、TBS−T緩衝液を用いて再び洗浄した(5回)。結合した抗体について、抗ヒトIgG−HRP(1:100,000)の適切な結合体を用いて試験したが、その100μLをそれぞれのウェルの中にコーティングし、室温で1時間維持した。TBS−Tを用いてプレートを(5回)洗浄した後に、それぞれのウェルに100μLのTMBを添加し、室温で5〜20分間インキュベートした。それぞれのウェルの450nmでの吸光度を、VersaMax・マイクロプレート・リーダー(Molecular devices、Sunnyvale,CA)を用いて測定した。
図A:2種の異なった様式で調製して3種の異なった温度で保存した絹膜中での初期活性に対する抗体IgG1活性
図B:2種の異なった様式で調製して3種の異なった温度で保存した絹膜中での初期活性に対する抗体IgG活性
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