JP2020037489A - 疎水性クラスター及び糖類を含む組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、疎水性クラスター（特に、フラーレン）及び糖類からなる混合物を乾式粉砕した粉末を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物、並びにその製造方法を提供する。【解決手段】疎水性クラスター及び糖類からなる混合物を乾式粉砕した粉末を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物。疎水性クラスターの糖類に対する比（重量基準）が１：１００〜１：１の範囲である。糖類が、多糖類又はオリゴ糖である。多糖類が、キトサン、キサンタンガム、ヒドロキシメチルセルロース及びアルギン酸カルシウムから選ばれる。オリゴ糖が、オリゴヒアルロン酸又はトレハロースである。【選択図】なし

Description

本発明は、疎水性クラスター、特にはフラーレンを水溶化もしくは水分散化させるための組成物、及び該組成物の製造方法に関する。

近年、疎水性クラスターを水中に均一かつ安定的に調製する技術が注目されている。ここで述べる疎水性クラスターとは、一般的に水に分散・溶解することができない疎水性有機物もしくは無機物であって、ファンデルワールス力、水素結合又は共有結合等を介して原子又は分子が凝集して形成される、数ナノメートルから数百ナノメートルの微粒子の集合体を指す。中でも、導電性高分子、共役環式化合物、カロテノイド等のπ−共役系化合物等の疎水性有機物や、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料や、炭素原子とヘテロ原子（例えば、ホウ素原子）からなるカルボランやカルボリン等の炭素クラスター、金属酸化物、無機微粒子等の疎水性無機物は、電子材料、医薬品、食品、化粧品及び日用品分野において基礎から応用研究、さらには実用化にまで幅広く研究対象となっている。

中でもダイヤモンド、グラフェン、黒鉛、カーボンナノチューブと並ぶ炭素の同素体の一種であるフラーレンは、そのユニークな化学的構造及び電子的物性により電子材料、医薬品、食品、化粧品及び日用品分野において注目を集めている。

フラーレンは多数の炭素原子がカゴ状に結合した中空構造を有する疎水性炭素クラスターである。また、フラーレン（Ｃｎ、ｎ；炭素原子数）は、分子量を持つ分子性の化学種であり、代表とされるＣ_６０の他にも、炭素原子の数の違いからＣ_７０、Ｃ_７４、Ｃ_７６、Ｃ_７８等の高次フラーレンがこれまでに報告されている。

しかしながら、フラーレンの媒体に対する溶解度は非常に低く、良溶媒とされる限られた有機溶媒に対してもその溶解度は高いとは言い難く（例えば、Ｃ_６０フラーレンの溶解度は、トルエン；２．９ｍｇ／ｍＬ、ベンゼン；１．５ｍｇ／ｍＬ、四塩化炭素；０．３２ｍｇ／ｍＬ、Ｎ−メチル−２−ピロリドン；０．８９ｍｇ／ｍＬ、ポリエチレングリコール；０．００４ｍｇ／ｍＬ、ジメチルスルホオキシド；０．００１ｍｇ／ｍＬ、エタノール；０．００１ｍｇ／ｍＬ）、水に対する溶解度は極めて低い（＜０．００００１ｍｇ／ｍＬ）（例えば、特許文献１参照）。このフラーレンの媒体に対する溶解度や保存安定性の低さは用途開発において大きな課題となっているのが現状である。

そのような中、非極性の有機溶剤ではなく水や水系媒体中に上記のフラーレンを分散する技術がいくつか報告されている。そのようなフラーレンの分散技術として、例えば、水に対する溶解性を付与する官能基を導入し、フラーレンを化学的に修飾させる手法が数多く報告されている（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）。しかしながら、これらの報告例はフラーレン特有のπ-共役に由来する電子的物性を下げるため、好ましい手法とは言い難い。他に、比較的良溶媒の極性有機溶媒（例えば、ジメチルスルホオキシドやテトラヒドロフラン）にフラーレンを飽和溶解させた後、水を加え、必要により次いで溶媒を除去する、フラーレン水分散液の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、水分散液が有機溶媒を含有する点や、その有機溶媒を除去するためには、水よりも沸点の低い有機溶媒を用いなければならない点で、合理的な手法であるとは言い難い。

近年、フラーレン粉末を直接水に分散可能にする技術がいくつか報告されている。例えば、摩擦を伴う機械的な粉砕処理を施したフラーレンの粉末を用いることで、フラーレンに化学的な修飾処理を施すことなくフラーレンのナノ粒子の水分散液を製造する方法が開示されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、その粉砕したフラーレンの水への分散工程において、数時間の超音波処理や撹拌工程、さらにはサイズや比重の大きな粒子をフィルター処理や遠心分離を用いて除去するという煩雑な精製工程がなければ、安定な分散液の調製が難しい。

また、β−１，３−１，６−Ｄ−グルカンとの複合体にすることにより、フラーレンの水溶性又は水分散性が著しく向上したことが報告されている（例えば、特許文献５参照）。さらに、シクロデキストリンとフラーレンを用いて、フラーレンの分散水性溶液を調製し、次いでカリックスアレーンを混合処理してカリックスアレーンとフラーレンとの錯体を調製することにより、フラーレンを水性化する方法が開示されている（例えば、特許文献６参照）。しかしながら、これらの手法もまた、上記のフィルターや遠心分離による煩雑な精製工程が含まれている。

さらに、上記特許文献５及び６に関しては、フラーレンと包接錯体を形成する多糖類又はオリゴ糖を選択しており、包接錯体を形成しない多糖類又はオリゴ糖に関しての報告例はない。

特開２００５−６０３８０号公報 特表２０１３−５２８５８２号公報 特開２００１−３４８２１４号公報 特開２００７−７０１４７号公報 国際公開公報第２０１１／０６５４８１号 特開２００６−６９８１２号公報

J. Am. Chem. Soc., 128, 6154 (2006)

上記のように、疎水性クラスター（特に、フラーレン）を水に分散・溶解させる技術はいずれも煩雑な処理を必要とする等の欠点があり、実用に耐えるものとは言い難い。そのため、フラーレンを代表とする疎水性クラスターを水溶化もしくは水分散化させるための新たな技術が依然として求められていた。

本発明は、上記課題を鑑みなされたものであり、実用上十分な水溶性もしくは水分散性を有する疎水性クラスター（特に、フラーレン）からなる組成物、及び該組成物の製造方法を提供する。

すなわち、本発明は、以下のとおりである：
（１）疎水性クラスター及び糖類からなる混合物を乾式粉砕した粉末を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物。
（２）疎水性クラスターの糖類に対する比（重量基準）が１：１００〜１：１の範囲である、上記（１）に記載の粉末組成物。
（３）糖類が、多糖類又はオリゴ糖である、上記（１）又は（２）のいずれかに記載の粉末組成物。
（４）多糖類がキトサン、キサンタンガム、ヒドロキシメチルセルロース、アルギン酸カルシウムから選ばれる上記（３）に記載の粉末組成物。
（５）オリゴ糖が、オリゴヒアルロン酸又はトレハロースである、上記（３）に記載の粉末組成物。
（６）疎水性クラスターが、π-共役系化合物又は炭素クラスターである、上記（１）〜（５）のいずれかに記載の粉末組成物。
（７）π-共役系化合物が、導電性高分子、共役環式化合物又はカロテノイドである、上記（６）に記載の粉末組成物。
（８）導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン又はポリアニリンから選ばれる、上記（７）に記載の粉末組成物。
（９）共役環式化合物が、ペンタセン、アントラセン、ナフタレン又はポルフィリンから選ばれる、上記（７）に記載の粉末組成物。
（１０）カロテノイドが、β−カロテン、レチノール、レチナール又はレチノイン酸から選ばれる、上記（７）に記載の粉末組成物。
（１１）炭素クラスターが、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、黒鉛又はカーボンブラックから選ばれる、上記（６）に記載の粉末組成物。
（１２）フラーレンが、Ｃ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン及びその混合物からなる群より選択される、上記（１１）に記載の粉末組成物。
（１３）疎水性クラスター及び糖類からなる混合物を乾式粉砕し、粉末を得る工程を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物の製造方法。
（１４）疎水性クラスターの糖類に対する仕込み比（重量基準）が１：１００〜１：１の範囲である、上記（１３）に記載の製造方法。
（１５）乾式粉砕が、ボールミル又は擂潰機を用いて実施される、上記（１３）又は（１４）に記載の製造方法。
（１６）上記（１）〜（１２）のいずれかに記載の粉末組成物、又は上記（１３）〜（１５）のいずれかに記載の製造方法により得られる粉末組成物を、水性媒体に溶解又は分散させた、フラーレン含有水性組成物。

本発明の粉末組成物は、その調製プロセスにおいて、フラーレンの粒子サイズや比重による選別を必要とせず、均一に水媒体に分散させることが可能である。さらには、水媒体における粉末組成物の濃度を高める、もしくは金属イオンを添加することにより、固形状のゲルを形成することもできる。本発明の粉末組成物より得られるフラーレンの水性分散液は、従来の技術により得られるものとは比較にならない高濃度とすることが可能であり、また長期安定性に優れる。さらには、本発明の組成物の製造方法を用いれば、フラーレンに加え、他の疎水性クラスターの水分散性を向上させることを見出した。

［粉末組成物］
本発明の粉末組成物は、疎水性クラスター、好ましくはフラーレン及び糖類からなる混合物を乾式粉砕した粉末を含み、水溶性又は水分散性であることを特徴とする。

（疎水性クラスター）
本発明における疎水性クラスターとは、通常水に不溶又は分散性が低い有機物又は無機物であり、ファンデルワールス力、水素結合又は共有結合等を介して原子又は分子が凝集して形成される、数ナノメートルから数百ナノメートルの微粒子の集合体を意味する。疎水性有機物の例としては、π-共役系化合物等が挙げられ、疎水性無機物の例としては、炭素クラスター、金属酸化物、無機微粒子等挙げられる。

π−共役系化合物は、化合物中に単結合及び多重結合が交互に位置することで、非局在化した電子を持つ化合物の総称である。一般的にπ−共役化合物は、分子全体のエネルギーを低下させ、安定性を高めることが知られている。非共有電子対やラジカル、カルベニウムイオンなども共役系の一部とみなされる。

π−共役化合物の具体例としては、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリチオフェン、ポリエチニレン、ポリジアセチレン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフラン、ポリアニリン等の導電性高分子；ポルフィリン、ペンタセン、ナフタセン、ピレン、アントラセン、ナフタレン、ベンゼン、アヌレン、アズレン、シクロペンタジエン等の共役環式化合物；シンナムアルコール、シンナムアルデヒド、オルトフェニルフェノール、ブチルヒドロキシアニソール、ブチルヒドロキシトルエン、フラボノイド（例えば、カテキン）、ニコチン酸、ニコチン酸アミド、α―トコフェロール、クマリン、サリチル酸等の窒素原子、酸素原子、硫黄原子等のヘテロ原子を含んでもよい芳香族性化合物；及びβ−カロテン、レチノール、レチナール、レチノイン酸、ルチン、アスタキサンチン等のカロテノイドが挙げられる。これらの中でもポルフィリン、ポリチオフェン、ペンタセン、レチノイン酸が好ましい。

炭素クラスターの具体例としては、単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、グラファイト（黒鉛）、活性炭、カーボンブラック、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素材料が挙げられる。これらは、窒素原子、酸素原子、硫黄原子、ホウ素原子等のヘテロ原子を含んでもよく、そのような具体例としては、炭素原子とホウ素原子からなるカルボランやカルボリン等のホウ素クラスター等が挙げられる。これらの中でも単層カーボンナノチューブもしくは多層カーボンナノチューブ等のカーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、グラファイト、カーボンブラックが好ましく、フラーレンが特に好ましい。

本発明で使用するフラーレンは、炭素原子数が６０〜１２０のフラーレンであり、好ましくは炭素原子数が６０、７０、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６のフラーレンである。また、フラーレンの中空構造中の炭素原子に別の官能基を修飾したもの、中空構造中にイオン種を内包したもの、また、中空構造の一部が開環したものも含まれる。上記フラーレンは、特に限定されないが、炭素数６０及び７０のフラーレン又はそれら混合物がより好ましく、炭素数６０のフラーレンが最も好ましい。

本発明で使用するフラーレンは、不純物として、グラファイト等のフラーレン以外の炭素材料やその他の粉体材料を含むものであってもよい。フラーレンを２０質量％以上、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含むものを使用することができる。
（糖類）
本発明の糖類とは、具体的には多糖類又はオリゴ糖が挙げられる。

多糖類とは、グリコシド結合によって単糖分子が多数結合した物質の総称である。具体的には、デンプン、アミロース、アミロペクチン、アルギン酸、アルギン酸塩（例えばアルギン酸カルシウム）、アルギン酸プロピレングリコール、グリコーゲン、グァーガム、デキストラン、セルロース類（ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース）、カラギーナン、カラヤガム、カルボキシメチルデキストラン、カンテン、キサンタンガム、キチン、キトサン、コンドロイチン硫酸塩、ショ糖、ぶどう糖、ムコ多糖が挙げられるが、これらの中でも、キトサン、キサンタンガム、ヒドロキシメチルセルロース及びアルギン酸カルシウムから選ばれることが好ましく、キトサン又はキサンタンガムが特に好ましい。

本発明のオリゴ糖類とは、数個の単糖がグリコシド結合によって数個結合したオリゴマーで、２糖以上１０糖以下であり、好ましくは２糖以上８糖以下である。具体的にはシクロデキストリン、トレハロース、乳糖、オリゴヒアルロン酸、マルトース、上記多糖類を加水分解したものが挙げられるが、これらの中でもオリゴヒアルロン酸又はトレハロースが好ましい。

（乾式粉砕）
本発明で使用する疎水性クラスター、中でもフラーレンと糖類との混合物において、フラーレンの糖類に対する比（重量基準）は、１：１００〜１：１の範囲であり、好ましくは１：５０〜１：２の範囲であり、より好ましくは１：２５〜１：３の範囲である。

疎水性クラスター、中でもフラーレンと糖類との混合物における乾式粉砕の条件において、フラーレン及び糖類を小片に粉砕できる条件であれば特に制限されないが、乳鉢、ボールミル、ポットミル、擂潰機、カッターミル、ホモジナイザー、マルチビーズショッカー、ピンミル、ジェットミルなどの粉砕機を用いることが望ましい。また、粉砕時間や処理圧などは、粉砕される疎水性クラスター及び糖類の硬さに応じて、適宜調整される。

得られる組成物中のフラーレンの分散性が良好になる点で、ボールミル、ポットミル、擂潰機、マルチビーズショッカーを用いて、乾式粉砕を行うのが好ましい。

乾式粉砕した粉末の平均粒径は、例えば水性媒体中の動的光散乱装置（ＤＬＳ）による散乱強度平均粒子径により求められる。その平均粒子径は１μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以下である。平均粒子径の下限値は、例えば１０ｎｍである。

［水性組成物］
本発明の粉末組成物を、水性媒体に溶解又は分散させることにより、疎水性クラスター（特に、フラーレン）含有水性組成物を得ることができる。本発明の疎水性クラスター（特に、フラーレン）含有水性組成物は、高濃度の疎水性クラスターを水媒体に均一に分散させることができ、かつ長期安定性に優れることから、電子材料、医薬品、食品、化粧品及び日用品分野において利用することができる。

（水性媒体）
水性媒体は、水、水混和性有機溶媒又はその混合物であり、好ましくは水、又は水と水混和性有機溶媒の混合物である。水混和性有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等の炭素数１〜４のアルコール類、アセトン等のケトン類、アセトニトリル等のニトリル類、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ−シクロヘキシルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等のアミド類、γ−ブチロラクトン等のラクトン、テトラヒドロフラン等のエーテル類が挙げられる。これらは、本発明の疎水性クラスター含有水性組成物の目的に応じて適宜選択され、疎水性クラスターの溶解又は分散に悪影響を及ぼさない範囲内で含むことができる。

本発明の疎水性クラスター含有水性組成物は、目的に応じて他の成分を配合することができる。例えば、本発明の疎水性クラスター、例えばフラーレン含有水性組成物を化粧品分野において利用する場合、フラーレンの溶解又は分散に悪影響を及ぼさない範囲で、任意の他の成分を配合できる。そのような他の成分の例として、アルコール類、多価アルコール類、糖類、エモリエント剤、ノニオン性界面活性剤、植物抽出液、水溶性高分子、香料、着色剤、紫外線防御剤、ｐＨ調整剤、防腐剤、殺菌剤、酸化防止剤、金属封鎖剤及び生理活性成分が挙げられる。また他の成分の溶解又は分散のために、適宜分散剤、増粘剤又は界面活性剤を配合しても良い。

以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。なお、実施例に用いた装置は以下の通りである。

・擂潰機：石川工場社製、１８Ｄ号
・動的光散乱装置（ＤＬＳ）：Ｍａｌｖｅｒｎ社製、ゼータサイザーナノＺＳ
・粘度計：株式会社エー・アンド・エー製、音叉式(ＳＶ型)粘度計

［実施例１〜４、比較例１〜７］
（１）粉末組成物の調製
表１に従ってＣ_６０フラーレン（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ社製）及び分散剤（表１参照）を秤量し、一緒に擂潰機（石川工場社製、１８Ｄ号）にて乾式粉砕・混合処理（２０ｒｐｍ、３時間）を行い、実施例１及び２のＣ_６０フラーレンの粉末組成物を得た。また、糖類の種々の分散剤についても同様の乾式粉砕・混合処理を行い、比較例１〜７の組成物を得た。
用いた分散剤としては、オリゴヒアルロン酸（キューピー株式会社社製）、トレハロース（株式会社林原社製）、キトサン（甲陽ケミカル株式会社社製）、キサンタンガム（三昌株式会社社製）を使用した。また比較例として、ヒドロキシプロピルセルロース（日本曹達株式会社製）、メトローズ（信越化学工業株式会社製）、ＰＥＧ１００、４００、１０００、４０００（和光純薬工業株式会社製）を使用した。

（２）分散試験
上記実施例１〜４及び比較例１〜７で得られたＣ_６０フラーレンの粉末組成物の水への分散試験を実施した。その試験方法は、表２に記載の所定の濃度になるように各Ｃ_６０フラーレンの粉末組成物を水に加え、転倒攪拌後、水分散液を得た。得られた水分散液を一晩静置後、その分散状態を目視で確認した。各水分散液において、Ｃ_６０フラーレンの粉末組成物が目視上、◎；良好に分散し、透明性が高い。○；懸濁して分散する。△；分散するが、継時的に凝集。×；一部分散する。××；全く分散せず。と定義した。結果を表２に示す。
結果を表２に示す。また経時的に凝集とは、分散液調製後、室温にて１週間静置させた後に凝集物が目視で確認されたものを指す。

◎；良好に分散し、透明性が高い。○；懸濁して分散する。△；分散するが、継時的に凝集。×；一部分散する。××；全く分散せず。

表２の結果より、Ｃ_６０フラーレン換算濃度４０ｐｐｍ又は２００ｐｐｍにおいては、実施例１〜４の粉末組成物は比較例１のフラーレンのみの粉砕物と比較して、良好に水に分散することが明らかになった。また、興味深いことに、分子量の低いオリゴ糖（実施例１及び２）において、水に対する分散性は高いことが示された。このことは、低分子量のオリゴ糖においてもフラーレンを良好に分散することを意味している。一方、合成高分子であるＰＥＧ１００〜４０００において、水分散試験に対する分子量依存性は確認されなかった。これらの結果は、分散剤として種々の糖類をフラーレンと混合粉砕することで、良好に水に分散することが示され、また低分子量のオリゴ糖類がＣ_６０フラーレンをより良好に分散する可能性を示している。

本発明の水溶性又は水分散性粉末組成物の作製方法は至って簡便であり、また、ろ過、遠心分離、沈降物の除去、蒸留操作という煩雑な処理を行う必要がなく、効率的に疎水性クラスター（特に、フラーレン）含有水性組成物を得ることができ、そのものが水に分散可能であることが特徴づけられる。さらには、分散可能な疎水性クラスター（特に、フラーレン）は広範囲の濃度に適応できることから、電子材料、医薬品、日用品の多岐の産業分野への利用が可能である。

Claims (16)

1. 疎水性クラスター及び糖類からなる混合物を乾式粉砕した粉末を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物。
2. 疎水性クラスターの糖類に対する比（重量基準）が１：１００〜１：１の範囲である、請求項１に記載の粉末組成物。
3. 糖類が、多糖類又はオリゴ糖である、請求項１又は２のいずれかに記載の粉末組成物。
4. 多糖類が、キトサン、キサンタンガム、ヒドロキシメチルセルロース及びアルギン酸カ
   ルシウムから選ばれる、請求項３に記載の粉末組成物。
5. オリゴ糖が、オリゴヒアルロン酸又はトレハロースである、請求項３に記載の粉末組成物。
6. 疎水性クラスターが、π-共役系化合物又は炭素クラスターである、請求項１〜５のいずれかに記載の粉末組成物。
7. π-共役系化合物が、導電性高分子、共役環式化合物又はカロテノイドである、請求項６に記載の粉末組成物。
8. 導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン又はポリアニリンから選ばれる、請求項７に記載の粉末組成物。
9. 共役環式化合物が、ペンタセン、アントラセン、ナフタレン又はポルフィリンから選ばれる、請求項７に記載の粉末組成物。
10. カロテノイドが、β−カロテン、レチノール、レチナール又はレチノイン酸から選ばれる、請求項７に記載の粉末組成物。
11. 炭素クラスターが、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、黒鉛又はカーボンブラックから選ばれる、請求項６に記載の粉末組成物。
12. フラーレンが、Ｃ_６０フラーレン、Ｃ_７０フラーレン及びその混合物からなる群より選択される、請求項１１に記載の粉末組成物。
13. 疎水性クラスター及び糖類からなる混合物を乾式粉砕し、粉末を得る工程を含む、水溶性又は水分散性の粉末組成物の製造方法。
14. 疎水性クラスターの糖類に対する仕込み比（重量基準）が１：１００〜１：１の範囲である、請求項１３に記載の製造方法。
15. 乾式粉砕が、ボールミル又は擂潰機を用いて実施される、請求項１３又は１４に記載の製造方法。
16. 請求項１〜１２のいずれかに記載の粉末組成物、又は請求項１３〜１５のいずれかに記載の製造方法により得られる粉末組成物を、水性媒体に溶解又は分散させた、疎水性クラスター含有水性組成物。