JP5051490B2 - マクロ生体材料を内包する無機マイクロカプセルおよびその製造方法 - Google Patents

マクロ生体材料を内包する無機マイクロカプセルおよびその製造方法 Download PDF

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本発明は、マクロ生体材料を内包する無機マイクロカプセルおよびその製造方法に関する。
大きな粒子内に別の化合物や分子等を充填し、殻となる大きな粒子と充填された微小化合物との共同により、新たな機能を持たすという技術は、古くから検討されてきた。当該技術において、殻となる大きな粒子としては、繊維、珪藻土、活性炭やシリカゲル等の多孔性粒子を用い、その内部に種々の化合物を溶け込ませて充填するという手法により主に行われている。この場合の充填は、殻となる大きな粒子内の細孔へのものとなる。最近、ゾル−ゲル法等の合成手法の進歩により、殻となる大きな粒子を均一溶液から製造する際に、充填させたい物質も共存させ、直接上述のような化合物を作る方法も活発に研究されている。しかしながら、これらの大きな粒子の内部にある空間は小さな細孔空間であるため、充填できる量には制限がある。
一方、材料内部に大きな中空部分を持つ材料、マイクロカプセルはこの目的には特に有効な材料である。有機ポリマーでできたマイクロカプセルが代表例である。また、無機系素材でも、マイクロカプセルができることが知られている。例えば、シリカでできたマイクロカプセルの合成は、特許文献1や特許文献2で報告されている。また、炭酸塩のマイクロカプセルの製法も知られている(特許文献3,4等)。さらに、これらのマイクロカプセルを溶液から合成する際に、種々の粉体状物質を同時に充填する技術も報告されている。この際の粉体状物質は、マイクロカプセル合成の際に用いる全ての溶液に溶解していない。この方法で充填される粉体状物質としては、無機粉体(特許文献5)、着色料(特許文献6)、油滴(特許文献7)、固定化酒酵母(特許文献8)、固定化微生物(特許文献9)、脱臭剤(特許文献10、特許文献11)などがある。
上記の技術は、ケイ酸ナトリウム等の粒子の固体源のある水相と有機溶媒の油相とが共存する系において、水相に分配されるが溶解はしないような粉体が用いられる。これは、この方法の概念図(図1)よりも分かるように、水相1に分配された粉体がW/Oエマルジョン形成時において水相内に存在し、水相2と反応してマイクロカプセルが形成される際に、内部に取り残され充填されるというものである。しかしながら、水溶液に可溶な物質をマイクロカプセル内に充填するといことは検討されていない。水に可溶な物質を一度でき上がったマイクロカプセル内にマイクロカプセルの殻の細孔を通じて導入することは、できあがったマイクロカプセルに樹脂用添加剤を充填する方法(特許文献12)を水溶液系で行えば可能であると予想されるが、高分子化合物では細孔を通じて封入することはできない。
特開昭63-270306 特開昭61-227913 特許1184016号 特許1049606号 特開昭53-22530 特開昭61-47410 特開昭61-57236 特開昭62-44185 特開昭62-158485 特開昭62-212315 特開昭62-212316 特開昭62-129323
本発明は、マイクロカプセル内に水に溶解又は分散可能なマクロ生体材料を内包させる技術を提供するものである。
上記のような観点から、水溶性化合物のマイクロカプセル内への直接内包化について、検討した結果、無機マイクロカプセルの原料となる水溶性化合物と水に溶解ないし分散可能なマクロ生体材料を含む水相1を用いてW/Oエマルジョンを形成させ、適切な沈殿剤を含んだ水相2を用いて無機マイクロカプセルを合成することにより、マクロ生体材料の直接内包化に成功し、本発明に至った。
本発明は、以下のマイクロカプセル及びその製造方法に関する。
1. マクロ生体材料を無機マイクロカプセルに内包してなるマクロ生体材料内包型無機マイクロカプセル。
2. マクロ生体材料が、タンパク質、DNA、ウイルス及び細菌からなる群から選ばれる請求項1に記載のマイクロカプセル。
3. 無機マイクロカプセルが、シリカ、ケイ酸カルシウム及び炭酸カルシウムからなる群から選ばれる、請求項1に記載のマイクロカプセル。
4. マイクロカプセル固体の原料となる水溶性無機材料とマクロ生体材料を含む第1水相粒子を油相中に分散してなるW/Oエマルジョンに沈殿剤水溶液を作用させることを特徴とする、マクロ生体材料を無機マイクロカプセルに内包してなるマクロ生体材料内包型無機マイクロカプセルの製造方法。
本特許の無機マイクロカプセルは、マクロ生体材料(蛋白質、DNA、ウイルス、細菌など)を長期間保存することができ、また、超音波、衝撃波などの物理的手段或いは、低pH、高pHなどの化学的手段により内部のマクロ生体材料を選択的に放出することができる。
カプセルの分解・放出条件について、例えば炭酸カルシウム等の炭酸塩やチタニア、チタン酸塩、シュウ酸塩では、低pHでカプセルが壊れ、内包物が放出される。一方、シリカでは、12以上の高pHで溶解する。ケイ酸塩のマイクロカプセルの場合は、酸性条件(弱酸ないし強酸)では金属が溶出してシリカになる。この際、溶出に伴い細孔ができ、この新しい細孔から溶出する程度のマクロ生体材料(概ね10nm以下)ならば、酸性条件で溶出可能である。あるいは、高pHにして、シリカ部分を溶解させてカプセルを完全に壊すことで溶出させることも可能である。
マクロ生体材料を含んだマイクロカプセルは、既存のマイクロカプセル合成を改良することで合成することができる。合成されるマイクロカプセルの無機素材は、マイクロカプセル体が得られるものならば特に限定されないが、シリカ、ケイ酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、チタニア、チタン酸塩等を挙げることができる。
ケイ酸塩としては、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸アルミニウム等を挙げることができる。
チタン酸塩としては、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等を挙げることができる。
炭酸塩としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、炭酸コバルト等
を挙げることができる。
シュウ酸塩としては、シュウ酸カルシウム、シュウ酸鉄等を挙げることができる。
マイクロカプセルの合成は、以下のように行うことができる。
すなわち、マイクロカプセル固体の原料となる水溶性無機材料を溶かした水相に、マクロ生体材料を溶解ないし分散させる(図2の水相1)。DNA、タンパク質(糖蛋白を含む)などは分子量ないし物性によっては溶解させることができる。水に溶解しないマクロ生体材料(細菌、ウイルス、一部のDNA、タンパク質)についても水に分散することができる。なお、マクロ生体材料がタンパク質、DNAなどの生体高分子の場合、その分子量は、通常3000以上、好ましくは5000以上、より好ましくは1万以上、さらに好ましくは2万以上である。また、マクロ生体材料は、遺伝子を発現可能に組み込んだ発現ベクター、プラスミド、ウイルス或いは遺伝子構築物を包含する。
水溶性無機素材としては、ケイ酸ないしチタン酸の場合にはアルカリ金属塩;炭酸、シュウ酸の場合にはアルカリ金属塩が例示される。
沈殿剤としては、無機マイクロカプセルを構成する材料が:
シリカ、チタニアである場合には、炭酸水素アンモニウム、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウムなどのアンモニウム塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなどのアルカリ金属炭酸水素塩が挙げられ;
ケイ酸塩、チタン酸塩である場合には、塩化カルシウム、臭化カルシウム、水酸化カルシウム、硝酸カルシウム、塩化アルミニウム、臭化アルミニウムなどのアルカリ土類金属ハロゲン化物、アルミニウムハロゲン化物が挙げられ;
炭酸塩、シュウ酸塩である場合には、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化バリウム、臭化カルシウム、臭化マグネシウム、臭化バリウム、硝酸カルシウム、硝酸マグネシウム、硝酸バリウムなどのアルカリ土類金属塩が挙げられる。
マクロ生体材料は、その生物学的活性を保持したままで、無機マイクロカプセルに内包させることができる。
マクロ生体材料は、マイクロカプセル固体の原料となる水溶性無機材料の水溶液のpHが中性〜アルカリ性であるので、特に限定されないが、中性ないしアルカリ性の水溶液中に溶解し、比較的に安定に存在できるものが好ましい。例えばシリカ、ケイ酸塩などは3分前後で十分マイクロカプセルが形成されるため、この程度の時間安定に存在すればよい。マクロ生体材料の添加量は、溶解ないし分散する範囲であれば特に限定されない。そして、このマクロ生体材料を含有した水相を、エマルジョンを安定化させる非イオン系界面活性剤を含んだ油相に加え、乳化される。この際に用いる非イオン系界面活性剤は、乳化エマルジョンを安定できるものならば特に限定されないが、例えば、Tween80やSpan80な
どのようなTween類やSpan類をあげることができる。乳化の方法は特に限定されないが、
ホモジェナイザー等を用い十分にエマルジョンを形成させればよい。この乳化液を、上述の水相2(図2における水相2)に加え、マイクロカプセルを得る。この水相2の成分としてはマイクロカプセルを与えるものならば特に限定されないが、シリカのマイクロカプセルの場合は、炭酸水素アンモニウムや炭酸水素ナトリウム等の炭酸水素塩、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウムを用いることができる。ケイ酸塩のマイクロカプセルでは、塩となる金属を含むハロゲン化物等を用いることができる。例えば、ケイ酸カルシウムのマイクロカプセルの場合は、塩化カルシウムを用いることができる。また、炭酸塩、シュウ酸塩の場合は、水相1がアルカリ金属等の炭酸塩、シュウ酸塩を使用し、水相2が塩となる金属を含んだハロゲン化物を用いることができる。或いは、水相1が金属(特にアルカリ土類金属)化合物(例えば金属ハロゲン化物)を使用し、水相2に
アルカリ金属の炭酸塩、シュウ酸塩等を用いることができる。
この際、水相2の種類によってマイクロカプセルの形状等が左右されるだけでなく、マクロ生体材料が良好に内包されるかも影響を受ける。例えば、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウムを用いた場合は、良好にシリカのマイクロカプセル内にアルブミンを内包できる。こうして得られたマイクロカプセルにマクロ生体材料が直接内包される。マイクロカプセルの殻には、ナノメーターサイズの細孔が存在するが、マクロ生体材料はそのような狭い細孔を通じて外部に放出されることはほとんどない。こうして得られたマクロ生体材料内包マイクロカプセルは、光学顕微鏡や電子顕微鏡により球状の粒子が形成されていることを確認でき、またマクロ生体材料を内包していることは紫外線スペクトル等により確認することができる。
内包できるマクロ生体材料の具体例としては、タンパク質、核酸等をあげることができる。タンパク質は特に限定されないが、強アルカリ性の水溶液であるケイ酸のアルカリ金属塩を溶かした水相1中で比較的安定に存在できるものが好ましい。このマクロ生体材料をこの水溶液中に混入させておかなくてはならない最低の時間は、水相と油相とのエマルジョンを形成させる時間であり、数分程度と見込まれる。核酸も特に限定されないが、アルカリ性水溶液中での安定性のため、デオキシリボ核酸DNAが良いと考えられる。このDNAに関しては、塩基配列や分子量に関して特に限定はされない。
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
実施例1:アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの合成−1
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)1gを素早く溶解させ(
図2の水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした
溶液(図2の油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、硝酸アンモニウム(40.3g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(図2の水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約9.0g)。
得られたアルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像と電子顕微鏡像を図3、4に示す。この図より、球状粒子ができていることが確認された。また、内包物の無いマイクロカプセルの光学顕微鏡写真(図5)との比較より、マイクロカプセル内に化合物が充填されていることがわかる。このアルブミンの内包は、固体の紫外線スペクトル(図6)よっても確認された。
実施例2:アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの合成−2
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)1gを素早く溶解させ(
水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした溶液(
油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、塩化アンモニウム(27.0g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250
mlとした溶液(水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別によ
り生成した沈殿を得た(約9.3g)。
得られたアルブミン内包シリカ・マイクロカプセルは、実施例1に示すような方法により、アルブミンを内包したシリカ・マイクロカプセルが得られていることを確認した。
実施例3:アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの合成−3
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)0.1gを素早く溶解させ
(水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした溶液
(油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、塩化アンモニウム(27.0g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約8.5g)。
得られたアルブミン内包シリカ・マイクロカプセルは、実施例1に示すような方法により、アルブミンを内包したシリカ・マイクロカプセルが得られていることを確認した。
実施例4:アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの合成−4
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)1gを素早く溶解させ(
水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g::モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした溶液
(油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、硫酸アンモニウム(66.7g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約9.1g)。
得られたアルブミン内包シリカ・マイクロカプセルは、実施例1に示すような方法により、アルブミンを内包したシリカ・マイクロカプセルが得られていることを確認した。
実施例5:アルブミン内包ケイ酸カルシウム・マイクロカプセルの合成
水ガラス3号(33.2g、ケイ素含有量160mmol)を水に溶かし全体積を40mlとした溶
液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)1gを素早く溶解させ(
水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.12g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.56g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を80mlとした溶液(
油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、塩化カルシウム・2水和物(65.9g、449mmol)を水に溶解させ全体積を280mlとした溶液(水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約9.3g)。
得られたアルブミン内包ケイ酸カルシウム・マイクロカプセルの光学顕微鏡像と電子顕微鏡像を図7、8に示す。この図より、球状粒子ができていることが確認された。また、アルブミンの内包は、固体の紫外線スペクトル(図9)より確認された。
実施例6:アルブミン内包炭酸カルシウム・マイクロカプセルの合成
炭酸カリウム(13.3g、96mmol)を水に溶かし全体積を32mlとした溶液に、アルブミン(CALZYME Laboratories社製、Bovine Serum)1gを素早く溶解させ(図2の水相1)
、溶解後すぐに、Tween80(0.67g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.34g:モ
ル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を48mlとした溶液(図2の油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、塩化カルシウム(28.2g、526mmol)を水に溶解させ全体積を640ml
とした溶液(図2の水相2)に加えた。10分間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別
により生成した沈殿を得た(約8.0g)。
得られたアルブミン内包炭酸カルシウム・マイクロカプセルは、実施例1に示すような方法により、アルブミンを内包した炭酸カルシウム・マイクロカプセルが得られていることを確認した。図10には、アルブミン内包炭酸カルシウム・マイクロカプセルの光学顕微鏡像を示す。
実施例7:鮭の精巣由来DNA内包シリカ・マイクロカプセルの合成−1
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、鮭の精巣由来のデオキシリボ核酸ナトリウム塩(和光純薬製)0.5gを溶解させ(
図2の水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした
溶液(図2の油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、炭酸水素アンモニウム(39.8g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(図2の水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約8.9g)。
得られたDNA内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像と電子顕微鏡像を図11、12に示す。この図より、球状粒子ができていることが確認された。また、DNAの内包は、固体の紫外線スペクトル(図13)からDNAの塩基に由来する260nmの吸収によ
り確認された。
実施例8:鮭の精巣由来DNA内包シリカ・マイクロカプセルの合成−2
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、鮭の精巣由来のデオキシリボ核酸ナトリウム塩(和光純薬製)0.1gを溶解させ(
水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80(0.50g::モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした溶液
(油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、炭酸水素アンモニウム(39.8g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約8.2g)。
得られたDNA内包シリカ・マイクロカプセルは、実施例7に示すような方法により、DNAを内包したシリカ・マイクロカプセルであることを確認した。
実施例9:鮭の精巣由来DNA内包シリカ・マイクロカプセルの合成−3
水ガラス3号(29.88g、ケイ素含有量144mmol)を水に溶かし全体積を36mlとした溶液に、鮭の精巣由来のデオキシリボ核酸ナトリウム塩(和光純薬製)1gを溶解させ(図
1の水相1)、溶解後すぐに、Tween80(1.01g:モル数は混合物につき不明)とSpan80
(0.50g:モル数は混合物につき不明)をn−ヘキサンに溶かし全体積を72mlとした溶液(図1の油相)と混合し、ホモジュナイザーを用いて回転数約8300回転で乳化させる。この乳化処理を1分行ったのち、塩化アンモニウム(26.9g、504mmol)を水に溶解させ全体積を250mlとした溶液(図1の水相2)に加えた。2時間撹拌(回転数:約250回転)の後、ろ別により生成した沈殿を得た(約4.3g)。
得られたDNA内包シリカ・マイクロカプセルは、実施例7に示すような方法により、DNAを内包したシリカ・マイクロカプセルであることを確認した。図14には、得られたDNA内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像を、図15には固体の紫外線スペクトルを示す。
本特許で新しく調製され、見いだされた材料の応用は、種々想定されるが、例えば以下のような応用が考えられる。
タンパク質や核酸等のマクロ生体材料がシリカ等のマイクロカプセル内に内包されることより、これらマクロ生体材料の徐放技術に応用することが期待される。タンパク質は生体内で多くの役割を果たしているため、それらを利用したドラッグデリバリーシステム、核酸は遺伝子治療等に用いることができるためジーンデリバリーシステムへの応用が特に有望である。また、マクロ生体材料のカプセル内の封入による不安定マクロ生体材料の長期保存への利用や、酵素タンパク質を内包させたバイオリアクターへの応用も想定される。
粉体を封入する従来法の概念図。 マクロ生体材料内包マイクロカプセルの合成法の概念図 アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) アルブミン内包シリカ・マイクロカプセルの電子顕微鏡像 内包物無しのシリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) アルブミン内包シリカ・マイクロカプセル等の拡散反射紫外線スペクトル アルブミン内包ケイ酸カルシウム・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) アルブミン内包ケイ酸カルシウム・マイクロカプセルの電子顕微鏡像 アルブミン内包シリカ・マイクロカプセル等の拡散反射紫外線スペクトル アルブミン内包炭酸カルシウム・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) DNA内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) DNA内包シリカ・マイクロカプセルの電子顕微鏡像 DNA内包シリカ・マイクロカプセルの拡散反射紫外線スペクトル DNA内包シリカ・マイクロカプセルの光学顕微鏡像(1000倍) DNA内包シリカ・マイクロカプセルの拡散反射紫外線スペクトル

Claims (1)

  1. マイクロカプセル固体の原料となる水溶性無機材料とマクロ生体材料を含む第1水相粒子を油相中に分散してなるW/Oエマルジョンに沈殿剤水溶液を作用させることを特徴とし、前記水溶性無機材料がケイ酸ナトリウムであり、マクロ生体材料が分子量3000以上であるタンパク質であり、無機マイクロカプセルは、シリカ、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムからなる群から選択される、その生物学的活性を保持したままでマクロ生体材料を、シリカ、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムからなる群から選択される無機マイクロカプセルに内包してなるマクロ生体材料内包型無機マイクロカプセルの製造方法。
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