JP5323717B2 - 有機ナノ構造体アレイの形成 - Google Patents

Description

本発明は、そのいくつかの実施形態において、ナノ構造体に関し、より具体的には、限定されないが、ペプチドナノ構造体に関する。

ペプチドナノ構造体およびその様々な応用が、国際特許出願公開番号ＷＯ２００４／０５２７７３、同ＷＯ２００４／０６０７９１、同ＷＯ２００５／０００５８９、同ＷＯ２００６／０２７７８０および同ＷＯ２００６／０１３５５２に記載される（これらはすべて、本出願と同じ譲受人に譲渡され、その全体が参照することにより組み込まれる）。

一般に、ペプチドナノ構造体はカーボンナノチューブと多くの超微細構造類似性および物理的類似性を有し得る。周知のペプチドナノ構造体は芳香族ジペプチド（例えば、ジフェニルアラニンなど）の自己集合によって作製される。集合したジペプチドは、マイクロメートルの程度の持続性長さを有する様々な構造の整列した集合体を形成する。

工業的応用については、自己集合したペプチドナノ構造体は、費用、製造手段および入手性の観点からカーボンナノチューブよりも有利である。加えて、ペプチドナノ構造体は、その生体適合性、化学的な柔軟性および多用途性、生物学的認識能力、ならびに、容易な合成のために、バイオナノテクノロジーのための有機基本構成要素として使用することができる［Ｒｅｃｈｅｓ，Ｍ．およびＧａｚｉｔ，Ｅ．、ばらばらの自己集合したペプチドナノチューブの内部における金属ナノワイヤの流し込み、Ｓｃｉｅｎｃｅ ３００、６２５〜６２７（２００３）］。

種々のペプチドナノ構造体が、様々な技術的応用において使用されるために、例えば、マイクロエレクトロニクス、磁気記録システム、化学的センサー、ディスプレーシステム、記憶媒体、電子放射リトグラフィーおよび熱電システムなどにおいて使用されるために提案されている。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面は、整列した配置で配置される複数の細長い有機ナノ構造体を含むナノ構造体アレイに関する。本発明の様々な例示的実施形態において、細長い有機ナノ構造体は、互いに略平行に並べられる。いくつかの実施形態において、ナノ構造体は、基体表面において略垂直に配置される。他の実施形態において、ナノ構造体は、基体に対して略平行に配置される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面は、ナノ構造体アレイを製造するために好適な方法に関する。

本発明のいくつかの実施形態によれば、揮発性有機溶媒に溶解された有機モノマーが基体表面に分注される。本発明のいくつかの実施形態において、揮発性有機溶媒は、溶液における有機モノマーの分散を蒸発の前に可能にするように選択される。有機モノマーの自己集合化のための条件を生じさせながら、溶媒が蒸発させられ、有機モノマーが、自己集合した形態で基体表面に留まる。本発明のいくつかの実施形態において、溶媒が蒸発させられると、細長い有機ナノ構造体が、基体に対して略垂直に基体表面に形成される。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機モノマーおよびナノ粒子が、細長い有機ナノ構造体への有機モノマーの自己集合化、および、ナノ粒子による細長い有機ナノ構造体の自己被覆のための条件のもとでインキュベーションされる。本発明の様々な例示的実施形態において、ナノ粒子は力場に対して応答性である。例えば、ナノ粒子は磁性ナノ粒子であることが可能であり、そのような場合、力場は好ましくは磁場である。ナノ粒子は電気的に帯電されることが可能であり、そのような場合、力場は好ましくは電場である。力場は、例えば、ナノ構造体を互いに略平行に並べるために、被覆されたナノ構造体に加えられる。

本発明のいくつかの実施形態において、有機モノマーおよび／またはナノ構造体は電気的に帯電される。モノマーおよび／または基体は好ましくは、反発力をナノ構造体間において、また、場合により、ナノ構造体と、基体との間において確立するために選択される。例えば、ナノ構造体の外壁を正電荷にすることができる。そのような形態は、面に対して略垂直なナノ構造体アレイの形成を容易にすることができる。

本発明の様々な例示的実施形態において、有機ナノ構造体はペプチドナノ構造体である。本発明のいくつかの実施形態において、ペプチドナノ構造体のそれぞれが、２個〜１５個のアミノ酸残基を含むペプチドを含む。例えば、ペプチドの１つまたは複数がジペプチドであることが可能であり、そのようなジペプチドは、例えば、フェニルアラニン−フェニルアラニンジペプチド（これに限定されない）などである。いくつかの実施形態において、ペプチドは１つまたは複数の芳香族アミノ酸残基を含む。例えば、ペプチドの１つまたは複数が芳香族アミノ酸残基から本質的になり得る。いくつかの実施形態において、ペプチドの１つまたは複数がエンドキャッピング修飾ペプチドである。いくつかの実施形態において、ペプチドナノ構造体の１つまたは複数が、ペプチドナノ構造体に結合した官能基を含む。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイは集積化することができ、マルチアレイセンサー、電界放出デバイス、ナノメカニックシステム、ナノエレクトロメカニックシステムおよびナノ流体システム（これらに限定されない）を含めて、多くの適用において使用することができる。

従って、例えば、本発明の実施形態のナノ構造体アレイは、ナノ構造体アレイが、例えば、ソースおよびドレインを相互連絡するチャネルとして役立ち得る電界効果トランジスター（ＦＥＴ）において使用することができる。特に好ましい実施形態において、ナノ構造体がＦＥＴのそれ以外の電極に対して垂直に並べられる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、集積回路チップにおける多数の導体のための導電層として役立ち得る。導電層は、例えば、１つまたは複数のサブレイヤーが、整列したナノ構造体を含む、多数のサブレイヤーの積み重ね体として構築することができる。サブレイヤーは、サブレイヤー毎に異なる方向に配向させられるナノ構造体を含むことができる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、検知デバイスおよび／または刺激デバイスに組み込むことができ、例えば、医療用リード線に組み込むことができる。ナノ構造体が垂直に並べられるときに、この実施形態は特に有用である。そのような医療用リード線は、改善された電極性能をナノ構造体アレイの大きい表面積のために有する。そのような医療用リード線は、心臓ペーシングおよび／または心臓センシング、脳刺激および／または脳センシングなどのために使用することができる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、熱エネルギーを物体に輸送するために、または、熱エネルギーを物体から輸送するために使用することができる。ナノ構造体のアレイは、高熱伝導性を有する基体表面に、好ましくは垂直に並べられることができる。ナノ構造体を、熱を基体から逃すように、または、熱を基体に逃すように環境にさらすことができる。従って、本発明の実施形態のナノ構造体アレイはヒートシンクとして役立ち得る。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、限定されないが、電気化学的センサー、機械的センサーおよび電気機械的センサーなどをはじめとする様々なセンサーにおいて使用することができる。例えば、本発明の実施形態のナノ構造体アレイを取り込むセンサーを、センサーがつながれる静的構造体または動的構造体が受けるひずみ変化、圧力変化または温度変化をモニターするために使用することができる。本発明の実施形態のナノ構造体アレイを取り込むセンサーはまた、小さい質量の物体（例えば、細菌など）を検出および測定するために水晶結晶微量天秤（ＱＣＭ）センサーの原理に従って作動することができる。

その大きい表面積のために、本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、分析物を流体媒体（気体または液体）から集めるために、また、分析物を、例えば、分光法（例えば、フーリエ変換分光法、フーリエ変換赤外分光法など）のために濃縮するために使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、ナノ構造体アレイが提供される。該ナノ構造体アレイは、基体と、基体表面に略垂直に配置される複数の細長い有機ナノ構造体とを含む。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、互いに略平行に並べられる複数の細長い有機ナノ構造体の平面状配置を含むナノ構造体アレイが提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む電界効果トランジスターが提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む導電層が提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含むセンサーが提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む医療用リード線が提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む刺激用電極が提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む、熱エネルギーを移動するためのデバイスが提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、本明細書中に記載されるナノ構造体アレイを含む分析物捕集デバイスが提供される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、ナノ構造体アレイを製造する方法が提供され、この場合、この方法は、揮発性有機溶媒に溶解された有機モノマーを基体表面に分注すること、および、有機モノマーの自己集合のための条件を生じさせながら、溶媒を、基体表面に略垂直に配置される複数の細長い有機ナノ構造体を形成するように蒸発させることを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、揮発性有機溶媒は、溶媒における有機モノマーの分散を蒸発の前に可能にするように選択される。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機モノマーは、少なくとも１０ｍｇ／ｍｌの濃度で揮発性有機溶媒に溶解されたペプチドモノマーである。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機モノマーは電気的に帯電される。

本発明のいくつかの実施形態の１つの局面によれば、ナノ構造体アレイを製造する方法が提供され、この場合、この方法は、有機モノマーと、力場に対して応答性であるナノ粒子とを、細長い有機ナノ構造体への有機モノマーの自己集合、および、ナノ粒子による細長い有機ナノ構造体の自己被覆のための条件のもとでインキュベーションすること；および、力場を、細長い有機ナノ構造体を互いに略平行に並べるように、細長い有機ナノ構造体に加えることを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ナノ粒子は磁性ナノ粒子であり、力場は磁場である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ナノ粒子は、電気的に帯電されたナノ粒子であり、力場は電場である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機モノマーはペプチドモノマーを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機ナノ構造体は多壁ナノ構造体である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機ナノ構造体はペプチドナノ構造体である。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ペプチドナノ構造体は複数のペプチドを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、それぞれのペプチドが２個〜１５個のアミノ酸残基を含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、それぞれのペプチドが少なくとも１つの芳香族アミノ酸残基を含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのペプチドがエンドキャッピング修飾ペプチドである。

本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのペプチドが芳香族アミノ酸残基から本質的になる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのペプチドがジペプチドである。

本発明のいくつかの実施形態によれば、それぞれのペプチドがフェニルアラニン−フェニルアラニンジペプチドである。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ペプチドナノ構造体の少なくとも１つがナノ粒子の少なくとも１つの層によって被覆され、ナノ粒子は磁性ナノ粒子であり得る、および／または電気的に帯電され得る。

本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのペプチドナノ構造体が、そのペプチドナノ構造体に結合した官能基を含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、有機ナノ構造体は電気的に帯電される。

別途定義されない限り、本明細書中で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施形態の実施または試験において使用することができるが、好適な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

本明細書では本発明を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１は、本発明の様々な例示的実施形態によるナノ構造体アレイの概略的な例示である。 図２は、本発明の１つの実施形態によるトランジスターの断面の概略的な例示である。 図３は、本発明の様々な例示的実施形態による導電層の概略的な例示である。 図４は、本発明の様々な例示的実施形態による医療用リード線の概略的な例示である。 図５は、本発明の様々な例示的実施形態による、熱エネルギーを物体に輸送するための、または、熱エネルギーを物体から輸送するためのデバイスを概略的に例示する。 図６は、本発明の様々な例示的実施形態によるセンサーシステムの概略的な例示である。 図７ａ−ｄは、ペプチドのナノ森林に自己集合した垂直に並べられたジフェニルアラニン型ナノチューブを示す；（ａ）並べられたペプチドナノチューブアレイの形成についての考えられるモデル。有機溶媒に溶解されたジペプチドモノマーをシリコーン処理ガラスに塗布することにより、ペプチドナノチューブの垂直に並べられたアレイが形成された。（ｂ）垂直に並べられたペプチドナノチューブのＳＥＭ分析。（ｃ）ナノチューブアレイの低温電界放出銃高分解能走査電子顕微鏡（ＣＦＥＧ−ＨＲＳＥＭ）分析。挿入図は、並べられたナノチューブのより高倍率を表す。（ｄ）ＣＦＥＧ−ＨＲＳＥＭによって得られるアレイの１つのナノチューブ個体の高倍率顕微鏡写真（１２００００倍）。 図７ｅ−ｆは、ペプチドのナノ森林に自己集合した垂直に並べられたジフェニルアラニン型ナノチューブを示す；（ｅ）ガラス表面のペプチドアレイのＸ線回折図。（ｆ）１個のペプチドナノチューブの電子回折分析。軸ａが、結晶の長軸に対して垂直に配向される。 図８は、シリコーン処理ガラス表面に集合したジフェニルアラニン型ペプチドナノチューブの様々な傾斜角度による低温電界放出銃高分解能走査電子顕微鏡（ＣＦＥＧ−ＨＲＳＥＭ）分析を示す画像である。顕微鏡写真を、サンプルの角度を連続的に変化させながら、サンプルにおける同じ領域について撮影した。下記の傾斜角度が検討される：（ａ）１０°の傾斜角度、（ｂ）２０°の傾斜角度、（ｃ）３０°の傾斜角度、（ｄ）４０°の傾斜角度。スケールバーは１μｍを表す。 図９は、（ａ）シリコーン処理ガラス表面に並べられたより狭い集合体のＳＥＭ顕微鏡写真を示す画像、（ｂ）集合した管状構造体のより大きいＳＥＭ倍率を示す画像、（ｃ）自己集合した管状構造体のＣＦＥＧ−ＨＲＳＥＭ分析を示す画像（挿入図はより大きい倍率を表す）である。 図１０ａは、本発明の様々な例示的実施形態に従って、マグネタイトナノ粒子を含有する強磁性流体溶液の存在下で自己集合させたジペプチドモノマーの概略的な例示である。 図１０ｂ−ｄは、（ｂ）磁性粒子により被覆される自己集合したペプチドナノ構造体のＴＥＭ画像、（ｃ）自己集合した被覆されるペプチドナノ構造体の低倍率ＳＥＭ顕微鏡写真、（ｄ）図１０ｃの自己集合した被覆されるペプチドナノ構造体の水平配置を示す低倍率ＳＥＭ顕微鏡写真であり、図１０ｅ−ｇは、（ｅ）自己集合したナノ構造体の概略的な表示、（ｆ）いくつかのランダム整列したナノ構造体の概略的な表示、および、（ｇ）ナノ構造体を磁場にさらした時および後での水平に並べられたナノ構造体の概略的な表示である。 図１１は、本発明の実施形態のナノ構造体の形成についてのモデルを示す。ペプチド基本構成要素がＨＦＰ溶液においてモノマーとして堆積されつつある。急速な蒸発は過飽和および結晶化のプロセスを引き起こす。異なる方向での、差のある成長速度により、細長いシートの形成が引き起こされる。２次元の細長いシートは、密な管状構造体を形成する傾向がある。 図１２は、様々なペプチド濃度による並べられたナノチューブアレイの形成を明らかにするＳＥＭ画像である。下記のペプチド濃度が示される：（ａ）２０ｍｇ／ｍｌ、（ｂ）４０ｍｇ／ｍｌ、（ｃ）６０ｍｇ／ｍｌ、（ｄ）８０ｍｇ／ｍｌ、（ｆ）１８０ｍｇ／ｍｌ。 図１３は、「野生型」ジペプチドと同じ様式でシリコーン処理ガラス表面に自己集合させたジフェニルアラニンペプチドアナログのＳＥＭ分析を示す画像である。下記のジペプチドが調べられた：（ａ）Ａｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２、（ｂ）ｔ−ブチルカルバマート−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｂｏｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｃ）カルボベンジルオキシ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｃｂｚ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｄ）フルオレニルメトキシカルボニル−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｆｍｏｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｅ）シクロ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ。 図１４は、塩基の存在下でシリコーン処理ガラス表面に自己集合させたジフェニルアラニンペプチドのＳＥＭ分析顕微鏡写真を示す画像である。（ａ）０．５％のＤＩＥＡ、（ｂ）１％のＤＩＥＡ、（ｃ）２％のＤＩＥＡ、（ｄ）５％のＤＩＥＡ。

本発明は、そのいくつかの実施形態において、ナノ構造体に関し、より具体的には、限定されないが、ペプチドナノ構造体に関する。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の記載に示されるか、および／または、図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。

図１ａ〜図１ｃは、本発明の様々な例示的実施形態によるナノ構造体アレイ１０の概略的な例示である。ナノ構造体アレイ１０は、整列した配置１４で配置される複数の細長い有機ナノ構造体１２を含む。

本明細書中で使用される表現「細長いナノ構造体」は、１μｍ未満の直径（好ましくは５００ｎｍ未満の直径、より好ましくは約５０ｎｍ未満の直径、一層より好ましくは約１０ｎｍ未満の直径）、および、少なくとも１μｍの長さ（より好ましくは少なくとも１０ｎｍの長さ、一層より好ましくは少なくとも１００ｎｍの長さ、一層より好ましくは少なくとも５００ｎｍの長さ）を有する構造体を示す。

表現「有機ナノ構造体」は、少なくとも一部が有機物質から構成されるナノ構造体を示す。本明細書中で使用される表現「有機物質」は、炭素原子および水素原子を含み、さらなる元素を場合により伴う任意の物質を表す。

整列した配置１４は、典型的には、しかし、絶対的ではないが、有機ナノ構造体１２が互いに略平行に並べられる配置である。ナノ構造体１２は１つだけの平面を取ることができ、従って、ナノ構造体の「単分子層」を形成することができ、あるいは、ナノ構造体１２は複数の平面または塊状態を取ることができ、従って、ナノ構造体の「森」を形成することができる。例えば、本発明のいくつかの実施形態において、アレイ１０におけるナノ構造体は、略垂直に基体１６の表面に配置される。

用語「略垂直に」は、ナノ構造体１２と、平面（例えば、基体１６の表面１７）との間における角度の関係を示す。ナノ構造体は、ナノ構造体と、平面に対する法線との角度が、平均して、２０°未満（より好ましくは１０°未満、より好ましくは５°未満、より好ましくは、しかし、絶対的ではないが、２°未満）であるならば、その平面に対して略垂直であると言われる。

他の実施形態において、ナノ構造体は基体１６に対して略平行に配置される。

用語「略平行に」は、ナノ構造体１２と、平面（例えば、基体１６の表面１７）との間における角度の関係を示す。ナノ構造体は、ナノ構造体と、平面に対する法線との角度が、平均して、約８０°〜約９０°（より好ましくは約８５°〜約９０°、より好ましくは、しかし、絶対的ではないが、約８８°〜約９０°）であるならば、その平面に対して略平行であると言われる。

ナノ構造体１２は典型的には、管状構造体として形状化される。ナノ構造体１２の管状構造は中空であり得るか、または、ナノ構造体１２の管状構造はフィラー物質により満たすことができ、例えば、導電性材料、半導電性材料、熱電気材料、磁性材料（常磁性体、強磁性体または反磁性体）、発光材料、生体鉱物、ポリマーおよび／または有機材料など（これらに限定されない）により満たすことができる。フィラー物質は凝縮状態またはガス状状態のいずれかが可能である。ナノ構造体１２はまた、同様に導電性、半導電性、熱電気的、磁性、発光性、生体鉱物、ポリマーおよび／または有機であり得る被覆材料によって被覆することができる。

本発明の様々な例示的実施形態において、ナノ構造体１２は厚い壁または多壁構造を有する。これは、ナノ構造体１２の内部空洞の外径と、直径との比較的大きい比率として実現される。本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体１２の外径と、内径との比率は少なくとも１．５であり、より好ましくは少なくとも２である。

アレイにおけるナノ構造体の密度は好ましくは大きい。例えば、アレイが平面に対して略垂直であるとき（図１ｂを参照のこと）、好ましくは、１平方ミクロンあたり少なくとも１個のナノ構造体、または、１平方ミクロンあたり少なくとも２個のナノ構造体、または、１平方ミクロンあたり少なくとも３個のナノ構造体、または、１平方ミクロンあたり少なくとも４個のナノ構造体、または、１平方ミクロンあたり少なくとも５個のナノ構造体が存在する。より大きい密度、例えば、１平方ミクロンあたり１０個、１１個、１２個、１３個またはそれ以上のナノ構造体（これらに限定されない）もまた意図される。本発明の発明者らによって行われた実験では、１００平方ミクロンあたり１０個〜２０個のナノ構造体の密度が得られた（下記の実験の節において図７ｂおよび図７ｃを参照のこと）。本発明の発明者らによって行われた他の実験では、１平方ミクロンあたり１０個のナノ構造体の密度が得られた（図９ａ〜図９ｃを参照のこと）。

本発明の様々な例示的実施形態において、アレイ１０におけるナノ構造体の数は大きい。典型的には、しかし、絶対的ではないが、アレイには１０個を超えるナノ構造体が存在し、より好ましくは数十個（例えば、２０個、３０個、４０個、５０個またはそれ以上）のナノ構造体が存在する。いくつかの実施形態において、アレイには１００個のナノ構造体が存在し、より好ましくは、しかし、絶対的ではないが、数百個（例えば、２００個、３００個、４００個、５００個またはそれ以上）のナノ構造体が存在する。

本発明の様々な例示的実施形態において、ナノ構造体１２はペプチドナノ構造体である。

本明細書中で使用される用語「ペプチド」は、天然ペプチド（分解産物、合成的に合成されたペプチドまたは組換えペプチドのいずれか）、および、ペプチド模倣体（典型的には、合成的に合成されたペプチド）、同様にまた、例えば、体内に存在する間はペプチドをより安定にする修飾を有し得る、ペプチドアナログであるペプトイドおよびセミペプトイドを包含する。そのような修飾には、限定されないが、Ｎ末端修飾、Ｃ末端修飾、ペプチド結合の修飾（ＣＨ_２−ＮＨ、ＣＨ_２−Ｓ、ＣＨ_２−Ｓ＝Ｏ、Ｏ＝Ｃ−ＮＨ、ＣＨ_２−Ｏ、ＣＨ_２−ＣＨ_２、Ｓ＝Ｃ−ＮＨ、ＣＨ＝ＣＨまたはＣＦ＝ＣＨを含むが、これらに限定されない）、骨格の修飾、および残基の修飾が含まれる。ペプチド模倣体化合物を調製するための方法はこの分野では十分に知られており、例えば、Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ｄｒｕｇ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｃ．Ａ．Ｒａｍｓｄｅｎ Ｇｄ．，Ｃｈａｐｔｅｒ １７．２，Ｆ．Ｃｈｏｐｌｉｎ Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ（１９９２）に具体的に記載される（これは、全体が本明細書中に示されるように参考として組み込まれる）。これに関するさらなる詳細が本明細書の下記に示される。

ペプチド内のペプチド結合（−ＣＯ−ＮＨ−）は、例えば、Ｎ−メチル化結合（−Ｎ（ＣＨ_３）−ＣＯ−）、エステル結合（−Ｃ（Ｒ）Ｈ−Ｃ−Ｏ−Ｏ−Ｃ（Ｒ）−Ｎ−）、ケトメチレン結合（−ＣＯ−ＣＨ_２−）、α−アザ結合（−ＮＨ−Ｎ（Ｒ）−ＣＯ−）（式中、Ｒは任意のアルキル（例えば、メチル）である）、カルバ結合（−ＣＨ_２−ＮＨ−）、ヒドロキシエチレン結合（−ＣＨ（ＯＨ）−ＣＨ_２−）、チオアミド結合（−ＣＳ−ＮＨ−）、オレフィン二重結合（−ＣＨ＝ＣＨ−）、レトロアミド結合（−ＮＨ−ＣＯ−）、ペプチド誘導体（−Ｎ（Ｒ）−ＣＨ_２−ＣＯ−）（式中、Ｒは、炭素原子において自然界で示される「通常」の側鎖である）によって置換することができる。

これらの修飾は、ペプチド鎖に沿った結合の任意のところに存在することができ、そして同時に数カ所（２カ所〜３カ所）においてさえ存在することができる。

本実施形態のナノ構造体を形成するペプチドは、典型的には、２個〜１５個のアミノ酸残基を含む。より好ましくは、ペプチドは、１０個未満のアミノ酸残基の、より好ましくは８個未満のアミノ酸残基の短いペプチドであり、より好ましくは２個〜６個のアミノ酸残基のペプチドであり、従って各ペプチドは好ましくは２個、３個、４個、５個、または６個のアミノ酸残基を有する。

本明細書中で使用される表現「アミノ酸」には、２０個の天然に存在するアミノ酸；生体内で多くの場合には翻訳後修飾されたそのようなアミノ酸（例えば、ヒドロキシプロリン、ホスホセリンおよびホスホトレオニンを含む）；および他の非通常型アミノ酸（２−アミノアジピン酸、ヒドロキシリシン、イソデスモシン、ノルバリン、ノルロイシンおよびオルニチンを含むが、これらに限定されない）が含まれることが理解される。さらに、用語「アミノ酸」には、Ｄ−アミノ酸およびＬ−アミノ酸の両方が含まれる。

天然の芳香族アミノ酸（Ｔｒｐ、ＴｙｒおよびＰｈｅ）は、フェニルグリシン、ＴＩＣ、ナフチルアラニン（Ｎａｌ）、フェニルイソセリン、トレオニノール、Ｐｈｅの環メチル化誘導体、Ｐｈｅのハロゲン化誘導体、またはＯ−メチル−Ｔｙｒおよびβアミノ酸などの合成された非天然型の酸に置換されることができる。

本発明のペプチドは、１個以上の修飾されたアミノ酸または１個以上の非アミノ酸モノマー（例えば脂肪酸、複合体炭水化物など）も含むことができる。

本発明の実施形態のナノ構造体を形成するために利用されるペプチドは典型的には線状ペプチドである。しかしながら、ペプチドの環状形態は本発明の範囲から除外されない。

本発明のいくつかの実施形態において、本発明の実施形態のペプチドナノ構造体を構成するペプチドは１つまたは複数の芳香族アミノ酸残基を含む。そのようなペプチドを有することの利点が、ペプチドに組み込まれる芳香族官能基により、様々なペプチド基本構成要素が、引きつける芳香族相互作用を介して相互作用し、それにより、ナノ構造体を形成することが可能になることである。

本明細書中で使用される表現「芳香族アミノ酸残基」は、本明細書中で定義されるような芳香族成分をその側鎖に有するアミノ酸残基を表す。

従って、本発明のいくつかの実施形態によれば、ペプチドナノ構造体を構成するペプチドのそれぞれが、Ｘ−ＹまたはＹ−Ｘのアミノ酸配列（式中、Ｘは芳香族アミノ酸残基であり、Ｙは任意の他のアミノ酸残基である）を含む。

本発明のペプチドは長さにおいて少なくとも２個のアミノ酸であり得る。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体を形成するペプチドの１個または数個が、２個以上の芳香族アミノ酸残基を含むポリ芳香族ペプチドである。

本明細書中で使用される表現「ポリ芳香族ペプチド」は、少なくとも８０％の芳香族アミノ酸残基（より好ましくは少なくとも８５％の芳香族アミノ酸残基、より好ましくは少なくとも９０％の芳香族アミノ酸残基、より好ましくは少なくとも９５％またはそれ以上の芳香族アミノ酸残基）を含むペプチドを示す。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのペプチドが芳香族アミノ酸残基から本質的になる。いくつかの実施形態において、それぞれのペプチドが芳香族アミノ酸残基から本質的になる。

従って、例えば、ナノ構造体を形成するために使用されるペプチドには、１個または２個の芳香族アミノ酸残基から構成されるジペプチド、１個、２個または３個の芳香族アミノ酸残基を含むトリペプチド、および、２個、３個または４個の芳香族アミノ酸残基を含むテトラペプチドなどの任意の組合せが含まれ得る。

本発明のいくつかの実施形態において、芳香族アミノ酸は、天然に存在する芳香族残基または合成された芳香族残基のどれもが可能であり、これらには、フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン、フェニルグリシン、あるいは、それらの修飾体、前駆体または機能的芳香族部分が含まれるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、ナノ構造体を形成するために使用される複数のペプチドにおける１つまたは複数のペプチドは２つのアミノ酸残基を含み、従って、ジペプチドである。

いくつかの実施形態において、ナノ構造体を形成するために使用されるペプチドのそれぞれが２つのアミノ酸残基を含み、従って、ナノ構造体が複数のジペプチドから形成される。

これらのジペプチドのそれぞれが、１個または２個の芳香族アミノ酸残基を含むことができる。好ましくは、しかし、絶対的ではないが、これらのジペプチドのそれぞれが２個の芳香族アミノ酸残基を含む。ジペプチドを構成する芳香族残基は、ジペプチドがホモジペプチドであるように同じであることが可能であり、または、異なることが可能である。好ましくは、ナノ構造体はホモジペプチドから形成される。

従って、本発明の様々な例示的実施形態において、ナノ構造体を形成するために使用される複数のペプチドにおけるそれぞれのペプチドが、側鎖残基に関して同一である２つの芳香族アミノ酸残基から構成されるホモジペプチドである。

ナノ構造体を形成するために使用される芳香族アミノ酸残基は芳香族成分を含むことができる。この場合、表現「芳香族成分」は、完全に共役したπ電子系を有する単環式成分または多環式成分を表す。芳香族成分は、すべてが炭素である成分が可能であり、あるいは、１個または複数のヘテロ原子（例えば、窒素、イオウまたは酸素など）を含むことができる。芳香族成分は置換または非置換が可能であり、従って、置換されるとき、置換基は、例えば、アルキル、トリハロアルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロ脂環式、ハロ、ニトロ、アゾ、ヒドロキシ、アルコキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、シアノおよびアミンの１つまたは複数が可能である。

例示的な芳香族成分には、例えば、フェニル、ビフェニル、ナフタレニル、フェナントレニル、アントラセニル、［１，１０］フェナントロリニル、インドール類、チオフェン類、チアゾール類および［２，２’］ビピリジニルが含まれ、これらのそれぞれが場合により置換される。従って、本明細書中に記載される芳香族アミノ酸残基における側鎖として役立ち得る芳香族成分の代表的な例には、限定されないが、置換または非置換のナフタレニル、置換または非置換のフェナントレニル、置換または非置換のアントラセニル、置換または非置換の［１，１０］フェナントロリニル、置換または非置換の［２，２’］ビピリジニル、置換または非置換のビフェニル、および、置換または非置換のフェニルが含まれる。

芳香族成分は、代替では、置換または非置換のヘテロアリールが可能であり、例えば、置換または非置換のインドール、チオフェン、イミダゾール、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、ピリジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリン、キナゾリン、キノキサリンおよびプリンなどが可能である。置換されるとき、フェニル成分、ナフタレニル成分または任意の他の芳香族成分が１つまたは複数の置換基を含み、そのような置換基は、例えば、アルキル、トリハロアルキル、アルケニル、アルキニル、シクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロ脂環式、ハロ、ニトロ、アゾ、ヒドロキシ、アルコキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、シアノおよびアミンなどであり、しかし、これらに限定されない。

本発明の実施形態のナノ構造体を形成するために使用することができるホモジペプチドの代表的な例には、限定されないが、ナフチルアラニン−ナフチルアラニンジペプチド、フェナントレニルアラニン−フェナントレニルアラニンジペプチド、アントラセニルアラニン−アントラセニルアラニンジペプチド、［１，１０］フェナントロリニルアラニン−［１，１０］フェナントロリニルアラニンジペプチド、［２，２’］ビピリジニルアラニン−［２，２’］ビピリジニルアラニンジペプチド、（ペンタハロ−フェニルアラニン）−（ペンタハロ−フェニルアラニン）ジペプチド、フェニルアラニン−フェニルアラニンジペプチド、（アミノ−フェニルアラニン）−（アミノ−フェニルアラニン）ジペプチド、（ジアルキルアミノ−フェニルアラニン）−（ジアルキルアミノ−フェニルアラニン）ジペプチド、（ハロフェニルアラニン）−（ハロフェニルアラニン）ジペプチド、（アルコキシ−フェニルアラニン）−（アルコキシ−フェニルアラニン）ジペプチド、（トリハロメチル−フェニルアラニン）−（トリハロメチル−フェニルアラニン）ジペプチド、（４−フェニル−フェニルアラニン）−（４−フェニル−フェニルアラニン）ジペプチドおよび（ニトロ−フェニルアラニン）−（ニトロ−フェニルアラニン）ジペプチドが含まれる。

本発明の様々な例示的実施形態によれば、ペプチドナノ構造体は複数のジフェニルアラニン（Ｐｈｅ−Ｐｈｅ）ホモジペプチドから構成される。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体を形成するために使用される複数のペプチドにおける１つまたは複数のペプチドがエンドキャッピング修飾ペプチドである。

本明細書中で使用される表現「エンドキャッピング修飾ペプチド」は、そのＮ−（アミン）末端および／またはＣ−（カルボキシル）末端において修飾されているペプチドを示す。エンドキャッピング修飾は、キャップを形成するような末端への化学的成分の結合を示す。そのような化学的成分は本明細書中ではエンドキャッピング成分として示され、これはまた、典型的には、本明細書中およびこの技術分野では、交換可能に、ペプチド保護成分またはペプチド保護基として示される。

本明細書中で使用される表現「エンドキャッピング成分」は、ペプチドの末端に結合したとき、エンドキャッピングを改変する成分を示す。エンドキャッピング修飾は、典型的には、ペプチド末端の電荷を遮蔽すること、および／または、その化学的特徴（例えば、疎水性、親水性、反応性および溶解性など）を変化させることをもたらす。ペプチドのエンドキャッピング修飾のための好適な成分の様々な例を、例えば、Ｇｒｅｅｎ他、“Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ Ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ”（Ｗｉｌｅｙ、第２版、１９９１）、および、Ｈａｒｒｉｓｏｎ他、“Ｃｏｍｐｅｎｄｉｕｍ ｏｆ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｍｅｔｈｏｄｓ”第１巻〜第８巻（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ、１９７１〜１９９６）に見出すことができる。

エンドキャッピング修飾の使用はナノ構造体の化学的特性および電荷の制御を可能にし、従って、本発明の実施形態のペプチドナノ構造体が集合させられる様式、および／または並べられる様式の制御もまた可能にする。

ペプチドの１つまたは複数の一方の末端または両末端の電荷を変化させることは、得られるナノ構造体の形態学、ならびに／あるいは、得られるナノ構造体が、例えば、電場および／または磁場に応答する様式を変化させることをもたらす場合がある。

ペプチドのエンドキャッピングを、その疎水的性質／親水的性質を改変するために使用することができる。ペプチドの疎水的特性／親水的特性を変化させることは、例えば、得られるナノ構造体の形態学および／またはその水溶性を変化させることをもたらす場合がある。エンドキャッピング修飾ペプチドの割合およびエンドキャッピング修飾の性質を選択することによって、ナノ構造体の疎水性／親水性を、ナノ構造体の溶解性と同様に、細かく制御することができる。例えば、エンドキャッピング修飾を、ナノ構造体の壁へのナノ粒子の付着を制御するために選択することができる。

本発明を実施に移しているとき、本発明者らは、ペプチドのエンドキャッピングを改変することにより、非修飾のペプチドによって形成されるナノ構造体と同様なナノ構造体に自己集合するその能力が損なわれないことを発見している。ナノ構造体を形成するエンドキャッピング修飾ペプチドの持続性は本発明者らの仮説を裏付けており、この場合、本発明者らの仮説によれば、ペプチドナノ構造体を形成するために要求される支配的特性は、例えば、国際特許出願公開ＷＯ２００４／０５２７７３および同ＷＯ２００４／０６０７８１（これらの内容は参照することにより本明細書に組み込まれる）において以前に記載されたように、その側鎖の芳香族性、および、それによって誘導されるπ−積み重なり相互作用である。

ペプチドのエンドキャッピングの少なくとも１つの芳香族的性質により、得られるナノ構造体の形態学が影響を受けることが、本発明者らによってさらに見出された。例えば、非修飾のペプチド、または、非芳香族エンドキャッピング成分により修飾されたペプチドが管状のナノ構造体に自己集合し得ることが見出された。

本発明の実施形態のために好適なＮ末端エンドキャッピング成分の代表的な例には、ホルミル、アセチル（これはまた、本明細書中では「Ａｃ」として示される）、トリフルオロアセチル、ベンジル、ベンジルオキシカルボニル（これはまた、本明細書中では「Ｃｂｚ」として示される）、ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル（これはまた、本明細書中では「Ｂｏｃ」として示される）、トリメチルシリル（これはまた、「ＴＭＳ」として示される）、２−トリメチルシリルエタンスルホニル（これはまた、「ＳＥＳ」として示される）、トリチル基および置換トリチル基、アリルオキシカルボニル、９−フルオレニルメチルオキシカルボニル（これはまた、本明細書中では「Ｆｍｏｃ」として示される）、ならびに、ニトロ−ベラトリルオキシカルボニル（「ＮＶＯＣ」）が含まれるが、これらに限定されない。

本発明の実施形態のために好適なＣ末端エンドキャッピング成分の代表的な例は、典型的には、Ｃ末端におけるカルボキシ基のアシル化を引き起こす成分であり、これらには、ベンジルエーテルおよびトリチルエーテル、ならびに、アルキルエーテル、テトラヒドロピラニルエーテル、トリアルキルシリルエーテル、アリルエーテル、モノメトキシトリチルおよびジメトキシトリチルが含まれるが、これらに限定されない。代替として、Ｃ末端エンドキャッピング成分の−ＣＯＯＨ基をアミド基に修飾することができる。

ペプチドの他のエンドキャッピング修飾には、異なる成分によるアミンおよび／またはカルボキシルの置換が含まれ、例えば、ヒドロキシル、チオール、ハリド、アルキル、アリール、アルコキシおよびアリールオキシなどによるアミンおよび／またはカルボキシルの置換が含まれる（これらの用語は本明細書中で定義される通りである）。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体を形成するペプチドのすべてがエンドキャッピング修飾される。

エンドキャッピング成分は、その芳香族性によってさらに分類することができる。従って、エンドキャッピング成分は芳香族または非芳香族が可能である。

Ｎ末端修飾のために好適な非芳香族エンドキャッピング成分の代表的な例には、限定されないが、ホルミル、アセチル、トリフルオロアセチル、ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニル、トリメチルシリルおよび２−トリメチルシリル−エタンスルホニルが含まれる。Ｃ末端修飾のために好適な非芳香族エンドキャッピング成分の代表的な例には、限定されないが、アミド、アリルオキシカルボニル、トリアルキルシリルエーテルおよびアリルエーテルが含まれる。

Ｎ末端修飾のために好適な芳香族エンドキャッピング成分の代表的な例には、限定されないが、フルオレニルメチルオキシカルボニル（Ｆｍｏｃ）が含まれる。Ｃ末端修飾のために好適な芳香族エンドキャッピング成分の代表的な例には、限定されないが、ベンジル基、ベンジルオキシカルボニル（Ｃｂｚ）基、トリチル基および置換トリチル基が含まれる。

本発明の実施形態のナノ構造体が１つまたは複数のジペプチドを含むとき、これらのジペプチドは下記の一般式Ｉによってまとめて表すことができる：
式中、Ｃ^＊は、Ｄ配置またはＬ配置を有するキラル炭素である；Ｒ_１およびＲ_２はそれぞれが独立して、水素、アルキル、シクロアルキル、アリール、カルボキシ、チオカルボキシ、Ｃ−カルボキシラートおよびＣ−チオカルボキシラートからなる群から選択される；Ｒ_３は、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、ハロおよびアミンからなる群から選択される；Ｒ_４〜Ｒ_７のそれぞれは独立して、水素、アルキル、シクロアルキル、アリール、ヘテロアリール、ヘテロ脂環式、ヒドロキシ、チオヒドロキシ（チオール）、アルコキシ、アリールオキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、Ｃ−カルボキシラート、Ｃ−チオカルボキシラート、Ｎ−カルバマート、Ｎ−チオカルバマート、ヒドラジン、グアニルおよびグアニジンからなる群から選択され（これらの用語は本明細書中で定義される通りである）、ただし、Ｒ_４〜Ｒ_７の少なくとも１つが、本明細書中上記において定義されるような芳香族成分を含む。

少なくとも１つが芳香族成分を含むならば、Ｒ_４〜Ｒ_７の１つまたは複数が他の置換基である実施形態もまた意図される。

Ｒ_１〜Ｒ_３の１つまたは複数が、本明細書中上記において記載されるエンドキャッピング成分である実施形態もまた意図される。

本発明の実施形態のペプチドナノ構造体は、官能基をさらに含むことができ、好ましくは、複数の官能基を含むことができる。

官能基は、例えば、チオール、ヒドロキシ、ハロ、カルボキシラート、アミン、アミド、ニトロ、シアノ、ヒドラジンなど（これらに限定されない）などの基、疎水性成分（例えば、中程度および大きいアルキル、シクロアルキルおよびアリールなど）、および／または、金属リガンドが可能である。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイは化学的安定性および機械的安定性を有する。本発明の実施形態のナノ構造体を官能基により装飾することができることは、ナノ構造体を多くの適用に一体化することを可能にする。

述べられたように、本発明の実施形態のナノ構造体が管状構造を有するとき、管状構造をフィラー物質により満たすことができる。

例えば、ナノ構造体は、限定されないが、無機構造体（例えば、第ＩＶ族の元素、第ＩＩＩ族／第Ｖ族の元素、第ＩＩ族／第ＶＩ族の元素または遷移群の元素など）を含む導電性材料または半導電性材料を囲むことができる。

本明細書中で使用される用語「族」には、当業者によって理解されるようなその通常の定義が与えられる。例えば、第ＩＩ族元素には、Ｚｎ、ＣｄおよびＨｇが含まれる；第ＩＩＩ族元素には、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌが含まれる；第ＩＶ族元素には、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＰｂが含まれる；第Ｖ族元素には、Ｎ、Ｐ、ＡｓおよびＢｉが含まれる；第ＶＩ族元素には、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＰｏが含まれる。

従って、導電性材料については、ナノ構造体は、例えば、銀、金、銅、白金、ニッケルまたはパラジウムを囲むことができる。半導電性材料については、ナノ構造体は、例えば、ケイ素、リン化インジウムおよび窒化ガリウムなどを囲むことができる。

ナノ構造体はまた、例えば、重合可能であるか、または、多数の電荷状態を有する任意の有機分子または無機分子をカプセル化することができる。例えば、ナノ構造体は、主族および金属原子に基づくワイヤ様ケイ素、遷移金属含有ワイヤ、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、リン化インジウム、ゲルマニウムまたはセレン化カドミウムの構造体を含むことができる。

加えて、本発明のナノ構造体は、半導体およびドーパントを含めて、材料の様々な組合せを囲むことができる。代表的な例には、限定されないが、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、セレン、テルル、ホウ素、ダイヤモンドまたはリンが含まれる。ドーパントはまた、様々な元素半導体の固溶体である場合があり、例えば、ホウ素および炭素の混合物、ホウ素およびＰの混合物、ホウ素およびケイ素の混合物、ケイ素および炭素の混合物、ケイ素およびゲルマニウムの混合物、ケイ素およびスズの混合物、または、ゲルマニウムおよびスズの混合物である場合がある。いくつかの実施形態において、ドーパントまたは半導体は異なる族の混合物を含むことができ、例えば、第ＩＩＩ族元素および第ＩＶ族元素の混合物、第ＩＩＩ族元素および第Ｖ族元素の混合物、第ＩＩ族元素および第ＶＩ族元素の混合物など（これらに限定されない）を含むことができる。加えて、異なる族の半導体の合金もまた可能である場合がある（例えば、第ＩＩ族−第ＶＩ族半導体および第ＩＩＩ族−第Ｖ族半導体、ならびに、第Ｉ族半導体および第ＶＩＩ族半導体の組合せ）。

本発明のナノ構造体によってカプセル化され得る半導電性材料の具体的および代表的な例には、限定されないが、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳおよびＳｉＯ_２が含まれる。

本発明のナノ構造体はまた、所定の熱電能を示す熱電気材料を囲むことができる。好ましくは、そのような材料は、得られるナノ構造体組成物が十分な良度指数によって特徴づけられるように選択される。そのような組成物は、本明細書中下記においてさらに詳述されるように、熱移動媒体または熱電気電源として熱電気システムおよび熱電気デバイスにおいて使用することができる。本発明の好ましい実施形態によれば、本発明のナノ構造体内にカプセル化され得る熱電気材料は、ビスマス系材料、例えば、元素状ビスマス、ビスマス合金またはビスマスの金属間化合物など（これらに限定されない）である場合がある。熱電気材料はまた、熱電気特性を有することが既知である上記材料または他の材料のいずれかの混合物である場合がある。加えて、熱電気材料はまた、ドーパンントを含むことができる。代表的な例には、限定されないが、テルル化ビスマス、セレン化ビスマス、テルル化ビスマスアンチモンおよびテルル化ビスマスセレンなどが含まれる。他の材料が、例えば、米国特許出願公開第２００２０１７０５９０号に開示される。

本発明のナノ構造体はまた、磁性材料を囲むことができる。一般に、実際にはすべての材料が、磁場の中に存在するとき、特定の材料に対して作用する力によって現れる何らかの程度の様々な磁性特性を有する。これらの磁性特性は、材料の亜原子構造に由来するものであり、基体毎に異なる。磁力の方向ならびに大きさが材料毎に異なる。

力の方向が材料の内部構造のみに依存するのに対して、大きさは材料の内部構造ならびにサイズ（質量）の両方に依存する。実際には、物質の磁性特徴が関連づけられる材料の内部構造は、３つの大きな群の１つに従って、すなわち、反磁性材料、常磁性材料および強磁性材料の１つに従って分類され、この場合、最も強い磁力が強磁性材料に対して作用する。

方向に関して、反磁性材料に対して作用する磁力は、常磁性材料または強磁性材料に対して作用する磁力の方向とは逆の方向である。外部磁場に置かれたとき、特定の材料は、磁場ベクトルに比例する単位体積あたり非ゼロの磁気モーメントを獲得する（これはまた、磁化として既知である）。十分に強い外部磁場については、強磁性材料は、材料におけるスピンの固有的な非局所的整列のために、その磁化を保持することができ、従って、永久磁石になる。強磁性材料とは対照的に、反磁性材料および常磁性材料はともに、外部磁場が切られると、磁化を失う。

本発明のナノ構造体によって囲むことができる常磁性材料の代表的な例には、限定されないが、コバルト、銅、ニッケルおよび白金が含まれる。強磁性材料の代表的な例には、限定されないが、マグネタイトおよびＮｄＦｅＢが含まれる。

本発明のナノ構造体によってカプセル化され得る他の材料には、限定されないが、発光性材料（例えば、ジスプロシウム、ユウロピウム、テルビウム、ルテニウム、ツリウム、ネオジム、エルビウム、イッテルビウム、または、それらの任意の有機錯体）、生体鉱物（例えば、炭酸カルシウム）およびポリマー（例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリヌクレオチドおよびポリペプチド）が含まれる。

下記は、本発明の実施形態のナノ構造体アレイを組み込む様々な適用の説明である。

アレイにおけるナノ構造体のタイプは、好ましくは、アレイが設計される用途に従って選択される。例えば、ナノ構造体アレイが、電流を伝えるために役立つ用途では、（例えば、ナノ構造体アレイが電極であるとき）、ナノ構造体アレイのナノ構造体は、上記において記載されるような導電性材料によって満たされるか、または被覆される；ナノ構造体アレイが、熱を伝えるために役立つ用途では、ナノ構造体アレイのナノ構造体は熱伝導性材料（例えば、金属など）によって満たされるか、または被覆される；ナノ構造体アレイが半導体チャネルとして役立つ用途では、ナノ構造体アレイのナノ構造体は、上記において記載されるような半導体材料によって満たされるか、または被覆される；また、ナノ構造体アレイが磁性物体として機能する用途では、ナノ構造体アレイのナノ構造体は、上記において記載されるような磁性材料によって満たされるか、または被覆される。

ナノ構造体アレイが基体を含むとき、基体のタイプ、形状および材料は、アレイが設計される用途に従って選択される。従って、基体を、誘電性材料、導電性材料、熱伝導性材料および半導体材料などから作製することができ、または、誘電性材料、導電性材料、熱伝導性材料および半導体材料などによって被覆することができる。

一般に、本発明のナノ構造体アレイは、ナノスケールのエレメントの使用を伴う様々な適用において使用することができる。そのような適用例が、米国特許第５５８１０９１号、同第６３８３９２３号、同第６４２８８１１号、同第６５０４２９２号、同第６５５９４６８号、同第６５７９７４２号、同第６５８６０９５号、同第６６２８０５３号、同第７１６３６５９号、ならびに、米国特許出願第２００２００５３２５７号、同第２００２００５４４６１号、同第２００２０１７５６１８号、同第２００２０１８７５０４号、同第２００３００８９８９９号、同第２００３０１２１７６４号、同第２００３０１４１１８９号、同第２００３０１６５０７４号、および同第２００３０１９７１２０号に開示される（これらの内容は参照することにより本明細書に組み込まれる）。

本発明のいくつかの実施形態において、本発明の実施形態のナノ構造体アレイは、ナノ構造体アレイが、例えば、ソースおよびドレインを相互連絡するチャネルとして役立ち得る電界効果トランジスター（ＦＥＴ）において使用することができる。特に好ましい実施形態においては、複数のナノ構造体がＦＥＴのそれ以外の電極に対して垂直に並べられる。

図２は、本発明の１つの実施形態によるトランジスター２０の断面の概略的な例示である。トランジスター２０は、基体２４に形成されるドレインとして作用する第１の電極２２、チャネルとして作用するナノ構造体のアレイ２６、および、アレイ２６に形成されるソースとして作用する第２の電極２８を含む。アレイ２６は、第１の電極２２に対して垂直に並べられる。アレイ２６は、上記において記載されるアレイのいずれかが可能である。

アレイ２６の１ヵ所がゲート３２によって囲まれ、一方で、残りの部分が、アレイ２６を保護および支持するために絶縁性材料から作製されるスペーサーとして作用する埋め込み層３０によってシールドされる。ゲート３２がチャネル（アレイ２６）を完全に囲む構造のために、チャネルの周りの電場の影響が最大となり、また、完全に空乏した空乏層が、ゲート３２により生じる電場によって得られ、それにより、オン／オフの比率を最大にする。

本発明の実施形態のナノ構造体はまた、集積回路チップにおける多数の導体のための導電層として役立ち得る。

図３は、本発明の様々な例示的実施形態による導電層３６の断面図の概略的な例示である。導電層３６を、例えば、１つまたは複数のサブレイヤーが、整列したナノ構造体（例えば、ナノ構造体１２）を含む、多数のサブレイヤー３９の積み重ね体として構築することができる（５つのそのようなサブレイヤーが図３には示される）。異なるサブレイヤーは、異なる方向に整列させられるナノ構造体を含むことができる。例えば、１つのサブレイヤーにおけるナノ構造体のすべてが第１の方向において互いに実質的に平行に並べられ得る、そして、別のサブレイヤー（例えば、隣接するサブレイヤー）におけるナノ構造体のすべてが、第２の方向において、例えば、第１の方向に対して垂直に、互いに実質的に平行に並べられ得る。本発明の実施形態のナノ構造体は極めて大きい電気伝導率および電流容量を有することができるので、本発明の実施形態のナノ構造体は導電層の導体の内部における電流の大部分を伝えることができる。ナノ構造体は細長いので、その電気伝導率は非等方性であり、主としてナノ構造体の長さ方向に沿っている。本発明の実施形態のナノ構造体の多数のサブレイヤーを異なる方向で配置することによって、大きい電気伝導率を導電層の平面においてどの方向においても達成することができる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、検知デバイスおよび／または刺激デバイスに組み込むことができ、例えば、医療用リード線に組み込むことができる。ナノ構造体が垂直に並べられるときに、この実施形態は特に有用である。そのような医療用リード線は、改善された電極性能をナノ構造体アレイの大きい表面積のために有することができる。そのような医療用リード線は、心臓ペーシングおよび／または心臓センシング、脳刺激および／または脳センシングなどのために使用することができる。

図４ａ〜図４ｂは、本発明の様々な例示的実施形態による医療用リード線の概略的な例示である。

図４ａは、典型的には心臓ペーシングおよび／または心臓センシングのために使用することができる医療用リード線４０を例示する。リード線４０には、細長いリード線本体４２、リード線の遠位側末端に位置する先端電極４４、および、先端電極４４から近位側に間隔を置いて置かれるリング電極４６が備わる。リード線４０の近位側末端にあるコネクターアセンブリー４８が、リード線を医療デバイス（例えば、ペースメーカーなど）に接続するために使用される。リード線本体４２の長さを伸ばす導体により、先端電極４４およびリング電極４６が、コネクターアセンブリー４８によって伝えられるそれぞれのコネクターに電気的に結合する。電極４４および電極４６の少なくとも一方が、本明細書中上記においてさらに詳述されるようなナノ構造体アレイを含むことができる。好ましくは、電極４４および電極４６の１つまたは複数が、上記において記載される「森」ナノ構造体を含む。

図４ｂは、ペーシング、センシング、カルジオバージョンおよび／または除細動のために使用することができるタイプの医療用リード線５０の遠位側末端を概略的に例示する。リード線５０には、ペーシングおよび／またはセンシングのために一般に使用される先端電極５２およびリング電極５４と、高エネルギーのショック用パルスをカルジオバージョンまたは除細動のために送達するための２つの除細動コイル電極（５６および５８）が備わる。電極５２および電極５４の少なくとも一方が、本明細書中上記においてさらに詳述されるようなナノ構造体アレイを含むことができる。好ましくは、電極５２および電極５４の１つまたは複数が、上記において記載される「森」ナノ構造体を含む。

これらの例示的なリード線４０およびリード線５０は、本発明の実施形態のナノ構造体アレイを含むことができる、リング電極、コイル電極、先端電極を含めて様々なタイプの電極を例示するために示される。ナノ構造体アセンブリーの使用から同様に利益を受けることができる様々な幾何形状の他の電極が存在し得る。本発明の実施形態はまた、増大した活性な表面積および／または増大した電流密度容量から利益を受けることができる、神経学的刺激または神経学的センシング、平滑筋または骨格筋のセンシングまたは刺激、あるいは、任意の他のタイプの医療用電極のための電極と併せて使用することができる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、熱エネルギーを物体に輸送するために、または、熱エネルギーを物体から輸送するために使用することができる。

図５は、本発明の様々な例示的実施形態による、熱エネルギーを物体６６に輸送するための、または、熱エネルギーを物体６６から輸送するためのデバイス６０を概略的に例示する。ナノ構造体（例えば、ナノ構造体１２（これに限定されない）など）のアレイが、場合により使用される触媒層６２を有する基体６４の選択された表面に成長させられるか、または提供される。フィラー物質の層６８（これは、それぞれのナノ構造体の上部部分の露出を可能にする深さを有する）が、ナノ構造体の機械的な強化のために、また、最初はナノ構造体に沿ってのみ移動する熱の改善された拡散のために提供され得る。ナノ構造体は、ナノ構造体の多くが、または、より好ましくは、ナノ構造体のすべてが、典型的にはでこぼこしている物体表面と接触するように、熱が除去されることになる（または、熱が送達されることになる）物体６６の表面に対して押しつけることができる。結果として、押しつけられたナノ構造体は曲げられ得るか、または、曲がることができ、従って、物体６６と、ナノ構造体１２との間における熱輸送をさらに改善する。ナノ構造体１２、および、場合により、基体６４は、熱を環境に逃すように、環境に露出させることができる。従って、本発明の実施形態のナノ構造体アレイはヒートシンクとして役立ち得る。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、限定されないが、電気化学的センサー、機械的センサーおよび電気機械的センサーなどをはじめとする様々なセンサーにおいて使用することができる。

図６は、本発明の様々な例示的実施形態によるセンサーシステム７０の概略的な例示である。センサーシステム７０は、間隔を置いて離れた電極７４および電極７６が、それらの位置が互いに向き合うように基体７２に配置され、すき間７８がそれらの間に規定される基体７２を含むことができる。電極７４および電極７６は、この例示された例の場合では当てはまるように、互いに平行にすることができるが、互いに平行であることは要求されない。複数のナノ構造体（例えば、上記において記載されるナノ構造体１２（これに限定されない）など）が基体７２に作動可能に配置される。それぞれのナノ構造体には、すき間７８が電極７４および電極７６の対向する部分の間に広がる。それぞれのナノ構造体の対向する末端が電極７４および電極７６のそれぞれの一方と電気的に接触している。

センサーシステム７０は、センサーシステムがつながれる構造体が受けるひずみ変化、圧力変化または温度変化をモニターするために使用することができる。構造体は本質的には動的であり得る（例えば、空気、空間、水またはランドクラフト）か、または、本質的には静的であり得る（例えば、建物、橋など）。典型的には、基体７２が、モニターされることになる構造体の一部分につながれ、従って、センサーシステムは構造体のその部分における変化をモニターすることができる。基体７２は、ナノ構造体が構造体に設置され得るならば、構造体そのものの一部である場合がある。

本発明の実施形態のセンサーシステムは、特定のタイプの変化をモニターするために最適化することができる。例えば、構造体のひずみ経歴における変化が注目されるならば、基体７２を柔軟な材料から作製することができ、例えば、ポリマーまたはエラストマーなどから作製することができる。センサーシステムが、圧力および／または温度の変化をモニターするために最適されることになるならば、基体７２を非柔軟性の材料から作製することができる。センサーシステムが温度だけについて最適されることになるならば、基体７２を非柔軟性の材料から作製することができ、システムのナノ構造体部分を、圧力感受性を排除するために堅い空気不透過性膜により被覆することができる。

本発明の実施形態のナノ構造体アレイを取り込むセンサーはまた、小さい質量の物体（例えば、細菌など）を検出および測定するために水晶結晶微量天秤（ＱＣＭ）センサーの原理に従って作動することができる。従って、少なくとも１つのチューブが物体にさらされ、かつ、少なくとも１つのチューブが物体にさらされないように、ナノ構造体が並べられ得る。さらされたナノ構造体アレイと、孤立したナノ構造体アレイとの間での共鳴振動数における差が、目的とする物体の質量を示す。

その大きい表面積のために、本発明の実施形態のナノ構造体アレイはまた、分析物を流体媒体（気体または液体）から集めるために、また、分析物を、例えば、分光法（例えば、フーリエ変換分光法、フーリエ変換赤外分光法など）のために濃縮するために使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体アレイはバイオセンサーデバイスに組み込まれる。そのようなデバイスは、電気化学信号に対して応答性である基体と、好ましくは、基体に対して略垂直なナノ構造体アレイとを含むことができる。デバイスはまた、領域内のナノ構造体の１つまたは複数に結合した捕獲抗体または酵素を含むことができる。

本発明の実施形態のために好適である、電気化学信号に対して応答性の基体は、電流を電気伝導性媒体において、また、電気伝導性媒体から伝える電気導体を含む。電気導体は、個々にアドレス指定可能な多数の電気導体からなるアレイの形態で存在させることができる。電気導体は、金、銅、炭素、スズ、銀、白金、パラジウム、インジウムスズ酸化物、あるいは、前記材料の１つまたは複数を含む組合せから作製することができる。１つの実施形態において、電気導体は層の形態である。

本発明の実施形態のナノ構造体は、生物活性分子（例えば、酵素および捕獲抗体など）とのバイオコンジュゲーションのための表面官能基を提供しながら、従来の２Ｄバイオセンサーの表面積を大きく増大させる。様々なバイオコンジュゲーション技術を用いることができ、これらには、吸着および共有結合による結合形成が含まれる。

本発明の実施形態のバイオセンサーにおいて使用される好適な生物活性分子には、電気化学的な還元経路（例えば、ペルオキシドを伴う経路など）に関与する酵素が含まれる。本発明の実施形態のバイオセンサーにおいて使用される好適な捕獲抗体は、目的とする抗原の免疫学的検出のために有用である抗体である。

使用において、バイオセンサーは、分析物が捕獲抗体に結合するために好適な条件なもとで試験サンプルと接触させられる。接触することにより、その後において検出することができる信号が間接的または直接的に生じる。検出が、好ましくは、電気化学的手段によって行われる。

本出願から発達する特許の存続期間の期間中に、多くの関連したセンサーシステムが開発されることが予想され、従って、用語「センサー」の範囲は、すべてのそのような新しい技術を演繹的に包含するために意図される。

下記は、本発明の様々な例示的実施形態による、ナノ構造体を製造するために好適な方法の記載である。

本発明の実施形態のいくつかの実施形態において、揮発性有機溶媒に溶解された有機モノマーが基体表面に分注されるか、または置かれる。有機モノマーは、本明細書中上記においてさらに詳述されるようなペプチドモノマーが可能である。溶媒は、好ましくは、溶液における有機モノマーの分散を溶媒の蒸発の前に可能にするように選択される。溶媒における有機モノマーの濃度は有機モノマーおよび基体のタイプに依存する。本発明の様々な例示的実施形態において、濃度は、有機モノマーが基体に対して略垂直に自己集合することを可能にするように選択される。いくつかの実施形態において、有機モノマー濃度は少なくとも１０ｍｇ／ｍｌであり、より好ましくは少なくとも２０ｍｇ／ｍｌであり、より好ましくは少なくとも３０ｍｇ／ｍｌであり、より好ましくは少なくとも４０ｍｇ／ｍｌであり、より好ましくは少なくとも５０ｍｇ／ｍｌである。これらの実施形態は、有機モノマーがペプチドモノマーであるときには特に好適であるが、これらに限定されない。

基体は、任意のタイプまたは材料のものが可能である。本発明の様々な例示的実施形態において、基体は平面状である。基体は、誘電性材料、導電性材料または半導体材料から作製することができる。基体材料の代表的な例には、限定されないが、ガラス、ケイ素、二酸化ケイ素、シリコーン処理ガラス、金およびインジウムスズ酸化物が含まれる。他の材料は本発明の範囲から除外されない。

前記有機モノマーの自己集合のための条件を生じさせながら、溶媒が、基体表面に略垂直に配置される複数の細長い有機ナノ構造体を形成するなどのために蒸発させられる。

本発明の実施形態のいくつかの実施形態において、有機モノマーは電気的に帯電される。モノマーの電荷は、好ましくは、反発力をモノマー間において確立するために、また、ナノ構造体の配向を容易にするために選択される。モノマーおよび／または基体は、好ましくは、反発力を、モノマーと、基体との間において確立するために、従って、基体表面におけるナノ構造体の略垂直な組み立てを容易にするために選択される。ナノ構造体が基体表面に形成されると、ある面に対して略垂直であり、かつ、ナノ構造体に結合する基体を何ら有しないナノ構造体のアレイを形成するために、ナノ構造体を基体から集めることができる。

本発明のいくつかの実施形態において、有機モノマーと、力場に対して応答性であるナノ粒子とがインキュベーションされる。ナノ粒子は典型的には無機であり、磁性ナノ粒子が可能であり、そのような場合、力場は好ましくは磁場であり、または、電気的に帯電したナノ粒子が可能であり、そのような場合、力場は好ましくは電場である。インキュベーション条件は、細長い有機ナノ構造体への有機モノマーの自己集合、および、ナノ粒子による細長い有機ナノ構造体の自己被覆を可能にするために選択される。従って、ナノ粒子の１つまたは複数の層によって被覆された細長いナノ構造体が形成される。インキュベーション期間中、または、インキュベーションに続いて、例えば、ナノ構造体を互いに略平行に並べるために、被覆されたナノ構造体に力場が加えられる。場合により、力場は表面に対して略平行に向けられ、その結果、ナノ構造体アセンブリーが表面に対して平行に並べられる。ナノ構造体が並べられると、ナノ構造体に結合する基体を何ら有しないナノ構造体の平面状アレイを形成するために、ナノ構造体を基体から離すことができる。

本発明の実施形態のナノ構造体がフィラー物質により満たされるか、または、被覆材料により被覆されるとき、ナノ構造体が形成されると、充填および／または被覆を行うことができる。

フィラー物質を、この技術分野において既知であるいずれかの技術を使用して、例えば、無電解析出、ならびに／あるいは、国際特許出願公開番号ＷＯ２００４／０６０７９１号や米国特許第５９１６６４２号および同第６３６１８６１号（これらの内容は参照することにより本明細書に組み込まれる）によって開示および／または参照される技術のいずれか（これらに限定されない）を使用して、物質をナノ構造体内にカプセル化するためにナノ構造体の内部空洞に導入することができる。

ナノ構造体は、この技術分野において既知であるいずれかの技術を使用して、例えば、無電解析出、ならびに／あるいは、国際特許出願公開番号ＷＯ２００１０６２５７、同ＷＯ２００２２８５５２および同ＷＯ２００４０５２７７３（これらの内容は参照することにより本明細書に組み込まれる）によって開示および／または参照される技術のいずれかなど（これらに限定されない）を使用して、被覆材料によって被覆することができる。

用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、かつそれらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、特許請求される組成物、方法、または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法、または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。

本明細書中で使用される場合、単数形態（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照物を包含する。例えば、用語「化合物（ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）」または用語「少なくとも１つの化合物」は、その混合物を含めて、複数の化合物を包含し得る。

本開示を通して、本発明の様々な態様が範囲形式で提示され得る。範囲形式での記載は単に便宜上および簡潔化のためであり、本発明の範囲に対する柔軟性のない限定として解釈すべきでないことを理解しなければならない。従って、範囲の記載は、具体的に開示された可能なすべての部分範囲、ならびに、その範囲に含まれる個々の数値を有すると見なさなければならない。例えば、１〜６などの範囲の記載は、具体的に開示された部分範囲（例えば、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６など）、ならびに、その範囲に含まれる個々の数値（例えば、１、２、３、４、５および６）を有すると見なさなければならない。このことは、範囲の広さにかかわらず、適用される。

数値範囲が本明細書中で示される場合には常に、示された範囲に含まれる任意の言及された数字（分数または整数）を含むことが意味される。第１の示された数字および第２の示された数字「の範囲である／の間の範囲」という表現、および、第１の示された数字「から」第２の示された数「まで及ぶ／までの範囲」という表現は、交換可能に使用され、第１の示された数字と、第２の示された数字と、その間のすべての分数および整数とを含むことが意味される。

明確にするため別個の実施態様の文脈で説明されている本発明の特定の特徴は単一の実施態様に組み合わせて提供することもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施態様で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。

本明細書の上記に詳述され、かつ添付の特許請求の範囲において特許請求される本発明の種々の実施形態および局面は、以下の実施例に実験的裏付けを見出す。

上記説明とともに、以下の実施例を参照して本発明を例示する。なおこれら実施例は、本発明のいくつかの実施形態を非限定的な様式で例示する。

実施例１
垂直に並べられた芳香族ジペプチドナノ構造体
垂直に並べられた芳香族ジペプチドナノ構造体のアレイの形成が下記において例示される。

材料
ジフェニルアラニンおよびジフェニルアラニンペプチドアナログをＢａｃｈｅｍ（Ｂｕｂｅｎｄｏｒｆ、スイス）から購入した。ジフェニルアラニンペプチドおよびアナログの新鮮な溶液を、ペプチドの凍結乾燥形態を１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−プロパノール（ＨＦＰ、Ｓｉｇｍａ）に溶解することによって調製した。何らかの事前の凝集を避けるために、新鮮なストック溶液をそれぞれの実験のために調製した。

下記のジフェニルアラニンペプチドアナログを調べた：（ａ）Ａｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２、（ｂ）ｔ−ブチルカルバマート−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｂｏｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｃ）カルボベンジルオキシ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｃｂｚ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｄ）フルオレニルメトキシカルボニル−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｆｍｏｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）、（ｅ）シクロ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ。

方法
下記のペプチド濃度が結果の節に示される（図１２を参照のこと）：２０ｍｇ／ｍｌ、４０ｍｇ／ｍｌ、６０ｍｇ／ｍｌ、８０ｍｇ／ｍｌ、１２０ｍｇ／ｍｌおよび１８０ｍｇ／ｍｌ。

ペプチドを１００ｍｇ／ｍｌの最終濃度にＨＦＰに溶解した後、溶液の３０μｌを、図７ａに例示されるように、直径が２２ｍｍのシリコーン処理ガラス（Ｈａｍｐｔｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ、ＣＡ、米国）に置いた。この高揮発性フッ素化アルコールは、単分散された基本構成要素としてのペプチド実体の存在を可能にする注目すべき溶媒である。ＨＦＰが急速に蒸発したとき、垂直に並べられたペプチドナノ構造体の薄い層が基体表面に形成された。

この層を、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用して分析した。サンプルを金で被覆し、５ｋＶで稼動するＪＳＭ ＪＥＯＬ６３００走査電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）を使用して分析した。低温電界放出銃（ＣＦＥＧ）高分解能走査電子顕微鏡観察（ＨＲ−ＳＥＭ）による分析のために、サンプルをＣｒで被覆し、１ｋＶで稼動する低温電界放出銃を備えるＪＳＭ−６７００電界放出走査電子顕微鏡を使用して調べた。

形成されたアレイの構造を決定するために、Ｘ線回折分析（図７ａ）を行った。Ｘ線回折測定を、銅陽極、平行ビーム光学系および１２ｋＷのジェネレーター出力を用いるＴｔｒａｘθ−θ回折計（Ｒｉｇａｋｕ、日本）を使用して行った。

加えて、電子回折実験を行った。電子回折実験を、電界放出銃とともに２００ｋＶにおいてＦＥＩ Ｔｅｃｎａｉ Ｆ２０顕微鏡で行った。低線量法を使用した；探索を極めて低い線量および低倍率で行い、その後、電子回折パターンを５００ｍｓの露出時間によりカメラ（４ｋＸ４ｋの画素を有するＴＶＩＰＳ Ｆ４１５カメラ）に直接に記録した。１個のチューブの電子回折分析は、ａ＝約２１．０Å、ｂ＝５．４Åの単位格子と一致していた（この場合、ａは結晶の長軸に対して垂直に配向している）。３つの異なるチューブの研究において、ｂは常に５．４Åであり、この場合、ａは２０．５Å〜２１．９Åの間で変化した。このことは、ジフェニルアラニンの単結晶について求められるような［ａ＝２４．１Å、ｂ＝２４．１Å、ｃ＝５．５Å］の単位格子と一致している。

このプロセスにおける電荷の役割をさらに検討するために、ジフェニルアラニンペプチドの、その脱プロトン化状態での表面における集合を、溶解されたペプチドモノマーへのＮ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン（ＤＩＡＥ）の添加によって調べた。画像は、下記のＤＩＡＥ濃度についての得られた画像であった：０．５％のＤＩＡＥ、１％のＤＩＡＥ、２％のＤＩＡＥおよび５％のＤＩＡＥ。

結果
基体表面に形成された薄い層のＳＥＭ分析により、ペプチドナノ構造体の垂直に並べられたアレイが形成されたことが明らかにされた（図７ｂ）。この実験でのペプチドナノ構造体は管状の形状を有していた。このペプチドナノ構造体はこの実験ではペプチドナノチューブとして示される。

高分解能ＳＥＭによる分析は、チューブの整列したアレイを理解する手がかりをもたらし、また、それらの構造的な開口端配座を明らかにした（図７ｃ）。加えて、それらの外径がそれらの内部空洞よりもはるかに広いので、チューブの多壁構造が明瞭に観察された（図７ｄ）。

何らかの理論にとらわれることはないが、構造体の整列した組織化が、ＨＦＰ溶媒の急速な蒸発の期間中に存在する蒸気−液体−固体の系によって得られる成長軸の方向での芳香族成分の幾何学的に制約された積み重なりによって容易にされることが推測される。図１１を参照すると、ペプチド基本構成要素がＨＦＰ溶液においてモノマーとして堆積されつつある。急速な蒸発は過飽和および結晶化のプロセスを引き起こす。異なる方向での、差のある成長速度により、細長いシートの形成が引き起こされる。２次元の細長いシートは、密な管状構造体を形成する傾向がある。

形成されたアレイの構造を決定するために、Ｘ線回折分析（図７ｅ）を行った。観測された６回対称性は、ジフェニルアラニンの単結晶に関して見出される対称性、または、溶液におけるナノチューブの形成を引き起こす条件のもとでの粉末回折に関して見出される対称性と非常に類似している［２６〜２７］。これらの実験はナノチューブの結晶または大きな集まりに対して行われたので、１個のナノチューブの電子回折パターンを求めた（図７ｆ）。結果は、チューブ集団について引き出された結論が１個だけのチューブのレベルでもまた有効であることを示唆する。ナノチューブの整列のレベルが、サンプルの角度を高分解能走査電子顕微鏡（ＨＲ−ＳＥＭ）チャンバーで変化させた傾斜実験によって観測された（図８）。

何らかの理論にとらわれることはないが、ＨＦＰ溶媒の急速な蒸発は、表面における無数の核形成部位の形成を容易にする過飽和状態を生じさせることが示唆される。この後には、より多くのジフェニルアラニンモノマーが核形成部位に積み重なり、液体−空気の境界に向かって表面に沈降していくようなナノチューブの一方向での成長が続く。この集合プロセスが、光学顕微鏡を使用して観測された。ペプチド溶液が堆積後の数秒間は完全に透明である一方で、整列した構造体の同時かつ協調した形成が、蒸発が許されるとすぐに生じる。それぞれの核形成事象により、１００μｍ^２の面積にわたるナノチューブの垂直なアレイの形成、および、これらの整列した構造体による表面全体の被覆がもたらされる（図７ｂ）。他の集合機構もまた考慮される。例えば、溶液開始の集合の後には、事前に形成されたチューブの、ナノチューブの垂直なアレイへの組織化が続くことができる。

ペプチド基本構成要素のアラインメントが、１６０ｍｇ／ｍｌから６０ｍｇ／ｍｌにまで及ぶペプチド濃度において観測された。図１２ａ〜図１２ｆは下記のペプチド濃度についてのＳＥＭ画像である：（ａ）２０ｍｇ／ｍｌ、（ｂ）４０ｍｇ／ｍｌ、（ｃ）６０ｍｇ／ｍｌ、（ｄ）８０ｍｇ／ｍｌ、（ｅ）１２０ｍｇ／ｍｌ、（ｆ）１８０ｍｇ／ｍｌ。

より低い濃度では、ナノチューブの形成が検出されるが、特定の配向を有していなかった（図１２ａ、図１２ｂ）。濃度下限が、本実験で使用されたペプチドモノマーは、本実験で使用された表面での過飽和主導の成長を伴って核形成することができないことを反映していることが推測される。濃度上限が、多数の軸に沿った、本実験で使用されたペプチドの制御されない成長から生じることもまた推測される（図１２ｆ）。それにもかかわらず、他の濃度を他の有機モノマーおよび他の基体とともに使用することができる。

回折実験によって反映されるように、蒸発が許されたときの整列したナノ構造体へのペプチドモノマーの集合は、好ましい結晶化プロセスの結果であり得る。蒸発したときの基本構成要素の濃縮は不安定相への溶液の転移を生じさせる。非晶質クラスターへの凝集の場合には、相転移および相分離が観測されない。これらの発見は、核形成主導の形成機構をさらに裏付ける。

垂直な自己組織化のための分子的基礎を解明するために、様々なジフェニルアラニンアナログの自己集合をモニターした。

図９ａ〜図９ｃは、正荷電のジフェニルアラニンペプチドアナログが、ジフェニルアラニンペプチドと同じ様式でシリコーン処理ガラスに自己集合し得ることを明らかにする。これらのアナログは、水溶液中での自己会合によってナノ集合体を形成することができ、それにもかかわらず、これらのアナログは、その静電荷状態では元のジフェニルアラニンとは異なる。この天然ペプチドは中性条件では双性イオン性であり、正荷電のアミン基および負荷電のカルボキシル基を有することに留意すること。

下記の表１は、本実施例で使用されたジフェニルアラニンペプチドアナログの化学構造を示す。中性ｐＨにおいて、これらの化合物は様々な電荷状態で存在する。母体のジフェニルアラニン（ＮＨ_２−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）は双性イオン性であり、正荷電のアンモニウム基および負荷電のカルボキシラート基を有する。Ｎ−アセチル化（Ａｃ５アセチル）化合物（Ａｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２）は中性であり、電荷を有していない。ジフェニルアラニンのアミド誘導体（ＮＨ_２−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２）は１個の正荷電を有しており、これに対して、最後の３つはそれぞれが１個の負荷電を有しているが、ジペプチドのＮ末端に結合する基（すなわち、ｔ−ブトキシカルボニル（Ｂｏｃ）、フルオレニルメトキシカルボニル（Ｆｍｏｃ）またはベンジルオキシカルボニル（Ｃｂｚ））の性質において異なる。

これらのアナログのＳＥＭ分析では、電荷が自己集合プロセスに影響を及ぼすことが明らかにされた；非荷電アナログのＡｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２は非配向の管状構造体を表面に形成した（図１３）一方で、正荷電ペプチドのＮＨ_２−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＮＨ_２は、並べられた構造体をこの堆積プロセスで形成した（図９）。

ｔ−ブチルカルバマート−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ（Ｂｏｃ−Ｐｈｅ−Ｐｈｅ−ＣＯＯＨ）ペプチドを、このプロセスにおける負荷電の役割を検討するために使用した。このペプチドは、正荷電のアナログのような並べられた管状構造体を形成しなかった。このことはまた、より大きな成分により修飾された他の負荷電ペプチドアナログに関しても当てはまった。正味の電荷を有していない環状アナログは、表面におけるランダムな配向を伴う十分に整列した管状構造体に集合した（図１３）。表面におけるこのランダムな集合は、チューブの配向を容易にするための反発力がないことから生じることが示唆される。負荷電ペプチドの場合、管状構造体を、表面とのそれらの相互作用のために、溶液の場合と同じ様式で検出することができなかった。

このプロセスにおける電荷の役割をさらに検討するために、ジフェニルアラニンペプチドの、その脱プロトン化状態での表面における集合を、溶解されたペプチドモノマーへのＮ，Ｎ−ジイソプロピルエチルアミン（ＤＩＥＡ）の添加によって調べた。

図１４ａ〜図１４ｄは、（ａ）０．５％のＤＩＡＥ、（ｂ）１％のＤＩＡＥ、（ｃ）２％のＤＩＡＥおよび（ｄ）５％のＤＩＡＥについての得られた画像である。０．５％のＤＩＡＥが存在する場合、並べられた管状構造体が形成され、しかしながら、ＤＩＡＥ濃度が増大したとき、チューブの秩序および方向性が影響を受け、ランダムな配向が観測された（図１４）。高濃度の塩基に起因するジペプチドの放電が集合化プロセスの方向性に影響を及ぼすことが推測される。正荷電の表面に加えられたとき、ジフェニルアラニンペプチドは、並べられたアレイに自己集合しなかった。これらの実験結果は、極めて整列しているが、ばらばらであるペプチドアレイが、自己集合したナノ構造体の間における反発する静電相互作用によって安定化され続けていることをさらに示唆する。

実施例２
水平に並べられた芳香族ジペプチドナノ構造体
本発明者らは、水平に並べられた芳香族ジペプチドナノ構造体のアレイを形成するために本発明の実施形態の方法を首尾良く用いた。このアレイを形成するために、磁場を加えた。カーボンナノチューブおよび無機ナノ粒子を並べるための磁場の使用が広範囲に研究される［３０］が、有機ナノ構造体との磁場の使用は大きな課題をもたらしている。

材料
ジフェニルアラニンおよびジフェニルアラニンペプチドアナログをＢａｃｈｅｍ（Ｂｕｂｅｎｄｏｒｆ、スイス）から購入した。ジフェニルアラニンペプチドおよびアナログの新鮮な溶液を、ペプチドの凍結乾燥形態を１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−プロパノール（ＨＦＰ、Ｓｉｇｍａ）に溶解することによって調製した。何らかの事前の凝集を避けるために、新鮮なストック溶液をそれぞれの実験のために調製した。

方法
ジフェニルアラニンペプチドの新鮮なストック溶液をＨＦＰに溶解して１００ｍｇ／ｍＬの濃度にした。その後、ストック溶液を、水に希釈された２０％の強磁性流体（ＥＭＧ５０８、Ｆｅｒｒｏｔｅｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）における２ｍｇ／ｍＬの最終濃度に希釈した。この市販されている水系強磁性流体は、１０ｎｍの特性直径を有する１．０７％のマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）粒子を、安定化されたアニオン性界面活性剤の存在下で有する。

水での希釈の後、マグネタイトナノ粒子の最終濃度は０．２１４％であった。一晩のインキュベーションの後、ナノ構造体の自己集合が明らかにされた。溶液の１０μｌの１滴をカバースリップスライドに置いた。

次の工程において、スライドを、Ｈａｌｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｂｒｉｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、米国）から得られる０．５Ｔの永久磁石の中に置いた。サンプルは、溶液が乾くまで外部磁力にさらされた。この後、上記のようなサンプルのＳＥＭ分析が続いた。

ＴＥＭ分析のために、ペプチド溶液の１０μｌの１滴を２００メッシュの銅グリッドに置き、カーボン安定化Ｆｏｒｍｖａｒフィルムによって覆った。１分後、過剰な流体を除き、グリッドおよびサンプルを、８０ｋＶで稼動するＪＥＯＬ １２００ＥＸ透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して調べた。

結果
図１０ａ〜図１０ｇは、強磁性流体の存在下における、ジフェニルアラニンに基づくペプチドナノチューブの自己集合、および、それらを外部磁場にさらすことにより、それらの水平アラインメントの制御がもたらされたことを示す。

図１０ａは、マグネタイトナノ粒子を含有する強磁性流体溶液の存在下で自己集合させたジペプチドモノマーの概略的な例示である。示されるように、ジフェニルアラニンモノマーがマグネタイトナノ粒子の存在下で集合した。

図１０ｂは、磁性粒子により被覆される自己集合したペプチドナノ構造体のＴＥＭ画像である。芳香族ジペプチドナノ構造体が管状構造体に集合した一方で、磁性ナノ粒子は磁性ナノ粒子の非共有結合性の被覆層を形成した。被覆は、非荷電ナノ構造体の壁の周りの周辺であった。マグネタイト粒子が疎水性相互作用によって壁に付着すると考えられる。磁性粒子の存在はチューブ形成の大きい収率に影響を及ぼさなかった。すべての管状構造体が磁性粒子により被覆されたので、このプロセスの大きい効率がＴＥＭ分析によって認められた。

図１０ｃは、自己集合した磁性ナノ構造体の低倍率ＳＥＭ顕微鏡写真である。被覆された芳香族ジペプチドナノ構造体が、表面に適用されるとき、ランダムに広がる。

図１０ｄは、磁場にさらされた後での自己集合した磁性ナノ構造体の水平配置を示す低倍率ＳＥＭである。示されるように、外部磁場にさらされたとき、すべてのナノ構造体が磁場に応答し、表面へのナノ構造体の空間的組織化、および、磁場の方向に従ったそれらのアラインメントをもたらした。

図１０ｅ〜図１０ｇは、自己集合した被覆されるナノ構造体の概略的な例示（図１０ｅ）、磁場にさらされる前のランダムに整列したいくつかの被覆されるナノ構造体の概略的な例示（図１０ｆ）、ならびに、ナノ構造体が磁場にさらされている間、および、その後における水平に並べられた被覆されたナノ構造体の概略的な例示である。

本発明はその特定の実施形態と共に説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神の広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。

本明細書中で言及した刊行物、特許および特許願はすべて、個々の刊行物、特許または特許願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。節の見出しが使用されている範囲まで、それらは必ずしも限定として見なされるべきではない。

Claims (9)

1. ナノ構造体アレイを含むデバイスであって、前記ナノ構造体アレイが、基体と、少なくとも１０個の細長い多層ペプチドナノ構造体とを含み、前記ナノ構造体のそれぞれは、電気的に帯電されており、かつ複数のペプチドを有し、前記ナノ構造体は、前記基体の１平方ミクロンあたり少なくとも１個のペプチドナノ構造体の表面密度で前記基体表面に略垂直に配置されており、前記ペプチドのそれぞれは、２個〜６個のアミノ酸残基を含み、前記デバイスは、電界効果トランジスター、導電層、センサー、医療用リード線、刺激用電極、熱エネルギーを移動するためのデバイス、及び分析物捕集デバイスからなる群から選択される、デバイス。
2. 前記複数のペプチドにおけるそれぞれのペプチドが、少なくとも１つの芳香族アミノ酸残基を含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記複数のペプチドにおける少なくとも１つのペプチドが、エンドキャッピング修飾ペプチドである、請求項１または２に記載のデバイス。
4. 前記複数のペプチドにおける少なくとも１つのペプチドが、芳香族アミノ酸残基から本質的になる、請求項２に記載のデバイス。
5. 前記複数のペプチドにおける少なくとも１つのペプチドが、ジペプチドである、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記複数のペプチドにおけるそれぞれのペプチドが、フェニルアラニン−フェニルアラニンジペプチドである、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記ペプチドナノ構造体の少なくとも１つが、ナノ粒子の少なくとも１つの層によって被覆され、前記ナノ粒子が磁性ナノ粒子または電気的に帯電されたナノ粒子である、請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
8. 少なくとも１つのペプチドナノ構造体が、そのペプチドナノ構造体に結合した官能基を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
9. 前記複数のペプチド中の少なくとも１つのペプチドが、ホモジペプチドである、請求項１〜５、７及び８のいずれかに記載のデバイス。