JP6422291B2 - Method for controlling physical properties of silk - Google Patents

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本発明は、再生絹繊維の製造方法に関する。特に、変化した物性を示す再生絹繊維の製造方法に関する。また、本発明は再生絹繊維の品質評価方法に関する。   The present invention relates to a method for producing regenerated silk fibers. In particular, the present invention relates to a method for producing regenerated silk fibers exhibiting changed physical properties. The present invention also relates to a method for evaluating the quality of recycled silk fibers.

SilkII型構造
家蚕(B.mori)絹は、絹フィブロインと絹セリシンから構成されるが、絹フィブロインが主成分であり、絹の繊維化は、絹フィブロインの構造や物性変化に着目して研究されてきた。家蚕の絹フィブロイン分子のアミノ酸組成はアラニンとグリシンが大部分を占めており、それ以外のアミノ酸はセリンやチロシンである。絹フィブロイン分子をキモトリプシン消化した際に沈殿する部分は、絹フィブロインの55%を占め、主に結晶部から成る。その大部分はアラニンとグリシンおよびセリンの繰り返しユニット、すなわち、Ala−Gly−Ala−Gly−Ser−Gly(配列番号1)の繰り返しである。他方、上清に溶解している部分は主に非晶部から成り、チロシンをより多く含む。Ala−Gly−Ala−Gly−Ser−Gly(配列番号1)の繰り返しユニットをAla−Glyの繰り返しユニットに置き換えても、その分光学的特徴はほとんど変わらないことから、従来、X線解析やNMR解析では、家蚕絹の結晶部モデルとして、Ala−Glyの繰り返しユニットが用いられてきた。
Silk II type silk ( B. mori ) silk is composed of silk fibroin and silk sericin. Silk fibroin is the main ingredient, and silk fibrinization has been studied with a focus on changes in the structure and physical properties of silk fibroin. I came. The amino acid composition of the silk fibroin molecule in rabbits is mostly alanine and glycine, and the other amino acids are serine and tyrosine. The portion that precipitates when the silk fibroin molecule is digested with chymotrypsin accounts for 55% of the silk fibroin and mainly consists of a crystal part. Most of them are repeating units of alanine, glycine and serine, that is, Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly (SEQ ID NO: 1). On the other hand, the portion dissolved in the supernatant mainly consists of an amorphous part and contains more tyrosine. Even if the repeating unit of Ala-Gly-Ala-Gly-Ser-Gly (SEQ ID NO: 1) is replaced with the repeating unit of Ala-Gly, its spectroscopic characteristics hardly change. In the analysis, an Ala-Gly repeating unit has been used as a crystal part model of silkworm silk.

家蚕は、体内で絹が水に溶解した液状絹(繊維化前の絹)の状態から、室温下で短い時間で絹繊維を生成する。絹繊維は、液状絹とは全く異なり、高強度・高弾性の固体となる。本発明者は、当該液状絹の構造(SilkI型構造)と絹繊維の構造(SilkII型構造)の違いを明らかにしてきた。すなわち、水に溶けた絹フィブロイン分子、すなわち、液状絹には、分子間水素結合だけでなく分子内水素結合も存在することが明らかにされた。そして、それら2種類の水素結合により形成されるβターンタイプII型構造は、グリシンおよびアラニンから成るユニット全体にわたって繰り返されていることも明らかにされた。そして、蚕は、液状絹を吐出しつつ首振り運動を行って、液状絹中のフィブロイン(SilkI型構造)をその分子軸方向に引き伸ばすことにより、分子内水素結合を分子間水素結合へと転移させて絹繊維(SilkII型構造)を生成しているものと結論付けられた(特許文献1)。   Rabbits produce silk fibers in a short time at room temperature from the state of liquid silk (silk before fiberization) in which silk is dissolved in water in the body. Silk fiber is completely different from liquid silk and becomes a solid with high strength and high elasticity. The present inventor has clarified the difference between the liquid silk structure (Silk I type structure) and the silk fiber structure (Silk II type structure). That is, it was revealed that silk fibroin molecules dissolved in water, that is, liquid silk, have not only intermolecular hydrogen bonds but also intramolecular hydrogen bonds. It was also clarified that the β-turn type II structure formed by these two types of hydrogen bonds is repeated throughout the unit consisting of glycine and alanine. Then, the silkworm swings while discharging the liquid silk, and stretches the fibroin (Silk I type structure) in the liquid silk in the direction of the molecular axis, thereby transferring the intramolecular hydrogen bond to the intermolecular hydrogen bond. It was concluded that silk fibers (Silk II type structure) were produced (Patent Document 1).

これまでに、SilkII型構造としては、Marsh、Pauling等によって分子間水素結合を形成した逆平行βシート構造が提案され、生化学の教科書にタンパク質の代表的な構造の例として必ずと言ってよいほど掲載されてきた。Marsh等の構造モデルはX線解析データに基づいたもので、その大きな特徴の1つとして、分子間水素結合が同一アミノ酸残基間、つまりアラニン−アラニン間およびグリシン−グリシン間で形成されると提案されている(図1参照)。しかしながら、その後の多くの研究者は、Marshモデルの元となったX線解析データと、提案構造から予測されたデータとの間の誤差が大きい(R値は30%)ことから、実際の家蚕絹繊維のSilkII構造は、より不均一な構造であると考えるに至っていた。   Up to now, an antiparallel β sheet structure in which intermolecular hydrogen bonds are formed by Marsh, Pauling, etc. has been proposed as a Silk II type structure, and may be said to be an example of a typical protein structure in a biochemistry textbook. Has been posted. The structure model of Marsh et al. Is based on X-ray analysis data, and one of its major features is that intermolecular hydrogen bonds are formed between identical amino acid residues, that is, between alanine-alanine and between glycine-glycine. It has been proposed (see FIG. 1). However, many subsequent researchers have a large error (R value is 30%) between the X-ray analysis data from which the Marsh model is based and the data predicted from the proposed structure. The Silk II structure of silk fibers has come to be considered to be a more inhomogeneous structure.

絹繊維の物性改良
絹糸が、織物の材料として極めて優れた特性を有していることは言うまでもない。また、絹糸は、強くて適度な弾性と柔軟性を有するだけでなく、高い生体親和性を有するので、例えば手術用の縫合糸としても用いられている。しかしながら、強度や伸張性の点からいえば、依然として絹糸は、クモ牽引糸には及ばない。したがって、絹糸の強度および伸張性を更に増大させるべく、多くの試みがなされてきた。
Needless to say, silk thread with improved physical properties of silk fibers has extremely excellent characteristics as a material for fabrics. Silk is not only strong and has moderate elasticity and flexibility, but also has high biocompatibility, and is used, for example, as a surgical suture. However, in terms of strength and extensibility, silk yarn still does not reach spider pulling yarn. Accordingly, many attempts have been made to further increase the strength and extensibility of silk.

前記のとおり、家蚕は、液状絹を吐出しつつ首振り運動を行って繭を形成する。しかし、Shao等は、家蚕を固定することにより首振り運動を制限しつつ、強制的に絹糸を取り出し、湿潤下で、絹繊維を一定の速度で巻き取ることで、絹糸の応力(Stress)―歪み(Strain)特性を変化させ得ることを報告している(非特許文献1)。   As described above, a rabbit performs a swing motion while discharging liquid silk to form a cocoon. However, Shao et al. Limited the swinging motion by fixing the rabbit, forcibly removing the silk thread, and winding the silk fiber at a constant speed under moisture, thereby reducing the stress of the silk thread— It has been reported that strain characteristics can be changed (Non-Patent Document 1).

また、本発明者は、再生絹繊維に対して、天然の絹繊維とは異なる物性を付与する方法を開示している(特許文献2)。簡単に記すと、裁断した繭を精錬して得た絹フィブロインを、先ず臭化リチウム等の塩溶液に溶解した後、透析を行って無機塩を取り除いて絹フィブロイン水溶液とし、該水溶液から作製した絹フィブロインフィルムや凍結乾燥したスポンジ等をヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)に溶解させる。次いで、当該溶解液を、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン等の、絹フィブロインが不溶であり、且つ、HFIPを溶解する溶媒を収容した凝固浴に向けて、紡糸口を介して吐出する。当該浴中で凝固した絹フィブロインを紡糸することで、再生絹繊維が得られる。更に、特許文献2は、前記再生絹繊維を、凝固浴中または凝固浴から取出した直後の濡れた状態で、或いは凝固浴から取出して風乾した後の乾燥状態で、2〜4倍程度延伸することが好ましいことを記載している。そのような処理は、再生絹繊維の収縮を防ぐことができ、且つ引張強度が向上した非常に均一な繊維径を持った延伸生成絹糸を与え得ることも記載されている。   Moreover, this inventor is disclosing the method of providing the physical property different from a natural silk fiber with respect to a reproduction silk fiber (patent document 2). Briefly, silk fibroin obtained by refining the cut straw was first dissolved in a salt solution such as lithium bromide, and then dialyzed to remove inorganic salts to obtain a silk fibroin aqueous solution. Silk fibroin film, freeze-dried sponge, etc. are dissolved in hexafluoroisopropanol (HFIP). Next, the solution is discharged through a spinneret toward a coagulation bath in which silk fibroin is insoluble and contains a solvent for dissolving HFIP, such as water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and acetone. . Regenerated silk fibers can be obtained by spinning silk fibroin solidified in the bath. Furthermore, in Patent Document 2, the regenerated silk fiber is stretched about 2 to 4 times in a wet state immediately after being taken out from the coagulation bath or immediately after being taken out from the coagulation bath, or in a dry state after being taken out from the coagulation bath and air-dried. It is described that it is preferable. It is also described that such treatment can prevent the shrinkage of regenerated silk fibers and can provide stretch-formed silk yarns with very uniform fiber diameters with improved tensile strength.

加えて、特許文献2は、Chemagnetic社製CMX400NMR分光計を用いた固体13C CP/NMR測定において、AlaCβ(アラニンのβ炭素原子)が3つのピーク、すなわち、最も高磁場領域のピーク(16.6ppm)と低磁場領域の2つのピーク(19.6ppmおよび21.9ppm)に分離したことを記載している。そして、特許文献2は、最も高磁場のピークが再生絹フィブロイン分子中のランダム成分の存在を示し、低磁場側の残りの2つのピークがβシート構造に相当することを記載している。また、特許文献2は、再生絹糸を延伸することにより絹フィブロイン分子を繊維軸方向に配向させることができるようになり、その結果、より多くの前記ランダム成分をβシート構造に変化させ得る可能性を示唆している。 In addition, in Patent Document 2, AlaCβ (β carbon atom of alanine) has three peaks, that is, a peak in the highest magnetic field region (16.16) in solid 13 CCP / NMR measurement using a CMagnetic CMX400 NMR spectrometer. 6 ppm) and two peaks (19.6 ppm and 21.9 ppm) in the low magnetic field region. Patent Document 2 describes that the highest magnetic field peak indicates the presence of a random component in the regenerated silk fibroin molecule, and the remaining two peaks on the low magnetic field side correspond to the β sheet structure. Further, Patent Document 2 makes it possible to orient silk fibroin molecules in the fiber axis direction by stretching the regenerated silk thread, and as a result, more random components can be changed to a β sheet structure. It suggests.

前記のとおり、これまでに、実際のSilkII構造は、Marsh等が提案したモデルよりは不均一であると考えられていた。しかしながら、いずれの先行技術文献も、実際のSilkII構造が、Marshモデルとは全く違っていたという可能性を、示唆さえしていない。   As described above, so far, the actual Silk II structure has been considered to be more heterogeneous than the model proposed by Marsh et al. However, none of the prior art documents even suggests the possibility that the actual Silk II structure was quite different from the Marsh model.

特開2001−247674号公報JP 2001-247664 A 国際公開第WO2008/004356号パンフレットInternational Publication No. WO2008 / 004356 Pamphlet

Nature、Vol.418、p.741(2002)Nature, Vol. 418, p. 741 (2002)

本発明者は、実際のSilkII構造は、Marshモデルと異なっていることを、ここで初めて詳細に明らかにする。前記のとおりSilkII構造が、Marsh等の提案したモデルよりは不均一であることはこれまでにも指摘されてきたが、本発明者が明らかにした相違はそれを遥かに超えたものであり、実際に、SilkII構造は、Marsh等が提案した分子間構造を有してはいないことが明らかになった。   The inventor reveals for the first time in detail that the actual Silk II structure is different from the Marsh model. As mentioned above, it has been pointed out so far that the Silk II structure is more heterogeneous than the model proposed by Marsh et al., But the difference revealed by the present inventors goes far beyond that, In fact, it became clear that the Silk II structure does not have the intermolecular structure proposed by Marsh et al.

驚くべきことに、実際のSilkII構造では、異種残基間(アラニン−グリシン)で分子間水素結合が形成されており、更に、その分子間構造には2つの形態、つまり形態Aおよび形態Bが存在していた。そして、本発明者は、再生絹繊維の物性を、形態Aの含量および/または形態Bの含量を変化させることで、制御し得ることを見出した。   Surprisingly, in the actual Silk II structure, an intermolecular hydrogen bond is formed between heterogeneous residues (alanine-glycine), and furthermore, the intermolecular structure has two forms: Form A and Form B Existed. And this inventor discovered that the physical property of regenerated silk fiber could be controlled by changing the content of form A and / or the content of form B.

したがって、本発明の第1の局面は、
(1) 再生絹繊維の物性を変化させる方法であって、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態A含量または形態B含量またはその両方を変化させることを特徴とする、前記方法である。
Therefore, the first aspect of the present invention is
(1) A method for changing the physical properties of regenerated silk fiber, wherein the form A content and / or the form B content in the silk fiber having a Silk II structure is changed.

前記形態Aの含量は、13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約19.6ppmのピーク面積に基づいて測定され得、また、前記形態Bの含量は、13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約21.7ppmのピーク面積に基づいて測定され得る。したがって、本発明の第一の局面の好適な態様は、
(2) 前記形態A含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約19.6ppmのピーク面積に基づいて測定され、前記形態B含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約21.7ppmのピーク面積に基づいて測定される、上記(1)に記載の方法である。
The content of the form A may be measured based on the peak area of about 19.6ppm of AlaCβ in 13 C CP / MAS NMR spectra, also the content of the Form B of AlaCβ in 13 C CP / MAS NMR spectrum It can be measured based on a peak area of about 21.7 ppm. Accordingly, a preferred embodiment of the first aspect of the present invention is:
(2) The Form A content is measured based on a peak area of about 19.6 ppm of AlaCβ in the 13 C CP / MAS NMR spectrum, and the Form B content is about 21.7 ppm of AlaCβ in the 13 C CP / MAS NMR spectrum. It is a method as described in said (1) measured based on the peak area of.

なお、後述のとおり、SilkII型構造の13C CP/MAS NMRスペクトルにおいて、AlaCβは、前記の形態Aおよび形態Bとして帰属される2つのピーク以外に、絹フィブロイン分子の非晶部中の「ゆがんだβターン構造」(Distorted β−turn)に帰属されるピーク加えて、結晶部中にも存在していた「ゆがんだβターン構造」に帰属されるピークが重なった、最も高磁場側(約16ppm)のピークを与えた(図2参照)。これは、特許文献2におけるランダム成分に対応する。また、AlaCβの13C CP/MAS NMRスペクトルは、前記の形態Aおよび形態Bとして帰属される2つのピークの間に、絹フィブロイン分子の非晶部中の「ゆがんだβシート構造」(Distorted β−sheet)に帰属されるピークも含んでいた。 In addition, as described later, in the 13 C CP / MAS NMR spectrum of the Silk II structure, AlaCβ, in addition to the two peaks assigned as Form A and Form B described above, In addition to the peak attributed to the “β-turn structure” (Distorted β-turn), the peak attributed to the “distorted β-turn structure”, which was also present in the crystal part, overlapped the highest magnetic field side (about 16 ppm) (see FIG. 2). This corresponds to the random component in Patent Document 2. In addition, the 13 C CP / MAS NMR spectrum of AlaCβ shows a “distorted β sheet structure” (Distorted β) in the amorphous part of the silk fibroin molecule between the two peaks assigned as Form A and Form B. -Sheet) was also included.

更に、本発明者は、再生絹繊維を製造する際に、前記の形態Aおよび形態Bの含量のいずれかまたは双方を変えることで、製造された再生絹繊維の応力―歪み特性を変化させ得ることを確認した。したがって、本発明の第一の局面の更に好適な態様は、
(3) 前記物性が絹繊維の応力―歪み特性を有する、上記(1)または(2)に記載の方法である。
Furthermore, when manufacturing the regenerated silk fiber, the present inventor can change the stress-strain characteristics of the manufactured regenerated silk fiber by changing either or both of the contents of Form A and Form B. It was confirmed. Accordingly, a further preferred embodiment of the first aspect of the present invention is:
(3) The method according to (1) or (2), wherein the physical property has a stress-strain characteristic of silk fiber.

また、本発明は、前記形態Aおよび形態Bの含量に着目した、変化した物性を示す再生絹繊維の製造方法を意図する。したがって、本発明の第二の局面およびその好適な態様は、以下の、
(4) 変化した物性を示す再生絹繊維の製造方法であって、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態A含量または形態B含量またはその両方を変化させる工程を含む、前記製造方法;
(5) 前記形態A含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約19.6ppmのピーク面積に基づいて測定され、前記形態B含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約21.7ppmのピーク面積に基づいて測定される、上記(4)に記載の製造方法;および
(6) 前記物性が絹繊維の応力―歪み特性を有する、上記(4)または(5)に記載の製造方法である。
Moreover, this invention intends the manufacturing method of the regenerated silk fiber which showed the changed physical property paying attention to the content of the said form A and the form B. Therefore, the second aspect of the present invention and preferred embodiments thereof are as follows:
(4) A method for producing a regenerated silk fiber exhibiting changed physical properties, the method comprising the step of changing the form A content and / or the form B content in a silk fiber having a Silk II type structure;
(5) The Form A content is measured based on a peak area of about 19.6 ppm of AlaCβ in the 13 C CP / MAS NMR spectrum, and the Form B content is about 21.7 ppm of AlaCβ in the 13 C CP / MAS NMR spectrum. The production method according to (4) above, which is measured based on the peak area of the above; and (6) The production method according to (4) or (5), wherein the physical property has stress-strain characteristics of silk fibers. It is.

更に、本発明は、前記形態Aおよび形態Bの含量を新たな指標とした、再生絹繊維の品質評価方法を意図する。上記のとおり、形態Aおよび形態Bの含量と物性には関連性があることが明らかになった。したがって、本発明の第三の局面およびその好適な態様は、以下の、
(7) 再生絹繊維の品質評価方法であって、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態A含量または形態B含量またはその両方を定量することを含む、前記方法;
(8) 前記形態A含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約19.6ppmのピーク面積に基づいて測定され、前記形態B含量が13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約21.7ppmのピーク面積に基づいて測定される、上記(7)に記載の方法;および
(9) 前記品質が絹繊維の応力―歪み特性に関連づけられる、上記(7)または(8)に記載の方法である。
Furthermore, this invention intends the quality evaluation method of the regenerated silk fiber which used the content of the said form A and the form B as a new parameter | index. As described above, it has been clarified that the contents and properties of Form A and Form B are related. Therefore, the third aspect of the present invention and preferred embodiments thereof are as follows:
(7) A method for evaluating the quality of regenerated silk fibers, comprising quantifying the form A content and / or the form B content in silk fibers having a Silk II structure;
(8) The Form A content is measured based on a peak area of about 19.6 ppm of AlaCβ in a 13 C CP / MAS NMR spectrum, and the Form B content is about 21.7 ppm of AlaCβ in a 13 C CP / MAS NMR spectrum. (9) the method according to (7) or (8), wherein the quality is related to the stress-strain characteristics of the silk fiber is there.

本発明によれば、従来の再生絹繊維の物性改変方法とは全く異なった観点から、当該繊維の物性を変化させることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to change the physical property of the fiber from a viewpoint completely different from the conventional method for modifying the physical property of regenerated silk fiber.

図1は、Marsh、Pauling等によって提案された、SilkII型絹繊維の逆平行βシート構造である。パネルa〜cは、それぞれ、3つのβシート層を3方向から見た図である。図中の大きな球はメチル基を表す。パネルbに、絹分子鎖間の分子間水素結合が示されている。パネルaの下方に、鎖の方向が矢印で示されている。FIG. 1 shows an antiparallel β sheet structure of Silk II type silk fiber proposed by Marsh, Pauling et al. Panels a to c are views of three β sheet layers viewed from three directions, respectively. Large spheres in the figure represent methyl groups. Panel b shows intermolecular hydrogen bonding between silk molecular chains. Below the panel a, the direction of the chain is indicated by an arrow. 図2は、精製した絹フィブロインの13C CP/MAS NMRにおけるAlaCβのスペクトルおよびガウス分布を考慮して分離されたピークを示す。図中、最も外側の太い実線は観測されたスペクトルを示し、中実線はキモトリプシン処理沈殿部の結晶部に帰属されるスペクトルを示す。太い破線は非晶部に帰属されるスペクトルを示す。細い破線は分離された5つのピークである。FIG. 2 shows the peaks separated considering the AlaCβ spectrum and Gaussian distribution in 13 C CP / MAS NMR of purified silk fibroin. In the figure, the outermost thick solid line shows the observed spectrum, and the solid solid line shows the spectrum attributed to the crystal part of the chymotrypsin-treated precipitation part. A thick broken line shows a spectrum attributed to an amorphous part. The thin dashed line is the five separated peaks. 図3は、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態Aを示す。パネルa〜cは、それぞれ、3つのβシート層を3方向から見た図である。図中の大きな球はメチル基を表す。パネルbに、鎖間の水素結合が示されている。パネルaの下方に、鎖の方向が矢印で示されている。FIG. 3 shows Form A in silk fibers having a Silk II type structure. Panels a to c are views of three β sheet layers viewed from three directions, respectively. Large spheres in the figure represent methyl groups. Panel b shows the hydrogen bonds between the chains. Below the panel a, the direction of the chain is indicated by an arrow. 図4は、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態Bを示す。パネルd〜fは、それぞれ、3つのβシート層を3方向から見た図である。図中の大きな球はメチル基を表す。パネルeに、鎖間の水素結合が示されている。パネルdの下方に、鎖の方向が矢印で示されている。FIG. 4 shows Form B in silk fibers having a Silk II type structure. Panels df are views in which three β sheet layers are viewed from three directions, respectively. Large spheres in the figure represent methyl groups. Panel e shows the hydrogen bonds between the chains. Below the panel d, the direction of the chain is indicated by an arrow. 図5は、絹繊維のSilkII型構造をとる(AG)15H−DQMAS(Double Quantum Magic Angle Spinning)スペクトルとH−H距離相関を示す。約4Å以内の近距離の場合にH−H距離相関が観測され、(i)−(ix)は、そのような近距離のH−H間をまとめてある。さらに、アラニンとグリシンのHαのクロスピーク部分を拡大している。Figure 5 shows a 1 H-DQMAS (Double Quantum Magic Angle Spinning) spectrum and 1 H- 1 H distance correlation taking SilkII structure of silk fibers (AG) 15. 1 H- 1 H distance correlation is observed when about a short distance within 4Å, (i) - (ix ) are summarized between such short-range 1 H- 1 H. Furthermore, the cross peak part of Hα of alanine and glycine is enlarged. 図6は、絹繊維のSilkII型構造をとる(AG)[U−13C]A[U−13C]G(AG)13C−13C DARR(Dipolar Assisted Rotational Resonance) スペクトルである。ここで、Uとは、Uniform ラベルの事で、各残基の炭素が、すべて13Cラベルされていることを意味する。また、AlaCβとAlaおよびGlyC=Oのクロスピーク部分を拡大している。これによって、AlaCβの低磁場領域の2つのピーク(19.6ppmおよび21.9ppm)とAlaおよびGlyC=Oの相関をつけることができ、AlaおよびGlyC=Oの詳細な帰属を行うことができた。FIG. 6 is a 13 C- 13 C DARR (Dipolar Assisted Rotational Resonance) spectrum of (AG) 7 [U- 13 C] A [U- 13 C] G (AG) 7 having a Silk II-type structure of silk fibers. . Here, U is a Uniform label, meaning that all the carbons of each residue are 13 C-labeled. In addition, the cross peak portions of AlaCβ, Ala, and GlyC═O are enlarged. As a result, it was possible to correlate the two peaks (19.6 ppm and 21.9 ppm) in the low magnetic field region of AlaCβ with Ala and GlyC = O, and to make detailed assignments of Ala and GlyC = O. . 図7は、絹繊維のSilkII型構造をとる(AG)[3−13C]AG(AG)のDouble Cross Polarization H−13C相関スペクトルである。これによって、AlaCβの低磁場領域の2つのピーク(19.6ppmおよび21.9ppm)とAla HβとHαの相関をつけることができ、Ala HβとHαの詳細な帰属を行うことができる。Figure 7 is a Double Cross Polarization 1 H- 13 C correlation spectra of taking SilkII structure of silk fibers (AG) 7 [3- 13 C ] AG (AG) 7. This makes it possible to correlate the two peaks (19.6 ppm and 21.9 ppm) in the low magnetic field region of AlaCβ with Ala Hβ and Hα, and to perform detailed assignment of Ala Hβ and Hα. 図8は、絹繊維のSilkII型構造をとる(AG)A[U−13C]G(AG)のDouble Cross Polarization H−13C相関スペクトルである。これによって、GlyC=Oの2つのピーク、A,BとAla Hβ、Gly Hα1,Hα、ならびにNHとの相関をつけることができ、Ala HβとGly Hα1,Hα、ならびにNHの詳細な帰属を行うことができる。Figure 8 is a silk fiber take SilkII type structure (AG) 7 A [U- 13 C] Double Cross Polarization 1 H- 13 C correlation spectra of G (AG) 7. This allows correlation between the two peaks of GlyC = O, A, B and Ala Hβ, Gly Hα1, Hα, and NH, and makes detailed assignments of Ala Hβ, Gly Hα1, Hα, and NH. be able to. 図9は、絹繊維のSilkII型構造をとる([2−H]AG)15H−DQMAS(Double Quantum Magic Angle Spinning)スペクトルである。分子鎖間のGlyHα間の相関(四角で囲った所)が観測されていないことが分かる。Figure 9 is a 1 H-DQMAS (Double Quantum Magic Angle Spinning) spectra of silk fibers take SilkII structure of ([2- 2 H] AG) 15. It can be seen that no correlation between GlyHα between the molecular chains (boxed) is observed. 図10は、Marshモデルによる(AG)nの逆平行βシート構造を示す。FIG. 10 shows an (AG) n antiparallel β sheet structure according to the Marsh model. 図11は、Marshモデルと異なる(AG)nの逆平行βシート構造を示す。上段および下段は、それぞれ、βシート面に対し交互に反対の方向に(Ala−Gly)nのAlaのβ炭素が向く形でパッキングした2種類のモデルである。FIG. 11 shows an (AG) n antiparallel β sheet structure that is different from the Marsh model. The upper and lower stages are two types of models packed in such a manner that the (Ala-Gly) n Ala β carbon faces in the opposite direction to the β sheet surface. 図12は、Cell parameterを保持したまま構造最適化した、SilkII型中の2種類の逆平行βシート構造を示す。本発明の形態AはModel A(下段)に相当し、形態BはModel B(上段)に相当する。FIG. 12 shows two types of anti-parallel β-sheet structures in Silk II type that have been structurally optimized while retaining Cell parameters. Form A of the present invention corresponds to Model A (lower stage), and form B corresponds to Model B (upper stage). 図13は、SilkII型構造をとる(AG)15を試料とした際の、逆平行βシート構造の固体H、13C、15N NMR化学シフトの実測値と図12の構造最適化したSilkII型中の2種類の逆平行βシート構造に基づいて計算した値との比較である。FIG. 13 shows measured values of solid 1 H, 13 C, 15 N NMR chemical shifts of antiparallel β sheet structure and (Si) II optimized in the structure of FIG. 12 when (AG) 15 having a Silk II type structure is used as a sample. It is a comparison with the value calculated based on two types of antiparallel β sheet structures in the mold. 図14は、実施例2の13C CP/MAS NMRにおけるAlaCβのスペクトルおよびガウス分布を考慮して分離されたピークを示す。FIG. 14 shows peaks separated in consideration of the spectrum of AlaCβ and the Gaussian distribution in 13 C CP / MAS NMR of Example 2. 図15は、実施例3の13C CP/MAS NMRにおけるAlaCβのスペクトルおよびガウス分布を考慮して分離されたピークを示す。FIG. 15 shows peaks separated in consideration of the spectrum of AlaCβ and the Gaussian distribution in 13 C CP / MAS NMR of Example 3. 図16は、実施例4の13C CP/MAS NMRにおけるAlaCβのスペクトルおよびガウス分布を考慮して分離されたピークを示す。FIG. 16 shows the peaks separated in consideration of the spectrum of AlaCβ and the Gaussian distribution in 13 C CP / MAS NMR of Example 4. 図17は、精製した天然の絹フィブロインの応力−歪み曲線を示す。縦軸が応力(Stress)、横軸が歪み(Strain)を示す。FIG. 17 shows the stress-strain curve of purified natural silk fibroin. The vertical axis represents stress and the horizontal axis represents strain. 図18は、実施例2の応力−歪み曲線を示す。縦軸が応力(Stress)、横軸が歪み(Strain)を示す。FIG. 18 shows the stress-strain curve of Example 2. The vertical axis represents stress and the horizontal axis represents strain. 図19は、実施例3の応力−歪み曲線を示す。縦軸が応力(Stress)、横軸が歪み(Strain)を示す。FIG. 19 shows the stress-strain curve of Example 3. The vertical axis represents stress and the horizontal axis represents strain. 図20は、実施例4の応力−歪み曲線を示す。縦軸が応力(Stress)、横軸が歪み(Strain)を示す。FIG. 20 shows the stress-strain curve of Example 4. The vertical axis represents stress and the horizontal axis represents strain.

βシート構造形態Aおよび形態B
今日まで、SilkII型構造は、Marsh、Pauling等によって提案された逆平行βシート構造をとると信じられてきた。しかしながら、上記のとおり、実際のSilkII構造は、Marshモデルよりも不均一であるとも言われてきた。
β sheet structure form A and form B
To date, the Silk II structure has been believed to take the antiparallel β sheet structure proposed by Marsh, Pauling et al. However, as mentioned above, the actual Silk II structure has also been said to be more heterogeneous than the Marsh model.

現実に、家蚕絹フィブロインの結晶部だけでなく結晶部モデル化合物の(Ala−Gly)nのSilkII型構造の13C CP/MAS NMRスペクトルにおいて、AlaCβピークは、いずれも3本に分裂していた。そして、そのうちの高磁場側の約16ppmのピークは、ゆがんだβターン(ランダムコイル)に帰属された(特許文献2参照)。 Actually, in the 13 C CP / MAS NMR spectrum of the Silk II type structure of (Ala-Gly) n of the crystal part model compound as well as the crystal part of the silkworm silk fibroin, all AlaCβ peaks were split into three. . And the peak of about 16 ppm on the high magnetic field side was attributed to the distorted β-turn (random coil) (see Patent Document 2).

一方、AlaCβの3本のピークのうちの低磁場側の2本のピーク(約19.6ppmと約21.7ppm)は、いずれも逆平行βシート構造に帰属され得るが、その詳細は未だ明らかにされていなかった。つまり、構造既知のタンパク質において、Ala13Cβ化学シフトの実験値をAla残基の内部回転角に対してプロットした化学シフトのRamachandran Mapを検討すると、内部回転角が逆平行βシート構造の領域であれば、内部回転角が変化しても2ppmもの大きなシフト差を生ずることはないことがわかる。 On the other hand, two of the three peaks of AlaCβ on the low magnetic field side (about 19.6 ppm and about 21.7 ppm) can all be attributed to the antiparallel β sheet structure, but the details are still clear Was not. In other words, in a protein with a known structure, when the Ramachandran Map of chemical shifts in which experimental values of Ala 13 Cβ chemical shifts are plotted against internal rotation angles of Ala residues are examined, the internal rotation angle is in the region of antiparallel β sheet structure. It can be seen that even if the internal rotation angle changes, a shift difference as great as 2 ppm does not occur.

従って、このAlaCβの低磁場側の2本のピークの大きなシフト差は、分子間構造の違いを反映していると考えられた。もちろん、そもそもMarshのモデルは単一な分子間構造であるので、Marshのモデルに従うとAla13Cβ化学シフトの結晶部が単一ピークしか与えないこととなり、この点で大きな矛盾がある。更に、後に詳細に述べるように、Marshのモデルは、分子間水素結合が同一残基間(アラニン−アラニンまたはグリシン−グリシン)で形成することも問題である。このように、SilkII型構造モデルは、Marshモデルとは異なる新たなモデルを提出する必要があったのである。 Therefore, the large shift difference between the two peaks on the low magnetic field side of AlaCβ was considered to reflect the difference in intermolecular structure. Of course, since the Marsh model has a single intermolecular structure in the first place, according to the Marsh model, the crystal part of the Ala 13 Cβ chemical shift gives only a single peak, and there is a big contradiction in this respect. Furthermore, as will be described in detail later, the Marsh model is also problematic in that intermolecular hydrogen bonds form between identical residues (alanine-alanine or glycine-glycine). Thus, the Silk II type structural model had to submit a new model different from the Marsh model.

なお、特許文献2には、再生絹繊維を延伸すると、13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの最も高磁場側のピーク(つまり、ゆがんだβターン構造ないしランダム成分)の強度が減少し、低磁場側の2つのピーク(19.6ppmおよび21.9ppm)の強度が増大することを記載している。しかしながら、特許文献2は、それらの2つの低磁場側のピークが、Marshモデルとは異なる2種類のβシート構造である形態Aおよび形態Bの存在を示すことをなんら記載していない。況や、特許文献2が、形態Aまたは形態Bのいずれかの含量を、或いは両者の比率を変化させることで、再生絹繊維の物性を更に変化し得ることを示唆していないことは、特筆されるべきである。 In Patent Document 2, when the regenerated silk fiber is stretched, the intensity of the peak on the highest magnetic field side of AlaCβ (that is, a distorted β-turn structure or a random component) in the 13 C CP / MAS NMR spectrum is reduced. It describes that the intensity of two peaks (19.6 ppm and 21.9 ppm) on the magnetic field side increases. However, Patent Document 2 does not describe at all that these two peaks on the low magnetic field side indicate the presence of Form A and Form B, which are two types of β sheet structures different from the Marsh model. It is noted that the situation or Patent Document 2 does not suggest that the physical properties of the regenerated silk fiber can be further changed by changing the content of either Form A or Form B, or the ratio of both. Should be.

このような背景のもとで、本発明者は、本発明において正しいSilkII型構造を明らかにした。そして、詳細は後記の実施例で述べるが、本発明者は、超高速固体NMRマイクロプローブと920MHzの超高磁場NMR装置を組み合わせて得た、13C CP/MAS NMRスペクトルの解析により、SilkII型構造をとる絹繊維中の形態A(図3)および形態B(図4)を解明した。 Against this background, the present inventor has clarified the correct Silk II type structure in the present invention. The details will be described in Examples below, but the present inventor analyzed the Silk II type by analyzing a 13 C CP / MAS NMR spectrum obtained by combining an ultrafast solid-state NMR microprobe and a 920 MHz ultrahigh magnetic field NMR apparatus. The form A (FIG. 3) and the form B (FIG. 4) in the silk fiber which takes a structure were elucidated.

形態Aおよび形態Bの含量
前記のとおり、本発明者による、絹繊維のSilkII型構造における形態Aおよび形態Bの解明は、主に、固体13C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβのピークの解析に基づくものであった。つまり、本発明者は、家蚕絹繊維のアラニン残基のメチル基を示す固体13C CP/MASNMRスペクトルを、ガウス分布を仮定して分離した。そして、本発明者は、そのようにして分離された約19.6ppmのピークおよび約21.7ppmのピークを更に詳細に検討して、形態Aおよび形態Bの存在を確立した。したがって、SilkII型構造中形態Aおよび形態Bの含量は、それぞれ、当該約19.6ppmおよび約21.7ppmのピーク面積に基づいて測定ないし定量することが可能である。なお、19.6ppmおよび21.7ppm等の化学シフトの測定値は、測定条件や使用する機器の特性のために、±0.3ppm程度の測定誤差が生じ得ることを当業者は理解し得るであろう。
Content of Form A and Form B As described above, the elucidation of Form A and Form B in the Silk II type structure of silk fibers by the present inventors was mainly based on the analysis of the peak of AlaCβ in the solid 13 C CP / MAS NMR spectrum. It was based. That is, the present inventor separated a solid 13 C CP / MAS NMR spectrum showing a methyl group of an alanine residue of a silkworm silk fiber assuming a Gaussian distribution. The inventor then examined in more detail the approximately 19.6 ppm peak and the approximately 21.7 ppm peak so separated to establish the presence of Form A and Form B. Therefore, the contents of Form A and Form B in the Silk II type structure can be measured or quantified based on the peak areas of about 19.6 ppm and about 21.7 ppm, respectively. Those skilled in the art can understand that chemical shift measurement values such as 19.6 ppm and 21.7 ppm can cause measurement errors of about ± 0.3 ppm due to the measurement conditions and the characteristics of the equipment used. I will.

前記のガウス分布を仮定した各ピークの分離は、化学シフト並びにピークの半値幅及び高さを最適化することで行うことができる。家蚕絹繊維の固体13C CP/MASNMRスペクトルにおけるピークの分離例を図2に示した。同図中、中実線部は55%を占める結晶部であり、破線部は45%を占める非晶部である。細い実線部は、ガウス分布を考慮して分離した各ピーク(合計5つ)を示している。 The separation of each peak assuming the Gaussian distribution can be performed by optimizing the chemical shift and the half width and height of the peak. FIG. 2 shows an example of peak separation in the solid 13 C CP / MAS NMR spectrum of rabbit silk fiber. In the figure, the solid line part is a crystal part occupying 55%, and the broken line part is an amorphous part occupying 45%. A thin solid line portion indicates each peak (a total of five) separated in consideration of the Gaussian distribution.

図2から、家蚕絹繊維は極めて不均一であり、その結晶部分は主に3成分から構成されることがわかる。また、非晶部は主に2成分から構成されることがわかる。スペクトルにおける最も高磁場側は、ゆがんだβターン構造(ランダムコイル部分)であり、その割合は結晶部、非晶部を合わせて全体で40%である。これは、基本的に繊維化前の構造が残った部分であり、十分に逆平行β構造に変わらなかった領域である。結晶部であっても18%のゆがんだβターン部分を含むのは興味深い。一方、結晶部の残りの部分の分子鎖の局所構造は逆平行βシート構造であるが、後記実施例で詳述するとおり、MarshおよびPaulingらが提案した構造とは異なる2種類の分子間構造である形態A(25%)と形態B(13%)から構成されている。なお、非晶部のβターン構造以外のもう1つの成分は、形態Aと形態Bの間に出現する幅の広いピークとして分離され、ゆがんだβシート構造に帰属された(22%)。   From FIG. 2, it can be seen that the silkworm silk fiber is extremely non-uniform, and its crystal part is mainly composed of three components. It can also be seen that the amorphous part is mainly composed of two components. The highest magnetic field side in the spectrum has a distorted β-turn structure (random coil part), and the ratio is 40% in total including the crystal part and the amorphous part. This is basically a portion where the structure before fiber formation remains and is a region that has not sufficiently changed to an antiparallel β structure. Even the crystal part is interesting to contain a 18% distorted β-turn part. On the other hand, the local structure of the molecular chain in the remaining part of the crystal part is an antiparallel β sheet structure, but as described in detail in Examples below, two types of intermolecular structures different from the structures proposed by Marsh and Pauling et al. It is comprised from form A (25%) and form B (13%) which are. In addition, another component other than the β-turn structure of the amorphous part was separated as a wide peak appearing between Form A and Form B, and was attributed to a distorted β-sheet structure (22%).

再生絹繊維
本発明により物性が変化させられた再生絹繊維は、典型的には、家蚕の繭を原料として製造することができる。
Regenerated Silk Fiber The regenerated silk fiber whose physical properties have been changed according to the present invention can be typically produced using rabbit silkworm as a raw material.

好適には、繭を小片に裁断した後に、絹フィブロイン以外の、セリシン等の蛋白質や脂肪分を除去する。この処理の非限定的な例は、約80℃〜約100℃に加熱した、約0.2%(重量/容量)〜約0.5%(重量/容量)の石鹸と場合により約0.2%(重量/容量)〜約0.5%(重量/容量)の炭酸ナトリウムを含有する水溶液に前記の繭の小片を入れて、撹拌しながら約5〜約60分間煮沸する工程を含む。その後、約80℃〜約100℃に加熱した水中で絹糸を洗浄することが好ましい。所望ならばこの操作を3回行い、更に水で約5〜約60分煮沸した後に洗浄してもよい。   Preferably, after cutting the cocoon into small pieces, proteins such as sericin and fat other than silk fibroin are removed. Non-limiting examples of this treatment include about 0.2% (weight / volume) to about 0.5% (weight / volume) soap and optionally about 0.0.degree. C. heated to about 80.degree. C. to about 100.degree. Placing the cocoon pieces in an aqueous solution containing 2% (w / v) to about 0.5% (w / v) sodium carbonate and boiling for about 5 to about 60 minutes with stirring. Thereafter, the silk thread is preferably washed in water heated to about 80 ° C. to about 100 ° C. If desired, this operation may be performed three times and further washed with water for about 5 to about 60 minutes before washing.

なお、本発明の再生絹繊維の原料として、特許文献1に記載された方法に従って設計され、大腸菌等を利用した遺伝子工学的手法や化学的手法により製造された絹様材料を使用してもよい。すなわち、そのような絹様材料は、第1のアミノ酸であるグリシンと第2のアミノ酸との交互共重合体の中から分子全体にわたりβターンタイプII型構造が繰り返された共重合体を選択し、前記分子全体にわたりβターンタイプII型構造が繰り返された共重合体を部分的に化学修飾したものの中から水溶性である共重合体を選択し、前記部分的に化学修飾された水溶性の共重合体の中から水の存在下で延伸した場合に前記βターンタイプII型構造に含まれる分子内水素結合が分子間水素結合へと転移して絹様材料を形成する共重合体を選択することにより設計され得る。   As a raw material for the regenerated silk fiber of the present invention, a silk-like material designed according to the method described in Patent Document 1 and produced by a genetic engineering technique or a chemical technique using E. coli or the like may be used. . That is, for such a silk-like material, a copolymer in which β-turn type II structure is repeated throughout the molecule is selected from alternating copolymers of glycine, which is the first amino acid, and second amino acid. A water-soluble copolymer is selected from those obtained by partially chemically modifying a copolymer in which the β-turn type II structure is repeated throughout the molecule, and the partially chemically modified water-soluble copolymer is selected. Select a copolymer that forms a silk-like material by transferring intramolecular hydrogen bonds in the β-turn type II structure to intermolecular hydrogen bonds when stretched in the presence of water. Can be designed.

上記の処理により繭から精製した絹フィブロインおよび特許文献1に記載の方法で遺伝子工学的または化学的手法により製造された絹様材料は、通常、乾燥させられ、臭化リチウム(LiBr)水溶液により溶解させられる。当該水溶液中の好ましい臭化リチウムの濃度は約5〜約12Mであり、より好ましくは約9Mである。当該LiBr水溶液に溶解させ得る絹フィブロインの濃度は約5%(重量/容量)〜約40%(重量/容量)の範囲であるが、これに限定されない。絹フィブロインを約10%(重量/容量)の濃度で溶解させることが好ましい。所望ならば、絹フィブロインの溶解を促進するために、LiBr水溶液を振とうしながら約40℃程度に加熱してもよい。更に、固形分を除くために、溶解絹フィブロインを含むLiBr水溶液をガラスフィルター等により濾過してもよい。   Silk fibroin purified from silkworms by the above treatment and silk-like material produced by genetic engineering or chemical method by the method described in Patent Document 1 are usually dried and dissolved in an aqueous solution of lithium bromide (LiBr) Be made. The preferred concentration of lithium bromide in the aqueous solution is about 5 to about 12M, more preferably about 9M. The concentration of silk fibroin that can be dissolved in the aqueous LiBr solution ranges from about 5% (weight / volume) to about 40% (weight / volume), but is not limited thereto. Silk fibroin is preferably dissolved at a concentration of about 10% (weight / volume). If desired, the LiBr aqueous solution may be heated to about 40 ° C. while shaking to promote the dissolution of silk fibroin. Further, in order to remove the solid content, the LiBr aqueous solution containing dissolved silk fibroin may be filtered with a glass filter or the like.

上記の絹フィブロインを溶解したLiBr水溶液を、セルロースなどの透析膜を用いて蒸留水に対して1日〜数日間(例えば4日間)透析する。この操作により、LiBr等の塩が除かれた絹フィブロイン水溶液が得られる。   The LiBr aqueous solution in which the silk fibroin is dissolved is dialyzed against distilled water for 1 day to several days (for example, 4 days) using a dialysis membrane such as cellulose. By this operation, a silk fibroin aqueous solution from which a salt such as LiBr is removed is obtained.

上記の絹フィブロイン水溶液から凍結乾燥等により水を除去した後に、絹フィブロインを溶媒に再度溶解する。好適な溶媒の例は、ヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)やヘキサフルオロアセトン(HFA)を含む。   After removing water from the silk fibroin aqueous solution by freeze drying or the like, the silk fibroin is dissolved again in a solvent. Examples of suitable solvents include hexafluoroisopropanol (HFIP) and hexafluoroacetone (HFA).

本発明の再生絹繊維を、絹フィブロインをHFIPまたはHFA中に溶解した溶液から紡糸することが好ましい。後記の実施例に示されるとおり、絹フィブロインを溶解するための溶媒としてHFIPを用いた場合とHFAを用いた場合とでは、SilkII型構造中の形態Aおよび形態Bの比が異なることが明らかになった。そして、それらの再生絹繊維は、互いに異なる応力―歪み特性を示した。したがって、絹フィブロインを溶解させる溶媒を変更することは、本発明の形態Aおよび形態Bの含量を調節するための好適な実施態様である。   The regenerated silk fiber of the present invention is preferably spun from a solution of silk fibroin dissolved in HFIP or HFA. As shown in the examples below, it is clear that the ratio of Form A and Form B in the Silk II type structure is different between when HFIP is used as a solvent for dissolving silk fibroin and when HFA is used. became. These regenerated silk fibers exhibited different stress-strain characteristics. Therefore, changing the solvent in which silk fibroin is dissolved is a preferred embodiment for adjusting the content of Form A and Form B of the present invention.

より詳細に、上記の絹フィブロイン溶液から紡糸を行う際には、湿式紡糸法、乾燥ジエット紡糸法、乾式紡糸法およびエレクトロスピニング法のいずれをも利用することができる。特に、長い繊維を製造する場合には、湿式紡糸法を利用することが好ましい。すなわち、前記絹フィブロイン溶液を、紡糸口を介して凝固浴に向けて吐出させることにより、本発明の再生絹を紡糸することができる。また、不織布を製造する場合には、エレクトロスピニング法を利用することが好ましい。   More specifically, when spinning from the silk fibroin solution described above, any of a wet spinning method, a dry jet spinning method, a dry spinning method, and an electrospinning method can be used. In particular, when producing long fibers, it is preferable to use a wet spinning method. That is, the regenerated silk of the present invention can be spun by discharging the silk fibroin solution toward a coagulation bath through a spinneret. Moreover, when manufacturing a nonwoven fabric, it is preferable to utilize an electrospinning method.

湿式紡糸法の凝固浴に用いる浴液は、それに対して絹フィブロインが不溶であり、他方、前記の絹フィブロイン溶液の溶媒が可溶である限り、いずれの液体であってもよい。例えば、HFIPを絹フィブロイン溶液の溶媒として選んだ場合には、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、アセトン等を浴液として使用することができる。これらの中では、絹フィブロインの凝固能が高いことに加え、環境的に安全で廉価なメタノールを使用することが好ましい。   The bath liquid used for the coagulation bath of the wet spinning method may be any liquid as long as the silk fibroin is insoluble and the solvent of the silk fibroin solution is soluble. For example, when HFIP is selected as the solvent for the silk fibroin solution, water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, acetone, or the like can be used as the bath liquid. Among these, it is preferable to use environmentally safe and inexpensive methanol in addition to the high coagulation ability of silk fibroin.

本発明の再生絹繊維は、前記溶媒(HFIP等)を充分に除去するために、凝固浴中に数時間静置した後に乾燥することで得ることができる。しかしながら、乾燥の際に再生絹繊維を延伸することも好ましい態様である。後記の実施例に示されるとおり、異なった延伸比(Draw Ratio)を適用することで、SilkII型構造中の形態Aおよび形態Bの比を変化させ得ることが見いだされた。そして、それらの再生絹繊維は、互いに異なる応力―歪み特性を示した。したがって、再生絹繊維の延伸比を変更することも、本発明の形態Aおよび形態Bの含量を調節するための好適な実施態様である。典型的には、本発明の再生絹繊維を、約1〜約4倍程度、好ましくは約1.5〜約3倍程度に延伸することができる。なお、凝固浴から出され未だ濡れている間に冷延伸したり、凝固浴中で延伸したりすることもできる。   The regenerated silk fiber of the present invention can be obtained by allowing it to stand in a coagulation bath for several hours and then drying in order to sufficiently remove the solvent (HFIP or the like). However, it is also a preferred embodiment to stretch the regenerated silk fiber during drying. It has been found that the ratio of Form A and Form B in the Silk II type structure can be changed by applying different draw ratios, as shown in the examples below. These regenerated silk fibers exhibited different stress-strain characteristics. Therefore, changing the stretch ratio of the regenerated silk fiber is also a preferred embodiment for adjusting the contents of Form A and Form B of the present invention. Typically, the regenerated silk fiber of the present invention can be stretched to about 1 to about 4 times, preferably about 1.5 to about 3 times. It is also possible to perform cold drawing while being taken out of the coagulation bath and still wet, or to be drawn in the coagulation bath.

かくして、本発明の形態Aおよび形態Bの含量を変化させ、それにより変化した物性を示す再生絹繊維を製造することができる。   Thus, it is possible to produce a regenerated silk fiber that changes the contents of Form A and Form B of the present invention and thereby exhibits changed physical properties.

本発明の再生絹繊維の用途
本発明の再生絹繊維は、織物などの材料は勿論のこと、手術用縫合糸としても使用することができる。或いは、本発明の再生絹繊維は、人工血管や再生医療用機材としても有用であり得る。すなわち、本発明の再生絹繊維は、細く、強く、そして多様な弾性と柔軟性を示し得る。
Uses of the Regenerated Silk Fiber of the Present Invention The regenerated silk fiber of the present invention can be used not only for materials such as fabrics but also as surgical sutures. Alternatively, the regenerated silk fiber of the present invention can be useful as an artificial blood vessel or regenerative medical equipment. That is, the regenerated silk fiber of the present invention is thin and strong, and can exhibit various elasticity and flexibility.

以上の説明を与えられた当業者は、本発明を十分に実施できる。以下、説明のみの目的で実施例を与える。   Those skilled in the art given the above description can fully implement the present invention. The following examples are given for illustrative purposes only.

実施例1: 形態Aおよび形態B
試料作製
家蚕絹フィブロインの結晶部試料(Cpフラクション)は、精練絹糸を9MのLiBr水溶液に溶解後、透析を経て再生絹フィブロイン水溶液とし、それをα−キモトリプシン処理した後、沈殿部(全体の55%)を集めることによって得た。家蚕絹結晶部モデル化合物(Ala−Gly)15は、固相法によって合成した。AlaおよびGly残基の選択的13Cラベル化及びHラベル化は、適宜、該当のラベルアミノ酸を合成時に導入することによって得られた。
Example 1: Form A and Form B
Sample preparation The crystal part sample of silkworm fibroin (Cp fraction) was prepared by dissolving scoured silk thread in 9M LiBr aqueous solution, and then regenerating silk fibroin aqueous solution through dialysis, and treating it with α-chymotrypsin. %). Rabbit silk crystal part model compound (Ala-Gly) 15 was synthesized by a solid phase method. Selective 13 C labeling and 2 H labeling of Ala and Gly residues were obtained by appropriately introducing the corresponding labeled amino acids during synthesis.

固体NMR測定
超高速固体NMR用プローブ(70KHzで超高速回転。JEOL RESONANCE(株)製)と分子科学研所(日本国愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38番地)設置のJEOL製 JNM−ECA 920MHz超高磁場固体NMR装置を組み合わせて、家蚕絹結晶部およびモデル化合物の(Ala−Gly)15のSilkII型について、HDQ(Double Quantum)/MAS(Magic Angle Spinning)NMRスペクトルを得た。それによって、すべての固体H化学シフトを得るとともに、H化学シフトの帰属は、適宜、選択的に13Cラベル化した(Ala−Gly)15を用いて、double cross polarization H−13C相関法によって行った。13Cピークの帰属は、従来の帰属結果に加えて、選択的に13Cラベル化した(Ala−Gly)15を用い、13C DARR(Dipolar Assisted Rotational Resonance)法にて行った。13C CP/MAS NMRおよびDARR測定は、JEOL製 ECX 400NMR装置を用い、MAS 8kHz下で行った。
Solid NMR measurement Ultra high-speed solid-state NMR probe (super high-speed rotation at 70 KHz, manufactured by JEOL RESONANCE Co., Ltd.) and JEOL JNM-installed by Molecular Science Laboratories (38 Meijidai-cho, Okazaki, Aichi, Japan) By combining an ECA 920 MHz ultra-high magnetic field solid-state NMR apparatus, 1 HDQ (Double Quantum) / MAS (Magic Angle Spinning) NMR spectra were obtained for silk silk part of the silkworm and the model compound (Ala-Gly) 15 Silk II type. Thereby, all solid 1 H chemical shifts are obtained, and assignment of 1 H chemical shifts is optionally performed using double cross polarization 1 H- 13 C, optionally with 13 C-labeled (Ala-Gly) 15. The correlation method was used. The assignment of 13 C peak was performed by 13 C DARR (Dipolar Assisted Rotational Resonance) method using (Ala-Gly) 15 selectively labeled with 13 C in addition to the conventional assignment result. 13 C CP / MAS NMR and DARR measurements were carried out using a JEOL ECX 400 NMR apparatus under MAS 8 kHz.

NMR化学シフト計算
結晶構造を対象としたNMR化学シフト計算法である、GIPAW(Gauge−including projector augmented wave)法(市販のプログラムを使用:Accelys Inc.、San Diego、CA、USA)を用いて、家蚕絹フィブロインのSilkII型結晶部(Ala−Gly)nについて、H,13C,15N固体化学シフト計算を行った。最終的に、すべての固体NMRデータを満たす家蚕絹フィブロイン結晶部のSilkII不均一構造を決定した。
NMR chemical shift calculation Using the GIPAW (Gauge-inclusion projector augmented wave) method (using a commercially available program: Accelrys Inc., San Diego, CA, USA), which is an NMR chemical shift calculation method for crystal structures. 1 H, 13 C, 15 N solid chemical shift calculation was performed on Silk II type crystal part (Ala-Gly) n of silkworm fibroin. Finally, the Silk II heterogeneous structure of the silkworm silk fibroin crystal part satisfying all the solid-state NMR data was determined.

1−a) (Ala−Gly) 15 SilkIIの H NMRスペクトルの帰属
H化学シフトの帰属は、(Ala−Gly) 15 および選択的に13Cラベル化した(Ala−Gly) 15 を用い、 H−DQMAS NMRならびにdouble cross polarization H−13C相関法によって行った(図5,7,8,9)。また、そのための13Cスペクトルの帰属は、従来の帰属結果に加えて、選択的に13Cラベル化した(Ala−Gly)15を用いて、13C DARR法にて行った(図6)。試料は(AG)[1,2,3−13C]A[1,2−13C]G(AG)を用いた。Hスペクトルは低磁場側からHN、Hα、Hβの3領域となる。Hαは13C軸との相関から、AlaHα(5ppm付近)とGlyHα(4ppm付近で2本に分かれる)に、容易に帰属できる。HNは13Cと直接結合していないため強度は弱いが、Ala−HNはGly−CO(169ppmm)と2結合を通しての相関、Gly−HNはAla−CO(172ppm)と2結合を通しての相関となり、AlaHNおよびGlyHNを帰属できる。その結果、AlaとGly残基の間で、HN化学シフトは、おおよそ、一致することが分かる。Ala−Hβは3本に分裂した13Cβピークと対応して、非晶部あるいはターン部分に由来するピークと2種の結晶ピークとの相関から、Hスペクトルを帰属できる。すなわち、1.2ppm(H)−16.1ppm(13C)、1.0ppm(H)−19.2ppm(13C)および1.3ppm(H)−22.3ppm(13C)と対応づけられる。一方、Glyの2本のカルボニル(C=O)ピーク(形態Aと形態Bに対応)との相関から、Gly Hα1が、AとBに分離されると同時にGly Hα2は、分離されないことがわかる。それによって、Gly Hαの帰属を行うことができる。
1-a) Assignment of 1 A NMR spectrum of (Ala-Gly) 15 Silk II
Assignment of 1 H chemical shift was performed by 1 H-DQMAS NMR and double cross polarization 1 H- 13 C correlation method using (Ala-Gly) 15 and selectively 13 C-labeled (Ala-Gly) 15. (FIGS. 5, 7, 8, 9). For that purpose, the 13 C spectrum was assigned by 13 C DARR method using (Ala-Gly) 15 selectively labeled with 13 C in addition to the conventional assignment result (FIG. 6). As a sample, (AG) 7 [1,2,3- 13 C] A [1,2- 13 C] G (AG) 7 was used. The 1 H spectrum has three regions, HN, Hα, and Hβ, from the low magnetic field side. Hα can be easily assigned to AlaHα (around 5 ppm) and GlyHα (divided into two at around 4 ppm) from the correlation with the 13 C axis. Since HN is not directly bonded to 13 C, the strength is weak. However, Ala-HN is correlated with Gly-CO (169 ppmm) through two bonds, and Gly-HN is correlated with Ala-CO (172 ppm) through two bonds. , AlaHN and GlyHN can be assigned. As a result, it can be seen that the HN chemical shifts roughly match between Ala and Gly residues. Ala-Hβ can be assigned a 1 H spectrum from the correlation between a peak derived from an amorphous part or a turn part and two kinds of crystal peaks, corresponding to a 13 Cβ peak split into three. That is, 1.2 ppm ( 1 H) -16.1 ppm ( 13 C), 1.0 ppm ( 1 H) -19.2 ppm ( 13 C), and 1.3 ppm ( 1 H) -22.3 ppm ( 13 C) It is matched. On the other hand, the correlation between the two carbonyl (C = O) peaks of Gly (corresponding to Form A and Form B) indicates that Gly Hα1 is separated into A and B and simultaneously Gly Hα2 is not separated. . Thereby, Gly Hα can be assigned.

1−b) H NMRスペクトルに基づく従来のSilkIIモデルとの比較
次に、詳細なSilkII型の構造に関する知見を得るべく、H−DQMASスペクトルによりH−H相関を調べた(図5)。まずHNの化学シフトはAlaとGly残基の間で違いは見られなかった。HNの化学シフトは、分子間水素結合したカルボニル基との間の原子間距離を反映することから、βシート内でAlaとGly残基の間で分子間水素結合距離に差がないことが分かる。さらに興味深いのは、2個の非等価なGlyのHα水素のうち、In planeのGly−Hα(4.6ppm)とAla−Hα(5.0ppm)との間に相関ピークが観察されたことである。後に述べるように、H化学シフト計算から、2個の非等価なGlyのHα水素のうち、低磁場側がIn plane、高磁場側がOut planeと帰属された。図1のパネルaに示したようにMarshモデルでは分子間水素結合は同一残基間(Ala−AlaまたはGly−Gly)で形成しているため、両プロトンはβシート内では4.5および5.9Åと、DQMAS観測可能範囲(〜4.0Å)よりも十分に遠い。本提案モデルで、この実測結果を説明できる。さらに、分子間に目を向ける。Marshモデルでは、Out planeのGly−Hα(3.9ppm)とAla−Hαは、より近く、2.2Åであり、In planeのGly−HαとAla−Hαの相関が見られるならば、この相関も当然観察されるはずである。実際にはOut planeのGly−HαとAla−Hαとの相関は見られず、In planeのGly−Hαとの相関のみが観察されていることから、同一残基間(Ala−AlaまたはGly−Gly)で分子間水素結合をとるMarsh型の構造ではなく、異種残基((Ala−Gly)間で分子間水素結合を形成した構造をとっていると結論された。この測定結果は、再度、すべてのAla−Hαを重水素化した([2−d]Ala−Gly)15H−DQMASスペクトルから、より明確に確認できる(図9)。すなわち、もし同残基間で分子間水素結合を形成していれば、In planeGly−Hαの分子間自己相関が対角ピークとして現れるはずであるが、図9において、それは観察されなかったことから明らかである。
1-b) Comparison with conventional Silk II model based on 1 H NMR spectrum
Next, in order to obtain knowledge about the structure of detailed SilkII type was examined 1 H- 1 H correlation by 1 H-DQMAS spectrum (Fig. 5). First, the chemical shift of HN showed no difference between Ala and Gly residues. The chemical shift of HN reflects the interatomic distance between the intermolecular hydrogen-bonded carbonyl groups, indicating that there is no difference in intermolecular hydrogen bond distance between Ala and Gly residues in the β sheet. . More interestingly, of two non-equivalent Gly Hα hydrogens, a correlation peak was observed between In plane Gly-Hα (4.6 ppm) and Ala-Hα (5.0 ppm). is there. As described later, from the 1 H chemical shift calculation, among the two non-equivalent Gly Hα hydrogens, the low magnetic field side was assigned as In plane, and the high magnetic field side was assigned as Out plane. As shown in the panel a of FIG. 1, since the intermolecular hydrogen bond is formed between the same residues (Ala-Ala or Gly-Gly) in the Marsh model, both protons are 4.5 and 5 in the β sheet. .9 cm, far enough from the DQMAS observable range (~ 4.0 cm). This proposed model can explain this measurement result. Furthermore, look between the molecules. In the Marsh model, Out plane Gly-Hα (3.9 ppm) and Ala-Hα are closer, 2.2 、, and if the correlation between In plane Gly-Hα and Ala-Hα is found, this correlation Should of course be observed. Actually, no correlation was found between Gly-Hα of Out plane and Ala-Hα, and only a correlation with Gly-Hα of In plane was observed. Therefore, between the same residues (Ala-Ala or Gly- It was concluded that the structure was not a Marsh-type structure in which an intermolecular hydrogen bond was taken in (Gly) but a structure in which an intermolecular hydrogen bond was formed between different residues ((Ala-Gly)). From the 1 H-DQMAS spectrum of all delaminated Ala-Hα ([2-d] Ala-Gly) 15 , it can be confirmed more clearly (FIG. 9). If a hydrogen bond is formed, the interplane autocorrelation of In planeGly-Hα should appear as a diagonal peak, which is apparent from the fact that it was not observed in FIG.

1−c) SilkII構造モデルの構築
家蚕絹フィブロイン、その結晶部ならびに結晶部モデル化合物の(Ala−Gly)nのSilkII型構造の13C CP/MAS NMRスペクトルにおいて、AlaCβピークは、いずれも3本に分裂する。高磁場側の約16ppmのピークは、ゆがんだβターンまたはランダムコイルに帰属されてきた。一方、低磁場側の2本のピーク(19.6ppmと21.7ppm)は、いずれも逆平行βシート構造に帰属されるが、その詳細は未だ帰属されていなかった。Ala13Cβ化学シフトの実験値をAla残基の内部回転角に対してプロットしたRamachandran Mapを検討すると、逆平行βシート構造の領域であれば、内部回転角が変化しても2ppmの大きなシフト差を生ずることはない。したがって、この大きなシフト差は、分子間構造の違いを反映していると考えられた。もちろん、Marshのモデルは単一な分子間構造であるので、Marshのモデルに従うとAla13Cβ化学シフトの結晶部が単一ピークしか与えないこととなり、矛盾する。すでに述べたように、Marshのモデルは、分子間水素結合が同一残基間(Ala−AlaまたはGly−Gly)で形成することの問題点もある。このように、SilkIIの構造モデルは、Marshモデルとは異なる新たなモデルを提出する必要があった。
1-c) Construction of Silk II structure model In the 13 C CP / MAS NMR spectrum of silk silk fibroin, its crystal part and (Ala-Gly) n Silk II type structure of the crystal part model compound, there are three AlaCβ peaks. Split into two. The peak at about 16 ppm on the high magnetic field side has been attributed to a distorted β-turn or random coil. On the other hand, the two peaks (19.6 ppm and 21.7 ppm) on the low magnetic field side are all attributed to the antiparallel β sheet structure, but the details have not yet been attributed. Examining the Ramachandran Map in which the experimental values of Ala 13 Cβ chemical shifts are plotted against the internal rotation angle of the Ala residue, a large shift of 2 ppm is observed even if the internal rotation angle changes in the region of the antiparallel β sheet structure. There is no difference. Therefore, this large shift difference was considered to reflect the difference in intermolecular structure. Of course, since the Marsh model has a single intermolecular structure, according to the Marsh model, the crystal part of the Ala 13 Cβ chemical shift gives only a single peak, which is contradictory. As already mentioned, the Marsh model also has the problem that intermolecular hydrogen bonds are formed between identical residues (Ala-Ala or Gly-Gly). As described above, the Silk II structural model has to be submitted with a new model different from the Marsh model.

そこで、SilkIIの正しい構造を解明するために、(Ala−Gly)nについて、分子鎖のAlaおよびGly残基の内部回転角を典型的な逆平行βシート構造の角度(φ,ψ=140°,140°)とし、分子間構造の異なる二つの結晶構造を作製することとした。単位格子に関する報告値として、Marshらの値(繊維軸b:6.97Å、c:9.20Å、a:9.40Å、対称性:P2(x,y,z −x,y+1/2,−z)並びにTakahashiらの値(繊維軸c:6.98Å、b:9.49Å、a:9.38Å、対称性:P2(x,y,z −x,y+1/2,−z)が報告されているが、大差はない。ここでは、より新しい後者の単位格子を採用した。 Therefore, in order to elucidate the correct structure of Silk II, for (Ala-Gly) n, the internal rotation angles of the Ala and Gly residues of the molecular chain are represented by the angles of typical antiparallel β sheet structures (φ, ψ = 140 ° , 140 °), and two crystal structures having different intermolecular structures were prepared. As reported values for the unit cell, the values of Marsh et al. (Fiber axis b: 6.97Å, c: 9.20Å, a: 9.40Å, symmetry: P2 1 (x, y, z −x, y + 1/2, -Z) and the values of Takahashi et al. (Fiber axis c: 6.98 :, b: 9.49Å, a: 9.38 対 称, symmetry: P2 1 (x, y, z -x, y + 1/2, -z) However, there is not much difference, and here we have adopted the newer unit cell of the latter.

そこで、Marshモデルと異なり、βシート面に対し交互に反対の方向に(Ala−Gly)nのAlaのβ炭素が向く形でパッキングした2種類のモデルを検討し、初期構造とした。これらの構造は図10の左パネルの右下の分子鎖を分子鎖軸周りに180°回転することにより得られる。そのモデル作製手順は、以下のようである。
1. 図10に示したMarsh modelに明示されている2分子の座標のうち、左パネル下段右側の分子のみ、分子軸を中心に180°回転させる。上段の2分子は対称操作により自動生成され、図11の上段のモデル1が作成される(Marsh modelの分子鎖軸は図11の左パネルと同じb軸)。尚、180°回転した分子鎖は水素結合位置を合わせるため、分子鎖方向に1残基分ずらす。
2. 1で作成した2分子の座標をx軸(a軸)の周りに90°回転させることにより分子鎖軸はz軸(c軸)に向いた構造が生成される。残りの2分子は対称操作により自動生成され、図11下段のモデル2が作成される。尚、軸回転により作成座標は、対称操作により生成される座標とぶつかりあわないようにするため、分子鎖方向(c軸)に1/2残基分ずらす。
3. 対称性については、分子鎖軸を結晶セルのa軸,b軸,c軸に合わせた3通りのモデルが考えられるが、P2の場合x,z(a.c)は同等であり、分子鎖軸をb軸,c軸にあわせた2つのモデルについて検討すればよい。
Thus, unlike the Marsh model, two types of models packed in such a manner that the Ala β carbon of (Ala-Gly) n is alternately oriented in the opposite direction to the β sheet surface were examined and used as the initial structure. These structures are obtained by rotating the lower right molecular chain in the left panel of FIG. 10 by 180 ° around the molecular chain axis. The model preparation procedure is as follows.
1. Of the coordinates of the two molecules specified in the Marsh model shown in FIG. 10, only the molecule on the right side of the lower part of the left panel is rotated 180 ° around the molecular axis. The upper two molecules are automatically generated by a symmetrical operation, and the upper model 1 of FIG. 11 is created (the molecular chain axis of the Marsh model is the same b axis as the left panel of FIG. 11). The molecular chain rotated 180 ° is shifted by one residue in the molecular chain direction in order to align the hydrogen bonding position.
2. By rotating the coordinates of the two molecules created in 1 by 90 ° around the x-axis (a-axis), a structure in which the molecular chain axis faces the z-axis (c-axis) is generated. The remaining two molecules are automatically generated by symmetrical operation, and model 2 in the lower part of FIG. 11 is created. Note that the created coordinates are shifted by ½ residue in the molecular chain direction (c-axis) so that the created coordinates do not collide with the coordinates generated by the symmetry operation by the axis rotation.
3. For symmetry, a axis of the crystal cell molecular chain axis, b-axis, but three different models to suit the c-axis is considered in the case of P2 1 x, z (a.c) are equivalent and molecular Two models in which the chain axis is aligned with the b-axis and the c-axis may be examined.

上記2つのモデルについて、Accelrys社製の商品名「Discover」(pcff force field)によりCell parameterを保持したまま構造最適化(energy minimize)した結果、図12の構造を得た。尚、Model A(図12下段)の方がModel B(図12上段)より2.04kcal/mol安定であった。このエネルギー計算の結果から、AlaCβピークの低磁場側の2本のピーク(19.6ppmと21.7ppm)のうち、よりピーク強度の強い19.6ppmのピークをModel Aに、よりピーク強度の弱い21.7ppmのピークをModel Bに帰属することが妥当であると推測された。そして、この帰属は、次に述べる化学シフト計算の結果によって確立された。   With respect to the above two models, the structure shown in FIG. 12 was obtained as a result of the structure minimization while retaining the cell parameters with the product name “Discover” (pcff force field) manufactured by Accelrys. In addition, Model A (the lower part of FIG. 12) was 2.04 kcal / mol more stable than Model B (the upper part of FIG. 12). From the results of this energy calculation, of the two peaks (19.6 ppm and 21.7 ppm) on the low magnetic field side of the AlaCβ peak, the peak at 19.6 ppm with the stronger peak intensity is model A, and the peak intensity is weaker. It was assumed that it was reasonable to assign the 21.7 ppm peak to Model B. And this attribution was established by the result of the chemical shift calculation described below.

1−d) H, 13 C, 15 N固体NMR化学シフト計算
さらに、(Ala−Gly)nのModel AとModel Bの分子間構造について、GIPAW(Gauge−including projector augmented wave)法(市販のプログラムを使用:Accelys Inc.、San Diego、CA、USA)を用いてエネルギーを最適化した後、化学シフト計算を行った。既に報告されている(Ala−Gly)1513Cならびに15N固体NMR化学シフトの実測結果に、本研究で行ったH固体NMR化学シフトの実測結果を加えて、計算結果との比較を棒スペクトルを用いて行った(図13)。
1-d) 1 H, 13 C, 15 N solid-state NMR chemical shift calculation Further, regarding the intermolecular structure of Model A and Model B of (Ala-Gly) n, the GIPAW (Gauge-inclusion projector augmented wave) method (commercially available) Using the program: Accelrys Inc., San Diego, CA, USA) was used to optimize energy and then perform chemical shift calculations. The measurement result of 1 H solid-state NMR chemical shift carried out in this study is added to the already reported measurement result of 13 C and 15 N solid-state NMR chemical shift of (Ala-Gly) 15 to compare with the calculation result. This was done using the bar spectrum (FIG. 13).

まず、H固体NMR化学シフトの実測と計算の比較結果を図13で検討した。その結果、(Ala−Gly)nの13C CP/MAS NMRスペクトルにおいて、Ala13Cβの主ピークである19.6ppmのピークに相当するAlaHCβピーク(図5)を、よりエネルギー的に安定なModel Aに帰属し、よりピーク強度の弱いAla13Cβの21.7ppmのピークに相当するAlaHCβピーク(図5)をModel Bに帰属することが妥当と考えられるが、実際、計算結果ではこれが再現されていた。すなわち、後者は約0.3ppm、より低磁場シフトするという計算結果を得、実測を良く説明できることがわかった。Model Aのピーク強度に比べて、ModelBのピーク強度を、実測結果を反映して約半分にして棒スペクトルで表示した。特に、このH化学シフト計算の実測との良い一致を背景に、2個の非等価なGlyのHα水素を明確に帰属することができた。すなわち、低磁場側をIn plane、高磁場側をOut planeと帰属することができた(図13)。 First, a comparison result between actual measurement and calculation of 1 H solid-state NMR chemical shift was examined in FIG. As a result, in the 13 C CP / MAS NMR spectrum of (Ala-Gly) n, the Ala 1 HCβ peak (FIG. 5) corresponding to the 19.6 ppm peak, which is the main peak of Ala 13 Cβ, is more stable in terms of energy. It is considered appropriate to attribute the Ala 1 HCβ peak (FIG. 5) to Model B, which corresponds to the 21.7 ppm peak of Ala 13 Cβ having a weaker peak intensity. This was reproduced. That is, the latter obtained a calculation result that the magnetic field shift is lower by about 0.3 ppm, and it was found that the actual measurement can be explained well. Compared to the peak intensity of Model A, the peak intensity of Model B was displayed as a bar spectrum by reducing the peak intensity to about half reflecting the actual measurement result. In particular, two non-equivalent Gly Hα hydrogens could be clearly assigned against the background of the good agreement with the actual measurement of the 1 H chemical shift calculation. That is, the low magnetic field side could be attributed to In plane, and the high magnetic field side could be attributed to Out plane (FIG. 13).

一方、Model Bについては、AlaHCβピークおよびGlyHαピークで、明瞭に計算結果と実測結果が一致することが示された。さらに、実測の2個の非等価なGlyのHα水素について、Model AとModelBのシフト差の傾向も良く再現されていた。NHアミド水素についても、Model Aと比較して、わずかにModelBが高磁場に出現するが、この傾向も、計算結果で良く再現されている。 On the other hand, as for Model B, it was shown that the calculation result and the measurement result clearly coincided with each other at the Ala 1 HCβ peak and the Gly 1 Hα peak. Furthermore, the tendency of the shift difference between Model A and Model B was well reproduced for the two actually measured non-equivalent Gly Hα hydrogens. As for NH amide hydrogen, Model B appears slightly in the high magnetic field as compared with Model A, but this tendency is also well reproduced in the calculation results.

実測結果と計算結果の一致は、さらに13Cおよび15N固体NMR化学シフトにおいて、強調される。図13で、次に13C固体NMR化学シフトの実測と計算の比較結果を検討した。(Ala−Gly)nの13C CP/MAS NMRスペクトルの実測結果を、Model AとModel Bの計算結果で、良く再現できることがわかった。すなわち、化学シフトの計算結果は、Ala13Cβの主ピークである19.6ppmのピークをよりエネルギー的に安定なModel Aに帰属させ、ピーク強度が約半分のAla13Cβの21.7ppmのピークをModel Bに帰属できることを示していた。Ala13Cβ以外の領域においては、GlyおよびAla13C=Oについて Model AとModel Bのシフト差が計算結果で、良く再現された。それ以外の全ての13Cピークについても、Model AとModel Bの計算結果で、実測を良く再現できることがわかった。 The agreement between the observed and calculated results is further emphasized in 13 C and 15 N solid state NMR chemical shifts. In FIG. 13, the comparison result between the actual measurement and calculation of 13 C solid-state NMR chemical shift was next examined. It was found that the actual measurement result of 13C CP / MAS NMR spectrum of (Ala-Gly) n can be well reproduced by the calculation results of Model A and Model B. That is, the calculation result of the chemical shift is that the peak of 19.6 ppm, which is the main peak of Ala 13 Cβ, is attributed to Model A, which is more energetically stable, and the peak of 21.7 ppm of Ala 13 Cβ whose peak intensity is about half. Can be attributed to Model B. In the region other than Ala 13 Cβ, the shift difference between Model A and Model B was well reproduced in the calculation results for Gly and Ala 13 C═O. For all other 13 C peaks, the calculation results of Model A and Model B showed that the actual measurements could be reproduced well.

最後に、15N固体NMR化学シフトの実測と計算の比較結果を図13で検討した。Model AとModel Bの計算結果から、後者はAlaピークでは低磁場側に、Glyピークでは高磁場側に出現することが予想される。実測結果は、それに対応している。 Finally, the results of comparison between actual measurement and calculation of 15 N solid-state NMR chemical shift were examined in FIG. From the calculation results of Model A and Model B, the latter is expected to appear on the low magnetic field side in the Ala peak and on the high magnetic field side in the Gly peak. The actual measurement results correspond to it.

以上のように、H、13Cそして15N固体NMR化学シフトの計算結果は十分に実測結果を再現していると結論付けることができた。このことは、本モデル構造を出発点とした量子化学計算が極めて精度良く実測のNMR化学シフトの結果を再現できることを意味する。このように家蚕絹のSilkII構造の逆平行βシート構造のモデルとして上記のModel A とModel Bの共存モデルが確立されたので、前者を形態Aと、また後者を形態Bと名付けた。 As described above, it was concluded that the calculation results of 1 H, 13 C and 15 N solid-state NMR chemical shifts sufficiently reproduced the actual measurement results. This means that the quantum chemical calculation starting from this model structure can reproduce the result of the actually measured NMR chemical shift with extremely high accuracy. Thus, since the above model A and Model B coexistence model was established as a model of the silk II structure antiparallel β sheet structure of silkworm silk, the former was named Form A and the latter was named Form B.

参考例1: 家蚕絹繊維中の形態Aおよび形態Bの含量
精製した家蚕絹フィブロインの13C CP/MASNMRスペクトルにおけるAlaCβのピークを、ガウス分布を仮定して分離した。計算は、化学シフト並びにピークの半値幅及び高さを最適化することで行った。分離されたピークを図2に示した。同図中、中実線は約55〜56%(ピーク面積の百分率。以下、同じ。)を占めるキモトリプシン処理沈殿部の結晶部であり、破線は約44〜45%を占める非晶部である。細い破線は、ガウス分布を考慮して分離した各ピーク(合計5つ)を示している。図2から、家蚕絹フィブロインは極めて不均一であり、その結晶部は、主に3成分から構成されることがわかる。また、非晶部は、主に2成分から構成されることがわかる。スペクトルにおける最も高磁場側は、ゆがんだ(distorted)βターン構造(ランダムコイル部分)であり、その割合は結晶部(18%)と非晶部(22%)を合わせて、全体で40%であった。結晶部の残りの部分の分子鎖構造は逆平行βシート構造であり、形態A(25%)と形態B(13%)から構成されていた。なお、非晶部のゆがんだβターン構造以外の成分は、形態Aと形態Bの間のピークとして分離され、ゆがんだ(distorted)βシート構造に帰属された(22%)。
Reference Example 1: Content of Form A and Form B in Rabbit Silk Fiber The AlaCβ peak in the 13 C CP / MAS NMR spectrum of purified rabbit silk fibroin was separated assuming a Gaussian distribution. The calculation was performed by optimizing the chemical shift and the half width and height of the peak. The separated peak is shown in FIG. In the figure, the solid line is the crystal part of the chymotrypsin-treated precipitation part occupying about 55 to 56% (percentage of peak area; hereinafter the same), and the broken line is the amorphous part occupying about 44 to 45%. The thin broken line indicates each peak (total of 5) separated in consideration of the Gaussian distribution. FIG. 2 shows that rabbit silk fibroin is very uneven and its crystal part is mainly composed of three components. Moreover, it turns out that an amorphous part is mainly comprised from two components. The highest magnetic field side in the spectrum is a distorted β-turn structure (random coil part), and the ratio is 40% in total including the crystal part (18%) and the amorphous part (22%). there were. The molecular chain structure of the remaining part of the crystal part was an antiparallel β sheet structure, and was composed of Form A (25%) and Form B (13%). Components other than the distorted β-turn structure of the amorphous part were separated as a peak between Form A and Form B, and were attributed to the distorted β sheet structure (22%).

実施例2〜4: 形態Aおよび形態B含量と物性の関係
形態Aおよび形態Bの含量が、再生絹繊維の物性にどのような影響を及ぼすかを検討した。
再生絹繊維の製造
家蚕(B.mori)の繭を小片に切断し、0.25%(重量/容量)の炭酸ナトリウムおよび0.25%(重量/容量)のマルセル石鹸を含む溶液に入れて、85℃で15分間処理した。この処理により絹セリシン等の絹フィブロイン以外の成分を除去した。得られた絹フィブロインを十分に純水で洗浄した後に、当該絹フィブロインを9Mの臭化リチウム水溶液に40℃で1時間かけて溶解して、10%(重量/容量)の絹フィブロイン溶液を得た。当該絹フィブロイン溶液を、セルロース膜を用いて、脱イオン水に対し4℃で4日間透析した。透析後の絹フィブロイン水溶液中の絹フィブロイン濃度を2.0%(重量/容量)に調整して凍結乾燥した。
Examples 2-4: Relationship between Form A and Form B Content and Physical Properties The effect of the content of Form A and Form B on the physical properties of regenerated silk fibers was examined.
Manufacture of regenerated silk fiber B. mori cocoons are cut into small pieces and placed in a solution containing 0.25% ( w / v ) sodium carbonate and 0.25% ( w / v ) Marcel soap. And treated at 85 ° C. for 15 minutes. By this treatment, components other than silk fibroin such as silk sericin were removed. The obtained silk fibroin is sufficiently washed with pure water, and then the silk fibroin is dissolved in 9M lithium bromide aqueous solution at 40 ° C. over 1 hour to obtain a 10% (weight / volume) silk fibroin solution. It was. The silk fibroin solution was dialyzed against deionized water at 4 ° C. for 4 days using a cellulose membrane. The silk fibroin concentration in the silk fibroin aqueous solution after dialysis was adjusted to 2.0% (weight / volume) and freeze-dried.

実施例2: 前記凍結乾燥した絹フィブロインを、和光純薬工業株式会社(大阪、日本)から購入した分析グレードのヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)中に2日間かけて溶解し、15%(重量/容量)の絹フィブロイン溶液を調製した。溶液を脱ガスした後に、その絹フィブロイン溶液を、内径0.45mmのステンレス製紡糸口金から、シリンジポンプを用いて室温でメタノールを収容した凝固浴に向けて押出した。凝固浴中で再生された絹繊維を20m/分の速度で巻き取った後に、得られた再生絹繊維を当該凝固浴中に3時間浸し続けることで、HFIP分子をメタノール中に拡散させて再生絹繊維から除去した。次いで、再生絹繊維を蒸留水に浸し、延伸機(株式会社井元製作所製。京都、日本)を用いて、40℃で、元の再生絹繊維の長さの3.0倍まで延伸した。延伸した再生絹繊維は、ボビンに巻き取って、室温で1晩乾燥させた。   Example 2: The freeze-dried silk fibroin was dissolved over 2 days in analytical grade hexafluoroisopropanol (HFIP) purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan) and 15% (weight / volume) ) Silk fibroin solution. After degassing the solution, the silk fibroin solution was extruded from a stainless steel spinneret having an inner diameter of 0.45 mm toward a coagulation bath containing methanol at room temperature using a syringe pump. After winding the silk fiber regenerated in the coagulation bath at a speed of 20 m / min, the obtained regenerated silk fiber is kept immersed in the coagulation bath for 3 hours, thereby diffusing HFIP molecules in methanol. Removed from silk fibers. Next, the regenerated silk fiber was soaked in distilled water, and stretched to 3.0 times the length of the original regenerated silk fiber at 40 ° C. using a stretching machine (Imoto Seisakusho Co., Ltd., Kyoto, Japan). The stretched regenerated silk fiber was wound around a bobbin and dried overnight at room temperature.

実施例3: 前記凍結乾燥した絹フィブロインを、和光純薬工業株式会社(大阪、日本)から購入した分析グレードのヘキサフルオロアセトン(HFA)中に2日間かけて溶解した。それ以降の処理は、実施例2と同じであった。   Example 3 The lyophilized silk fibroin was dissolved in analytical grade hexafluoroacetone (HFA) purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan) over 2 days. The subsequent processing was the same as that in Example 2.

実施例4: 前記凍結乾燥した絹フィブロインを、和光純薬工業株式会社(大阪、日本)から購入した分析グレードのヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)中に2日間かけて溶解し、15%(重量/容量)の絹フィブロイン溶液を調製した。溶液を脱ガスした後に、その絹フィブロイン溶液を、内径0.45mmのステンレス製紡糸口金から、シリンジポンプを用いて室温でメタノールを収容した凝固浴に向けて押出した。凝固浴中で再生された絹繊維を20m/分の速度で巻き取った後に、得られた再生絹繊維を当該凝固浴中に3時間浸し続けることで、HFIP分子をメタノール中に拡散させて再生絹繊維から除去した。次いで、再生絹繊維を蒸留水に浸し、延伸機(株式会社井元製作所製。京都、日本)を用いて、40℃で、元の再生絹繊維の長さの約1〜1.5倍前後の割合で軽く延伸した。延伸した再生絹繊維は、ボビンに巻き取って、室温で1晩乾燥させた。   Example 4: The freeze-dried silk fibroin was dissolved over 2 days in analytical grade hexafluoroisopropanol (HFIP) purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. (Osaka, Japan), and 15% (weight / volume) ) Silk fibroin solution. After degassing the solution, the silk fibroin solution was extruded from a stainless steel spinneret having an inner diameter of 0.45 mm toward a coagulation bath containing methanol at room temperature using a syringe pump. After winding the silk fiber regenerated in the coagulation bath at a speed of 20 m / min, the obtained regenerated silk fiber is kept immersed in the coagulation bath for 3 hours, thereby diffusing HFIP molecules in methanol. Removed from silk fibers. Next, the regenerated silk fiber is immersed in distilled water, and using a stretching machine (manufactured by Imoto Seisakusho Co., Ltd., Kyoto, Japan) at 40 ° C., about 1 to 1.5 times the length of the original regenerated silk fiber. Lightly stretched at a rate. The stretched regenerated silk fiber was wound around a bobbin and dried overnight at room temperature.

再生絹繊維中のβシート構造形態Aおよび形態Bの含量
参考例1と同様にして、実施例2〜4の再生絹繊維の13C CP/MASNMRスペクトルにおけるAlaCβのピークを測定し、ガウス分布を仮定して5つのピークに分離した(図14〜図16)。表1に示した結果は、絹フィブロインを溶解する溶媒の種類および/または再生絹繊維の延伸率を変更することで、再生絹繊維中のβシート構造形態Aおよび形態Bの含量およびその比率を変え得ることを示している。
Content of β sheet structure form A and form B in regenerated silk fiber In the same manner as in Reference Example 1, the peak of AlaCβ in the 13 C CP / MAS NMR spectrum of the regenerated silk fiber of Examples 2 to 4 was measured, and a Gaussian distribution was obtained. Assuming separation into 5 peaks (FIGS. 14-16). The results shown in Table 1 indicate that the content and ratio of β sheet structure form A and form B in the regenerated silk fiber are changed by changing the type of solvent for dissolving silk fibroin and / or the stretch ratio of regenerated silk fiber. It can be changed.

Figure 0006422291
Figure 0006422291

再生絹繊維の物性測定
株式会社島津製作所(京都、日本)製のEZ−Graph張力試験機(5Nロードセルを使用)を用い、室温で、上記実施例2〜4の応力(Stress)−歪み(Strain)応答を測定した。測定は、25mmの長さの各試料を用いて、試験速度10mm/秒の条件下で行った。比較のために、同じ条件で測定した天然の絹繊維の応力−歪み曲線も示した(図17)。図18〜20に、実施例2〜4の応力−歪み曲線を示した。これらの結果は、10回の測定の平均値として表されている。
Measurement of physical properties of regenerated silk fibers Using an EZ-Graph tension tester (using a 5N load cell) manufactured by Shimadzu Corporation (Kyoto, Japan), at room temperature, stress (strain) -strain (Strain) ) The response was measured. The measurement was performed under the condition of a test speed of 10 mm / sec using each sample having a length of 25 mm. For comparison, the stress-strain curve of natural silk fiber measured under the same conditions is also shown (FIG. 17). The stress-strain curve of Examples 2-4 was shown in FIGS. These results are expressed as the average of 10 measurements.

参考例1、実施例2(図18)および実施例3(図19)を比較すると、βシート構造形態Bの含量が多いほど、応力−歪み曲線が滑らかになり、それらの曲線の肩部(Stressが200MPa前後で、Strainが数〜10%前後)が小さくなった。また、実施例4(図20)は、βシート構造形態Bの含量が少なくなると歪み特性は改善するが、応力は減少する傾向を示している。   Comparing Reference Example 1, Example 2 (FIG. 18) and Example 3 (FIG. 19), the greater the content of β sheet structure form B, the smoother the stress-strain curve, and the shoulders of those curves ( The stress was around 200 MPa, and the strain was around a few to 10%. In addition, Example 4 (FIG. 20) shows that when the content of the β sheet structure form B decreases, the strain characteristics improve, but the stress tends to decrease.

本発明により、変化した物性を示す絹繊維の製造が可能となる。したがって、本発明は繊維産業および医療機材産業において有用であり得る。   According to the present invention, it is possible to produce silk fibers having changed physical properties. Thus, the present invention can be useful in the textile and medical equipment industries.

Claims (2)

再生絹繊維の品質評価方法であって、SilkII型構造をとる絹繊維 13 C CP/MAS NMRスペクトルにおけるAlaCβの約19.6ppmのピーク面積及びAlaCβの約21.7ppmのピーク面積を測定し、両者の比率を定量することを含む、前記方法。 A method for evaluating the quality of a regenerated silk fiber, comprising measuring a peak area of about 19.6 ppm of AlaCβ and a peak area of about 21.7 ppm of AlaCβ in a 13 C CP / MAS NMR spectrum of a silk fiber having a Silk II type structure , Said method comprising quantifying the ratio of the two . 前記品質が絹繊維の応力―歪み特性に関連づけられる、請求項に記載の方法。 The method of claim 1 , wherein the quality is related to the stress-strain characteristics of silk fibers.
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