JPH0441420A - 自走性インテリジェント材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自らが検知（センシング）した環境に知的に
応答して移動しながら機能を発現（アクチュエート）す
る自走性インテリジェント材料に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、少なくとも微小センサと微小アクチュエータ
とを自己組織的に一体化させることにより、極めて微小
で、かつ能動的に移動可能な自走性インテリジェント材
料を実現しようとするものである。

〔従来の技術］ 産業機械や医療福祉機器等の分野においては、高度な機
能を有する小型アクチュエータ（動力源）に対する要求
がますます高まっている。従来の小型アクチュエータの
主流はデジタル制御の容易な電動モータであるが、その
エネルギー変換効率は体積の２分の３乗に比例すると言
われ、多自由度化、高出力化、小型化を同時に達成する
ことはまず不可能である。仮に、多自由度を有する小型
高出力の機械が実現されたとしても、これを制御するた
めに専用の高性能コンピュータが常に稼働することが必
要となり、システム全体としての大型化や複雑化は免れ
ない、このことは、将来のアクチュエータが、従来とは
全く異なる原理にもとづくものであって、しかもインテ
リジェントでなければならないことを示唆している。

近年、生体の機能、構造、運動等にヒントを得たインテ
リジェント材料の概念が提唱され、注目を集めている。

これは、検知手段（センサ）、情報処理手段（プロセッ
サ）および能動手段（アクチュエータまたはエフェクタ
）の王者の機能をひとつの材料の中に具現化し、しかも
これらの機能を相互に連係させようとするものである。

従来の考え方ではこれら王者は独立の装置であったが、
インテリジェント材料の概念によればこれらは一体化さ
れており、当然のことながら環境に応じて動作すること
等が可能となる。したがって、新しい薬物輸送系（ドラ
ッグ・デリバリ−・システム）、人工臓器、バイオリア
クター、バイオセンサ、バイオコンピュータ、構造材料
等への応用展開に多大な期待が寄せられている。

人工臓器はインテリジェント材料の有望な適用分野であ
る。たとえば、膵臓はランゲルハンス島β細胞の表面で
血糖値を検知し、その値に応じて細胞内の小胞体に貯留
しているインシュリンの放出を制御している。糖尿病の
治療を目的として開発の進められている従来の人工膵臓
は、生体の膵臓の働きを模倣するために、血糖センサ、
マイクロコンピュータ、インシュリン放出ポンプ、およ
び動力源となるバッテリー等のデバイスから構成されて
いる。しかし、血糖値に応じてインシュリンの透過性が
自動的に変化するようなインテリジェントな膜が開発さ
れれば、これらのデバイスは一切不要となる。

さらに、生体骨の成長状態に伴って共に成長あるいは消
滅するような人工骨がインテリジェント材料により実現
されれば、生体の成長や治癒に伴う再手術が不要となる
。

あるいは、亀裂等の欠陥が生じた構造材料において、亀
裂の先端部において着色や電子放出等により外部に劣化
を知らせ、含育成分を溶出させて自動的に亀裂を充填す
る等の自己診断性、自己修復性も期待できる。

このように、様々な応用が期待されているインテリジェ
ント材料の究極の姿は、一種の分子機械であると考えら
れる。しかし、現行の技術によりこれを分子として合成
することは至難であるため、より現実的なアプローチと
して分子集合体の設計が試みられている。

たとえば、ある種の酵素にみられるような特定の物質と
反応して水素を放出する分子を微小センサ、局所ＰＨの
変化により伸縮する高分子を微小アクチュエータとし、
これらを高分子の網で包んでマイクロカプセルとするこ
と等が、比較的実現性の高い手段として考えられている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、種々の応用分野が考えられているインテ
リジェント材料であるが、従来から想定されている微小
アクチュエータの機能は、固定された場所において貯蔵
された物質を放出する等の静的なイメージのものが多く
、それ自身が常に活発な運動器官として働きインテリジ
ェント材料を自由に移動させるといった概念は提唱され
ていない、さらに、微小センサと微小アクチュエータの
集合状態もマイクロカプセル中に閉し込める等の物理的
な手法により達成されており、その集合状態に熱力学的
な必然性等が存在しないため、ミクロンあるいはサブミ
クロン・レベルの極めて微小なインテリジェント材料を
創製することは困難である。

そこで本発明は、従来の技術の限界を越えて微小であり
、かつ能動的に移動可能な自走性インテリジェント材料
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明にかかる自走性インテリジェント材料は、上述の
目的を達成するために提案されるものであり、少なくと
も微小センサと微小アクチュエータとが自己組織的に一
体化されてなることを特徴とするものである。

〔作用］ 本発明における自己組織的な一体化とは、互いに親和性
を有する材料を用いて熱力学的に安定な構造をあたかも
ひとつの組織のように組み上げてゅくことを意味してい
る。したがって、従来のように特別な相互作用等を持た
ない微小センサと微小アクチュエータとを単にマイクロ
カプセル中に物理的に閉じ込めるといった手法よりも逼
かに微小なインテリジェント材料を容易に構成すること
ができる。しかも、このように一体的に組み上げられた
微小センサと微小アクチュエータとは、直接的に、もし
くはこれらを結合する組織を介して間接的に互いの変化
に敏感に応答することができる。

さらに、本発明のインテリジェント材料における微小ア
クチュエータは一種の運動器官として機能するので、常
に能動的な移動が可能であり、目的の場所へ速やかに移
動して該インテリジェント材料が目的とする仕事を集中
的に行うことが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について説明する。

実施例１ 本実施例は、本発明を適用して新規なドラッグ・デリバ
リ−・システムを提供し得る閉鎖小胞を構成した例であ
る。

本実施例における閉鎖小胞は、リポソームを基本として
いる。ドラッグ・デリバリ−・システムの分野において
は、リポソームを担体として薬剤に徐放性や細胞特異性
を付与する方法が既に実用化されている。リポソームは
、血中循環の間に薬物を徐々に放出したり、一部血管か
ら組織に移行してそこで薬物を放出したり、食細胞によ
り重色されたり、あるいは他の細胞に融合されたりしな
がら薬剤を放出する。従来の技術では、リポソームの大
きさや膜電荷の調節、あるいは微小センサとして機能す
る抗体でリポソーム表面を修飾すること等により、ある
程度の細胞選択性あるいは臓器選択性が達成されている
。

しかし、本実施例で述べるリポソームは、単に脂質二重
膜から構成されるもの、あるいはこれに抗体等の微小セ
ンサが付加されたものではなく、さらに微小アクチュエ
ータを備えたものである。

上記微小センサと微小アクチュエータとは、必ずしも別
の構造体である必要はなく、単一の物質にこれら両者の
機能が備わったものであっても良い。さらにリポソーム
の内部には薬剤が保持されている。上記微小センサおよ
び微小アクチュエータは、脂質、１５！脂質、タンパク
質５糖タンパク賞等の通常の生体膜の構成成分が所定の
機能を発現し得るように修飾された物質であっても良い
し、あるいは膜形成を阻害したり毒性を示すことのない
範囲で生体物質以外の物質から選ばれたものであっても
良い、また、膜中におけるこれらの数や配置は特に限ら
れるものではない。たとえば単一の微小アクチュエータ
により細菌や原生動物の鞭毛運動を模倣することができ
、また多数の微小アクチュエータにより原生動物の繊毛
運動やアメーバ運動を模倣することが可能となる。

ところで、上記微小センサとしては、分子、イオン、熱
、光、ｐＨ，＠気、磁気、音、圧力等、あらゆる種類の
外界からの刺激に応答するものが用途に応じて選択され
る０分子の識別を例にとると、ホルモンとりセブター、
抗原と抗体、あるいは酵素と基質等の間にみられる特異
的相互作用をセンサ機能に応用することがまず考えられ
る。この場合、上述の各物質もしくはその修飾体を微小
センサとして脂質二重膜に埋め込めば良い。

あるいは、天然に生体内に存在する特異的相互作用によ
らなくとも、センシングは可能である。

たとえば、癌細胞の増殖部位は正常部位よりも温度が高
く、またｐＨが低いので、熱センサあるいはｐＨセンサ
を使用すれば患部を識別することができる。また、目的
の細胞を蛍光抗体でラベルし、光センサによりその蛍光
を検出することもできる。

一方、上記微小アクチュエータとしてもあらゆる種類の
ものが考えられるが、現状では微小センサ以上に生体モ
デルにより示唆されるところが大きい。この場合の生体
モデルとは、筋肉の収縮、細菌や精子等の鞭毛連動、繊
毛運動、原生動物や食細胞等にみられるアメーバ運動等
である。筋肉の収縮は、良く知られるようにアクチンと
ミオシンの２種のタンパク質の間のすべり運動に起因す
るものである。細菌の鞭毛運動に関しては、たとえば「
生物物理」第２６巻２号７３〜８２ページ（１９８６）
年に総説されているように、鞭毛の基部にタンパク質か
らなる鞭毛モーターが存在し、これが水素イオンをエネ
ルギーとして鞭毛を回転させていることが明らかとなっ
ている。また原生動物の繊毛運動は、（９＋２　）構造
を有する繊毛の内部で微小管同士の間にすべりが発生し
て繊毛に屈曲が生ずる有効打と、これが繊毛の先端へ向
かって伝搬したのち元に戻る回復打とが繰り返されるこ
とによるものである。また、アメーバ運動は、ＡＴＰを
エネルギー源とする収縮性タンパク質の相互作用により
原形質流動が生じ、これにより細胞膜が偽足を伸ばしな
がら細胞体を移動させるものである。

ここで、タンパク質問のすべり運動を利用して推進力を
得る微小アクチュエータとしては、たとえば２本の棒状
タンパク質が相互作用により背中合わせに配列された高
次構造を利用することが考えられる。２本のタンパク質
類の相対位置が二次元的にずれると、高次構造の重心を
中心とする回転モーメントが生ずる。ずれの方向が逆で
あれば、回転モーメントも逆向きとなる。かかるずれの
発生が繰り返されることにより平面波が生じ、推進力を
得ることができる。

あるいは上述のような高次構造において、一方のタンパ
ク質類が伸びた時には他方が縮み、一方のタンパク質類
が縮んだ時には他方が伸びるという動作が繰り返されれ
ば、バイメタルのような屈曲運動が期待できる。

さらに、生体材料を使用しない微小アクチュエータとし
ては、メカノケミカル系およびメカノサーマル系を応用
したものが実現性が高い。

メカノケミカル系とは、化学エネルギーを力学エネルギ
ーに変換する系である。たとえば、メタクリル酸を主鎖
に有する架橋高分子は、アルカリ溶液中では側鎖の−Ｃ
ＯＯＨ基のほとんどが解離するために分子内に静電反発
が生して膨潤するが、酸性溶液中ではほとんどが再結合
するために反発力が消失し、ゲルは収縮する。これ以外
にも、たとえば酸化還元、光異性化、相転移等を動作原
理とするメカノケミカル系が考えられる。

一方のメカノサーマル系とは、熱エネルギーを力学エネ
ルギーに変換する系である。たとえば、形状記憶合金に
おけるマルテンサイト相とオーステナイト相との間の相
転移はその代表例である。

本実施例のリポソームの主体となる脂質二重膜を構成す
る分子としては、脂質の中でも特に生体膜の主要構成脂
質であるリン脂質が使用される。

一般には、両性イオン型のレシチン（ホスファチジルコ
リン）やスフィンゴミエリン、アニオン性のホスファチ
ジルセリン、ホスファチジルイノシトール、ホスファチ
ジルグリセロール、およびホスファチジン酸、−級アミ
ノ基を有するホスファチジルエタノールアミン等が使用
される。また、膜の安定化のために中性脂質としてコレ
ステロール等を添加しても良い。

以上は生体膜に由来する天然の脂質であるが、人工脂質
も導入することができる。たとえば、ステアリルアミン
　ジセチルホスフェート　スルホリピド（硫脂質）は表
面電荷の制御に使用することができ、またミリスチル基
、七チル基、ステアリル基等を有する長鎖アルキルグル
コシドやトリエトキンコレスロール等を中性脂質として
使用することもできる。

リポソームの調製法は、本発明において特に限定される
ものではなく、目的の形態や大きさムこよって公知の種
々の方法の中から適宜選択することができる。

もっとも簡単なのは、脂質二重膜の形成時に同時に微小
センサと微小アクチュエータとが取り込まれ得る場合で
ある。この場合には、■上述のような脂質と微小センサ
と微小アクチュエータとを適当な容器内で有１ＩＩＩ溶
媒に溶解し、有機溶媒を蒸発除去して器壁に脂質薄膜（
ただし微小センサと微小アクチュエータを含む）を形成
した後、薬物溶液を容器内に注入してミキサーで攪拌す
る方法、■脂質、微小センサ、微小アクチュエータ、薬
物を含む有機溶媒に超音波照射を施す方法、■上記■に
おける有機溶媒中にコール酸ナトリウムやデオキシコー
ル酸ナトリウム等の界面活性剤を共存させて混合ミセル
を形成し、透析により界面活性剤を除去する方法（コー
ル酸透析法）、■クロロホルムやエーテルに脂質を溶解
した溶液と緩衝液とを用いてエマルジョンを調製し、溶
媒を蒸発させる方法（逆相蒸発法）、■脂質のエーテル
溶液を加温された緩衝液に注入し、エーテルを蒸発させ
る方法等が適用できる。

ただし、微小センサや微小アクチュエータがタンパク質
や糖タンパク質等の材料からなる場合には、有機溶媒の
使用や超音波照射は変性を招く震れが大きいので、生合
成過程をモデルとして、脂質二重膜の形成後に微小セン
サや微小アクチュエータを導入することが望ましい。た
とえば、抗体に疎水基を結合させたものをコール酸透析
法によりリポソーム上に導入する方法や、予め導入され
た糖タンパク質の糖鎖部分に抗体を導入する方法を参考
にすることができる。この場合、微小センサおよび微小
アクチュエータは、自身の構造における親水部および疎
水部の分布状態により、脂質二重膜を貫通したり、表層
側の単分子層のみに埋没するような状態で存在すること
ができる。

いずれの方法を適用した場合にも、最終的には脂質二重
膜５微小センサ、微小アクチュエータの三者が自己組織
的に一体化されて閉鎖小胞を形成し、その内部に薬物が
保持されていることが本実施例のリポソームの特徴であ
る。

かかるリポソームにおいては、微小センサと微小アクチ
ュエータの各々の機能が高度に連係している。微小セン
サにより検知された情報は、脂質二重膜の界面電位変化
、ｐＨ変化、浸透圧変化、温度によるゲル−液晶相転移
に伴う脂質二重膜の構造変化、あるいは微小センサ自身
の構造変化により誘起された脂質二重膜の形態変化等の
何らかの形で微小アクチュエータに伝達される。高度に
生体が模倣された系では、微小センサと微小アクチュエ
ータとが膜内を二次元的に移動し、会合や解離を通じて
ダイナミックに情報を伝達することも考えられる。

リポソーム内に保持される薬剤の種類も特に限定される
ものではない。

このように構成されたリポソームは、自身の微小センサ
により患部の細胞に特異的な物質を検知し、上記物質の
濃度勾配にもとづいて目的の細胞の存在部位を判断し、
微小センサと連動して自身の微小アクチュエータを動作
させることにより正確に色部に近づき、そこで内部に保
持している薬剤を放出する。したがって、正常細胞へは
何ら影響を及ぼさないことはもちろん、従来のドラッグ
・デリバリ−・システムと比べて患部により一層近い部
位で集中的に薬剤を放出することが可能となる。したが
って、少量の薬剤により高い治療効率が期待できる上、
強力な抗癌剤を投与する場合における副作用の抑制に極
めて有効である。

実施例２ 本実施例は、本発明を適用して新規なパターン形成方法
を提供し得る閉鎖小胞を構成した例である。

本実施例の閉鎖小胞は、基本的には実施例１と同様、微
小センサと微小アクチュエータとが自己組織的に一体化
されてなるリポソームであるが、内部にレジスト材料を
保持している。

上記微小センサは、パターンを形成しようとする基板上
に予め設けられたマーカーを検知し、上記アクチュエー
タは該微小センサの検知情報にもとづいて能動的にマー
カー位置へリポソームを移動させ、そこでレジスト材料
を放出して付着させる。この際、マーカーは微小センサ
に検知され得るものであれば、光、熱、磁気等のいかな
るものであっても良い、これにより、ナノメータ・オー
ダーのパターン形成が可能となる。

近年、半導体装置の製造分野においては、ＶＬＳｌある
いはＵＬＳＩ等にみられるように、デザイン・ルールが
ますます微細化されており、サブミクロン・レベルのみ
ならず、クォーターミクロン・レベルの微細加工も研究
の対象となっている。

従来、これらの微細加工の鍵とされているのは、光や電
子線の照射により所定のレジスト・パターンを形成する
りソグラフィ技術である。たとえば光を利用するフォト
リソグラフィにおいては、エキシマ・レーザー光等の短
波長光源も使用されるようになってきているが、これに
伴ってフォトレジスト層の膜厚や段差の影響も大きく現
れるようになっており、解像限界は０．３μｍ程度であ
る。

また、電子線を使用する電子線リソグラフィの場合は、
解像限界は１０ｎｍに上がるが、真空装置が必要となる
など多額の設備投資を要する。

これに対し、本発明の自走性インテリジェント材料によ
り新規なパターン形成方法が提供されれば、高価な設備
を使用しなくとも分子サイズ・レベルまでのパターン形
成が可能となる。

実施例３ 本実施例は、前述のようなリポソームをさらに自己組織
的に結合させた連鎖構造を実現することにより、一種の
回路網を構成する例である。

本実施例で使用されるのリポソームは、微小センサ、微
小アクチュエータの他に、該微小センサに検知され得る
適当なマーカーを有する細胞疑似デバイスである。上記
微小センサにはＳ、、Ｓ、。

１．・、Ｓ７、上記マーカーにはＭ、、Ｍ２．−・・１
Ｍ。

の種類があり、これら微小センサとマーカーとが自由に
組み合わされて多数の種類の細胞反位デバイスが存在す
る。ここで、微小センサとマーカーとの間にＳ、−Ｍ＋
、ｓｚ−Ｍ！、−、、Ｓ、−Ｍ、。

のような一定の対応関係がなりたっていると、各細胞疑
似デバイスは微小アクチュエータの動作により泳ぎ回り
ながら、自身の微小センサにより検知し得るマーカーを
持つ細胞疑似デバイスを捜し出し、これを結合して連鎖
構造へと成長してゆく。

かかる回路網には、従来の電気回路や電子回路には見ら
れない極めてユニークな特徴がある。まず、上記微小セ
ンサとマーカーの組合せを変更すれば、任意の配列を実
現することが可能である。

また、ひとつの細胞疑似デバイスにおける微小センサま
たはマーカーの数を複数としたり、対応関係を重複させ
る等の方法により、分校構造を形成することも可能であ
る。また、回路網の一部に生じた欠陥は、新しい細胞反
位デバイスを添加して欠陥部位の細胞反位デバイスと入
れ替えることにより修復される。さらには、回路網の完
成後に学習作用等により微小センサとマーカーを化学的
に変化させることができれば、該回路網の構造を破壊せ
ずに回路特性を変化させることも可能となる。

上記回路網は、神経回路網をモデルとするバイオコンピ
ュータへの応用発展も期待できるものである。

〔発明の効果］ 以上の説明からも明らがなように、本発明の自走性イン
テリジェント材料は、従来よりも慝かに微小であり、し
かも微小センサと微小アクチュエータの各々が単一組織
の一員として密接に連係した挙動を示すので正確な動作
を行う。かがる自走性インテリジェント材料は、新規な
ドラッグ・デリバリ−・システム、パターン形成方法、
バイオコンピュータ等への道を開くものである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　少なくとも微小センサと微小アクチュエータとが自己
   組織的に一体化されてなることを特徴とする自走性イン
   テリジェント材料。