JPH0517580A - アルデヒド基含有重合体粒子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面にアルデヒド基を有する重合体粒子とそ
の製造方法を提供すること。 【構成】 アルデヒド基を有するポリ脂肪族ジアルデヒ
ドを表面に有するアルデヒド基含有重合体粒子。重合体
粒子の懸濁液中で脂肪族ジアルデヒドのアルドール重縮
合反応を行なうアルデヒド基含有重合体粒子の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒子表面にアルデヒド
基を含有する重合体粒子に関し、さらに詳しくは、脂肪
族ジアルデヒドのアルドール重縮合物を粒子表面に有す
る複合重合体粒子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バイオ産業の発達とともに、生体
の産物である酵素や抗原、抗体に代表されるタンパク質
を化学工業に用いることが盛んに行われ、提案されてき
た。これらのタンパク質を利用するプロセスは、従来の
化学産業のプロセスに比べ、特定の物質に限って作用す
る特異的な選択性を有すること、常温常圧という温和な
条件等でも高い活性が得られること、繰り返し使用可能
という利点があることなどから、いわゆるプロテインエ
ンジニアリングとして注目を集めており、バイオリアク
ターやバイオセンサーへの応用が進められている。

【０００３】酵素などのタンパク質をバイオリアクター
の反応素子などとして使用するためには、何らかの方法
により、不溶性高分子支持体（担体）に固定化されなけ
ればならない。０．０５〜３０μｍ程度の粒子径で、か
つ、単分散粒子径を有する重合体粒子は、このような担
体として非常に有用である。

【０００４】担体に目的とするタンパク質を固定化する
方法としては、担体の疎水性的性質を利用する物理的吸
着法、イオン交換能を有する担体とタンパク質のもつ荷
電との間に生じる相互作用を利用するイオン結合法、担
体がその表面に有する官能基とタンパク質が有する官能
基との間で化学反応を起こさせる共有結合法等が知られ
ている。これらの固定化法の中でも、担体に対するタン
パク質の結合が強固であること、担体が非特異的にタン
パク質を吸着するのを防止できること、担体に吸着しに
くいタンパク質を固定化できることなどから、共有結合
法が最もよく用いられている。

【０００５】共有結合法においては、タンパク質中のア
ミノ基、カルボキシル基、フェノール基、またはイミダ
ゾール基などの官能基を利用し、担体表面の官能基と共
有結合反応させる。ところが、共有結合法は、物理的吸
着法やイオン結合法などに比べて、反応操作が複雑であ
り、しかも比較的激しい処理を行なうために、活性中心
の一部破壊やタンパク質の高次構造の変化などを起こし
易い欠点がある。特に、高温等の厳しい反応条件下で
は、タンパク質は、変性し、その活性を失うことがあ
る。

【０００６】したがって、固定化条件が比較的温和で、
操作も簡単な共有結合反応を利用した固定化法が望まれ
ている。そこで、タンパク質中のアミノ基と比較的温和
な条件下で共有結合反応を行なうことのできるアルデヒ
ド基を表面に有する重合体粒子を合成できるならば、担
体粒子として極めて有用である。

【０００７】表面にアルデヒド基を有する粒子の製造方
法として、ラジカル重合性不飽和二重結合とアルデヒド
基の両者を有するアクロレインを水系分散重合する方法
が提案されている〔Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．Ｐｏｌｙ
ｍ．Ｃｈｅｍ．Ｅｄ．，２２，３５２１（１９８
４）〕。しかし、この方法では、大量の界面活性剤を使
用するため、その除去を必要とし、また、重合時の濃度
が低いため、生産性に難点があり工業的ではない。しか
も、この方法では、粒子径を制御することが困難であ
り、単分散重合体粒子を得ることが困難である。

【０００８】米国特許第４，５６３，４３１号には、ポ
リスチレンビーズ上にメチルアミドアセトアルデヒドを
グラフトさせる方法が開示されている。しかし、この方
法においては、界面活性剤を添加することが必要であ
り、また、重合の間、アルデヒド基をアセタール化して
ブロック（保護）し、重合後に脱ブロックする操作が必
要である。さらに、得られた粒子は、タンパク質固定の
間に凝集体を形成するおそれがある。

【０００９】特開平２−１１４１８０号には、表面にア
ルデヒド基を有し、かつ、ベンズアルデヒド反復単位を
含む非孔質、単分散、界面活性剤非含有ポリマー粒子
と、該ポリマー粒子がアルデヒド基を介して共有結合し
た免疫物質を含む分析要素について開示されている。こ
のアルデヒド基を有するポリマー粒子は、ビニルベンジ
ルハライド反復単位を有するポリマー粒子とアルカンニ
トロネート塩およびアルコキシド塩とを、水および水混
和性有機溶媒の存在下において反応させて、ベンジルハ
ライド反復単位をベンズアルデヒド単位に変換すること
によって製造される。この方法には、ビニルベンジルハ
ライド単量体の入手が困難であること、ポリマー粒子に
分散安定性を付与するためにイオン性または他の親水性
基を有するモノマーを共重合する必要があり手間がかか
ること等の問題点がある。

【００１０】このように、表面にアルデヒド基を有する
重合体粒子、特に、単分散の粒子径分布を有する重合体
粒子を簡易に得る方法が望まれているが、従来法では、
不充分である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、表面
にアルデヒド基を有する重合体粒子とその製造方法を提
供することにある。また、本発明の目的は、特に、単分
散の粒子径分布を有し、かつ、表面にアルデヒド基を有
する重合体粒子を提供することにある。

【００１２】本発明者らは、前記従来技術の有する問題
点を克服するために鋭意研究した結果、重合体粒子の懸
濁液中で、脂肪族ジアルデヒドのアルドール重縮合反応
を行なうことにより、アルデヒド基を有するポリ脂肪族
ジアルデヒドを表面に有する重合体粒子（複合粒子）の
得られることを見出した。

【００１３】この方法によれば、単分散重合体粒子を用
いることにより、その単分散性を実質的に損なうことな
く、その表面にアルデヒド基を導入することができる。
本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、アルデヒド基を有するポリ脂肪族ジアルデヒドを表
面に有することを特徴とするアルデヒド基含有重合体粒
子が提供される。また、本発明によれば、重合体粒子の
懸濁液中で脂肪族ジアルデヒドのアルドール重縮合反応
を行なうことを特徴とするアルデヒド基含有重合体粒子
の製造方法が提供される。以下、本発明について詳述す
る。

【００１５】（脂肪族ジアルデヒド）本発明で使用する
脂肪族ジアルデヒドは、炭素数４〜１２を有する脂肪族
ジアルデヒドであれば、特に限定されないが、反応の制
御がし易いことおよび工業的に入手が容易なことから、
炭素数４〜８のものが好ましく、特にグルタルアルデヒ
ドが好ましい。

【００１６】（重合体粒子）本発明において使用する重
合体粒子の組成は、特に限定されない。重合体粒子の合
成に使用される単量体としては、例えば、スチレン、α
−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、ハロゲン化ス
チレン等の芳香族ビニル単量体；アクリロニトリル等の
エチレン性不飽和ニトリル；メチル（メタ）アクリレー
ト、エチル（メタ）アクリレート、ブチル（メタ）アク
リレート、２−エチルヘキシル（メタ）アクリレート、
グリシジル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシエチ
ル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステ
ル；ブタジエン、イソプレン等の共役ジエン；アクリル
酸、メタクリル酸、イタコン酸、フマル酸等のエチレン
性不飽和カルボン酸；（メタ）アクリルアミド、Ｎ−メ
チロール（メタ）アクリルアミド等の（メタ）アクリル
アミド誘導体；ジビニルベンゼン等の非共役ジビニル化
合物；ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレー
ト、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート
等のジ（メタ）アクリレート；トリメチロールプロパン
トリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ
（メタ）アクリレート等のトリ（メタ）アクリレート等
の多官能性単量体を挙げることができるが、これらに限
定はされない。これらの単量体は、それぞれ単独で、あ
るいは２種以上を組み合わせて使用することができる。
これらの単量体の中でも、芳香族ビニル単量体、特にス
チレンが好ましい。

【００１７】本発明において用いられる重合体粒子の製
造方法は、特に限定されず、公知の乳化重合法、懸濁重
合法等を用いることができる。また、重合方式について
も、バッチ式、セミバッチ式、連続式等のいずれを採用
してもよい。触媒、界面活性剤、または乳化重合用重合
副資材等も、通常使用されるものでよい。

【００１８】さらに、界面活性剤を使用しないソープフ
リー重合法、分散重合法（特開平１−２４９８０６号
報）、アルコール、界面活性剤を併用し、モノマーの微
小液滴を直接重合させて粒子を得るミニエマルジョン重
合法（マイクロエマルジョン重合法）、別途合成された
ポリマーを直接乳化分散させて微粒子を得る直接乳化法
等により重合体粒子を作製することができる。重合後、
一旦分離した重合体粒子を再懸濁させて使用することも
できる。

【００１９】重合体粒子は、平均粒子径が０．０５〜３
０μｍの範囲内で、単分散の粒子径分布（重量平均粒子
径／数平均粒子径＜１．２）を有するものが、バイオリ
アクターやバイオセンサー等の用途に特に好ましい。

【００２０】（脂肪族ジアルデヒドのアルドール重縮合
反応）本発明においては、重合体粒子の懸濁液中に脂肪
族ジアルデヒドを添加し、重合体粒子表面で脂肪族ジア
ルデヒドのアルドール重縮合反応を行わせることによ
り、アルデヒド基を含有するポリ脂肪族ジアルデヒドを
重合体粒子表面に導入する。ポリ脂肪族ジアルデヒド
は、重合体粒子表面で、３次元架橋体を形成しているも
のと推定される。

【００２１】脂肪族ジアルデヒドの重合反応には、アル
ドール縮合による重合反応ばかりでなく、ティッシェン
コ（Ｔｉｓｃｈｅｎｋｏ）反応による重合反応、カルボ
ニル重合による重合反応、および環化重合反応等が知ら
れている〔Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，Ａｌ，２８３１
（１９６３）〕。アルドール縮重合反応によれば、重合
体骨格にアルデヒド基が結合した形の重縮合物を得るこ
とができるが、それ以外の重合反応では、アルデヒド基
を有する重合体を得ることができない。したがって、反
応条件を適切に設定してアルドール重縮合反応を優先的
に行なわせることが重要である。

【００２２】重合体粒子の懸濁液中で脂肪族ジアルデヒ
ドのアルドール重縮合反応を行わせる好ましい反応条件
は、次のとおりである。 （ａ）重合体粒子の懸濁液中に添加する脂肪族ジアルデ
ヒドの量は、重合体粒子１００重量部に対して、通常１
０〜２００重量部、好ましくは２０〜１５０重量部であ
る。１０重量部未満では充分な量のアルデヒド基を導入
できず、他方、２００重量部を超えて使用すると脂肪族
ジアルデヒドに由来する新粒子が発生してしまう。新粒
子が発生すると、重合体粒子の単分散性が損なわれる。

【００２３】（ｂ）重合体粒子の懸濁液のｐＨは、通常
８〜１２、好ましくは９〜１１の範囲に保持する。反応
系のｐＨが８未満では、アルドール重縮合反応よりも他
の重合反応が優勢となる。また、ｐＨが１２を超える範
囲では、反応系中の塩基濃度が高すぎるため、重合体粒
子が凝集し易くなる。反応系のｐＨ調整には、通常、塩
基性化合物が使用される。使用される塩基性化合物は、
特に限定されず、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カ
リウム等のアルカリ金属水酸化物；アンモニア；ジメチ
ルアミン、ジエタノールアミン等のアミン化合物；等を
例示することができる。

【００２４】（ｃ）脂肪族ジアルデヒドを重合体粒子の
懸濁液中に添加する方法は、特に限定されず、例えば、
一括添加法、逐次連続添加法等のいずれでもよいが、反
応中にｐＨを塩基性側に制御する必要があるため、その
容易さから逐次連続添加法が好ましい。

【００２５】（ｄ）脂肪族ジアルデヒドの重縮合反応に
おける反応温度は、通常０〜８０℃である。反応温度が
低過ぎると、重合速度が遅く実用的でないばかりか、新
粒子が生成し易くなる。また、反応温度が高過ぎると、
アルドール重縮合反応以外の各重合反応が競争的に進
み、アルデヒド基を有する重縮合物を得ることが困難で
ある。アルドール重縮合反応を優先的に行なわせるに
は、反応温度を、好ましくは１５〜５０℃、より好まし
くは１５〜４０℃の範囲とすることが望ましい。つま
り、室温付近の温和な温度で反応させることにより、ア
ルドール重縮合反応を円滑に進行させることができる。

【００２６】（ｅ）反応時間は、特に限定されないが、
通常、０．５〜１５時間である。

【００２７】（ｆ）アルドール重縮合反応は、炭酸ガス
によるアルデヒド基の酸化を防止するため、窒素ガス、
アルゴン等の雰囲気下で行なうことが望ましい。

【００２８】（ｇ）溶媒としては、水、または水と水混
和性有機溶媒との混合物が挙げられる。懸濁液中の重合
体粒子の濃度（固型分濃度）は、特に限定されないが、
通常１〜３０重量％、好ましくは５〜２０重量％程度で
ある。なお、アルドール重縮合反応は、撹拌しながら行
なうことが好ましい。

【００２９】

【実施例】以下、本発明について、実施例および比較例
を挙げて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施
例のみに限定されるものではない。なお、実施例中の部
および％は、特に断りのない限り、重量基準である。

【００３０】物性等の測定法は、下記のとおりである。 〈重合転化率〉重量法で測定した。

【００３１】〈重合体粒子の粒子径〉重合体粒子の懸濁
液を遠心分離によって精製した後、透過型電子顕微鏡に
より写真撮影を行ない、２００個の粒子の粒子径の平均
値を算出した。

【００３２】〈脂肪族ジアルデヒドの重合転化率〉反応
終了後、懸濁液の遠心分離を行ない、その上澄み液中の
アルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーにより測定
し、仕込み脂肪族ジアルデヒドに対する割合を算出する
方法により求めた。ガスグロマトラフィー条件：エチレ
ングリコール２０Ｍ（２０％溶液）、８０−１００メッ
シュ、インジェクション温度２００℃、カラム恒温槽温
度１５０℃、検出部温度２００℃

【００３３】〈重合体粒子表面のアルデヒド基の量〉得
られた表面にアルデヒド基を有する重合体粒子の懸濁液
を、３回遠心分離して精製した後、固形分濃度を１０％
に調整し、その３０ミリリットルと０．５Ｎヒドロキシ
ルアミン塩酸塩水溶液３０ミリリットルとを、いずれも
１Ｎ塩酸水溶液でｐＨ２．５に調整して混合し、マグネ
チックスターラーで室温１時間撹拌した。

【００３４】アルデヒド基とヒドロキシルアミン塩酸塩
との反応によって発生した塩酸について、０．０５Ｎ水
酸化ナトリウム水溶液を使用して電位差滴定を行ない、
得られた滴定曲線のｐＨ２．５となった時点における水
酸化ナトリウムの滴下量を読み取り、これから重合体粒
子単位表面積当りのアルデヒド基量を計算した。

【００３５】〈赤外線吸収スペクトルの測定〉アルデヒ
ド基が導入されたことを確認するために、原料の重合体
粒子とアルドール重縮合反応後の重合体粒子について、
ＫＢｒ錠剤法によりフーリエ変換赤外線吸収（ＦＴ−Ｉ
Ｒ）分光装置（島津製作所社製、ＦＴ−ＩＲ ４２０
０）を用いて、赤外線吸収スペクトルを測定した。

【００３６】原料の重合体粒子とアルドール重縮合反応
後の重合体粒子との差スペクトルは、後者のスペクトル
から前者のそれを差し引くことにより作成した。その
際、実施例および比較例では、重合体粒子のポリスチレ
ン中のベンゼン環の倍音に帰属される１７００〜２００
０ｃｍ^-1のピーク群が消去されるようにした。

【００３７】［参考例１］ （重合体粒子の作製）撹拌翼、冷却用コンデンサー、窒
素ガス導入管および温度計を装着した２リットルの反応
器の内部を窒素置換した後、脱イオン水１４０７ｇおよ
びスチレン１６０ｇを投入して撹拌混合し、さらに窒素
でバブリングした。次に、混合液を７０℃に加温し、
２．４％過硫酸カリウム水溶液３３．３ミリリットルを
加えて反応を開始させ、そのまま４４時間保った後、
２．４％過硫酸カリウム水溶液をさらに２０．０ミリリ
ットル加えて、４０時間反応を続行してポリスチレン懸
濁液を得た。スチレンの重合転化率は９９．８％であっ
た。得られたポリスチレン粒子は、平均粒子径が０．４
０μｍで、ＣＶ値（ｃｏ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ
ｖａｒｉａｎｃｅ）が約３．８％の球状単分散粒子であ
った。

【００３８】［実施例１］ （アルデヒド基含有重合体粒子の作製）予め窒素置換し
た撹拌翼、冷却用コンデンサー、分液ロウトおよび温度
計を装着した５００ミリリットルの反応器に、参考例１
で得たポリスチレン懸濁液１００ミリリットル（固形分
濃度１０％に調整）を加え、１Ｎ水酸化ナトリウム水溶
液で懸濁液のｐＨを１１に調整した。

【００３９】次に、懸濁液を３０℃に加温した後、ｐＨ
スタットを用いて１Ｎ水酸化ナトリウムでｐＨを１１に
保ちながら、グルタルアルデヒド（ナカライテスク社
製；電子顕微鏡用特性試薬、２５％水溶液）２０ミリリ
ットルを、４ミリリットル／時間の滴下速度で連続滴下
し、滴下終了後、さらに１時間反応を継続した。得られ
た重合体粒子の懸濁液を蒸留水で３回遠心洗浄した後、
デカンテーションにより重合体粒子を回収した。

【００４０】グルタルアルデヒドの転化率は８５％であ
った。得られた重合体粒子のＩＲスペクトルと原料ポリ
スチレン粒子とのＩＲスペクトルの差スペクトルから、
アルデヒド基に起因する１６８０ｃｍ^-1の吸収が認めら
れ、アルデヒド基が導入されていることが確認された。

【００４１】得られた重合体粒子は、粒子単位表面積当
り、６．５×１０⁶モル／ｍ²のアルデヒド基を有するこ
とが分かった。また、得られた重合体粒子の透過型電子
顕微鏡による観察の結果、原料ポリスチレン粒子の粒子
径の実質的な増大は認められなかった。

【００４２】［実施例２］グルタルアルデヒドを一括添
加した以外は、実施例１と同様にして重合体粒子を得
た。グルタルアルデヒドの転化率は９５％であり、得ら
れた重合体粒子の単位表面積当りのアルデヒド基は、
５．０×１０⁶モル／ｍ²であった。

【００４３】［実施例３］グルタルアルデヒドの量を４
０ミリリットルとした以外は、実施例１と同様にして重
合体粒子を得た。グルタルアルデヒドの転化率は９３％
であり、得られた重合体粒子の単位表面積当りのアルデ
ヒド基は、９．４×１０⁶モル／ｍ²導入されていた。

【００４４】［比較例１］グルタルアルデヒドの量を４
ミリリットルとした以外は、実施例１と同様にして重合
体粒子を得た。グルタルアルデヒドの転化率は９３％で
あったが、得られた重合体粒子にはアルデヒド基は検出
されなかった。

【００４５】［実施例４］市販のポリスチレンラテック
ス（日本ゼオン株式会社製、ニポールＬＸ３０３）を使
用して、実施例１と同様にして重合体粒子を得た。グル
タルアルデヒドの転化率は９３％であり、得られた重合
体粒子の単位表面積当りのアルデヒド基は、６．３×１
０⁶モル／ｍ²であった。

【００４６】［実施例５］市販のポリスチレンラテック
ス（日本ゼオン株式会社製、ニポールＬＸ３０３）を使
用して、反応温度を変化させた以外は、実施例１と同様
にして重合体粒子を得た。反応温度と得られた重合体粒
子の単位表面積当りのアルデヒド基の量との関係につい
て、表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【発明の効果】本発明の製造方法によれば、従来公知の
アルデヒド基含有粒子の製造方法に比べ、重合体粒子の
組成、粒子径、粒子形状等に拘らず、容易に粒子表面に
アルデヒド基を導入することができる。本発明の粒子表
面にアルデヒド基を有する重合体粒子は、そのアルデヒ
ド基を利用して、酵素や抗原、抗体などのタンパク質と
比較的温和な条件下で共有結合反応させることができる
ため、タンパク質固定化用の担体として好適である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルデヒド基を有するポリ脂肪族ジアル
   デヒドを表面に有することを特徴とするアルデヒド基含
   有重合体粒子。
2. 【請求項２】 重合体粒子の懸濁液中で脂肪族ジアルデ
   ヒドのアルドール重縮合反応を行なうことを特徴とする
   アルデヒド基含有重合体粒子の製造方法。