大型放射光施設 SPring-8

公開日

2022年01月17日

2022年1月17日
国立大学法人　東京大学物性研究所
九州大学先導物質化学研究所

【研究成果のポイント】
・抗血栓高分子PMEAの抗血栓性発現のメカニズムを世界で初めて解明
・血液成分をバリアする層の足場となる水分子の解析に成功

【研究の背景】
　新型コロナウィルス感染症が世界的な問題となっている近年、体外式膜型人工肺（ECMO）が重症患者の命を繋ぐ砦として利用されています。しかし、ECMOの利用には血液循環に伴う回路内部での血栓形成が原因で長期間にわたる使用が不可能という制限があり、これが医療スタッフの不足という深刻な問題の原因の1つとなっています。この問題を解決するために、長期間の使用に耐えうるような、優れた抗血栓性を有する材料の開発が求められています。現在実用化されている材料にPMEAがあります。PMEAは優れた抗血栓性を示すことが知られており、これまでの研究から PMEAと血液成分との界面には特殊な構造の水がバリア層として存在していることが予想されていました（図1）。しかしながら、バリア層の形成メカニズムははっきりしておらず、さらに優れた抗血栓性を示す材料の開発は、経験則に頼らざるを得ないという状況でした。

【研究の成果】
　共同研究グループは、軟X線発光分光と原子間力顕微鏡^（注5）を組み合わせることにより、抗血栓性高分子PMEAの表面状態および界面に存在する水の水素結合^（注6）を詳しく調べることで、抗血栓性の起源となる水分子のバリア層の形成メカニズムの解明に挑みました。軟X線発光分光は水素結合に直接関与する電子の状態を観測できるため、水素結合の数やひずみの大きさなど、他の手法では得られない独自の情報が得られます。図2(a)にPMEA界面の水の軟Ｘ線発光スペクトルを示します。ここでは、隣接する湿度間の差スペクトルを表示しており、各湿度で段階的に取り込まれる水の情報を与えています。一方原子間力顕微鏡でも段階的に加湿を行い、図2(b)の模式図に示すように、PMEAの表面構造は水がなければ均一で、加湿に伴ってミクロ相分離構造が現れることが明らかになりました。この実空間の情報と軟X線発光スペクトルの組み合わせから、差スペクトルに矢印で示した527 eV付近のピークは、ミクロ相分離によってPMEAがまばらな領域が形成され、新たに露出したC=Oサイトに水が吸着して不凍水となった結果とわかりました。一方で、525～526 eVに現れる幅の広い構造は、疎水的なPMEAの凝集領域に積もった、水素結合の発達した四面体配位の水に主に由来すると考えられます。このように、ミクロ相分離の発達に合わせて不凍水の領域と四面体配位の水の領域に分かれてゆく様子を捉えることができました。赤外分光による先行研究においても、PMEAの C=Oサイトが完全に不凍水で覆われた後に、バリア層として働く水が形成されることが示されており、今回の研究結果は、ミクロ相分離の発達に伴って、不凍水を足場にしてバリア層が形成されることを示唆しています。つまり、PMEA と水分子の相互作用が引き起こすミクロ相分離によって露出した PMEA の少ない領域にバリア層として働く水が多く存在することが、抗血栓性の発現に関わっていると考えられます。

【今後の展開】
　本研究の成果は、高分子と水分子の相互作用による形態変化を捉え、水の役割を正しく理解することによって、既製品を超えたより優れた性能を持つ、新たな抗血栓性材料の設計指針を与えるもので、今後のバイオマテリアル創製に広く適用できると考えられます。これは新型コロナウィルス対策に限らず、今後の超高齢社会を支える医療技術の躍進のためにも重要で、幅広い展開が期待されます。

　本研究は、文部科学省科学研究費補助金・新学術領域研究（研究領域提案型）「水圏機能材料」（JP19H05717、JP19H05720）および挑戦的研究（萌芽）（19K22195）、日本医療研究開発機構（AMED）ウイルス等感染症対策技術開発事業「体外式膜型人工肺（ECMO）配管内壁コーティング材料の改良に関する研究開発（JP20he062203）」、AGCリサーチコラボレーション制度の助成を受けて行われました。

【用語解説】