Bombyx moriおよびAntheraea pernyiシルク繊維の効率的酸化とナノ分散による高性能膜の作製

要旨

Bombyx mori（BS）およびAntheraea pernyi（AS）シルク繊維を次亜塩素酸ナトリウムで酸化し、その後超音波処理することで、直径約105-112 nm、長さ1 μm超の個々のシルクナノファイバー（SN）を得る、スケーラブルで環境に優しい方法を報告します。これらSNをキャストして作製した膜は、光学的に透明（≥75%光透過率）、機械的に強靭（ヤング率≈4.5 GPa）、親水性が向上しています。pH調整により負帯電SNが凝集・再分散可能となり、初期分散の約100倍にあたる約20 wt%まで濃縮可能で、保存、輸送、下流工学応用を容易にします。

はじめに

自然界の階層的材料は、ポリマー化学と構造組織化を組み合わせることで優れた特性を発揮します。この戦略を合成材料で模倣するには、ネイティブナノ構造を保持しつつコスト効率よくスケーラブルなプロセスが必要です。セルロースやキチンナノファイバー分離の従来法（TEMPO媒介酸化など）は高価または有毒試薬を必要とし、典型的に低濃度分散液しか得られず実用を制限しています。昆虫やクモが生産するシルクも多重スケール繊維構造を持ち、卓越した機械的・生化学的性能を示します。しかし、シルクフィブロイン固有の高結晶性と強い繊維間接着のため、個々のシルクナノファイバー抽出は依然として困難です。

本アプローチは、TEMPOやNaBr触媒を必要とせず、選択的酸化の概念を適応させたものです。NaClO酸化でカルボキシル基を導入し、シルク繊維を安定ナノファイバーへ分散させるのに十分な静電反発を達成しつつ、強度を与えるβシート結晶コアを保持します。得られたSNは優れた光学的・機械的・濡れ特性を示し、独自のpH駆動凝集・再分散挙動により高密度充填を可能にします。

材料と方法

解繊シルク繊維の酸化

生BSおよびAS繊維（協和シルク）を0.02 M Na₂CO₃（1:400 w/w）で30分沸騰、洗浄、乾燥。脱膠繊維を88%ギ酸（1:20 w/w）に室温で≥1時間浸漬、10,000 rpmで3分均質化。8,000 rpm遠心分離で固体解繊維を回収。

酸化では、1 g解繊維を100 mL水に添加。NaOHでpH 10維持しながらNaClO添加、0.5 M HClでpH 7に停止。水不溶性分画を遠心分離（10,000 rpm）、洗浄、氷浴中で超音波処理（19.5 kHz、300 W、20分）し過熱防止、SN分散液を得ました。

X線回折

回折パターンをRigaku Ultima IV（Cu-Kα、λ=0.1542 nm）で記録。PeakFit 4.0でデコンボリューション、ピーク位置は二次微分解析で固定。

形態観察

希釈SN分散液（0.01 wt%）をシリコンウェハーまたはカーボン被覆Cuグリッドに滴下乾燥、JEOL JSM-7600F SEM（5 kV）とFEI Titan 80-300 TEM（80 kV）で観察。粒子寸法をImageJで定量化。

機械試験

BS、AS、セルロース（CN）、キチン（ChN）ナノファイバー膜（約50 μm厚）を溶媒蒸発でキャスト。ストリップ（60-80 mm×5 mm）をAG-Xplus万能試験機（1 mm/min、初期スパン20 mm）で試験。

光学的・濡れ特性

透過率（350-800 nm）をUltrospec 2100 proで測定。接触角を滴下計（共和界面科学）で測定、4 μL水滴を0.5秒以内に解析。

結果と考察

シルクナノファイバーの酸化と分離

ワークフロー（図1）はギ酸前処理で開始、マイクロファイバー（5-20 μm）を得ます。続くNaClO酸化（pH 10維持）でセリンヒドロキシメチル基を変換しカルボキシル基導入。カルボキシル濃度はNaClO添加量に比例増加；10 mM g⁻¹タンパク質でBS約0.72 mg g⁻¹、AS約0.84 mg g⁻¹を達成しつつ、タンパク質質量の>75%を保持。

酸化水不溶性分画の超音波処理で、直径105±27 nm（BS）、112±33 nm（AS）、長さ>1 μmのSNを得、酸化投入量に対する収率約50%。

結晶性

XRDで酸化後もβシート結晶性が保持されることを確認。デコンボリューションで、10 mM g⁻¹NaClO処理により結晸度がBS 24.8%→41.3%、AS 22.9%→39.2%へ増加、非晶領域の選択的除去で結晶コアを損なわずにいることを反映。

膜性能

SN膜は光学的に透明（>75%透過率）、機械的に強靭（ヤング率BS 4.51±0.71 GPa、AS 4.43±0.23 GPa）、再生シルクより親水的（接触角BS 58.8°、AS 55.7°、CN 40.3°、ChN 52.5°）。

pH応答性凝集・再分散

SNは中性pHで負ゼータ電位（約-40 mV）。pH低下でカルボキシル電荷がシールドされ凝集、pH>7で再分散。凝集体は遠心回収後再分散可能、初期約0.2 wt%分散液から約100倍濃縮（約20 wt%）達成、薬物送達と容易な取り扱いへの適合性を強調。

結論

有毒触媒を用いずNaClO酸化のみで個々のBSおよびASシルクナノファイバーを得る簡便スケーラブルな経路を実証。約110 nm SNは高アスペクト比、結晶完全性保持、透明強靭膜形成。pH制御凝集・再分散と高密度充填により、先進材料・医用応用への魅力を示します。