要旨

ホスト分子としてβ-シクロデキストリン（β-CD）、ゲストポリマーとしてフェロセン（Fc）を有するセルロースを使用した。 赤外スペクトル，示差走査熱量計（DSC），紫外分光法（UV）および接触角分析により，材料構造と包接挙動を評価した。 その結果、β-CD-セルロースとFc-セルロースは包接化合物を形成できることがわかった。 さらに、フェロセンの酸化、および状態の還元は、酸化剤としての次亜塩素酸ナトリウム（NaClO）と還元剤としてのグルタチオン（GSH）により調整できることがわかった。 本研究では，β-CD-セルロース/Fc-セルロースをベースとした物理ゲルを温和な条件で形成し，24時間後に切断面間の自律的治癒が起こることを確認した。 この物理ゲルはゾル-ゲル転移を制御することができる。 Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの圧縮強度はセルロース濃度の上昇に伴い増加した。 セルロースの側鎖間のホスト-ゲスト相互作用により、ゲルを強化することができた。 このセルロース物理ゲルは、最終的には刺激応答性治癒材料として、バイオメディカル用途に使用できる可能性がある。 はじめに

環境・エネルギー問題の高まりから、近年、自然界のバイオマスを原料としたセルロースが注目されている。 セルロースは、植物や綿や麻などの天然繊維の主成分として見出される最も豊富な天然由来のグルコースポリマーであり、環境に優しく、エネルギーを生み出す製品の需要の増加を満たすための再生可能で持続可能な原料資源と考えられている。 セルロースベースのハイドロゲルは、生体適合性と生分解性を有する材料であり、特に環境問題が重要視される場合、多くの産業用途で期待されています。 このような天然多糖類は、高い膨潤能、生体適合性、生分解性、生物学的機能などのユニークな特性により、例えば、廃水処理、食品産業、化粧品、生物医学、医薬品、組織工学用途など様々な分野のゲルの調製に広く使用されてきました。

地球上で最も豊富な再生可能多糖であるセルロース（th cellulose）はゲル作製の有力候補であり、セルロース-ポリマー複合ゲルやセルロース-無機ハイブリッドゲルなどセルロース系ゲルが報告されている。 セルロース系ハイドロゲルの設計と使用は、通常、生分解性とスマートな刺激感受性挙動を組み合わせ、自然界に多く存在するセルロースとセルロース誘導体の低コストとともに、セルロース系ハイドロゲルを特に魅力的にしている

セルロース系ゲルは、セルロース類の水性溶液を物理的または化学的に安定化することによって得られる。 セルロース系ゲルは、最も広く使用されているセルロース誘導体の一つであるメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、エチルセルロース（EC）、ヒドロキシエチルセルロース（HEC）、カルボキシメチルセルロース（NaCMC）などのセルロースエーテルの水溶液を適切にクロスリンクすることにより可逆または安定的に形成することが可能である。 使用するセルロース誘導体に応じて、多くの架橋剤と触媒を使用してゲルを形成することができます。 セルロースの架橋剤としては、エピクロルヒドリン、アルデヒド類、アルデヒド系試薬、尿素誘導体、カルボジイミド、多官能性カルボン酸などが広く使用されている。 材料応用の観点から、セルロースゲルは近年ますます注目されています。 特に、温度、pHなどの外部環境に対する応答性、薬物（薬物放出キャリア）などが注目され、非共有結合で連結されたセルロース超分子材料が広く研究されている。 本研究では、β-CD-セルロースとFc-セルロースを用いて、新規なセルロース物理ゲルを合成した。 また、β-CD-セルロースとFc-セルロースのホスト-ゲスト相互作用、ゾル-ゲル転移、超分子材料の酸化還元刺激特性について検討した。 材料および方法

セルロース、β-シクロデキストリン、エピクロロヒドリン、水酸化ナトリウム、塩化リチウム、N，N-ジメチルアセトアミド、塩化メチレン、フェロセンカルボン酸、塩化オキサリル、次亜塩素酸ナトリウムおよびグルタチオンは市販のものを入手しそのまま使用した。

IRスペクトルは、FTIR（Nicolet iN10 Thermo Fisher Scientific China）により400〜4000cm-1の領域で記録された。 DSC測定は、Diamond DSC装置（NETZSCHDSC 204）を用いて実施した。 乾燥した試料は、20〜150℃の圧力密閉型アルミニウムDSCセルに入れ、10℃分-1の加熱速度で加熱した。 表面接触角は動的接触角測定器（HARKE-SPCA、誤差±0.1°、北京HARKE実験器械工場）を用いて測定した。 セルロース粉末試料は、赤外線タブレットを用いて圧縮した。 表面接触角の測定は，材料浸透の要因をできるだけ避けるため，試験材料に液体を1秒間接触させた状態で行った． ゲルの形態的特性は走査型電子顕微鏡(S-3400N, HIACHI, Japan)を用いて行った。

25℃の蒸留水中でのゲルの膨潤比の測定には重量測定法を採用した。 蒸留水に約48時間浸漬して膨潤平衡に達した後、ゲル試料を取り出し、表面の余分な水分を除去した後、重量を測定した。 各データは3サンプル測定し、3回の平均値をとった。 平衡膨潤比(SR)は 、膨潤したゲルの重量、乾燥状態のゲルの重量として算出した。

ゲルの膨潤比は次のように測定した：乾燥ゲルを25℃の脱イオン水中に置いた。 所定時間ごとにゲル試料を水溶液から取り出し、膨潤平衡に達するまで品質 、重量を測定した。 膨潤速度： .

2.2. セルロース包接化合物の調製

2.2.1. セルロースCDの調製

セルロースを水酸化ナトリウム／尿素に溶解させた。 この溶液にシクロデキストリンとエピクロロヒドリンを加えた。 2時間攪拌した後、β-CDを加え、溶液を室温でさらに12時間攪拌した。 ポリマー生成物を蒸留水から再沈殿させ，蒸留水で洗浄した。 置換度は0.32wt%であり、フェノールフタレインプローブ法で検出した。

NaOH水溶液中でセルロースとエピクロロヒドリンがエポキシセルロースを生成し、エポキシ基を架橋としてβ-シクロデキストリンの水酸基を結合させた。 Fc-COClの合成

フェロセンカルボン酸をジクロロメタン(DCM)に懸濁させた。 次に塩化オキサリルを滴下し、懸濁液を室温で3時間攪拌した。 オレンジ色の懸濁液は赤色の溶液に変化した。 溶媒を蒸発させた後、固体生成物を回収した。

2.2.3. Cellulose-Fcの合成

セルロースを塩化リチウム／ジメチルアセトアミド（LiCl／DMAc）に溶解させた。 フェロセンカルボキシリッククロライド溶液を滴下した。 室温で一晩攪拌した後、溶液を蒸留水で洗浄した。 オレンジ色の固体を塩化リチウムで洗浄した。固体生成物を遠心分離機を介して集め、50℃で4日間乾燥し、セルロース-Fcを黄色の粉末として得た。 フェロセンのグラフト率は0.57~5.7wt%であり、セルロース反応前後の秤量により検出した

2.2.4. レドックス包接体の調製

酸化状態（または教育状態）生成物は、適量のNaClO aq.を振盪することにより調製した。 (14 mM)（またはGSH）とFc-CD-セルロース包接体（または酸化状態生成物）を室温で24時間振盪し、この溶液を蒸留水で洗浄した後、遠心分離器を介して固体生成物を集め、凍結乾燥させた。 粉末を20分間粉砕して錯体混合物を調製した

2.2.5. セルロースゲルの合成

フェロセンセルロースとシクロデキストリンセルロースをN，N-ジメチルホルムアミド（DMF）塩化リチウム溶液に溶解させた。 この溶液を湿度の高い箱の中でゲルが安定するまでガラスモールドに流し込みました。

3. 結果と考察

3.1. 特性評価

図1（曲線（a））および図1（曲線（b））は、セルロースおよびβ-CD-セルロースの赤外スペクトルを示す。 図1（曲線（a）、（b））によると、3380cm-1（水素結合の影響を受けた水酸基伸張）、1646cm-1、1354cm-1（カルボニル伸張）、1043cm-1（エーテルのカルボキシル）、2920cm-1（メチレン）にセルロースとβ-CD-セルロース構造で特徴ある吸収が観測された。 図1（曲線（c））からわかるように、フェロセン-セルロースの特徴的なピークは1402 cm-1, 1100 cm-1 VC-C (cyclopentadienyl ring), 816 cm-1 DC-H (cyclopentadienyl ring)であることが確認された。 包接化合物の赤外スペクトルからフェロセンの特徴的なピークが消失した（曲線（d））。 このことは，包接化合物中にフェロセンセルロースとシクロデキストリンセルロースが生成していることを示している。 同様の知見は、文献でも報告されている .

3.2. 熱分析

セルロース系包接体の熱分析曲線を図2に示すが、セルロースの曲線（a）はほぼ直線であるが、曲線（b）（CD-セルロース）、（e）（CD-セルロースとFc-セルロースの単純物理混合）は強い発熱ピーク（シクロデキストリン脱水吸収ピークが88.9℃，95.9℃），これは CD キャビティから大気中への水の損失に相当し，CD が物理混合物中でゲストとの複合化を起こしていないことを示す． それ以外の曲線(d) (包接化合物)は吸熱ピークがないことから、CDキャビティ内に水分子の代わりに別の分子が存在し、複合体試料中に純粋なCDが存在しないことが示唆された。 同様の結果は、他の薬物とCDの相互作用についても文献で報告されている 。

3.3. 酸化還元特性

フェロセンを含む包接化合物の酸化還元調節過程は広く研究されている。

金属フェロセンとβ-CDとのホスト-ゲスト相互作用は、フェロセンの酸化と還元による可逆的調節も可能である。 20年以上前に、還元型フェロセンがβ-CDと効果的に包接化合物を形成することが報告されたが、フェロセンの酸化は不可能であった。 フェロセンは還元状態では疎水性、酸化状態では親水性という性質がある。 フェロセンの酸化還元状態を変化させることで、二元的な包接化合物を形成する可逆的な制御が可能である。 したがって、セルロースにフェロセンをグラフト化することにより、セルロース材料の酸化還元応答性能が期待された。

金属フェロセンとβ-CDとのホスト-ゲスト相互作用もフェロセンの酸化・還元による可逆的な制御が可能であることがわかった。 20年以上前に、フェロセンが酸化されることは基本的に不可能であるが、β-CDとの包接化合物のフェロセン還元型が効果的であることが報告された。 フェロセンは還元状態では疎水性、酸化状態では親水性という性質がある。 フェロセンの酸化還元状態を変化させることにより、包接化合物の二元的な形態を可逆的に制御することができる。 したがって、セルロースにフェロセンをグラフト化したセルロース材料は、酸化還元応答性能が期待できる。

水との表面接触角を測定することにより、フェロセンの酸化還元挙動を検討した。 シクロデキストリン-セルロースの接触角は59.6°(図3(a))、フェロセン-セルロースの接触角は82.1°(図3(b))であった。 フェロセン-セルロースとシクロデキストリン-セルロースが包接錯体を形成すると，接触角は82.1°から61.2°に変化した（図3(c)）。 このことから，フェロセンがシクロデキストリンキャビティに包接されていることが実証された。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(a)
(b)
(c)
(d)
(e)

酸化剤にNaClO水溶液、還元剤にGSHを選択した。 セルロース-βCD/セルロース-Fc包接体に水性NaClOを添加すると、接触角が61.2°から71.7°に増加した（図3（d））。 一方、GSHを包接体に連続添加すると、Fc基が回復し、接触角は元の値に戻った（図3(e)）。 セルロースβ-CDは疎水性のため還元状態のFc基と高い親和性を示し、酸化状態のFc基（Fc+）はカチオン性のためセルロースβ-CDと低い親和性を示した。 さらに，セルロース包接化合物はフェロセンの酸化還元力によって優れたロックおよびアンロック特性を示した。 Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの圧縮強度

ゲルは3次元の親水性ポリマーネットワークに多量の水を介在させたものである。 このネットワークの架橋比率が機械的性質に重要である。 セルロースの濃度が1%(w/w)から5%(w/w)に増加すると、ゲル強度は5kPaから100.5kPaに増加した(図4)。 これは、セルロース濃度の増加により分子鎖上の官能基数が増加し、ネットワークの単位体積当たりの架橋部位が増加したためである。 また，Fcのグラフト率を変化させて架橋度を増加させた場合にも，同様の機械的強度の向上が見られた。 Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの圧縮強度は、Fcのグラフト率を0.57%（w/w）から5.66%（w/w）に変化させると13.32 kPa から 40.97 kPaになった（図5）ことから、セルロースの側鎖間のホスト-ゲスト間がゲルの三次元ネットワーク構造の形成に関与し、強度も影響を与えていることが示された。

3.5． Fc-セルロース／β-CD-セルロースゲルの吸水率＜1424＞＜7159＞ゲルの膨潤率は、ゲル自体の拡散特性、力学特性、光学特性、音響特性、表面特性に影響するため、与えられた環境条件に対して評価すべき最も重要な変数であった。 Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの膨潤比はセルロースの濃度が高くなるにつれて減少した（図6）。 これは、ハイドロゲルネットワークのメッシュが保持する水の量が、ポリマーネットワークの構造自体に依存するためである . Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルは、セルロース鎖を適切に架橋することで形成されている。 ポリマーネットワークの単位体積あたりの架橋部位の数は，セルロース濃度の増加とともに増加した。 図6

Fc-cellulose/β-CD-cellulose hydrogelの膨潤比を示したもの。

Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの再膨潤率は、乾燥ゲルを再び脱イオン水中に置いたとき、3330%(w/w)（図6）から73.06%（w/w）（図7）へと減少しました。 高吸水性ゲルの細孔径から、吸収効率を左右するのは保水力であることがわかった。 孔の数が多いほど、より多くの水を保持できることが観察される。 図 8 はセルロースゲルと Fc-cellulose/β-CD-cellulose ゲルの凍結乾燥形態であり、セルロースゲルに比べ Fc-cellulose/β-CD-cellulose ゲルはより緻密な細孔構造を持っていた。 このため，Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの再膨潤率は低い。

(a)

(b)

(a)
(b)

図8

ゲルのSEM像（（a）セルロースヒドロゲル、（b）Fc-α線）。セルロース/β-CD-セルロースハイドロゲル)。

3.6. ゲルの表面形態

また、図8にゲルの表面形態を示す。 セルロースおよびFc-セルロース／β-CD-セルロース包接体ゲルも同じ方法で作製した。 セルロースゲル（図8（a））は比較的大きな多孔質構造を有していた。Fc-セルロース/β-CD-セルロース包接複合体と同様に、ゲルは比較的密な表面構造を有していた。 これはセルロースの分子鎖構造の変化に伴う分子間力の違いによるものと考えられた。 Fc-セルロースとβ-CD-セルロースを用いて室温でセルロース物理ゲルを作製した。 β-CD-セルロースとFc-セルロースは包接化合物を形成することができる。 さらに、酸化剤としての次亜塩素酸ナトリウム（NaClO）と還元剤としてのグルタチオン（GSH）により、フェロセンの酸化および還元状態を調整することが可能である。 ゾル-ゲル転移を制御することができる。 Fc-セルロース/β-CD-セルロースゲルの圧縮強度は、セルロース濃度の増加とともに増加した。 セルロースの側鎖間のホスト-ゲスト相互作用により，ゲルを強化することができる。 したがって、これらの刺激応答性、治癒特性は、最終的には様々なバイオメディカル用途に利用できると考えられた。

Conflict of Interests

著者は、この論文の発表に関して利害関係がないことを宣言している。

謝辞

この論文は、「中央大学基礎研究基金」と「広西省林産物化学工学重点実験室開放基金プロジェクトGXFC12-03」によって支援されています。