京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

伝統技術を科学する

▼詳細

■研究の概要

　現在多く用いられているヘアカラーリング用の酸化染毛剤には人体への影響・環境への負荷・合成化学原料の持続性などに関する課題があります。すなわち、酸化染毛剤では、薬剤や染色中に発生する発がん性の副成物などによって疾病が引き起こされる場合があり、また、染色中に刺激性の揮発成分が放出され、染色廃液がそのまま下水に排出されています。本研究室では、このような課題の解決を目指して、アミノ酸と糖を染料前駆体として用いた染毛法の研究を行なっています。そして、この染毛法によって白色人毛が茶褐色に染色されることを見出しましたが、当初は染色温度が70 ℃という高温で、染色時間が4 hという長時間でありました。そこで、この方法における染色条件の低温・短時間化を実現するために様々な試みを行なってきた結果、まず、クエン酸をはじめとするリンゴ酸骨格をもつ有機酸の添加によって、染色温度が下がり、染色時間が短縮されることがわかりました。さらに、糖の開環・アルデヒド化に着目し、これを進行させるための酸化剤の染色溶液への添加を検討した結果、D-キシロース＋β-アラニン＋クエン酸＋NaIO₄系で毛髪を処理すると、48.5 ℃、75 minで褐色に染色できることが明らかになりました。　本研究で開発された方法は、人体や環境への負荷を低減し、原料獲得が持続的な染毛法や他の繊維材料の染色法として実現できる可能性をもっています。　アミノ酸としてはグリシン・β-アラニン・バリン・セリン・アルギニンなどが利用でき、糖としてはD-キシロース・D-リボース・D-フルクトース・D-ガラクトース・D-グルコースなどの単糖の他、二糖・オリゴ糖・多糖が利用できます。また、酸としてはクエン酸・リンゴ酸・酒石酸・乳酸などが利用できます。そして、染色条件によって、黄～橙～茶～濃褐色の色調に毛髪を染色できます。

■研究の概要

　超大規模集積回路（ULSI）の高集積化及び高機能化が進む中、半導体デバイス作製に関わる微細加工・薄膜形成技術において、プラズマプロセスの高精度制御が次なるブレイクスルーを生む鍵となっています。
　次世代ULSIに登場する高誘電率ゲート絶縁材料や電極材料などをナノメートル精度で成形する微細加工技術をはじめ、超高速演算処理プロセッサ作製において重要な工程となる低誘電率薄膜形成技術など、未来社会を担う情報処理素子を実現するプラズマプロセスの研究開発を行っています。
　半導体プロセスに用いられる反応性プラズマは既存の材料加工に適用されるのみならず、これまでにない全く新しい材料を生み出す可能性をも秘めています。ちょうど宇宙空間でこの地球という天体が生まれたように、プラズマという媒質中でこれまでにない条件での物質形成が可能です。室温プラズマ中で自発的にナノダイヤモンドが形成され、ミクロな物質へと成長していくのがその一例です。プラズマという熱的非平衡環境を積極的に利用し、ナノテクノロジーの要素技術を確立することを目指しています。一方で、プラズマ中の微粒子の振る舞いは結晶物質の原子のそれと似ており、微粒子によって形成されるクーロン結晶は新しい材料として注目されています。ドイツ・ロシア研究チームとの国際協力により国際宇宙ステーションでの実験に参加し、日本のモジュールであるきぼう（JEM）での実験を目指すべく航空機での無重力実験にも取り組んでいます。
　また、プラズマを用いて殺菌をすることもできます。あらゆるプラズマを駆使し、半導体先端材料の加工から、超微粒子の形成、宇宙、バイオ・医療分野まで、あらゆる材料とプロセスに挑戦します。

■研究の概要

■背景
　プラズマを用いて殺菌処理が可能です。プラズマにおける殺菌のメカニズムを解明すると共に新しい医療技術としてのプラズマの可能性を探ります。　生体細胞にプラズマを照射することにより、生体に刺激を与えられることがわかってきました。治療や細胞操作のための新たな方法として、プラズマを利用できることを願っています。
■目的
　大気雰囲気下でプラズマを発生させ、芽胞菌の殺滅を試みてきました。これはプラズマ滅菌技術の開発を前提としたものです。芽胞菌は通常はオゾン処理では死滅せず、死滅させるためには高温高圧処理や放射線処理など、比較的コストのかかる方法が必要とされます。低温で行う大量の器具に対する滅菌処理を開発するために、研究を重ねています。
■内容
　芽胞菌（G. stearothermophilus）の殺滅に関して、加熱処理とプラズマ照射についてそれぞれの効果を検証しました。加熱処理では、200℃を超える温度（試料表面において測定）でなければ滅菌されないのに対し、プラズマ照射では100℃以下の温度でも滅菌されることがわかりました。
　また、筋肉の細胞に対してプラズマを照射した時には、細胞は死滅するのではなく、ある機能を活発化させることがわかっています。
　プラズマが細胞へ与える影響を明らかにするために、細胞表面の元素組成並びに化学結合分析（X線光電子分光法）を行います。この分析により、細胞表面において、水素原子の脱離、酸素原子の付加、アミノ基やピラノース環の変性などがプラズマの影響として起こることがわかりました。
　大気圧雰囲気下でプラズマを発生させることにより、あらゆるもの（生体、液体、材料表面など）に電子、イオン、化学的活性種（オゾンや活性酸素など）を供給することができます。プラズマと生体との相互作用を理解し、新たな技術を提案することを目指します。
■応用
・大気雰囲気下で電子、イオンを発生させることができます。
・化学的活性種（励起分子・原子）を発生させることができます。
・好熱性細菌に対する殺菌処理が可能です。
・生体細胞に対して刺激を与えることが可能です。
・細胞表面の化学処理（官能基の付加など）が可能です。
・将来展望
・紫外線照射よりも効果的に水虫治療ができるかもしれません。
・水や薬剤を使わずに洗浄できるかもしれません。
　例えば、プラズマ洗髪。
・プラズマを照射することにより、液体の性質を変えることができます。
　例えば、pHの制御。
・プラズマを薬剤として生体に投与することができるかもしれません。

■研究の概要

■背景
・自然環境との共存を目指して、自然環境に影響の少ない小さな分子にまで自然分解させることのできる『生分解性プラスチック（グリーンプラ）』が開発されています。
・『光による分解』もまた、自然の力を生かした処理法として有用と考えられます。
・生分解性と光分解性も併せ持つことによって、相乗効果による分解性の向上、分解速度のコントロール、分解範囲の限定といったそれぞれの目的に合わせた分解制御が可能となります。
■目的
・本研究は、生分解性高分子に光増感剤を加えた系に対して、光を照射したのちに生分解試験を行うことで、生分解性に対する光照射の効果を明らかにし、より効率の良い生分解プラスチックを開発することを目的とします。
■内容
・一般に脂肪族飽和ポリエステルは、高い生分解特性を示しますが（図1の①）、可視光や紫外線を吸収する官能基を持たないため、光分解を起こしにくいです（同②）。しかし、ある種の光増感剤を加えると、増感剤が光を吸収して光イオン化することで（同③）、放出された電子が媒体のポリエステルに捕捉されてエステルラジカルアニオンが生じ（同④）、続いて主鎖が分解することでポリマー主鎖の切断反応が起こります（同⑤）。
・優れた生分解性を示す脂肪族系直鎖状ポリエステルであるPBS/PBTオリゴマーやポリ乳酸を対象に（図2）、それぞれ光増感剤TMPDを添加して生分解試験を行ったところ、事前に光増感剤を加えて光照射することで、いずれも生分解性が格段に向上しました（図3(a)および(b)）。
・光反応で生じるラジカル中間体を電子スピン共鳴法（ESR）を用いて調べたところ、光増感剤の光イオン化によって放出された電子が（図4③）、電子親和性に富むエステル部位に捕捉されてエステルラジカルアニオンを生じ（同④）、これを開始剤として主鎖切断反応が起き（同⑤）、分子量が低下したり（同⑥）、時にはマクロモノマーとなって他の分子と結合して分子量の増加を示すことがわかりました（同⑦）。
・生分解性が光照射によって向上したのは、光分解によってあらかじめ主鎖の分解が進んでいたため、酵素による分解が速くなったと考えられました。
■応用
・コンポスト化に対する補助力：生分解速度の遅いポリマーの分解速度を、光照射によって促進させます。
・溶媒に不溶なネットワークポリエステルを分解して、可溶化させます。
■将来展望
・生分解速度の制御：うまく光照射を行って、材料の一部分だけを速く分解させることで、「特定の構造を保ちながら分解しつつも、最後には全体が崩れる」など、コントロールされた分解様式を設計することが可能。
・ポリマーの側鎖へ光増感官能基を結合させ、光・生分解の両機能性を持つ単体の材料を作ります。
・より効率よく電子放出を行う光増感物質の探求。
・酸化チタンTiO?など、環境に負荷の低い光触媒を応用。

■研究の概要

■背景
・高分子材料は光・熱・機械的疲労によって容易に劣化するため（図1）、安定性向上の為には劣化反応経路の解明が不可欠です。
・劣化反応の中間体である短寿命ラジカル種を調べる手法としては、『スピントラップ法』が有用と考えられます（図2）。
・しかし、高分子材料などの固体系の試料でスピントラップ法を用いた研究例は、ほとんど報告されていません。
■目的
・スピントラップ法によって高分子材料の劣化反応の初期過程を明らかにするとともに、その有用性を検証し、実用的な可能性を探ります。
■内容
・高分子の熱劣化にともなって生成したラジカル種は、スピントラップ剤（MNP）によってトラップされ、比較的安定なラジカル種　（スピンアダクト）に変換され、ラジカル分子の分子構造や、それ自身の分子運動の速さによって異なる固有のESRスペクトルを示します（図2）。
・ポリブチレンテレフタレート（PBT）やポリオキシメチレン（POM）に、スピントラップ剤（MNP）を添加した試料を調製し、電子スピン共鳴（ESR）測定装置を用いて、サンプルを加熱しながらESRスペクトルを測定した例を図3に示します。
・ESRスペクトルを詳細にコンピュータ処理することで、スピンアダクトの分子構造を推測するとともに、各ラジカル濃度の経時変化を算出することができ、定性的かつ定量的な解析を行えます。
・解析結果をもとにPBTの熱劣化反応を考察することができました（図4）。
　・主鎖の－CH?－からH脱離が起きて－CH－が生じます。
　・－CH－はすぐにMNPにスピントラップされ、異方性を示すAI成分が観測されました（アニーリング初期）。
　・近傍のMNPが消費されると、次の主鎖β切断反応が優先的に起きて、アルデヒドとベンゾイルラジカルが生じます。
　・遠方のMNPによって鎖末端スピンアダクトが生じ、分子運動が比較的自由なため、hfcc≒0.8 mTの等方的なN成分が観測されました（アニーリング中期）。
■応用
・高分子材料の、熱的・光的・機械的な劣化の反応経路、材料としての寿命予測、曝されていた環境の履歴などを知ることができます。
■将来展望
・さまざまな材料に：高分子材料だけでなく、食品や生体組織なども対象に。
・より簡便に：スピントラップ剤入りの溶液を材料表面に塗布・乾燥するだけで、測定の準備が済ませられるように。
・より簡素な測定装置で：現在の数分の一の大きさ、卓上で測れる専用ESR装置が数百万円で購入できるように。

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