カーボンナノチューブを分離する方法
次記の工程を含む、実質的に同一の直径を有するカーボンナノチューブを分離する方法：カーボンナノチューブの試料の提供；試料内の個々のナノチューブの分離、少なくとも一部の分離したナノチューブとタンパクフィブリルとの複合体を形成するための、試料とタンパクフィブリルを含む溶液との混合、及び複合体を形成したナノチューブの分離。好適には、タンパクはコラーゲンである。分離されたナノチューブは、電子工学、医学及び材料科学の分野で使用可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを直径に従って分離する方法と、分離されたナノチューブの適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
単層型カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）は、平面上のグラフェンシートをシリンダー状に巻きあげたものである。それは半導体または金属の電導性を備えた一次元のナノ構造であり、技術的に非常に重要な素材である。通常は、ＳＷＣＮＴは化学蒸着法、アーク放電、レーザー切除法、または高圧法によって形成される。単層型カーボンナノチューブは、多くのメーカーより市販されている。例えば、Carbon Nanotechnologies Incorporated（米国）（米国特許６７６１８７０Ｂ１）、Thomas Swan（英国）、Nanocyl（ベルギー） 及びNanocarblab （ロシア）など。
【０００３】
そのようなカーボンナノチューブは０．５ｎｍ〜２ｎｍの間で様々な直径を有し得る。カーボンナノチューブが巻き上げられる方法によって、そのキラル構造が異なり得る。単層型のキラル構造によっては、その電子的、光学的な特性が異なる。特定の直径／キラル構造を有するチューブは、ナノ電子工学、センサー技術及び多くの基礎材料研究への適用に必要とされている。しかしながら、特定のキラル構造または直径のチューブを形成することは不可能であった（非特許文献１）。チューブをその電導性（金属と半導体）によって分離しようという、試みがいくつか見られた（非特許文献２，非特許文献３，非特許文献４）。また、直径によって分離しようという試みも見られた（非特許文献５，非特許文献６）。しかしながら、電導性によって分離する技術及び直径によって分離する技術が適用できる範囲は、狭い直径選択性範囲の、特定の電導性のチューブ（金属／半導体）に限られていた。
【０００４】
特許文献１は、純化の手段としての、ナノカーボンの可溶化について開示している。水溶性巨大分子をナノカーボンに加えて疑似ミセルを形成し、その後、ホモジナイザーで処理、分散させる。純化したナノカーボンは、濾過により取り除かれる。この方法によって、不純物は除去される。しかしながら、特定の直径のカーボンナノチューブの分離については言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２００５／０２７７６７５
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, Y. Ohtsuka, R. Sen, S. Suzuki, and Y. Achiba, Diameter control of single-wall carbon nanotubes. Carbon, 2000. 38(11-12): p. 1691-1697
【非特許文献２】M. Zheng, A. Jagota, M. S. Strano, A. P. Santos, P. Barone, S. G. Chou, B. A. Diner, M. S.Dresselhaus, R. S. Mclean, G. B. Onoa, G. G. Samsonidze, E. D. Semke, M. Usrey, and D. J. Walls, Structure-Based Carbon Nanotube Sorting by Sequence-Dependent DNA Assembly Science 2003 302: 1545-1548
【非特許文献３】Maeda, Y., S. Kimura, M. Kanda, Y. Hirashima, T. Hasegawa, T. Wakahara,Y.F. Lian, T. Nakahodo, T. Tsuchiya, T. Akasaka, J. Lu, X.W. Zhang, Z.X. Gao, Y.P. Yu, S. Nagase, S. Kazaoui, N. Minami, T. Shimizu, H. Tokumoto, and R. Saito, Large-scale separation of metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(29): p. 10287-10290
【非特許文献４】Chattopadhyay, D., I. Galeska, and P. Fotios, A Route for Bulk Separation of Semiconducting from Metallic Single-Wall Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc, 2003. 125: p. 3370- 3375
【非特許文献５】K. H. An, Chol-Min Yang, J. Yeong Lee, C. Kang, J. H. Son, M. S. Jeong, Y. H. Lee, A diameter-selective chiral separation of single-wall carbon nanotubes using nitronium ions, J. of Electronic Materials, 2006, 35(2): p. 235-242
【非特許文献６】M. S. Arnold, S. I. Stupp, M. C. Hersam, Enrichment of single-walled carbon nanotubes by diameter in density gradients, Nanoletters, 2005, 5(4): p 713-718
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、特定の直径を有する単層型のカーボンナノチューブを分離する改良された方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の最初の形態によれば、次記の工程を含む、実質的に同一の直径を有するカーボンナノチューブを分離する方法を提供する：
様々な直径のものが混合された、カーボンナノチューブ試料を供給する工程；
試料内の個々のナノチューブを分離する工程；
少なくとも一部の分離されたカーボンナノチューブと前記フィブリルとの複合体を形成させるために、タンパクフィブリルを含む溶液と混合する工程；及び
複合体を形成したナノチューブを分離する工程。
【０００９】
試料中の個々のナノチューブを分離するために、チューブには酸処理を施し、水中に分散させることができる。さらに、選択的に、界面活性剤を溶液に加えてもよい。この場合、チューブの酸処理を行う必要はない。
【００１０】
通常は、界面活性剤はＳＤＳ（ドデシル硫酸ナトリウム）であるが、他の界面活性剤を使用することもできる。
【００１１】
好ましい形態において、コラーゲンは１型コラーゲンである。コラーゲンは牛皮から得られたものでもよい。２型、３型、及び／または４型のような他のコラーゲンを使用してもよい。異なる型のコラーゲンの混合物も使用することができる。
【００１２】
有利には、コラーゲンは水に溶解される。しかし、他の溶剤を使用してもよい。
【００１３】
複合体を形成したチューブを分離する工程において、遠心分離及び／または分留を使用してもよい。
【００１４】
界面活性剤とコラーゲン溶液と混合する前に、試料を酸で処理してもよい。
【００１５】
カーボンナノチューブの直径は約０．８〜１．４ｎｍであって、好適には約０．９〜１．３ｎｍ、より好適には約１〜１．２ｎｍである。
【００１６】
本発明の第２の側面は、全体的にタンパクフィブリルで取り囲まれたカーボンナノチューブが得られることである。
【００１７】
本発明の第３の側面は、実質的に内部にバイオセンサーを有するカーボンナノチューブと繊維状タンパクの複合体が得られることである。
【００１８】
本発明の第４の側面は、繊維状タンパクとカーボンナノチューブの複合製剤が、治療に使用されることである。
【００１９】
本発明の第４の側面は、本発明の第４の側面は、関節炎治療の薬剤の製造に、カーボンナノチューブ及び繊維状タンパク製剤が使用されることである。
【００２０】
本発明の好ましい形態は、例示及び参照図によって開示されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｎａｎｏｃｙｌ ＳＷＣＮＴの３つの試料のラマンスペクトルを示す。ラマン測定は６３３ｎｍの励起で実施された。
【図２】Ｒｅｎｉｓｈａｗ社のラマン分光光度計を用いて、６３３ｎｍでＮａｎｏｃｙｌ社のＳＷＣＮＴを測定した、ＲＢＭモード（Radial breathing mode）を示す。
【図３】Ｒｉｃｅ ＳＷＣＮＴのＲＢＭモードを示す。ラマン測定はラマン分光光度計を用いて、６３３ｎｍの励起で行われた。
【図４】Ｘ線回折の結果を示す。ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅ（carbon Nanotechnologies Incorporated, USA製）と名付けられた２種類のチューブにおいて、２つの直径が選択されていることが、ラマンスペクトルから明らかにされている。チューブの直径（ラマン分光光度計で測定）の選択によって、異なる直径のコラーゲンマイクロフィブリル（X線回折で測定）が生成される。
【図５】分離されたチューブの共鳴領域を示すＫａｔａｕｒａプロットを示す。黒い円と灰色の円は、それぞれ半導体と金属のチューブを示している（Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Optical Properties of Single Wall Carbon Nanotubes. Synthetic Metals, 1999. 103: p. 2555-2558）。
【図６】約１．５ｎｍの直径のSWCNTの空間を有するコラーゲンマイクロフィブリルの構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ラマン分光は、ダイヤモンド、グラファイト、ダイヤモンド様カーボン、フラーレン及びカーボンナノチューブの特性を調べることができる、強力なツールである。単層型カーボンナノチューブの場合、励起レーザーエネルギーがバンドギャップと一致するとき、共鳴ラマン散乱が起こる。したがって、ラマンの強度は、試料内の特定のチューブの量を評価するために使用することができない（ Rao, A.M., E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P.C. Eklund, K.A. Williams, K.R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R.E. Smalley, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus, Diameter-Selective Raman Scattering from Vibrational Modes in Carbon Nanotubes. Science, 1997. 275: p. 187-191）。ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルにおいて、１３００〜１６００ｃｍ-1の間に２つの極大ピークがあり、低周波数領域（４００ｃｍ-1未満）にはほとんどピークが見られない。１５８０ｃｍ-1で現れるピークはＧ−ピークと呼ばれ、１３５０ｃｍ-1で現れるピークはＤ−ピークと呼ばれる。Ｄ−ピークは、欠陥の存在により共鳴が２倍になるときに、よく生じる。低周波数のピークは、チューブの放射性振動を通して現れるＲＢＭモード（Radial Breathing Modes）である（Rao, A.M., E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P. C. Eklund, K.A. Williams, K.R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R. E. Smalley, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus, Diameter- Selective Raman Scattering from Vibrational Modes in Carbon Nanotubes. Science, 1997. 275: p. 187-191）。ＲＢＭモードの周波数は、チューブの直径に依存する（ｄ＝２４８／波長）。単層型カーボンナノチューブの共鳴の挙動は複雑であり、チューブのバンド構造を用いた詳細な分析が必要である。Ｋａｔａｕｒａらは、ＳＷＣＮＴの共鳴ラマン散乱を基本的に説明づけるプロットを提案した（Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Optical Properties of Single Wall Carbon Nanotubes. Synthetic Metals, 1999. 103: p. 2555-2558）。この研究の中で、１．９ｅＶの励起レーザーが使用され、２１０ｃｍ-1周辺にＲＢＭモードが検出される。図４中の円の部分が、我々が興味を有する共鳴領域である。
【００２３】
典型的なＳＷＣＮＴ／ＳＤＳ／コラーゲンの複合体は、次記の方法で生成される。２４．０ｇのＳＷＣＮＴについて、２０ｍｌの０．５％ＳＤＳ溶液中で、１時間、水浴超音波振動機（２５ｋＨｚ）による超音波処理を行う。これにより、チューブの束が崩され、個々のチューブが分離されるため、ＳＷＣＮＴを分散させることができる。続いて、１２ｍｌのコラーゲン溶液（２ｍｇ／ｍｌ、牛皮由来の１型コラーゲン、シグマ社より販売）を、前述の混合物に加え、室温で２４時間攪拌する。チューブはマイクロフィブリルを形成するコラーゲンと相互反応する。コラーゲンのマイクロフィブリルに適した直径を有するＳＷＣＮＴが捕捉される（図６）。すべてのチューブが混合物中に分散されなかった場合には、混合物は密度によって分離される。混合物はさらに３０分間超音波処理され、１０，０００ｇで２５分間遠心分離され、２つの部分に分けられる。１つは上清、もう１つは沈殿である。上清には、コラーゲンに包まれ、分離されたチューブが含まれる。
【００２４】
チューブはコラーゲンに包まれた状態で得られても、コラーゲンが取り除かれた状態で得られてもよい。コラーゲンは高温で非常に不安定であり、かつ酸素存在下では分解してしまうため、例えば、熱処理（５００℃までのオーブン等）か化学処理（酸処理等）によって、単層型カーボンナノチューブからコラーゲンを取り除くことができる。
【実施例】
【００２５】
２つの供給源の異なるＳＷＣＮＴを使用した２セットの試料を用意した；
Ａ．化学蒸着（ＣＶＤ）処理されたＮａｎｏｃｙｌチューブ、及び
Ｂ．高圧1酸化炭素（ＨＩＰＣＯ）処理されたＲｉｃｅチューブ。
市販のＳＷＣＮＴの中には金属ナノ粒子を含有しているものもあるため、分離方法を実施するために、例えば酸処理等を行い清浄化することが理想的である。Ｎａｎｏｃｙｌチューブは、２〜３Ｍの硝酸溶液中での１２〜４８時間（通常は２４時間）の還流、高速遠心分離、脱イオン化水による繰り返し洗浄、真空乾燥が行われることで純化された。この方法により、ナノチューブの側壁に主にカルボキシル基よりなる酸性基が付加される。選択的に、チューブは、続けて塩酸処理を施してもよい。
【００２６】
ＳＷＣＮＴ／ＳＤＳ／コラーゲン複合体は、各試料について前述の方法を用いて生成された。
【００２７】
ＳＤＳで覆われたチューブは、変性する前のコラーゲンと接触する。２４時間の溶液攪拌時に、コラーゲンフィブリルの一部が自己凝集によりマイクロフィブリルを形成する（図６）。個々のコラーゲンナノフィブリル（直径〜１．３５ｎｍ）は、５つのフィブリルで擬似六角形を形成するように並ぶ。この現象は、次の文献に開示されている：Orgel, J.P.R.O., T.C. Irving, A. Miller, and T.J. Wess, Microfibrillar Structure of Type I Collagen in situ. Biophysical Journal, 2006. 103(24): p. 9001-9005。典型的には、マイクロフィブリル集合体の直径は約３．８ｎｍであり、マイクロフィブリル集合体の孔の直径は１．１ｎｍである（図５に示す）。ＳＷＣＮＴは孔内に入り、そこに保持される。様々な直径について文献に報告されてきたところによると、計算された空間はマイクロフィブリルとナノフィブリルの直径の値に依存する。我々は２つの異なる供給源から得られたＳＷＣＮＴについて検討しており、異なる直径のマイクロフィブリルを観察している。直径の大きなチューブを用いると、マイクロフィブリルの直径も大きい。これは、大きなチューブはマイクロフィブリル中により大きな空間を必要とするため、マイクロフィブリルの直径を広げるためである。ＳＷＣＮＴなしでコラーゲンが界面活性剤と組み合わせされると、マイクロフィブリル構造は崩れてバラバラになる。しかしながら、コラーゲンナノチューブ複合体構造は、界面活性剤がなくても、分散したチューブがあれば形成される。ナノチューブを酸処理する場合、界面活性剤を使用することが好ましい。
【００２８】
ラマンスペクトル測定は、６３３ｎｍの励起レーザーを有するＲｅｎｉｓｈａｗラマン分光光度計を使用して実施した。Ｘ線回折測定は、標準的な設備と技術を使用して実施した。
【００２９】
試料セットＡ：Ｎａｎｏｃｙｌチューブ。
図１は、Ｎａｎｏｃｙｌチューブの３つの試料のラマンスペクトルを示す：i)酸処理された資料（未分離）、ii)分離されたチューブを含む溶液（ＳＤＳとコラーゲンによる処理後）、及びiii)すべてのタイプのチューブを含む沈殿。
【００３０】
ラマンスペクトルのＲＢＭモードを図２に示す。第１の試料（純化されたチューブ）は多くのＲＢＭピークを示す。沈殿も多くのＲＢＭピークを示す。しかしながら、溶液は１つのＲＢＭピークを示し、これは、1つの直径のチューブを多く含む溶液であることを意味する。直径は、約１．２ｎｍと計算される。
【００３１】
試料セットＢ：Ｒｉｃｅチューブ。
図３はＲｉｃｅチューブを有する試料のラマンスペクトルを示す：i)分離されたチューブ、ii)沈殿チューブ。
【００３２】
分離されたチューブが約２５０ｃｍ-1のＲＢＭを有するチューブを多く含むことが非常に明確に示されており、対応するチューブの直径は約１ｎｍである。これらのチューブについてはＳＤＳと混合する前に酸処理を行った。
【００３３】
Ｘ線回折の結果（図４）は、両方のタイプのチューブにおいて、コラーゲンのマイクロフィブリルは、類似の規則的な構造を形成することを示す。しかしながら、このような規則的な構造形成は、可溶部のみに見られ、沈殿には見られない。Ｘ線回折により測定された、ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅのチューブについての、コラーゲンマイクロフィブリルの直径は、それぞれ４．３ｎｍ、４ｎｍであった。ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅの分離されたナノチューブの直径は、それぞれ１．２ｎｍ、１ｎｍであり、この差はＲＢＭモードで測定された差と一致する。
【００３４】
本発明は、ＳＷＣＮＴとコラーゲンの相互反応を利用して、簡便、定量的、かつ安価な技術を使用した、特定の直径を有する単層型カーボンナノチューブの分離を可能とする。ラマン分光は、直径の選択性の証拠を示し、Ｘ線回折はマイクロフィブリル形成の証拠を示す。
【００３５】
分離されたカーボンナノチューブは、電子工学、医学、及び材料科学を含む種々の分野に広く適用可能である。
【００３６】
コラーゲンの代わりに、他の直径のチューブを選択するために、類似の相互反応機構を利用し、他の分子を使用することも可能である。ＳＷＣＮＴの抗原性により困難な場合に、体内にＳＷＣＮＴを投与するためにそれを使用することもできる。ＳＷＣＮＴはコラーゲンで覆われているため、非自己として攻撃されることなく、体内に取り込まれることができる。さらに、投与の前に材料をＳＷＣＮＴ内部に挿入することができる。例えば、バイオセンサーをＳＷＣＮＴ内部に挿入し、体内に投与することができる。他の材料、例えば、化粧品として使用される着色材料をＳＷＣＮＴ内部に挿入することもできる。
【００３７】
ＳＷＣＮＴは、例えば、瘢痕組織付近の皮膚の収縮を防ぎ、皮膚を強くするために使用することができる。これは、特に火傷患者の美容外科手術において有用である。ＳＷＣＮＴを動物の皮膚に導入することで、皮を強くし、革製品の強度を改良することができる。
【００３８】
コラーゲンは、身体周辺の多くの組織に自然に存在する。軟骨がその１例である。軟骨の被覆または損傷が見られる箇所（関節炎等による）、あるいは関節置換手術において、ＳＷＣＮＴによって軟骨が強化される。また、他の１例として骨髄も挙げられる。骨髄において、ＳＷＣＮＴは、播種材料として使用可能である。
【００３９】
多様な修正が想定される。
【００４０】
前述の工程によってチューブを分離するためには、あらゆる供給源からのあらゆる種類のコラーゲンを、使用可能である。コラーゲンは天然由来（動物または人間の組織）であってもよく、合成であってもよい。
【００４１】
コラーゲンは、チューブの直径を選択する際に、修正してもよい。
【００４２】
カーボンナノチューブは有機または無機分子の薄層で覆われ、効果的な直径へと修正されてもよく、特定のコラーゲンを使用してその直径のチューブを選択することが可能となる。
【００４３】
分離されたチューブを含む上清部分の分離には、遠心分離または分留のような、あらゆる分離手段を使用することができる。
【００４４】
個々のナノチューブを得るために、ナノチューブを分散させる、あらゆる方法を使用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを直径に従って分離する方法と、分離されたナノチューブの適用に関する。
【背景技術】
【０００２】
単層型カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）は、平面上のグラフェンシートをシリンダー状に巻きあげたものである。それは半導体または金属の電導性を備えた一次元のナノ構造であり、技術的に非常に重要な素材である。通常は、ＳＷＣＮＴは化学蒸着法、アーク放電、レーザー切除法、または高圧法によって形成される。単層型カーボンナノチューブは、多くのメーカーより市販されている。例えば、Carbon Nanotechnologies Incorporated（米国）（米国特許６７６１８７０Ｂ１）、Thomas Swan（英国）、Nanocyl（ベルギー） 及びNanocarblab （ロシア）など。
【０００３】
そのようなカーボンナノチューブは０．５ｎｍ〜２ｎｍの間で様々な直径を有し得る。カーボンナノチューブが巻き上げられる方法によって、そのキラル構造が異なり得る。単層型のキラル構造によっては、その電子的、光学的な特性が異なる。特定の直径／キラル構造を有するチューブは、ナノ電子工学、センサー技術及び多くの基礎材料研究への適用に必要とされている。しかしながら、特定のキラル構造または直径のチューブを形成することは不可能であった（非特許文献１）。チューブをその電導性（金属と半導体）によって分離しようという、試みがいくつか見られた（非特許文献２，非特許文献３，非特許文献４）。また、直径によって分離しようという試みも見られた（非特許文献５，非特許文献６）。しかしながら、電導性によって分離する技術及び直径によって分離する技術が適用できる範囲は、狭い直径選択性範囲の、特定の電導性のチューブ（金属／半導体）に限られていた。
【０００４】
特許文献１は、純化の手段としての、ナノカーボンの可溶化について開示している。水溶性巨大分子をナノカーボンに加えて疑似ミセルを形成し、その後、ホモジナイザーで処理、分散させる。純化したナノカーボンは、濾過により取り除かれる。この方法によって、不純物は除去される。しかしながら、特定の直径のカーボンナノチューブの分離については言及されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２００５／０２７７６７５
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, Y. Ohtsuka, R. Sen, S. Suzuki, and Y. Achiba, Diameter control of single-wall carbon nanotubes. Carbon, 2000. 38(11-12): p. 1691-1697
【非特許文献２】M. Zheng, A. Jagota, M. S. Strano, A. P. Santos, P. Barone, S. G. Chou, B. A. Diner, M. S.Dresselhaus, R. S. Mclean, G. B. Onoa, G. G. Samsonidze, E. D. Semke, M. Usrey, and D. J. Walls, Structure-Based Carbon Nanotube Sorting by Sequence-Dependent DNA Assembly Science 2003 302: 1545-1548
【非特許文献３】Maeda, Y., S. Kimura, M. Kanda, Y. Hirashima, T. Hasegawa, T. Wakahara,Y.F. Lian, T. Nakahodo, T. Tsuchiya, T. Akasaka, J. Lu, X.W. Zhang, Z.X. Gao, Y.P. Yu, S. Nagase, S. Kazaoui, N. Minami, T. Shimizu, H. Tokumoto, and R. Saito, Large-scale separation of metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(29): p. 10287-10290
【非特許文献４】Chattopadhyay, D., I. Galeska, and P. Fotios, A Route for Bulk Separation of Semiconducting from Metallic Single-Wall Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc, 2003. 125: p. 3370- 3375
【非特許文献５】K. H. An, Chol-Min Yang, J. Yeong Lee, C. Kang, J. H. Son, M. S. Jeong, Y. H. Lee, A diameter-selective chiral separation of single-wall carbon nanotubes using nitronium ions, J. of Electronic Materials, 2006, 35(2): p. 235-242
【非特許文献６】M. S. Arnold, S. I. Stupp, M. C. Hersam, Enrichment of single-walled carbon nanotubes by diameter in density gradients, Nanoletters, 2005, 5(4): p 713-718
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、特定の直径を有する単層型のカーボンナノチューブを分離する改良された方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の最初の形態によれば、次記の工程を含む、実質的に同一の直径を有するカーボンナノチューブを分離する方法を提供する：
様々な直径のものが混合された、カーボンナノチューブ試料を供給する工程；
試料内の個々のナノチューブを分離する工程；
少なくとも一部の分離されたカーボンナノチューブと前記フィブリルとの複合体を形成させるために、タンパクフィブリルを含む溶液と混合する工程；及び
複合体を形成したナノチューブを分離する工程。
【０００９】
試料中の個々のナノチューブを分離するために、チューブには酸処理を施し、水中に分散させることができる。さらに、選択的に、界面活性剤を溶液に加えてもよい。この場合、チューブの酸処理を行う必要はない。
【００１０】
通常は、界面活性剤はＳＤＳ（ドデシル硫酸ナトリウム）であるが、他の界面活性剤を使用することもできる。
【００１１】
好ましい形態において、コラーゲンは１型コラーゲンである。コラーゲンは牛皮から得られたものでもよい。２型、３型、及び／または４型のような他のコラーゲンを使用してもよい。異なる型のコラーゲンの混合物も使用することができる。
【００１２】
有利には、コラーゲンは水に溶解される。しかし、他の溶剤を使用してもよい。
【００１３】
複合体を形成したチューブを分離する工程において、遠心分離及び／または分留を使用してもよい。
【００１４】
界面活性剤とコラーゲン溶液と混合する前に、試料を酸で処理してもよい。
【００１５】
カーボンナノチューブの直径は約０．８〜１．４ｎｍであって、好適には約０．９〜１．３ｎｍ、より好適には約１〜１．２ｎｍである。
【００１６】
本発明の第２の側面は、全体的にタンパクフィブリルで取り囲まれたカーボンナノチューブが得られることである。
【００１７】
本発明の第３の側面は、実質的に内部にバイオセンサーを有するカーボンナノチューブと繊維状タンパクの複合体が得られることである。
【００１８】
本発明の第４の側面は、繊維状タンパクとカーボンナノチューブの複合製剤が、治療に使用されることである。
【００１９】
本発明の第４の側面は、本発明の第４の側面は、関節炎治療の薬剤の製造に、カーボンナノチューブ及び繊維状タンパク製剤が使用されることである。
【００２０】
本発明の好ましい形態は、例示及び参照図によって開示されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｎａｎｏｃｙｌ ＳＷＣＮＴの３つの試料のラマンスペクトルを示す。ラマン測定は６３３ｎｍの励起で実施された。
【図２】Ｒｅｎｉｓｈａｗ社のラマン分光光度計を用いて、６３３ｎｍでＮａｎｏｃｙｌ社のＳＷＣＮＴを測定した、ＲＢＭモード（Radial breathing mode）を示す。
【図３】Ｒｉｃｅ ＳＷＣＮＴのＲＢＭモードを示す。ラマン測定はラマン分光光度計を用いて、６３３ｎｍの励起で行われた。
【図４】Ｘ線回折の結果を示す。ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅ（carbon Nanotechnologies Incorporated, USA製）と名付けられた２種類のチューブにおいて、２つの直径が選択されていることが、ラマンスペクトルから明らかにされている。チューブの直径（ラマン分光光度計で測定）の選択によって、異なる直径のコラーゲンマイクロフィブリル（X線回折で測定）が生成される。
【図５】分離されたチューブの共鳴領域を示すＫａｔａｕｒａプロットを示す。黒い円と灰色の円は、それぞれ半導体と金属のチューブを示している（Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Optical Properties of Single Wall Carbon Nanotubes. Synthetic Metals, 1999. 103: p. 2555-2558）。
【図６】約１．５ｎｍの直径のSWCNTの空間を有するコラーゲンマイクロフィブリルの構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
ラマン分光は、ダイヤモンド、グラファイト、ダイヤモンド様カーボン、フラーレン及びカーボンナノチューブの特性を調べることができる、強力なツールである。単層型カーボンナノチューブの場合、励起レーザーエネルギーがバンドギャップと一致するとき、共鳴ラマン散乱が起こる。したがって、ラマンの強度は、試料内の特定のチューブの量を評価するために使用することができない（ Rao, A.M., E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P.C. Eklund, K.A. Williams, K.R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R.E. Smalley, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus, Diameter-Selective Raman Scattering from Vibrational Modes in Carbon Nanotubes. Science, 1997. 275: p. 187-191）。ＳＷＣＮＴのラマンスペクトルにおいて、１３００〜１６００ｃｍ-1の間に２つの極大ピークがあり、低周波数領域（４００ｃｍ-1未満）にはほとんどピークが見られない。１５８０ｃｍ-1で現れるピークはＧ−ピークと呼ばれ、１３５０ｃｍ-1で現れるピークはＤ−ピークと呼ばれる。Ｄ−ピークは、欠陥の存在により共鳴が２倍になるときに、よく生じる。低周波数のピークは、チューブの放射性振動を通して現れるＲＢＭモード（Radial Breathing Modes）である（Rao, A.M., E. Richter, S. Bandow, B. Chase, P. C. Eklund, K.A. Williams, K.R. Subbaswamy, M. Menon, A. Thess, R. E. Smalley, G. Dresselhaus, and M.S. Dresselhaus, Diameter- Selective Raman Scattering from Vibrational Modes in Carbon Nanotubes. Science, 1997. 275: p. 187-191）。ＲＢＭモードの周波数は、チューブの直径に依存する（ｄ＝２４８／波長）。単層型カーボンナノチューブの共鳴の挙動は複雑であり、チューブのバンド構造を用いた詳細な分析が必要である。Ｋａｔａｕｒａらは、ＳＷＣＮＴの共鳴ラマン散乱を基本的に説明づけるプロットを提案した（Kataura, H., Y. Kumazawa, Y. Maniwa, I. Umezu, S. Suzuki, Y. Ohtsuka, and Y. Achiba, Optical Properties of Single Wall Carbon Nanotubes. Synthetic Metals, 1999. 103: p. 2555-2558）。この研究の中で、１．９ｅＶの励起レーザーが使用され、２１０ｃｍ-1周辺にＲＢＭモードが検出される。図４中の円の部分が、我々が興味を有する共鳴領域である。
【００２３】
典型的なＳＷＣＮＴ／ＳＤＳ／コラーゲンの複合体は、次記の方法で生成される。２４．０ｇのＳＷＣＮＴについて、２０ｍｌの０．５％ＳＤＳ溶液中で、１時間、水浴超音波振動機（２５ｋＨｚ）による超音波処理を行う。これにより、チューブの束が崩され、個々のチューブが分離されるため、ＳＷＣＮＴを分散させることができる。続いて、１２ｍｌのコラーゲン溶液（２ｍｇ／ｍｌ、牛皮由来の１型コラーゲン、シグマ社より販売）を、前述の混合物に加え、室温で２４時間攪拌する。チューブはマイクロフィブリルを形成するコラーゲンと相互反応する。コラーゲンのマイクロフィブリルに適した直径を有するＳＷＣＮＴが捕捉される（図６）。すべてのチューブが混合物中に分散されなかった場合には、混合物は密度によって分離される。混合物はさらに３０分間超音波処理され、１０，０００ｇで２５分間遠心分離され、２つの部分に分けられる。１つは上清、もう１つは沈殿である。上清には、コラーゲンに包まれ、分離されたチューブが含まれる。
【００２４】
チューブはコラーゲンに包まれた状態で得られても、コラーゲンが取り除かれた状態で得られてもよい。コラーゲンは高温で非常に不安定であり、かつ酸素存在下では分解してしまうため、例えば、熱処理（５００℃までのオーブン等）か化学処理（酸処理等）によって、単層型カーボンナノチューブからコラーゲンを取り除くことができる。
【実施例】
【００２５】
２つの供給源の異なるＳＷＣＮＴを使用した２セットの試料を用意した；
Ａ．化学蒸着（ＣＶＤ）処理されたＮａｎｏｃｙｌチューブ、及び
Ｂ．高圧1酸化炭素（ＨＩＰＣＯ）処理されたＲｉｃｅチューブ。
市販のＳＷＣＮＴの中には金属ナノ粒子を含有しているものもあるため、分離方法を実施するために、例えば酸処理等を行い清浄化することが理想的である。Ｎａｎｏｃｙｌチューブは、２〜３Ｍの硝酸溶液中での１２〜４８時間（通常は２４時間）の還流、高速遠心分離、脱イオン化水による繰り返し洗浄、真空乾燥が行われることで純化された。この方法により、ナノチューブの側壁に主にカルボキシル基よりなる酸性基が付加される。選択的に、チューブは、続けて塩酸処理を施してもよい。
【００２６】
ＳＷＣＮＴ／ＳＤＳ／コラーゲン複合体は、各試料について前述の方法を用いて生成された。
【００２７】
ＳＤＳで覆われたチューブは、変性する前のコラーゲンと接触する。２４時間の溶液攪拌時に、コラーゲンフィブリルの一部が自己凝集によりマイクロフィブリルを形成する（図６）。個々のコラーゲンナノフィブリル（直径〜１．３５ｎｍ）は、５つのフィブリルで擬似六角形を形成するように並ぶ。この現象は、次の文献に開示されている：Orgel, J.P.R.O., T.C. Irving, A. Miller, and T.J. Wess, Microfibrillar Structure of Type I Collagen in situ. Biophysical Journal, 2006. 103(24): p. 9001-9005。典型的には、マイクロフィブリル集合体の直径は約３．８ｎｍであり、マイクロフィブリル集合体の孔の直径は１．１ｎｍである（図５に示す）。ＳＷＣＮＴは孔内に入り、そこに保持される。様々な直径について文献に報告されてきたところによると、計算された空間はマイクロフィブリルとナノフィブリルの直径の値に依存する。我々は２つの異なる供給源から得られたＳＷＣＮＴについて検討しており、異なる直径のマイクロフィブリルを観察している。直径の大きなチューブを用いると、マイクロフィブリルの直径も大きい。これは、大きなチューブはマイクロフィブリル中により大きな空間を必要とするため、マイクロフィブリルの直径を広げるためである。ＳＷＣＮＴなしでコラーゲンが界面活性剤と組み合わせされると、マイクロフィブリル構造は崩れてバラバラになる。しかしながら、コラーゲンナノチューブ複合体構造は、界面活性剤がなくても、分散したチューブがあれば形成される。ナノチューブを酸処理する場合、界面活性剤を使用することが好ましい。
【００２８】
ラマンスペクトル測定は、６３３ｎｍの励起レーザーを有するＲｅｎｉｓｈａｗラマン分光光度計を使用して実施した。Ｘ線回折測定は、標準的な設備と技術を使用して実施した。
【００２９】
試料セットＡ：Ｎａｎｏｃｙｌチューブ。
図１は、Ｎａｎｏｃｙｌチューブの３つの試料のラマンスペクトルを示す：i)酸処理された資料（未分離）、ii)分離されたチューブを含む溶液（ＳＤＳとコラーゲンによる処理後）、及びiii)すべてのタイプのチューブを含む沈殿。
【００３０】
ラマンスペクトルのＲＢＭモードを図２に示す。第１の試料（純化されたチューブ）は多くのＲＢＭピークを示す。沈殿も多くのＲＢＭピークを示す。しかしながら、溶液は１つのＲＢＭピークを示し、これは、1つの直径のチューブを多く含む溶液であることを意味する。直径は、約１．２ｎｍと計算される。
【００３１】
試料セットＢ：Ｒｉｃｅチューブ。
図３はＲｉｃｅチューブを有する試料のラマンスペクトルを示す：i)分離されたチューブ、ii)沈殿チューブ。
【００３２】
分離されたチューブが約２５０ｃｍ-1のＲＢＭを有するチューブを多く含むことが非常に明確に示されており、対応するチューブの直径は約１ｎｍである。これらのチューブについてはＳＤＳと混合する前に酸処理を行った。
【００３３】
Ｘ線回折の結果（図４）は、両方のタイプのチューブにおいて、コラーゲンのマイクロフィブリルは、類似の規則的な構造を形成することを示す。しかしながら、このような規則的な構造形成は、可溶部のみに見られ、沈殿には見られない。Ｘ線回折により測定された、ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅのチューブについての、コラーゲンマイクロフィブリルの直径は、それぞれ４．３ｎｍ、４ｎｍであった。ＮａｎｏｃｙｌとＲｉｃｅの分離されたナノチューブの直径は、それぞれ１．２ｎｍ、１ｎｍであり、この差はＲＢＭモードで測定された差と一致する。
【００３４】
本発明は、ＳＷＣＮＴとコラーゲンの相互反応を利用して、簡便、定量的、かつ安価な技術を使用した、特定の直径を有する単層型カーボンナノチューブの分離を可能とする。ラマン分光は、直径の選択性の証拠を示し、Ｘ線回折はマイクロフィブリル形成の証拠を示す。
【００３５】
分離されたカーボンナノチューブは、電子工学、医学、及び材料科学を含む種々の分野に広く適用可能である。
【００３６】
コラーゲンの代わりに、他の直径のチューブを選択するために、類似の相互反応機構を利用し、他の分子を使用することも可能である。ＳＷＣＮＴの抗原性により困難な場合に、体内にＳＷＣＮＴを投与するためにそれを使用することもできる。ＳＷＣＮＴはコラーゲンで覆われているため、非自己として攻撃されることなく、体内に取り込まれることができる。さらに、投与の前に材料をＳＷＣＮＴ内部に挿入することができる。例えば、バイオセンサーをＳＷＣＮＴ内部に挿入し、体内に投与することができる。他の材料、例えば、化粧品として使用される着色材料をＳＷＣＮＴ内部に挿入することもできる。
【００３７】
ＳＷＣＮＴは、例えば、瘢痕組織付近の皮膚の収縮を防ぎ、皮膚を強くするために使用することができる。これは、特に火傷患者の美容外科手術において有用である。ＳＷＣＮＴを動物の皮膚に導入することで、皮を強くし、革製品の強度を改良することができる。
【００３８】
コラーゲンは、身体周辺の多くの組織に自然に存在する。軟骨がその１例である。軟骨の被覆または損傷が見られる箇所（関節炎等による）、あるいは関節置換手術において、ＳＷＣＮＴによって軟骨が強化される。また、他の１例として骨髄も挙げられる。骨髄において、ＳＷＣＮＴは、播種材料として使用可能である。
【００３９】
多様な修正が想定される。
【００４０】
前述の工程によってチューブを分離するためには、あらゆる供給源からのあらゆる種類のコラーゲンを、使用可能である。コラーゲンは天然由来（動物または人間の組織）であってもよく、合成であってもよい。
【００４１】
コラーゲンは、チューブの直径を選択する際に、修正してもよい。
【００４２】
カーボンナノチューブは有機または無機分子の薄層で覆われ、効果的な直径へと修正されてもよく、特定のコラーゲンを使用してその直径のチューブを選択することが可能となる。
【００４３】
分離されたチューブを含む上清部分の分離には、遠心分離または分留のような、あらゆる分離手段を使用することができる。
【００４４】
個々のナノチューブを得るために、ナノチューブを分散させる、あらゆる方法を使用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
次記の工程を含む、実質的に同一の直径を有するカーボンナノチューブを分離する方法：
カーボンナノチューブの試料の提供；
前記試料内の個々のナノチューブの分離、分離したナノチューブの少なくとも一部とタンパクフィブリルとの複合体を形成するための、試料とタンパクフィブリルを含む溶液との混合；及び
複合体を形成したナノチューブの分離。
【請求項２】
前記タンパクがコラーゲンである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コラーゲンが１型コラーゲンである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記タンパクが水に溶解される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記個々のナノチューブを分離する工程が、前記試料と界面活性剤との混合を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記分離工程が、遠心分離及び／または分留を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記界面活性剤との混合の前に、前記試料が酸処理される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記界面活性剤がドデシル硫酸ナトリウムである、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記混合工程が混合物の超音波処理を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物が２５ｋＨｚで超音波処理される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
タンパクからカーボンナノチューブを分離する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記分離工程が、熱処理または化学処理によってタンパクを変性させる工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
タンパク複合体中のカーボンナノチューブの直径を測定する工程をさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記測定工程が、ラマン分光を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
実質的に同一の直径を有する、請求項１〜１４のいずれかの方法によって得られたカーボンナノチューブ。
【請求項１６】
全体的にタンパクフィブリルに取り囲まれたカーボンナノチューブ。
【請求項１７】
カーボンナノチューブの内部に実質的にバイオセンサーを有する、カーボンナノチューブと繊維状タンパクの複合体。
【請求項１８】
治療に使用される、繊維状タンパクとカーボンナノチューブの複合製剤。
【請求項１９】
関節炎治療に使用される、請求項１７記載の複合製剤。
【請求項２０】
ヒトまたは動物の皮の強化に使用される、請求項１７記載の複合製剤。
【請求項２１】
関節炎治療用薬剤の生産のための、カーボンナノチューブと繊維状タンパク製剤の使用。
【請求項１】
次記の工程を含む、実質的に同一の直径を有するカーボンナノチューブを分離する方法：
カーボンナノチューブの試料の提供；
前記試料内の個々のナノチューブの分離、分離したナノチューブの少なくとも一部とタンパクフィブリルとの複合体を形成するための、試料とタンパクフィブリルを含む溶液との混合；及び
複合体を形成したナノチューブの分離。
【請求項２】
前記タンパクがコラーゲンである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記コラーゲンが１型コラーゲンである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記タンパクが水に溶解される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記個々のナノチューブを分離する工程が、前記試料と界面活性剤との混合を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記分離工程が、遠心分離及び／または分留を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記界面活性剤との混合の前に、前記試料が酸処理される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記界面活性剤がドデシル硫酸ナトリウムである、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記混合工程が混合物の超音波処理を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物が２５ｋＨｚで超音波処理される、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
タンパクからカーボンナノチューブを分離する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記分離工程が、熱処理または化学処理によってタンパクを変性させる工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
タンパク複合体中のカーボンナノチューブの直径を測定する工程をさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記測定工程が、ラマン分光を含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
実質的に同一の直径を有する、請求項１〜１４のいずれかの方法によって得られたカーボンナノチューブ。
【請求項１６】
全体的にタンパクフィブリルに取り囲まれたカーボンナノチューブ。
【請求項１７】
カーボンナノチューブの内部に実質的にバイオセンサーを有する、カーボンナノチューブと繊維状タンパクの複合体。
【請求項１８】
治療に使用される、繊維状タンパクとカーボンナノチューブの複合製剤。
【請求項１９】
関節炎治療に使用される、請求項１７記載の複合製剤。
【請求項２０】
ヒトまたは動物の皮の強化に使用される、請求項１７記載の複合製剤。
【請求項２１】
関節炎治療用薬剤の生産のための、カーボンナノチューブと繊維状タンパク製剤の使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５０４９０４（Ｐ２０１０−５０４９０４Ａ）
【公表日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２９７６３（Ｐ２００９−５２９７６３）
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００３６８３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３８００７
【国際公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（５０９０８９１５５）ザ セクレタリー オブ ステイト フォー トレイド アンド インダストリー (2)
【出願人】（５０９０８９１６６）サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シャンティフィク (1)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００３６８３
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０３８００７
【国際公開日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（５０９０８９１５５）ザ セクレタリー オブ ステイト フォー トレイド アンド インダストリー (2)
【出願人】（５０９０８９１６６）サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シャンティフィク (1)
【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ
【Ｆターム（参考）】
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