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アルギン酸（アルギンとも呼ばれる）は、褐藻類に含まれる天然由来の食用多糖類です。親水性で、水和すると粘性のあるガム状物質を形成します。アルギン酸がナトリウムイオンやカルシウムイオンと結合すると、アルギン酸塩と呼ばれる塩が生成されます。色は白から黄褐色まで様々です。繊維状、顆粒状、粉末状など様々な形態で販売されています。
これは、嚢胞性線維症患者の肺に存在する主要な病原菌である緑膿菌によって産生されるバイオフィルムの重要な構成要素である。[ 1 ]バイオフィルムと緑膿菌は抗生物質に対する高い耐性を持っているが、[ 2 ]マクロファージによる阻害を受けやすい。[ 3 ]
アルギン酸は、1881年にイギリスの化学者ECCスタンフォードによって発見され、同年、彼はその抽出方法の特許を取得しました。[ 4 ]元の特許では、まず藻類を水または希酸に浸すことでアルギン酸を抽出していました。得られた不溶性のアルギン酸は、炭酸ナトリウムなどのアルカリ溶液で処理され、アルギン酸ナトリウムが生成され、最後に溶液からアルギン酸が沈殿および精製されます。[ 5 ] [ 6 ]
アルギン酸は、(1→4)結合したβ-D-マンヌロン酸(M)とα-L-グルロン酸(G)残基のホモポリマーブロックが、異なる配列またはブロックで共有結合した直鎖状共重合体である。モノマーは、連続するG残基(Gブロック)、連続するM残基(Mブロック)、またはM残基とG残基が交互に並んだ(MGブロック)のホモポリマーブロックとして現れることがある。α-L-グルロン酸はβ-D-マンヌロン酸のC-5エピマーである。 [ 7 ]
アルギン酸塩は褐藻類から精製されます。世界中で、褐藻綱に属する多くの褐藻類が収穫され、加工されてアルギン酸ナトリウムに変換されます。アルギン酸ナトリウムは、食品、動物飼料、肥料、繊維印刷、医薬品など、多くの産業で使用されています。歯科印象材は、ゲル化剤としてアルギン酸塩を使用しています。食品グレードのアルギン酸塩は、加工食品や製造食品の承認された成分です。[ 8 ]
褐藻類は 、長さが20～40メートルにもなる巨大なケルプであるマクロシスティス・ピリフェラ から、長さ2～4メートルの厚くて革のような海藻、長さ30～60センチメートルの小型種まで、大きさが様々です。アルギン酸塩に使用される褐藻類のほとんどは野生から採取されますが、例外として、食用として中国で養殖され、余剰分が中国のアルギン酸塩産業に転用されているコンブ（Laminaria japonica）があります。[ 9 ]
褐藻類の種によって化学構造が異なるため、アルギン酸塩の物理的性質も異なります。ある種からは強いゲルを形成するアルギン酸塩が得られ、別の種からは弱いゲルが形成されます。また、クリーム色や白色のアルギン酸塩を生成する種もあれば、ゲル化が難しく、色が重要でない技術的な用途に最適な種もあります。[ 10 ]
市販のアルギン酸は、ジャイアントケルプMacrocystis pyrifera、Ascophyllum nodosum、およびラミナリア属の種から抽出されます。アルギン酸は、その生合成経路の解明に重要な役割を果たしたPseudomonas 属とAzotobacter属の 2 つの細菌 によっても生産されます。細菌性アルギン酸は、医療用途に適したマイクロ構造またはナノ構造の製造に役立ちます。[ 11 ]
アルギン酸ナトリウム（NaC 6 H 7 O 6）は、アルギン酸のナトリウム塩です。アルギン酸ナトリウムはガムの一種です。
アルギン酸カリウム（KC 6 H 7 O 6 ）は、アルギン酸のカリウム塩である。
アルギン酸カルシウム（CaC 12 H 14 O 12）は、アルギン酸のカルシウム塩です。これは、アルギン酸ナトリウム中のナトリウムイオンをカルシウムイオンに置換することによって作られます（イオン交換）。
褐藻からアルギン酸ナトリウムを抽出する製造プロセスは、2つのカテゴリーに分類されます。1) アルギン酸カルシウム法では、褐藻を最初に塩化カルシウムで処理してアルギン酸カルシウム中間体を形成し、その後塩酸で洗浄します。2) アルギン酸法では、アルギン酸カルシウム中間体は存在せず、褐藻を塩酸のみで処理してアルギン酸ナトリウムを抽出します。[ 9 ]
化学的にはプロセスは単純だが、粘性溶液からのぬるぬるした残留物と、構造内に大量の液体を保持するため濾過や遠心分離に抵抗するゼラチン状沈殿物の物理的分離が必要となるため困難が生じる。[ 9 ]従来のプロセスでは、大量の試薬と溶媒、および時間のかかる工程が必要となる。[ 4 ]マイクロ波支援抽出、超音波、高圧、加圧流体抽出、酵素支援抽出などのより単純で新しい技術が研究対象となっている。[ 4 ]
最も一般的な従来の抽出プロセスは、藻類バイオマスの前処理、酸処理、アルカリ抽出、沈殿、漂白、乾燥の 6 つのステップから構成されます。[ 4 ]前処理の主な目的は、細胞壁を破壊してアルギン酸塩の抽出を容易にするか、藻類から他の化合物や汚染物質を除去することです。[ 4 ]乾燥は前者であり、細菌の増殖を防ぐのにも役立ちます。乾燥させた藻類は通常、表面積を増やすために粉末状にされます。[ 4 ]汚染物質を除去する一般的な処理には、エタノールとホルムアルデヒドによる処理があり、後者は非常に一般的です。エタノール溶液はアルギン酸塩に結合した化合物を除去するのに役立ち、ホルムアルデヒド溶液は酵素反応や微生物反応を防ぐのに役立ちます。[ 4 ]
次に、藻類を酸性溶液で処理して細胞壁を破壊し、アルギン酸塩を不溶性のアルギン酸に変換します。続いて、アルカリ溶液（pH 9～10）、通常は炭酸ナトリウムを適用して、水溶性のアルギン酸ナトリウムに戻し、沈殿させます。[ 4 ]アルカリ処理でアルギン酸を直接抽出することも可能ですが、これはあまり一般的ではありません。[ 4 ]
アルギン酸は通常、さまざまな方法で、アルコール（通常はエタノール）、塩化カルシウム、または塩酸のいずれかを用いて沈殿させる。[ 4 ]アルギン酸が細かいペースト状に沈殿した後、乾燥させ、所望の粒径に粉砕し、最後にさまざまな方法で精製する。[ 4 ]生物医学および医薬品用途の市販のアルギン酸塩は、より厳密な方法で抽出および精製されるが、これらは企業秘密である。[ 4 ]
多孔質足場材料、アルギン酸ハイドロゲル、不織布、アルギン酸膜など、さまざまなアルギン酸ベースの材料を製造できます。[ 12 ]これらの製造に使用される技術には、イオン架橋、マイクロ流体紡糸、凍結乾燥、湿式紡糸、浸漬遠心ジェット紡糸などがあります。[ 12 ]
アルギン酸ナトリウム溶液にカルシウム塩を添加してイオン架橋を誘発し、ヒドロゲルを生成する。ヒドロゲルを凍結乾燥して水分を除去すると、多孔質の足場材料が得られる。[ 12 ]
湿式紡糸は、アルギン酸溶液を紡糸口金からカルシウム塩溶液に押し出してイオン架橋（ゲル形成）を誘発し、その後、ドラフトローラーで繊維を浴槽から引き出すことから成ります。マイクロ流体紡糸は、このプロセスのよりシンプルで環境に優しい実装であり、中心の「コア」アルギン酸の流れに沿って流れ、接触するカルシウム塩の流れを導入します。これらの流れは「鞘」を形成します。その後、繊維はコアの流れから出てきます。この技術は、成形された溝付き繊維の製造に使用できます。[ 12 ]
布地に使用されるアルギン酸繊維は、通常、より細い繊維を得るためにマイクロ流体紡糸、湿式紡糸、または電気紡糸によって製造されます。 [ 12 ]これらの繊維は、カーディングとニードルパンチングによってアルギン酸不織布の製造に使用されます。得られたフェルトは、吸湿性と保水性のため、創傷被覆材、フェイスマスク、組織足場などに使用されます。[ 12 ]
2022年現在、アルギン酸は豊富な天然バイオポリマーとして最も好まれる材料の1つとなっている。[ 12 ]特に、無毒性、吸湿性、生体適合性があり、局所的な生体環境を模倣できるため、生体材料として有用である。また、その分解生成物は腎臓によって容易に除去される。[ 12 ]
アルギン酸塩は水を素早く吸収するため、ダイエット補助食品などの脱水製品の添加剤として、また紙や繊維の製造にも有用である。 [ 13 ]
アルギン酸塩は、防水性や難燃性の繊維にも使用され、食品業界では飲料、アイスクリーム、化粧品の増粘剤として、ゼリーのゲル化剤として、コードE401として、またソーセージのケーシングにも使用されています。[ 14 ] [ 15 ]アルギン酸ナトリウムは、大豆タンパク質と混合して肉の代替品を作るために使用されています。[ 16 ]
アルギン酸塩は、ガビスコンなどの様々な医薬品の成分として使用され、重炭酸塩と組み合わさって胃食道逆流を抑制します。[ 17 ]
アルギン酸ナトリウムは、歯科、補綴、ライフキャスティングにおける印象採得材料として、また小型鋳造用のポジティブの作成に使用されます。[ 18 ]
アルギン酸ナトリウムは、反応染料印刷や、繊維スクリーン印刷における反応染料の増粘剤として使用されます。[ 19 ]アルギン酸塩は、デンプン系増粘剤とは異なり、これらの染料と反応せず、簡単に洗い流されます。また、マイクロカプセル化の材料としても使用されます。[ 20 ]
アルギン酸カルシウムは、皮膚創傷被覆材などの医療製品にハイドロゲルの形で使用され、治癒を促進します。アルギン酸は被覆材の水分吸収能力を高め、被覆材の交換回数を減らすことができるためです。[ 21 ] [ 22 ]
骨再建の研究において、アルギン酸複合材料は、多孔性の向上、細胞増殖、機械的強度など、再生を促進する好ましい特性を有している。[ 23 ]アルギン酸ハイドロゲルは、足場のバイオ製造や組織再生のための一般的な生体材料である。[ 24 ]
チオール基をアルギン酸塩に共有結合させることで、その場でのゲル化と粘膜付着性が向上します。チオール化ポリマー（チオマー）は、ポリマーネットワーク内および粘液層のシステインに富むサブドメインとジスルフィド結合を形成します。[ 25 ]チオール化アルギン酸塩は、その場でゲル化するヒドロゲルとして使用され、[ 26 ]粘膜付着性薬物送達システムの可能性について予備的な研究が行われています。[ 27 ]アルギン酸塩ヒドロゲルは、薬物送達に使用でき、pH変化、温度変化、酸化還元、および酵素の存在に反応します。[ 28 ]
アルギン酸は、特に生細胞、酵素、タンパク質、その他の生物活性物質の固定化や保護のために、バイオカプセル化において最も広く使用されているポリマーの1つです。 [ 29 ]その使用は主に、可溶性アルギン酸が穏やかな水溶液条件下でアルギン酸カルシウムヒドロゲルを形成する能力に基づいており、これにより、生物材料を過酷な溶媒、高温、または攻撃的な化学反応にさらすことなく封入することができます。[ 30 ] [ 31 ]
細胞封入において、アルギン酸ビーズまたはマイクロカプセルは、栄養素、酸素、分泌物の拡散を可能にしながら、封入された細胞を周囲の環境から物理的に分離する半透性ハイドロゲルマトリックスを提供することができる。このアプローチは、免疫隔離、膵島移植、細胞療法、組織工学、生物学的製品の制御放出のために研究されてきた。[ 32 ]
アルギン酸バイオカプセル化システムは、滴下法、押出法、エアジェット切断法、静電液滴生成法、乳化法、マイクロ流体法によって製造できます。これらの技術は、処理能力、ビーズサイズ制御、サイズ分布、細胞や不安定な生体分子のカプセル化への適合性において異なります。[ 33 ]