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化学や生物学において、架橋とは、あるポリマー鎖を別のポリマー鎖に連結する結合、または短い一連の結合のことである。これらの架橋は共有結合またはイオン結合の形をとることがあり、ポリマーは合成ポリマーまたは天然ポリマー（タンパク質など）のいずれでもよい。
高分子化学において、「架橋」とは通常、架橋を利用して高分子の物理的性質を変化させることを指す。
生物学分野で「架橋」という言葉が使われる場合、それはタンパク質同士を連結させるためのプローブの使用、およびタンパク質間相互作用を調べるためのその他の独創的な架橋手法を指す。
この用語はどちらの科学分野においても「ポリマー鎖の連結」を指すために用いられるが、架橋の程度や架橋剤の特異性は大きく異なる。
架橋は一般的に、2 つのポリマー鎖を結合する共有結合を伴います。硬化という用語は、不飽和ポリエステルやエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂の架橋を指し、加硫という用語はゴムに特徴的に使用されます。[ 1 ]ポリマー鎖が架橋されると、材料はより硬くなります。ポリマーの機械的特性は、架橋密度に大きく依存します。架橋密度が低いと、ポリマー溶融物の粘度が高くなります。中程度の架橋密度は、ゴム状のポリマーを弾性特性と潜在的に高い強度を持つ材料に変えます。非常に高い架橋密度は、フェノールホルムアルデヒド材料のように、材料を非常に硬くしたり、ガラス状にしたりする可能性があります。[ 2 ]
ある方法では、未重合または部分的に重合した樹脂を架橋剤で処理します。加硫では、硫黄が架橋剤として用いられます。硫黄を導入することで、ゴムは自動車や自転車のタイヤに使われるような、より硬く耐久性のある素材に変化します。このプロセスはしばしば硫黄加硫と呼ばれます。ほとんどの場合、架橋は不可逆的であり、結果として得られる熱硬化性材料は、加熱すると溶融することなく劣化または燃焼します。化学的な共有結合による架橋は、機械的にも熱的にも安定しています。そのため、自動車のタイヤのような架橋製品は容易にリサイクルできません。
熱可塑性エラストマーと呼ばれるポリマーの一種は、微細構造における物理的な架橋によって安定性を実現しており、スノーモービルのトラックや医療用カテーテルなど、タイヤ以外の用途にも広く用いられています。架橋として機能するドメインは可逆的であるため、加熱によって再形成することができ、従来の架橋エラストマーよりもはるかに幅広い特性を発揮します。安定化ドメインは、非結晶性（スチレン-ブタジエンブロック共重合体など）の場合もあれば、熱可塑性コポリエステルなどの結晶性の場合もあります。
アルキドエナメルは、市販の油性塗料の主流であり、空気への暴露後に酸化架橋によって硬化する。[ 4 ]
化学架橋とは対照的に、物理架橋はより弱い相互作用によって形成されます。たとえば、アルギン酸ナトリウムはカルシウムイオンにさらされるとゲル化し、アルギン酸鎖間に架橋するイオン結合を形成します。[ 5 ]ポリビニルアルコールは、ホウ酸とポリマーのアルコール基との間の水素結合を介して、ホウ砂の添加によってゲル化します。 [ 6 ] [ 7 ]物理的に架橋されたゲルを形成する材料の他の例としては、ゼラチン、コラーゲン、アガロース、寒天などがあります。
架橋度は膨潤試験によって測定されることが多い。架橋されたサンプルを特定の温度で良溶媒に入れ、質量の変化または体積の変化を測定する。架橋度が高いほど、膨潤は少なくなる。膨潤度、フローリー相互作用パラメータ（溶媒とサンプルの相互作用を表す）、および溶媒の密度に基づいて、フローリーのネットワーク理論に従って理論的な架橋度を計算することができる。[ 8 ]
熱可塑性樹脂の架橋度を記述するために、2 つの ASTM 規格が一般的に使用されています。ASTM D2765 では、サンプルを秤量し、24 時間溶媒に浸し、膨潤した状態で再度秤量し、乾燥させてから最後に秤量します。[ 9 ]膨潤度と可溶性部分を計算できます。別の ASTM 規格である F2214 では、サンプルをサンプルの高さの変化を測定する装置に入れ、ユーザーが体積の変化を測定できるようにします。[ 10 ]その後、架橋密度を計算できます。
リグニンは、高等植物の主要な構造材料を構成する、高度に架橋されたポリマーである。疎水性物質であり、前駆体であるモノリグノールから生成される。これらのリグノール間の架橋の多様性と程度によって、不均一性が生じる。
DNA鎖内架橋は、転写や複製を阻害するため、生物に強い影響を及ぼします。これらの影響は、がんの治療など有益な場合もあれば、宿主生物にとって致命的となる場合もあります。シスプラチンという薬剤は、DNA鎖内架橋の形成によって作用します。[ 11 ] 他の架橋剤には、マスタードガス、マイトマイシン、ソラレンなどがあります。[ 12 ]
タンパク質では、架橋は毛髪や羊毛、皮膚、軟骨などの機械的に安定した構造を生成する上で重要である。ジスルフィド結合は一般的な架橋である。[ 13 ]イソペプチド結合の形成は、タンパク質の架橋のもう1つのタイプである。
パーマをかける工程は、ジスルフィド結合の切断と再形成を伴います。通常、切断にはチオグリコール酸アンモニウムなどのメルカプタンが使用されます。その後、髪をカールさせ、「中和」します。中和剤は通常、過酸化水素の酸性溶液であり、これにより新たなジスルフィド結合が形成され、髪が新しい形状に永久的に固定されます。
角膜のコラーゲンが損傷した状態は円錐角膜として知られており、臨床的なクロスリンキングで治療できます。[ 14 ]生物学的な観点から、クロスリンキングは終末糖化産物（AGEs）を介して動脈硬化 に関与する可能性があり、AGEsはコラーゲンのクロスリンキングを誘導し、血管の硬化につながる可能性があります。[ 15 ]
タンパク質は、低分子架橋剤を用いて人工的に架橋することもできる。このアプローチは、タンパク質間相互作用の解明に用いられてきた。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]架橋剤は、天然状態では比較的近接した表面残基のみに結合する。一般的な架橋剤には、イミドエステル架橋剤ジメチルスベリミデート、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル架橋剤BS3、およびホルムアルデヒドがある。これらの架橋剤はそれぞれ、リジンのアミノ基の求核攻撃を誘発し、架橋剤を介して共有結合を形成する。ゼロ長カルボジイミド架橋剤EDCは、カルボキシル基をアミン反応性イソ尿素中間体に変換し、リジン残基または他の利用可能な第一級アミンに結合することで機能する。SMCCまたはその水溶性アナログであるSulfo-SMCCは、抗体開発のための抗体-ハプテン複合体の調製によく用いられる。
試験管内架橋法としては、PICUP（未修飾タンパク質の光誘起架橋）がある。[ 19 ]典型的な試薬は、電子受容体である過硫酸アンモニウム（APS）、光増感剤であるトリスビピリジルルテニウム（II）カチオン（[ Ru(bpy) 3 ] 2+）である。[ 19 ]生体内タンパク質複合体の架橋では、細胞はロイシンとメチオニンの光反応性ジアジリン類似体とともに培養され、タンパク質に組み込まれる。紫外線に曝露されると、ジアジリンは活性化され、光反応性アミノ酸類似体から数オングストローム以内にある相互作用タンパク質に結合する（UV架橋）。[ 20 ]
ポリビニルアルコール（PVA）溶液にホウ砂溶液を加えると、ポリマー鎖間に架橋が形成され、スライムになる。
