バイオポリマー

バイオポリマーは、生物の細胞によって生成される天然ポリマーです。他のポリマーと同様に、バイオポリマーは、より大きな分子を形成するために鎖状に共有結合したモノマー単位で構成されています。バイオポリマーには、使用されるモノマーと形成されるバイオポリマーの構造によって分類される、ポリヌクレオチド、ポリペプチド、および多糖類の 3 つの主要なクラスがあります。ポリヌクレオチド、RNA、DNA は、ヌクレオチドの長いポリマーです。ポリペプチドには、タンパク質とアミノ酸の短いポリマーが含まれます。主な例としては、コラーゲン、アクチン、フィブリンなどがあります。多糖類は、糖炭水化物の直鎖または分岐鎖です。例としては、デンプン、セルロース、アルギン酸などがあります。バイオポリマーの他の例としては、天然ゴム（イソプレンのポリマー）、スベリンおよびリグニン（複合ポリフェノールポリマー）、クチンおよびクタン（長鎖脂肪酸の複合ポリマー）、メラニン、およびポリヒドロキシアルカン酸（PHA）が挙げられます。

生体内での多くの重要な役割に加えて、バイオポリマーは食品産業、製造、包装、生物医学工学を含む多くの分野で応用されています。^[1]

バイオポリマーと合成ポリマーの主な決定的な違いは、その構造にあります。すべてのポリマーは、モノマーと呼ばれる反復単位でできています。バイオポリマーは多くの場合、明確に定義された構造を持っていますが、これは決定的な特徴ではありません (例:リグノセルロース)。正確な化学組成とこれらの単位が配置される順序は、タンパク質の場合、一次構造と呼ばれます。多くのバイオポリマーは、自発的に特徴的なコンパクトな形状に折り畳まれ (「タンパク質の折り畳み」、二次構造、三次構造も参照) 、これが生物学的機能を決定し、一次構造に複雑に依存します。構造生物学は、バイオポリマーの構造特性を研究する学問です。対照的に、ほとんどの合成ポリマーは、はるかに単純でランダムな (または確率的な) 構造を持っています。この事実は、バイオポリマーにはない分子量分布につながります。実際、生体内システムでは、その合成はテンプレート指向プロセスによって制御されるため、あるタイプのバイオポリマー（たとえば、特定のタンパク質）はすべて同じです。つまり、すべて同様の配列と数のモノマーを含み、したがってすべて同じ質量を持ちます。この現象は、合成ポリマーで見られる多分散性とは対照的に、単分散性と呼ばれます。その結果、バイオポリマーの分散性は1 になります^。[3]

ポリペプチドの慣例に従い、構成アミノ酸残基をアミノ末端からカルボン酸末端まで順に列挙する。アミノ酸残基は常にペプチド結合で結合している。タンパク質は、口語的にはあらゆるポリペプチドを指すのに使われるが、より大きな、または完全に機能する形態を指し、単一の鎖だけでなく複数のポリペプチド鎖で構成されることもある。タンパク質は、糖鎖や脂質などの非ペプチド成分を含むように改変されることもある。^[要出典]

核酸配列の慣例では、ポリマー鎖の 5' 末端から 3' 末端に向かってヌクレオチドをリストします。ここで、5' と 3' は、鎖のリン酸ジエステル結合の形成に関与するリボース環の周囲の炭素の番号を指します。このような配列は、バイオポリマーの一次構造と呼ばれます。

多糖類（糖ポリマー）は直鎖または分岐しており、通常はグリコシド結合で結合しています。結合の正確な配置はさまざまであり、結合官能基の方向も重要であり、その結果、環内の結合炭素の位置を定義する番号が付いたα-およびβ-グリコシド結合が形成されます。さらに、多くの糖単位は、アミノ化などのさまざまな化学修飾を受けることができ、糖タンパク質などの他の分子の一部を形成することさえできます。

配列情報を決定するための生物物理学的手法は数多くある。タンパク質の配列はエドマン分解によって決定できる。エドマン分解では、N末端残基が鎖から1つずつ加水分解され、誘導体化されてから特定される。質量分析計の手法も使用できる。核酸の配列は、ゲル電気泳動とキャピラリー電気泳動を使用して決定できる。最後に、これらのバイオポリマーの機械的特性は、多くの場合、光ピンセットまたは原子間力顕微鏡を使用して測定できる。二重偏光干渉法は、pH、温度、イオン強度、またはその他の結合パートナーによって刺激されたときのこれらの材料の構造変化または自己組織化を測定するために使用できる。^{[引用が必要]}

コラーゲン: ^[4] コラーゲンは脊椎動物の主要構造であり、哺乳類で最も豊富なタンパク質です。このため、コラーゲンは最も簡単に入手できるバイオポリマーの1つであり、多くの研究目的で使用されています。その機械的構造により、コラーゲンは高い引張強度を持ち、無毒で吸収しやすく、生分解性で生体適合性のある材料です。そのため、組織感染症の治療、薬物送達システム、遺伝子治療など、多くの医療用途に使用されています。

シルクフィブロイン：^[5] シルクフィブロイン（SF）は、クワ科のカイコ（Bombyx mori）などのさまざまなカイコから得られる、タンパク質を豊富に含むバイオポリマーです。コラーゲンとは対照的に、SFは引張強度は低いですが、不溶性で繊維状のタンパク質組成のため、強力な接着特性を持っています。最近の研究では、シルクフィブロインは抗凝固特性と血小板接着性を有することがわかっています。シルクフィブロインはさらに、in vitroで幹細胞の増殖をサポートすることがわかっています。

ゼラチン：ゼラチンはシステインからなるI型コラーゲンから得られ、動物の骨、組織、皮膚のコラーゲンを部分的に加水分解して生産されます。^[6]ゼラチンにはA型とB型の2種類があります。A型コラーゲンはコラーゲンの酸加水分解によって生成され、窒素含有量は18.5%です。B型はアルカリ加水分解によって生成され、窒素含有量は18%でアミド基は含まれていません。温度が上昇するとゼラチンは溶けてコイル状になりますが、温度が下がるとコイルからヘリックスに変化します。ゼラチンにはNH2、SH、COOHなどの官能基が多く含まれており、ナノ粒子や生体分子を使用してゼラチンを改変することができます。ゼラチンは細胞外マトリックスタンパク質であり、創傷被覆材、薬物送達、遺伝子導入などの用途に使用できます。^[6]

デンプン: デンプンは安価な生分解性バイオポリマーであり、供給量も豊富です。ナノファイバーとマイクロファイバーをポリマーマトリックスに加えると、デンプンの機械的特性が高まり、弾力性と強度が向上します。繊維がないと、デンプンは湿気に敏感なため、機械的特性が悪くなります。デンプンは生分解性があり再生可能なため、プラスチックや医薬品の錠剤など、さまざまな用途に使用されています。

セルロース: セルロースは、安定性と強度をもたらす積み重ねられた鎖で非常に構造化されています。強度と安定性は、グリコーゲン結合によって結合されたグルコースモノマーによって生じるセルロースのより直線的な形状から生まれます。直線的な形状により、分子が密集できます。セルロースは、その豊富な供給、生体適合性、および環境に優しいことから、非常に一般的に使用されています。セルロースは、ナノセルロースと呼ばれるナノフィブリルの形で広く使用されています。低濃度のナノセルロースは、透明なゲル材料を生成します。この材料は、生物医学分野で非常に有用な、生分解性で均質な高密度フィルムに使用できます。

アルギン酸塩: アルギン酸塩は、褐藻から得られる最も豊富な海洋天然ポリマーです。アルギン酸塩バイオポリマーの用途は、包装、繊維、食品産業からバイオメディカル、化学工学まで多岐にわたります。アルギン酸塩の最初の用途は創傷被覆材の形で、ゲル状で吸収性のある特性が発見されました。創傷に塗布すると、アルギン酸塩は治癒と組織再生に最適な保護ゲル層を生成し、安定した温度環境を保ちます。さらに、アルギン酸塩の密度と繊維組成が多様であるため、薬剤の放出速度を簡単に操作できるため、薬剤送達媒体としてのアルギン酸塩の開発も行われています。

バイオポリマーの用途は、生物医学的用途と工業的用途の2つの主な分野に分類できます。^[1]

生体医学工学の主な目的の1つは、正常な身体機能を維持するために身体の一部を模倣することであるため、生体適合性の特性により、バイオポリマーは組織工学、医療機器、製薬業界で広く使用されています。 ^[4]多くのバイオポリマーは、その機械的特性により、再生医療、組織工学、薬物送達、および全体的な医療用途に使用できます。それらは、創傷治癒、生物活性の触媒、非毒性などの特性を提供します。 ^[7]免疫原性拒絶反応や分解後の毒性など、さまざまな欠点を示す可能性がある合成ポリマーと比較して、多くのバイオポリマーは通常、人体に似たより複雑な構造も持っているため、身体への統合に適しています。^[要出典]

より具体的には、コラーゲンやシルクなどのポリペプチドは、安価で入手しやすい材料であるため、画期的な研究に使用されている生体適合性材料です。ゼラチンポリマーは、接着剤として機能し、傷の包帯によく使用されます。ゼラチンを含む足場やフィルムは、傷の治癒のために供給できる薬剤やその他の栄養素を保持することができます。

コラーゲンは生物医学で使用される最も一般的なバイオポリマーの 1 つであるため、その使用例をいくつか示します。

コラーゲンベースの薬物送達システム：コラーゲンフィルムはバリア膜のように機能し、感染した角膜組織や肝臓癌などの組織感染症の治療に使用されます。^[8]コラーゲンフィルムはすべて、骨形成を促進する遺伝子送達キャリアとして使用されています。

コラーゲンスポンジ：コラーゲンスポンジは、火傷やその他の重傷の治療に包帯として使用されます。コラーゲンベースのインプラントは、培養された皮膚細胞や、火傷の傷や皮膚の交換に使用される薬剤キャリアとして使用されます。^[8]

止血剤としてのコラーゲン: コラーゲンが血小板と相互作用すると、血液が急速に凝固します。この急速な凝固により一時的なフレームワークが生成され、宿主細胞によって線維性間質が再生されます。コラーゲンベースの止血剤は、組織内の失血を減らし、肝臓や脾臓などの臓器の出血を抑えるのに役立ちます。

キトサンは、生物医学研究で人気のあるもう一つのバイオポリマーです。^{[誰によると? ]キトサンは、甲殻類や昆虫の}外骨格の主成分であり、世界で2番目に豊富なバイオポリマーであるキチンから抽出されます。 ^[4]キトサンは、生物医学科学にとって多くの優れた特性を持っています。キトサンは生体適合性があり、非常に生物活性であるため、身体からの有益な反応を刺激し、生分解性があるためインプラント用途で2回目の手術が不要になり、ゲルやフィルムを形成でき、選択的に透過性があります。これらの特性により、キトサンはさまざまな生物医学用途に使用できます。

キトサンの薬物送達：キトサンは薬物の吸収と安定性を改善する可能性があるため、主に薬物標的化に使用されます。さらに、抗癌剤と結合したキトサンは、遊離薬物を癌組織に徐々に放出させることで、より優れた抗癌効果を生み出すこともできます。^[9]

抗菌剤としてのキトサン:キトサンは微生物の増殖を止めるために使用されます。藻類、真菌、細菌、さまざまな酵母種の グラム陽性細菌などの微生物に対して抗菌作用を発揮します。

組織工学用キトサン複合材：キトサン粉末をアルギン酸と混合して、機能性創傷被覆材を形成する。これらの被覆材は、治癒過程を助ける湿潤で生体適合性のある環境を作り出す。この創傷被覆材は生分解性でもあり、細胞が被覆材内で増殖できる多孔質構造を有する。^[4]さらに、チオール化キトサン（チオマーを参照）は、これらのバイオポリマーがジスルフィド結合を介して架橋し、安定した三次元ネットワークを形成できるため、組織工学および創傷治癒に使用されている。 ^{[10] [11]}

食品：バイオポリマーは、食品業界では包装、食用カプセル化フィルム、食品のコーティングなどに使用されています。ポリ乳酸（PLA）は、その透明な色と耐水性のため、食品業界では非常に一般的です。しかし、ほとんどのポリマーは親水性であり、湿気にさらされると劣化し始めます。バイオポリマーは、食品をカプセル化する食用フィルムとしても使用されています。これらのフィルムには、抗酸化物質、酵素、プロバイオティクス、ミネラル、ビタミンなどを含めることができます。バイオポリマーフィルムでカプセル化された食品を摂取すると、これらの物質を体に供給できます。

包装:包装に最もよく使用されるバイオポリマーは、ポリヒドロキシアルカン酸(PHA)、ポリ乳酸(PLA)、およびデンプンです。デンプンと PLA は市販されており、生分解性であるため、包装によく使用されます。ただし、それらのバリア特性 (防湿性またはガスバリア性) と熱特性は理想的ではありません。親水性ポリマーは耐水性がなく、水が包装を通過してパッケージの内容物に影響を及ぼす可能性があります。ポリグリコール酸(PGA) は優れたバリア特性を持つバイオポリマーであり、現在、PLA とデンプンによるバリア障害を修正するために使用されています。

浄水： キトサンは浄水に使用されています。キトサンは凝集剤として使用され、環境中で分解するのに数年ではなく数週間から数か月しかかかりません。キトサンはキレート化によって水を浄化します。これは、ポリマー鎖に沿った結合部位が水中の金属イオンと結合してキレートを形成するプロセスです。キトサンは、雨水処理や廃水処理に使用するのに最適な候補であることが示されています。^[12]

PLA、天然ゼイン、ポリ-3-ヒドロキシ酪酸などの一部のバイオポリマーは プラスチックとして使用でき、ポリスチレンやポリエチレンベースのプラスチックの必要性を置き換えます。

一部のプラスチックは現在、「分解性」、「酸素分解性」、「紫外線分解性」と呼ばれています。これは、光や空気にさらされると分解することを意味しますが、これらのプラスチックは依然として主に（98パーセントも）石油ベースであり、現在、包装および包装廃棄物に関する欧州連合指令（94/62/EC）の下で「生分解性」として認定されていません。バイオポリマーは分解し、一部は家庭での堆肥化に適しています。^[13]

バイオポリマー（再生可能ポリマーとも呼ばれる）は、包装業界で使用するためにバイオマスから生産されます。バイオマスは、テンサイ、ジャガイモ、小麦などの作物から得られます。バイオポリマーの生産に使用される場合、これらは非食用作物として分類されます。これらは、次の経路で変換できます。

テンサイ> グリコン酸 > ポリグリコン酸

デンプン> (発酵) >乳酸>ポリ乳酸(PLA)

バイオマス> (発酵) >バイオエタノール>エチレン>ポリエチレン

バイオポリマーから、食品トレイ、壊れやすい商品を輸送するための吹き付けデンプンペレット、包装用の薄いフィルムなど、さまざまな種類の包装を作成できます。

バイオポリマーは、持続可能で、カーボンニュートラルであり、常に再生可能です。なぜなら、バイオポリマーは、無限に栽培できる植物または動物の材料から作られているからです。これらの材料は農作物から得られるため、その使用により持続可能な産業が創出される可能性があります。対照的に、石油化学製品由来のポリマーの原料は、最終的には枯渇します。さらに、バイオポリマーは、炭素排出量を削減し、大気中のCO _{2量を減らす可能性があります。これは、バイオポリマーが分解するときに放出される CO 2 が、代わりに栽培される作物によって再吸収されるためです。これにより、バイオポリマーは}カーボンニュートラルに近くなります。

ほぼすべてのバイオポリマーは自然環境で生分解性があり、微生物によって_{二酸化炭素}と水に分解されます。これらの生分解性バイオポリマーは堆肥化も可能で、産業用堆肥化プロセスに投入すると、6 か月以内に 90% 分解されます。このようなバイオポリマーには、欧州規格 EN 13432 (2000) に基づいて「堆肥化可能」のシンボルを付けることができます。このシンボルの付いた包装は産業用堆肥化プロセスに投入でき、6 か月以内に分解されます。堆肥化可能なポリマーの例としては、厚さ 20 μm 未満の PLA フィルムがあります。これより厚いフィルムは「生分解性」であっても、堆肥化可能とはみなされません。^[14]欧州には、家庭での堆肥化基準とそれに関連するロゴがあり、消費者が堆肥化容器を識別して処分できるようにしています。^[13]

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ウィキメディア・コモンズには、バイオポリマーに関連するメディアがあります。

• NNFCC: 英国のバイオ再生可能エネルギー、燃料、材料の国立センター
• バイオプラスチックマガジン
• バイオポリマーグループ
• バイオプラスチックを阻むものは何でしょうか?