ポリアスパラギン酸

ポリアスパラギン酸（PASA）は、アミノ酸アスパラギン酸をベースとした生分解性で水溶性の縮合重合体です。^{[ 1 ] [ 2 ]}これは、軟水器や関連用途の生分解性代替品です。^{[ 3 ]} PASAは、さまざまな方法で化学的に架橋してPASAヒドロゲルを得ることができます。^{[ 4 ]}得られたヒドロゲルはpH感受性があり、酸性条件下では収縮し、アルカリ性条件下では膨潤容量が増加します。^{[ 4 ]}

ポリアスパラギン酸ナトリウムは、ポリアスパラギン酸のナトリウム塩である。

自然界では、PASAは最大50アミノ酸の長さのより大きなタンパク質の断片として見つかっているが、^{[ 5 ]} 2004年時点では、天然源から純粋なホモポリマー材料として単離されたことはない。^{[ 6 ]}アスパラギン酸の熱重縮合によって得られた合成オリゴマーナトリウムポリアスパラギン酸の最初の単離は、 19世紀後半にヒューゴ・シフによって報告された。 ^{[ 7 ]}後に、熱重合プロセスはポリスクシンイミド中間体を経由すると提案された 。^{[ 8 ] [ 9 ]}ポリアスパラギン酸は、酸型とナトリウム塩の両方で工業的に生産されている。^{[ 2 ]}

カルボキシル基が存在するため、陰イオン性高分子電解質である。天然に存在するPASA断片は、α結合L-アスパラギン酸から構成される。^{[ 5 ]}一方、合成ポリアスパラギン酸の繰り返し単位は、出発物質（D-およびL-アスパラギン酸）の立体化学とαおよびβ結合につながる合成手順に応じて、4つの異性体として存在することができる。タンパク質のような骨格（骨格にアミド結合が存在する）のため、PASAは適切な生分解性を有する。^{[ 2 ]}

PASA に至る経路は数多くあります。最も単純な^{[ 10 ]}最も古いアプローチ^{[ 6 ]}では、アスパラギン酸を加熱して脱水します。次のステップでは、得られたポリスクシンイミドを水酸化ナトリウム水溶液で処理し、スクシンイミド環を部分的に開環します。このプロセスでは、30% の α 結合と 70% の β 結合を持つナトリウム-DL- (α,β)-ポリ(アスパラギン酸) ^{[ 11 ]}がポリマー鎖に沿ってランダムに分布し、^{[ 12 ]}アスパラギン酸のラセミ化されたキラル中心が生成されます。^{[ 13 ]}熱重合法を改善するために多くの触媒が報告されています。それらの適用による主な利点は、変換率の向上と製品の分子量の増加です。^{[ 14 ] [ 15 ]}ポリアスパラギン酸は、無水マレイン酸を水酸化アンモニウムの存在下で 重合することによっても合成できます。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 16 ]} 繰り返し単位異性体の高度な制御は、N-カルボキシ無水物（NCA）誘導体の重合^{[ 17 ]} 、アスパラギン酸エステルの重合^{[ 18 ]}、または酵素触媒反応の適用^{[ 19 ]}によって達成できます。これらの方法を使用して、α-またはβ-結合のみを持つ純粋なホモポリマー、D-またはL -PASAを合成できます。

重合反応は、ポリアミドへの段階成長重合の一例である。ある手順では、アスパラギン酸が180 ℃で脱水と同時に重合し、ポリ（スクシンイミド）が形成される。得られたポリマーは水酸化ナトリウム水溶液と反応し、スクシンイミド環の2つのアミド結合のうちの1つが加水分解されてカルボン酸ナトリウムが形成される。したがって、残ったアミド結合が連続するアスパラギン酸残基間の結合となる。各アスパラギン酸残基は、そのカルボニル基がポリマー鎖の一部となっているかに応じて、 αまたはβとして識別される。α型は、カルボニル基自体に加えて主鎖に1つの炭素（および2つの炭素からなる側鎖）を持ち、β型は、カルボニル基自体に加えて主鎖に2つの炭素（および1つの炭素からなる側鎖）を持つ。この反応により、約30%のα結合と70%のβ結合からなるナトリウムポリ（アスパラギン酸）が得られる。^{[ 2 ]}

ポリアスパラギン酸とその誘導体は、従来のポリアニオン性材料、特にポリアクリル酸の生分解性代替品である。^{[ 20 ]} PASAは炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、リン酸カルシウムの沈着を抑制する能力があり、冷却水システム、海水淡水化プロセス、廃水処理操作におけるスケール防止剤として使用できる。^{[ 21 ]}さらに、金属イオンをキレートする能力により、腐食抑制効果も発揮する。^{[ 11 ]}また、さまざまな用途で生分解性洗剤および分散剤としても使用できる。^{[ 22 ]}

PASAには、さまざまな生物医学的応用もあります。カルシウムに対する高い親和性は、さまざまな形態の薬剤含有キャリアを骨に標的化するために利用されています。^{[ 2 ]}骨の主成分はヒドロキシアパタイト（約70％）（鉱化リン酸カルシウム）です。骨への標的化以外にも、PASAは薬剤送達、表面コーティング、DNA送達、粘膜接着など、他の生物医学的応用のために改変されています。^{[ 2 ]}

ポリアスパラギン酸は環境に優しい方法で合成でき、生分解性であるため、使い捨ておむつや農業で使用されるポリアクリル酸ナトリウムなどのいくつかの材料の潜在的なグリーン代替品です。 ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}おむつ、女性用衛生用品、食品包装の超膨潤材料として機能します。^{[ 26 ]}ヒドロゲルの機械的特性に反比例する吸水レベルは、架橋密度を変更することで調整できます。^{[ 4 ]}工業用途に加えて、固体NMR研究では、ポリアスパラギン酸が非晶質炭酸カルシウム（ACC）ナノ粒子に組み込まれ、ACC相を大幅に安定化し、結晶化を遅らせるαヘリックス構造をとることが示されています。さらに、NMR緩和データは、ACC内の構造水分子がミリ秒の時間スケールで180°反転することを示しており、動的水和が安定化メカニズムで重要な役割を果たしていることを示唆しています。^{[ 27 ]}

• ポリアスパラギン酸エステル