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2014, 9, 16 JST新技術説明会
Water-in-Oil分散液を用いた
静置培養法による
中空球状バクテリアセルロースゲルの
調製
日本大学
理工学部 物質応用化学科
助教 星 徹
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本技術に関する知的財産権
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発明の名称
出願番号
公開番号
出願人
発明者
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:
:
バクテリアセルロースの製造方法
２０１３－２２２９８３
２０１４－１２１３１４
日本大学
星 徹，柿沼祐香，
澤口孝志，矢野彰一郎
中空球状バクテリアセルロースゲル
(報告例なし)
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バクテリアセルロース（BC）とは ？
酢酸菌の代謝によって生産されるセルロース
好気性細菌の酢酸菌の代謝によって，グルコースからセル
ロースを生成
植物由来よりも細い，セルロースフィブリルが緻密に絡み合
うネットワーク構造を形成
99%は水分のヒドロゲルとして得られる
植物性セルロースと比べ，ほぼ純粋なセルロースから成る
細胞膜
UDPGlucose UDP
細胞質
セルロース合成酵素
フィブリル
Bacterial Cellulose
外膜
BC hydrogel (ナタデココとして有名)
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バクテリアセルロースの調製方法
植菌後，容器に展開し静置培養することで
BCゲルが得られる
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バクテリアセルロースの特徴 その1
培養日数
培養日数の増加とともに膜厚の増加
容器形状によって，
様々な形になる
容器形状でBCゲルの
形が決定
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バクテリアセルロースの特徴 その2
培養日数
空気
密な網目構造
新しい
古い
疎な網目構造
・ セルロースは，培養液－空気界面で生成
・ 厚さ方向に積層構造を形成
・ 酢酸菌は培養時間とともに増殖するので，
生成するセルロース量が増加
培養日数とともに緻密な網目構造を形成
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バクテリアセルロースの特徴 その3
BC hydogel
超臨界乾燥後のBCエアロ
ゲルのSEM画像
植物由来よりも細い直径10 ～ 100nm程度のセルロース
フィブリルが緻密に絡み合うネットワーク構造を形成
99%は水分のヒドロゲルとして得られる
優れた保水性
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従来技術とその問題点
• ＢＣゲルの形状は，培養容器に依存
形状の自由度が低い
• 酢酸菌の増殖による緻密な網目構造の形成
物性の再現性に乏しい
• 高度に発達した網目構造
薄膜作成など，切削加工が困難
• 不溶，不融
一般的な成型法が適用不可
BCの高度利用には，ゲルの形状制御が必要
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 通常，ＢＣゲルは培養液－空気界面で産出される
ため，ＢＣゲルの形状は容器形状に依存する．
• ＢＣゲルの形状制御が報告されている．
• 攪拌培養のよる球状ＢＣゲル (p.9)
• 高酸素透過性チューブ内での静置培養に
よるチューブ状ＢＣゲル (p.10)
• 本技術では，オイル(疎水性液体)中に培養液を
滴下し，浮遊した球状培養液中で酢酸菌を培養
することで，中空球状ＢＣゲルを得ることができる．
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BCゲルの形状制御の例－1
球状BCゲル：食品，保水材料，細胞培養への応用
攪拌培養
5 mm
・ 培養液を攪拌しながら培養することで，球状ＢＣゲルが得られる
・ 攪拌速度，せん断応力により，粒径を制御できる
・ 粒径が小さくなると，形状，サイズが不均一になる
Y.Hu et al., Biomacromolecules, 11, 1727-1734 (2010), W. Czaja et al., Cllulose, 11, 403-411 (2004)
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BCゲルの形状制御の例－2
チューブ状BCゲル：人口血管への応用
酸素透過性に優れたシリコーンチューブ内に
培養液を入れ，高濃度酸素雰囲気下で静置
1. Silicone tube
2. BC gel
3. Culture medium
4. Plug
シリコーンと培養液界面で
セルロースが生成
A.Putra et al., Polymer, 49, 1885-1891 (2008)
A. Bodin et al., Biotech. Bioeng., 97, 425-434 (2007)
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新技術の特徴
本発明の特徴 ： 中空球状BCゲル (報告例なし)
ポイント ： 疎水性－培養液界面でのBCゲルの生成
油との界面で生成
PPとの界面で生成
PP－培養液界面で非常に
薄いBCゲルが生成
培養液と接触する物質により
セルロース生成量が異なる
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・ 疎水性溶媒に培養液を滴下
形状制御 (球状)
・ 疎水性－培養液界面でのBC生成
中空体の調製
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中空球状BCゲルの確認
培養液 (比重1.02)
4 mm
培養液滴下量 ： 50 μL
2.5 mm
培養液滴下量 ： 20 μL
BCゲルのサイズは培養液の滴下量
により制御可能
中空体を形成
培養液－オイル界面でセルロースが
生成するため，中空体を形成
１ ∼ 8mmの中空球状BCゲルを得る
ことに成功
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テフロンシャーレ上での静置培養
お椀型BCゲル
テフロンシャーレとの接触面に
セルロースが生成しない
比重の異なる2種類のシリコーンオイル*中での培養
培養液と接する
疎水場の特性
比重 小
比重 大
接触の仕方
*相溶しない組み合わせ
比重 小
様々な形状のBCゲルの作成への応用を検討中
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超臨界乾燥後の中空球状BCゲルのIR測定
1163 cm-1
897 cm-1
1429 cm-1
1500
900
1300
1100
Wave number (cm-1)
セルロースI型の特異な吸収*
1429 cm-1 : CH2 Bending
1163 cm-1 : C-O-C Stretching
897 cm-1 : β-Glucosidic linkage
オイル－培養液界面で，通常の培養法(空気－培養液界面)
と同様のセルロースI型の生成を確認
*Y.Yue et al., BioResources, 8, 6460-6471 (2013) 16
超臨界乾燥後の中空球状BCゲルのSEM観察
空気－培養液界面と同様に，厚さ方向
(液滴の中心方向)に積層構造を形成
積層面方向は，セルロースミクロフィブリルによる
網目構造を形成
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中空球状BCゲルのまとめ
中空球状BCゲルのサイズは培養液の滴下量により
制御可能
１ ∼ 8mmの中空球状BCゲルが得られる
天然セルロースと同じセルロースI型結晶を有する
セルロースミクロフィブリルによる網目構造を形成
大きい分子
細胞
小さい分子
セルロース
分子ふるい能を発現
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想定される用途
• 材料： 機能性フィラー，
触媒担体
• 食品： 嚥下困難な高齢者向け介護職素材，
新触感デザート
• 医薬： 内服薬のコーティング剤，
新規ＤＤＳ素材
BCゲル表面での骨芽
細胞の培養の報告アリ*
• 医療： 中空内部での細胞培養，
セルデリバリー，
埋め込み医療機器の表面修飾
*Y. Hu et al., Biomacromolecules, 14, 3444-3452 (2013)
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実用化に向けた課題
• 大量生産に向けた培養液の分散性の向上
• 粒径制御(特に1mm以下)
• ゲル状培養液の利用
• 界面活性剤の利用
• 膜厚(強度)制御
現状
エアレーション
• 培養時間との関係
• エアレーションの利用
培養液滴に酸素を供給
セルロース産生の促進
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企業への期待
BCゲルの形状を制御することに成功したが，大量
合成法の確立や用途開発まで至っていない．
企業の皆様には，下記について，ご協力をお願い
します．
• W/O型分散液の技術を有する企業との共同研
究を希望
大量合成法の確立
• ニーズの提供
ニーズに応じた中空球状BCゲルの作成
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お問い合わせ先
日本大学本部 研究推進部知財課
日本大学産官学連携知財センター（NUBIC）
コーディネーター 小野 洋一
ＴＥＬ ０３－５２７５ － ８１３９
ＦＡＸ ０３－５２７５ － ８３２８
e-mail ono.youichi＠nihon-u.ac.jp
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