伊藤 健
關西大學 系統理工學部 機械工學科 教授
2020年～2023年 A-STEP研究負責人
「創新日本走訪」系列採訪那些以實際應用於社會一線爲目標的研發現場。第13回介紹日本關西大學系統理工學部機械工程學科的伊藤健教授的研究，他着眼於蟬翼上的超微細突起「奈米釘」，透過人工製造奈米釘，期待實施無需藥劑的全新抗菌殺菌材料。
研究契機起自對論文内容的震驚
透過奈米加工技術再現奈米釘，應答細菌死亡
關西大學千里山校區坐落在大阪府吹田市的丘陵地帶。這個綠意盎然的校園裏，正在研究開發一種從蟬翼獲得靈感的新型抗菌和殺菌材料。筆者爲此採訪了系統理工學部機械工程學科的伊藤健教授。伊藤教授一直致力於模仿生物結構和功能的「仿生學」研究課題， 2015年他擔任關西大學副教授時，看到了一篇來自澳大利亞的研究論文，提到「蟬翼具有抗菌性」。該論文稱，蟬翼表面存在超微細的突起，將綠膿桿菌培養液滴在蟬翼上時，該細菌會因這種突起造成的物理可用能傷害而死亡。
伊藤教授笑着回顧了自己學生時代的看法：「根據我當時的處理細菌的經驗，覺得細菌不可能這麼容易就死掉，所以最初對該論文所述内容持懷疑態度。」當他用電子顯微鏡觀察在校園内捕捉到的熊蟬時，發現蟬翼表面佈滿了規則排列的奈米（1奈米爲十億分之一米）級別的突起，也就是「奈米釘」。隨後，他將菌液滴在蟬翼上，觀察到了細菌因突起而變形，隨後死亡的現象。伊藤教授由此想到：「如果我們能夠應用這種表面結構，或許可以實施對人體和環境衝擊較小的劃時代的抗菌和殺菌材料的創造」。
現有的抗菌及防霉劑大多是對細菌造成化學傷害來殺菌的，但對人體和環境造成的影響以及抗藥性細菌的產生已成爲重大問題。隨着抗藥性細菌種類的增多，已經出現了原本透過服藥即可治癒的傳染症變得難以冶癒等不良影響。另一方面，奈米釘的殺菌作用是物理可用能性的，因此不會產生抗藥性細菌，並且只要結構存在，就可半永久性的持續殺菌效果。因此，伊藤教授決定挑戰人工再現這種奈米釘，以驗證其抗菌效果。
伊藤教授所在的奈米機能物理可用能工學研究室精通透過金屬觸媒進行奈米級別加工的「金屬輔助蝕刻技術」和使用微小顆粒製作圖案的「膠體光刻技術」。利用這些技術，伊藤教授成功在4釐米見方的硅基底層上製作出了奈米釘結構。並且，他將大腸桿菌培養液滴在這種硅制的奈米釘表面上後，應答了大腸桿菌死亡的結果。2018年，伊藤教授申請了有關製作具備抗菌和殺菌性的奈米釘結構的材料的專利。
轉換變爲輕柔的樹脂材料
但，突起的微觀結構的「硬度」是殺菌效果的關鍵
伊藤教授的研究團隊成功製作出了硅奈米釘，並透過實驗證明其能將菌數量減量至十萬分之一。一般情況下，硅基底層適合於半導體等小面積元件的精細加工，價格昂貴且硬度高，不易操作。樹脂材料柔軟輕便且易於加工成薄片的特性使其應用範圍大爲擴展，適合大面積使用而且可以量產。因此，伊藤教授的團隊從實用化的角度出發，開始致力於製作樹脂制的奈米釘。
爲製造樹脂奈米釘，伊藤教授作爲研究負責人於2020年申請了A-STEP產學共同（育模製）專案。專案被採納後，他們試製了樹脂奈米釘，並在日本資訊通訊研究機構和神奈川縣立產業技術綜合研究所的協助下，使用螢光顯微鏡，透過區分活菌和死菌的方法進行殺菌實驗，並根據ISO標準進行了多次抗菌測試。然而，在開發初期，樹脂奈米釘的殺菌效果未能達到硅奈米釘的水平。在不斷探究終極因數和反複試驗的程序中，他們發現突起結構的「硬度」是影響殺菌效果的關鍵。
使用硅材料時，突起越高則殺菌效果越明顯，因此最初樹脂奈米釘也設置爲與硅奈米釘同等的高度。然而他們發現，柔軟的樹脂在高度增加時容易彎曲，導致殺菌效果減弱。因此，團隊重新探索了適合樹脂材料的突起高度和形狀，成功找到了能夠發揮殺菌效果的奈米釘結構。此外，他們還嘗試揭示奈米釘上細菌死亡的機制。伊藤教授表示：「我們認爲細菌最初在奈米釘上運動時，細胞膜會受損而導致細菌死亡。」
然而，英國的一個研究團隊提出了一種推測：「奈米釘並沒有釘穿細菌的細胞膜，而只是使其變形，這種變形可能導致細菌承受壓力，從而導致死亡。」受此結果的啓發，伊藤教授提出了「這可能是由於變形造成的壓力激活了細胞中一種名爲‘自溶酶’的膜裂解酶」的假說，並使用了普通的和缺失自溶素的大腸桿菌進行了對比實驗。結果發現，在自溶素缺失或受到抑制的條件下，大腸桿菌在奈米釘上很難死亡的現象（圖1）。
圖1 普通大腸桿菌與缺失自溶素的大腸桿菌的比較實驗結果（圖片出自Mimura S. et al., RSC Advances, 2022,12, 1645. Fig.4(a)與 Fig.5，Fig.5稍有改動）
左圖爲自溶素（slt70、mlbB、mltA）缺失株的殺菌性評價結果。可見缺失slt70的Δslt70大腸桿菌的活菌率顯著較高。右圖爲添加了10毫摩爾(mmol)鎂離子，使自溶素處於被抑制的條件下的結果（▲），可見即便是將野生株（WT）大腸桿菌滴到奈米結構上，活菌率也幾乎沒有降低。
希望能在避難所等處用於預防傳染
將參展大阪世博會，還計劃設立初創企業
在因樹脂奈米釘的殺菌效果不理想而進行的反複試驗程序中，還獲得了新的發現和創意。伊藤教授解釋說：「樹脂奈米釘難以殺死細菌的終極因數是細菌不容易附着在其表面。反過來想，這正好說明樹脂奈米釘的材料的不易附着細菌和污垢的防污性質。」這一性質應該在很多領域都有應用的潛力，其中一個就是在醫療場所的應用。
例如，在醫療導管引發的傳染中，通常認爲傳染終極因數是在導管表面形成的細胞菌落。然而，由於這些器具是直接插入活體內使用，所以難以塗抹化學抗微生物劑或防霉劑。而如果使用樹脂奈米釘，則可以實施對人體無影響且具有半永久性的防污效果的醫療導管。在災難時，避難所的浴室和便所等難以頻繁進行殺菌和消毒的環境中，這種材料也有望對預防傳染病做出貢獻。此外，這種材料還有望應用於食品工廠的器材、公共交通工具的吊環和扶手等，提高食品和日常生活的安全。
伊藤教授團隊的研究成果已先後在大學展覽會和JST新技術說明會等場合公佈，引發了衆多企業的關注。該研究團隊計劃在2025年大阪世博會上出展，並計劃成立以大學爲基礎的初創公司以推動該機能材料的商業化。伊藤教授表示：「我們正在與各界人士共同探討我們的技術能夠在哪些場景中發揮作用。」
今後，該研究團隊將進一步深入研究能夠發揮更佳抗菌和殺菌效果的樹脂奈米釘結構，並探索能夠同時發揮抗電腦病毒性的奈米拓撲條件，以及實施面向實用性的耐久性的物理可用能性能評測。奈米釘材料今後能夠如何騰空出世，我們將持續關注。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年8月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
