伊藤 健
关西大学 系统理工学部 机械工学科 教授
2020年～2023年 A-STEP研究负责人
“创新日本走访”系列采访那些以实际应用于社会一线为目标的研发现场。第13回介绍日本关西大学系统理工学部机械工程学科的伊藤健教授的研究，他着眼于蝉翼上的超微细突起“纳米钉”，通过人工制造纳米钉，期待实现无需药剂的全新抗菌杀菌材料。
研究契机起自对论文内容的震惊
通过纳米加工技术再现纳米钉，确认细菌死亡
关西大学千里山校区坐落在大阪府吹田市的丘陵地带。这个绿意盎然的校园里，正在研究开发一种从蝉翼获得灵感的新型抗菌和杀菌材料。笔者为此采访了系统理工学部机械工程学科的伊藤健教授。伊藤教授一直致力于模仿生物结构和功能的“仿生学”研究课题， 2015年他担任关西大学副教授时，看到了一篇来自澳大利亚的研究论文，提到“蝉翼具有抗菌性”。该论文称，蝉翼表面存在超微细的突起，将绿脓杆菌培养液滴在蝉翼上时，该细菌会因这种突起造成的物理损伤而死亡。
伊藤教授笑着回顾了自己学生时代的看法：“根据我当时的处理细菌的经验，觉得细菌不可能这么容易就死掉，所以最初对该论文所述内容持怀疑态度。”当他用电子显微镜观察在校园内捕捉到的熊蝉时，发现蝉翼表面布满了规则排列的纳米（1纳米为十亿分之一米）级别的突起，也就是“纳米钉”。随后，他将菌液滴在蝉翼上，观察到了细菌因突起而变形，随后死亡的现象。伊藤教授由此想到：“如果我们能够应用这种表面结构，或许可以实现对人体和环境影响较小的划时代的抗菌和杀菌材料的创造”。
现有的抗菌及杀菌剂大多是对细菌造成化学损伤来杀菌的，但对人体和环境造成的影响以及耐药菌的产生已成为重大问题。随着耐药菌种类的增多，已经出现了原本通过服药即可治愈的感染症变得难以治疗等不良影响。另一方面，纳米钉的杀菌作用是物理性的，因此不会产生耐药性细菌，并且只要结构存在，就可半永久性的持续杀菌效果。因此，伊藤教授决定挑战人工再现这种纳米钉，以验证其抗菌效果。
伊藤教授所在的纳米机能物理工学研究室精通通过金属催化剂进行纳米级别加工的“金属辅助刻蚀技术”和使用微小颗粒制作图案的“胶体光刻技术”。利用这些技术，伊藤教授成功在4厘米见方的硅基板上制作出了纳米钉结构。并且，他将大肠杆菌培养液滴在这种硅制的纳米钉表面上后，确认了大肠杆菌死亡的结果。2018年，伊藤教授申请了有关制作具备抗菌和杀菌性的纳米钉结构的材料的专利。
转换变为轻柔的树脂材料
但，突起的微观结构的“硬度”是杀菌效果的关键
伊藤教授的研究团队成功制作出了硅纳米钉，并通过实验证明其能将细菌数量减少至十万分之一。一般情况下，硅基板适合于半导体等小面积元件的精细加工，价格昂贵且硬度高，不易操作。树脂材料柔软轻便且易于加工成薄片的特性使其应用范围大为扩展，适合大面积使用而且可以大量生产。因此，伊藤教授的团队从实用化的角度出发，开始致力于制作树脂制的纳米钉。
为制造树脂纳米钉，伊藤教授作为研究负责人于2020年申请了A-STEP产学共同（育成型）项目。项目被采纳后，他们试制了树脂纳米钉，并在日本信息通信研究机构和神奈川县立产业技术综合研究所的协助下，使用荧光显微镜，通过区分活菌和死菌的方法进行杀菌实验，并根据ISO标准进行了多次抗菌测试。然而，在开发初期，树脂纳米钉的杀菌效果未能达到硅纳米钉的水平。在不断探究原因和反复试验的过程中，他们发现突起结构的“硬度”是影响杀菌效果的关键。
使用硅材料时，突起越高则杀菌效果越明显，因此最初树脂纳米钉也设置为与硅纳米钉同等的高度。然而他们发现，柔软的树脂在高度增加时容易弯曲，导致杀菌效果减弱。因此，团队重新探索了适合树脂材料的突起高度和形状，成功找到了能够发挥杀菌效果的纳米钉结构。此外，他们还尝试揭示纳米钉上细菌死亡的机制。伊藤教授表示：“我们认为细菌最初在纳米钉上运动时，细胞膜会受损而导致细菌死亡。”
然而，英国的一个研究团队提出了一种推测：“纳米钉并没有钉穿细菌的细胞膜，而只是使其变形，这种变形可能导致细菌承受压力，从而导致死亡。”受此结果的启发，伊藤教授提出了“这可能是由于变形造成的压力激活了细胞中一种名为‘自溶酶’的膜裂解酶”的假设，并使用了普通的和缺失自溶素的大肠杆菌进行了对比实验。结果发现，在自溶素缺失或受到抑制的条件下，大肠杆菌在纳米钉上很难死亡的现象（图1）。
图1 普通大肠杆菌与缺失自溶素的大肠杆菌的比较实验结果（图片出自Mimura S. et al., RSC Advances, 2022,12, 1645. Fig.4(a)与 Fig.5，Fig.5稍有改动）
左图为自溶素（slt70、mlbB、mltA）缺失株的杀菌性评价结果。可见缺失slt70的Δslt70大肠杆菌的活菌率显著较高。右图为添加了10毫摩尔(mmol)镁离子，使自溶素处于被抑制的条件下的结果（▲），可见即便是将野生株（WT）大肠杆菌滴到纳米结构上，活菌率也几乎没有降低。
希望能在避难所等处用于预防感染
将参展大阪世博会，还计划设立初创企业
在因树脂纳米钉的杀菌效果不理想而进行的反复试验过程中，还获得了新的发现和创意。伊藤教授解释说：“树脂纳米钉难以杀死细菌的原因是细菌不容易附着在其表面。反过来想，这正好说明树脂纳米钉的材料的不易附着细菌和污垢的防污性质。”这一性质应该在很多领域都有应用的潜力，其中一个就是在医疗场所的应用。
例如，在医疗导管引发的感染中，通常认为感染原因是在导管表面形成的细胞菌落。然而，由于这些器具是直接插入体内使用，所以难以涂抹化学抗菌剂或杀菌剂。而如果使用树脂纳米钉，则可以实现对人体无影响且具有半永久性的防污效果的医疗导管。在灾难时，避难所的浴室和厕所等难以频繁进行杀菌和消毒的环境中，这种材料也有望对预防传染病做出贡献。此外，这种材料还有望应用于食品工厂的器材、公共交通工具的吊环和扶手等，提高食品和日常生活的安全性。
伊藤教授团队的研究成果已先后在大学展览会和JST新技术说明会等场合公布，引发了众多企业的关注。该研究团队计划在2025年大阪世博会上出展，并计划成立以大学为基础的初创公司以推动该机能材料的商业化。伊藤教授表示：“我们正在与各界人士共同探讨我们的技术能够在哪些场景中发挥作用。”
今后，该研究团队将进一步深入研究能够发挥更佳抗菌和杀菌效果的树脂纳米钉结构，并探索能够同时发挥抗病毒性的纳米拓扑条件，以及实施面向实用性的耐久性的物理性能评测。纳米钉材料今后能够如何腾空出世，我们将持续关注。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年8月号
翻译：JST客观日本编辑部
