Negishi N, Inaba T, Miyazaki Y, Ishii G, Yang Y, Koura S.
Sci Rep. 2021 Sep 28;11(1):19218.
doi: 10.1038/s41598-021-98797-w. PMID: 34584148; PMCID: PMC8478985.
近年、トンボやセミの羽、ヤモリの皮などの表面には、抗菌作用を示すナノニードル構造が存在することが明らかになった。これらのバイオミメティックな構造を人工的に再現したものも、メカノ殺菌作用と呼ばれる同様の抗菌作用を示すことが報告されている。これらのメカノ殺菌作用のメカニズムは、研究によって着実に解明されつつある。メカノ殺菌作用の主な結果は、固体表面の殺菌とバイオフィルム形成の抑制である。また、メカノ殺菌作用tは、化学試薬を使用しないことが大きな利点であり、環境に優しく持続可能な殺菌技術として注目されている。
天然水にはさまざまなミネラル成分が含まれている。水道水に含まれるミネラル成分の濃度が高いと、蛇口に白い析出物（scale）が付着することはよく知られている。この白い沈殿物は炭酸カルシウムで、結晶構造は主にアラゴナイトまたはカルサイトで、アラゴナイトは針状結晶を持つ場合がある。以前の研究では、炭酸水素カルシウムを含む水の光触媒反応の際に、TiO2光触媒の表面に炭酸カルシウムが形成されることを発見し、さらに、この炭酸カルシウムは主にアラゴナイトの結晶性を示し、ナノからマイクロメートルサイズの針状になっていた。私たちは、このアラゴナイトのナノニードルが、その形状に伴う機械的殺菌作用によって、流水中のあらゆる細菌を接触により継続的に死滅させることを期待した。前述したように、メカノ殺菌効率として最も有名なのは、固体表面に付着した細菌の殺菌であり、流水中の細菌をメカノ殺菌効果で除去することはほとんど知られていない。アラゴナイト針状結晶が水中でメカノ殺菌効果を発揮するとすれば、それは新しい発見である。針状アラゴナイトの水中でのメカノ殺菌作用は、安全な水の確保が問題となっている発展途上国で使用する浄水システムの開発に役立つことが期待される。その理由の一つは、炭酸カルシウム自体が無害な化合物であること、加えて、炭酸カルシウムの原料である炭酸水素カルシウムが地下水に比較的普遍的に含まれていることにある。つまり、地下水に含まれる炭酸水素カルシウムが、長期使用によりダメージを受けた針状アラゴナイトの光触媒による修復（＝自己修復機能）に利用されることも期待される。
本研究では、ミネラルウォーター中の炭酸水素カルシウムから光触媒によって調製されたTiO2セラミックス上に修飾されたアシキュラーアラゴナイトが、水中の大腸菌に対して機械的殺菌作用を示すことを示した。未改質、カルサイト改質、アラゴナイト改質のTiO2セラミックスを大腸菌の入った水に曝し、静置および撹拌条件下で経時的な殺菌作用を調べた。材料の表面は走査型電子顕微鏡で、細菌の細胞は共焦点レーザー走査型顕微鏡で観察した。その結果、機械的殺菌作用と光触媒作用による相乗的な殺菌性能が発揮された。アラゴナイト自体は、他のウィスカー状のナノ材料とは異なり、人体に対する高い生物学的親和性を有していることから、アシキュラーアラゴナイトの水中でのメカノ殺菌作用は、発展途上国で使用される安全な浄水システムの開発に役立つことが期待される。
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