バイオポリマー光導波路およびその製造方法
バイオポリマー光導波路の製造方法は、バイオポリマーを提供する工程、バイオポリマーを連続的にほぐして個々のバイオポリマー繊維を抽出する工程、およびほぐした繊維を張力下に置く工程を含む。次いで、張力をかけた繊維を別のポリマーの中にキャストして、バイオポリマー光導波路を形成する。このバイオポリマー光導波路は、バイオポリマーと別のポリマーとの間の屈折率の差によって光を誘導する。この光ファイバーは、生物医学的用途において使用してもよく、かつ伝送性媒体として体内に挿入することが可能である。このバイオポリマー光導波路を製造するために、印刷技術を使用してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮特許出願第６０／８５６，２９７号明細書（出願日：２００６年１１月３日、発明の名称：「Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」）の優先権の恩典を主張する。
【０００２】
政府支援
本発明は、ｔｈｅ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈにより交付番号ＦＡ９５５００４１０３６３号として与えられた政府支援のもとになされた。本発明に関して政府は一定の権利を保有している。
【０００３】
発明の分野
本発明は、バイオポリマー光導波路およびそのようなデバイスを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
光学の分野は、十分に確立されている。光学のいくつかのサブフィールドとしては、回折光学、微小光学、フォトニクス、および導波光学などが挙げられる。研究用途および商業用途のための光学のこれらおよびその他のサブフィールドにおいて、各種の光学デバイスが作製されてきた。例えば、一般的な光学デバイスとしては、回折格子、フォトニック結晶、光流体デバイス、導波路などが挙げられる。
【０００５】
光導波路は、光学スペクトル中の電磁波を誘導する物理的構造物である。光導波路の一般的なタイプとしては、光ファイバーおよび方形導波路が挙げられる。光導波路は多くの場合、集積光回路中の構成要素として、または光通信システムにおける伝送（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）媒体として使用されている。光導波路は、それらの形状によって、例えば、面状、帯状、ファイバー導波路などに分類することができる。それらはさらに、それらのモード構造によって、例えば、シングルモードまたはマルチモードに分類することもできる。同様にして、光導波路は、屈折率分布によって、例えば、ステップインデックスまたはグラジエントインデックスに分類することもできる。さらには、光導波路は、その材料組成によって、例えばガラス、半導体、またはポリマーに分類することもできる。
【０００６】
これらの光学デバイスは、その用途およびその所望される光学的な特性に合わせて、各種の方法を用いて作製される。しかしながら、これらの光学デバイス、およびそれらを製造する際に採用される作製方法には、一般的に、非生分解性材料の顕著な使用が含まれる。例えば、光学デバイスにおいては、ガラス、溶融シリカ、およびプラスチックが一般的に使用される。そのような材料は生分解性でなく、その光学デバイスが使用されなくなって廃棄された後でも、長期間にわたって環境の中に留まる。言うまでもないことであるが、それらの材料のいくつかは、リサイクルおよび再使用することが可能である。しかしながら、リサイクルにおいても、さらなる天然資源を消費することが必要であり、そのような材料に伴う環境コストが増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、環境に対するマイナスの影響を最小限とするような光導波路に対する必要性が、充足されないまま残っている。それに加えて、従来からの光導波路によっては得られなかった、さらなる機能的特徴を与える光導波路に対する必要性が、充足されないまま残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述のことを考慮に入れて、本発明の目的は、各種の用途において使用することが可能な、新規なバイオポリマー光導波路およびそのような光導波路を製造するための方法を提供することである。
【０００９】
本発明の一つの態様は、バイオポリマー導波路デバイスを提供することである。
【００１０】
本発明のまた別の態様は、そのようなバイオポリマー導波路デバイスを製造するための方法を提供することである。
【００１１】
本発明の一つの利点は、環境に対するマイナスの影響を最小限とするバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１２】
本発明のまた別の利点は、生体適合性があるバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１３】
本発明のさらにまた別の利点は、従来からの光導波路によっては得られなかった、さらなる機能的特徴を有するバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１４】
上記のことに関して、本発明の発明者らは、バイオポリマー、特に絹タンパク質が、新規な構造およびその結果としての機能を与えることを認識するに至った。例えば、材料科学の観点からは、クモおよびカイコによって紡ぎ出される絹は、これまで知られている内では最も強く、最も強靱な天然繊維を代表するものであって、機能化、加工、および生体適合性において各種の機会を提供する。５０００年を超える歴史の中で、絹は需要のある織物から、科学的に魅力のある繊維へと移行していった。その特徴によって昔の人々を魅了したのと同様に、絹は、その強度、弾性、および生化学的な性質のために、今日この時代においても大いに注目を集めている。自己集合および集合における水の役割についての知見によって、絹の新規な材料特性が拡張した。それらの知見から、ヒドロゲル、超薄膜、厚膜、コンフォーマルコーティング（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｃｏａｔｉｎｇ）、三次元多孔質マトリックス、固形ブロック、ナノスケール直径の繊維、および大きな直径の繊維を製造するための新規な加工方法が得られるようになった。
【００１５】
絹ベースの材料は、熱力学的に安定なタンパク質二次構造、別な呼び方ではベータシート（βシート）の天然の物理的架橋を用いて、それらの印象的な機械的性質を達成している。ナノスケールで配列された結晶（βシート）の数が多いことが、高度に水素結合され、結晶ドメインが少ないことと相まって、特有の構造および機能的特徴を与えている。材料を安定化させるための、外部からの架橋反応や後加工による架橋は全く必要としない。絹タンパク質鎖の上に多様なアミノ酸側鎖化学基が存在していることによって、絹を官能化させるための、例えばサイトカイン、モルフォゲン、および細胞結合ドメインなどとの結合化学反応が容易となる。機械的側面、水系加工、機能化の容易さ、多様な加工モード、自己形成架橋、生体適合性、および生分解性を考慮に入れると、この範囲の材料特性および生物学的な界面（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を提供するような、合成ポリマー系または生物学的に誘導されたポリマー系は、これまで知られていない。
【００１６】
他のバイオポリマーまたは合成ポリマーでは、上述のような絹の特徴の範囲に合わせることは不可能ではあるものの、本発明の発明者らは、絹と同様の、または類似した各種の性質を示すいくつかの他のポリマーを同定した。具体的には、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（ｐｕｌｌａｎ）、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを含む、他の天然バイオポリマーが同定された。バイオポリマー、特に絹の上述の特徴を考慮に入れて、本発明は、各種の新規なバイオポリマー光導波路およびそのようなデバイスを製造するための方法を提供する。
【００１７】
本発明の一つの態様においては、バイオポリマー光導波路の一つの製造方法には、バイオポリマーを提供する工程、およびそのバイオポリマーを第二のポリマーの中にキャストしてバイオポリマー光導波路を形成させる工程が含まれる。その第二のポリマーは、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。そのバイオポリマーと第二のポリマーが異なった屈折率を有しているために、バイオポリマーを使用して、光を第二のポリマーを通して誘導することができる。
【００１８】
一つの実施態様においては、そのバイオポリマーは絹であってよく、絹繊維は、絹をほぐして、個々のバイオポリマー繊維を抽出することによって得てもよい。次いでそのほぐした絹繊維を、テンションデバイスまたはくせ取りデバイス中で、張力下に置いてもよい。次いでその絹繊維を、第二のポリマー、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはその他の好適なポリマーの中にキャストすればよい。絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）は、ＰＤＭＳ（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせは、絹がＰＤＭＳを通して光を伝送するので、導波路として機能する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを使用してもよいが、但し、その（第二の）ポリマーオーバーコートが、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにすれば、その（第二の）ポリマーオーバーコートが、光導波路のバイオポリマーコアに対するクラッド材料として機能すると考えられる。
【００１９】
また別の実施態様においては、低強度レーザーアブレーションまたはその他のスムージング技術を使用して、生糸繊維または押出し加工した繊維を前処理またはその他の処理をすることにより、表面粗さを除去してもよい。同様にして、繊維の表面をアブレーション加工して、絹の中に光をカップリングさせるために適した光学表面を与えてもよい。
【００２０】
本発明の方法によって各種の形状の導波路を形成させることが可能であるが、それには、円形の断面積を有する同心の導波路が含まれる。同様にして、第二のポリマーをスラブ導波路のガイド層として堆積させ、バイオポリマーをそのスラブの層の間にキャストすれば、方形導波路を形成させることができる。本発明に従って製造された方形のバイオポリマー光導波路は、集積光回路中や、光学デバイスのホストとして使用してもよい。本発明に従って製造された方形バイオポリマー光導波路はさらに、干渉計および波長分割マルチプレクサーの基本構造として使用してもよい。
【００２１】
本発明のまた別の実施態様においては、方形の形状を有するバイオポリマー光導波路を、平面印刷技術によって製造してもよい。この実施態様においては、バイオポリマー光導波路の製造方法には、基材を提供する工程、その基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程、およびその第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させてバイオポリマー光導波路を形成させる工程が含まれるが、ここでその第二の材料は第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有している。一つの実施態様においては、その第一のバイオポリマーは絹であってよく、それに対して本発明の他の実施態様においては、タンパク質は基材の上に印刷されてもよい。
【００２２】
絹およびその他の生体適合性バイオポリマー光導波路を用いることによって、各種の生物医学的用途が可能となる。例えば、生体適合性有機光ファイバーは、診断用光送達および治療のためにインビボで使用してもよい。バイオポリマー光導波路は、麻痺したり損傷を受けたりしているニューロンのための、光を使用可能とする（ｌｉｇｈｔ ｅｎａｂｌｅｄ）神経系置換繊維として使用してもよい。本発明の光導波路は、光放射のための伝送媒体として体内に挿入してもよいし、また、絹光ファイバーのメッシュは、センサーアレイから、または体内の別の位置からの情報を中継することができる。
【００２３】
同様にして、材料成分として包埋された絹繊維は、材料の表面が良好な状態であるように見える場合でさえも、その材料の損傷、疲労または破損についての、非破壊的指標として役立たせることができる。本発明の方法によって、絹繊維に機能を与えて、誘導された光と有機光ファイバーとの間の好ましい相互作用を可能とすることができる。
【００２４】
それに加えて、本発明のバイオポリマー光導波路は、さらなる用途において使用してもよい。例えば、それらのバイオポリマー光導波路は、センサーとして、プロテオ光流体デバイス（ｐｒｏｔｅｏ−ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）として、およびそれらのデバイスのサブクラス、例えばタンパク質およびウイルス検出器、フローサイトメーター、フローモニター、アブソーバー、特化チャネル、細胞篩などとして使用してもよい。
【００２５】
本発明のこれらおよびその他の利点および特徴は、添付の図面と併せて参照すれば、以下の本発明の好ましい実施態様の詳細な説明から、より明らかになると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一つの実施態様による方法を示す概略フロー図である。
【図２】本発明の一つの実施態様に従って製造したバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図３Ａ】本発明によるバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図３Ｂ】本発明によるバイオポリマー光導波路の写真である。
【図４】本発明のまた別の実施態様に従って製造したバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図５】本発明の一つの実施態様による方法を示す概略フロー図である。
【図６】印刷されたタンパク質を使用して導波路のチャネルを形成させる本発明の一つの実施態様に従って製造した、バイオポリマー光導波路の概略図である。
【図７】８％絹濃度の体積と膜厚との間の関係を示すグラフである。
【図８Ａ】絹から作製したバイオポリマー膜の写真である。
【図８Ｂ】図８Ａのバイオポリマー膜の反射率のプリズム結合角度依存性を示すグラフである。
【図８Ｃ】図８Ａのバイオポリマー膜の光の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の測定値を示すグラフである。
【図９】ＲＢＣをドープした絹光学デバイスの内部におけるヘモグロビン機能の保持性を示す結果のグラフである。
【図１０】絹、キトサン、およびコラーゲンの中にキャストされた回折性バイオポリマーデバイスを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
発明の詳細な説明
以下において詳しく説明するように、本発明によるバイオポリマー光導波路デバイスは、絹のようなバイオポリマーを使用して作製した。これに関しては、使用された絹はカイコ絹であった。しかしながら、各種の絹、例えばクモの糸、トランスジェニック絹、および遺伝子改変された絹、それらの変種および組み合わせなどが存在し、それらを、バイオポリマー光導波路を得るために、本発明における代用品として使用してもよい。
【００２８】
さらに、絹に代えて、その他の生分解性ポリマーを使用してもよい。例えば、さらなるバイオポリマー、例えばキトサンは、所望の機械的性質を示し、水中で加工することが可能であり、一般的には光学的用途のための清澄な膜を形成する。その他のバイオポリマー、例えばキトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを、特定の用途および組み合わせにおいては代わりに使用してもよいし、合成生分解性ポリマー、例えばポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリヒドロキシアルカノエート、および関連するコポリマーを選択的に使用してもよい。それらのポリマーのいくつかは、水中ではそれほど容易には加工されない。それにも関わらず、そのようなポリマーは、それ自体で、他のポリマーとの組み合わせで、または絹との組み合わせで使用してもよく、特にバイオポリマー光学デバイスにおいて使用してよい。
【００２９】
図１は、本発明の一つの実施態様による、バイオポリマー光導波路の製造方法を示すフロー図１０の概略図である。ステップ１１においてバイオポリマーマトリックス溶液が提供されているならば、プロセスは下のステップ１６に進む。そうでない場合には、ステップ１２においてバイオポリマーを提供する。そのバイオポリマーが絹である例では、カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ）の繭からセリシンを抽出することによってバイオポリマーを提供してもよい。ステップ１４において、そのバイオポリマーを加工して、バイオポリマーマトリックス溶液を得る。
【００３０】
ステップ１６においては、バイオポリマーマトリックス溶液を加工して、バイオポリマー絹繊維、生糸繊維、または押出し加工した繊維を得る。絹の例においては、ステップ１６において絹フィブロイン水溶液を例えば８．０重量％に処理してから、それを用いてバイオポリマー光導波路を製造する。言うまでもないことであるが、他の実施態様においては、その溶液濃度を、例えば浸透ストレス技術また乾燥技術により希釈するかまたは濃縮することによって、極めて希薄な濃度（およそ１重量％）から極めて高い濃度（最高３０重量％まで）まで変化させてもよい。この点に関しては、他の実施態様においては、用途に合わせて、得られるバイオポリマー光導波路の可撓性または強度を最適化させるために、各種の重量パーセントの溶液を使用してもよい。絹フィブロイン水溶液の製造については、国際公開公報第２００５／０１２６０６号（発明の名称：Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｉｌｋ Ｆｉｂｒｏｉｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｏｆ）に詳しい記載がある。
【００３１】
バイオポリマー絹繊維が提供されたら、任意のステップ１８において、その絹繊維を連続的にほぐして、個々の絹繊維を抽出してもよい。任意のステップ２０において、そのほぐしたバイオポリマー（絹）繊維を、テンションデバイスまたはくせ取りデバイス、例えば型枠要素、ターンバックル、クランプセットなどを用いて、張力下に置く。
【００３２】
繊維はさらに、以下の特許に開示されているようにして合成的に形成させることもできる：国際公開公報第０４０００９１５号Ａ２（発明の名称：Ｓｉｌｋ Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ Ｔｈｅｒｅｏｆ）、国際公開公報第９３１５２４４号Ａ１（発明の名称：Ｆｉｂｅｒ−Ｓｐｉｎｎａｂｌｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｉｌｋｗｏｒｍ Ｆｉｂｒｏｉｎ）；および／または米国特許第５，２５２，２８５号（発明の名称：Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ Ｓｉｌｋ Ｆｉｂｒｏｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ）（全て参照により本明細書に組み入れられる）。
【００３３】
任意のステップ２２において、絹バイオポリマー生糸繊維または押出し加工した繊維を処理して、表面粗さを除去する。この任意のスムージング処理は、低強度レーザーアブレーション技術を使用するか、または表面粗さをさらに低下させるかまたは除去するためのその他のスムージング技術を使用して実施してもよい。さらに、絹バイオポリマーの未加工のまたは押出し加工した繊維の面をアブレーション加工して、絹コアの中に光をカップリングさせるための改良された光学表面を与えてもよい。
【００３４】
ステップ２４においては、繊維を、ポリマーオーバーコートとして機能してバイオポリマー光導波路を形成する第二のポリマー、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの中にキャストする。言うまでもないことであるが、それを用いてバイオポリマー繊維コアのオーバーコートを形成するための他の材料を使用してもよい。ステップ２６においては、そのキャスト繊維およびポリマーオーバーコートを乾燥させると、バイオポリマー光導波路の製造方法は完了する。
【００３５】
図２に概略的に示したように、第二の材料２０２が、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。バイオポリマー絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）の方が、ＰＤＭＳオーバーコートクラッディング（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせが導波路２００として機能し、絹バイオポリマー繊維がコア２０４として働いて、光波（矢印２９８、２９９で示す）を第二の材料２０２を通して伝送する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせをコア２０４として使用してもよいが、但し、その第二の材料（オーバーコート）２０２が、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにして、第二の材料２０２、例えばＰＤＭＳポリマーオーバーコートが、光導波路２００のバイオポリマーコア２０４に対するクラッド材料２０２として機能すると考えられる。
【００３６】
図２では、本発明のバイオポリマー光導波路２００の中を光波２９８、２９９がどのようにして誘導されるかを説明している。バイオポリマー繊維のコア２０４の受光錐（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ｃｏｎｅ）２５０の範囲内に入る、入射光線２９９を、導波路２００を通して伝送させるが、一方では、バイオポリマー繊維のコア２０４の受光錐２５０の範囲外となる入射光線２９８は、第二の材料のクラッディング２０２の中で失われる。
【００３７】
図２に見られるように、本発明のバイオポリマー光導波路２００は、円形の断面を有する細長い形状に製造することができ、この場合、バイオポリマーコア２０４と、第二の材料のオーバーコートクラッディング２０２、例えばＰＤＭＳとが、長手方向の軸ｘに沿って同心のバイオポリマー導波路２００を形成している。
【００３８】
本発明の一つの実施態様による絹から作製したバイオポリマー光導波路３００の概略図を図３Ａに、写真を図３Ｂに示す。先に述べたように、絹繊維３０４は、ポリマーオーバーコート材料３０２の中に包埋されている。絹繊維３０４とそれを取り囲むポリマーオーバーコート材料３０２（図３Ｂに示す例おいてはＰＤＭＳである）との間の屈折率が異なっているために、絹繊維３０４の屈折率によって導波路３００を実現させることが可能となっている。
【００３９】
言うまでもないことであるが、本発明のバイオポリマー光導波路は、さらなる形状であっても同様に製造することができる。例えば、図４に示したように、バイオポリマー光導波路に第一のバイオポリマー４０４とポリマーオーバーコート４０２とを含み、それらが平面の軸（Ｚ軸）に沿って方形のスラブ導波路４００を形成するようにしてもよい。
【００４０】
本発明の方法によって各種の形状の導波路を形成させることが可能であるが、それには、図２に示したような円形の断面積を有する同心の導波路が含まれる。同様にして、図４に見られるような方形導波路を形成させてもよいが、この場合、第二のポリマー４０２をスラブ導波路４００のガイド層として堆積させ、バイオポリマー４０４をそのスラブの層の間にキャストする。本発明に従って製造された方形のバイオポリマー光導波路は、集積光回路中や、光学デバイスのホストとして使用してもよい。本発明に従って製造された方形バイオポリマー光導波路はさらに、干渉計および波長分割マルチプレクサーの基本構造として使用してもよい。
【００４１】
方形導波路の物理的パラメーターは、電気的な動作特性を決めるのに役立つ。図４における幅の広い壁ａの寸法が、動作の周波数範囲に影響するが、それに対して、狭い壁ｂの寸法は、その導波路の破壊電圧と、同様にしてピーク電力処理能力を決めるのに役立つ。
【００４２】
インビボ診断用光送達構成要素および治療用送達構成要素としての使用に加えて、本発明の光ファイバーは、光放射のための伝送性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）媒体として体内に挿入してもよいし、また絹光ファイバーのメッシュは、センサーから、または体内の別の位置からの情報を中継することもできる。
【００４３】
同様にして、包埋された絹繊維は、材料の表面の外観が全く損傷を示していない場合でさえも、その材料の損傷、疲労、または破損についての、非破壊的指標として役立たせることができる。
【００４４】
本発明のまた別の実施態様においては、方形の形状を有するバイオポリマー光導波路を、平面印刷技術によって製造してもよい。この実施態様を図５で説明するが、ここでバイオポリマー光導波路の製造方法５００には、ステップ５０２における基材を提供する工程が含まれる。
【００４５】
その基材は、光学デバイス、例えばレンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、ビームリシェーパー、およびその他の光学デバイスのためのテンプレートであってよい。ステップ５０２において提供された基材は、バイオポリマー光学デバイス（上述の例では導波路）の製造におけるモールドとして、使用される。その基材の表面は、バイオポリマー光学デバイスの上に形成される、所望の特徴的な様相を有している。この点に関しては、その基材は、製造されるバイオポリマー光学デバイスにおいて望まれる光学的な特徴に合わせて、光学デバイスの表面上の適切なナノパターンであってもよいし、例えばナノパターン化光学格子のような光学デバイスであってもよい。
【００４６】
ステップ５０４においては、その基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する。その第一のバイオポリマーは、インクジェット式の印刷を使用して基材の上に印刷するのがよい。その印刷プロセスによって基材の上にキャストされる第一のバイオポリマー印刷媒体として、バイオポリマーマトリックス水溶液を使用してもよい。次いでステップ５０６において、バイオポリマーマトリックス水溶液を乾燥させて、バイオポリマーマトリックス水溶液を固相に転移させてもよい。これに関しては、バイオポリマーマトリックス水溶液をある一定時間、例えば２４時間かけて乾燥させてよく、場合によっては、バイオポリマーマトリックス水溶液の乾燥を促進させるために、弱い加熱を加えてもよい。乾燥させると、基材の表面上に固化されたバイオポリマー膜が形成される。バイオポリマー膜の厚みは、基材に塗布したバイオポリマーマトリックス溶液の体積に依存する。
【００４７】
バイオポリマーマトリックス溶液の溶媒を蒸発させてから、場合によっては、ステップ５０８において、その固化されたバイオポリマー膜をアニールさせてもよい。このアニールステップは、水蒸気環境中、例えば水蒸気で充満されたチャンバー内で、所望の材料特性に応じて時間を変えて実施してもよい。典型的には、アニールにかける時間は、例えば２時間〜２日の範囲とするのがよく、真空環境中または複数の環境の組み合わせの中で実施してもよい。適当な乾燥時間の後では、そのバイオポリマー膜は、好適な印刷された絹バイオポリマー層である。
【００４８】
任意のステップ５１０において、その印刷された絹バイオポリマー層を処理して、表面粗さを除去してもよい。この任意のスムージング処理は、低強度レーザーアブレーション技術を使用するか、または表面粗さをさらに低下させるか、または除去するためのその他のスムージング技術を使用して実施してもよい。さらに、絹バイオポリマー層の面をアブレーション加工して、絹コアの中に光をカップリングさせるための改良された光学表面を与えてもよい。
【００４９】
ステップ５１２において、第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させて、バイオポリマー光導波路を形成させる。その第二の材料は、第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有している。一つの実施態様においては、その第一のバイオポリマーが絹であってよく、それに対して本発明の他の実施態様においては、タンパク質が基材の上に印刷されてもよい。同様にして、一つの実施態様においては、その第二の低屈折率材料がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であるが、その一方で他の実施態様においては、他の材料を使用してもよい。
【００５０】
先に説明し、図５に概略的に示したように、その第二の材料が、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。バイオポリマー絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）の方が、ＰＤＭＳオーバーコートクラッディング（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせが導波路として機能し、絹バイオポリマー繊維がコアとして働いて、光を第二の材料を通して伝送する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを使用してもよいが、但し、その第二の材料（オーバーコート）が、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにして、第二の材料、例えばＰＤＭＳポリマーオーバーコートが、光導波路のバイオポリマーコアに対するクラッド材料として機能すると考えられる。
【００５１】
第一のバイオポリマー材料は、各種効果的な方法で基材の上に堆積させてよい。例えば、第一のバイオポリマー材料は、インクジェット技術、例えばインクジェット式のプリンターを用いて基材の上に印刷してもよい。第一のバイオポリマーを第一のバイオポリマーの各種の厚みの層を形成させることにより、基材の上に印刷してもよい。第一のバイオポリマーの印刷では、オーバーレイ印刷技術を繰り返し使用して、所望の用途に合わせて、バイオポリマー導波路の厚みを増やしてもよい。次いで、その印刷された絹コアの上に（第二の）低屈折率材料を堆積させる。先に説明したように、高い屈折率を有するタンパク質または他のバイオポリマーを、導波路のコア材料として使用してもよい。
【００５２】
上述の印刷実施態様を図６に概略的に示す。それに見られるように、基材６５０を提供し、タンパク質導波路コア６０４を、インクジェット技術を使用して基材６５０の上に印刷する。次いで、その印刷されたタンパク質導波路コア６０４の上に低屈折率材料６０２を堆積させる。所望の印刷されたタンパク質導波路の実験的な寸法をベースに、材料を印刷するためにインクジェット塗布を使用してもよい。先に説明したように、バイオポリマー導波路の厚みを増加させるためには、印刷されるタンパク質導波路コア６０４の個々の線をオーバーレイ印刷することが必要となる場合がある。
【００５３】
実験を実施して、各種のバイオポリマー光導波路を製造することによって、上述の方法の検証を行った。８重量％の絹濃度の絹フィブロイン水溶液の体積と、得られる絹の膜厚との間の関係を図７のグラフ３０に示しているが、その絹フィブロイン水溶液は、およそ１０平方センチメートルの基材の表面上にキャストした。Ｘ軸は絹フィブロイン溶液の体積（単位ｍＬ）を示し、Ｙ軸は得られた膜の厚み（単位μｍ）を示している。
【００５４】
言うまでもないことであるが、膜の性質、例えば厚みおよびバイオポリマー含量、さらには光学的な特徴は、そのプロセスで使用されるフィブロインの濃度、堆積させる絹フィブロイン水溶液の体積、およびキャスト溶液を乾燥させてその構造を固定させるための堆積後（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスなどに基づいて、変化させることができる。得られたバイオポリマー光導波路の光学的品質を確保し、バイオポリマー光導波路の各種の特性、例えば透明度、構造的剛性、および可撓性を維持するためには、それらのパラメーターを正確に調節することが望ましい。さらに、バイオポリマーマトリックス溶液に対する添加剤を使用して、バイオポリマー光導波路の特徴、例えば、形態、安定性などを変化させてもよいが、そのようなものとしてはポリエチレングリコール、コラーゲンなどが知られている。
【００５５】
１０μｍの厚みを有するパターン化されていないバイオポリマー膜を、絹フィブロイン水溶液を使用して上述の方法で製造し、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の走査型プリズム結合反射率計で特性解析した。図８Ａに、製造され特性解析された、パターン化されていないバイオポリマー膜３４を示す。バイオポリマー膜３４の屈折率を測定すると、６３３ｎｍでｎ＝１．５５であったが、これは通常のボロシリケートガラスの屈折率よりもやや高い。測定された屈折率は、例えば空気−絹バイオフォトニック結晶（ＢＰＣ）において光学的に使用するための妥当なコントラストを与えるには、十分に高いことが確認された（Δｎｆｉｂｒｏｉｎ−Δｎａｉｒ＝０．５５）。パターン化されていない絹の膜３４の特性解析が、図８Ｂのグラフ３６に示されているが、これからは明らかに、反射率のプリズム結合角度依存性が認められる。グラフ３６における振動は、導波光の中へのカップリングによるものであって、導波路材料として絹が使用できることを示している。
【００５６】
さらに、パターン化されていない絹の膜３４を解析して、透明度を求めた。図８Ｃは、各種の波長における絹の膜３４を通過する光の透過率の測定値を示すグラフ３８である。透過率の測定から、パターン化されていない絹の膜３４が、可視スペクトル全体にわたって高い透明性を有していたことがわかる。比較のために、コラーゲン、およびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で同様の厚みの膜をキャストした。自立性についての構造的な安定性が劣っていることが見出され、また得られたバイオポリマー光学デバイスは、薄膜として実施したときに、自立性がなかった。しかしながら、そのようなバイオポリマーでも、構造的な安定性が重要と考えられないような他の用途では使用できる。
【００５７】
ここで重要なことは、各種の厚みを有する成形膜を、上述の図１および図５の方法を使用してナノスケールのパターン化を行って、ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを得ることである。
【００５８】
本発明に関連して使用するとき、「ナノパターン化」という用語は、バイオポリマー光学デバイスの表面上に得られる極めて小さなパターニングを指す。そのパターニングは、そのサイズがナノメートルスケール（すなわち、１０−９メートル）で適切に測定しうる、例えば１００ｎｍ〜数ミクロンの範囲のサイズであるような、構造的な特徴を有している。さらに、本発明のバイオポリマー光学デバイスには、各種の異なった光学デバイス、例えばレンズ、回折格子、フォトニック結晶、導波路などを組み入れてもよい。
【００５９】
各種のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスが、絹フィブロイン溶液を用いた上述の本発明の方法を使用して満足のいくレベルで製造された。それらのデバイスには、導波路、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーが含まれる。具体的には、絹フィブロインの水溶液を、その上にパターンを有する特定の基材の上にキャストした。その基材の表面をＴｅｆｌｏｎ（商標）で被覆しておいて、バイオポリマーマトリックス溶液が液相から固相へと転移した後に、均質に剥離されるようにした。バイオポリマー光学デバイスにおいて高度に規定されたナノパターン化構造を形成させるための、本発明のバイオポリマーキャスト方法の性能が、本発明の光導波路をキャストすることによって検証された。２１０ｎｍもの低い寸法と、２０ｎｍ未満の局所的表面粗さを有する、規則的にパターン化された特徴が得られた。先にも述べたように、スムージング技術をさらに使用して、バイオポリマー光導波路の表面粗さをさらに低下させるか、または除去してもよい。
【００６０】
光学的に平坦な表面上にキャストした絹の膜の粗さを測定すると、２．５〜５ナノメートルの間の二乗平均平方根粗さの値と測定されたが、このことは、６３３ｎｍの波長では、優にλ／５０未満の表面粗さであることを意味している。パターン化された絹回折光学素子の原子間力顕微鏡画像は、適切なモールドで絹の膜をキャストおよびリフトさせることによって得られる超微細加工のレベルを示している。それらの画像は、数百ナノメートル範囲の解像度を示し、コーナーの鮮鋭度からは、数十ナノメートルまでの細かい忠実なパターニングの可能性が示唆される。
【００６１】
各種の厚みの純粋な絹の膜に６３３ｎｍの光を導くことによって得られる、絹スラブ導波路を通過させる際の光学的損失を測定した。光学的損失の測定値は、膜の散乱に依存して０．２５〜０．７５ｄＢ／ｃｍの範囲で変化した。絹溶液の純度と表面全体にわたる層の均質性とを調節することによって、損失をそれら測定値よりかなり低い値にまで下げることができる。
【００６２】
生体適合性材料をそのように規則的にパターニングさせることによって、フォトニックバンドギャップを与え、有機物を介して光を処理し、しかも機械的には頑強な光学デバイスを得るために使用することが可能な光学デバイスを製造することが可能となる。それらのデバイスは、本明細書全体で説明しているように、包埋される光学素子の可撓性とタンパク質基材の特有の多様性とが組み合わさっている。本発明によって多くのメリットが得られるが、それには、絹のようなバイオポリマー有機特性を、有機マトリックスの中に包埋された回折および伝送性光学素子の性能と組み合わせて、生物学的に活性な光学素子を作り出すことが含まれる。絹は、分解の調節が可能で、生体適合性で、そして構造的に強い媒体を与え、それを用いて、本発明による光学デバイスを作製することができる。
【００６３】
上述の本発明の方法を使用して、伝送性のナノパターン化回折性バイオポリマー光学デバイスを作製した。それらの光学デバイスには、バイオポリマー光導波路、絹ディフューザー、ラインパターン発生器、およびクロスパターン発生器が含まれる。そのような光学デバイスは、適切に形成された波長スケールの表面構造を使用して、光干渉を利用する、予め決められた一次元または二次元の光パターンを作り出す。従来からの材料で作製されたそのような光学デバイスは、いくつかの使用例を挙げれば、画像形成、分光法、ビームサンプリングおよびトランスフォーメーション、ならびに計量法などに適用されてきた。例えば絹バイオポリマーのような生物学的マトリックスの中での光の送達を調節するためにこのアプローチ方法を拡張することによって、基材の中にフォトンを最適にカップリングさせたり、意図的な光学的な識別性、干渉、または読取りが可能となったりする。
【００６４】
本発明によるバイオポリマー光導波路の顕著な利点は、それらが完全に有機で、生体適合性であるので、光導波路を生物学的に活性化された状態とする性能があることである。例えば絹の光導波路の場合には、水をベースとする加工を用いることができる。このことによって、導波路の細胞生存性が向上し、生体適合性についても同様である。
【００６５】
ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスの生体適合性を確認する目的で、上述のような図１および図５に従って製造した本発明による絹回折格子の中に、赤血球（ＲＢＣ）を組み入れた。そのＲＢＣ−絹フィブロイン溶液は、１ｍＬの８０％ヘマトクリットヒトＲＢＣ溶液と、５ｍＬの８％絹溶液とを組み合わせることによって調製した。その混合物を、６００ライン／ｍｍの光学格子上にキャストし、一晩かけて放置乾燥させた。その膜を、光学格子から取り外し、２時間アニールさせた。そうして得られたＲＢＣをドープした絹回折格子の中には、格子構造が観察された。
【００６６】
次いで、そのＲＢＣをドープした絹回折格子を試験して、回折次数を観察した。光伝送実験（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）を実施して、ヘモグロビン（ＲＢＣ中に含まれる酸素運搬タンパク質）が、絹回折格子のマトリックスの中でその活性を維持しているかどうかを調べた。図９にその結果のグラフ１６０を示すが、それは、ＲＢＣをドープした絹回折格子の中でヘモグロビン機能が維持されていることを示している。Ｘ軸は波長（単位ｎｍ）に相当し、Ｙ軸は、ＲＢＣをドープした絹回折格子による吸光度を示している。
【００６７】
具体的には、ＲＢＣをドープした絹回折格子を、蒸留水を充填した石英キュベットの中に挿入し、吸光度曲線を観察した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｂ）ＨｂＯ２によって示す。図から判るように、線（ｂ）ＨｂＯ２によって示される吸光度曲線は、オキシヘモグロビンの吸収に典型的な二つのピークを示した。次いで、そのキュベットの中に窒素ガスの気泡を通して、ヘモグロビンを脱酸素化させた。１５分後に、オキシヘモグロビンの特性吸収ピークが吸光度曲線から消えた。この結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ａ）Ｈｂによって示す。これらの結果は、次いでキュベットへの窒素の流れを止めると、その結果として、オキシヘモグロビンのピークが再び現れるということで、さらに確認した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｃ）ＨｂＯ２によって示す。
【００６８】
先にも説明したように、代わりのバイオポリマーを使用して、本発明によるナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを作製してもよい。図１０は、異なった材料を使用してキャストした他の回折性バイオポリマー光学デバイスを示す、写真１８０を示している。具体的には、キトサン光学デバイス１８２と、コラーゲン光学デバイス１８４をさらに、本発明に従って製造した。キトサンに関しては、絹と同様の光回折特性が観察された。
【００６９】
上述の説明と、例に挙げて示し説明したナノパターン化バイオポリマー光学デバイスとから、本発明が、生分解性ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを提供することは明らかである。本質的に生体適合性であり、水の中で加工することが可能で、調節された寿命で分解することが可能な、高品質のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスが製造された。先にも説明したとおり、本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、小さな有機物質を組み入れることによって、生物学的に活性化させてもよい。例えば、その小有機物質は、複合タンパク質、例えば赤血球中のヘモグロビンおよび酵素、例えばペルオキシダーゼであってよい。本発明は、ペプチド、酵素、細胞、抗体、または関連の系の形の不安定な生物学的受容体を直接的に組み入れることが可能になることから、光学デバイスの汎用性を広げ、そのような光学デバイスを生物学的検知デバイスとして機能させることも可能となる。したがって、その有機物質は以下のものであってよい：核酸、色素、細胞、（さらに付属書Ｉに記載されているような）抗体、酵素、例えば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、分子認識のためのペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、植物細胞、哺乳動物細胞など、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、炭水化物、光学活性発色団（ベータカロチンまたはポルフィリンを含む）、発光性有機化合物、例えばルシフェリン、カロチンおよび発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、酵母、抗真菌剤、抗ウイルス剤、および複合体、例えばヘモグロビン、電子伝達鎖補酵素およびレドックス成分、集光性化合物、例えばクロロフィル、フィコビリタンパク質、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン（ｐｒｏｔｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ）、およびポルフィリン、ならびに関連の電子的に活性な化合物、またはそれらの組み合わせ。
【００７０】
本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、生体適合性および生分解性が最重要視される環境科学および生命科学において容易に使用することができる。例えば、上述のようなナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、自然環境、例えば人体の中でのモニターを行うのに、存在を感じさせずに使用することができるし、生体内に植え込んでも後日そのデバイスを回収する必要がない可能性もある。本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスの分解寿命は、製造プロセスを介して、例えば溶液マトリックスキャストの比率および量を調節することによって、調節することができる。さらに、本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、環境中に分散させることが可能であり（この場合もまたそれらを後日回収する必要はない）、それによって、検知および検出のための新規で有用なデバイスが提供される。
【００７１】
本発明の態様および実施態様についてのここまでの記述は、例示と説明のために提供してきたが、それが全てではなく、開示されたそのままの形に本発明を限定することを意図したものでもない。当業者ならば、上述の教示を読めば、それらの実施態様のある種の修正、順序の入れ替え、追加、および組み合わせが可能であるか、または本発明の実施からもたらされてもよいことは認識するところであると考えられる。したがって、本発明には、添付の特許請求の範囲内に入る各種の修正および等価の変形もまた包含されている。
【００７２】
付属書Ｉ
絹の膜中における抗体の安定性
材料
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）は、ｅＢｉｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．から購入した。ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧおよびヒトＩｇＧ ＥＬＩＳＡ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｏｎ Ｋｉｔは、Ｂｅｔｈｙｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｉｎｃ．から購入した。研究において使用したその他の全ての化学薬剤は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から購入した。
【００７３】
絹の膜中への抗体の捕捉−ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧ
１６７ｍＬの６％絹溶液と混合した１０ｍＬのＩｇＧ（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹の膜中ＩｇＧ濃縮物（１ｍｇ／ｇ絹）を作製する。１００μＬの混合ＩｇＧ溶液を、９６ウェルプレートのそれぞれのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一晩置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全部を、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７４】
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）
８３ｍＬの６％絹溶液と混合した０．５ｍＬのＩｇＧ１（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹の膜中ＩｇＧ１濃縮物（０．１ｍｇ／ｇ絹）を作製する。５０μＬの混合ＩｇＧ１溶液を、９６ウェルプレートのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一晩置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全部を、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７５】
抗体測定
統計解析のため、同一の条件下で調製した５個のウェルについて測定した。純粋な絹（抗体なし）を対照として使用した。
【００７６】
メタノール非処理試料の場合には、１００μＬのＰＢＳ緩衝液（ｐＨ７．４）を、ウェルに添加し、それを室温で３０分間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。次いで、溶液の一定分量を、抗体測定にかけた。メタノール処理試料については、１００μＬのＨＦＩＰをそれぞれのウェルに添加し、それを室温で２時間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。その絹ＨＦＩＰ溶液を、換気フード中で一晩乾燥させた。以後のステップはメタノール非処理試料の場合と同様であって、ＰＢＳ緩衝液を添加し、抗体測定のために溶液をピペットで移した。
【００７７】
ＥＬＩＳＡ
ポリスチレン（９６ウェル）マイクロタイタープレートを、抗原コーティング緩衝液（重炭酸塩緩衝液、５０ｍＭ、ｐＨ９．６）中で調製した１０μｇ／ｍＬの濃度の１００μＬの抗原抗ヒトＩｇＧ−アフィニティを用いてコーティングし、次いで室温で保存して一晩インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて、それらのウェルを３回洗浄した。１％のＢＳＡ（ＴＢＳ中）を各ウェル２００μＬずつ用いて非占有部位（ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｓｉｔｅ）をブロックし、次いで室温で３０分間インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔを用いて、それらのウェルを３回洗浄した。次いで、段階希釈の血清１００μＬを用いて、試験ウェルおよび対照ウェルを希釈した。それぞれの希釈は、ＴＢＳ緩衝液中で実施した。それぞれの希釈に対応する、段階希釈のブランクもまた存在させた。次いでそのプレートを、室温で１時間インキュベートした。プレートを、ＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて再び洗浄した（５回）。結合された抗体について、抗ヒトＩｇＧ−ＨＲＰ（１：１００，０００）の適切な結合体を用いて試験し、その１００μＬをそれぞれのウェルの中にコーティングし、室温で１時間維持した。ＴＢＳ−Ｔを用いてプレートを（５回）洗浄した後に、それぞれのウェルに１００μＬのＴＭＢを添加し、室温で５〜２０分間インキュベートした。それぞれのウェルの４５０ｎｍでの吸光度を、ＶｅｒｓａＭａｘマイクロプレートリーダー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）を用いて測定した。
図Ａ：２種の異なったフォーマットで調製し、３種の異なった温度で保存した絹の膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ１活性
図Ｂ：２種の異なったフォーマットで調製し、３種の異なった温度で保存した絹の膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ活性
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮特許出願第６０／８５６，２９７号明細書（出願日：２００６年１１月３日、発明の名称：「Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」）の優先権の恩典を主張する。
【０００２】
政府支援
本発明は、ｔｈｅ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈにより交付番号ＦＡ９５５００４１０３６３号として与えられた政府支援のもとになされた。本発明に関して政府は一定の権利を保有している。
【０００３】
発明の分野
本発明は、バイオポリマー光導波路およびそのようなデバイスを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
光学の分野は、十分に確立されている。光学のいくつかのサブフィールドとしては、回折光学、微小光学、フォトニクス、および導波光学などが挙げられる。研究用途および商業用途のための光学のこれらおよびその他のサブフィールドにおいて、各種の光学デバイスが作製されてきた。例えば、一般的な光学デバイスとしては、回折格子、フォトニック結晶、光流体デバイス、導波路などが挙げられる。
【０００５】
光導波路は、光学スペクトル中の電磁波を誘導する物理的構造物である。光導波路の一般的なタイプとしては、光ファイバーおよび方形導波路が挙げられる。光導波路は多くの場合、集積光回路中の構成要素として、または光通信システムにおける伝送（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）媒体として使用されている。光導波路は、それらの形状によって、例えば、面状、帯状、ファイバー導波路などに分類することができる。それらはさらに、それらのモード構造によって、例えば、シングルモードまたはマルチモードに分類することもできる。同様にして、光導波路は、屈折率分布によって、例えば、ステップインデックスまたはグラジエントインデックスに分類することもできる。さらには、光導波路は、その材料組成によって、例えばガラス、半導体、またはポリマーに分類することもできる。
【０００６】
これらの光学デバイスは、その用途およびその所望される光学的な特性に合わせて、各種の方法を用いて作製される。しかしながら、これらの光学デバイス、およびそれらを製造する際に採用される作製方法には、一般的に、非生分解性材料の顕著な使用が含まれる。例えば、光学デバイスにおいては、ガラス、溶融シリカ、およびプラスチックが一般的に使用される。そのような材料は生分解性でなく、その光学デバイスが使用されなくなって廃棄された後でも、長期間にわたって環境の中に留まる。言うまでもないことであるが、それらの材料のいくつかは、リサイクルおよび再使用することが可能である。しかしながら、リサイクルにおいても、さらなる天然資源を消費することが必要であり、そのような材料に伴う環境コストが増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、環境に対するマイナスの影響を最小限とするような光導波路に対する必要性が、充足されないまま残っている。それに加えて、従来からの光導波路によっては得られなかった、さらなる機能的特徴を与える光導波路に対する必要性が、充足されないまま残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述のことを考慮に入れて、本発明の目的は、各種の用途において使用することが可能な、新規なバイオポリマー光導波路およびそのような光導波路を製造するための方法を提供することである。
【０００９】
本発明の一つの態様は、バイオポリマー導波路デバイスを提供することである。
【００１０】
本発明のまた別の態様は、そのようなバイオポリマー導波路デバイスを製造するための方法を提供することである。
【００１１】
本発明の一つの利点は、環境に対するマイナスの影響を最小限とするバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１２】
本発明のまた別の利点は、生体適合性があるバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１３】
本発明のさらにまた別の利点は、従来からの光導波路によっては得られなかった、さらなる機能的特徴を有するバイオポリマー導波路デバイスを提供する点にある。
【００１４】
上記のことに関して、本発明の発明者らは、バイオポリマー、特に絹タンパク質が、新規な構造およびその結果としての機能を与えることを認識するに至った。例えば、材料科学の観点からは、クモおよびカイコによって紡ぎ出される絹は、これまで知られている内では最も強く、最も強靱な天然繊維を代表するものであって、機能化、加工、および生体適合性において各種の機会を提供する。５０００年を超える歴史の中で、絹は需要のある織物から、科学的に魅力のある繊維へと移行していった。その特徴によって昔の人々を魅了したのと同様に、絹は、その強度、弾性、および生化学的な性質のために、今日この時代においても大いに注目を集めている。自己集合および集合における水の役割についての知見によって、絹の新規な材料特性が拡張した。それらの知見から、ヒドロゲル、超薄膜、厚膜、コンフォーマルコーティング（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｃｏａｔｉｎｇ）、三次元多孔質マトリックス、固形ブロック、ナノスケール直径の繊維、および大きな直径の繊維を製造するための新規な加工方法が得られるようになった。
【００１５】
絹ベースの材料は、熱力学的に安定なタンパク質二次構造、別な呼び方ではベータシート（βシート）の天然の物理的架橋を用いて、それらの印象的な機械的性質を達成している。ナノスケールで配列された結晶（βシート）の数が多いことが、高度に水素結合され、結晶ドメインが少ないことと相まって、特有の構造および機能的特徴を与えている。材料を安定化させるための、外部からの架橋反応や後加工による架橋は全く必要としない。絹タンパク質鎖の上に多様なアミノ酸側鎖化学基が存在していることによって、絹を官能化させるための、例えばサイトカイン、モルフォゲン、および細胞結合ドメインなどとの結合化学反応が容易となる。機械的側面、水系加工、機能化の容易さ、多様な加工モード、自己形成架橋、生体適合性、および生分解性を考慮に入れると、この範囲の材料特性および生物学的な界面（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を提供するような、合成ポリマー系または生物学的に誘導されたポリマー系は、これまで知られていない。
【００１６】
他のバイオポリマーまたは合成ポリマーでは、上述のような絹の特徴の範囲に合わせることは不可能ではあるものの、本発明の発明者らは、絹と同様の、または類似した各種の性質を示すいくつかの他のポリマーを同定した。具体的には、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（ｐｕｌｌａｎ）、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを含む、他の天然バイオポリマーが同定された。バイオポリマー、特に絹の上述の特徴を考慮に入れて、本発明は、各種の新規なバイオポリマー光導波路およびそのようなデバイスを製造するための方法を提供する。
【００１７】
本発明の一つの態様においては、バイオポリマー光導波路の一つの製造方法には、バイオポリマーを提供する工程、およびそのバイオポリマーを第二のポリマーの中にキャストしてバイオポリマー光導波路を形成させる工程が含まれる。その第二のポリマーは、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。そのバイオポリマーと第二のポリマーが異なった屈折率を有しているために、バイオポリマーを使用して、光を第二のポリマーを通して誘導することができる。
【００１８】
一つの実施態様においては、そのバイオポリマーは絹であってよく、絹繊維は、絹をほぐして、個々のバイオポリマー繊維を抽出することによって得てもよい。次いでそのほぐした絹繊維を、テンションデバイスまたはくせ取りデバイス中で、張力下に置いてもよい。次いでその絹繊維を、第二のポリマー、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはその他の好適なポリマーの中にキャストすればよい。絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）は、ＰＤＭＳ（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせは、絹がＰＤＭＳを通して光を伝送するので、導波路として機能する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを使用してもよいが、但し、その（第二の）ポリマーオーバーコートが、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにすれば、その（第二の）ポリマーオーバーコートが、光導波路のバイオポリマーコアに対するクラッド材料として機能すると考えられる。
【００１９】
また別の実施態様においては、低強度レーザーアブレーションまたはその他のスムージング技術を使用して、生糸繊維または押出し加工した繊維を前処理またはその他の処理をすることにより、表面粗さを除去してもよい。同様にして、繊維の表面をアブレーション加工して、絹の中に光をカップリングさせるために適した光学表面を与えてもよい。
【００２０】
本発明の方法によって各種の形状の導波路を形成させることが可能であるが、それには、円形の断面積を有する同心の導波路が含まれる。同様にして、第二のポリマーをスラブ導波路のガイド層として堆積させ、バイオポリマーをそのスラブの層の間にキャストすれば、方形導波路を形成させることができる。本発明に従って製造された方形のバイオポリマー光導波路は、集積光回路中や、光学デバイスのホストとして使用してもよい。本発明に従って製造された方形バイオポリマー光導波路はさらに、干渉計および波長分割マルチプレクサーの基本構造として使用してもよい。
【００２１】
本発明のまた別の実施態様においては、方形の形状を有するバイオポリマー光導波路を、平面印刷技術によって製造してもよい。この実施態様においては、バイオポリマー光導波路の製造方法には、基材を提供する工程、その基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程、およびその第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させてバイオポリマー光導波路を形成させる工程が含まれるが、ここでその第二の材料は第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有している。一つの実施態様においては、その第一のバイオポリマーは絹であってよく、それに対して本発明の他の実施態様においては、タンパク質は基材の上に印刷されてもよい。
【００２２】
絹およびその他の生体適合性バイオポリマー光導波路を用いることによって、各種の生物医学的用途が可能となる。例えば、生体適合性有機光ファイバーは、診断用光送達および治療のためにインビボで使用してもよい。バイオポリマー光導波路は、麻痺したり損傷を受けたりしているニューロンのための、光を使用可能とする（ｌｉｇｈｔ ｅｎａｂｌｅｄ）神経系置換繊維として使用してもよい。本発明の光導波路は、光放射のための伝送媒体として体内に挿入してもよいし、また、絹光ファイバーのメッシュは、センサーアレイから、または体内の別の位置からの情報を中継することができる。
【００２３】
同様にして、材料成分として包埋された絹繊維は、材料の表面が良好な状態であるように見える場合でさえも、その材料の損傷、疲労または破損についての、非破壊的指標として役立たせることができる。本発明の方法によって、絹繊維に機能を与えて、誘導された光と有機光ファイバーとの間の好ましい相互作用を可能とすることができる。
【００２４】
それに加えて、本発明のバイオポリマー光導波路は、さらなる用途において使用してもよい。例えば、それらのバイオポリマー光導波路は、センサーとして、プロテオ光流体デバイス（ｐｒｏｔｅｏ−ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）として、およびそれらのデバイスのサブクラス、例えばタンパク質およびウイルス検出器、フローサイトメーター、フローモニター、アブソーバー、特化チャネル、細胞篩などとして使用してもよい。
【００２５】
本発明のこれらおよびその他の利点および特徴は、添付の図面と併せて参照すれば、以下の本発明の好ましい実施態様の詳細な説明から、より明らかになると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一つの実施態様による方法を示す概略フロー図である。
【図２】本発明の一つの実施態様に従って製造したバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図３Ａ】本発明によるバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図３Ｂ】本発明によるバイオポリマー光導波路の写真である。
【図４】本発明のまた別の実施態様に従って製造したバイオポリマー光導波路の概略図である。
【図５】本発明の一つの実施態様による方法を示す概略フロー図である。
【図６】印刷されたタンパク質を使用して導波路のチャネルを形成させる本発明の一つの実施態様に従って製造した、バイオポリマー光導波路の概略図である。
【図７】８％絹濃度の体積と膜厚との間の関係を示すグラフである。
【図８Ａ】絹から作製したバイオポリマー膜の写真である。
【図８Ｂ】図８Ａのバイオポリマー膜の反射率のプリズム結合角度依存性を示すグラフである。
【図８Ｃ】図８Ａのバイオポリマー膜の光の透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）の測定値を示すグラフである。
【図９】ＲＢＣをドープした絹光学デバイスの内部におけるヘモグロビン機能の保持性を示す結果のグラフである。
【図１０】絹、キトサン、およびコラーゲンの中にキャストされた回折性バイオポリマーデバイスを示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
発明の詳細な説明
以下において詳しく説明するように、本発明によるバイオポリマー光導波路デバイスは、絹のようなバイオポリマーを使用して作製した。これに関しては、使用された絹はカイコ絹であった。しかしながら、各種の絹、例えばクモの糸、トランスジェニック絹、および遺伝子改変された絹、それらの変種および組み合わせなどが存在し、それらを、バイオポリマー光導波路を得るために、本発明における代用品として使用してもよい。
【００２８】
さらに、絹に代えて、その他の生分解性ポリマーを使用してもよい。例えば、さらなるバイオポリマー、例えばキトサンは、所望の機械的性質を示し、水中で加工することが可能であり、一般的には光学的用途のための清澄な膜を形成する。その他のバイオポリマー、例えばキトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを、特定の用途および組み合わせにおいては代わりに使用してもよいし、合成生分解性ポリマー、例えばポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリヒドロキシアルカノエート、および関連するコポリマーを選択的に使用してもよい。それらのポリマーのいくつかは、水中ではそれほど容易には加工されない。それにも関わらず、そのようなポリマーは、それ自体で、他のポリマーとの組み合わせで、または絹との組み合わせで使用してもよく、特にバイオポリマー光学デバイスにおいて使用してよい。
【００２９】
図１は、本発明の一つの実施態様による、バイオポリマー光導波路の製造方法を示すフロー図１０の概略図である。ステップ１１においてバイオポリマーマトリックス溶液が提供されているならば、プロセスは下のステップ１６に進む。そうでない場合には、ステップ１２においてバイオポリマーを提供する。そのバイオポリマーが絹である例では、カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ）の繭からセリシンを抽出することによってバイオポリマーを提供してもよい。ステップ１４において、そのバイオポリマーを加工して、バイオポリマーマトリックス溶液を得る。
【００３０】
ステップ１６においては、バイオポリマーマトリックス溶液を加工して、バイオポリマー絹繊維、生糸繊維、または押出し加工した繊維を得る。絹の例においては、ステップ１６において絹フィブロイン水溶液を例えば８．０重量％に処理してから、それを用いてバイオポリマー光導波路を製造する。言うまでもないことであるが、他の実施態様においては、その溶液濃度を、例えば浸透ストレス技術また乾燥技術により希釈するかまたは濃縮することによって、極めて希薄な濃度（およそ１重量％）から極めて高い濃度（最高３０重量％まで）まで変化させてもよい。この点に関しては、他の実施態様においては、用途に合わせて、得られるバイオポリマー光導波路の可撓性または強度を最適化させるために、各種の重量パーセントの溶液を使用してもよい。絹フィブロイン水溶液の製造については、国際公開公報第２００５／０１２６０６号（発明の名称：Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ Ａｑｕｅｏｕｓ Ｓｉｌｋ Ｆｉｂｒｏｉｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅｓ Ｔｈｅｒｅｏｆ）に詳しい記載がある。
【００３１】
バイオポリマー絹繊維が提供されたら、任意のステップ１８において、その絹繊維を連続的にほぐして、個々の絹繊維を抽出してもよい。任意のステップ２０において、そのほぐしたバイオポリマー（絹）繊維を、テンションデバイスまたはくせ取りデバイス、例えば型枠要素、ターンバックル、クランプセットなどを用いて、張力下に置く。
【００３２】
繊維はさらに、以下の特許に開示されているようにして合成的に形成させることもできる：国際公開公報第０４０００９１５号Ａ２（発明の名称：Ｓｉｌｋ Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｕｓｅ Ｔｈｅｒｅｏｆ）、国際公開公報第９３１５２４４号Ａ１（発明の名称：Ｆｉｂｅｒ−Ｓｐｉｎｎａｂｌｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｉｌｋｗｏｒｍ Ｆｉｂｒｏｉｎ）；および／または米国特許第５，２５２，２８５号（発明の名称：Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ Ｓｉｌｋ Ｆｉｂｒｏｉｎ Ｆｉｂｅｒｓ）（全て参照により本明細書に組み入れられる）。
【００３３】
任意のステップ２２において、絹バイオポリマー生糸繊維または押出し加工した繊維を処理して、表面粗さを除去する。この任意のスムージング処理は、低強度レーザーアブレーション技術を使用するか、または表面粗さをさらに低下させるかまたは除去するためのその他のスムージング技術を使用して実施してもよい。さらに、絹バイオポリマーの未加工のまたは押出し加工した繊維の面をアブレーション加工して、絹コアの中に光をカップリングさせるための改良された光学表面を与えてもよい。
【００３４】
ステップ２４においては、繊維を、ポリマーオーバーコートとして機能してバイオポリマー光導波路を形成する第二のポリマー、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの中にキャストする。言うまでもないことであるが、それを用いてバイオポリマー繊維コアのオーバーコートを形成するための他の材料を使用してもよい。ステップ２６においては、そのキャスト繊維およびポリマーオーバーコートを乾燥させると、バイオポリマー光導波路の製造方法は完了する。
【００３５】
図２に概略的に示したように、第二の材料２０２が、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。バイオポリマー絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）の方が、ＰＤＭＳオーバーコートクラッディング（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせが導波路２００として機能し、絹バイオポリマー繊維がコア２０４として働いて、光波（矢印２９８、２９９で示す）を第二の材料２０２を通して伝送する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせをコア２０４として使用してもよいが、但し、その第二の材料（オーバーコート）２０２が、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにして、第二の材料２０２、例えばＰＤＭＳポリマーオーバーコートが、光導波路２００のバイオポリマーコア２０４に対するクラッド材料２０２として機能すると考えられる。
【００３６】
図２では、本発明のバイオポリマー光導波路２００の中を光波２９８、２９９がどのようにして誘導されるかを説明している。バイオポリマー繊維のコア２０４の受光錐（ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ｃｏｎｅ）２５０の範囲内に入る、入射光線２９９を、導波路２００を通して伝送させるが、一方では、バイオポリマー繊維のコア２０４の受光錐２５０の範囲外となる入射光線２９８は、第二の材料のクラッディング２０２の中で失われる。
【００３７】
図２に見られるように、本発明のバイオポリマー光導波路２００は、円形の断面を有する細長い形状に製造することができ、この場合、バイオポリマーコア２０４と、第二の材料のオーバーコートクラッディング２０２、例えばＰＤＭＳとが、長手方向の軸ｘに沿って同心のバイオポリマー導波路２００を形成している。
【００３８】
本発明の一つの実施態様による絹から作製したバイオポリマー光導波路３００の概略図を図３Ａに、写真を図３Ｂに示す。先に述べたように、絹繊維３０４は、ポリマーオーバーコート材料３０２の中に包埋されている。絹繊維３０４とそれを取り囲むポリマーオーバーコート材料３０２（図３Ｂに示す例おいてはＰＤＭＳである）との間の屈折率が異なっているために、絹繊維３０４の屈折率によって導波路３００を実現させることが可能となっている。
【００３９】
言うまでもないことであるが、本発明のバイオポリマー光導波路は、さらなる形状であっても同様に製造することができる。例えば、図４に示したように、バイオポリマー光導波路に第一のバイオポリマー４０４とポリマーオーバーコート４０２とを含み、それらが平面の軸（Ｚ軸）に沿って方形のスラブ導波路４００を形成するようにしてもよい。
【００４０】
本発明の方法によって各種の形状の導波路を形成させることが可能であるが、それには、図２に示したような円形の断面積を有する同心の導波路が含まれる。同様にして、図４に見られるような方形導波路を形成させてもよいが、この場合、第二のポリマー４０２をスラブ導波路４００のガイド層として堆積させ、バイオポリマー４０４をそのスラブの層の間にキャストする。本発明に従って製造された方形のバイオポリマー光導波路は、集積光回路中や、光学デバイスのホストとして使用してもよい。本発明に従って製造された方形バイオポリマー光導波路はさらに、干渉計および波長分割マルチプレクサーの基本構造として使用してもよい。
【００４１】
方形導波路の物理的パラメーターは、電気的な動作特性を決めるのに役立つ。図４における幅の広い壁ａの寸法が、動作の周波数範囲に影響するが、それに対して、狭い壁ｂの寸法は、その導波路の破壊電圧と、同様にしてピーク電力処理能力を決めるのに役立つ。
【００４２】
インビボ診断用光送達構成要素および治療用送達構成要素としての使用に加えて、本発明の光ファイバーは、光放射のための伝送性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）媒体として体内に挿入してもよいし、また絹光ファイバーのメッシュは、センサーから、または体内の別の位置からの情報を中継することもできる。
【００４３】
同様にして、包埋された絹繊維は、材料の表面の外観が全く損傷を示していない場合でさえも、その材料の損傷、疲労、または破損についての、非破壊的指標として役立たせることができる。
【００４４】
本発明のまた別の実施態様においては、方形の形状を有するバイオポリマー光導波路を、平面印刷技術によって製造してもよい。この実施態様を図５で説明するが、ここでバイオポリマー光導波路の製造方法５００には、ステップ５０２における基材を提供する工程が含まれる。
【００４５】
その基材は、光学デバイス、例えばレンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、ビームリシェーパー、およびその他の光学デバイスのためのテンプレートであってよい。ステップ５０２において提供された基材は、バイオポリマー光学デバイス（上述の例では導波路）の製造におけるモールドとして、使用される。その基材の表面は、バイオポリマー光学デバイスの上に形成される、所望の特徴的な様相を有している。この点に関しては、その基材は、製造されるバイオポリマー光学デバイスにおいて望まれる光学的な特徴に合わせて、光学デバイスの表面上の適切なナノパターンであってもよいし、例えばナノパターン化光学格子のような光学デバイスであってもよい。
【００４６】
ステップ５０４においては、その基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する。その第一のバイオポリマーは、インクジェット式の印刷を使用して基材の上に印刷するのがよい。その印刷プロセスによって基材の上にキャストされる第一のバイオポリマー印刷媒体として、バイオポリマーマトリックス水溶液を使用してもよい。次いでステップ５０６において、バイオポリマーマトリックス水溶液を乾燥させて、バイオポリマーマトリックス水溶液を固相に転移させてもよい。これに関しては、バイオポリマーマトリックス水溶液をある一定時間、例えば２４時間かけて乾燥させてよく、場合によっては、バイオポリマーマトリックス水溶液の乾燥を促進させるために、弱い加熱を加えてもよい。乾燥させると、基材の表面上に固化されたバイオポリマー膜が形成される。バイオポリマー膜の厚みは、基材に塗布したバイオポリマーマトリックス溶液の体積に依存する。
【００４７】
バイオポリマーマトリックス溶液の溶媒を蒸発させてから、場合によっては、ステップ５０８において、その固化されたバイオポリマー膜をアニールさせてもよい。このアニールステップは、水蒸気環境中、例えば水蒸気で充満されたチャンバー内で、所望の材料特性に応じて時間を変えて実施してもよい。典型的には、アニールにかける時間は、例えば２時間〜２日の範囲とするのがよく、真空環境中または複数の環境の組み合わせの中で実施してもよい。適当な乾燥時間の後では、そのバイオポリマー膜は、好適な印刷された絹バイオポリマー層である。
【００４８】
任意のステップ５１０において、その印刷された絹バイオポリマー層を処理して、表面粗さを除去してもよい。この任意のスムージング処理は、低強度レーザーアブレーション技術を使用するか、または表面粗さをさらに低下させるか、または除去するためのその他のスムージング技術を使用して実施してもよい。さらに、絹バイオポリマー層の面をアブレーション加工して、絹コアの中に光をカップリングさせるための改良された光学表面を与えてもよい。
【００４９】
ステップ５１２において、第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させて、バイオポリマー光導波路を形成させる。その第二の材料は、第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有している。一つの実施態様においては、その第一のバイオポリマーが絹であってよく、それに対して本発明の他の実施態様においては、タンパク質が基材の上に印刷されてもよい。同様にして、一つの実施態様においては、その第二の低屈折率材料がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であるが、その一方で他の実施態様においては、他の材料を使用してもよい。
【００５０】
先に説明し、図５に概略的に示したように、その第二の材料が、そのバイオポリマーの周囲を被覆するポリマーオーバーコートを形成する。バイオポリマー絹繊維の屈折率（ｎ＝１．５５）の方が、ＰＤＭＳオーバーコートクラッディング（ｎ＝１．４６）よりも高いために、その組み合わせが導波路として機能し、絹バイオポリマー繊維がコアとして働いて、光を第二の材料を通して伝送する。言うまでもないことであるが、他のバイオポリマー、例えば、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマー、またはそれらの組み合わせを使用してもよいが、但し、その第二の材料（オーバーコート）が、選択されたバイオポリマーよりも低い屈折率を有していなければならない。このようにして、第二の材料、例えばＰＤＭＳポリマーオーバーコートが、光導波路のバイオポリマーコアに対するクラッド材料として機能すると考えられる。
【００５１】
第一のバイオポリマー材料は、各種効果的な方法で基材の上に堆積させてよい。例えば、第一のバイオポリマー材料は、インクジェット技術、例えばインクジェット式のプリンターを用いて基材の上に印刷してもよい。第一のバイオポリマーを第一のバイオポリマーの各種の厚みの層を形成させることにより、基材の上に印刷してもよい。第一のバイオポリマーの印刷では、オーバーレイ印刷技術を繰り返し使用して、所望の用途に合わせて、バイオポリマー導波路の厚みを増やしてもよい。次いで、その印刷された絹コアの上に（第二の）低屈折率材料を堆積させる。先に説明したように、高い屈折率を有するタンパク質または他のバイオポリマーを、導波路のコア材料として使用してもよい。
【００５２】
上述の印刷実施態様を図６に概略的に示す。それに見られるように、基材６５０を提供し、タンパク質導波路コア６０４を、インクジェット技術を使用して基材６５０の上に印刷する。次いで、その印刷されたタンパク質導波路コア６０４の上に低屈折率材料６０２を堆積させる。所望の印刷されたタンパク質導波路の実験的な寸法をベースに、材料を印刷するためにインクジェット塗布を使用してもよい。先に説明したように、バイオポリマー導波路の厚みを増加させるためには、印刷されるタンパク質導波路コア６０４の個々の線をオーバーレイ印刷することが必要となる場合がある。
【００５３】
実験を実施して、各種のバイオポリマー光導波路を製造することによって、上述の方法の検証を行った。８重量％の絹濃度の絹フィブロイン水溶液の体積と、得られる絹の膜厚との間の関係を図７のグラフ３０に示しているが、その絹フィブロイン水溶液は、およそ１０平方センチメートルの基材の表面上にキャストした。Ｘ軸は絹フィブロイン溶液の体積（単位ｍＬ）を示し、Ｙ軸は得られた膜の厚み（単位μｍ）を示している。
【００５４】
言うまでもないことであるが、膜の性質、例えば厚みおよびバイオポリマー含量、さらには光学的な特徴は、そのプロセスで使用されるフィブロインの濃度、堆積させる絹フィブロイン水溶液の体積、およびキャスト溶液を乾燥させてその構造を固定させるための堆積後（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスなどに基づいて、変化させることができる。得られたバイオポリマー光導波路の光学的品質を確保し、バイオポリマー光導波路の各種の特性、例えば透明度、構造的剛性、および可撓性を維持するためには、それらのパラメーターを正確に調節することが望ましい。さらに、バイオポリマーマトリックス溶液に対する添加剤を使用して、バイオポリマー光導波路の特徴、例えば、形態、安定性などを変化させてもよいが、そのようなものとしてはポリエチレングリコール、コラーゲンなどが知られている。
【００５５】
１０μｍの厚みを有するパターン化されていないバイオポリマー膜を、絹フィブロイン水溶液を使用して上述の方法で製造し、Ｍｅｔｒｉｃｏｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の走査型プリズム結合反射率計で特性解析した。図８Ａに、製造され特性解析された、パターン化されていないバイオポリマー膜３４を示す。バイオポリマー膜３４の屈折率を測定すると、６３３ｎｍでｎ＝１．５５であったが、これは通常のボロシリケートガラスの屈折率よりもやや高い。測定された屈折率は、例えば空気−絹バイオフォトニック結晶（ＢＰＣ）において光学的に使用するための妥当なコントラストを与えるには、十分に高いことが確認された（Δｎｆｉｂｒｏｉｎ−Δｎａｉｒ＝０．５５）。パターン化されていない絹の膜３４の特性解析が、図８Ｂのグラフ３６に示されているが、これからは明らかに、反射率のプリズム結合角度依存性が認められる。グラフ３６における振動は、導波光の中へのカップリングによるものであって、導波路材料として絹が使用できることを示している。
【００５６】
さらに、パターン化されていない絹の膜３４を解析して、透明度を求めた。図８Ｃは、各種の波長における絹の膜３４を通過する光の透過率の測定値を示すグラフ３８である。透過率の測定から、パターン化されていない絹の膜３４が、可視スペクトル全体にわたって高い透明性を有していたことがわかる。比較のために、コラーゲン、およびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）で同様の厚みの膜をキャストした。自立性についての構造的な安定性が劣っていることが見出され、また得られたバイオポリマー光学デバイスは、薄膜として実施したときに、自立性がなかった。しかしながら、そのようなバイオポリマーでも、構造的な安定性が重要と考えられないような他の用途では使用できる。
【００５７】
ここで重要なことは、各種の厚みを有する成形膜を、上述の図１および図５の方法を使用してナノスケールのパターン化を行って、ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを得ることである。
【００５８】
本発明に関連して使用するとき、「ナノパターン化」という用語は、バイオポリマー光学デバイスの表面上に得られる極めて小さなパターニングを指す。そのパターニングは、そのサイズがナノメートルスケール（すなわち、１０−９メートル）で適切に測定しうる、例えば１００ｎｍ〜数ミクロンの範囲のサイズであるような、構造的な特徴を有している。さらに、本発明のバイオポリマー光学デバイスには、各種の異なった光学デバイス、例えばレンズ、回折格子、フォトニック結晶、導波路などを組み入れてもよい。
【００５９】
各種のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスが、絹フィブロイン溶液を用いた上述の本発明の方法を使用して満足のいくレベルで製造された。それらのデバイスには、導波路、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーが含まれる。具体的には、絹フィブロインの水溶液を、その上にパターンを有する特定の基材の上にキャストした。その基材の表面をＴｅｆｌｏｎ（商標）で被覆しておいて、バイオポリマーマトリックス溶液が液相から固相へと転移した後に、均質に剥離されるようにした。バイオポリマー光学デバイスにおいて高度に規定されたナノパターン化構造を形成させるための、本発明のバイオポリマーキャスト方法の性能が、本発明の光導波路をキャストすることによって検証された。２１０ｎｍもの低い寸法と、２０ｎｍ未満の局所的表面粗さを有する、規則的にパターン化された特徴が得られた。先にも述べたように、スムージング技術をさらに使用して、バイオポリマー光導波路の表面粗さをさらに低下させるか、または除去してもよい。
【００６０】
光学的に平坦な表面上にキャストした絹の膜の粗さを測定すると、２．５〜５ナノメートルの間の二乗平均平方根粗さの値と測定されたが、このことは、６３３ｎｍの波長では、優にλ／５０未満の表面粗さであることを意味している。パターン化された絹回折光学素子の原子間力顕微鏡画像は、適切なモールドで絹の膜をキャストおよびリフトさせることによって得られる超微細加工のレベルを示している。それらの画像は、数百ナノメートル範囲の解像度を示し、コーナーの鮮鋭度からは、数十ナノメートルまでの細かい忠実なパターニングの可能性が示唆される。
【００６１】
各種の厚みの純粋な絹の膜に６３３ｎｍの光を導くことによって得られる、絹スラブ導波路を通過させる際の光学的損失を測定した。光学的損失の測定値は、膜の散乱に依存して０．２５〜０．７５ｄＢ／ｃｍの範囲で変化した。絹溶液の純度と表面全体にわたる層の均質性とを調節することによって、損失をそれら測定値よりかなり低い値にまで下げることができる。
【００６２】
生体適合性材料をそのように規則的にパターニングさせることによって、フォトニックバンドギャップを与え、有機物を介して光を処理し、しかも機械的には頑強な光学デバイスを得るために使用することが可能な光学デバイスを製造することが可能となる。それらのデバイスは、本明細書全体で説明しているように、包埋される光学素子の可撓性とタンパク質基材の特有の多様性とが組み合わさっている。本発明によって多くのメリットが得られるが、それには、絹のようなバイオポリマー有機特性を、有機マトリックスの中に包埋された回折および伝送性光学素子の性能と組み合わせて、生物学的に活性な光学素子を作り出すことが含まれる。絹は、分解の調節が可能で、生体適合性で、そして構造的に強い媒体を与え、それを用いて、本発明による光学デバイスを作製することができる。
【００６３】
上述の本発明の方法を使用して、伝送性のナノパターン化回折性バイオポリマー光学デバイスを作製した。それらの光学デバイスには、バイオポリマー光導波路、絹ディフューザー、ラインパターン発生器、およびクロスパターン発生器が含まれる。そのような光学デバイスは、適切に形成された波長スケールの表面構造を使用して、光干渉を利用する、予め決められた一次元または二次元の光パターンを作り出す。従来からの材料で作製されたそのような光学デバイスは、いくつかの使用例を挙げれば、画像形成、分光法、ビームサンプリングおよびトランスフォーメーション、ならびに計量法などに適用されてきた。例えば絹バイオポリマーのような生物学的マトリックスの中での光の送達を調節するためにこのアプローチ方法を拡張することによって、基材の中にフォトンを最適にカップリングさせたり、意図的な光学的な識別性、干渉、または読取りが可能となったりする。
【００６４】
本発明によるバイオポリマー光導波路の顕著な利点は、それらが完全に有機で、生体適合性であるので、光導波路を生物学的に活性化された状態とする性能があることである。例えば絹の光導波路の場合には、水をベースとする加工を用いることができる。このことによって、導波路の細胞生存性が向上し、生体適合性についても同様である。
【００６５】
ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスの生体適合性を確認する目的で、上述のような図１および図５に従って製造した本発明による絹回折格子の中に、赤血球（ＲＢＣ）を組み入れた。そのＲＢＣ−絹フィブロイン溶液は、１ｍＬの８０％ヘマトクリットヒトＲＢＣ溶液と、５ｍＬの８％絹溶液とを組み合わせることによって調製した。その混合物を、６００ライン／ｍｍの光学格子上にキャストし、一晩かけて放置乾燥させた。その膜を、光学格子から取り外し、２時間アニールさせた。そうして得られたＲＢＣをドープした絹回折格子の中には、格子構造が観察された。
【００６６】
次いで、そのＲＢＣをドープした絹回折格子を試験して、回折次数を観察した。光伝送実験（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）を実施して、ヘモグロビン（ＲＢＣ中に含まれる酸素運搬タンパク質）が、絹回折格子のマトリックスの中でその活性を維持しているかどうかを調べた。図９にその結果のグラフ１６０を示すが、それは、ＲＢＣをドープした絹回折格子の中でヘモグロビン機能が維持されていることを示している。Ｘ軸は波長（単位ｎｍ）に相当し、Ｙ軸は、ＲＢＣをドープした絹回折格子による吸光度を示している。
【００６７】
具体的には、ＲＢＣをドープした絹回折格子を、蒸留水を充填した石英キュベットの中に挿入し、吸光度曲線を観察した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｂ）ＨｂＯ２によって示す。図から判るように、線（ｂ）ＨｂＯ２によって示される吸光度曲線は、オキシヘモグロビンの吸収に典型的な二つのピークを示した。次いで、そのキュベットの中に窒素ガスの気泡を通して、ヘモグロビンを脱酸素化させた。１５分後に、オキシヘモグロビンの特性吸収ピークが吸光度曲線から消えた。この結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ａ）Ｈｂによって示す。これらの結果は、次いでキュベットへの窒素の流れを止めると、その結果として、オキシヘモグロビンのピークが再び現れるということで、さらに確認した。その結果を、結果のグラフ１６０の中の線（ｃ）ＨｂＯ２によって示す。
【００６８】
先にも説明したように、代わりのバイオポリマーを使用して、本発明によるナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを作製してもよい。図１０は、異なった材料を使用してキャストした他の回折性バイオポリマー光学デバイスを示す、写真１８０を示している。具体的には、キトサン光学デバイス１８２と、コラーゲン光学デバイス１８４をさらに、本発明に従って製造した。キトサンに関しては、絹と同様の光回折特性が観察された。
【００６９】
上述の説明と、例に挙げて示し説明したナノパターン化バイオポリマー光学デバイスとから、本発明が、生分解性ナノパターン化バイオポリマー光学デバイスを提供することは明らかである。本質的に生体適合性であり、水の中で加工することが可能で、調節された寿命で分解することが可能な、高品質のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスが製造された。先にも説明したとおり、本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、小さな有機物質を組み入れることによって、生物学的に活性化させてもよい。例えば、その小有機物質は、複合タンパク質、例えば赤血球中のヘモグロビンおよび酵素、例えばペルオキシダーゼであってよい。本発明は、ペプチド、酵素、細胞、抗体、または関連の系の形の不安定な生物学的受容体を直接的に組み入れることが可能になることから、光学デバイスの汎用性を広げ、そのような光学デバイスを生物学的検知デバイスとして機能させることも可能となる。したがって、その有機物質は以下のものであってよい：核酸、色素、細胞、（さらに付属書Ｉに記載されているような）抗体、酵素、例えば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、オルガノホスフェートデヒロドゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラッカーゼ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、分子認識のためのペプチド、小分子、薬剤、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤、植物細胞、哺乳動物細胞など、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＲＮＡｉ、脂質、ヌクレオチド、アプタマー、炭水化物、光学活性発色団（ベータカロチンまたはポルフィリンを含む）、発光性有機化合物、例えばルシフェリン、カロチンおよび発光性無機化合物、化学色素、抗生物質、酵母、抗真菌剤、抗ウイルス剤、および複合体、例えばヘモグロビン、電子伝達鎖補酵素およびレドックス成分、集光性化合物、例えばクロロフィル、フィコビリタンパク質、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン（ｐｒｏｔｏｒｈｏｄｏｐｓｉｎ）、およびポルフィリン、ならびに関連の電子的に活性な化合物、またはそれらの組み合わせ。
【００７０】
本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、生体適合性および生分解性が最重要視される環境科学および生命科学において容易に使用することができる。例えば、上述のようなナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、自然環境、例えば人体の中でのモニターを行うのに、存在を感じさせずに使用することができるし、生体内に植え込んでも後日そのデバイスを回収する必要がない可能性もある。本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスの分解寿命は、製造プロセスを介して、例えば溶液マトリックスキャストの比率および量を調節することによって、調節することができる。さらに、本発明のナノパターン化バイオポリマー光学デバイスは、環境中に分散させることが可能であり（この場合もまたそれらを後日回収する必要はない）、それによって、検知および検出のための新規で有用なデバイスが提供される。
【００７１】
本発明の態様および実施態様についてのここまでの記述は、例示と説明のために提供してきたが、それが全てではなく、開示されたそのままの形に本発明を限定することを意図したものでもない。当業者ならば、上述の教示を読めば、それらの実施態様のある種の修正、順序の入れ替え、追加、および組み合わせが可能であるか、または本発明の実施からもたらされてもよいことは認識するところであると考えられる。したがって、本発明には、添付の特許請求の範囲内に入る各種の修正および等価の変形もまた包含されている。
【００７２】
付属書Ｉ
絹の膜中における抗体の安定性
材料
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）は、ｅＢｉｏｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．から購入した。ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧおよびヒトＩｇＧ ＥＬＩＳＡ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｏｎ Ｋｉｔは、Ｂｅｔｈｙｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ Ｉｎｃ．から購入した。研究において使用したその他の全ての化学薬剤は、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ）から購入した。
【００７３】
絹の膜中への抗体の捕捉−ヒトポリクローナル抗体ＩｇＧ
１６７ｍＬの６％絹溶液と混合した１０ｍＬのＩｇＧ（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹の膜中ＩｇＧ濃縮物（１ｍｇ／ｇ絹）を作製する。１００μＬの混合ＩｇＧ溶液を、９６ウェルプレートのそれぞれのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一晩置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全部を、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７４】
抗ＩＬ−８モノクローナル抗体（ＩｇＧ１）
８３ｍＬの６％絹溶液と混合した０．５ｍＬのＩｇＧ１（１ｍｇ／ｍＬ）で、絹の膜中ＩｇＧ１濃縮物（０．１ｍｇ／ｇ絹）を作製する。５０μＬの混合ＩｇＧ１溶液を、９６ウェルプレートのウェルに添加し、カバーを開けて、換気フードの中に一晩置いた。その乾燥させた膜は、メタノールを用いて処理するか、未処理のままとした。メタノール処理の場合には、ウェルを９０％メタノール溶液中に５分間浸漬させ、換気フードの中で乾燥させた。次いで、乾燥させた９６ウェルプレートの全部を、４℃、室温、および３７℃で保存した。
【００７５】
抗体測定
統計解析のため、同一の条件下で調製した５個のウェルについて測定した。純粋な絹（抗体なし）を対照として使用した。
【００７６】
メタノール非処理試料の場合には、１００μＬのＰＢＳ緩衝液（ｐＨ７．４）を、ウェルに添加し、それを室温で３０分間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。次いで、溶液の一定分量を、抗体測定にかけた。メタノール処理試料については、１００μＬのＨＦＩＰをそれぞれのウェルに添加し、それを室温で２時間さらにインキュベートして、膜を完全に溶解させた。その絹ＨＦＩＰ溶液を、換気フード中で一晩乾燥させた。以後のステップはメタノール非処理試料の場合と同様であって、ＰＢＳ緩衝液を添加し、抗体測定のために溶液をピペットで移した。
【００７７】
ＥＬＩＳＡ
ポリスチレン（９６ウェル）マイクロタイタープレートを、抗原コーティング緩衝液（重炭酸塩緩衝液、５０ｍＭ、ｐＨ９．６）中で調製した１０μｇ／ｍＬの濃度の１００μＬの抗原抗ヒトＩｇＧ−アフィニティを用いてコーティングし、次いで室温で保存して一晩インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて、それらのウェルを３回洗浄した。１％のＢＳＡ（ＴＢＳ中）を各ウェル２００μＬずつ用いて非占有部位（ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｓｉｔｅ）をブロックし、次いで室温で３０分間インキュベートした。次いでＴＢＳ−Ｔを用いて、それらのウェルを３回洗浄した。次いで、段階希釈の血清１００μＬを用いて、試験ウェルおよび対照ウェルを希釈した。それぞれの希釈は、ＴＢＳ緩衝液中で実施した。それぞれの希釈に対応する、段階希釈のブランクもまた存在させた。次いでそのプレートを、室温で１時間インキュベートした。プレートを、ＴＢＳ−Ｔ緩衝液を用いて再び洗浄した（５回）。結合された抗体について、抗ヒトＩｇＧ−ＨＲＰ（１：１００，０００）の適切な結合体を用いて試験し、その１００μＬをそれぞれのウェルの中にコーティングし、室温で１時間維持した。ＴＢＳ−Ｔを用いてプレートを（５回）洗浄した後に、それぞれのウェルに１００μＬのＴＭＢを添加し、室温で５〜２０分間インキュベートした。それぞれのウェルの４５０ｎｍでの吸光度を、ＶｅｒｓａＭａｘマイクロプレートリーダー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ）を用いて測定した。
図Ａ：２種の異なったフォーマットで調製し、３種の異なった温度で保存した絹の膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ１活性
図Ｂ：２種の異なったフォーマットで調製し、３種の異なった温度で保存した絹の膜中での初期活性に対する抗体ＩｇＧ活性
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のバイオポリマーを提供する工程；および
前記第一のバイオポリマーを第二のポリマーの中にキャストしてバイオポリマー光導波路を形成させる工程であって、前記第二のポリマーが、前記第一のバイオポリマーに近接したポリマーオーバーコートクラッディングを形成し、前記第一のバイオポリマーおよび前記第二のポリマーが異なった屈折率を有している、工程
を含む、バイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２】
第一のバイオポリマーを提供する工程が、第一のバイオポリマーをほぐして、個々のバイオポリマー繊維を抽出することを含む、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項３】
第一のバイオポリマーに張力をかける工程をさらに含む、請求項２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項４】
第一のバイオポリマーが絹である、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項５】
第二のポリマーがポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である、請求項４に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項６】
第一のバイオポリマーが第二のポリマーよりも高い屈折率を有する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項７】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程をさらに含む、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項８】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程が、レーザーアブレーションを用いて実施される、請求項７に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項９】
第一のバイオポリマーとポリマーオーバーコートとが、長手方向の軸に沿って同心のバイオポリマー導波路を形成する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１０】
第一のバイオポリマーとポリマーオーバーコートとが、平面の軸に沿って方形スラブ導波路を形成する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１１】
第一のバイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（ｐｕｌｌａｎ）、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組み合わせより選択される、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１２】
基材を提供する工程；
前記基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程；
前記第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させてバイオポリマー光導波路を形成させる工程であって、前記第二の材料が前記第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有する、工程
を含む、バイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１３】
基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程が、第一のバイオポリマーの層を形成させることを含み、前記第一のバイオポリマーがタンパク質である、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１４】
第一のバイオポリマーを印刷する工程が、インクジェットプリンターを使用して実施される、請求項１３に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１５】
第一のバイオポリマーをオーバーレイ印刷して、バイオポリマー導波路の厚みを増やす工程をさらに含む、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１６】
第一のバイオポリマーが絹である、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１７】
第二のポリマーがポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である、請求項１６に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１８】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程をさらに含む、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１９】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程が、レーザーアブレーションを用いて実施される、請求項１８に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２０】
第一のバイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組み合わせより選択される、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２１】
基材が、光学デバイスのためのテンプレートである、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２２】
基材が、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーのうちの少なくとも一つのためのテンプレートである、請求項２１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２３】
第一のバイオポリマー；および
前記第一のバイオポリマーを被覆してバイオポリマー光導波路を形成させる第二の材料であって、前記第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有する第二の材料
を含む、バイオポリマー光導波路。
【請求項２４】
バイオポリマー光導波路が、インビボ診断用光送達デバイスである、請求項２３に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２５】
インビボ診断用光送達デバイスが、損傷を受けたニューロンのための、光を使用可能とする（ｌｉｇｈｔ ｅｎａｂｌｅｄ）神経系置換物である、請求項２４に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２６】
バイオポリマー光導波路が、センサーからの情報を中継する光放射のための伝送性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）媒体である、請求項２３に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２７】
伝送性媒体が、体内の位置からの情報を中継する、請求項２６に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項１】
第一のバイオポリマーを提供する工程；および
前記第一のバイオポリマーを第二のポリマーの中にキャストしてバイオポリマー光導波路を形成させる工程であって、前記第二のポリマーが、前記第一のバイオポリマーに近接したポリマーオーバーコートクラッディングを形成し、前記第一のバイオポリマーおよび前記第二のポリマーが異なった屈折率を有している、工程
を含む、バイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２】
第一のバイオポリマーを提供する工程が、第一のバイオポリマーをほぐして、個々のバイオポリマー繊維を抽出することを含む、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項３】
第一のバイオポリマーに張力をかける工程をさらに含む、請求項２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項４】
第一のバイオポリマーが絹である、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項５】
第二のポリマーがポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である、請求項４に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項６】
第一のバイオポリマーが第二のポリマーよりも高い屈折率を有する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項７】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程をさらに含む、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項８】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程が、レーザーアブレーションを用いて実施される、請求項７に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項９】
第一のバイオポリマーとポリマーオーバーコートとが、長手方向の軸に沿って同心のバイオポリマー導波路を形成する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１０】
第一のバイオポリマーとポリマーオーバーコートとが、平面の軸に沿って方形スラブ導波路を形成する、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１１】
第一のバイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン（ｐｕｌｌａｎ）、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組み合わせより選択される、請求項１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１２】
基材を提供する工程；
前記基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程；
前記第一のバイオポリマーの上に第二の材料を堆積させてバイオポリマー光導波路を形成させる工程であって、前記第二の材料が前記第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有する、工程
を含む、バイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１３】
基材の上に第一のバイオポリマーを印刷する工程が、第一のバイオポリマーの層を形成させることを含み、前記第一のバイオポリマーがタンパク質である、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１４】
第一のバイオポリマーを印刷する工程が、インクジェットプリンターを使用して実施される、請求項１３に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１５】
第一のバイオポリマーをオーバーレイ印刷して、バイオポリマー導波路の厚みを増やす工程をさらに含む、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１６】
第一のバイオポリマーが絹である、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１７】
第二のポリマーがポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である、請求項１６に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１８】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程をさらに含む、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項１９】
第一のバイオポリマーを処理して表面粗さを除去する工程が、レーザーアブレーションを用いて実施される、請求項１８に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２０】
第一のバイオポリマーが、キトサン、コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノエート、プラン、デンプン（アミロース アミロペクチン）、セルロース、ヒアルロン酸、および関連するバイオポリマーからなる群、またはそれらの組み合わせより選択される、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２１】
基材が、光学デバイスのためのテンプレートである、請求項１２に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２２】
基材が、レンズ、マイクロレンズアレイ、光学格子、パターン発生器、およびビームリシェーパーのうちの少なくとも一つのためのテンプレートである、請求項２１に記載のバイオポリマー光導波路の製造方法。
【請求項２３】
第一のバイオポリマー；および
前記第一のバイオポリマーを被覆してバイオポリマー光導波路を形成させる第二の材料であって、前記第一のバイオポリマーよりも低い屈折率を有する第二の材料
を含む、バイオポリマー光導波路。
【請求項２４】
バイオポリマー光導波路が、インビボ診断用光送達デバイスである、請求項２３に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２５】
インビボ診断用光送達デバイスが、損傷を受けたニューロンのための、光を使用可能とする（ｌｉｇｈｔ ｅｎａｂｌｅｄ）神経系置換物である、請求項２４に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２６】
バイオポリマー光導波路が、センサーからの情報を中継する光放射のための伝送性（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｅ）媒体である、請求項２３に記載のバイオポリマー光導波路。
【請求項２７】
伝送性媒体が、体内の位置からの情報を中継する、請求項２６に記載のバイオポリマー光導波路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１０−５０９６４４（Ｐ２０１０−５０９６４４Ａ）
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３６４１５（Ｐ２００９−５３６４１５）
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８３６０５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２７４０１
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【出願人】（３０３０４３７２６）トラスティーズ オブ タフツ カレッジ (26)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月５日（２００７．１１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０８３６０５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１２７４０１
【国際公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【出願人】（３０３０４３７２６）トラスティーズ オブ タフツ カレッジ (26)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]