ポリエチレンイミン

ポリエチレンイミン (PEI)

概要

ポリエチレンイミン（Polyethylenimine、略称: PEI）は、ポリアジリジンとも称される、アミノ基とエチレン単位（-CH2CH2-）の繰り返しから構成される高分子化合物です。構造によって分類され、すべての窒素が第二級アミンである直鎖状の他、第一級、第二級、第三級アミノ基を含む分岐状、そして高度に枝分かれしたデンドリマー型が存在します。

多数のアミノ基を持つため、特に酸性の条件下ではプロトン化されて陽イオン性を強く示します。このポリカチオンとしての特性が、PEIの幅広い用途において鍵となります。

性質

PEIの物理的状態は分子構造に依存し、直鎖状PEIは室温で固体ですが、分岐状PEIは分子量に関わらず液体です。

直鎖状PEIは、低温では溶解しにくいものの、低いpHの温水や、メタノール、エタノール、クロロホルムなどの有機溶媒には溶解します。冷水、ベンゼン、エチルエーテル、アセトンには不溶です。直鎖状PEIの融点は73〜75℃であり、通常の環境下で固体として安定に保存できます。

合成

分岐状PEIは、アジリジンモノマーの開環重合によって合成されます。反応条件を制御することで、生成するポリマーの分岐度合いを調整することが可能です。

一方、直鎖状PEIは、ポリ(2-オキサゾリン)やN-置換ポリアジリジンといった他のポリマーを後から化学的に改変することで得られます。例えば、ポリ(2-エチル-2-オキサゾリン)を加水分解する方法があり、この経路で合成されるPEIは遺伝子導入試薬であるjetPEIとして市販されています。特に生体内への遺伝子導入を目的としたjetPEIは、カスタマイズされた前駆体ポリマーを用いて製造されます。

用途

ポリエチレンイミンは、そのユニークな特性から様々な分野で活用されています。一般的な工業製品としては、洗浄剤、接着剤、水処理剤、化粧品などに利用されています。

製紙業界では、PEIはセルロース繊維の表面改質剤として機能し、紙の湿潤時の強度を高める湿潤紙力増強剤として使用されます。また、シリカゾルなどのコロイド粒子を凝集させるための凝集剤や、金属イオンを捕捉するキレート剤としても利用されています。

これらの一般的な用途に加え、PEIはより専門的な分野でも重要な役割を担っています。

専門的な用途（詳細）

生物学分野

生物学研究において、PEIは細胞培養における細胞の接着を促進するために利用されます。PEIが持つ陽イオン性により、細胞表面の負電荷と静電的に引き合い、細胞を培養皿表面にしっかりと固定する効果があります。ただし、PEIは濃度によっては細胞に対して毒性を示す可能性があるため、使用量には注意が必要です。毒性は、細胞膜の破壊による細胞壊死や、細胞内への取り込み後のミトコンドリア機能障害によるアポトーシスなど、複数のメカニズムで発生し得ると考えられています。

PEIはまた、DNAやRNAなどの核酸を細胞内に導入するためのトランスフェクション試薬としても広く使われています。PEIは核酸と複合体（ポリプレックス）を形成し、細胞表面に結合、エンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれます。細胞内では、エンドソーム内でPEIのアミノ基がプロトン化され、浸透圧の上昇を引き起こすことでエンドソームを破壊し、ポリプレックスを細胞質に放出します。これにより、核酸が細胞質を経て核内に到達する効率を高めます。

CO2捕集

ポリエチレンイミンは、気体中の二酸化炭素（CO2）を吸着・除去するための材料としても研究が進んでいます。特に、多孔質材料の担体にPEIを含浸させた複合吸着材が注目されています。この利用法は、もともと宇宙船内のCO2除去技術として開発されましたが、その後、メソポーラスシリカ（MCM-41やSBA-15など）を担体とする研究が活発化しました。

メソポーラスシリカの規則的な細孔内にPEIが高度に分散することで、PEI単体や担体単体よりも優れたCO2吸着性能が発現することが見出されています（相乗効果）。これらのPEI担持材料は、比較的低温（45〜75℃程度）かつ湿度が存在する条件下でも高いCO2吸着能力を示し、CO2/N2やCO2/O2に対する選択性も高く、吸脱着サイクルにおける安定性にも優れることが報告されています。より高い吸着量や効率を目指し、担体構造内でのPEIの分散を最適化する手法や、オルガノシランとの組み合わせによる「二重官能基化」などの新しい材料設計も研究されています。

エレクトロニクス分野

ポリエチレンイミン、特にその誘導体であるエトキシ化ポリエチレンイミン（PEIE）は、有機エレクトロニクス分野で低仕事関数改質剤として重要な役割を果たしています。ZhouとKippelenらの研究でその効果が発見されて以来、広く利用されています。

PEIやPEIEは、金属、金属酸化物、導電性高分子、グラフェンなど、様々な導電性材料表面の仕事関数を効果的に低下させることができます。この特性は、有機太陽電池、有機発光ダイオード（OLED）、有機電界効果トランジスタ（OFET）、ペロブスカイト太陽電池、ペロブスカイト発光ダイオード、量子ドットを利用したデバイスなど、多様な有機・無機ハイブリッド型のエレクトロニクスデバイスにおける電極界面の設計において非常に有用です。特に、溶液プロセスで形成できる低仕事関数層として、デバイス製造の簡便化に貢献しています。

もう一度検索