【研究領域課題番号】20K05623 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コロイド / ナノ粒子 / 高分子 / 自己組織化 / 分子動力学 / 結晶 / 相転移 / ソフトマテリアル / ゆらぎ / ゲル

【研究成果の概要】

フォトニック結晶の分野では、自発的に形成される様々な結晶構造を実現するためのフレームを開発することが中心的な課題の1つとなっている。特に簡単な方法として、コロイド結晶を用いる方法があるが、コロイド結晶のバリエーションは限られており、その構造は壊れやすい。そこで、本研究では強靭な結晶構造を形成する可能性を持つPGNPに着目する。具体的には、本研究では高分子グラフトナノ粒子（PGNP）の多形構造を予測し、フォトニック結晶としての可能性を開くための強力な理論的枠組みを提供することである。このテーマは、これまでにも多くの実験的・理論的研究が行われてきた。本年度は、PGNPの結晶多形について、主に粗視化分子動力学シミュレーションを用いて検証した。その結果、以下のような結果を得ることができた。（1）グラフトポリマーの鎖長やグラフト密度によって分子間相互作用が複雑に変化し、調整できることを明らかにした。特に、低体積分率では、PGNPは様々な超構造に自己組織化することが可能であった。（2）PGNPが高体積分率でバルク状態に相当する様々な結晶構造を示すことを明らかにし、フォトニック結晶として理想的な構造の一つであるダイヤモンド構造への到達の方向性を示した。（3）今回の結果は、粗視化分子動力学シミュレーションでPGNPsの結晶相転移を直接観察した初めての事例となった。今後のPGNPsの結晶多形研究にとって重要な方法論になると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2025-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】18H02029 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / 酵素反応 / 自己集合 / ハイドロゲル / 細胞培養 / 自己組織化 / ゲル

【研究成果の概要】

セルロースオリゴマーのアルカリ水溶液を酸で中和すると、セルロースオリゴマーの不溶化に伴い自己集合が誘起され、結晶性のナノリボン状集合体が物理架橋したハイドロゲルが得られることを明らかにした。この自己集合は様々な温度やイオン濃度の条件のみならず、血清を含む細胞培養液のような様々な夾雑物質の存在下でも進行した。得られたハイドロゲルは細胞を3次元培養するための良好なマトリックスとして機能し、生成した細胞集合体は自然濾過により容易に回収できた。本自己集合系は片末端に官能基をもつセルロースオリゴマー誘導体にも適用でき、また、水溶性高分子との複合ハイドロゲルの構築などにも利用できた。

【研究の社会的意義】

水中における分子の自己集合は、生体内のいたるところで観察される普遍的な現象であり、精緻な生命活動を維持する上で必要不可欠である。これまでに、様々な生体分子の自己集合が研究されてきたが、セルロースなどの結晶性多糖の自己集合は十分には研究されてこなかった。本研究では、比較的分子量が小さなセルロースのアルカリ水溶液を酸で中和すると、それらの自己集合が誘起され、ナノリボン状の集合体からなるハイドロゲルが得られることを明らかにした。このハイドロゲルが細胞を生きたまま培養するための優れた材料であることを見出した。本成果は生体や環境にやさしい機能性材料を創成するための基礎的な知見になると考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H05758 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イオン液体 / ゲル / ソフトマテリアル / 自律性 / 自己集合 / ブロック共重合体 / ソフトアクチュエータ / 自己修復材料 / 炭酸ガス分離膜 / コロイド / 溶媒和 / 自己組織化

【研究成果の概要】

高分子ゲル・コロイドなどのソフトマテリアルは、その構成成分のほとんどが液体である。このことが物質内の大きな内部自由度を生み、外部刺激の微細な変化に応答して的確に機能するスマートマテリアルとしての期待も大きい。本研究では、これらソフトマテリアルの自律性は液体の構造形成性にその根源があるとの視点から、液体としてイオン液体を選択し、自律性に及ぼす液体の構造形成性・階層性の影響を明らかにすることを目的とした。その結果、イオン液体を溶媒に用いた自律性を持つ新しいソフトマテリアルという新しい物質・材料系を提案することが出来た。

【研究の社会的意義】

イオン液体を用いたソフトマテリアルの研究に関しては、世界的にみてもこのように系統的に研究を進めているグループは他に無い。従って本研究は、学術的には極めて独創的であると同時に世界的にもこの領域の研究を牽引するものである。本研究の遂行により、イオン液体を溶媒に用いたソフトマテリアルという新しい物質系の基礎が確立され応用の萌芽が生まれると期待され、その意義は極めて大きい。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2020-03-31

【配分額】201,890千円 (直接経費: 155,300千円、間接経費: 46,590千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H02198 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子ゲル / 機能性材料 / 自励振動 / 自己組織化 / 生体模倣 / ソフトマテリアル / 非平衡ダイナミックス / 自律性 / 高分子 / ゲル / 生体材料 / 自律機能 / 生体機能材料

【研究成果の概要】

生体の種々の自己組織化現象の化学モデルにもなっている振動反応（BZ反応）をポリマーネットワークの周期的体積変化や力学物性変化に変換することにより、心筋のように外部刺激のon-offなしに自ら周期的な膨潤収縮振動を起こす自励振動ゲルを開発した。高分子鎖の伸縮振動、ミセルやベシクルの凝集崩壊振動やそれに伴うゾルゲル振動、バルクゲルの体積振動や蠕動運動など、様々な階層スケールでの自励振動現象を発現することに成功した。人工繊毛、人工アメーバ、人工細胞、人工心筋、人工輸送管、自律駆動ソフトアクチュエータ（ソフトロボット）など、自律的な機能を発現する革新的なバイオミメティック材料への展開が期待される。

【研究の社会的意義】

自励振動ゲルは、ゲル研究分野において唯一、"外部刺激のon-offなしに自ら膨潤収縮振動を起こす”独創的なゲルである。学術的にも、生体の自己組織化現象の化学モデルにもなっているBZ反応を、ポリマーネットワークの周期的体積変化（力学変化）に変換し、機能性材料設計に応用した世界でも最初の研究でもある。ゲルの機能性材料としての新しい可能性を提唱し、散逸構造を利用した自己組織化４次元マテリアルとしての新しい学理を築いた研究として高分子科学、材料科学、非平衡科学等の分野で先導的な役割を果たした。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2020-03-31

【配分額】41,340千円 (直接経費: 31,800千円、間接経費: 9,540千円)

【研究分野】知能ロボティクス

【研究領域課題番号】26280097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子ロボット / 人工細胞 / DNAナノテクノロジー / マイクロマシン / 非平衡 / 自己組織化 / ゲル / エマルション / 動的自己組織化 / DNA

【研究成果の概要】

本研究では，マイクロメートルスケールの非平衡場を構築・制御し，分子を時空間的・動的に自己組織化させ，非平衡場のエネルギーを利用して自律的に駆動する，「動的な細胞サイズ分子ロボットの創製と制御」を行うことを目的とした．研究の結果，細胞サイズ分子ロボットのための非対称複雑形状ゲル粒子の構築技術と動的自己組織化法の開発，化学反応によるゲル粒子の自律運動の実現に成功した．さらに，細胞やDNAを用いた細胞サイズ分子ロボットへのバイオ機能の付与や，細胞サイズマイクロ粒子の集団的自発運動の実験と理論解析にも成功した．これらを通し，細胞サイズ分子ロボットに動的な運動・機能などを実現する基礎を築いた．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】24654119 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

地震 / 摩擦 / ゲル / スティックスリップ運動 / その場可視化 / 不均一性 / スティックスリップ / 自己組織化 / 可視化 / スティック－スリップ運動 / 相図 / PIV / 巨大地震 / ゆっくり地震

【研究成果の概要】

ゲルは，高分子からなるやわらかい弾性体であり，すべらせるとしばしばスティック－スリップ運動を起こす．ゲルのスティック－スリップ運動は，断層が一時的かつ局所的にすべりを起こす地震現象と類似した振る舞いを示すことから，地震現象のモデル系として用いられている．本研究では，実験条件によってスティック－スリップ運動の複雑性をコントロールできることを発見した．また，その場可視化を用いてスティック－スリップサイクルの中で巨大すべりがどのように“準備”されるかについて調べ，巨大すべり直前を特徴付ける物理量と実験パラメータとのスケーリング関係を見出した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】24656177 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ソフトメカニクス / 自己組織化 / 構造・機能材料 / ケミカルロボット / ゲルロボット / ゲル

【研究成果の概要】

正と負に帯電した2種類のゲル部品を水中に分散させ，水中撹拌下で確率的に出会わせ，静電相互作用により自動的に組み上げる自己組織化の実験的研究を行い，ゲルロボットの自己複製の見通しを得た．
まず，ゲル表面にシリカ微粒子を塗布することにより接着性能が向上することを確認するとともに，ｐHによって接着を制御できることを確認した．次に，ゲル部品の組み立てでは特に，１）接着方向に選択性を持たせるために，特定の面のみ接着させること．および，２）部品同士を正確な位置で接着させるために，接着面に幾何学形状を導入し，凹凸を利用して噛み合わせることを検討し，部品の選択的接着による自己組み立てに成功した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】23688020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / 自己組織化 / 液晶 / エアロゲル / 透明 / ナノセルロース / ナノファイバー / 断熱 / セルロースナノファイバー / ゲル

【研究成果の概要】

水中分散したセルロースミクロフィブリルは，自己配列して液晶性を示す。我々は、この液晶性ミクロフィブリル分散液に、希酸を滴下するという簡便な処理で、ミクロフィブリルの自己組織化配列を固定化するプロセスを確立した。その結果、濃度０．１％（水分９９．９％）でも自立する超高弾性率ヒドロゲルや、透明で強靭なエアロゲルを調製することに成功した。特にエアロゲルは、極めて低い熱伝導率を示し、高性能な新規断熱材としての応用展開が期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】26,910千円 (直接経費: 20,700千円、間接経費: 6,210千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】21750024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

表面・界面物性 / コロイド / 非平衡 / 非線形 / 自己組織化 / 自己集積 / ミセル / ゲル / 石鹸

【研究成果の概要】

本研究テーマは、自発的界面張力変動が生じる物質の特定を、本変動現象の解明と共に行うことである。本研究の大きな成果として、(1)飽和ヨウ化カリウム・ヨウ素ニトロベンゼン溶液/カチオン性界面活性剤水溶液系の、クロロベンゼン添加による自発界面変動現象が解明(2)飽和NaClおよびZnCl2ニトロベンゼン溶液/1mMトリメチルステアリルアンモニウムクロリド水溶液系、すなわちヨウ素を使わない系での自発変動の発見の2つがある。
本研究課題を通じてヨウ素系・非ヨウ素系双方の変動機構が解明できた結果、ニトロベンゼンやヨウ素を使用しない、無害な材料を利用して活発な自発界面変動現象を得られる可能性が生まれてきた。すなわち、1)水との界面張力が大きく、2)イオン性界面活性剤の対イオンが界面を移動しにくいような油相を選択すればよいことになる。今後は、そのような油相を系統的に調査するとともに、その結果得られた力学エネルギーを電気エネルギーに変換する系の構築に取り組みたいと考えている。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】生体関連化学

【研究領域課題番号】17655071 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分析科学 / 生体分子 / 自己組織化 / ナノ材料 / 蛋白質 / ゲル / ゲル電気泳動 / 二分子膜 / 組織化重合 / 重合性界面活性剤 / アクリルアミド

【研究成果の概要】

重合性界面活性剤イタコン酸ドデシルグリセリル(DGI : n-C_<12>H_<25>OCOCH_2C(=CH_2)COOCH_2CH(OH)一CH_20H)は、少量のイオン性界面活性剤の存在下で、サブミクロンの距離を隔てた規則的な二分子膜(ラメラ液晶)を形成し、可視光の回折によって発色するという面白い現象を示す。さらにアクリルアミド(AAm)、メチレンビスアクリルアミドが共存する水溶液中で重合することによって、二分子膜構遥を維持したままアクリルアミドゲル中に固定化できる。この二分子膜固定化ゲルは、世界中で当研究室にしか存在しないユニークな材料である。このユニークなゲルを、ゲル電気泳動基材として応用するのが本研究の目的である。
上記の二分子膜固定化ゲルを基材として使用し、i)陰イオン性色素、ii)水溶性蛋白質、iii)膜蛋白質を対象サンプルとして、電気泳動による分離の検討を行った。比較として、既存の手法であるポリアクリルアミドゲル電気泳動法(PAGE)による分離の実験を、どのサンプルに対しても常に行った。低分子量の色素に対しては、二分子膜固定化ゲルによる電気泳動はPAGEと類似の分離挙動を示すが、移動度がやや遅い傾向が見られた。これは、二分子膜が存在することによって、サンプルの疎水性/親水性的性質が分離に働いた結果であると考えられる。本二分子膜固定化ゲルにおいては、ゲルの網目によるふるい効果以外にも別の分離機構が働いていることになり、興味深い。
水溶性蛋白質の分離においては、二分子膜固定化ゲル中の移動度は常にPAGE中より速かった。この傾向は、固定化される二分子膜濃度が高くなる程顕著であった。この結果から、水溶性蛋白質は二分子膜中に取り込まれることなく、水相のみを移動しているのではないかと考えられる。二分子膜濃度が1.2〜1.6wt%程度で分離能が最もよくなり、2.0%を超えると分離せず、本手法として利用することは不可能であった。
膜蛋白質をサンプルとした場合には、二分子膜固定化ゲル中を蛋白質は殆ど移動出来なかった。これは、膜蛋白質が二分子膜内に強く捕捉されるためではないかと考えられる。水溶性蛋白質の分離挙動との違いに着目すれば、水溶性蛋白質と膜蛋白質を分離する、新しい分離法が提案できたのではないかと思われる。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】15560587 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生体材料 / 有機無機複合材料 / リン酸カルシウム / 自己組織化 / 吸水ポリマー / ゲル / 階層構造 / 拡散場 / 拡散 / 吸着

【研究成果の概要】

本研究の目的は、ナノレベルからマクロレベルで制御された三次元的な階層的構造を有するポリマー・セラミックス複合材料の新規な合成方法の提案とそれを利用した生体機能性材料の開発である。本研究の成果は、複合化の基礎となるゲルマトリクス内における自己組織化空間パターンについてのモデル系の検討(パートI)と、周期的な空間パターンを利用した新規な階層構造、ナノ格子状構造、あるいはナノ繊維状構造を持つ水酸アパタイトの合成手法の開発(パートII)とに大別される。
パートIでは、ゲル内の結晶形態に影響をおよぼす因子として、マトリクスによる溶質の拡散制御と、ゲル化剤分子の結晶表面への吸着による成長制御が重要であることを見出した。さらに、ポリマーマトリクスと析出結晶との相互作用が強い系において階層的な構造体を自己組織化的に構築されるシステムを見出した。これらの基礎的知見は、生体セラミックス・高分子複合における自己組織化的構造制御に有益な知見であると考えられる。パートIIでは、生体機能材料として期待されるリン酸カルシウム系セラミックスを用い、吸水性高分子をゲル状マトリックスとして用いて自己組織化空間パターンを制御するための基礎的な知見を得た。その結果、ナノレベルの周期的沈殿現象および生成する結晶相の制御が可能となり、骨類似な生体親和性ポリマーとセラミックスの絡み合い構造構築のための基礎技術が確立された。さらに、ゼラチンゲルを用いることでナノスケールでパターン化された新規なタイプの構造制御された水酸アパタイトの合成手法を開発した。
以上の3年間の研究を通して、ゲルマトリクスと有機分子の特異吸着を利用することで、結晶成長における自己組織化空間パターンを制御し、水酸アパタイトを代表とするさまざまな材料系でナノレベルからマクロレベルにわたって階層的に制御された構造体を作製するための方法論を確立するに至った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15655038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / ゲル / パターン形成 / 結晶成長 / 多糖誘導体

【研究成果の概要】

生物がつくり出す貝殻や真珠、骨や歯のような無機/高分子複合体は、我々が容易に模倣できない精緻な構造を有し、すぐれた性質・機能を示す。このようなバイオミネラルの形成プロセス、すなわちバイオミネラリゼーションに倣い、無機/高分子複合体を人工的に、かつ自己組織的に作製できれば、高機能・高性能かつ環境低負荷性の複合材料が得られるはずである。我々は、炭酸カルシウムと有機高分子からなる複合材料をバイオミネラリゼーションに倣った自己組織化プロセスにより構築してきた。本研究では、炭酸カルシウムの結晶化にソフトなゲルを形成する合成高分子を用いて炭酸カルシウムの形態制御を行い、自己組織的にパターン構造を作製することに世界で初めて成功した。
ポリアクリル酸などの水溶性高分子添加物の存在下、プルランのコレステロール誘導体をマトリクスに用いて炭酸カルシウムのパターン構造を形成させた前年度の知見から、マトリクスと水との複合構造がパターン構造形成に深くかかわっていると考えた。そこで、本年度は有機高分子マトリクスとして分子量やケン化度で水との相互作用が変化するポリビニルアルコールを用い、パターン化薄膜の形成を試みた。その結果、周期がマイクロメートルオーダーの同心円状の炭酸カルシウム凹凸パターン薄膜の形成に成功した。このパターン薄膜は光の回折現象により、干渉色を呈することも分かった。また、ポリビニルアルコールマトリクスの加熱処理条件やケン化度によって、薄膜のパターン周期が変化したことから、下地であるマトリクスの構造が結晶成長に影響を及ぼすことが分かった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)