| Project/Area Number |
21H04688
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 35:Polymers, organic materials, and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
酒井 崇匡 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70456151)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片島 拓弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (20759188)
Li Xiang 北海道大学, 先端生命科学研究院, 准教授 (30759840)
作道 直幸 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (50635555)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,510,000 (Direct Cost: ¥32,700,000、Indirect Cost: ¥9,810,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2021: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
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| Keywords | 高分子ゲル / バイオマテリアル / ハイドロゲル / ゲル・ゲル相分離 / スポンジ / 相分離 / 物質拡散 / レオロジー |
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| Outline of Research at the Start |
ゲルやスポンジなどの含水性高分子網目材料は、生体組織と類似の構造・物性を有し、材料科学的にも生体材料応用を目指す上でも興味深い材料である。その一方で、両者には、網目サイズや内包する水との相溶性など、相違点も多く存在する。
本研究では、「ゲルとスポンジの類似性と特異性」を明らかにし、ゲルとスポンジを繋ぐ横断的な学理を確立することを目的とする。申請者が世界で初めて確立した、同一の成分組成からゲルとスポンジを作り分ける手法を用い、ゲル、スポンジ、ゲル・スポンジ中間物質を系統的に作製し、構造・物性を網羅的に測定・解析することで分野横断的な体系化を試みる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
含水性高分子網目材料であるゲルやスポンジは、生体組織に類似の構造・物性を有し、材料科学的にも生体材料応用を目指す上でも興味深い材料である。昨年度の研究では、ゲルとスポンジの類似性と特異性を明らかにし、それらを繋ぐ横断的な学理を確立することを目指した。同一の成分組成からゲルとスポンジを作り分ける手法を用い、構造・物性を網羅的に測定・解析することで分野横断的な体系化を試みた。
昨年度の研究成果として、ゲル化・スポンジ化過程の構造形成の速度論を共焦点顕微鏡および小角X線散乱を用いて評価し、低濃度領域におけるスポンジ化がゲル化反応に伴う濃度ゆらぎの増大、およびパーコレーションに伴う弾性発現をきっかけに相分離が起こることが明らかになった。また、粗視化シミュレーションモデルを用いることで、散乱実験の結果をメゾスケール構造単位で再現し、分子論的な描像を明らかにした。さらにin vivo実験では、生体内で脂肪の成長を誘導することが観察され、スポンジ構造を有するゲルの再生足場バイオマテリアルへの応用の礎となる結果が得られた。
今年度の追加事項として、ゲル・ゲル相分離と名付けられた相分離現象についての成果が英文学術雑誌にて公開された。論文執筆の過程で、ゲル化の際には相分離は起こらず、ゲル化の後に起こる収縮過程においてゲル・ゲル相分離が起こることが明らかになった。共焦点レーザー顕微鏡を用いることで、ゲル・ゲル相分離構造が明確に観察できるようになった。また、ゲル化に用いるプレポリマーの分岐数が大きいほど、ゲル・ゲル相分離が起こりやすいことが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定通り、ゲルとスポンジを分ける相図の作成に成功し、研究が着実に進展している。顕微鏡、散乱実験、シミュレーションを用いて相分離の機序解明が進められ、ゲル・ゲル相分離と名付けた現象に関する理解が深まっている。その結果、ゲル・ゲル相分離に関する論文が英文学術雑誌にアクセプトされるという成果を収めた。
シミュレーションでは、低濃度でゲル・ゲル相分離に似た現象が再現され、この現象を解明するための手掛かりが得られている。これにより、ゲルとスポンジの構造形成過程における相分離現象の理解が一層進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ゲル・ゲル相分離に関する論文がアクセプトされたことを受け、今後の研究では、シミュレーションを用いてゲル・ゲル相分離のメカニズム解明に取り組む。また、ゲル・ゲル相分離によって形成される構造が厳密には多孔質構造ではなく、希薄相にもゲルが存在していることが判明しているため、凍結乾燥過程を行うことで希薄相を孔に変換できる可能性があるという結果を得ている。このため、凍結乾燥を行ったものについても検討し、ゲル・ゲル相分離の応用範囲を広げる。
さらに、ゲル化に用いるプレポリマーの分岐数が大きいほど、ゲル・ゲル相分離が起こりやすいことが明らかになった。この知見を基に、ゲル・液体相分離が達成できないか検討を行う。これにより、ゲル・ゲル相分離現象をより広範な応用に展開できる可能性がある。
今後の研究では、さらなる相分離現象の解明や制御方法の開発、新規バイオマテリアルの開発、生体組織の再現性・生体適合性を向上させる研究を推進する。また、国内外の研究機関や企業との連携を強化し、共同研究や技術交流を通じて研究成果の実用化を促進する。これらの取り組みにより、含水性高分子網目材料の応用範囲が拡大し、材料科学および生体材料分野における新たな革新が期待される。
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