発動ナノゲルの高次組織化による集団行動システムの人工構築

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 19H05388
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Shinshu University
• Principal Investigator: 鈴木 大介 信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (90547019)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: ナノゲル / 自己組織化 / 高分子微粒子

Outline of Research at the Start

申請者がこれまで検討を続けてきた化学反応によって人工ナノ粒子の大きさなどが自発的に変化する高分子ナノ粒子(発動ナノゲルと呼称)を発展させ、ナノサイズのゲルがさながら生き物のように秩序立った運動を示すシステムを人工構築する事を目的とする。低分子とは異なり、ナノ粒子が様々な顕微鏡で直接観察できる長所を活かし、ナノゲル同士が融合し合い、時間と共にどのように成長するのかを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

i) 発動ナノゲル集積体の集団行動システムの制御に向け、前年度に合成した、化学反応に対して任意のタイミングで応答する事が可能なダブルシェル構造を有する発動ナノゲルの構造制御を実施した。シード沈殿重合法を活用し、発動ナノゲルのサイズや、各シェル層の厚さ・架橋密度を最適化することで、前年度の課題であったサイズ変化の減少を改善することに成功した。さらに、設計したナノゲルを集積化することで、周期的に酸化・還元を繰り返す化学反応と同期して自発的に膨潤・収縮し、環境変化に伴い、任意に体積振動を繰返し停止する事が可能なナノゲル集積体を創製した。
ii) 昨年度に実施したナノゲルの一次元集積体の作成方法を改善し、集積体の長さや幅の制御を試みた。特に、光学顕微鏡法を活用することで、温度に応答して複数の一次元集積体が会合しながら収縮する挙動を観察することに成功した。ナノゲルが高次に集積化されたからこその体積変化の増加と考えられる。
iii) ナノゲルの集団行動システムの理解に向け、領域内共同研究を通じ、集積化させたナノゲルの刺激応答挙動を評価した。温度を制御する事が可能な高速原子間力顕微鏡法を活用することで、二次元集積体を形成するナノゲルの構造や温度応答性を定量的に評価した。その結果、集積化に伴い、ナノゲル同士が圧縮され、六角形状に変形して集積化されている様子を観察した。また、ナノゲル間の表面にある高分子鎖の相互貫入や圧縮の影響により、孤立状態とは異なる温度応答挙動を示すことを明らかにした。本結果は、単一微粒子の刺激応答性を、ナノゲルを集団とした際に如何に増幅させるかという課題に関して、設計指針を与えるものである。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nanostructure and thermoresponsiveness of poly(N-isopropyl methacrylamide)-based hydrogel microspheres prepared via aqueous free radical precipitation polymerization (2021)
  • Author(s): Nishizawa Yuichiro、Minato Haruka、Inui Takumi、Saito Ikuma、Kureha Takuma、Shibayama Mitsuhiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 11 Issue: 22 Pages: 13130-13137
  • DOI: 10.1039/d1ra01650d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recent Development in the Visualization of Microgels (2021)
  • Author(s): Yuichiro Nishizawa、Kenshiro Honda、Daisuke Suzuki
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: -
  • NAID: 130008053374
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Belousov Zhabotinsky Reaction in Thermoresponsive Core Shell Hydrogel Microspheres with a Tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium Catalyst in the Core (2020)
  • Author(s): Inui Kohei、Watanabe Takumi、Minato Haruka、Matsui Shusuke、Ishikawa Keito、Yoshida Ryo、Suzuki Daisuke
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 18 Pages: 3828-3835
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02238
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermoresponsive structural changes of single poly(N-isopropyl acrylamide) hydrogel microspheres under densely packed conditions on a solid substrate (2020)
  • Author(s): Minato Haruka、Nishizawa Yuichiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
  • Journal Title: Polymer Journal Volume: 52 Issue: 9 Pages: 1137-1141
  • DOI: 10.1038/s41428-020-0372-3
  • NAID: 40022335719
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanostructures, Thermoresponsiveness, and Assembly Mechanism of Hydrogel Microspheres during Aqueous Free-Radical Precipitation Polymerization (2020)
  • Author(s): Nishizawa Yuichiro、Minato Haruka、Inui Takumi、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
  • Journal Title: Langmuir Volume: 37 Issue: 1 Pages: 151-159
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02654
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrophobic monomers recognize microenvironments in hydrogel microspheres during free radical seeded emulsion polymerization (2020)
  • Author(s): Takumi Watanabe, Yuichiro Nishizawa, Haruka Minato, Song Chihong, Kazuyoshi Murata, Daisuke Suzuki
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: - Issue: 23 Pages: 8849-8853
  • DOI: 10.1002/anie.202003493
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of Charge Groups Immobilized in Hydrogel Microspheres during the Evaporation of Aqueous Sessile Droplets (2019)
  • Author(s): Haruka Minato, Masaya Takizawa, Seina Hiroshige, Daisuke Suzuki
  • Journal Title: Langmuir Volume: 35 Issue: 32 Pages: 10412-10423
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b01933
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protein uptake into individual hydrogel microspheres visualized by high-speed atomic force microscopy. (2019)
  • Author(s): Shusuke Matsui,Kensuke Hosho,Haruka Minato,Takayuki Uchihashi,Daisuke Suzuki
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 55 Issue: 68 Pages: 10064-10067
  • DOI: 10.1039/c9cc05116c
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Ru(bpy)3金属触媒を担持したゲル微粒子の合成と化学振動反応の制御 (2020)
  • Author(s): 乾滉平
  • Organizer: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [Presentation] 温度応答性コアシェル型ゲル微粒子による化学振動反応のオン‐オフ制御 (2020)
  • Author(s): 乾滉平
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] 階層化発動ナノゲルによる新機能創出 (2020)
  • Author(s): 鈴木大介
  • Organizer: 第10回CSJ化学フェスタ
  • Invited
• [Presentation] 自律駆動ゲル微粒子のコアシェル化による時間周期機能のオン-オフ制御 (2020)
  • Author(s): 乾滉平
  • Organizer: 第30回日本MRS年次大会
• [Presentation] Soft hydrogel microspheres toward functional autonomous materials (2020)
  • Author(s): Daisuke Suzuki
  • Organizer: Pre-symposium of The 1st International Symposium on Molecular Engine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multifaced Structual Analysis of Hydrogel Microspheres (2020)
  • Author(s): Yuichiro Nishizawa
  • Organizer: The 1st International Symposium on Molecular Engine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microgel Strings that Respond to External Stimuli (2020)
  • Author(s): Keito Ishikawa
  • Organizer: The 1st International Symposium on Molecular Engine
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 自律駆動高分子微粒子のコアシェル化による振動のon-off制御 (2019)
  • Author(s): 乾滉平
  • Organizer: 第50回中部化学関係学協会支部連合秋季大会