Hydration Structure of Biomaterials in Contact with Liquid Flow

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05235
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka Electro-Communication University
• Principal Investigator: 森田 成昭 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (20388739)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 赤外分光 / ケモメトリックス / バイオマテリアル / 水和構造 / 含水高分子 / 量子化学計算 / 機械学習

Outline of Research at the Start

本研究において，血流程度の流れと接したバイオマテリアルの水和構造を官能基レベルで理解することに挑戦する．そのためにin situ ATR-IR法を改良して，流れと接したバイオマテリアルの赤外スペクトルを偏光測定できるようにする．これにより，材料と接しているバルク流体の信号を避け，水和している水分子と水和されている高分子鎖の信号を選択的に高感度に得ることができる．また，得られるスペクトルデータを機械学習や量子化学計算によって緻密に解析し，分子構造の詳細な情報を的確に抽出することを試みる．

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，血流程度の流れと接したバイオマテリアルの水和構造を官能基レベルで理解することである．そのために，in situ ATR-IR法を改良して，流れと接したバイオマテリアルの赤外スペクトルを偏光測定できるようにした．前年度までの研究で，抗血栓性に優れたバイオマテリアルであるpoly(2-methoxyethyl acrylate) (PMEA) を試料として用いたときに，PMEAの水和水が流れの影響を受けて脱水和を起こし，水和構造を変化させていることを発見した．そこで今年度は，得られた偏光スペクトルを詳細に解析し，分子レベルでの構造変化を考察した．これにより，PMEAの水和構造に重要な役割を果す側鎖が流れの影響を受けて，僅かに分子配向を示すことが示唆された．また，双性イオン性基を有する抗血栓性バイオマテリアルである2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC) 共重合体を試料として用いたときには，PMEAとは異なり，流れと接することによる顕著な脱水和が観測されず，MPC共重合体における双性イオン性基の特異性が示唆された．これらの研究成果は，以前に行った電解質水溶液を用いた実験結果 (S. Morita, et al., Langmuir, 30, 10698, (2014).) と類似しており，同じ抗血栓性を示すバイオマテリアルであっても，中性のPMEAと双性イオン性のMPC共重合体では材料機能の発現機構が異なることが示唆された．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Chemometrics (2022)
  • Author(s): 森田成昭
  • Journal Title: Journal of the Japanese Association for Crystal Growth Volume: 49 Issue: 1 Pages: n/a
  • DOI: 10.19009/jjacg.49-1-03
  • ISSN: 0385-6275, 2187-8366
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Different hydration states and passive tumor targeting ability of polyethylene glycol-modified dendrimers with high and low PEG density (2021)
  • Author(s): Tsujimoto Ayako、Uehara Hiroki、Yoshida Haruna、Nishio Misaki、Furuta Kousuke、Inui Takashi、Matsumoto Akikazu、Morita Shigeaki、Tanaka Masaru、Kojima Chie
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: C Volume: - Pages: 112159-112159
  • DOI: 10.1016/j.msec.2021.112159
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular Dynamics Study on the Water Mobility and Side-Chain Flexibility of Hydrated Poly(ω-methoxyalkyl acrylate)s (2020)
  • Author(s): An-Tsung Kuo, Shingo Urata, Ryohei Koguchi, Toshiki Sonoda, Shingo Kobayashi, Masaru Tanaka
  • Journal Title: ACS Biomaterials Science & Engineering Volume: 6 Pages: 6690-6700
  • DOI: 10.1016/j.colsurfb.2020.111449
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Two-Dimensional Correlation Analysis for Time-Dependent IR Spectra of Sorption Process of Water into PMEA Analogous Polymers (2021)
  • Author(s): Shigeaki Morita
  • Organizer: 11th International Symposium on Two-Dimensional Correlation Spectroscopy (2DCOS-11)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Concentration-Dependent Near-Infrared Spectra of Water-Aprotic Organic Solvents Binary Systems (2021)
  • Author(s): Shigeaki Morita
  • Organizer: The 4th Aquaphotomics International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks]
  • URL: https://sites.google.com/view/shigemorita/
• [Remarks] Shigeaki Morita
  • URL: https://sites.google.com/view/shigemorita/