2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of Bio and Environmental Functions of Aquatic Functional Materials
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
19H05720
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 賢 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (00322850)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 義久 三重大学, 工学研究科, 准教授 (70578062)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | バイオ界面水 / 生体親和性 / 細胞接着 / 水和界面物性 / 界面ダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、水圏バイオ・環境機能材料構築を達成するために、材料の化学構造と水和による物理化学的な物性変化により、界面水の構造・運動を制御することで、特定の生体分子や細胞を選択的に認識する生体親和性材料を創製する。界面水の構造・運動を制御するための高分子の精密合成と生体 機能評価を行う。また、水中プローブ顕微鏡技術による合成高分子の界面状態の解明・制御を行う。A02（先端計測・シミュレーション班）との連携により水・材料界面の状態を精密解析する技術を確立し、界面水構造・運動制御の基礎学理を構築する。A01（分子・材料構築班）と連 携し、生体親和性および金属ステント表面への高接着性を示す材料の設計指針を創出する。本年度は、界面水構造・運動性を制御する手段として、高分子の1次構造の変更が中間水量に与える影響について検討を行った。具体的には、水分子と相互作用可能なエステル結合の位置を側鎖末端に移動させた新規Poly(2-methoxyethyl acrylate) （PMEA)類似体の合成を行った。モノマーとしてω-アセトキシアルキルビニルエーテルを合成し、カチオン重合を行うことで側鎖長が異なるPMEA類似体を合成した。得られた高分子の水和構造を解析するため、含水高分子について示差走査熱量計（DSC）測定を行った結果、いずれの高分子においても中間水の存在が確認された。中間水の凍結が昇温過程のみで観測される高分子、また、昇温及び降温過程において観測される高分子を合成できた。これは、側鎖長の伸長によってガラス転移温度が低下し、側鎖の運動性が向上したことで、水和構造が変化したためと考えられる。また、エステル結合を側鎖末端に有するPMEA類似体はPMEAよりも中間水量が増加した。これは、エステル結合を側鎖末端側に有するほど相互作用可能な水分子の数が増加したためと考えられる。
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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
材料の化学構造と含水による物理化学的な物性変化により、界面水和構造・運動を制御することで、特定の生体分子や細胞を選 択的に認識する水圏バイオ・環境機能材料の合成基盤を確立し、3報の原著論文を出版できた。
我々は、優れた抗血栓性を示すPoly(2-methoxyethyl acrylate) （PMEA）について、その水和状態に着目して抗血栓性発現機構の解明を目指した研究を進めてきた。これまでに、PMEA中の水分子は示差走査熱量計（DSC）によって観測される凍結融解挙動から、不凍水、中間水、自由水の3種類の水に分類できることが明らかになった。とりわけ、中間水量は抗血栓性と相関性があることが見出されており、中間水の存在が抗血栓性の発現において重要な役割を果たしていると考えられている。本研究では、中間水量と抗血栓性の制御を行うために、高分子の1次構造の変更が中間水量に与える影響について検討を行った。水分子と相互作用可能なエステル結合の位置を側鎖末端に移動させた新規PMEA類似体の合成を行った。ここで、側鎖末端のエステル結合はより多くの水分子と相互作用が可能になると期待される。また、側鎖長を変更したPMEA類似体を合成し、その水和構造を解析することによって、側鎖長の変更が中間水量に与える影響を考察できた。
含水状態で機能する生体分子と生体親和性合成高分子の共通点である中間水に着眼した理論は、材料の物性と機能を分子レベルで理解するのに役に立つ。また、水が存在する環境で使用されるエレクトロニクス・ロボティクス・環境・エネルギー・農業分野で必要となる、物質の非特異的吸着抑制機能と導電性、イオン伝導性、発光性、透明性、力学応答性、温度応答性、強靭性などトレードオフの機能を両立させた多機能高分子を設計するための足掛かりが得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
水和環境における高分子の表面物性および水和構造・運動解析を進展させるために、官能基の構造、位置、量、配列が精密に制御された生 体親和性合成高分子および班内・班間連携に必要不可欠なモデル合成高分子（ポリエチレングリコール、PMEA、ポリ（n-ブチルアクリレート）、ポリメタクリル酸メチル）の水・材料界面の特性について高分解能水中走査プローブ顕微鏡測定により明らかにする。また、有機合成高分子だけではなく、無機分子や生体分子・生体高分子の化学構造と水和構造・運動との比較を行い、生体親和性機能発現に共通する水和状態を抽出する。さらに、材料表面に形成する水の構造・運動とそれにより変化する材料物性を相補的に計測するために、化学構造を精密に制御した高分子の合成を進めるとともに、d化されたPMEAを合成するためのモノマー合成および重合をA01と連携して行う。H2OおよびD2Oで含水させたときの水の構造・運動をA02の中性子散乱測定および熱分析により解析する。また、放射光軟Ｘ線・赤外分光やテ ラヘルツ分光を用いた先端計測・解析により、水和材料の構造・運動について知見を深める。さらに、A01の新規高分子材料の水和環境下にお ける構造・物性評価を行い、材料設計へとフィードバックを行う。また、界面水の構造・運動を実験的および理論的に明らかにするために、固定化密度の異なるPMEAブラシ表面の水和状態の弾性率や接触角などの物理化学物性、タンパク質吸着量、種類、変性度、分布および細胞接着数、増殖、細胞種選択的な接着挙動を調べる。A02の全原子シミ ュレーションを行い、水和状態との関係を議論する。また、水晶振動子マイクロバランスを利用した界面近傍の局所レオロジー解析、大型放射光施設（SPring-8）での散乱実験、中性子準弾性散乱実験、海外の実験施設での実験を検討する。
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Research Products
(33 results)
