2015 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Innovative Materials Engineering Based on Biological Diversity |
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24120004
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| Research Institution | Hamamatsu University School of Medicine |
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Principal Investigator |
針山 孝彦 浜松医科大学, 医学部, 教授 (30165039)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
下村 政嗣 千歳科学技術大学, 理工学部, 教授 (10136525)
不動寺 浩 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料ユニット, 主席研究員 (20354160)
久保 英夫 北海道大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50283346)
石井 大佑 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60435625)
木村 賢一 北海道教育大学, 教育学部, 教授 (80214873)
吉岡 伸也 東京理科大学, 理工学部, 准教授 (90324863)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 生物表面構造 / 自己組織化 / サブセルラーサイズ / 構造色 / 太陽電池 / 「いいかげん（好い加減）」 / 極限生物 / NanoSuit法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1) 生物表面のサブセルラーサイズ光学システムを模倣した自己組織化構造色作成 タマムシのクチクラは表角皮の多層膜干渉によって発色している。タマムシをマスターピースとしてレプリカを作製し、自己組織的にブラック反射構造を形成するコロイド粒子懸濁液に浸漬してタマムシモデルを作製した。野外に置くことで、タマムシが種内コミュニケーションに構造色を用いていることを証明することに成功した。また、3次元構造体への集積技術を拡大して表面積の大きな材料表面に適応可能とした。
2）生物のサブセルラーサイズ構造の自己組織化による形態形成過程解明 ショウジョウバエ野生型の複眼を形成する個眼の角膜レンズ表面にサブセルラーサイズの微小パイル構造パターンがある。遺伝子操作実験により、遺伝子とその産物によって細胞外の分泌物の集積が制御されていることがわかった。透過型顕微鏡トモグラフなどの解析からパイルパターンの直下に存在する微絨毛周辺に物質の集積を示す電子密度の高い部分と、発生に伴うパターンの経時変化が観察され、細胞外物質の形態形成と強い関連があることが強く示唆された。
3) 「“厳密ではない構造”だけど、緻密な機能」を実現し、かつ多機能性を保有している構造の発見 蛾の複眼表面には、光の波長以下の規則的に配列した突起構造が存在し、乱れのない規則配列構造により無反射性を獲得していると考えられてきた。しかし、そのモスアイ構造において、突起の配列には秩序性が欠落した箇所が無数に存在しているにもかかわらず高い反射防止効果があることが確認され、物理数学的解析を行い、この配列の乱れがあっても反射率は低く維持されることが確かめられた。また、この構造は、無反射性だけでなく、自浄作用（防汚）、昆虫などの滑落性など多機能性を保有していることを実験的に確認することに成功し、市販のモスアイフィルムにも同様の機能があることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
タマムシのクチクラの構造を解析し、その構造からヒントを得て自己組織的な手法によりタマムシモデルをOne pot処理で工学的に作成することに成功し、曲率をもった大型資材にも塗布可能にした。また、クチクラの自己組織的形成過程をサブセルラーサイズレベルの形態変化の追跡に成功し、遺伝的処理と組み合わせることで、形成過程が細胞表面の微絨毛に関係するだけでなく、分泌後の自己組織化に関わっていることが示唆された。また、モスアイなどのサブセルラーサイズ構造に「乱れているが機能を十分に備えている」ことを発見した。また生物表面のモスアイ構造が多機能性を持っていることを見いだし、生物は、生物特有のユビキタス元素を用いて少しだけ形態形成を改変することで多機能性を実現していることが強く示唆されたことなどは、特筆に値する。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 自己組織的作成方法による高輝度表面構造の作成：オパール粒子の3次元構造体への集積技術を拡大して表面積の大きな材料表面も適応可能にできたものを展開し、太陽電池パネル表面への適用を検討する。そのために、平面パネル表面への集積技術を確立し、その光学的特性を検討する。また、生物制御技術色材としての最適化を図る。
2) 生物の形態形成の観察と工業化への検討：細胞外分泌物の濃度分布にも注目し、生物のサブセルラーサイズの自己組織化現象がどのタイミングでどのように開始・継続されるかを、透過型電子顕微鏡の立体構築機能と遺伝子制御技術と併用して解析してきた結果、微絨毛とナノパイル構造との強い相関が示唆されてきたが、本年度は、数学的解析や形態学的データの再調査をすることで、生物の分泌物の形態形成のモデル化を図り、工業化への指針とする。
3) 生物の厳密ではない構造が持つ緻密な機能についての解析：robustnessをもっているともいえる良い意味での厳密ではない生物のデザイン・機能性は、つまり、「ある範囲の不規則性は無反射性などの機能の障害にはならない」ことを意味し、有力な工学的設計指針になるだけでなく、上記の生物のサブセルラーサイズの自己組織化現象とも関連があると考えられた。同一の生物材料によって機能的多機能性を持つことが分かったことから、工業化されているフィルムの無反射性だけでなく、自浄作用（防汚・防雪）、生物などの滑落性が平面パネル上で実現されるか検討する。
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