2018 Fiscal Year Annual Research Report
Developments and Potential Applications of Ideal Polyelectrolyte Gels
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16H02277
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柴山 充弘 東京大学, 物性研究所, 教授 (00175390)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
Li Xiang 東京大学, 物性研究所, 助教 (30759840)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 荷電性ゲル / 理想網目 / 小角中性子散乱 / 分子ふるい / ポリアクリル酸ゲル / テトラペグゲル / DNA架橋テトラPEGゲル / 両親媒性高分子ゲル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
荷電性高分子ゲルは非常に高い浸透圧を持ち、吸水剤や保水剤として様々な分野で利用されているが、既存の荷電性高分子ゲルは主にラジカル重合法で作製され、形成される網目構造は不均一で制御性が乏しい。本研究ではテトラ型モジュールポリマーを用いた高い均一性・制御性を誇るゲル作製システムを用いて、未だに実現されていない理想網目構造を有する荷電性高分子ゲルを創造し、荷電性高分子ゲルの物性の理解、及び理想網目を利用した応用展開を目指した研究をおこなった。
平成30年度においては、t-ブチルアクリレート(Tetra-tBA)を骨格とするテトラ-tBAゲルを合成し、そのメタノール膨潤ゲルおよび、tBAを脱保護して得られるテトラポリアクリル酸ハイドロゲル（テトラPAAゲル）の物性測定および中性子散乱実験をおこなった。その結果、テトラPAAゲルの散乱関数には、荷電高分子溶液や荷電ゲルに特徴的な散乱ピークが存在したことから、荷電基の導入に成功していること、架橋の導入により不均一性が大きくなっていることを確認し、論文発表を行った（アメリカ化学会誌Macromolecules, 2018）。一方、DNAを架橋点とするテトラPEGゲルの合成方法を詳細に検討し、DNA導入率の高いテトラPEGゲルの合成に成功した。このゲルを用いて中性子散乱実験を行い、現在、構造解析を行っている。DNA架橋テトラPEGゲルの場合、高温でゾル、低温でゲルとなる物理架橋ゲルであること、またDNAが強く荷電しているので、新規タイプの荷電性高分子ゲルということができる。さらに、テトラPAAゲルについては、調製時のゲルと平衡膨潤ゲルとの間の構造の違いについて詳細に検討している。また、東京大学薬学部との共同研究でマウスの大脳に対して小角X線散乱解析を行い、高分子電解質ゲルとしての特性を観測することに成功した（論文投稿中）。
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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
理想荷電性高分子網目の合成とその構造解析・物性探索を目的とする研究を行っている。最初に、均一な網目構造をもつテトラポリアクリル鎖ゲルの合成を目指し、直接法（４分岐ポリアクリル酸の直接末端交差反応）と間接法（４分岐t-ブチルアクリレート(tBA)の合成と、そのゲル化、それにつづくtBAの脱保護）の両方を検討した。中性子散乱実験からは、荷電性高分子に特徴的な構造が観察されたことから、分子構造と電荷による高次構造との関係、および添加塩効果に関する研究を着手した。平成28年度においては、欠陥をもたない均一ゲルの実現には至らなかったので、平成29年度においては、合成手法を根本から見直し、より均一性の高いゲルの調製に挑戦し、均一性に優れるゲルの合成に成功した。平成30年度においては、新たな方法で調製したテトラポリアクリル鎖ゲルの構造解析を行い、論文発表した。一方で、DNAを枝分かれ高分子鎖に導入したDNAを架橋点とするテトラPEGゲルの調製に成功した。このゲルは温度可逆的にゾルーゲル転移すること、ならびにDNA由来の強電解質ゲルの性質をもつことから、構造・物性的に非常に興味ある系である。現在、ゾルーゲル転移挙動や構造解析をほぼ済ませ、論文化を進めている。また、これらの研究を通して、ゲルの空間不均一性の要因を特定し、それによって空間不均一性が全く存在しないゲルの合成に成功した（論文投稿中）。
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| Strategy for Future Research Activity |
荷電性高分子ゲルの作製システムにさらに検討を加え、より均一性が高く、反応収率が高いゲル作成システムの構築を行うとともに、網目構造・電荷がゲルの物性に及ぼす影響の評価を行う。荷電性高分子ゲルの基礎物性を調べる上での変数として、従来は電荷密度と静電遮蔽距離が主に用いられてきたが、申請者が提案する理想荷電性高分子ゲルによって新たにポリマー体積分率と架橋点間重合度を独立した変数として用いることが可能であるため、pH、塩濃度、ポリマー体積分率、および架橋点間重合度という、4つの変数を任意に調整して荷電性ゲルを作製し、散乱実験から得られる構造情報を基軸に、レオロジー・力学・膨潤・物質拡散の4つの物性試験を行うことで、荷電性ゲルの系統的な物性ライブラリーを構築していく。
一方で、我々のグループで新規に開発したDNA架橋テトラPEGゲルに関して、より収率や反応率の高いゲルの創製を試みるとともに、不均一性の低減による理想網目の実現を目指す。さらには、DNA架橋テトラPEGゲルの力学物性や物質透過・分離特性などといった応用展開を視野にいれた研究を展開する。
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