2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a novel in-silico screening method for biomaterials based on hydration water dynamics at bio-interfaces
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18H03542
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| Research Institution | National Institute of Health Sciences |
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Principal Investigator |
植松 美幸 国立医薬品食品衛生研究所, 医療機器部, 主任研究官 (10424813)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森本 展行 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00313263)
田中 賢 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (00322850)
山本 雅哉 東北大学, 工学研究科, 教授 (10332735)
森田 成昭 大阪電気通信大学, 工学部, 教授 (20388739)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水和構造 / 分子動力学シミュレーション / 生体適合性評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
血液と長時間接触する医療機器について，抗血栓性付与は大きな課題である．材料表面にタンパク質が変性することなく吸着し，細胞が正常性を維持した状態で接着できれば，生体の異物反応は回避できる．次世代のバイオ機能材料には，活性化等を伴わずに細胞が適度に接着し，生体と同一化するバイオ界面の再現が求められる．医用材料の生体適合性発現機構に係る水分子の物理化学特性をシミュレーションによって明らかにすることを目指し，分子動力学シミュレーションによる検討を進めた．
PMEAのポリマー鎖間の相互作用がある中での水分子挙動を分子動力学シミュレーションにより検討した．降温，昇温の過程によらず，材料近傍における水分子の動径分布関数は一定であり，220K以下で顕著な長距離秩序（結晶化）が見られた．この挙動はDSC分析により-50℃付近で確認される中間水の凍結・融解に相当すると考えられた．また，シミュレーションから得られた不凍水/中間水/自由水の比率は，実験値と同等であり，開発モデルによる検討結果は妥当であると考えられた．しかしながら，提案したシミュレーションモデルによる解析では，中間水含有が確認されている他のアクリレート系ポリマーでの再現に至らなかったことから，PMEAの特異性が示唆された．
さらに，本研究課題では，温度やイオンの挙動によって水和構造を変化させることができるベタイン系ポリマーを対象とし，その水分子挙動をDSC及びATR-IRにより実測・解析するとともに，細胞挙動についても検討した．これに伴い，各測定法によって得られた材料の物理化学的特性と材料中の水分子挙動とを融合的に勘案した新規解析モデルを提案した．今後は，生体と接触する医療機器の開発において要求される生物学的安全性評価を見据えて，設計段階の材料選択に応用できるシミュレーションの開発を進めていきたい．
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| Research Progress Status |
令和2年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 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。
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