2018 Fiscal Year Research-status Report
Reducing Friction of Hydrogels toward a soft artificial cartilage
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18K14285
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
八島 慎太郎 九州大学, 理学研究院, 助教 (40768842)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ハイドロゲル / 滑り摩擦 / 潤滑 / 表面パターニング / 関節軟骨 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ハイドロゲルは柔らかく、水を多量に含む、といった特徴から生体代替組織への応用が期待される物質である。本研究では、ハイドロゲルの滑り摩擦と表面形状の関係を明らかにし、人工関節軟骨などへの生体代替組織に向けた低摩擦化手法を開発することを目的にしている。
水蒸気をガラス基板にあて、その形状を写し取ることで、サイズの異なる半球形状をもつ鋳型を作製し、これを用いて表面に半球状凹みをもたせたゲルを合成した。凹みのサイズは直径80~600μm、深さ 20~300μm程度であることを確認し、ハイドロゲルとガラス基板間の滑り摩擦を回転型レオメータを用いて評価した。凹み形状をもたせたハイドロゲルは、平坦な表面のハイドロゲルに比べて幅広い速度領域(10^-4~10^-1m/s)にわたり低摩擦であることが示された。また、サイズの大きいパターンほど摩擦低減の効果が大きいことが示された。凹みのパターンによる表面積減少で摩擦が低減されることは容易に想像されるが、特に10^-2m/s以上の高速度領域においては表面積減少分を超えて摩擦が大きく低減した。これについて考察を深めるために、高速度カメラでハイドロゲルの滑り摩擦界面を観察したところ、凹みから摩擦界面に水が滲出し、潤滑を促進する様子を捉えることができた。これをもって、なぜ表面形状によって摩擦が低減するか、という本研究考案時に設定した問いの一つに答えることができたといえる。現在は表面凝着力や滑り運動に伴う摩耗についても評価を進めている。
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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
ハイドロゲルに表面形状を付与した際の摩擦低減効果を再現性良く見出すことができていること、また摩擦低減効果がなぜ生じるかについて、ある程度の答えを導くことができたため、このように評価した。計画で予定されている摩耗の評価についても、新しく吸光度計を使用した手法を考案し、確認することができており、目立った遅れはないと考えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
より高度に制御されたパターン形状をハイドロゲルに付与する方策についても検討を進める。現在既に検討を始めている手法として、リソグラフィや3Dプリント鋳型を用いた手法があり、これらを試行する。また、ポリビニルアルコールゲルを加熱、乾燥した後に溶媒で再度膨潤させるdry anneal法(Vlassak, 2014)により得られる高強度ゲルについても、表面形状付与による摩擦低減の効果が生じるかを確かめる予定であり、そのためのパターニング手法から検討を進める。
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| Causes of Carryover |
申請時にはフォトリソグラフィに使用するスピンコータや試薬類を購入する予定であったが、フォトリソグラフィは連携研究による実施や、学内学外の設備を使用する方が効果的であると判断し、購入を見送ったため、残金が生じた。次年度にはパターニング鋳型の加工費として使用する予定である。
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