2021 Fiscal Year Annual Research Report
Preparation of mechanobiological polymer gels by independent control of mechanical/chemical properties
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20H02804
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
上木 岳士 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (00557415)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中西 淳 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (60360608)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | イオン液体 / 高分子ゲル / ブロック共重合体 / ヒト間葉系幹細胞 / メカノバイオロジー / 超高分子量 / 応力緩和 / 弾性率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞が周囲の力学刺激をどのように感知し、その制御機構がどのように働くか解明しようとする学問領域を「メカノバイオロジー」と呼ぶ。本研究では材料の力学／化学的性質を独立に制御可能な高分子ゲルから成る細胞足場材料を創出する。特に従来は見逃されがちであった高分子ゲルの溶媒成分のエンジニアリングにより、材料の損失弾性率、応力緩和等の動的成分まで含めた力学物性と化学的特性の合理設計を目指す。これまでn-ブチルメタクリレート(n-BuMA)をエチレングリコールジメタクリレート(EGDMA)を化学架橋したゲル(elastic ion gel)の合成方法を確立した。さらに本イオンゲルの界面に対しコラーゲン等の細胞の接着を支持するタンパク質修飾に成功し、細胞培養実験を行った。結果としてヒト間葉系幹細胞(hMSCs)等の細胞はイオンゲルのヤング率上昇に従って伸展し、細胞増殖にまつわる遺伝子の転写を活性化し、アポトーシスに関与する遺伝子を抑制する、YAP(Yes associated protein)の核移行が観測された。一方、イオン液体中では開始剤を極低濃度条件でフリーラジカル重合を行うと超高分子量のポリマーが生成し、その溶液においては高分子の絡み合いにより自己支持性をもったゲルが得られることを見出した。後者のイオンゲル(visco elastic ion gel)は化学架橋によって高分子網目構造を凍結していないため、ヤング率と応力緩和の自在制御が可能であり、当初の目的であった材料の動的成分が細胞挙動に及ぼす影響が精査できると考えられる。現在、このvisco elastic ion gel界面へのタンパク質修飾方法を検討している。
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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
初年度に化学架橋イオンゲル(elastic ion gel)の、二年度目にゲルの動的成分の制御が可能な物理架橋ゲル(viscoelastic ion gel)の合成方法を確立した。化学架橋ゲルにおいては界面への細胞接着を支持するタンパク質の修飾方法も見出した。現在までに細胞培養およびバイオ分析から特にヤング率のようなゲルの静的力学成分の変化に呼応した細胞挙動が観測されている。また物理架橋ゲルにおいてはゲルの応力緩和、損失弾性率等の溶媒成分のエンジニアリングによる独立制御も可能となっており、概ね当初の予定通り研究は進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
物理架橋ゲル界面におけるコラーゲン、フィブロネクチン等のタンパク質修飾方法を確立する。これまでゲルの溶媒成分のエンジニアリングによる力学成分の精密制御には成功しているが、ゲルの溶媒成分変化により上記、タンパク質の吸着性が著しく異なる。この問題が現状、動的力学成分に対する細胞挙動(増殖、伸展、分化等)の定量化を妨げている。そこでこれまでに試みてきたタンパク質の物理吸着によるゲル界面への修飾と併行して、sulfo-SAMPAH等のカップリング試薬を用いた化学吸着によるタンパク質修飾方法も検討する。さらに最終年度は本系の発展的な試みとして高分子成分にアゾベンゼン、スピロピラン等のフォトクロミック分子を導入することで、高分子ゲルの力学成分のスイッチングを試みる。
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| Remarks |
SAMURAI NIMS Researchers Directory Service
https://samurai.nims.go.jp/profiles/ueki_takeshi?locale=ja
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