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Development of a novel in-silico screening method for biomaterials based on hydration water dynamics at bio-interfaces

Research Project

Project/Area Number 18H03542
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 90120:Biomaterials-related
Research InstitutionNational Institute of Health Sciences

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)

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)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2018: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
Keywordsバイオマテリアル / 水和状態 / インシリコ / スクリーニング / 血液適合性
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は,分子動力学的シミュレーション(Molecular Dynamics: MD)による材料の血液適合性に関するin silicoスクリーニングを実現するため,材料中の水分子の挙動に関する理解を促す新たな解析モデルを開発することである.ここでは,温度変化に伴う材料の密度変化に着目することでガラス転移点(Tg)を算出し,乾燥状態及び飽和含水状態の材料について実測値との整合性を確認することで,モデルの妥当性を検討する.また,この飽和含水状態の材料に対する降温,昇温過程のモデルに対し,中間水及び不凍水の同定を試みる.
中間水含有モデル化合物としてはPoly(2-methoxy-ethyl acrylate) (PMEA)及びPoly(3-methoxypropyl acrylate) (PMC3A),中間水不含モデル化合物にはPoly(n-butyl acrylate)(PBA)を選択した.MD計算は材料用シミュレーションソフトウェア(Material Science Suite, Schrodinger Inc.,)を用いて行った.
PMEAを対象とした解析では,乾燥及び飽和含水状態におけるTgが,それぞれ238K, 226Kであり,実験値(乾燥状態:238K,飽和含水状態:222K)と相関することが確認された.PMC3A及びPBAを対象とした解析において得られたTgも実験値と類似した.Tgは低温領域,高温領域に対する2つの異なる傾きの直線の交点から求めているため,選択温度範囲によってTgの値に変動が生じるが,いずれも含水に伴う温度下降が確認され,シミュレーションに付与した各モデル化合物の立体構造は妥当であると考えた.現在,当該解析モデルを用いて材料中の水和特性の検討を進めているが,各温度における材料と水分子との相互作用についても実測に近い挙動を示していると示唆される.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アクリレート系ポリマーに関するMDのモデルについては方法論が確立してきた.一方で,サブグループ内では生体適合性のよさが見込まれるスルホベタイン系高分子材料の開発も進んでおり,ノニオン型及び双生イオン型高分子の比較を実験及びシミュレーションにより行う道筋が得られた.

Strategy for Future Research Activity

スルホベタイン系高分子材料の水分子挙動について,DSC及び赤外分光法等による実測値を取得することで,材料中の水和状態に関する理解を深めるとともに,in silicoスクリーニングとして適切なモデル開発を進めていく.

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(4 results)

All 2020 2019

All Presentation (3 results) (of which Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Presentation] 医用材料表面近傍の水和状態予測のためのin silico解析モデルの開発2020

    • Author(s)
      植松美幸
    • Organizer
      The 100th Anniversary of the Birth of Professor Teiji Tsuruta-バイオ界面における水分子の役割の解明と材料設計指針の創成・製品化へ
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 医用材料表面近傍の水和状態を予測する新規in silico解析モデルの開発と性能検証2019

    • Author(s)
      植松美幸,岡本吉弘,蓜島由二
    • Organizer
      第57回日本人工臓器学会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 分子動力学的シミュレーションによる医用材料表面近傍の水分子の分類2019

    • Author(s)
      植松美幸,岡本吉弘,蓜島由二
    • Organizer
      第41回日本バイオマテリアル学会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] 第IV編応用 第4章 材料表面近傍の水和状態のin silico解析と生体適合性予測への応用:無機/有機材料の表面処理・改質による生体適合性付与2019

    • Author(s)
      植松 美幸,岡本吉弘,蓜島由二:蓜島由二(監)
    • Total Pages
      6
    • Publisher
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781314150
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-01-27  

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