自励振動ゲルを用いたナノデバイスの設計に関する基礎研究

• 研究課題/領域番号: 15205027
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 高分子・繊維材料
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉田 亮 東京大学, 大学院工学系研究科, 助教授 (80256495)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 51,220千円 (直接経費: 39,400千円、間接経費: 11,820千円); 2006年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2005年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2004年度: 15,080千円 (直接経費: 11,600千円、間接経費: 3,480千円); 2003年度: 16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円)
• キーワード: 高分子ゲル / N-イソプロピルアクリルアミド / 刺激応答性高分子 / 自励振動 / ベローゾフ・ジャボチンスキー反応 / 振動反応 / 非線形化学 / インテリジェント材料 / ベローソフ・ジャボチンスキー反応 / 非線形科化学

研究概要

本研究では、心臓の拍動のように一定条件下で自発的な周期的リズム運動を行う新しい自励振動ゲルを開発した。膨潤収縮の伸縮率を増加させるためのゲルの化学構造設計について検討し、マイクロ・ナノサイズの自励振動ゲル微粒子、あるいは分子アクチュエータとしての自励振動高分子鎖を作成した。またリソグラフィーなどの微細加工技術を用いることにより、マイクロゲルの自在な形状構築が可能となった。さらに界面活性剤を用いた乳化重合法により、100nmオーダーサイズのナノゲル微粒子を作成し、ナノオーダーでの膨潤収縮振動を起こすことに成功した。マイクロ・ナノ環境下におけるゲル微粒子の最適な適用条件を探った。また二段階鋳型重合法により作成した自励振動ゲル微粒子を基板上に単層配列させ、化学反応波に伴う膨潤収縮変化を起こすことにより表面に添加した物質を輸送する機能性表面(コンベア型搬送システム)の設計を行った。さらに未架橋の直鎖状ポリマーを用いることにより高分子一本鎖の周期的な伸縮振動を生起させることにも成功し、その伸縮振動をAFMで測定することができた。これらは周期的運動リズムを生み出す新しいナノ振動子(ナノクロック)として興味深く、種々の分子マシンへの展開が期待される。
また生体模倣型アクチュエータへの応用を考えた場合、BZ反応を利用する欠点として、反応が非生理条件下で起こるという問題がある。そこでpHコントロール部位や酸化剤として働く部位を高分子鎖に予め導入することにより、生体に存在する有機酸のみの存在下で振動機能を発現するような分子設計を行い、実際に有機酸添加のみで自励振動を起こすことに成功した。また生体環境下で機能させる別の手法として、ATPを基質とした生体振動反応を利用することを試みた。この手法により、ATP存在の一定条件下で自己拍動する完全人工合成型のバイオマシンを作成することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Dependence of turbidity oscillations of self-oscillating polymers on the selective recognition of the crown ether receptors contained in the polymer chain (2006)
  • 著者名/発表者名: D.S.Huh, et al.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 110 (27) ページ: 13405-13409
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] AFM observation of immobilized self-oscillating polymer (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, et al.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 110 (11) ページ: 5170-5173
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Microfabrication of functional polymer gels and their application to novel biomimetic materials (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, et al.
  • 雑誌名: J. Photopolymer Sci. Tech. 19 (4) ページ: 441-444
  • NAID: 130004833118
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Maskless microfabrication of thermosensitive gels using a microscope and application to a controlled release microchip (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Lab on a Chip 6 (10) ページ: 1384-1386
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Dependence of turbidity oscillations ofself-oscillating polymers on the selective recognition of the crown ether receptors contained in the polymer chain (2006)
  • 著者名/発表者名: D.S.Huh, et al.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 110(27) ページ: 13405-13409
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] AFM observation of immobilized self-oscillating polymer (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 110(11) ページ: 5170-5173
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Microfabrication of functional polymer gels and their application to novel biomimetic materials (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida et al.
  • 雑誌名: J.Photopolymer Sci.Tech. 19(4) ページ: 441-444
  • NAID: 130004833118
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Maskless microfabrication of thermosensitive gels using a microscope and application to a controlled release microchip (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida et al.
  • 雑誌名: Lab on a Chip 6(10) ページ: 1384-1386
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Maskless microfabrication of thermosensitive gels using a microscope and application to a controlled release microchip (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, K.Omata, K.Yamaura, M.Ebata, M.Tanaka, M.Takai
  • 雑誌名: Lab on a Chip 6(10) ページ: 1384-1386
• [雑誌論文] Microfabrication of functional polymer gels and their application to novel biomimetic materials (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, K.Omata, K.Yamaura, T.Sakai, Y.Hara, S.Maeda, S.Hashimoto
  • 雑誌名: J. Photopolymer Sci. Tech.. 19(4) ページ: 441-444
  • NAID: 130004833118
• [雑誌論文] Dependence of turbidity oscillations of self-oscillating polymers on the selective recognition of the crown ether receptors contained in the polymer chain (2006)
  • 著者名/発表者名: D.S.Huh, S.H.Park, Y.J.Kim, D.Y.Park, Y.S.Zhao, S.H.Ahn, R.Yoshida, T.Yamaguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 110(27) ページ: 13405-13409
• [雑誌論文] AFM observation of immobilized self-oscillating polymer (2006)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, Y.Hara, H.Uetsuka, H.Hasuda, H.Onishi, H.Arakawa, A.Ikai, R.Yoshida
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 110(11) ページ: 5170-5173
• [雑誌論文] 自励振動ソフトマテリアル (2006)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 雑誌名: 膜. 31(6) ページ: 307-312
  • NAID: 10018407386
• [雑誌論文] ATP存在下で自己拍動するバイオミメティックゲルの設計 (2006)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 雑誌名: 未来材料 6(2) ページ: 28-31
  • NAID: 40007149807
• [雑誌論文] Dancing waves in reaction-diffusion systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Abe, et al.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 109 (17) ページ: 3773-3776
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillation of polymer chains induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction under acid-free conditions (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, et al.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 109 (19) ページ: 9451-9454
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Phase transition behaviors of self-oscillating polymer and nano-gel particles (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai, et al.
  • 雑誌名: Macromol. Rapid Commun. 26 ページ: 1140-1144
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Control of oscillating behavior for the self-oscillating polymer with pH-control site (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 21 (21) ページ: 9773-9776
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Biomimetic gel exhibiting self-beating motion in ATP solution (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Biomacromolecules 6 (6) ページ: 2923-2926
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Design of surfactant-grafted hydrogels with fast response to emperature (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Noguchi, et al.
  • 雑誌名: Macromol. Rapid Commun. 26 ページ: 1913-1917
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillating soluble-insoluble changes of polymer chain including an oxidizing agent induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, et al.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 109 (49) ページ: 23316-23319
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Design of functional polymer gels and their application to biomimetic materials (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Curr. Org. Chem. 9 ページ: 1617-1641
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Dancing waves in reaction-systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Abe et al.
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.A 109(17) ページ: 3773-3776
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillation of polymer chains induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction under acid-free conditions (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara et al.
  • 雑誌名: J.Phys.em.B 109(19) ページ: 9451-9454
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Phase transition behaviors of self-oscillating polymer and nano-gel particles (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai et al.
  • 雑誌名: Marcomol.Rapid Commun. 26 ページ: 1140-1144
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Control of oscillating behavior for the self-oscillating polymer with pH-control site (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara et al.
  • 雑誌名: Langmuir 21(21) ページ: 9773-9776
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Biomimetic gel exhibiting sdf-beating motion in ATP solution (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Biomacromolecules 6(6) ページ: 2923-2926
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Design of surfactant-grafted hydrogels with fast response to temperature (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Noguchi et al.
  • 雑誌名: Marcomol.Rapid Commun. 26 ページ: 1913-1917
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillating soluble-insoluble changes of polymer chain including an oxidizing agent induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 109(49) ページ: 23316-23319
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Design of functional polymer gels and their application to biomimetic materials (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Curr.g.Chem. 9 ページ: 1617-1641
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillating soluble-insoluble changes of polymer chain including an oxidizing agent induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, T.Sakai, S.Maeda, S.Hashimoto, R.Yoshida
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 109(49) ページ: 23316-23319
• [雑誌論文] Design of surfactant-grafted hydrogels with fast response to temperature (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Noguchi, K.Okeyoshi, R.Yoshida
  • 雑誌名: Marcomol.Rapid Commun. 26 ページ: 1913-1917
• [雑誌論文] Biomimetic gel exhibiting self-beating motion in ATP solution (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, Y.Uesusuki
  • 雑誌名: Biomacromolecules 6(6) ページ: 2923-2926
• [雑誌論文] Control of oscillating behavior for the self-oscillating polymer with pH-control site (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, R.Yoshida
  • 雑誌名: Langmuir 21(21) ページ: 9773-9776
• [雑誌論文] Phase transition behaviors of self-oscillating polymer and nano-gel particles (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai, Y.Hara, R.Yoshida
  • 雑誌名: Marcomol.Rapid Commun. 26 ページ: 1140-1144
• [雑誌論文] Self-oscillation of polymer chains induced by the Belousov-Zhabotinsky reaction under acid-free conditions (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Hara, R.Yoshida
  • 雑誌名: J.Phys.Chem.B 109(19) ページ: 9451-9454
• [雑誌論文] Design of functional polymer gels and their application to biomimetic materials (2005)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Curr.Org.Chem. (in press)
• [雑誌論文] Self-oscillating nanogel particles (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 20 (4) ページ: 1036-1038
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH (2004)
  • 著者名/発表者名: A.Matsumoto, et al.
  • 雑誌名: Biomacromolecules 5 ページ: 1038-1045
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-oscillating nanogel particles (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai et al.
  • 雑誌名: Langmuir 20(4) ページ: 1036-1038
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH (2004)
  • 著者名/発表者名: A.Matsumoto et al.
  • 雑誌名: Biomacromolecules 5 ページ: 1038-1045
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Polymer gels (2004)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Kobunshi senran zairyo One point 2,Kyoritsu Shuppan
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH (2004)
  • 著者名/発表者名: A.Matsumoto, R.Yoshida, K.Kataoka
  • 雑誌名: Biomacromolecules 5 ページ: 1038-1045
• [雑誌論文] Self-oscillating nanogel particles (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Sakai, R.Yoshida
  • 雑誌名: Langmuir 20(4) ページ: 1036-1038
• [雑誌論文] 新しい生体機能材料を目指した高分子ゲルの設計とそのマイクロ加工 (2004)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 雑誌名: 成形加工 16(10) ページ: 638-642
  • NAID: 10014098110
• [雑誌論文] Kinetics in cyclic hydrogel systems (2004)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida
  • 雑誌名: Reflexive Polymers and Hydrogels : Understading and Designing Fast-Responsive Systems (N.Yui and K.Park, Eds.) ページ: 143-164
• [雑誌論文] Design of chemo-mechanical actuator using self-oscillating gel (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Maeda, S.Hashimoto, R.Yoshida
  • 雑誌名: Proc.IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004) ページ: 313-313
• [雑誌論文] Self-beating motion of gels and modulation of oscillation rhythm synchronized with organic acid (2003)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida, et al.
  • 雑誌名: Macromolecules 36 (6) ページ: 1759-1761
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Mechanical oscillation coupled with the Belousov-Zhabotinsky reaction in gel (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Sasaki, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 19 (14) ページ: 5595-5600
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Temperature control of the Belousov-Zhabotinsky reaction using a thermo-responsive polymer (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito, et al.
  • 雑誌名: Langmuir 19 (23) ページ: 9577-9579
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-sustaining peristaltic motion on the surface of a porous gel (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Takeoka, et al.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 125 (44) ページ: 13320-13321
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Self-beating motion of gels and modulation of oscillation rhythm synchronized with organic acid (2003)
  • 著者名/発表者名: R.Yoshida et al.
  • 雑誌名: Macromolecules 36(6) ページ: 1759-1761
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Mechanical oscillation coupled with the Belousov-Zhabotinsky reaction in gel (2003)
  • 著者名/発表者名: S.Sasaki
  • 雑誌名: Langmuir 19(14) ページ: 5595-5600
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Temperature control of the Belousov-Zhabotinsky reaction using a thermo-responsive polymer (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Ito et al.
  • 雑誌名: Langmuir 19(23) ページ: 9577-9579
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Self-sustaining peristaltic motion on the surface of a porous gel (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Takeoka et al.
  • 雑誌名: J.Am.Chem.Soc. 125(44) ページ: 13320-13321
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] ゲルの構造と物性(基礎高分子科学 高分子学会編) (2006)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 出版者: 東京化学同人
• [図書] 高分子先端材料 One Point 2高分子ゲル (2004)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 総ページ数: 131
  • 出版者: 共立出版
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] 高分子先端材料 One Point 2高分子ゲル (2004)
  • 著者名/発表者名: 吉田亮
  • 総ページ数: 131
  • 出版者: 共立出版
• [図書] ゲルの構造と物性(構造および膨潤・収縮の理論)(基礎高分子科学 高分子学会編)
  • 著者名/発表者名: 吉田 亮
  • 出版者: 東京化学同人(印刷中)
• [文献書誌] T.Sakai, R.Yoshida: "Self-oscillating nanogel particles"Langmuir. 20(4). 1036-1038 (2004)
• [文献書誌] Y.Takeoka, M.Watanabe, R.Yoshida: "Self-sustaining peristaltic motion on the surface of a porous gel"J.Am.Chem.Soc.. 125(44). 13320-13321 (2003)
• [文献書誌] Y.Ito, M.Nogawa, R.Yoshida: "Temperature control of the Belousov-Zhabotinsky reacton using a thermoresponsive polymer"Langmuir. 19(23). 9577-9579 (2003)
• [文献書誌] S.Sasaki, S.Koga, R.Yoshida, T.Yamaguchi: "Mechanical oscillation coupled with the Belousov-Zhabotinsky reaction in gel"Langmuir. 19(14). 5595-5600 (2003)
• [文献書誌] R.Yoshida, K.Takei, T.Yamaguchi: "Self-beating motion of gels and modulation of oscillation rhythm synchronized with organic acid"Macromolecules. 36(6). 1759-1761 (2003)
• [文献書誌] 吉田 亮: "化学振動反応を利用した自励振動ゲルの設計"Electrochemistry(電気化学および工業物理化学). 71(5). 337-341 (2003)
• [文献書誌] 吉田 亮: "高分子ゲル(高分子先端材料One Point)"共立出版(印刷中). (2004)