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発動ナノゲルの高次組織化による集団行動システムの人工構築

公募研究

研究領域発動分子科学:エネルギー変換が拓く自律的機能の設計
研究課題/領域番号 19H05388
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 複合領域
研究機関信州大学

研究代表者

鈴木 大介  信州大学, 学術研究院繊維学系, 准教授 (90547019)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2019年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
キーワードナノゲル / 自己組織化 / 高分子微粒子
研究開始時の研究の概要

申請者がこれまで検討を続けてきた化学反応によって人工ナノ粒子の大きさなどが自発的に変化する高分子ナノ粒子(発動ナノゲルと呼称)を発展させ、ナノサイズのゲルがさながら生き物のように秩序立った運動を示すシステムを人工構築する事を目的とする。低分子とは異なり、ナノ粒子が様々な顕微鏡で直接観察できる長所を活かし、ナノゲル同士が融合し合い、時間と共にどのように成長するのかを明らかにする。

研究実績の概要

i) 発動ナノゲル集積体の集団行動システムの制御に向け、前年度に合成した、化学反応に対して任意のタイミングで応答する事が可能なダブルシェル構造を有する発動ナノゲルの構造制御を実施した。シード沈殿重合法を活用し、発動ナノゲルのサイズや、各シェル層の厚さ・架橋密度を最適化することで、前年度の課題であったサイズ変化の減少を改善することに成功した。さらに、設計したナノゲルを集積化することで、周期的に酸化・還元を繰り返す化学反応と同期して自発的に膨潤・収縮し、環境変化に伴い、任意に体積振動を繰返し停止する事が可能なナノゲル集積体を創製した。
ii) 昨年度に実施したナノゲルの一次元集積体の作成方法を改善し、集積体の長さや幅の制御を試みた。特に、光学顕微鏡法を活用することで、温度に応答して複数の一次元集積体が会合しながら収縮する挙動を観察することに成功した。ナノゲルが高次に集積化されたからこその体積変化の増加と考えられる。
iii) ナノゲルの集団行動システムの理解に向け、領域内共同研究を通じ、集積化させたナノゲルの刺激応答挙動を評価した。温度を制御する事が可能な高速原子間力顕微鏡法を活用することで、二次元集積体を形成するナノゲルの構造や温度応答性を定量的に評価した。その結果、集積化に伴い、ナノゲル同士が圧縮され、六角形状に変形して集積化されている様子を観察した。また、ナノゲル間の表面にある高分子鎖の相互貫入や圧縮の影響により、孤立状態とは異なる温度応答挙動を示すことを明らかにした。本結果は、単一微粒子の刺激応答性を、ナノゲルを集団とした際に如何に増幅させるかという課題に関して、設計指針を与えるものである。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (8件) (うち査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Nanostructure and thermoresponsiveness of poly(N-isopropyl methacrylamide)-based hydrogel microspheres prepared via aqueous free radical precipitation polymerization2021

    • 著者名/発表者名
      Nishizawa Yuichiro、Minato Haruka、Inui Takumi、Saito Ikuma、Kureha Takuma、Shibayama Mitsuhiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
    • 雑誌名

      RSC Advances

      巻: 11 号: 22 ページ: 13130-13137

    • DOI

      10.1039/d1ra01650d

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Recent Development in the Visualization of Microgels2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichiro Nishizawa、Kenshiro Honda、Daisuke Suzuki
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: -

    • NAID

      130008053374

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The Belousov Zhabotinsky Reaction in Thermoresponsive Core Shell Hydrogel Microspheres with a Tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium Catalyst in the Core2020

    • 著者名/発表者名
      Inui Kohei、Watanabe Takumi、Minato Haruka、Matsui Shusuke、Ishikawa Keito、Yoshida Ryo、Suzuki Daisuke
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 124 号: 18 ページ: 3828-3835

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.0c02238

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoresponsive structural changes of single poly(N-isopropyl acrylamide) hydrogel microspheres under densely packed conditions on a solid substrate2020

    • 著者名/発表者名
      Minato Haruka、Nishizawa Yuichiro、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
    • 雑誌名

      Polymer Journal

      巻: 52 号: 9 ページ: 1137-1141

    • DOI

      10.1038/s41428-020-0372-3

    • NAID

      40022335719

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanostructures, Thermoresponsiveness, and Assembly Mechanism of Hydrogel Microspheres during Aqueous Free-Radical Precipitation Polymerization2020

    • 著者名/発表者名
      Nishizawa Yuichiro、Minato Haruka、Inui Takumi、Uchihashi Takayuki、Suzuki Daisuke
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 37 号: 1 ページ: 151-159

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.0c02654

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hydrophobic monomers recognize microenvironments in hydrogel microspheres during free radical seeded emulsion polymerization2020

    • 著者名/発表者名
      Takumi Watanabe, Yuichiro Nishizawa, Haruka Minato, Song Chihong, Kazuyoshi Murata, Daisuke Suzuki
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: - 号: 23 ページ: 8849-8853

    • DOI

      10.1002/anie.202003493

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of Charge Groups Immobilized in Hydrogel Microspheres during the Evaporation of Aqueous Sessile Droplets2019

    • 著者名/発表者名
      Haruka Minato, Masaya Takizawa, Seina Hiroshige, Daisuke Suzuki
    • 雑誌名

      Langmuir

      巻: 35 号: 32 ページ: 10412-10423

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.9b01933

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Protein uptake into individual hydrogel microspheres visualized by high-speed atomic force microscopy.2019

    • 著者名/発表者名
      Shusuke Matsui,Kensuke Hosho,Haruka Minato,Takayuki Uchihashi,Daisuke Suzuki
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 55 号: 68 ページ: 10064-10067

    • DOI

      10.1039/c9cc05116c

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Ru(bpy)3金属触媒を担持したゲル微粒子の合成と化学振動反応の制御2020

    • 著者名/発表者名
      乾滉平
    • 学会等名
      第71回コロイドおよび界面化学討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 温度応答性コアシェル型ゲル微粒子による化学振動反応のオン‐オフ制御2020

    • 著者名/発表者名
      乾滉平
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 階層化発動ナノゲルによる新機能創出2020

    • 著者名/発表者名
      鈴木大介
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 自律駆動ゲル微粒子のコアシェル化による時間周期機能のオン-オフ制御2020

    • 著者名/発表者名
      乾滉平
    • 学会等名
      第30回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Soft hydrogel microspheres toward functional autonomous materials2020

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Suzuki
    • 学会等名
      Pre-symposium of The 1st International Symposium on Molecular Engine
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multifaced Structual Analysis of Hydrogel Microspheres2020

    • 著者名/発表者名
      Yuichiro Nishizawa
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on Molecular Engine
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microgel Strings that Respond to External Stimuli2020

    • 著者名/発表者名
      Keito Ishikawa
    • 学会等名
      The 1st International Symposium on Molecular Engine
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 自律駆動高分子微粒子のコアシェル化による振動のon-off制御2019

    • 著者名/発表者名
      乾滉平
    • 学会等名
      第50回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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