高分子ゲルを用いた生物様運動素子の創製

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09102002
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 長田 義仁 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60007804)
• 研究分担者: グン 剣萍 北海道大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (20250417)
• キーワード: ゲル / 秩序-無秩序 / 傾斜構造 / 摩擦 / 人工軟骨 / 形状記憶 / テンプレート効果 / 界面

研究概要

ゲルの超構造制御
a)秩序-無秩序転移
アクリル酸ステアリルとアクリル酸を共重合し、規則構造を有する両親媒性ゲルを合成した。このゲルは温度の違いによってシャープに秩序-無秩序転移をし、熱的刺激により可逆的変形を示すことが分かった。さらにフッ素含有モノマーを上記共重合体に導入した三元共重合体の合成によりいっそうすみやかにかつしなやかに運動する形状記憶ゲルの合成に成功した。このゲルを用いると、1〜2℃の精度でその転移温度を制御することができ、形状記憶素子や人工弁として応用可能であることが分かった。
b)傾斜構造制御
網目密度の傾斜したゲルは種々のテンプレートを用いることによって合成した。この「テンプレート重合法」は筆者らが本研究推進過程で新しく開発した新規傾斜構造ゲルの合成法であり、そのメカニズムは極めてユニークである。テンプレート法で得られたゲルはその網目密度が傾斜しているのみではなく、その表面性質も大きく異なる。得られたゲルはいずれも外部環境に応答して変形屈曲する。
ゲル-固体、ゲル-ゲル界面の表面摩擦特性
低抵抗,高効率なゲル運動素子を実現するためには、固体とゲル界面における摩擦抵抗も極めて重要である。本研究では初めてゲルの表面摩擦に関する系統的研究を展開した。その結果、ゲルの表面摩擦は固体-固体摩擦で一般的に適応されるAmontonの法則が成り立たず、かつ摩擦係数が0.001と極めて小さいことが明らかとなった。これは古典力学の分野に新しい1ページが加えられるべき重要な発見と我々は考えており、その機構を実験的、理論的に解明する努力を重ねた。すなわち、ゲルの物理的、化学的構造、具体的にはゲルの大きさ、網目密度、イオン密度、親疎水性、粘弾性特性、表面の形態と荷重、摩擦速度、表面積などを変化させたときの摩擦抵抗を測定した。その結果、ゲル-固体間の相互作用によって統一的に表現できる理論式を導出することができた。得られた知見を基礎に次年度以降では関節や心臓など運動・変形する臓器におけるバイオトライボロジーの観点からのゲルの重要性を明らかにしたい。

研究成果

• [文献書誌] J.P.Gong: "Electrical Conductance of Polyelectrolyte Gels" J.Phys.Chem.101. 740-745 (1997)
• [文献書誌] J.P.Gong: "Friction of Gels" J.Phys.Chem.101. 5487-5489 (1997)
• [文献書誌] T.Narita: "Enhanced velocity of surfactant binding after the volume collapse of an oppositely charged gel" Macromol.Rapid Commun.18. 853-857 (1997)
• [文献書誌] Y.Ueoka: "Chemomechanical Polymer Gel with Fish-like Motion" J.of Intelligent Material Systems and Structures. 8. 465-471 (1997)
• [文献書誌] S.Kagatani: "Electroresponsive Pulsatile Depot Delivery of Insulin from Poly (dimethylaminopropylamide)Gel in Rats" J.of Pharmacentical Sciences. 86. 1273-1277 (1997)
• [文献書誌] M.Matsukata: "Two-step surfactant binding of solvated and cross-linked poly(N-isopropylacrylamide-co-(2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid))" Colloid & Polymer Science. 276. 11-18 (1998)
• [文献書誌] L.Chen: "Surfactant Binding of Polycations Carrying Charges on the Chain Backbone : Cooperativity, Stoichiometry and Crystallinity" Macromol.31. 787-794 (1998)
• [文献書誌] T.Narita: "Kinetic study of Surfactant Binding into Polymer Gel- Experimental and Theoretical Analyses" J.Phys.Chem.102. 4566-4572 (1998)
• [文献書誌] T.Mitsumata: "Low Frequency Dielectric Relaxation of Polyelectrolyte Gels" J.Phys.Chem.102. 5246-5251 (1998)
• [文献書誌] J.P.Gong: "Gel friction.A model based on surface repulsion and adsorption" J.Chem.Phys.109. 8062-8068 (1998)
• [文献書誌] T.Mitsumata: "Solvent-Driven Chemical Motor" Appl.Phys.Lett.73. 2366-2368 (1998)
• [文献書誌] B.S.Kim: "Molecular and Supramolecular Structures of Complexes Formed by Polyelectrolyte-Surfactant Interactions-Effects of Charge Density and Compositions" J.Polym.Sci.(1998)
• [文献書誌] D-J.Liaw: "Synthesis and Properties of Poly(3-thiopheneacetic acid)and Its Networks via Electropolymerization" Synthetic Metals. (1998)
• [文献書誌] A.Matsuda: "Effects of water and cross-linkage on the formation of organized structure in the hydrogels" Polymer Gels and Networks. 6. 307-317 (1998)
• [文献書誌] T.Narita: "Cooperative Binding of Surfactants with Solubilized Polymers and Networks" The Wiley Polymer Networks Group Review Series. 1. 478-488 (1998)
• [文献書誌] M.Mustafaev: "New Ampniphilic Immunogens by Cu^<2+>-Mediated Complexes of Water-Born Poly(N-isopropylacrylamide)and Borine Serum Albumin" J.of Bioactive and Compatible Polymers. 13. 33-49 (1998)
• [文献書誌] 長田義仁: "ケモメカニカルゲル-人工筋肉の可能性-" 人工臓器. 27巻3号. 614-619 (1998)
• [文献書誌] J.P.Gong: "Electrical and Optical Polymer Systems" Marcel Dekker Inc., 25 (1998)
• [文献書誌] Y.Osada: "Advanced Materials" Wiley-Vch, 11 (1998)