ゲル弾性におけるエネルギー弾性の寄与の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02027
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 酒井 崇匡 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70456151)
• 研究分担者: 片島 拓弥 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 特別研究員 (20759188) ; 赤木 友紀 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (40782751)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ゲル弾性 / ゴム弾性 / エントロピー弾性

研究実績の概要

高分子の三次元網目が水を含んだ材料である高分子ヒドロゲルは、生体組織に類似した組 成を有しているために、細胞足場材料や組織代替材料として期待されている材料である。しかしながら、材料としての理解が十分ではなく、その期待に比して応用例は多くない。 申請者らはこれまでに、均一で制御された高分子網目を得るための方法論を世界で初めて開発し、構造・物性の相関を明らかにしてきた。近年では、得られた知見に基づいて、人工硝子体を初めとしたバイオマテリアルとしての応用も進めつつある。

ところが、最近のプレリミナリーな実験により、高分子ゲルのセントラルドグマとも呼べるエントロピー弾性を覆す結果が得られた。その結果、高分子ゲルの弾性を熱力学に立ち戻って理解することが必要となった。本申請では、構造明確なゲルの弾性について詳細に調査し、「ゲル弾性」を理解・再構築することを目的とする。

これまでの検討により、高分子ゲルの弾性にはエントロピー弾性だけでなく、エネルギー弾性が存在することが明らかになった。また、網目をなす鎖一本あたりが持つエントロピー弾性は高分子濃度依存性を持たない一方、エネルギー弾性は高分子濃度の上昇と共に減少することが示唆された。また、エントロピー、エンタルピー共に高分子網目を形成する部分鎖の本数に比例することを明らかにした。2019年度にはこれらの結果を元に高分子ゲルの弾性を定式化し、その結果を論文として投稿した。また、これまでの弾性論の結果を、自らの英文著書において紹介した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度は、本申請の大きな目的であった、ゲル弾性の定式化を達成した。今後は、当初の予定通り、ゲルの溶媒を変化させた場合や、不均一性を含むゲルについて調査し、論文化を試みる。

今後の研究の推進方策

・ゲルの溶媒を変化させた場合や、不均一性を含むゲルについて調査し、論文化を試みる。
・ゲル化反応中に変形を加えることで、内部応力を持つゲルを作製し、同様の解析を行い、現象のさらなる理解に努める。

研究成果

• [雑誌論文] Relationship between Bulk Physicochemical Properties and Surface Wettability of Hydrogels with Homogeneous Network Structure (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Hayato L、Tan Eiki、Anraku Yasutaka、Sakai Takamasa、Sakuma Ichiro、Akagi Yuki
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 36 ページ: 5554～5562
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00694
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical Regulation Underlies Effects of Exercise on Serotonin-Induced Signaling in the Prefrontal Cortex Neurons (2020)
  • 著者名/発表者名: Youngjae Ryu, Takahiro Maekawa, DaisukeYoshino, Naoyoshi Sakitani, Atsushi Takashima, Takenobu Inoue, Jun Suzurikawa,Jun Toyohara, Tetsuro Tago, Michiru Makuuchi, Naoki Fujita, Keisuke Sawada, Shuhei Murase, Masashi Watanave, Hirokazu Hirai, Takamasa Sakai, Yuki Yoshikawa, Toru Ogata, Yasuhiro Sawada
  • 雑誌名: iScience 巻: 23 ページ: 100874
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.isci.2020.100874
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cluster growth from a dilute system in a percolation process (2020)
  • 著者名/発表者名: Ikuo Fujinaga, Takashi Yasuda, Makoto Asai, Ung-il Chung, Takuya Katashima, Takamasa Sakai
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 52 ページ: 289-297
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41428-019-0279-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure-property relationship of a model network containing solvent (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Fujiyabu, Yuki Yoshikawa, Ung-il Chung, Takamasa Sakai
  • 雑誌名: Science and Technology of Advanced Materials 巻: 20 ページ: 608-621
  • DOI: https://doi.org/10.1080/14686996.2019.1618685
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Shear Modulus Dependence of the Diffusion Coefficient of a Polymer Network (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Fujiyabu, Yuki Yoshikawa, Junhyuk Kim, Naoyuki Sakumichi, Ung-il Chung, Takamasa Sakai
  • 雑誌名: Macromolecules 巻: 52 ページ: 9613-9619
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.9b01654
  • 査読あり
• [雑誌論文] Connectivity dependence of gelation and elasticity in AB-type polymerization: An experimental comparison of dynamic process and stoichiometrically imbalanced mixing (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Yoshikawa, Naoyuki Sakumichi, Ung-il Chung, and Takamasa Sakai
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 15 ページ: 5017-5025
  • DOI: https://doi.org/10.1039/C9SM00696F
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical properties of doubly crosslinked gels (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuya Katashima, Ung-il Chung, Takamasa Sakai
  • 雑誌名: Polymer Journal 巻: 51 ページ: 851-859
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41428-019-0203-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dilution Effect on the Cluster Growth near the Gelation Threshold (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuya Katashima, Hayato Sakurai, Ung-il Chung, Takamasa Sakai
  • 雑誌名: NIHON REOROJI GAKKAISHI 巻: 47 ページ: 61-66
  • DOI: https://doi.org/10.1678/rheology.47.61
  • 査読あり
• [雑誌論文] 生体内における膨潤挙動が制御可能なインジェクタブルハイドロゲル (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井崇匡、藤藪岳志
  • 雑誌名: Drug Delivery System 巻: 34 ページ: 186-200
  • DOI: https://doi.org/10.2745/dds.34.186
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Negative energy elasticity in a rubber-like gel (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuki Yoshikawa, Naoyuki Sakumichi, Ung-il Chung, and Takamasa Sakai
  • 雑誌名: arXiv 巻: 1912 ページ: 13191
  • DOI: arXiv:1912.13191
  • オープンアクセス
• [学会発表] 高分子ゲルの浸透圧における普遍的状態方程式 (2020)
  • 著者名/発表者名: 作道直幸、安田傑、酒井崇匡
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会：領域12
• [学会発表] 高分子網目の協同拡散係数のせん断弾性率依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤藪岳志、吉川祐紀、金俊赫、作道直幸、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第31回高分子ゲル研究討論会
• [学会発表] 高分子ゲルにおける負のエネルギー弾性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第31回 高分子ゲル研究討論会
• [学会発表] 高分子ゲルのエネルギー弾性を支配する普遍関数 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 日本物理学会 第75回年次大会：領域12
• [学会発表] 構造明確な高分子ゲルのゲル化過程と力学特性の解明に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井 崇匡
  • 学会等名: 日本レオロジー学会
  • 招待講演
• [学会発表] 高分子ゲルの精密設計とその医用応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井 崇匡
  • 学会等名: バイオ・マイクロナノテク研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 高分子ゲルの精密設計とその医用応用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 酒井 崇匡
  • 学会等名: 化学・材料インキュベーション研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Anomalous expansion of clusters in percolation process in diluted system (2019)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Sakai
  • 学会等名: ISAGMSM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Anomalous expansion of clusters in percolation process in diluted system (2019)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Sakai
  • 学会等名: MechanoChemBio 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hydrogel Science for biomedical applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Sakai
  • 学会等名: National Polymer Congress of Chana
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cluster growth in percolation processfrom diluted system (2019)
  • 著者名/発表者名: Takamasa Sakai
  • 学会等名: PPC2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高分子ゲルにおける負のエネルギー弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 作道直幸、吉川祐紀、酒井崇匡
  • 学会等名: 2019年度高分子基礎物性研究会・高分子計算機科学研究会合同討論会
• [学会発表] 高分子ゲル弾性の普遍的熱力学関数 (2019)
  • 著者名/発表者名: 作道直幸、吉川祐紀、酒井崇匡
  • 学会等名: 第9回ソフトマター研究会
• [学会発表] 樹木近似によるAB型重縮合の理論解析:ゲル化条件と構造パラメータ (2019)
  • 著者名/発表者名: 作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] AB型重縮合におけるゲル化条件と構造パラメータ (2019)
  • 著者名/発表者名: 作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 日本ゴム協会2019年年次大会
• [学会発表] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性圧の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤藪岳志、金俊赫、吉川祐紀、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性圧の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤藪岳志、金俊赫、吉川祐紀、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 高分子網目の協同拡散現象に及ぼす弾性率の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤藪岳志、金俊赫、吉川祐紀、作道直幸、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第67回レオロジー討論会
• [学会発表] 動的光散乱法により測定した高分子網目の拡散係数の弾性率依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤藪岳志、吉川祐紀、金俊赫、作道直幸、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会
• [学会発表] 作製状態と平衡膨潤状態における高分子網目の協同拡散現象の比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金俊赫、藤藪岳志、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 膨潤方程式に基づく高分子網目の協同拡散現象の本質的理解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 金俊赫、藤藪岳志、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第67回レオロジー討論会
• [学会発表] AB型重合によるゲル化過程に及ぼす結合率の影響と平均場近似の適用可能性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 理想網目構造を持つ高分子ゲルを用いたゴム弾性の熱力学的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会：領域12
• [学会発表] 溶媒を含むゴムにおける負のエネルギー弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会：領域11
• [学会発表] 高分子ゲルにおける負のエネルギー弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] 高分子ゲルにおける負のエネルギー弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第67回レオロジー討論会
• [学会発表] 溶媒を含むゴムにおける負のエネルギー弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉川 祐紀、作道直幸、酒井崇匡
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会
• [学会発表] 少量の固定電荷を有するゲルの膨潤挙動の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐野将英、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子学会年次大会
• [学会発表] 希薄な固定電荷を有するゲルの膨潤挙動の系統的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐野将英、酒井崇匡
  • 学会等名: 第68回高分子討論会
• [学会発表] クロスリンクカップリング反応によって得られる一時網目の線形粘弾性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石原岳、片島拓弥、内藤瑞、宮田完次郎、鄭雄一、酒井崇匡
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会
• [学会発表] Swelling behaviors of polyelectrolyte gel based on Tetra-arm homopolymers (2019)
  • 著者名/発表者名: Jian Tang, C. I. Gupit, Xiang Li, Takuya Katashima, Takamasa Sakai
  • 学会等名: 第29回日本MRS年次大会