ソフト&ウェット型人工筋肉の創出と生体代替運動システムへの応用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14GS0301
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 長田 義仁 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60007804)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 八木 駿郎 北海道大学, 電子科学研究科, 教授 (30002132) ; 安田 和則 北海道大学, 大学院・医学研究科, 教授 (20166507) ; ぐん 剣萍 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20250417) ; 川端 和重 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20261274) ; 山本 眞史 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10322835)
• Keywords: ソフト&ウェットアクチュエータ / 高分子ゲル / 人工筋肉 / ダブルネットワーク / 超高強度 / 超低摩擦 / 生体適応性 / ソフトマシン

Research Abstract

本研究は世界に先駆けて推進してきたゲル運動素子を更に発展させ、ソフト&ウェット型人工筋肉を創製し、それを生体代替材料に応用することを目的とする。そのために、含水合成高分子ゲルおよびタンパクゲルによるソフト&ウェット運動素子を高機能化すると同時に人工筋肉としてシステム化し、高性能生体組織代替材料への展開を計った。
基本素材とする高分子ゲルの強度と柔軟性を制御する方法は高分子ネットワークを二重にすることによって実現した。それによって、弾性率0.01MPa〜10MPa、破壊エネルギー1000J/m^2、生体の軟骨や血管などの代替器官として十分の力学物性を示す人工筋肉のような物質を創成できた。このような高強度ゲルに高分子自由を導入したことで、摩擦係数10^<-4>の超低摩擦特性を賦与することに成功した。これらのゲルをウサギ体内に埋植し、生体内におけるゲルの安定性、生体への安全性を生体医工学的に評価した。その結果、3種類のサンプルともよい結果を示した。また、超低摩擦・高強度ゲルの摩耗特性、繰り返し圧縮および剪断力に対する高靭性(耐疲労性)を生体状態に近い条件で定量的に評価した。実用性に極めて近い結果を得た。
平行して、アクチン-ミオシン自己組織化過程を制御し、人工的に再構築した化学架橋筋肉蛋白ゲルを開発した。安定で制御可能な流動場発生装置を設計し、自作することにより、様々なせん断応力場でミオシンを配向させることに成功した。最適化された架橋条件で配向性ミオシンゲルを作成した。これまでにアクチンとポリカチオンとのポリイオンコンプレックス形成により通常のF-アクチンの数十倍も大きな巨大アクチンファイバーが形成され、それが高い運動性を持つことを報告した。今回は我々の作成した高分子とアクチンの巨大コンプレクスの極性を評価し、運動性との相関を検討した。アクチンと高分子が相互作用し、自己集合的に極性をそろって、コンプレクスを形成していて、この極性がコンプレクスの運動性や運動の方向性を与えていることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] L.Chen: "Water-Swollen Hydrogels with Pendant Terthiophenes"Macromolecular Chemistry and Physics. 204. 662-665 (2003)
• [Publications] J.P.Gong: "Double Network Hydrogels with Extremely High Mechanical Strength"Advanced Materials. 15. 1155-1158 (2003)
• [Publications] K.Yamaoka: "Liquid Crystalline Gels. 4. Water-and Stress-Induced Mesophase Transition"Langmuir. 19. 8134-8136 (2003)
• [Publications] Y.M.Chen: "Influence of Shear Stress on Cationic Surfactant Uptake by Anionic Gels"J.Phys.Chera.B. 197. 13601-13607 (2003)
• [Publications] D.Kaneko: "Thickness Decrease of Grafted Polyelectrolyte Membrane Exposed to Shear Flow"J.Polym.Sci.Polym.Phys.. 41. 2808-2815 (2003)
• [Publications] G.Kagata: "Friction of Gels.7.Observation of Static Friction Between Like-Sharged Gels"J.Phys.Chem.B. 107. 10221-10225 (2003)
• [Publications] T.Kaneko: "Formation of Giant Needle-Like Polycation-Bile Acid Complex"Macromol.Rapid Commun.. 24. 789-792 (2003)
• [Publications] Akira Kakugo: "Growth of Large Polymer-Actin Complexes"Bioconjugate Chem.. 14. 1185-1190 (2003)
• [Publications] M.Peng: "Substrate Effect on the Formation of Hydrogels With Heterogeneous Network Structure"The Chemical Record. 3. 40-50 (2003)
• [Publications] ぐん剣萍: "ゲルの摩擦で解き明かす生物の運動"パリティ. 18. 31-38 (2003)