2004 Fiscal Year Annual Research Report
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
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14GS0301
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
長田 義仁 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60007804)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
襲 剣萍 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20250417)
安田 和則 北海道大学, 大学院・医学研究科, 教授 (20166507)
八木 駿郎 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (30002132)
山本 眞史 北海道大学, 大学院・情報科学研究科, 教授 (10322835)
川端 和重 北海道大学, 大学院・理学研究科, 教授 (20261274)
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| Keywords | 高分子ゲル / ソフト&ウェットマター / ナノバイオマシン / 人工筋肉 / アクチュエーター |
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| Research Abstract |
本研究はゲル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、合成高分子ゲルおよび蛋白ゲルによるソフト&ウェット運動素子を高機能化し、高性能生体組織代替材料への展開を計る。
高強度DNゲルの力学応答とその階層構造
高分子電解質ゲルに中性な高分子網目を導入し、その2重網目構造を持つゲル(DNゲル)は含水率が90%以上にもかかわらず、初期弾性率0.3MPa、圧縮破壊応力20MPaを示す。DNゲルの高強度化メカニズムを研究するために、様々な重合条件で合成したDNゲルの破壊エネルギーGを測定し、ゲルの構造との相関を検討した。重合条件が最適化されたDNゲルは1000J/m^2を超える強度を示し、高強度ゴムに匹敵する。従来の高分子材料の破壊理論では高分子密度がゴムの十分の一しかないゲルのこの強度を説明できない。光散乱でゲルの静的・動的構造を調べた結果、第一回目の高分子電解質ゲルの構造不均一性とDNゲルの力学物性(圧縮強度、破断強度)には明確な相関が見られた。つまり、ゲルの構造不均一性が高強度を生み出していることである。このような高強度メカニズムは柔らかい含水体固有なものであり、関節軟骨や腱に代表される生体ゲルの強さの秘密を知る手掛となる。ゲルは生体の巧みな構造によって発現する優れた機能を階層構造の創発性で論じる良いモデル物質となる。
ゲルバイオマシーンの運動特性と集合体の構造との相関性
巨大アクチンゲル中のF-アクチンには極性を示すミオシンヘッド(HMM)由来のやじり構造が観察された。F-アクチン同士の極性は巨大アクチンゲルの作成の際に導入するカチオン性ポリマーの種類で変化し、側鎖型ポリカチオンでは極性の高いコンプレクスを、主鎖型ポリカチオンでは低い極性をもつことを明らかにした。さらに巨大アクチンゲルの運動性は巨大アクチンゲルの極性と非常に強い相関をもち、極性が高いほど運動速度が上昇することを明らかにした。
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