2019 Fiscal Year Research-status Report
A multi-scale, multi-physics modeling framework to predict and design biomaterials based on FINEST observation
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19KK0169
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
田中 史彦 九州大学, 農学研究院, 教授 (30284912)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 良奈 九州大学, 農学研究院, 助教 (80817263)
今泉 鉄平 岐阜大学, 応用生物科学部, 助教 (30806352)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2022-03-31
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| Keywords | ポストハーベスト工学 / マルチスケール / シミュレーション / イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
FINEST計画は、青果物やこれに由来する材料を対象に、最新のイメージングや画像分析・解析、モデル化技術を駆使することによって、これら材料のFINESTが、より大きなスケール場における力学特性や熱物性にどのような影響を与えるかを知るための新たなフレームワークを構築するものである。生物材料の微細構造とその機能・特性を関連付けるための、先駆的かつ理論的研究をともに推進する相互補完可能な国際共同研究チームを組み立て、特に、若手の研究者が受入機関で最新のイメージング技術を学び、本学で遂行中の機能モデル化技術と融合させることで、新たな研究領域を発展させるものである。本年度は、AFMによるナノ構造可視化や微細構造解析プログラミング技術を習得するとともに、以下の研究を遂行した。
まず、農産物由来の多糖類を得て、その構造的特徴の評価を行った。カキ果実から水溶性（WSP）、CDTA可溶性（CSP）、希アルカリ可溶性（DASP）のペクチン画分を順次抽出し、Mica基板上での自己組織化を原子間力顕微鏡により観察した。解析には、ポーランド科学アカデミー農業物理学研究所 Piotr Pieczywek氏により開発されたプログラムを用いた。無処理のカキから得たCSPおよびDASPペクチンは緻密なネットワークを形成したが、加熱操作や乾燥操作によってネットワーク形成能力が損なわれることが明らかとなった。
次に、デンプンについても植物種毎の構造的特性を調査、デンプン素材をもとにフィルム作成を行い、フィルムの構造的・物理的特性変化のメカニズム解明や青果物コーティング資材としての可食フィルム開発を試みている。
また、X線μCTによる微細構造の観察では、生物材料の形態的・構造的特徴をマイクロスケールで定量化するとともに、その場で起こるガス移動などの諸現象を解析するプログラムを開発中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで長年実施してきた相手機関との共同研究の経験から、若手育成を視野に入れた共同研究は順調に進んでいる。３つの中課題のうち、（１）AFMによる生物材料のナノ構造の観察と確率モデルによるポリマーの集積シミュレーションについては、AFMによるデータ蓄積を行い、構造的特徴量を抽出、集積シミュレーションに必要な基礎基盤を築いた。つぎに、（２）X線μCTによる生物材料のミクロ構造の３Dイメージングとマルチフィジックス・シミュレーションについては、イメージングならびにひとつの現象についてのモデル化に成功し、これをマルチ化することに挑戦している。最後に、（３）FINEST解析フレームワークの構築については、（１）と（２）の結果を繋ぐキーパラメータの検索にあたっており、さらなるデータの蓄積を求めている。
２月から数カ月に及ぶ九大グループの滞在を予定していたが、世界的なコロナウイルス感染拡大による入国制限ならびに受入機関の業務制限によって実施不可能となった。このため、ネットを通じたやりとりでの研究遂行となっている。この点については研究の遂行はやや遅れていると言わざるを得ないが、総合的に判断すると研究自体は計画通りに遂行されていると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
先に示した３中課題について、（１）では、引き続きAFM測定と画像分析を専門とするZdunek教授、Cybulska研究員他とのサブユニットを構成し、ナノスケール観察データの蓄積と分析、ならびに 、コンピュータ・シミュレーションによるポリマー集積モデル化を専門とする Pieczywek研究員と共にプログラム開発から改良に至る一連の研究を継続して行く。つぎに、（２）については、Pieczywek研究員らが開発したミクロスケール画像プログラムと九大が持つ３Dモデル構築技術を融合させ、引き続き、FINEST空間における諸現象を解析するモデルを構築して行く。（３）については、 （１）と（２）で遂行する研究をそれぞれの要素技術を統合することで体系化し、ナノとミクロ、マクロ、それぞれの場をつなぐマルチスケール解析を目指す。なお、本柱課題については、最終年度までに研究代表者と受入機関代表者Zdunek教授がこれを体系的にまとめることとする。以上のように、研究の方向性は前年度と同様とするが、渡航制限が解除されるまでは、当面、ネットを介した情報交換により研究を遂行せざるを得ない。このため、滞在計画が最終年度にずれ込むことも視野に入れた対応を行う。
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| Causes of Carryover |
今年度は、年度末から次年度にかけて計画していた在外研究がコロナウイルス感染拡大による渡航制限により見送られた。このため、次年度使用額が生じた。この分は次年度以降に滞在期間を調整するなど措置を講じる。現在のところ、相手機関の受け入れは夏期までは難しいとの判断で、秋以降で調整を行っている。
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Research Products
(3 results)
