2012 Fiscal Year Annual Research Report
「犠牲結合原理」の普遍性の証明と多様な犠牲結合による高靭性・高機能ゲルの創製
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24225006
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Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 教授 (20250417)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒川 孝幸 北海道大学, 創成研究機構, 特任助教 (40451439)
中島 祐 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 助教 (80574350)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | ゲル / 階層構造 / 犠牲結合 / 高強度 / 機能性 / 生体適合性 / コーティング / アクチュエーター |
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| Research Abstract |
我々は、高延伸ゲルに脆い結合（犠牲結合）を導入すると、変形時、亀裂進展に先立ってこのような結合が広範囲に亘って破壊されるため、破壊に要するエネルギーが増大することを提唱している。本研究の目的は、多種多様な犠牲結合をデザインし、それらをゲルに導入することにより、ゲルの破壊靱性を劇的に向上させ、さらにそれに伴う新たな機能を付与することである。
(1) 中性網目による犠牲結合
中性ゲルに強電解質高分子またはミセルを添加することで膨潤度を増大させ、その内部で別の中性ゲル網目を合成することにより、前者を犠牲結合とする強靭な２重網目ゲル（St-DNゲル）を合成した。本方法はいかなる化学種の高分子にも適用可能であるため、多様な化学種、機能を持つSt-DNゲルが合成可能である。現在、生体適合性高分子と天然高分子からなるSt-DNゲルの医療材料としての応用研究を行っている。
(2)ゲル微粒子による犠牲結合
強電解質ゲル微粒子存在下で中性ゲルを合成することにより、ゲル微粒子を犠牲結合とする高靱性ゲル（MR-DNゲル）の合成を行った。本ゲルは極めて強靭であること、その強度は加えた微粒子の濃度にほぼ比例して増大すること、また自由成型性を持つことが示された。本ゲルの破壊時には、延伸に伴ってゲル微粒子がスピンドル状に変形、崩壊していく様子が観察された。
応用として、MR-DNゲル薄膜を１ステップで固体にコーティングする方法を確立した。本ゲルは低免疫反応性や海洋生物付着阻害効果を持つことから、生体適合性や生物付着阻害効果を付与する塗料としての応用が期待される。さらにMR-DNゲル重合時に局所的に電場・磁場を加えることで、ゲル内部における微粒子の分布制御に成功した。本ゲルは高靱性に加え、微粒子の配置や外部刺激に応じた多種多様な形態変化（らせん状、筒状等）が観察されており、高強度ゲル運動素子としての応用が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
（理由）犠牲結合を導入した高強度ゲルについては極めて順調に進展しており、本年度の目的であった「多様な共有結合の導入によるゲルの高強度・高機能化」はほぼ達成しており、強靭さに加えて生体適合性、塗料としての使用可能性、ユニークな運動性などが付加されたゲルを開発した他、次年度に行う予定であった「多様な非共有結合の導入」に関しても研究が進んでいる。もう一つの目的であるゲルの力学的測定法の確立については、偏光顕微鏡下においてゲルに変形を加えることで、延伸に伴う応力と網目構造（内部の分子配向）の変化を同時に観察するという系の構築に成功しており、犠牲結合による亀裂周辺の応力分散メカニズムが徐々に明らかとなってきている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ゲルそのものの研究開発については順調に進展しており、当初計画からの変更の必要はないと考えている。
得られた高強度、高機能ゲルの応用展開を進めていく。既にいくつかの研究室や企業にゲルを提供し、応用に向けた研究を始めているが、今後はこの動きを更に加速させ、実社会での早期の応用を目指す。
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