【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】17H01223 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己組織化 / ハニカムスキャフォールド / ラマン散乱 / 微粒子 / 幹細胞 / 原子間力顕微鏡 / フェイズフィールド / バイオナノテクノロジー / ハニカムフィルム / 分化 / 高分子構造・物性 / 発生・分化 / バイオテクノロジー / ナノ材料 / 応用数学

【研究成果の概要】

弾性率制御されたハニカムスキャフォールドの作製法を確立し、ヒト間葉系幹細胞（hMSC）やiPS細胞などの幹細胞および神経系細胞などについてその接着・増殖・分化をモニタリングすることに成功した。これらのデータベースを基に特徴的な分化制御能を与える材料変面条件を得ることに成功した。また、Coupled Cahn-Hilliard方程式を基にした高分子微粒子構造制御の理論モデル構築に成功し、本モデルを基に自己組織化による有機無機コンポジット微粒子の作製に成功した。磁性粒子と金ナノ粒子をコンポジットした高分子微粒子は液中で磁場によって任意の部位のラマン散乱測定が可能であることを明らかとした。

【研究の社会的意義】

幹細胞の分化制御は再生医療において重要な技術であり、これまでサイトカインや遺伝子導入など、液性因子を用いた分化誘導が行われてきた。本研究は幹細胞の培養環境であるスキャフォールドの構造と力学物性が幹細胞の接着・増殖・分化に与える影響を明らかとするものであり、本研究により明らかにされた幹細胞分化とスキャフォールド等の培養条件の相関は、再生医療の発展に資するものである。
さらに本研究で開発した微粒子による局所部位でのラマン散乱計測プローブは、細胞などの液体中でも特定の位置の化学物質の動態情報を３次元的に取得することを可能にするものであり、上記のスキャフォールドによる幹細胞分化機序の解明に貢献する。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,290千円 (直接経費: 33,300千円、間接経費: 9,990千円)

【研究分野】生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

【研究領域課題番号】16K05521 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子 / 液体 / 高圧力 / 溶融体 / 空隙 / 液体分離 / 多孔体 / 多孔性物質 / 共結晶 / 枯渇相互作用 / インターカレーション / 吸蔵 / 吸着 / 化学物理 / 高分子構造・物性 / 複合材料・物性 / ナノ材料 / Ｘ線回折

【研究成果の概要】

高分子P4MP1 [isotactic poly(4-methyl-1- pentene)]は、日本の企業がシェアを占める高分子(ポリオレフィン)の一種で、近年では食品ラップや容器の材料としても目にする機会が多い。我々は、このP4MP1を加熱して融かした状態が、多孔性液体としての特性を示すことを見出した。加圧に際し、溶融高分子中の空隙は収縮するが、減圧に伴い元に戻る。これは既存の"多孔性液体"には無い特性である。
また、P4MP1のフィルムについて、アルカンなど、種類の異なる油同士の分離能があることを見出し、この現象を朝倉大沢理論を用いて説明した。

【研究の社会的意義】

近年、液体状態で多孔性を維持する物質をデザイン・合成することが世界的に行われている。本研究で我々は、溶融P4MP1が多孔性液体としての特徴を有することを見出した。この高分子溶融体において、嵩高い枝分かれ状の構造に起因した細孔は、減圧に伴い細孔サイズが回復する。これは、これまでの"多孔性液体"には見られない特性であり学術的に意義深く、応用にも役立つ可能性がある。
また、P4MP1固体フィルムが油同士の分離能を有する事を初めて見出し、この分子選択性に統計力学的立場から説明を行った。この知見は石油を始めとする液体分離分野に役立つだけでなく、分子認識に関するごく基礎的な知見としても学術的意義がある。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】16K14074 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子機械 / 開環重合 / 高分子機械 / 主鎖型高分子機械 / 高分子トポロジー / 粘弾性 / 流動性 / 高分子アーキテクチャ / 刺激応答材料 / 自己組織化 / 高分子合成 / 高分子構造・物性 / 超分子化学 / ナノ材料

【研究成果の概要】

本研究では、環ひずみを誘起可能な環状分子機械をモノマーに、主鎖繰り返し単位が分子機械からなる主鎖型高分子機械を合成した。一方、紫外光照射下で切断されるが非照射化では再形成する共有結合を駆使することで高分子トポロジーの組換えを数分以内に達成できる物質の開発に成功し、無溶媒下で粘弾性を制御可能な物質、さらには流動・非流動状態をも制御可能な機能物質の創製に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15H03862 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ポリマーブラシ / 自己組織化 / ブロックコポリマー / 水界面 / 高分子構造・物性 / ナノ材料 / 表面・界面物性 / 界面 / QCM / 中性子反射率

【研究成果の概要】

動的ポリマーブラシは、NRでは追跡の困難な短い時間スケールで形成することが予想されるため、時間分解能が高く、高感度の測定が可能なQuartz CrystalResonator (QCR)により、水／ポリマー界面での動的ポリマーブラシ形成を追跡した。水中での水晶発振の複素周波数変化は、動的ポリマーブラシの粘度に敏感であり、低濃度から急激に増加する性質を示すため、動的ポリマーブラシの生成をより高感度に測定できた。その結果、生え変わりの時間は数十秒かそれ以下で起こり、極めて速い修復が行われることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】ナノ材料化学

【研究領域課題番号】25220603 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子構造・物性 / 高分子合成 / ナノ材料 / 超分子化学

【研究成果の概要】

昨年度作製した自動膜透過試験システムを用いて、環動ゲル膜の物質透過挙動を観察した。溶質として、低分子と網目サイズに近い巨大分子を用いた。透過実験から測定した拡散係数Dを水中における溶質拡散係数D0で規格化すると、溶質サイズを大きく変えてもD/D0はあまり変化せず、環動ゲル中では網目サイズとほぼ同等の大きな分子も網目の拘束を受けにくいことが示唆された。環動ゲルにおける網目の可動性と物質透過挙動のカップリングを示す直接的な実験証拠であると言える。
浸透圧下における環動ゲルの構造解析を行うための試料セルを考案した。ゲル膜の両面に液体を接触させることができるセルを作製し、放射光施設において試作セルを用いた小角Ｘ線散乱の予備実験を行った。
充填率を大幅に低下させたポリロタキサンを架橋することによって環動ゲルを合成し、その応力伸長特性を高充填の従来の環動ゲルと比較した。その結果、充填率が1/5程度になると、環動ゲルの破断伸びが劇的に向上することが明らかになった。応力伸長特性の解析から、低充填の環動ゲルでは，5倍程度大きな歪みに対しても伸びきり効果が見られず、従来の環動ゲルに比べてはるかに高伸長領域まで理想弾性体様の振舞いを示した。したがって、滑車効果に競合する環のエントロピーを低下させることが、滑車効果をより高歪み領域まで発現させるための重要な分子設計指針であることが実証された。
低包接率のポリロタキサンから合成された環動ゲルの伸長誘起膨潤挙動を調べ，ポアソン比のひずみ依存性を検討した．予備実験的な段階ではあるが，これまでに報告されている高包接率のポリロタキサンから成る環動ゲルとは異なる挙動がみられた。
軟Ｘ線発光分光を用いて液体および液体中の分子の電子状態を決定する手法を確立し、環動分子の電子状態および液体と相互作用する金属イオンや電離基の状態を直接観測することが可能となった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2013-05-31 - 2018-03-31

【配分額】117,390千円 (直接経費: 90,300千円、間接経費: 27,090千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】20241024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子構造・物性 / 高分子合成 / ナノ材料 / 超分子化学

【研究成果の概要】

本研究では、超分子を利用した新規高分子材料の創成を目指しており、超分子構造の一種であるポリロタキサンを応用して、側鎖が軸高分子上を自由に動く様々なスラディンググラフトコポリマー(SGC)を合成し、これを用いて新しいミクロ相分離構造と物性を示す高分子材料を構築することを目的としている。
本年度はまず、軸高分子(ポリエチレングリコール)の長さが一定で、グラフト鎖の長さと数が制御されたSGCの合成を試みた。我々のこれまでのポリロタキサンの修飾法は、多数あるシクロデキストリン(CD)水酸基に対してランダムに置換基を導入していたため、1つのCDに対する置換基の数や位置を厳密に定義するのは困難であった。本研究では予め官能基を導入したCDを用いてポリロタキサンを合成し、反応サイトを限定する。CD誘導体については、初めはMono-hydroxy α-CDのように市販されているものを購入して使用した。あるいは、多くの論文や成書で確立した合成法が報告されているので、それらに従い合成することも可能である。
一方、グラフト鎖の導入方法としては、酸クロライドなどの水酸基と反応性の高い末端を有する高分子を結合させる方法と、ポリロタキサンからモノマーの重合反応により高分子鎖を成長させる方法が考えられる。本研究ではまず、精密な反応の制御が可能なリビング重合の一つであるATRP法により、モノマーとして疎水的なブロック鎖を形成するメタクリレート誘導体を用いた重合反応を試みた。合成した試料の同定は主にNMRによって行い、また、分子量の評価には本年度新たに導入した示差屈折計検出器を用いた。
尚、本研究は、科学研究費補助金(基盤研究(S)・課題番号:20221005・研究代表者:伊藤耕三)の採択に伴い、平成20年8月11日付けで廃止となった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008

【配分額】15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】20221005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子 / 超分子 / 力学物性 / エントロピー / 動的物性 / 架橋 / 高分子構造・物性 / 高分子合成 / ナノ材料 / 超分子化学 / ナノ機能材料

【研究成果の概要】

環動高分子は架橋点が自由に動ける新しい高分子材料である。本研究では、環動高分子材料特有の環状分子の運動性（環動性）とマクロな物性の相関に焦点を当てて研究を行なった。多様な骨格や環状分子を有する環動材料の前駆体であるポリロタキサンの合成法を確立するとともに、環動性に起因する粘弾性緩和の観測に初めて成功した。その緩和時間は骨格や環の分子構造により変化することから、環動高分子の各成分の分子設計によってマクロな材料の力学応答が制御できることを示した。さらに、環状分子のエントロピー弾性という新規概念を提唱し、実際に環動高分子材料の特異な物性が鎖と環のエントロピーの競合でうまく記述できることを示した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008-05-12 - 2013-03-31

【配分額】202,670千円 (直接経費: 155,900千円、間接経費: 46,770千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】20350057 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子反応 / 高分子合成 / ナノ材料 / 高分子構造・物性 / 超薄膜

【研究成果の概要】

可逆的な切断と形成が可能な「動的共有結合」と呼ばれる特殊な化学結合を含む高分子は、熱や光などの刺激を与えると構造変換を起こす。本研究では、このような特性を示す「動的共有結合ポリマー」の構造変換反応を様々な環境中(反応場)で検討した。その結果、目標として設定した3つの反応場(極性溶媒系、無溶媒系、無機材料表面系)の全てにおいて構造変換反応が進行することを明らかにした。得られた成果は、環境低負荷高分子、リサイクル性高分子、自己修復性高分子など様々な応用展開が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】20350103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子構造・物性 / 微細加工 / ナノ材料

【研究成果の概要】

金属薄膜と高分子レジスト薄膜との界面を光反応性単分子膜の化学結合形成により密着させることを特徴とする界面化学結合型熱ナノインプリントリソグラフィの学理を目的とし、金属薄膜の湿式加工に適する熱可塑性高分子レジスト薄膜の究明を行った。光反応性基と効率よく結合形成する高分子の種類、ウエットエッチングと電解めっきに適した高分子の種類と最適分子量の存在、分子量に依存した高分子薄膜への水溶液の透過現象、高分子薄膜の加熱加圧成型の均一性を確認できる蛍光レジストの有効性を論証した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】17201024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

導電性高分子 / ナノ材料 / 光物性 / マイクロ・ナノデバイス / 有機導体 / 高分子構造・物性

【研究成果の概要】

本研究では、光機能性を有する導電性高分子と絶縁性分子から構成される絶縁被覆型の1次元超分子構造体を作製し、これを微細電極間に配線してその単一分子発光素子としての有用性を実証することを目指した。絶縁被覆型高分子ナノワイヤーの作製については、シクロデキストリンなどの環状分子とポリチオフェンなどの電界発光性を有する導電性を用いた分子被覆導線の作製や、高分子の自己組織化を利用したナノワイヤーの構築、陽極酸化多孔質アルミナの鋳型に絶縁性分子の溶液に電界発光性を有する導電性高分子の溶液を順に流し込むというテンプレート・ウェッティング法などについて研究を行った。また、特に金属電極と導電性高分子の電気的接触が電気特性や発光特性においてきわめて重要なことから、ポリチオフェンを用いて金属電極との接触に関する研究を進めた結果、トルエン溶液中のポリチオフェンが金基板上で開環し金と特異的な結合を形成することを世界で初めて見出すとともに、セレノールなどの金属と特異的に結合する官能基でポリチオフェン両末端を修飾することに成功し、これを用いて導電性高分子1本鎖の形態と光学特性の相関についての基礎的知見を得ることができた。本研究において得られたポリチオフェンを中心とする導電性高分子に関する様々な知見は、現在ナノテクノロジーの中心課題である分子素子作製において問題となっている機能性分子間の配線材料に新しい方向性を与えるものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】38,870千円 (直接経費: 29,900千円、間接経費: 8,970千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】17350102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高分子構造・物性 / ナノ材料 / 結晶性ブロック共重合体 / ミクロ相分離構造 / 結晶化 / 主鎖切断 / 空間的拘束 / 結晶性-非晶性2元ブロック共重合体

【研究成果の概要】

本研究では、nmオーダーの「空間的拘束」が高分子鎖の結晶化挙動に与える効果を調べるために、まず様々な分子特性を持つ結晶性2元ブロック共重合体を合成した。これらの系における様々な空間的拘束条件(球、シリンダー、ラメラ、または結晶性ラメラ)と鎖の結晶化挙動の相関の定量的解明を目的とした。一方「分子拘束」の具体的な効果を調べるために、ホモポリマーを球状、または、シリンダー状ナノ空間に閉じ込めた系を創成した。この系の結晶化過程と最終構造を求めることにより、「分子拘束」が高分子鎖の結晶化挙動と最終構造に与える影響を解明することを目的とした。
各種ナノ空間による「空間的拘束」は、高分子鎖の結晶化に重大な影響を与えることが明らかとなった。さらに、結晶化に与える影響は、拘束空間の形状・大きさのみならず、その性質(結晶性、または、非晶性)により大きく変化した。特に結晶性ラメラくり返しが作るナノ空間は、高分子鎖の結晶化に対して非常に特異的な「空間的拘束」を与えることを初めて見出した。一方、「分子拘束」が結晶化に与える効果は、ナノ空間自身の存在による効果に比べれば小さいものの、結晶化速度、結晶化挙動、および、最終的な高次構造に有意な差をもたらすことが明らかとなった。特に、「分子拘束」が結晶化を加速するという新しい知見を得た。これらの研究成果は、結晶化に関する新しい知見が多数含まれており、基礎研究の観点から極めて重要である。また、これらの成果により、各種高分子材料中の高次構造制御に対する設計指針が与えられるので、その意義は大きいと考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】14,710千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 510千円)