北海道大学大学院先端生命科学研究院 先端融合科学研究部門 ソフト&ウェットマター研究室
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北大生になりたい方へ 高分子ゲル研究会

超高強度ダブルネットワークゲル=Tough HydroGEL

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噛み切れないゲル//色々な形のゲル

DN構造模式図

生物は骨や歯などの硬組織を除けば、水を含んだゲルでできています。同じゲルでも、私たちが作ることが出来るのは豆腐やゼリーのようなとても生物にはかなわない弱いものでした。しかし当研究室では、強電解質で硬くてもろいPAMPSという種類のゲルと、中性でよく伸びるPAAmという種類のゲルを組み合わせることによって、水分を90%も含んでいるのにゴムに匹敵する強さを示す、超高強度ダブルネットワークゲル(DNゲル)の創製に成功しました[1]

目次 (項目をクリックすると内容のトップにジャンプします)

  1. DNゲルの強さと高強度化メカニズム
  2. 天然素材によるDNゲル
  3. 再生医療への応用
  4. 自由成型DNゲル
  5. 参考文献

DNゲルの強さと高強度化メカニズム

DNgelは切断できない

DNゲルは、10~60MPa(100~600kgf/cm2) という、非常に高い圧縮破断応力を示します。身の回りのもので分かりやすく例えると、1円玉のサイズのDNゲルに最大で30人の大人が乗ったとしても壊れない!のです。これは、DNゲルの材料となる各単一網目ゲルの圧縮破断応力(0.3~0.6MPa, 3~6kgf/cm2)のおよそ100倍もの強さです。また、DNゲルは非常に伸縮性のある素材でもあり、ある種のDNゲルは元の長さの30倍まで伸ばすことが可能です。 こうしたDNゲルの強さの秘密は、性質の異なる2種類の網目が互いに助け合い、亀裂の進行を抑えることにあります。DNゲルに力が加わると、まず硬くてもろいPAMPSゲルに亀裂が生じます。普通のゲルの場合、この1つの小さな亀裂が一瞬で全体に広がり、壊れてしまいますが、DNゲルの場合、よく伸びる PAAmゲルが壊れたPAMPSゲルをつなぎとめるために亀裂は進行せず、むしろ多くの小さい亀裂がゲル内に生じます。これら多くの亀裂によってゲルに加えられた力が分散されるため、DNゲルは高い強度を示す、と考えられています [2]

天然素材によるDNゲル

高強度DN ゲルは、合成素材からのみならず天然素材からも作ることが出来ます。その材料となるのが、酢酸菌が作り出すバクテリアセルロースゲル(BCゲル)と、動物由来のゼラチンゲルです。BCゲルは高い引っ張り強度を示しますが、内部に水を閉じ込めておくことが出来ません。ゼラチンゲルは多量の水を含むことが出来ますが、軽く押しただけで壊れてしまいます。これらの2種のゲルを組み合わせ、互いの弱点を補わせることにより、内部に水を保持しつつ非常に優れた物性を示すBC/ゼラチンDNゲルを合成することが出来ました。

再生医療への応用

我々は、北大医学部の安田和則先生のグループとの共同研究により、DNゲルを再生医療に用いる研究を行なっています。関節軟骨(半月板)は、我々が運動する 時にクッションの役割を果たす、非常に大切な部位です。今まで、一度損傷した関節の軟骨は再生しないと信じられており、その治療には困難が伴っていまし た。しかし我々は、生体適合性を持ったDNゲルをウサギの軟骨欠損部に埋め込むことで、軟骨の自然再生に世界で初めて成功しました[3]。詳しくは安田先生のホームページをご覧ください。

自由成型DNゲル

成形ゲル

高い力学物性と優れた軟骨再生能を誇るDNゲルですが、その形を決めているPAMPSゲルが脆いために自由な成型が出来ないという問題がありました。再生医療などへの応用に際し、自由な形状に成型可能であることは強度と並び非常に重要です。近年、微粒子化させたPAMPSゲルを用いる方法や、PVAという種類のゲルを鋳型として用いる方法などによって、自由な形状を持った高強度DNゲルを合成することに成功しています。

参考文献

  1. Gong, J. P.; Katsuyama, Y.; Kurokawa, T.; Osada, Y. Adv. Mater. 2003, 15, 1155.
  2. 中島祐・古川英光・黒川孝幸・田中良巳・龔 剣萍:高分子論文集、2008, 65, 707.
  3. Yasuda, K.; Kitamura, N.; Gong, J. P.; Arakaki, K.; Kwon, H. J.; Onodera, S.; Chen, Y. M.; Kurokawa, T.; Kanaya, F.; Ohmiya, Y.; Osada, Y. Macromol. Biosci., 2009, 9, 307.