阪大、光刺激に反応して生き物のように動く人工筋肉を開発

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大阪大学 大学院理学研究科の原田明教授(基礎理学プロジェクト研究センター長)らが、生き物のように光の刺激に応じて形態を変化させる人工筋肉の開発に成功した。機能性材料の開発や医療材料の素材などに利用できると期待される。2012年12月11日付けの Nature Communications に論文が掲載されている。

ゲルアクチュエータの分子構造 (出所:大阪大学)

環状多糖のシクロデキストリン(CD)と光刺激応答性分子であるアゾベンゼン(Azo)をセンサおよびコントロール機能分子としてヒドロゲルに組み込み、光の照射波長に応じて、屈曲・収縮・伸長するゲルアクチュエータを開発した。光刺激によりミクロレベルで分子認識を制御し、このミクロレベルでの制御をマクロレベルの材料の形態変化まで組み上げた世界初の例であるとする。

生物の体では、ヒドロゲルにより組織されたゲルアクチュエータの運動が分子認識によるシグナル伝達によって制御されており、協同的に個々の分子が一斉に機能することによって大きな運動を実現している。研究チームは、こうした生体の運動システムを参考にして分子設計を行い、光刺激に応じたゲルアクチュエータの形態変化を実現した。

溶媒変化によるゲルアクチュエータの体積変化 (出所:大阪大学)

ゲルアクチュエータの運動には、ホスト分子α-CDとゲスト分子Azoのホスト-ゲスト相互作用による可逆的な結合を利用する。光応答性分子であるAzoには、光への反応によってトランス体とシス体という2つの形状が切り替わる性質があり、α-CDはトランス-Azoとは会合体を形成するが、シス-Azoとは会合体を形成しないことが分かっている。

α-CDだけを含むゲルやAzoだけを含むゲルは水に浸漬させると大きく膨潤するのに対し、研究チームが開発したα-CDおよびAzoを含むゲル(α-CD-Azo ゲル)は、有機溶媒中では大きく膨潤し、溶媒を水に置き換えると大きく収縮する性質を示した。有機溶媒中で収縮し、溶媒を水に置き換えると大きく膨潤する従来のヒドロゲルとは、まったく逆の挙動となっており、α-CD-Azo ゲルの中で分子認識が機能していることを示唆する結果となった。

次に、α-CD-Azo ゲルを平板状に成型し、紫外光を照射したところ、ゲルアクチュエータが屈曲した。続いて屈曲したゲルアクチュエータに可視光を照射すると、元の状態に戻った。この屈曲運動は可逆的で何度でも繰り返すことができた。

応答性と構造変化を大きくするために、ひも状のゲルアクチュエータも作製した。これに光を照射したところ、生き物のようにらせん状に大きく変形し、巻き上がる様子が観察された。ホスト-ゲスト相互作用によって可逆的に運動するゲルアクチュエータはこれまでになく、世界で初めての例であるという。

ヒドロゲルの伸縮性はホスト-ゲスト相互作用を組み込むことにより、変形率が大きく向上することも明らかになった。ヒドロゲルの作製方法は比較的簡便であり、今後CDとゲスト分子の組み合わせを様々に変更することが可能であるとする。

研究チームは、この技術の応用分野として、(1)マイクロロボット(蛇状、魚状、歩行型)、マイクロマニピュレータ、能動カテーテルなどの光刺激応答性アクチュエータ、(2)先端医療実用化のための薬物送達材料、(3)半自己修復性材料、(4)吸水性(保湿性、保水性)、化学物質の輸送、光透過性の制御などを挙げている。


発表資料

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