「機械的ストレスから迅速に回復する」ハイドロゲル材料

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「機械的ストレスから迅速に回復する」ハイドロゲル材料

可逆的に形成・変形することができる新しい結晶を利用することで、機械的ストレスから速やかに回復するハイドロゲルを作成できます。

A novel crystal that can reversibly form and deform, allows hydrogels to rapidly recover from mechanical stress. This opens up the use of such biocompatible materials in the field of artificial joints and ligaments.
参照元：https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00179.html
– 東京大学 University of Tokyo. June 4, 2021 –

ハイドロゲルは、主に水から作られる高分子材料です。

ハイドロゲルは、水を主成分とする高分子材料で、医療分野をはじめとするさまざまな用途に利用できます。

しかし、これまでのハイドロゲルは、繰り返しの機械的ストレスに耐えられず、簡単に変形してしまうという欠点がありました。

今回、可逆的に形成・変形することができる新しい結晶を利用することで、ハイドロゲルは機械的ストレスから速やかに回復することができます。

このような生体適合性の高い材料は、人工関節や人工靭帯の分野での利用が期待されています。

私たちの多くは、人生の中で時折スポーツによる怪我や、関節や靭帯に関する何らかの痛みを経験します。

このような重度の怪我の場合、修復は困難なことが多いです。

しかし、ハイドロゲルと呼ばれる水を多く含むポリマー材料の分野で新たな開発が行われ、10年ほどで手術室で使用されるようになるかもしれません。

ハイドロゲルは、人間の自然な関節や靭帯の組織が受けるのと同じ機械的ストレスに耐えることができるはずです。

ハイドロゲルは自己強化型ゲルと呼ばれています。

東京大学物性研究所の真弓幸一准教授は話します。

「既存のハイドロゲルの問題点は、力学的に弱く、強化する必要があることです。しかし、これまでの強化方法では、限られた回数しか効果が得られないか、場合によっては1回しか効果が得られないこともありました。このようなゲルは、衝撃などのストレスから急速に回復することは全くありません。そこで私たちは、天然ゴムのように強い回復力を持つ素材に注目しました。これらからヒントを得て、柔軟性を維持しながらゴムのような強靭さと回復性を示すハイドロゲルを開発しました。」

これまでの強靭なハイドロゲルの例では、変形すると壊れてしまう犠牲結合と呼ばれるものが使われていました。

犠牲結合が破壊されることで機械的エネルギーが散逸し、材料に強度が与えられるが、犠牲結合が回復するには時間がかかり、時には数分かかることもありました。

時には、全く回復しないこともあります。

これに対し、真弓教授らが導入した結晶は、ひずみをかけると硬い形に組み上がりますが、ひずみを解除するとすぐにゲル状態に戻ります。

つまり、ハイドロゲル全体は、静止状態では非常に柔軟だが、衝撃を受けると天然ゴムのように固まるのです。

この結晶構造は、ポリエチレングリコール（PEG）鎖とヒドロキシプロピル-α-シクロデキストリン（HPαCD）の環が結合した、水性のハイドロゲルで構成されています。

真弓幸一准教授は話します。

「ハイドロゲルは50％以上が水であるため、生体適合性が高く、医療用途には欠かせないものと考えられています。次の研究段階では、分子の配置を変えてみることにしています。構造を単純化できれば、材料のコストを下げることができ、医療業界での採用を加速させることができます。」

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