ベローソフ・ジャボチンスキー反応により自律振動する高分子ゲルの分子設計と構築

通过Belosov-Zhabotinsky反应自主振荡的聚合物凝胶的分子设计和构建

• 批准号: 10750630
• 负责人: 吉田 亮
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 1999
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-10750630/
• 关键词: 高分子ゲル; インテリジェント材料; ポリ-N-イソプロピルアクリルアミド; 体積相転移; 自励振動; ベローソフ・ジャボチンスキー反応; 非線形化学; 散逸構造; 刺激応答性高分子; 振動反応

本研究では、心臓の拍動や脳波のように、一定周期で自律振動する生理機能を模倣した高分子材料(高分子ゲル)を開発し、運動と情報伝達の機能を持った新規な機能性材料の分子設計を可能にすることを目的とした。そのために、ゲル相内部で自発的な酸化還元振動を生じる化学反応(ベローソフ・ジャボチンスキー(BZ)反応)を起こし、その化学エネルギーが機械エネルギーに転換されて膨潤・収縮の振動を生起するプロセスを分子回路として内包するゲルを設計・構築した。まず、BZ反応の触媒として働くルテニウムビピリジン錯体をモノマー化し、N-イソプロピルアクリルアミドなどのアルキルアクリルアミド系ポリマーに共重合したゲルを作製した。触媒サイトの酸化還元変化によるゲルの膨潤・収縮変化を顕微鏡観察により検討した結果、酸化状態ではゲルの膨潤度および相転移温度が上昇することが確認され、一定温度下では酸化還元による膨潤収縮変化が生じることが明らかにされた。次に、作成したゲルをBZ反応の基質混合溶液に浸し、ゲル内部でBZ反応を生起させた。BZ反応により生じるルテニウム錯体の周期的な酸化還元振動、およびそれに伴うゲルの膨潤・収縮振動を画像解析システムを用いて測定した。その結果、化学振動に伴ってゲルが自励的な膨潤収縮振動を生じた。BZ反応の振動周期は、基質の初期濃度により変化する。そこで反応基質の初期濃度を変化させて、ゲルの膨潤収縮振幅と周期の相関を検討した。その結果、反応周期が長いほど、また酸化還元変化量が大きいほど膨潤収縮振幅が大きくなった。すなわち、外部基質濃度や触媒導入量を変えることでゲルの体積振動の振幅が制御可能であることがわかった。

这项研究旨在开发模拟生理功能的聚合物材料（聚合物凝胶），这些功能在一定时期内自主振动，例如心跳和脑波，并启用具有运动和信息传播功能的新型功能材料的分子设计。为此，我们设计和构建了一种凝胶，该凝胶涵盖了一个过程，在该过程中，发生化学反应（Belosov-Jabocinsky（Bz）反应）发生了引起凝胶相内自发氧化还原振动的过程，并且该化学能被转化为机械能，并导致机械能量，并作为肿胀和缩放和分子电路的振动振动。首先，将充当BZ反应催化剂的氟吡啶辅酶转化为单体，并与基于烷基丙烯酰胺的聚合物（如N-异丙基丙烯酰胺）共聚。通过微观观察检查了催化剂位点氧化 - 雷克斯引起的凝胶肿胀和收缩的变化，并证实，氧化态的凝胶的溶胀和相变温度升高，并且由于氧化 - 氧化剂的肿胀和收缩变化而在恒定温度下发生。接下来，将制备的凝胶浸入BZ反应的底物混合溶液中，并在凝胶内部产生Bz反应。使用图像分析系统测量了由BZ反应引起的氟化合物复合物的周期性氧化还原振动以及凝胶伴有的肿胀和收缩振动的振动。结果，凝胶是通过化学振动自激发的。 BZ反应的振荡周期随底物的初始浓度而变化。因此，改变了反应底物的初始浓度，并研究了凝胶的肿胀和收缩幅度与周期之间的相关性。结果，反应周期的时间越长，氧化还原变化的量就越大，肿胀和收缩幅度就越大。也就是说，发现可以通过更改外部基材的浓度和其中引入的催化剂量来控制凝胶体积振动的振幅。

项目成果

吉田 亮: "Self-oscillation of polymer gels coupled with non-linear chemical reaction" Birelated polymers and Gels:Controlled Release and Applications in Btomedical Engineering (Ed.T.Okano). 71-91 (1998)

Ryo Yoshida：“聚合物凝胶的自振荡与非线性化学反应相结合”双相关聚合物和凝胶：生物医学工程中的控制释放和应用（Ed.T.Okano）71-91（1998）。

吉田 亮: "Self-Oscillation of Polymer Gels Coupled with the Belousov-Zhabotinsky Reaction"ACH Models in Chemistry. 135[3]. 409-416 (1998)

Ryo Yoshida：“聚合物凝胶的自振荡与 Belousov-Zhabotinsky 反应”化学 ACH 模型 135[3]（1998）。

吉田 亮: "温度応答性ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)ゲルを利用したコントロールドリリース" 日本臨牀. 56(3). 118-122 (1998)

Ryo Yoshida：“使用温度响应型聚(N-异丙基丙烯酰胺)凝胶控制释放”Nippon Rinsho 56(3) (1998)。

吉田 亮: "Molecular Design of Self-Oscillating Polymer Gels and Their Dynamic Swelling-Deswelling Behaviors"J.Intelligent Material Systems and Structures. (印刷中).

Ryo Yoshida：“自振荡聚合物凝胶的分子设计及其动态溶胀-消溶胀行为”J.智能材料系统和结构（正在出版）。

吉田 亮: "化学・生物化学反応によって駆動する高分子ゲルの設計と構築" 高分子論文集. 55(4). 182-191 (1998)

Ryo Yoshida：“化学和生化反应驱动的聚合物凝胶的设计和构建”《聚合物科学与技术》杂志 55(4) (1998)。