自励振動ゲルを用いた蠕動型マイクロポンプの作成

使用自振荡凝胶创建蠕动微型泵

• 批准号: 13750811
• 负责人: 吉田 亮
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750811/
• 关键词: 高分子ゲル; N-イソプロピルアクリルアミド; 刺激応答性高分子; 自励振動; ベローソフ・ジャボチンスキー反応; 振動反応; 非線形化学; インテリジェント材料; 非線形科学

本研究では、心臓の拍動のように一定条件下で自発的な周期的リズム運動を行う新しい「自励振動ゲル」を開発した。すなわち、生体の代謝反応(TCA回路)の化学モデルにもなっている、循環する反応回路を持つベローソフ・ジャボチンスキー反応(BZ反応)をゲル内で引き起こし、その化学エネルギーを力学エネルギーに転換する分子設計を行うことによりゲルの周期的な膨潤収縮振動を生み出すことに成功した。この自励振動ゲルを利用することにより、自ら周期運動するマイクロアクチュエータ、自己拍動(蠕動)型マイクロポンプ、分子ペースメーカー、情報伝達素子など新しい分子シンクロ材料が設計可能になると考えられる。本研究では、振動状態にあるゲルに外的信号(温度変化、基質添加)をパルス的に与え、振動リズムの制御を行った。まず、ゲルの振動周期や振幅の基質濃度依存性が明らかにされた。BZ反応は、ある基質濃度を境に振動状態から定常状態(振動停止状態)、あるいはその逆へ不連続に変化するといった分岐構造を持つ。これらのことは、基質の添加・除去という外的信号によってゲルの振動リズムが制御(あるいはon-off制御)できることを意味している。実際に、外液のマロン酸濃度を定常領域と振動領域の間で段階的に変化させると、可逆的な自励振動のon-off制御が実現された。これは生体内で特定の代謝関連物質(たとえばクエン酸などの有機酸)濃度が高まったときのみ拍動するようなインテリジェントポンプ等への応用の可能性にもつながるであろう。またNIPAAmポリマーの温度応答性、Ru(bpy)_3^<2+>の光感受性を考慮すると、リズムを制御する外部信号として濃度以外に温度や光も利用することができる。

This study で は is crucial, the heart is の flapping の よ う で に certain condition from 発 な cycle リ ズ ム line movement を う new し い "self-excited vibration ゲ ル" を open 発 し た. す な わ ち, body against 応 の metabolism (TCA circuit) の chemical モ デ ル に も な っ て い る, circulating す る anti 応 loop を hold つ ベ ロ ー ソ フ · ジ ャ ボ チ ン ス キ ー anti 応 (BZ) against 応 を ゲ ル で lead き up within こ し, そ の chemical エ ネ ル ギ ー を mechanics エ ネ ル ギ ー に planning in す る molecular design line を う こ と に よ り ゲ ル の cycle な swelling Shrinking vibration を gives birth to み produces す とに とに success を た. こ の self-excited vibration ゲ ル を using す る こ と に よ り, since ら periodic motion す る マ イ ク ロ ア ク チ ュ エ ー タ, flap (creep) マ イ ク ロ ポ ン プ, molecular ペ ー ス メ ー カ ー, intelligence 伝 of element な ど new し い molecular シ ン ク ロ materials が design may に な る と exam え ら れ る. This study で は, vibration state に あ る ゲ ル に outside signal (add temperature variations, the matrix) を パ ル ス に and え, vibration リ ズ ム の suppression を line っ た. Youdaoplaceholder0, ゲ が <s:1> vibration period や amplitude <e:1> matrix concentration dependence が Ming ら にされた にされた. BZ anti 応 は, あ る を substrate concentration condition に vibrational state か ら steady state (vibration state stopped), あ る い は そ の inverse へ not even 続 に variations change す る と い っ た つ を branching structure. こ れ ら の こ と は の add, remove, matrix と い う outside signal に よ っ て ゲ ル の vibration リ ズ ム が suppression (あ る い は on - off suppression) で き る こ と を mean し て い る. Be interstate に, outside liquid の マ ロ ン acid concentration を で between constant の と vibration areas of Duan Jie に variations change さ せ る と, reversible な の self-excited vibration on - off suppression が be presently さ れ た. こ れ は gave birth to the metabolism of specific の で masato even material (た と え ば ク エ ン acid な ど の organic acid) high concentration が ま っ た と き の み flapping す る よ う な イ ン テ リ ジ ェ ン ト ポ ン プ etc へ の 応 possibility with の に も つ な が る で あ ろ う. ま た NIPAAm ポ リ マ ー の temperature 応 answer, Ru (bpy) _3 ^ 2 + < > の light sensitivity を consider す る と, リ ズ ム を suppression す る external signal と し て concentration に outside temperature や も light using す る こ と が で き る.

项目成果

R.Yoshida, T.Sakai, S.Ito, T.Yamaguchi: "Self-oscillation of polymer chains with rhythmical soluble-insoluble changes"J.Am.Chem.Soc.. 124(27). 8095-8098 (2002)

R.Yoshida、T.Sakai、S.Ito、T.Yamaguchi：“具有节律性可溶-不溶变化的聚合物链的自振荡”J.Am.Chem.Soc.. 124(27)。

O.Tabata, H.Hirasawa, S.Aoki, R.Yoshida, E.Kokufuta: "Ciliary motion actuator using self-oscillating gel"Proceedings of the International Conference on MEMS'01. 405-408 (2002)

O.Tabata、H.Hirasawa、S.Aoki、R.Yoshida、E.Kokufuta：“使用自振荡凝胶的纤毛运动致动器”MEMS01 国际会议论文集。

R.Yoshida, T.Sakai, T.Yamaguchi: "Design of novel biomimetic polymer gels with self-oscillating function"Sci. Tech. Adv. Mater.. (in press). (2002)

R.Yoshida、T.Sakai、T.Yamaguchi：“具有自振荡功能的新型仿生聚合物凝胶的设计”Sci。

R.Yoshida, T.Sakai, S.Ito, T.Yamaguchi: "ACS Symposium Series : Nonlinear Dynamics in Polymeric Systems"American Chemical Society (in press). (2003)

R.Yoshida、T.Sakai、S.Ito、T.Yamaguchi：“ACS 研讨会系列：聚合物系统中的非线性动力学”美国化学会（正在出版）。

R.Yoshida, G.Otoshi, T.Yamaguchi, E.Kokufuta: "Traveling chemical waves for measuring solute diffusivity in theremosensitive poly(N-isopropylacrylamide) gel"J. Phys. Chem. A. 105(14). 3667-3672 (2001)

R.Yoshida、G.Otoshi、T.Yamaguchi、E.Kokufuta：“用于测量热敏聚（N-异丙基丙烯酰胺）凝胶中溶质扩散率的行进化学波”J。