刺激応答性ゲルのナノ構造制御によるインテリジェントアクチュエーターの開発

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分子設計により様々な刺激に応答可能であり、自律的にシグナルを受信して運動機能を発現させる温度応答性高分子であるpoly(N-isopropylacrylamide)は水環境で駆動するアクチュエーター素子として有望である。この外部刺激に応答する膨潤収縮特性を利用したソフトアクチュエーターの開発が期待されている。これまでの高速応答を目的とした研究はゲルの等方的な応答のみが達成され、ハイドロゲルを高速屈曲させる一般的手法は考案されていないため、これを開発することは意義深い。申請者は、一つのゲル内のナノ構造(ナノドメイン)に勾配を形成させ、ゲルの両面の物性の差を駆動力にゲルを湾曲させることを考えた。初年度は、ゲルの物性を制御すること現象を見出すことを中心に研究を展開し、シリカ微粒子また空孔の存在がゲルの膨潤収縮へ与える影響を詳細に検討することでゲルの湾曲メカニズムを実験的に解明した。2年目は積極的に応用研究が展開可能な、真に実用化可能な材料設計を目指した。特定刺激に応答して自在に形状を変化させるハイドロゲルが合成されれば、スイッチ素子や人工弁、人工筋肉などへの応用が期待される。そこで、体内で最も重要な刺激因子となる温度とpHに着目し、これらの二つの刺激に応答するゲルの合成を行った。具体的には、これまでの無機微粒子ではなく、pH応答性の高分子を用いた。初年度に開発した方法を用いて、ポリ(アクリル酸)をゲル内に勾配を持たせて分布させ、勾配ゲル(勾配型semi-IPNs)を合成した。二次元での勾配材料は積極的に研究されているものの、三次元的な勾配材料の研究は少ない。そのため、今回作製した勾配型semi-IPNsは、これまでに無い新しいゲルであり、興味深い。さらに得られたゲルは、複数刺激に応答して湾曲することから、人工筋肉への応用に向けて、大きく一歩前進したと考えられる。