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研究内容

 
Tetraゲル

ハイドロゲルは、高分子の三次元網目が溶媒として水を含んだものであり、生体軟組織と類似の構造を有しています。そのような類似性より、生体内で用いられるバイオマテリアルとしての応用が期待されています。
 

  • Hydrogel, made by Toyoichi Tanaka

  • Ronnie Coleman, from his instagram


バイオマテリアルには、生体内という過酷な環境で様々な機能が求められます。
真に役に立つバイオマテリアルを創るためには、ハイドロゲルの物性の制御が不可欠です。
ハイドロゲルの骨格である高分子の三次元網目を制御することができれば、ハイドロゲルの物性の制御が可能となります。
しかしながら一般に、網目状高分子は不均一な構造をしており、構造の制御が困難であることが知られています。
そのために、ハイドロゲルの物性制御は一般に困難であるとされてきました。
 
Heterogeneous network structure

それに対して、私たちは、極めて均一な構造を有するハイドロゲルを世界で初めて作製することに成功しました。
具体的には、相互に結合可能な官能基を持つ2種類の四分岐高分子を合成し、それらからハイドロゲルを作製しました。
私たちは、四分岐のPolyethyleneglycol (PEG)からなるこのハイドロゲルをTetraゲルと名付けました。
Tetraゲルは、構造が明確なために、構造と物性の相関を調べる研究対象としてうってつけの材料です。
ハイドロゲルの構造と物性を調べ、ゲルの理論体系を強固にすることは我々の大きな目的の一つです。
 

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関連リンク
Nature Biomedical Engineeringの記事
「人工硝子体として長期埋め込み可能なゲル」
 

 

ハイドロゲルをつくる

ハイドロゲルの一種であるゼリーなどを思い浮かべると、ハイドロゲルは固体のような性質と液体のような性質の両方を持っていることが何となく実感できると思います。

ただし、物質としてみた場合、ハイドロゲルは流れることはなく、手にとって持ち運ぶことができるので、実は固体です。よって、ゲルをつくるときには、もともとゲルではない液体なので、液体が固体になるという変化が起こります。この変化を、ゾル・ゲル転移、もしくは単にゲル化と呼びます。

ゲル化前には液体であるので、注射器から出したり、型に入れて任意の形に変形させたりすることができます。一方で、ゲル化した後には固体になるので、注射器から出したり、大きく変形させたりすることはできなくなります。例えば、ハイドロゲルを成型する必要があるときは、ゲル化時間が早すぎると成型に必要な時間がとれなくなります。
止血のためにハイドロゲルを用いる場合、ゲル化時間が長すぎると固まる前に溶液のまま流れてしまいます。
すなわち、ゲル化時間は適切に制御される必要があります。




また、ハイドロゲルを生体内でつくるためには、ゲル前駆体や反応そのものの生体適合性も重要になります。
さらには、ハイドロゲルを組織表面にうまく塗布するためには、ゲル化前の溶液の粘度特性の制御も重要です。
これらすべてを含めた、ゲル化の制御は、ハイドロゲルを実用化する上できわめて重要なファクターです。
私たちは、物性の制御性を損なわずに、ゲル化の制御を行うことを大きな目的の一つとしています。


 

ハイドロゲルでなおす

ハイドロゲルが体内で果たすことができる役割は、様々あります。
例えば、「 薬を徐放する」、「細胞の足場になる」、「軟組織を代替する」などです。
いずれの役割にしても、当たり前ですが、周辺組織を傷つけないことは最低限必要とされます。

そのような安全性を担保するためには、もちろん生体に刺激の少ない化学物質である必要がありますが、生体に与える物理的な影響についても考慮する必要があります。

その1つは、ハイドロゲルの持つ固さ(弾性率)です。
周辺組織と比べて固すぎる場合、周辺組織を傷付ける可能性があるので、ゲルは、周辺組織と近い弾性率を持つ必要があります。

もう1つは、ハイドロゲルの膨潤圧です。
生体内には、豊富に水が存在します。ハイドロゲルは一般に、水中で膨潤する傾向を持ちます。
膨潤する圧力は周辺組織を傷害する程度に大きいために、特に閉鎖空間においてゲルを用いる場合には、注意する必要があります。
 
Highly stretchable hydrogels

このように、安全性一つ取っても、ハイドロゲルに求められる性質は多岐に渡ります。
実用化のためには、安全性を担保しつつ、物質の放出を制御したり、細胞の成長を促したり、高い力学特性を維持したりといった、高次の機能を付与する必要がありますので、場当たり的な設計では目的の機能を持ったゲルをつくることは困難です。

私たちは、これらの機能を独立に制御すべく、ハイドロゲルの網目構造と物性・機能の相関を調べ、理論体系を構築するところから研究を進めています。

最近では、「水中でも膨らまず、弾性率が制御可能で、かつ高い力学特性を持つゲル」など、複雑な機能を有するゲルをつくることが可能になりつつあります。





 

ハイドロゲルをこわす

ハイドロゲルを体に入れた後のことを考えてみましょう。
例えば、人工軟骨や、再生医療における細胞足場として、入れた場合です。
そのまま一生、体の中でそのままの状態で存在し続けるでしょうか?
実は、そんなことはありません。
ハイドロゲルは、体の中で少しずつダメージを受け、徐々に膨潤していき、最後には溶けてしまいます。
一般にハイドロゲルは、このようなバルク分解と呼ばれる機構で壊れます。
そのために、長期的な使用を考えた場合には、必ずゲルの分解の影響を考えなくてはなりません。

一方で、そんなに長く体内に存在する必要がない場合もあります。
例えば、創傷被覆や、癒着防止、細胞足場としての利用の場合です。
これらの場合は、1週間から半年くらいの時間で壊れていくことが望まれます。
特に、細胞足場の場合は、細胞の増殖と同期して壊れていくことが理想的です。

これらの例から分かることは、ハイドロゲルの分解性を制御することがきわめて重要であることです。
ハイドロゲルの分解性の精密な制御は、私たちの大きな目的の一つです。


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