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スライドリング マテリアルの基本要素: 分子ネックレス

スライドリング マテリアルは、分子で作られたナノサイズの「ネックレス」が基本要素になっています。これは「ポリロタキサン」と呼ばれていますが、直鎖状高分子「ポリエチレングリコール(PEG)」と、 環状分子「シクロデキストリン(CD)」、ストッパー分子「アダマンタンアミン」の3つの材料から構成されています。ポリロタキサンは大阪大学大学院原田明研究室で1990年に初めて合成されました。ポリロタキサンのような分子の複合体は化学の分野で「超分子Supramolecule」と呼ばれています。

スライドリング マテリアルの構造と機能: 滑車効果とスライディング効果

架橋点が自由に動く構造 (滑車効果)
大きく伸び縮みする・つぶしても元に戻る・引っ張っても切れにくい

東京大学伊藤耕三研究室では、分子ネックレス(ポリロタキサン)の環状分子(シクロデキストリン)の包接量をコントロールし、直鎖状高分子上を自由に動くことができるようにして、環状分子同士を架橋させました。スライドリング マテリアルの構成分子であるシクロデキストリンには多数の水酸基が存在します。ここを架橋点として分子ネックレス同士、または分子ネックレスと他のポリマーと架橋させると、架橋点が自由に動く超分子ネットワークをつくることができます。これがスライドリング マテリアルの基本構造です。この際、架橋点は滑車のように作用し(滑車効果:Pulley Effect)、ポリマー間のテンションを均一にするという効果があります。 この効果によってスライドリング マテリアルは、ユニークな力学特性を発現し、今までにないまったく新しい機能を有する高分子材料を誕生させることができました。


右の技術説明動画をご参照ください。

スライディング効果

スライドリング マテリアルは架橋点が自由に動くにもかかわらず、優れた復元性を示します。これはスライディング効果によって説明されます。分子ネックレス上のシクロデキストリン(環状分子)のうち、架橋していないシクロデキストリンは、圧縮されて軸分子上でお互いの距離が接近すると、できるだけ距離を一定に保とうとする空気バネ的効果を発現します(減少した環状分子の配置エントロピーが元に戻ろうとする新しいエントロピー弾性=スライディング弾性)。この効果によりスライドリング マテリアルは、弾性率(ゴム硬度)と圧縮永久歪みや応力緩和性がいずれも小さいという従来の樹脂にはない特性を実現します。
1. ユニークな力学特性

スライドリング マテリアルの応力伸張特性は、その滑車効果により従来の高分子材料とは違った挙動を示し、低伸長領域で「下に凸」の曲線(J字型応力伸張曲線)を示し、また「履歴が全く見られない」という特性も有しています。このような応力伸長特性は、皮膚や筋肉、血管などの生体組織に近い力学特性であると言われています。

2. 化学修飾による物性のコントロール

シクロデキストリンの水酸基を化学修飾することにより、スライドリング マテリアルは下記のような性能を分子レベルで自在にコントロールすることが可能になります。

  ・溶剤への溶解性
  ・他材料との相溶性
  ・相転移温度
  ・特殊機能(温度応答、レオロジー)
  ・親水性、疎水性
  ・反応性(熱、光)
  ・分散性(エマルション化)
  など

以上のことにより他の汎用高分子材料との複合化が可能になり、その材料が本来持つ性質に加えて、スライドリング マテリアルが持つ特性をその材料に付与させることが可能になっています。

3. 生体安全性

スライドリング マテリアルの構成材料であるポリエチレングリコールは、医薬・化粧品等に広く利用されています。 またシクロデキストリンも医薬・食品等に幅広く利用されています。
過去に実施したスライドリング マテリアルを用いた細胞毒性試験、筋肉埋植試験では、埋植周辺組織に対して炎症反応を惹起せず、 材料と組織との癒着がまったく見られないという結果が得られています。

スライドリング マテリアルの文献

スライドリング マテリアルについて、既に多数の論文が出されています。さらに詳しい文献情報はこちらをご覧ください。