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

基本信息

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

项目摘要

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。

在这项研究中，我们开发了一种新的“自激振荡凝胶”，它在一定条件下表现出自发的周期性节律运动，类似于心脏的跳动。换句话说，在凝胶内部引起具有循环反应回路的Belosov-Zhabotinsky反应（BZ反应），这也是生物代谢反应（TCA循环）的化学模型，将化学能转化为机械能。通过分子设计，我们成功地在凝胶中产生周期性的膨胀和收缩振动。通过使用这种自振荡凝胶，人们认为将有可能设计出新的分子同步材料，例如自行周期性移动的微致动器、自脉动（蠕动）微泵、分子起搏器和信息传输装置。在本研究中，我们通过向振荡凝胶施加脉冲形式的外部信号（温度变化、底物添加）来控制振荡节奏。首先，阐明了凝胶振动周期和振幅对底物浓度的依赖性。 BZ反应具有支链结构，在一定的底物浓度下，该结构从振荡状态不连续地变化到稳态（振动停止状态），反之亦然。这些事实意味着凝胶的振动节律可以通过外部信号（例如底物的添加和去除）来控制（或开关控制）。事实上，自激振荡的可逆开关控制是通过在稳态和振荡区域之间逐步改变外部溶液中的丙二酸浓度来实现的。这可能导致应用于仅当体内特定代谢相关物质（例如柠檬酸等有机酸）浓度增加时才会脉动的智能泵。此外，考虑到NIPAAm聚合物的温度响应性和Ru(bpy)_3^<2+>的光敏性，除了浓度之外还可以使用温度和光作为外部信号来控制节律。