Construction of Biomimetic Moving Systems Using Polymer Gels

使用聚合物凝胶构建仿生移动系统

基本信息

  • 批准号:
    09102002
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 122.69万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
  • 财政年份:
    1997
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    1997 至 2001
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

In order to create biomimetic motility systems, polymer gels have been employed using their reversible size and shape change, thereby realizing the motion by integrating the deformation on a molecular level. Along this line, several kinds of artificial soft machines have been constructed using synthetic polymer gels, such as gelooper (gel-looper), gelf (gel golf), gel valves, chemical motor, shape memory gel, artificial muscle, artificial heart. Motivated by these research results, we have succeeded in obtaining hydrogels with a high mechanical strength as 10 MPa sustaining more than millions of continuous wearing test with little wearing due to their extremely low frictional coefficient. These gels might open new era of soft & wet materials for substituting articular cartilage and other tissues of human body.By comparing the behaviors of gel machine with the solid machine, the specific features of the soft and wet machine have been elucidated. For example, if a gel has free dangling charged polymer chains on its surface, the frictional coefficient becomes as low as 10^<-4>, which is lower than that of animal articular cartilage.We have successfully created an ATP fueled soft gel machine reconstructed from muscle proteins of actin and myosin. Chemically cross-linked actin gel filaments, several thousand times the volume of native actin filaments (F-actin) move along a chemically cross-linked myosin fibrous gel (1 cm long and 50 μ m in diameter) with a velocity as high as that of native F-actin, by coupling to ATP hydrolysis. The muscle protein-gel demonstrates that one can reconstruct a soft machine fueled by chemical energy by using actin and myosin molecules as elementary elements.
为了创建仿生运动系统,人们利用聚合物凝胶的可逆尺寸和形状变化,从而通过在分子水平上整合变形来实现运动。沿着这条线,已经使用合成聚合物构建了几种人造软机器。凝胶,如gelooper(凝胶-looper)、gelf(凝胶高尔夫)、凝胶阀门、化学马达、形状记忆凝胶、人造肌肉、人造心脏等在这些研究成果的推动下,我们成功地获得了具有凝胶功能的水凝胶。由于其极低的摩擦系数,机械强度高达10 MPa,可承受超过数百万次的连续磨损测试,磨损很小,这些凝胶可能开启软湿材料替代关节软骨和人体其他组织的新时代。凝胶机器与固体机器的行为,已经阐明了软湿机器的具体特征。例如,如果凝胶在其表面上具有自由悬挂的带电聚合物链,则摩擦系数会低至 。 10^<-4>,低于动物关节软骨。我们成功地制造了一种由肌动蛋白和肌球蛋白的肌肉蛋白重建的ATP驱动的软凝胶机器,其体积是肌动蛋白凝胶丝的数千倍。天然肌动蛋白丝(F-肌动蛋白)沿着化学交联的肌球蛋白纤维凝胶(长 1 厘米,直径 50 μm)移动,速度与天然肌动蛋白丝一样高F-肌动蛋白,通过与 ATP 水解偶联,肌肉蛋白凝胶表明,人们可以通过使用肌动蛋白和肌球蛋白分子作为基本元素来重建由化学能驱动的软机器。

项目成果

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专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A.Matsuda: "Ionization and Order-Disorder Transition of Hydrogels with Ionizable Hydrophobic Side Chain"J.of Molecular Structure. 554. 91-97 (2000)
A.Matsuda:“具有可电离疏水侧链的水凝胶的电离和有序无序转变”J.of Molecular Structure。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
A.S.Dilgimen: "Water-Soluble Covalent Conjugates of Bovine Serum Albumin with Anionic Poly(N-isopropyl-acrylamide) and Their Immunologenicity"Biomaterials. 22. 2383-2392 (2001)
A.S.Dilgimen:“牛血清白蛋白与阴离子聚(N-异丙基丙烯酰胺)的水溶性共价缀合物及其免疫原性”生物材料。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
T. Miyazaki, T. Kaneko, J. P. Gong, and Y. Osada: "Effects of Carboxyls Attached at Alkyl Side Chain Ends on the Lamellar Structure of Hydrogels"Macromolecules. 34. 6024-6028 (2001)
T. Miyazaki、T. Kaneko、J. P. Kong 和 Y. Osada:“烷基侧链末端附着的羧基对水凝胶层状结构的影响”大分子。
  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
K.Yamaoka: "Liquid Crystalline Gels. 3. Role of Hydrogen Bonding in the Formation and Stabilization of Mesophase Structures"Macromolecules. 34. 1470-1476 (2001)
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  • DOI:
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
  • 通讯作者:
Y. Katsuyama, T. Kurokawa, T. Kaneko, J. P. Gong, and Y. Osada: "Inhibitory Effects of Hydrogels on the Adhesion, Germination and Development of Laminaria Angustata Originated Zoospores"Macromolecular Bioscience. (in press).
Y. Katsuyama、T. Kurokawa、T. Kaneko、J. P. Kong 和 Y. Osada:“水凝胶对海带起源游动孢子的粘附、萌发和发育的抑制作用”高分子生物科学。
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