アールト大学とバイロイト大学の研究チームが、人間の皮膚のように高い剛性と柔軟性を保ちながら自己修復できる革新的なハイドロゲルを開発した。特殊な粘土ナノシートを活用したこの新素材は、創傷治癒から人工皮膚、ソフトロボティクスまで幅広い応用が期待されている。
従来の限界を突破した自己修復材料
私たちの日常生活には様々なゲル状の物質が存在している。ヘアスタイリング剤から食品まで、ゲルは身近な存在だ。人間の皮膚もゲルに似た特性を持つが、高い剛性と柔軟性を兼ね備え、さらに負傷後24時間以内に完全に自己修復できるという独特の能力を持っている。
これまでの人工ゲルは、高い剛性か自己修復特性のどちらか一方しか実現できなかった。しかし、フィンランドのアールト大学とドイツのバイロイト大学の共同研究チームは、この限界を打破する画期的なハイドロゲルを開発した。この成果は3月7日に科学誌『Nature Materials』に発表された。
「固くて強く、自己修復するハイドロゲルは長年の課題でした。私たちは従来の柔らかいハイドロゲルを強化するメカニズムを発見しました。これは生物学的特性を持つ新材料の開発に革命をもたらす可能性があります」とアールト大学のHang Zhang博士は説明している。
ナノシートと分子のもつれが生み出す自己修復能力
研究チームは、通常は柔らかく弾力のあるハイドロゲルに、特殊な粘土である「ヘクトライト」の極めて大きく超薄型のナノシートを添加した。その結果、ナノシート間に高度に秩序だったポリマー構造が形成され、ハイドロゲルの機械的特性が向上するだけでなく、素材に自己修復能力を与えることに成功した。
製造プロセスは驚くほど単純だ。アールト大学のポスドク研究員Chen Liang氏は、モノマー粉末をナノシートを含む水と混合し、その混合物をUVランプ（ジェルネイルポリッシュを固めるのと同様のもの）の下に置く。「ランプからのUV放射により、個々の分子が結合して弾性のある固体、つまりゲルになります」とLiang氏は説明する。
「もつれとは、薄いポリマー層がランダムな順序で小さな毛糸のように互いにねじれ始めることを意味します。ポリマーが完全にもつれると、それらは互いに区別がつかなくなります。分子レベルで非常に動的で可動性があり、切断すると再び絡み合い始めます」とZhang氏は付け加える。
このハイドロゲルの修復能力は驚異的だ。ナイフで切断してから4時間後には、素材はすでに80〜90%自己修復している。24時間後には、通常完全に修復される。さらに、1ミリメートルの厚さのハイドロゲルには10,000層のナノシートが含まれており、これにより素材は人間の皮膚と同程度の剛性を持ち、同程度の伸縮性と柔軟性を有しているのだ。
医療からロボティクスまで広がる応用可能性
このユニークな特性を持つハイドロゲルは、薬物送達、創傷治癒、ソフトロボティクスセンサー、人工皮膚など、多くの分野での応用が期待されている。
「これは、生物学的材料がどのように新しい合成材料の特性の組み合わせを探すよう私たちに刺激を与えるかの興味深い例です。頑丈で自己修復するスキンを持つロボットや、自律的に修復する合成組織を想像してみてください」とアールト大学のOlli Ikkala教授は述べている。
実用化にはまだ道のりがあるものの、現在の結果は画期的な飛躍を表している。「これは、材料設計の規則を刷新する可能性のある基本的な発見です」とIkkala教授は付け加えた。
商業利用に向けた今後の開発と研究が進めば、自己修復合成組織、保護外層を持つ柔軟ロボット、自動修復する医療材料などが実現する可能性がある。特に論文の詳細から、このナノ閉じ込め戦術は他のタイプのゲルや溶媒にも拡張でき、さらにMXeneなどの機能性ナノ材料を組み込むことも可能であることが示されている。
論文
- Nature Materials: Stiff and self-healing hydrogels by polymer entanglements in co-planar nanoconfinement
参考文献
- Aalto University: Researchers create gel that can self-heal like human skin
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