高分子化学とナノ材料科学を基に、
生物に学び、生物と融合し、
そして生物を超える材料をめざして
生物は進化の過程で様々な機能を獲得し、生存競争を生き延びてきました。これら生物の持つ機能（特に表面機能）の原理を抽出し、そこから新しい材料開発のヒントを得ることができます。
例えば、ハスの葉の超撥水性は汚れの付かない表面コーティングに、
モルフォチョウの構造色は色あせない塗料の開発に、
ヤモリの手の粘着は貼って剥がせる粘着剤に…。
これらの機能は全て、生物が分泌する様々な物質群とその表面構造の掛け合わせで実現されています。構造を使う戦略は、生物が少ない資源を有効活用するために採った有効な戦略と考えることができます。
また、生物はタンパクや糖類など、限られた元素からなる高分子を自己集合・自己組織化させることにより、これらの材料や構造を形作っています。
一方で人類は有史以来多様な素材から様々な機能材料を発明し、利用してきました。生物が利用でできない元素や化合物を用いることで、様々な特性を持つ材料を開発しています。例えば、撥水のためのフッ素コーティングや、ガラスレンズの多層膜フィルムなどは生物は利用できない元素やプロセスにより達成されています。
そこで、非常に高い機能性や性能を持つ人工材料と、生物が利用している構造デザインを組み合わせることができれば、今までに無い新しい材料が開発できるはずです。
当研究室では、①生物から得られたヒント（材料デザイン）を基に、②ナノ材料や機能性高分子などの合成物を、③自己組織化や自己集合という低エネルギープロセスで形作ることで、生物に学び（Biomimetic)、生物と融合し（Biohybrid）、最終的には人工材料と生物デザインにより生物を超える（Metabio）材料の作製を目指しています。
具体的な例をいくつか下記に示します。
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・廃棄バイオマスを利用したエネルギー材料の創製
三陸地方で食されるホヤは身を取った後の殻が年間3,000~7,000tの産業廃棄物となっています。ホヤはセルロースを産生する唯一の動物であり、セルロースは殻に蓄積されていることから、殻からセルロースを抽出することができます。特にタンパクを除去し、解砕・解繊することで、セルロースナノファイバー（CNF）を得ることができます。過去の研究から、海洋由来のセルロースは結晶化度が高く、焼成するとグラファイト化率の高い炭素が得られることが報告されていました。我々はその特徴に注目し、CNF化のプロセス開発とCNFとしての特性解析や材料化、焼成によるバイオマス由来炭素としての機能開拓に取り組んでいます。
特に、年間2.5万トンもの産業廃棄物となっている食肉加工から生じる廃棄血液を乾燥させた乾燥血粉を混合焼成することで、触媒活性点として機能するヘモグロビン由来の錯体構造を炭素網面に埋め込んだ「ナノ血炭触媒」の合成に成功し、燃料電池や水電解、金属空気二次電池用電極触媒としての応用へと展開しています。
これらの成果を社会実装するため、地元企業や応用開発を行う企業と連携し、ローカルな資源循環と脱炭素化に貢献します。
ホヤ殻由来CNFと乾燥血粉から合成した「ナノ血炭触媒」とその性能 link
ホヤ殻由来CNFの供給等については、研究室にお問い合わせください。
また、本研究成果を用いて、充放電できる金属空気紙電池などの開発も行っています。link
本研究成果は廃棄バイオマスを高機能材料へ有効活用する事が注目され、英国BBC TechExproler linkや日本テレビ「所さんの目がテン」linkなどで取り上げられました。
・水滴を鋳型にした多孔膜と撥水・撥液材料の創製
疎水性の高分子溶液をキャスト製膜する際に高湿度の空気を吹き付けると、冬に窓ガラスに息を吹きかけたように、結露した水滴が溶液表面に形成されます。この水滴を鋳型として多孔膜を得るBreath Figure法と呼ばれる手法により、多様な高分子材料から多孔膜を作製する技術を開発しています。本技術は簡便にサブミクロン～ミクロンスケール（髪の毛の太さの１０～１００分の１）の微細な孔を高分子フィルムに開けることができ、企業と生産技術の開発に成功しています。
この「ハニカムフィルム」およびその上面を剥離して得られる「ピラーフィルム」は、ハスの葉の様に疎水性の凹凸構造を有しているため、非常に高い撥水性（超撥水性）を示す事を見いだしました。自然に学ぶプロセスを用いて、簡便に汚れの付かない表面の作製に成功しています。
また、逆に表面を親水化することにより、水中で油や気泡をはじく超親水表面や、ピラーフィルムにフッ素系の潤滑剤を担持させることにより、食虫植物のウツボカズラの表面を真似て作られた「水も油も流し落とす（オムニフォビック）表面」の開発にも成功しています。
・カテコール系材料：ムール貝の接着分子から着想を得た接着・還元・炭素源ポリマー
ムール貝に代表される海洋付着生物は、高塩濃度の海水に揉まれながらも岸壁や船底にがっちりと接着します。これらの海洋付着生物はその接着部位から、側鎖にカテコール基を含む特殊な接着タンパクを分泌し、このカテコール基の作用によって多様な材料表面に接着しています。
カテコール類は生物一般に広く見られる化学モチーフであり、コーヒーに含まれるCafeic Acid（カフェ酸）やタンニン、リグニンなどにも含まれています。また、我々の体の中で神経伝達物質として働くドーパミンや、日本人が古くから使用してきた漆の主成分であるウルシオールもカテコール類です。
カテコール類を合成ポリマーに組み込むことにより、多様な材料表面に接着できる粘着剤や接着剤、カテコール基の持つ還元能を利用した金属ナノ粒子合成、プロトン伝導膜などの機能性高分子材料の開発を行っています。
また、ドーパミンが自己酸化重合して得られるポリドーパミンを焼成することで、触媒能を持つ炭素材料の開発も行っています。
・ウィルスの様な微細構造を持つ合成高分子微粒子
ウィルスはタンパク質と核酸、糖類からなる極めて精密にできた分子機械であり、これを人工高分子から作るのは至難の業です。一方で人工高分子の中には、固体中で水と油の様に相分離する材料があります。例えば2種以上の高分子を混ぜたポリマーブレンドや、2種以上の高分子が末端でつながったブロック共重合体などです。
これらの材料から微粒子を形成する「自己組織化析出（Self-ORganized Precipitation, SORP)法」を発明し、微粒子の中に相分離した微細構造を作ることで、ウィルスの様な表面・内部構造を持つ高分子微粒子の作製に成功しています。
電子顕微鏡による観察技術の発達や、数学者とのコラボレーションにより、精密な構造制御や予測を可能とする理論の構築も進めています。
また、これらナノ構造を持つ微粒子を機能化することで、電子ペーパーの色材や超高感度の分子センサーなどへ応用展開しています。特に貴金属ナノ粒子とコンポジットすることにより、屈折率等の光学物性を自在に制御できるメタマテリアルへの展開や、色素や抗原を結合した粒子を基に、医師や企業と協力して医療診断に貢献できる診断装置の技術開発なども行っています。
・ヘモグロビンのヘム鉄に似た触媒分子
我々の血液で酸素を運んでいるヘモグロビンの活性部位であるヘム鉄は鉄錯体であり、鉄に酸素が吸脱着することで酸素の運搬が実現されています。人工物でこれに似た構造を持つ物質として、新幹線の青色顔料として知られている鉄フタロシアニンがあります。
この鉄フタロシアニン類縁体である鉄アザフタロシアニンを吸着させた炭素に電圧をかけると、酸素を還元して水酸化物イオンに変換する触媒として働くことを見出しました。酸素還元反応（Oxygen Reduction Reaction, ORR)は燃料電池や金属空気電池の正極反応であり、従来白金炭素（Pt/C）触媒が使われていましたが、我々が見出した鉄アザフタロシアニン単分子層（Fe AZUL）触媒はPt/Cよりも高い活性と安定性を示すことがわかりました。
この知見を基に、その実用化のため東北大学発ベンチャーであるAZUL Energy(株)を設立し、その普及と高性能化、応用展開を行っています。
・細胞外マトリクス環境を模倣する細胞培養基材
細胞は生体内でサイトカインなどの様々な液性因子やコラーゲンなどからなる細胞外マトリクスから様々な刺激を受けることで挙動が制御されています。近年、特に足場材料が細胞挙動に与える影響が検討され、細胞の接着・伸展・増殖・分化が足場の構造や力学物性により制御されることが明らかとなってきました。
我々は弾性率を制御したハニカム多孔体を細胞外マトリクスを模倣した足場材料とし、細胞の挙動を明らかとしてきました。特に幹細胞の分化制御は再生医療において欠かせない技術であり、新しい足場材料の構築とその機序の理解に貢献しています。
・3次元メタマテリアルの実現を目指した有機-無機ハイブリッド材料の創製
物質の透磁率を制御することにより、負の屈折率など通常の材料では示さない光学物性を持つ材料「メタマテリアル」となることが知られています。その実現には光の波長より十分小さく、光の磁場成分と相互作用する微細な共振回路により透磁率を変化させる必要があります。当研究室では独自の微粒子作製法とナノ粒子をコンポジット化させる手法を確立し、微粒子表面に微細な共振回路を形成し、透磁率を変化させる事ができることを国際的な共同研究により見出しました（link）。この成果は角度依存性がないメタマテリアルの実現につながるだけで無く、有機分子の様に構造と光学特性を設計できる「メタ分子科学」の基礎となる発見です。
その他にも、自己組織化による様々な材料の創製とその実用化に取り組んでいます。
例えば、負の屈折率を実現して、透明マントの様な光学機能を実現する微粒子材料や、抗原抗体反応を迅速・高感度に検知する材料・デバイスの創製、ポリマー固体電解質などの創・蓄電デバイス材料や熱電変換材料など、多様な材料・デバイスの開発に関わる研究を国内外の研究者や企業と進めています。
当研究室で研究をしてみたい学生の方、共同研究開発をご希望の方は藪までご連絡ください。