旧大学サイト｜研究室・研究紹介

［画像未復元：swelman.jpg］ 保存記録を確認

ようこそ！私たちは山形大学工学部ソフト＆ウェットマター工学研究室SWEL（古川 ヒデミツ×川上 勝×小川 純×アジット コースラ×シビル エムディ ナヒン イスラム×渡邉 洋輔の6人の博士を擁する融合領域研究グループ）です。

SWEL（読み方は「スウェル」）では、ゲルと呼ばれる柔軟物質（ソフトマター）を研究しています。ゲルとは、網目状の高分子が溶媒を吸収し膨潤しているソフトマターで、ウェットなことに特徴があります。

SWELは教育機関や企業などと幅広く連携した新産業創出と、次世代のものづくりを支える若手の人材育成を展開するために、3Dプリンタをはじめとする次世代ものづくり機器が設置されたグローカル・メイカーズ・プラットフォーム（GMP）を整備しています。

そして、これらの研究開発の結果を社会で実際に使えることを確認する社会実装にも注力しています。米沢の商工会議所や飲食店の方と共同で新しい食品の開発を目指す「米沢いただきます研究会」、市民や観光客が３Dプリンターを使ったものづくりを楽しむことができる「駅ファブ」、廃校利用の地域創生事業熱中小学校に設置した「理科ファブ」の運営など、様々な活動を進めてきました。

SWELは2017年11月に大学発ベンチャー「株式会社ディライトマター」（ http://d-lightmatter.com/ ）を設立しました。また、2018年4月に「やわらか3D共創コンソーシアム」（ https://soft3d-c.jp/ ）を設立し、古川が会長、川上が最高技術リーダー、小川が技術リーダーを務めており、食品・医療・ゲルの3D/4Dプリンティング、やわらかモビリティ、ソフトマターロボティクスの社会実装を狙う取り組みを加速しています。

私たちSWELは先端ソフト＆ウェット材料における高分子科学×機械工学を探究する新分野—ゲルメカニクス、ゲルフォトニクス、ゲルロボティクス—の開拓を目指しています！

※ SWELでは、外部からの大学院受験を歓迎いたします。修士課程・博士課程ともに社会人学生も在籍しています。いつでもお問い合わせください。
（参考1）博士後期課程に進学して良かったと思うこと
（参考2）SWELで博士を取るとこんなにいいことあるよ！

ゼリー、こんにゃく、ソフトコンタクトレンズ、おむつの中に入っている吸水性ポリマーは、ゲルと呼ばれる材料でできています。これらに共通することは、「柔らかい」、「水を含む」といった特徴を持ってる、つまり、ソフトでウェットな材料なのです。

　ゲルは、たとえば食品科学、医薬学、生物学など幅広い分野にまたがって研究されている、高機能材料です。ゲルの持つ特徴的な性質である保水性、薬品保持能、徐放性などを生かして、様々なゲル商品が使われています。

　近年、高強度ゲルと呼ばれる、ゴムのように嚙みきれない、ハンマーで叩いても壊れないゲルが日本で次々に開発されました。強度が向上したことによって、機械材料としての応用も考えられるようになりました。

　私たちの研究室は、ゲルを材料として扱い、3Dプリント技術開発やゲルアプリケーション開発（ゲルロボティクス）、内部構造解析（ゲルフォトニクス）、力学物性研究（ゲルメカニクス）を行う、ゲル研究のパイオニアです。

近年3Dプリンタという言葉をよく耳にするようになりました。みなさんは積層造形法（Additive Manufacturing）という言葉を聞いたことがありますか？削るのではなく、型を使うのではなく、1層1層材料を積み重ねて物を作ります。これが3Dプリンタです。

年々、3Dプリンタの造形精度は向上し、造形できる材料の幅も広がっていて、3Dプリンティングは製造業を中心に医療、教育など幅広い分野で普及してきています。

また、低価格3Dプリンタも販売されるようになり、個人でものづくりができる環境が整いつつあります。3Dプリンタなどを使ったデジタルなものづくりは、デジタルファブリケーションと呼ばれています。

私たちの研究室は、3Dプリンタを使って、研究教育用アプリケーション開発、ゲル研究に合わせたパーツの作成、さらにはデジタルファブリケーションの社会実装を行っています。

高強度ゲルの登場はゲルの材料としての応用可能性を広げました。しかしながら、ゲルを切ったり、削ったりして自由な形に加工することは困難です。そこで様々なゲルデバイスの造形できる3Dゲルプリンタ（Soft and Wet Intelligent Matter -Easy Realizer, SWIM-ER）が開発されました。

SWIM-ERはレーザーと光ファイバを駆使したゲルの三次元光造形システムです。 光でゲル化するゲル溶液中に、レーザー光を光ファイバを通して局所的に照射することで、短時間で自由造形することが可能です。コンピュータ制御により光ファイバはXYZ軸へ自在に動くので、複雑な空洞構造が高精度で造形できます。ゲル溶液を変えることによって高強度ゲル、形状記憶ゲルなど様々なゲルを造形することができます。

3Dゲルプリンタが開発されたことによって、ゲルの応用可能性は広がります。SWIM-ERは人工血管やアクチュエータなどの医療材料、機能性ゲルを用いたSoft and Wetなインテリジェントマテリアル(SWIM)製造への応用が期待されています。

ゲルは高分子といわれる長い分子が連結する(架橋)ことでジャングルジムのような三次元の網目構造をとっています。しかし、ゲルはその不均一性や特徴的な振る舞いから従来の動的光散乱装置での測定は困難です。走査型顕微光散乱(Scanning Microscopic Light Scattering、略称SMILS)はこの網目構造(網目サイズζ)を非破壊・非侵襲で測定することが出来ます。

SMILSはレーザー照射位置を連続的に走査し、多数の点から得た散乱光の情報を適切な統計処理を行うことで、ゲルのような不均一な試料でもナノメートルサイズの網目構造情報を得ることが出来ます。網目サイズの分布関数も得られるため、そのゲルの不均一性も知ることが出来ます。また、SMILSはゲルだけではなく、食品、生体高分子、コロイド溶液など様々な物の評価が可能です。SMILSを用いた解析によりゲルだけではなく、ソフトマターの更なる性能向上が期待されます。SMILSによって以下の情報を得ることができます。

• 網目同士を結ぶ橋掛け点(架橋点)の疎密に関する情報
• 橋掛けの不完全性や欠陥に関する情報
• ゲルの網目構造の不均一性に関する情報(き裂、空げき、濃淡、異物、白濁など)

相互架橋網目構造（Inter-Crosslinking Network structure, ICN）ゲル

ゲルは高分子が架橋されて、ジャングルジムのような3次元の網目構造をとっています。しかし網目構造は不均一で、機械強度が低いために材料として用いるのは難しいと考えられてきました。2001年以降、ゲルの架橋方法や構造を工夫することによって、機械強度が劇的に改善されています。

ICNゲルは複数の高分子が相互架橋することによって3次元の網目を形成しています。相互架橋剤は異種の高分子とそれぞれ架橋しており、同種の高分子の間では架橋しません。これらの高分子の種類を変えることによって、ゲルの特性を変えることができます。例えば、剛直な高分子と柔軟な高分子をそれぞれ架橋した場合、高延性を示すゲルが合成できることを確認しています。

形状記憶ゲル（Shape Memory Gels, SMG）

形状記憶ゲルとは、室温で変形後その形状を保ち、温度を上げると元の形状に戻る機能を持ちます。これはゲルのネットワークに組み込まれた結晶性モノマーによる効果です。従来の形状記憶ゲルは不透明であり、割れやすく脆弱なものでした。

そこで、私たちの研究室では、ユニークな合成法を用いることで、内部が均一な、透明の形状記憶ゲルの開発に成功しました。さらに、合成に使用する成分の比率を変えることで、ゲルの屈折率や含水率を制御できます。また、温度によって透明、不透明を切り替えることも可能になりました。

現在、白内障手術で使われる眼内レンズに、この透明形状記憶ゲルを用いる研究が進んでいます。今後、透明形状記憶ゲルの医療への応用がますます期待されています。

［画像未復元：kawakamimodel3-300×197.jpg］ 保存記録を確認

私たちの体の働きを担う分子はタンパク質です。タンパク質はアミノ酸が数珠状につながった一本の「ヒモ」状分子で、これが巧妙に折りたたまれた構造をとっています。その機能を理解するためにはタンパク質の構造を正確に理解することが重要です。しかし、タンパク質は複雑な形をとっているので、その構造を「立体的に、直観的に」把握することは困難です。

川上モデルはカラー３Ｄプリント技術を応用し、タンパク質の骨格構造を透明なシリコーン樹脂で覆った分子模型です。骨格構造とは、この分子の立体配置を表します。一方、結合する相手を認識したり、会合したりといった分子の働きに最も重要なものは「分子表面の形」であり、この形状を透明なシリコーン樹脂で正確に形成しています。

川上モデルは柔らかく丈夫なシリコーン樹脂でできているため、タンパク質模型を変形させて表面の「くぼみ」に薬剤分子模型をはめこんだり、模型同士の組み合わせで複合体をつくるといったことが容易になります。これまでＰＣ上で仮想的に行っていたシミュレーションを「柔らかい」立体的な模型で行うことにより教育や研究の現場での教材、ディスカッションツールとして活用されることが期待されます。分子模型だけでなく臓器の模型に応用することも可能で、さらに、より生体に近い材料（ゲル）を使った新規モデルの開発にも取り組んでいます。

ようこそ！GMPは、私たち−山形大学工学部ソフト&ウェットマター工学研究室−が行っている活動の一つです。

GMPとは、Glocal Makers Plathomeの頭文字をとっています。Glocalという単語は、みなさん見たことなく、違和感を感じることと思います。この単語には、「3Dプリンタをはじめとするレーザーカッター、3Dスキャナーなどの次世代モノづくり機器を置いている場所を拠点に、世界(Global)と地域(Local)から人々が集まり、多種多様なアイデアを形にし、モノづくりに活かしていく」という意味が込められています。

［画像未復元：gmphp-300×194.png］ 保存記録を確認

［画像未復元：gmpobject-300×225.jpg］ 保存記録を確認

GMPでは、大学内の多くの研究室や全国または地元の企業とのコラボレーションを通して、新しいモノづくりの方法でアイデアを形にしています。

また、市民や観光客が３Dプリンタを使ったものづくりを楽しむことができる「駅ファブ」、「理科ファブ」などを運営しており、次世代モノづくり機器への触れ合いを増やしています。

あなたもアイデアを形にし、モノづくりを楽しみましょう!!

［画像未復元：f96d9b4281f6d16b3c7589aed5a17be5-212×300.png］ 保存記録を確認

ゼリー、こんにゃく、ソフトコンタクトレンズ、おむつの中に入っている吸水性ポリマーは、ゲルと呼ばれる材料でできています。これらに共通することは、「柔らかい」、「水を含む」といった特徴を持っている、つまり、ソフトでウェットな材料なのです。

ゲルは、たとえば食品科学、医薬学、生物学など幅広い分野にまたがって研究されている、高機能材料です。ゲルの持つ特徴的な性質である保水性、薬品保持能、徐放性などを生かして、様々なゲル商品が使われています。

近年、高強度ゲルと呼ばれる、ゴムのように嚙みきれない、ハンマーで叩いても壊れないゲルが日本で次々に開発されました。強度が向上したことによって、機械材料としての応用も考えられるようになりました。

私たちの研究室は、ゲルを材料として扱い、3Dプリント技術開発やゲルアプリケーション開発（ゲルロボティクス）、内部構造解析（ゲルフォトニクス）、力学物性研究（ゲルメカニクス）を行う、ゲル研究のパイオニアです。

近年3Dプリンタという言葉をよく耳にするようになりました。みなさんは積層造形法（Additive Manufacturing）という言葉を聞いたことがありますか？削るのではなく、型を使うのではなく、1層1層材料を積み重ねて物を作ります。これが3Dプリンタです。

年々、3Dプリンタの造形精度は向上し、造形できる材料の幅も広がっていて、3Dプリンティングは製造業を中心に医療、教育など幅広い分野で普及してきています。

また、低価格3Dプリンタも販売されるようになり、個人でものづくりができる環境が整いつつあります。3Dプリンタなどを使ったデジタルなものづくりは、デジタルファブリケーションと呼ばれています。

私たちの研究室は、3Dプリンタを使って、研究教育用アプリケーション開発、ゲル研究に合わせたパーツの作成、さらにはデジタルファブリケーションの社会実装を行っています。

生体現象の解明には生体高分子、特にタンパク質の機能についての理解が必須です。従来、タンパク質の構造解析はよく行われてきましたが、それによって得られる情報は静的なものでした。実際にタンパク質が機能するときには動的(ダイナミック)な構造を理解することが重要となってきます。

これまで、分子のダイナミクスの情報は、多数の分子が存在する試料を測定することによって得られていました。そこで単一分子そのものを定量的に測定するために、原子間力顕微鏡という装置を用いています。原子間力顕微鏡は、カンチレバーという非常に細い探針で試料表面を走査させる装置です。図に示すように、この探針を生体単一分子に押し付けや引張りを行うことで単一分子のみを引張ることによって、粘弾性、強さ、構造などの情報を得ることができます。