研究テーマ

化学というと色々な薬品を使うイメージがあると思います。化学反応によって何かを作る時には、原子や分子などの組み合わせを変える必要があります。原子や分子は何らかの化学結合で繋がっているので、それを一度切って (結合を弱めて)、また別のものと繋げる (結合を強める) ことが必要です。結合を弱めたり強めたりすることは、目的の原子や分子の周りに「別の物質」を置くことで可能です。この「別の物質」を置くことが、色々な薬品を使うということになります。では、他の方法はないのでしょうか？ 自然界には、実験室にあるような薬品はほとんど存在せず、"水"を中心とした化学反応が行われています。その理由は、"水"の機能を最大限利用して「別の物質」をできるだけ使わない仕組みになっているからです。温度や圧力などをコントロールすることで、"水"の様々な性質 (極性やpH) を変えることができます。将来的には、自然の仕組みに学んだ"水"を使った化学にシフトしていくことも考えられます。

化学・材料学科の長田 光正 准教授は、"水"の機能を活用した化学を探求しています。木はセルロースという高分子が集まったナノファイバーという細い繊維から成り立っています。このセルロースのナノファイバーが"水"に分散した液体を、温度160℃、圧力0.6 MPaで30分程度処理すると、写真のような色々な形状を維持したハイドロゲルになります。これはナノファイバーの周りの"水"の環境を適切にコントロールすることで、ナノファイバー同士の間に働く力を変えて、部分的にナノファイバー同士を接着しているためです。このように薬品を使わなくても、"水"の温度や圧力を操作することで、原子や分子の間の力を制御する研究を行っています。

(掲載期間 平成31年 1・2月)

暗闇で怪しい光を放つ謎の液体 (動画あり：上)。その正体は、植物由来食物繊維のセルロースの微細繊維 "セルロースナノウィスカー" です。植物や海藻、ホヤという動物、ナタデココの中などに、食物繊維の一種であるセルロースが含まれています。セルロースの長い分子が束になって形成している超微細繊維を塩酸や硫酸を使って取り出すと、電子顕微鏡でなければ観察できないような微粒子 (幅10 nm、長さ100 nm；写真中央) を取り出すことができます。このセルロースの微粒子はとても軽いのにその一本の強度はガラス繊維よりも強く、生分解性があります。燃やしても有毒ガスを発生しないので環境負荷を与えず、そのためプラスチックの補強材として世界各国で研究が進められています。化学・材料学科の荒木 潤 准教授は、このセルロース微粒子を抽出する技術、またさまざまな物質の補強のために表面を改質するための、世界最先端の技術を持っています。セルロースに銀の微粒子や高分子鎖を結合して分散性や抗菌性を上げたり、セルロース粒子だけを使って繊維を紡糸する技術を開発したりしています (写真下)。

荒木准教授はセルロース粒子の乾燥粉末を世界で初めて開発し、ベンチャー企業から商品化するだけでなく、他の企業との共同研究も盛んに行っています。

ヒトにブタなどの動物の組織や臓器を移植しても、すぐに拒絶されてしまいます。これは、ヒトの免疫系が動物の細胞を異物として認識することが原因です。一方、動物組織の細胞以外の部分である「細胞外マトリックス」は、ほとんど免疫拒絶されません。ここに目を付けた、動物の組織から細胞だけを取り除いた"脱細胞化組織"を医療機器・デバイスとして利用する研究が、盛んに行われています。応用生物科学科の根岸 淳 助教は、粉末化した脱細胞化組織を動物体内に移植すると、ケガを治すときの生体反応である創傷治癒が誘導されることを見い出しました。粉末化した脱細胞化組織は細胞外マトリックスがバラバラになっており、ケガをした動物組織の状態と類似しているために創傷治癒が誘導される、という仕組みのようです。脱細胞化組織粉末による創傷治癒誘導を利用した神経や筋肉を再生させる研究は、事故の後遺症治療や高齢者の寝たきり解消につながると期待されます。

根岸研究室ではこの他にも、脱細胞化組織加工材料が細胞と混ぜて体内に注入できる点を活かし、乳がん摘出後の乳房組織再建など、体内での組織再生技術を開発しようとしています。

(掲載期間 令和元年 5・6月)

近年のVR (Virtual Reality; 仮想現実) やAR (Augmented Reality; 拡張現実) 技術の発展には目を見張るものがあります。これらの技術は、現在のところゲームなどのエンターテイメント分野で主に用いられていますが、繊維学部にはVR・AR技術を用いて衣服を設計しようとしている研究室があります。

コンピュータシミュレーションが専門の先進繊維・感性工学科の乾 滋 教授は、衣服を製作する際に必要となる型紙をVR・AR技術を用いて仮想的に作成するシステムを開発しています。ユーザーはヘッドマウントディスプレイ (HMD) を装着し、HMDを通して見える仮想的に再現された布を手を使って切り貼りすることで、実際に布やハサミを用いることなく型紙を作成することが可能です。すべての作業が仮想空間上で行われるため、作業のやり直しが容易なことから、衣服設計の省コスト化や効率化が進むという利点があります。この研究が実用化されれば、ひとりひとりの体型にフィットする衣服のオーダーメードがより身近なものになるでしょう。

(掲載期間 令和元年 7・8月)

近年、技術の急速な発展の一方で、水と大気の汚染が深刻化しています。私達の健康的な生活にとって、細菌を含まないきれいな水や空気は必要不可欠です。機械・ロボット学科の金 翼水 教授はナノファイバーを用い、これらの問題を解決する研究を行っています。ナノファイバーは1本の太さが100ナノメートル、髪の毛の500分の1程度という極細繊維です。従来のマイクロファイバーよりもさらに細くなったことにより様々な性能が向上し、医療分野から電気・電子分野まで幅広く研究開発が進められています。

現在、幅広い用途があるナノファイバーの半数以上が医療分野で応用されています。医療で使用する際、そのナノファイバーは抗菌性をもっている必要があります。従来のナノファイバーに酸化銅を付加することで、生成したナノファイバーは従来のナノファイバーよりも高い抗菌作用をもつことが確認されました。このナノファイバーは、エアフィルターやマスク、浄水用の膜、傷の治療、組織工学、加水分解など、様々な用途に使用されています。ナノファイバーの使用用途は幅広いがゆえに様々な可能性を秘めており、金研究室はその可能性をさらに追及していきます。

(掲載期間 令和元年 9・10月)

近年の気候変動の影響により、土壌水や海水由来の塩類が土壌表層に集積する現象が、世界の農地で急速に増加しています。過剰な塩類集積は塩ストレスとなり、植物の成長や生産性を著しく減退させる "塩害" を引き起こします。重要な穀物である米を生産するイネは、穀類で最も塩ストレスに弱い作物です。土壌の塩類化の影響を受け、東南・西アジアの稲作地を中心に、塩害による米の減収が年々、深刻化しています。

応用生物科学科の堀江 智明 准教授の研究室では、塩害耐性が向上したイネ品種の作出を目指した研究を進めています。塩害を引き起こす要因の一つは毒性イオンであるNa⁺ (ナトリウムイオン) の植物体内への高蓄積ですが、植物が持つ防御機構の全容は不明なままです。近年、驚くべきことに、植物細胞の水の吸収・排出を担う水チャンネル (アクアポリン) の中にNa⁺も透過させる分子が存在すると示されました (右図)。実際に私たちは、イネの水チャンネルの一つに強いNa⁺輸送活性が存在することを確認しました。

現在、国内外の大学と国際共同研究チームを発足させ (こちら)、この不思議な機能を持つ輸送体の耐塩性への影響を精査し、塩害耐性品種の作出への応用に結び付くか、検討を始めました。

(掲載期間 令和元年11・12月)

抜群の安定性と触媒活性を誇り、"触媒の王様" とも称される白金ですが、埋蔵量が限られ、高価であるという問題があります。そのため、ムダを出来るだけ無くすために、実用触媒は直径数nmのナノ粒子を用います。しかしながら、それでも表面に露出している白金は50％程度で、それよりも小さいナノ粒子は不安定です。平成31年4月、本学部で初めて "卓越教授 (DP)" の称号を授与された化学・材料学科の杉本 渉 教授の研究グループは、このモッタイナイ問題に対する解決策として『ナノシート触媒』を開発しました。このナノシート触媒は、従来のナノ粒子よりも白金利用率が高いだけでなく、二次元ナノ構造に由来する高い安定性を誇ります。

燃料電池触媒として用いた場合、従来よりも10～20倍高性能化 (白金使用量を90％カット) できます。現在、国家プロジェクトとして他大学や企業などと協同し、『ナノシート触媒』のさらなる高活性化に取り組んでいます。本研究に対する社会的注目度は高く、平成28年12月20日付の日本経済新聞や信濃毎日新聞に紹介記事が掲載されました。杉本教授の今後の実用化へ向けた取り組みに大きな期待が寄せられています。

(掲載期間 令和 2年 1・2月)

地球温暖化対策のためにCO₂排出削減が求められる中で、大気中のCO₂を固定化して成長するバイオマス資源を用いて化石資源代替を行う取り組みが注目されています。しかし、バイオマス由来の燃料は化石資源と比べて発熱量が低いことが知られています。化学・材料学科の嶋田 五百里 講師は、固体触媒を用いた化学反応を利用することで、バイオマス原料から化石資源と同等の発熱量をもつような高品位燃料を製造する技術を開発しています。従来、この化学反応には高圧水素を用いることが常識でしたが、嶋田講師は原料自身が持つ水素を効率的に利用することで、水素雰囲気を用いない安価な転換プロセスを構築しました。そもそも化石資源は、太古の動植物が地中の熱や圧力によって数億年をかけて変化してできたものと言われています。嶋田講師の取り組む反応は、この数億年の変化をわずか数秒で成し遂げてしまうもののようです。

嶋田講師が着目するバイオマス原料は多岐にわたります。最近は、株式会社ユーグレナ、及び千代田化工建設株式会社との共同研究で、微細藻類の1種であるミドリムシが生産する油脂からガソリン代替燃料を製造することに成功しました。これらの研究が低炭素社会の構築に貢献することが期待されます。

(掲載期間 令和 2年 3・4月)

近年、橋脚や高層ビルなどの巨大な建造物に対するメンテナンスのように人が行うと危険な作業を代理したり、人が立ち入れない場所での情報収集を行わせたりするツールとして、ドローンの活用が期待されています。高機能なドローンはこれまで比較的大型でしたが、大型ドローンの利用が不可能な場所での飛行実現を目指して最近ではドローンの小型化が進められています。しかし、こうした飛行ロボットの小型化・高性能化は簡単ではありません。 機械・ロボット学科の青野 光 准教授の研究室では、長い年月をかけて洗練された生物 (昆虫と鳥) の飛行機能やそのメカニズムについてコンピュータシミュレーションを駆使して理解することにより、これをベースとした生物飛行ロボットの開発に取り組んでいます。特に、生物の構造や機能について機械工学的な視点から議論する生物機械工学のアプローチに基づいて昆虫や鳥の翼と胴体が有する優れた機能を解析し、そこから得られる知見をロボットの開発に役立てています。

これまでの研究では、翼の形状や羽ばたき方と発生する音の関係について検討を行いました。まず、スーパーコンピュータを利用した大規模数値解析により、フクロウの特徴的な翼形状がその優れた飛行性能を支えていることを明らかにしました (図の左半分)。この検討により翼まわりの詳細な渦構造が明らかになり、ここからフクロウ飛行の静粛機能の解明に繋がる知見を得ています。そして、羽ばたき機構を有するロボットを試作して発生する空気力と空気音の関係を調べ、羽ばたき音の特性やその発生機構を明らかにしました (図の右半分)。今後、昆虫の優れた飛行性能を有し、羽音でコミュケーション可能な羽ばたき型飛行ロボットの実現を目指しています。

(掲載期間 令和 2年 5・6月)

世界でも類を見ないスピードで高齢化が進行するわが国では、健康状態のモニタリングが健康寿命の延伸や病気の早期発見において重要な役割を果たしています。先進繊維・感性工学科の児山 祥平 助教は、光ファイバーの1種であるFiber Bragg Gratingセンサー (以下、FBGセンサー) を用い、脈波などの生体情報の計測やウェアラブル計測デバイスの開発に取り組んでいます。FBGセンサーは従来、橋や道路などの橋梁構造物の検査に用いられていましたが、測定対象物のわずかな歪みを検出できることから、児山助教らのグループはFBGセンサーを手首や肘の脈動点に貼付することで脈波の計測が可能なことを明らかにしています (写真)。さらに、計測した脈波から呼吸数や血圧など、他の生体情報を抽出することにも成功しています。また、FBGセンサーを組紐状に加工し、テキスタイルの形態にしても同様に生体情報の計測が可能なことも確認しており、現在は衣服のようなウェアラブルな計測デバイスの開発に向けて研究を進めています。これらの研究は、誰もが安心して健康に暮らせる見守りサービスの実現において重要な要素技術となることが期待されます。

(掲載期間 令和 2年 7・8月)

生物の骨や貝殻に代表される硬組織は、数ナノメートル (1ナノメートルは10億分の1メートル) の無機結晶と生体高分子が3次元的な階層構造を有する天然の有機無機複合材料であり、現在の材料構築技術では達成が困難な、優れた機能を発現しています。とくに、生物は硬組織を温和な反応条件下で生合成しており、そのプロセスは低環境負荷・省エネルギーによる次世代の機能性材料の構築手法として注目されています。化学・材料学科の村井 一喜 助教は、生物が長い進化の過程で手にした "もの作り" を "調べ・学び・理解する" ことで、優れた機能を発現する新材料の研究開発に取り組んでいます。その一例として、これまでは知られていなかった硬組織を形成する無機結晶の構造が "反応の足場となる生体高分子の形態" と "ミネラル源の連続的な供給" により制御されることを実験的に明らかにしました。また、生化学的な機構を解明する基礎研究だけでなく、生体組織と調和し、機能を発現する生体物質を起源とした未来材料の開発にも挑戦しています。

村井研究室では、学生の柔軟で自由な発想の基での実験を重要視するとともに積極的に学会で研究成果を発表するアクティブな研究活動を心がけています。また、他の研究機関との共同研究も積極的に実施しています。

(掲載期間 令和 2年 9・10月)

日本人の約1割が罹患している糖尿病には、自己免疫疾患により血糖値を下げるホルモンのインスリンが分泌できなくなる1型糖尿病と、食生活の乱れや運動不足といった生活習慣に起因してインスリンが効きにくくなる2型糖尿病があり、いずれも網膜症、腎不全、末梢神経障害などの合併症を引き起こすリスクがあります。前者の1型糖尿病に対して、インスリン投与による対処療法に代わるものとして最近、単離した膵ランゲルハンス島 (以下、膵島：この中にあるβ細胞がインスリンを分泌) を移植する根治療法が注目されています。保地 眞一 教授 (応用生物科学科) は、ラットの膵島を−196℃で長期保存してもグルコースに反応してインスリンを分泌する能力を保持しており、糖尿病ラットの腎被膜下に移植すれば血糖値が正常回復することを確認しました。このとき、多くの哺乳類において未受精卵子の保存に有効なことが実証され、保地研究室にも十分なノウハウの蓄積がある "超急速ガラス化保存法" が外径250 µm以下のラット膵島に適用でき、ナイロンメッシュや生体適合性が高いシルクフィブロイン製スポンジがガラス化デバイスとして利用できることもわかりました。現在、ES細胞やiPS細胞といった多能性幹細胞から膵島への分化誘導、巨大・極小膵島から適正サイズ膵島の再構成、移植膵島に血管新生を促進する足場材料の構築、といった実験にも挑戦しています。

生殖工学・発生工学・低温生物学という学問領域の土俵上で「配偶子 (精子、卵子) や受精卵の保存に関する研究」をメインに据え、論文発表を中心に研究活動を行ってきた保地研究室ですが、今からおよそ7年前、ある学生のリクエストに応える形で「膵島の保存ならびに移植に関連した研究」をゼロからスタートさせました。今ではそれぞれが研究室を牽引する研究テーマの両輪を成すようになり、研究室所属の学生メンバーが切磋琢磨する毎日を過ごしています。

(掲載期間 令和 2年 11・12月)

SDGs (持続可能な開発目標) を構成するゴールの一つに「気候変動に具体的な対策を」という項目があります。このゴールにたどり着くための取り組みとして、気候変動対策、とくに環境中への二酸化炭素CO₂の排出量削減が求められています。CO₂排出量削減には化石燃料の使用を控える必要がありますが、すぐに全ての化石燃料をクリーンエネルギーに代替することは容易なことではありません。そこで、排出されるCO₂を分離・回収する技術が注目されています。一般には、自然 (森林など) による吸収、地層回収・貯蔵、吸着法などが検討されています。化学・材料学科の服部 義之 教授は活性炭素繊維 (ACF) を化学修飾し、特異なガス吸着特性を発現させる研究を行っています。最近、フッ素修飾したACF (フッ素化ACF) [走査型電子顕微鏡写真・上] がCO₂を選択的かつ高密度に吸着する現象を発見しました。フッ素化ACFの細孔径 (ガスを吸着する小さな孔の大きさ) と炭素－フッ素結合の化学結合力を制御すると、フッ素化ACFがCO₂を強く吸着したのです。

また炭素繊維は、電気を貯蔵する電池やキャパシタの電極としても期待されている材料です。服部研究室では、溶液中でイオンを高速かつ高密度に吸着できるACFを調製し、高性能なキャパシタを開発しようとしています。一例をあげると、コットン繊維から作製したACF [走査型電子顕微鏡写真・下] は良好なキャパシタ性能を示しました。このように、炭素繊維を利用して地球環境問題やエネルギー問題を解決することに挑戦しています。

(掲載期間 令和 3年 1・2月)

アパレルのオーダーメードと聞くと高級なイメージがありますが、近年ではデジタル技術の進歩により、以前に比べ廉価で手軽に自分の体型に合った衣服を手にすることが可能になり始めています。ところで、体型にフィットしていれば衣服は美しく見えるのでしょうか？

衣服工学を専門とする先進繊維・感性工学科の金 炅屋 准教授は、着用者の体型 (バストラインの高さ) に合わせて制作された婦人用上衣とそうでない上衣を用意し、どちらが美しく見えるのか調査しました。その結果、着用者のバストトラインの高さに合わせて制作されたものよりも、一定のプロポーションのバストラインで制作されたものの方が美しく、魅力的に見えると多くの人が評価しました。同様の現象はウエストラインや肩幅などにおいても見られるそうで、これらの結果は体型にフィットした衣服が必ずしも美しく見えるとは限らないことを示唆しているようです。このことから、金准教授は着用者の体型を考慮しつつ、美しく見える衣服の設計方法を研究しています。快適さと美しさを兼ね備えた衣服の実現に向けて、研究の進展が期待されます。

(掲載期間 令和 3年 3・4月)