精密材料設計につながるバクテリアセルロースナノ繊維ネットワークの構造-物性相関解明
概要
九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
Structure-Property Relationship of Bacterial
Cellulose Nanofiber Networks Leading to Precise
Material Design
高山, 剛
https://hdl.handle.net/2324/7157391
出版情報:Kyushu University, 2023, 博士(農学), 課程博士
バージョン:
権利関係:
氏
名:
論文題名:
高山
剛
Structure−Property Relationship of Bacterial Cellulose Nanofiber Networks
Leading to Precise Material Design
(精密材料設計につながるバクテリアセルロースナノ繊維ネットワークの構造
−物性相関解明)
区
分:
甲
論
文
内
容
の
要
旨
生物材料の利活用は、持続可能社会の実現のための重要なアプローチのひとつである。微生物
の酢酸菌は、液体培地の表面に純粋なセルロースのゲル状膜(Bacterial cellulose hydrogel、BC ヒド
ロゲル)を形成することが知られている。液体培地中で培養するだけで優れた機械特性を示すセル
ロースナノ繊維のネットワーク構造体が得られるという利点から、BC ヒドロゲルは生物由来の素
材として高いポテンシャルを有する。このため、医用材料を中心に、様々な応用展開のための研究
開発が行われている。このような材料応用は精密な材料設計を必要とするが、酢酸菌によって作ら
れる BC ヒドロゲルの物性は大きなばらつきを示すこともあり、その構造–物性相関の体系的な理解
は十分でない。特に、高分子のゴム弾性理論をナノ繊維ネットワークである BC ヒドロゲルに適用
できるかについては慎重に検討する必要がある。さらに、BC ヒドロゲルの構造は、しばしば繊維
ネットワークという言葉で定性的に表現され、定量的な評価基準がないという問題がある。
本論文では、BC ヒドロゲルの精密材料設計を目指し、酢酸菌が織りなすセルロースナノ繊維
ネットワーク構造と物性との相関解明を試みた。そのために、繊維ネットワーク材料の特性が顕著
に現れる引張機械特性について、ナノ繊維ネットワークの微視的な挙動の可視化に基づき、変形機
構を精密にモデル化した。そして、繊維ネットワーク構造を定量的に評価する手法を確立して、引
張物性との相関を実験的に示した。最後に、微生物による BC ヒドロゲルの構造形成プロセスを詳
細に解析することで、新奇材料設計につながる手がかりを示した。
第 1 章では、繊維ネットワークの特性が顕著に現れる引張機械特性について、その物性発現機
構の基礎を明らかにした。微視的な変形機構を解明するため、引張変形中の繊維ネットワークのそ
の場蛍光顕微観察を行った。その結果、ひずみの進展に伴い、繊維セグメントがパーコレーション
しながら再配列していく様子を可視化することに成功した。また、BC ヒドロゲルの変形は、繊維
全体が不均一に変形するノンアフィン変形であり、高分子ゴム弾性理論の前提であるアフィン変形
の前提が成り立たないことが示された。さらに、引張変形の緩和時間測定を行い、早い緩和(1 秒)
が起こった後、二次的な緩和が長時間に渡って続くことを明らかにした。これらの結果を踏まえて、
架橋点への応力集中とその開裂を伴う再配列という微視的な機構に基づいた新たな BC ヒドロゲル
の引張変形モデルを提唱した。
第 2 章では、網目の構造が異なる種々の BC ヒドロゲルについて、その網目構造を定量的に解
析する手法を確立して、網目構造が物性に及ぼす影響の評価を行った。性状の異なる BC ヒドロゲ
ルを 7 種調製して、その引張特性と網目構造との相関を検証した。 一般に予想されるように、網目
の架橋点密度が高いほど強度は向上した。特筆すべきことに、架橋点密度は強度と線形関係にある
だけでなく、ひずみが小さい領域からひずみが大きい大変形領域にいたるまでの広範囲にわたる非
線形的なひずみ硬化挙動をよく説明した。この知見は、BC ヒドロゲルの物性予測や、品質保証な
どの応用につながると期待される。
第 3 章では、新奇材料設計につながるユニークなナノ繊維集積構造と、酢酸菌による構造形成
プロセスの解析を行った。BC ヒドロゲルは、典型的には 3 次元的に等方的な網目構造であるが、
これとは明らかに異なるキラルネマチックな液晶構造や、数十 µm サイズの渦構造が形成される場
合を見出した。このような特殊なパターンの自発的形成を誘導することにより、複合材料化や化学
修飾を経ずに BC ヒドロゲルの物性を改変できることが期待される。このような構造形成を人為的
に制御するための基礎として、BC ヒドロゲルの構造形成過程における酢酸菌の集団の動態解析を
行い、その運動性の制御による構造制御の可能性を示した。
以上のように、酢酸菌が織りなす繊維ネットワーク材料の精密設計を目指して、ナノ繊維ネッ
トワーク材料に特有の物性発現機構の基礎を明らかにするとともに、材料利用につながる実践的な
材料評価手法を構築した。さらに、酢酸菌による構造形成プロセスの解析を行うことで将来の新規
材料設計につながる知見を明らかにした。これらの知見は、微生物を用いた材料設計学に貢献する
ものと期待される。