高分子界面近傍における水の構造・ダイナミクスと評価方法・機能材料設計への応用

高分子材料の性能は、化学構造やバルク物性だけでなく、実使用環境において形成される界面状態によって大きく左右される。特に、水環境下で使用される材料では、界面近傍に存在する水の構造や運動性が、防汚性、生体適合性、分離性能、接着、耐久性などの機能発現に重要な役割を果たしている。しかし、多くの材料開発では乾燥状態における材料評価が中心であり、水和環境下での界面状態の理解は十分ではない。 　本講演では、高分子界面近傍に存在する水の構造・ダイナミクスに着目し、熱分析や分光法を用いた最新評価技術を体系的に解説する。また、不凍水・中間水・自由水という水和状態の分類と定量化手法を紹介し、それらと材料機能との関係について議論する。医療材料における生体適合性高分子を代表例として取り上げるとともに、防汚材料、水処理膜、電子材料、エネルギー材料、化粧品・日用品などへの展開可能性についても紹介する。高分子界面の水和状態を理解・制御することで、従来経験則に依存していた材料開発を科学的かつ効率的に進めるための新しい材料設計指針を提案する。

1. なぜ「水」を理解する必要があるのか
   1. 材料開発における実使用環境の重要性
   2. ドライ評価とウエット評価の違い
   3. 水が支配する材料機能
   4. 界面科学から見た高分子材料
   5. 水和状態と製品性能の関係
2. 実使用環境における高分子表面物性の評価
   1. 高分子材料のバルク物性
      • 機械的
      • 物理化学的
   2. 高分子材料の表面物性 (最表面計測の重要性)
   3. 水環境下および生理環境下における界面物性 (構造と運動性)
   4. 乾燥、水和表面の分析手法
      • 熱分析および分光分析の原理
      • 分解能
      • サンプル調整方法
      • データ解析方法
   5. 水和した材料表面の解析手法の選択方法
3. 材料表面に水和した水の状態 (構造・ダイナミクス) の解析
   1. 中間水コンセプトの紹介
   2. 材料に含水した水の構造と運動性の分類、定量化方法
      • 不凍水
      • 中間水
      • 自由水
   3. 水和状態を決める因子
      - 製品・材料表面の水和状態制御の化学
4. 生体適合性高分子を代表例とした評価・解析と材料設計
   1. 高分子材料表面へのタンパク質吸着/脱離の評価
   2. 材料表面上の細胞接着挙動の解析
   3. 生体分子、生体高分子と生体親和性合成高分子の共通点と相違点
   4. 生体親和性と生分解性を併せ持つ高分子の設計
5. 高分子材料の設計と機能発現
   1. 機能性高分子の分子設計の最新動向
   2. 低分子、高分子、有機、無機、イオン液体、イオンと水の相互作用
   3. 優れた機能材料の簡便なスクリーニング方法
   4. 各種産業分野への展開を見据えた材料設計の考え方
6. 新製品開発への応用と社会実装
   1. 中間水コンセプトの各種産業分野への応用と社会実装
   2. 医療・ヘルスケア分野への応用
      1. 医療分野で必要とされる材料のアンメットニーズと環境・エネルギー・電子・光材料開発分野との融合
      2. 再生医療の実現へ向けた新コンセプトの提案
   3. 次世代医療・ヘルスケア・非医療分野への展望
• 質疑応答