ロブスターの下腹部には、伸縮性と驚くほどの強靭さを兼ね備えた薄い半透明の膜が張り巡らされている。MITのエンジニアが2019年に報告したところによると、 この海洋のアンダーアーマーは、自然界で知られている中で最も強靭なハイドロゲルから作られており、しかも非常に柔軟性があるという。この強さと伸縮性の組み合わせは、海底を這い回るロブスターのシールドになると同時に、泳ぐために前後に曲がることも可能にする。今回、マサチューセッツ工科大学（MIT）の別のチームが、ロブスターの下腹部の構造を模倣したハイドロゲルベースの材料を作製した。
研究チームは、この素材を使って伸縮性や衝撃性のテストを行ったところ、ロブスターの下腹部と同様に、この合成素材は、繰り返しの伸縮にも破れずに耐えることができる「耐疲労性」に優れていることがわかった。この製造プロセスを大幅にスケールアップすることができれば、ナノファイバーハイドロゲルから作られた材料は、人工腱や人工靭帯など、伸縮性と強度を備えた代替組織の製造に利用できるようになるだろう。
この研究成果は、2021年4月23日に米国の学術誌「Matter」のオンライン版に掲載された。この論文は、「ロブスターの下腹部からヒントを得た、強い疲労耐性を持つナノファイバーハイドロゲル（Strong Fatigue-Resistant Nanofibrous Hydrogels Inspired by Lobster Underbelly）」と題されている。
この論文のMITでの共著者には、ポスドクのJiahua Ni氏とShaoting Lin氏、大学院生のXinyue Liu氏とYuchen Sun氏、航空宇宙学教授のRaul Radovitzky博士、化学教授のKeith Nelson博士、機械工学教授のXuanhe Zhao博士、そして元研究員のDavid Veysset 博士（現在はスタンフォード大学）、さらにシラキュース大学助教授のZhao Qin博士、陸軍研究所のAlex Hsieh氏がいる。
2019年、Lin博士とZhao博士のグループは、ハイドロゲルから作られた新しい種類の耐疲労材料を開発した。ハイドロゲルとは、主に水と架橋されたポリマーから作られるゼラチンのような材料の一種である。ハイドロゲルは、極細の繊維で構成されており、この繊維を繰り返し引き伸ばすと、集まったわらの束のように整列する。また、この作業によってハイドロゲルの耐疲労性が向上した。
「その時、ハイドロゲル中のナノファイバーが重要であると感じ、フィブリル構造を操作して、耐疲労性を最適化したいと考えた」とLin博士は語る。
今回の研究では、いくつかの技術を組み合わせて、より強度の高いハイドロゲルナノファイバーを作製した。このプロセスは、電荷を利用してポリマー溶液から極細の糸を引き出す繊維製造技術であるエレクトロスピニングから始まる。研究チームは、高電圧をかけてポリマー溶液からナノファイバーを紡ぎ出し、髪の毛の数分の1の直径である約800ナノメートルのナノファイバーの平らなフィルムを形成した。
さらに、フィルムを高湿室に入れて個々の繊維を強固なネットワークにした後、インキュベーターに入れて個々のナノファイバーを高温で結晶化させ、素材をさらに強化した。
さらに、フィルムを機械に入れて何万回も繰り返し引き伸ばすことで、フィルムの耐疲労性を調べた。また、一部のフィルムには切り込みを入れ、繰り返し引き伸ばしたときに亀裂がどのように進展するかを観察した。これらの試験から、ナノファイバーフィルムは、従来のナノファイバーハイドロゲルの50倍の耐疲労性があると算出された。
ちょうどその頃、MITの機械工学准教授であるMing Guo博士が、ロブスターの下腹部の機械的特性を明らかにした研究を興味深く読んでいた。この保護膜は、天然の繊維状物質であるキチンの薄いシートでできており、このグループのハイドロゲルナノファイバーと似た構造をしている。
ブーリガン構造
ロブスターの膜の断面を見ると、キチン質のシートが36度の角度で積み重なっており、合板をひねったような、あるいは螺旋階段のような構造になっていることをGuo 博士は発見した。この回転する層状の構造はブーリガン構造と呼ばれ、膜の伸縮性と強度を高める効果があった。
「イセエビの下腹部に見られるこのブーリガン構造が高い力学的性能を持つことがわかり、このような構造を合成素材で再現できないかと考えたのだ」とLin博士は語る。
角度のついたアーキテクチャ
Ni博士、Lin博士、Zhao博士のグループは、MITソルジャーナノテクノロジー研究所のNelson博士の研究室、Radovitzky博士の研究室、シラキュース大学のQin博士の研究室と協力して、ロブスターのブーリガン膜の構造を、疲労に強い合成膜を使って再現できるかどうかを調べた。
「ロブスターの下腹部に存在する繊維を模倣して、エレクトロスピニング法で配向したナノファイバーを作製した」とNi博士は語る。
エレクトロスピニング法でナノファイバーフィルムを作製した後、5枚のフィルムを36度の角度で連続的に重ねて1つのブーリガンド構造を形成し、これを溶接して結晶化させることで素材を強化したという。最終的な製品の大きさは9平方センチメートル、厚さは約30〜40ミクロンで、スコッチテープの小片と同じくらいの大きさであった。
ロブスターにヒントを得たこの素材を使って伸縮試験を行ったところ、自然界の素材と同様の性能を発揮し、破れやひび割れに耐えながら繰り返し伸縮することができた。
「直感的には、材料に生じた亀裂が1つの層を通って伝播すると、繊維が異なる角度で配列されている隣の層によって妨げられると考えられる」とLin博士は説明する。
さらにチームは、Nelson 博士のグループが考案した実験方法で、この材料をマイクロバリスティック衝撃試験にかけた。Nelson 博士のグループが考案した実験では、微粒子を高速で射出しながら素材を撮影し、素材を引き裂く前と後の微粒子の速度を測定した。この速度の違いから、材料の耐衝撃性、つまり吸収できるエネルギー量を直接測定することができ、1kgあたり40キロジュールという驚くべき値が得られた。この数値は、水和状態での測定値だ。
「つまり、秒速200メートルで発射された5ミリの鉄球は、13ミリの素材で阻止されるということだ」と、Veysset 博士は述べた。「1ミリのケブラーには及ばないが、他の多くの項目でケブラーを上回る。」
この新素材が、市販の防弾素材ほど丈夫でないのは当然のことだ。しかし、ゼラチンやPVAなどの合成ポリマーなど、他の多くのナノファイバーハイドロゲルよりもはるかに頑丈である。また、この素材はケブラーよりもはるかに伸縮性がある。この伸縮性と強度の組み合わせは、ナノファイバーハイドロゲルの作製を高速化し、より多くのフィルムをブーリガンド構造で積み重ねることができれば、柔軟で強靭な人工組織として利用できる可能性を示唆している。
Lin博士は、「ハイドロゲル材料が荷重を支える人工組織となるためには、強度と変形性の両方が必要だ。我々の材料設計は、この2つの特性を実現することができる」と述べた。
BioQuick News:Lobster Underbelly Serves As Model for Synthesis of Gelatin-Like Material (Nanofibrous Hydrogel) That Mimics Underbelly’s Remarkable Stretch and Strength Characteristics; Material May Be Useful in Robust Artificial Tissues Such As Tendons & Ligaments
