構 コラーゲンの分子動力学モデリングと機械的特性評価 (およびナノコンポジット化材料の検討) 端 科 学 載 技 ・加 術 推 工 進 等 機 は ⑩ナノテクノロジー・材料研究 ○白花拓也(院生)、齋藤賢一(システム理工学部 機械工学科 教授)、宅間正則(教授)、高橋可昌(准教授) 研究概要・成果 研究背景 ポリペプチド鎖 ※ ポリペプチド鎖 : 多数のアミノ酸がペプチド結合 (-CO-NH-)を形成して重合したものの総称 ポリペプチド鎖が3本が絡み合った3重らせん (へリックス)構造、長さ約300nm 、直径1.5nm棒形 状分子(トロポコラーゲン)が基本構造が架橋を形成, 規則的に集合することで、繊維状で存在 トロポコラーゲン (3重らせん構造) ※ コラーゲンの場合 コラーゲン(collagen)は生体組織で、骨、軟骨、靭帯等硬組織の 機械的特性を決める重要な役割を担う。 医学分野,再生医療などで注目。 しかし,原子レベルでのコラーゲンの構造と機械的特性の関係 は未解明である 目的 ・左巻きらせん構造 ・1巻3つのアミノ酸の繰り返し構造 MD(分子動力学法)による原子レベルのシミュレーションを 用い,コラーゲンを力学的に原子・分子レベルで構造解析し, 機械的特性の評価を行う。 また,その応用としてナノレベルで他の高分子材料と混合す ることでコンポジット化する可能性を予測する ポテンシャル LJ bend str XL 6 西 関 z D TC ※ r0 複 x z lz x : 分子2 : 分子3 y z x lx calculation condithion (TC×1) Total atoms celsize lx ×ly ×lz [nm] Temperature T [K] Boundary condition 777 1.50×1.50×299 free In x , y directions 周期境界条件(z軸方向のみ) を適用すると… 温度の時間変化 ※ ま 周期境界条件 セルを単位として, その内に存在する原子 の周りにそのレプリカ を仮想的に配置して 計算すること す calculation condithion (TC×5) 3885 5.5×5.5×1200 66.7 20.0 18.0 : 分子1 温度,エネルギーの 増加がみられ,構造が不安定 。 無 ポテンシャルエネルギーの時間変化 ※ y 各々のTCの両端で構成 断 TC単体モデルから コラーゲン原繊維モデル(TC5本)へ…. ※架橋 Total atoms celsize lx ×ly ×lz [nm] D [nm] r0 [nm] Int[nm] シミュレーションモデル(TC×1,緩和計算) →トロポコラーゲン単体 6 1 2 1 2 kbend ijk 0 str k str r r 0 2 2 コラーゲン分子 のイメージ図 ly コラーゲン原繊維 (TC×5,緩和計算) bend 12 4ε r r int 12 LJ 4ε r r y 架橋 伸縮 XL 写 ・転 曲げ 大 学 先 分子間相互作用 ※ β 架橋係数 ※ プロリン,ヒドロキシプロリン がコラーゲン特有 の硬さを生み出す [グリシン‐X‐Y] :Xはプロリン、Yはヒドロキシプロリン 結果 ポテンシャルエネルギーの時間変化 緩和計算後において 温度,エネルギーが 時間変化に伴い安定 作成したモデル 安定な初期構造を 持つモデルである 温度の時間変化 原子レベルの 機械的特性 評価へ じ 応用分野、実用化可能分野 禁 生体材料として医療用生体高分子材料への応用. ナノコンポジット化による (引張強さ、弾性率、熱変形温度等の様々な物性が飛躍的に向上する)スマートマテリアルの設計. 問合せ先: 関西大学 システム理工学部 齋藤賢一 Email:[email protected] 関人ORDIST 先 端 科 学 技 術 推 進 機 構 社会連携部 産学官連携センター、知財センター
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