ナノテク情報

ナノテク・材料

ハエの脚裏を参考に,繰り返し脱着可能な接着構造を低コストで実現 ~サナギの成長から「作り方」も模倣,リサイクルに優れる環境調和技術~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)は2020年6月11日,NIMS構造材料研究拠点の細田 奈麻絵グループリーダーが,北海道教育大学の木村 賢一教授,浜松医科大学の針山 孝彦特命研究教授らと共同で,「接着と分離を繰り返せる接着構造」を単純・低コストで製作できる新たな製造プロセスの開発に成功した,と発表した.本研究は,NIMSのシーズ育成研究,および文部科学省科学研究費 新学術領域研究の一環として行われ,成果はCommunications Biology誌にオンライン掲載された(注).

 これまでの接着剤には「強力な接着」により丈夫な製品を作ることが求められていた.しかし,近年の環境を重視する循環型社会においては,「強力な接着」がリサイクルの妨げになることがあり,「接着と分離を繰り返せる新しい接着構造」の開発が進められている.そのひとつとして,バイオミメティクス(生物模倣技術)分野では,強い接着力を実現している生物に倣う接着構造の開発が試みられている.しかし,生物の接着構造を模した複雑な構造を形成するには,半導体プロセスのような高度な手法が必要であり高コストが課題となっている.本研究において研究グループは,ファンデルワールス力の制御により,接着と分離を容易に繰り返せる構造として,ハエ(キイロショウジョウバエ)の脚裏のヘラ状接着性剛毛に着目した.ヘラ状剛毛は,先端に幅1μm程度のヘラ状構造を有する長さ約10μmの剛毛であり,サナギの中で形成される.ヘラ状剛毛の形成過程を免疫組織化学染色と,細胞骨格性アクチン(マイクロフィラメントを形成するタンパク質)の蛍光標識を使い観察したところ,ヘラ状剛毛は,①剛毛形成細胞の伸長と細胞骨格性アクチン繊維によるヘラ状の骨組み形成,②クチクラ(体表保護膜)の分泌による固化,という単純な2ステップで形成されることが分かった.研究者らは,これを模してナイロン繊維を材料とし,室温でハエのヘラ状剛毛に類似の接着構造を製作した.2本のナイロン繊維(直径52μm)を2mm間隔で並べ,アルギン酸カルシウム水溶液に浸して引き上げると表面張力により下端にヘラ状の構造が形成される.次いで,これを乳酸カルシウム水溶液に浸すとヘラ状構造が,カルシウムイオンの架橋効果で固定化される.すなわちこのプロセスは,サナギにおけるヘラ状剛毛の形成と同様に,①ナイロン繊維の引き上げによるヘラ構造の形成,②固化,の単純な2ステップから成る.作成した1本のヘラで52.8gのシリコンウエハを持ち上げることができた.756本のヘラ(9cm2)を使えば60kgの人間をぶら下げることも可能という.

 本研究において,低エネルギー消費かつ室温で作成された「接着と分離を繰り返せる接着構造」は,生産コストと製造エネルギーの低減が可能である.産業分野においては,滑りやすい物品の搬送機器や,垂直な壁面を登るロボットなどへの応用が期待される.

(注)Ken-ichi Kimura, Ryunosuke Minami, Yumi Yamahama, Takahiko Hariyama, Naoe Hosoda, "Framework with cytoskeletal actin filaments forming insect footpad hairs inspires biomimetic adhesive device design", Communications Biology, Vol.3, Article number: 272 (2020), DOI: 10.1038/s42003-020-0995-0; Published: 29 May 2020