自然界で最も強力な既知の素材が、ケブラーに代わる環境に優しい代替品を生み出す

May 14, 2023

自然は驚くべき強度の材料を生み出すことができ、クモの糸は最も有名な例の 1 つです。 2015年、科学者のグループはこの分野で革新的な発見を行い、カサガイと呼ばれるしがみつく軟体動物の歯が実際にはあらゆる生物材料の中で最も強い引張強度を持っていることを実証した。 これらの火打ち石のような牙からインスピレーションを得て、チームは、ケブラーなどの高性能材料に代わる、より持続可能な代替品となる可能性のある、極めて強度の高い複合生体材料を製造しました。

カサガイは帽子の形をした殻を持つ水生カタツムリで、海岸線の岩に非常によく張り付いています。 この沿岸の生活様式の一部には、ごつごつした表面に歯をこすりつけて餌となる藻類を集めることが含まれており、ここにこの生き物の比類のない引張強さの秘密が隠されています。

2015 年、ポーツマス大学の研究者は原子間力顕微鏡を使用してカサガイの歯の材質を研究し、原子レベルで分析しました。 この研究により、カサガイの歯の引張強度は 3 ～ 6.5 ギガパスカル (GPa) であることが明らかになりました。 ちなみに、クモの引き綱のシルクの引張強度は約 1.3 GPa ですが、鋼の引張強度は約 1.65 GPa です。 科学者らは、カサガイの歯の驚異的な引張強度の理由は、鉄を含むゲーサイトの微細な結晶が全体に広がったキチン繊維の緻密なネットワークであると考えています。

研究チームは現在、血清をコーティングしたガラスと、その上に堆積させたキチンと酸化鉄から始まる同様の構造を研究室で形成できるシステムを作成した。 2 週間以内に、これらは自己組織化して、カサガイの歯の形成を担う歯舌と呼ばれる器官になります。 研究者らは、単離された歯根細胞、組織サンプル、石化キチン、およびエレクトロスピニングと呼ばれる技術を組み合わせて使用​​し、幅0.2インチの生体模倣カサガイ歯のリボンを成長させることに成功した。

「私はこのプロセスの設定に6か月を費やしました」と研究の筆頭著者であるロビン・ラムニー博士は語った。 「細胞が何を必要とし、どのように増殖するかについて、思いつく限りのあらゆる種類の順列を検討しました。それは、実験室環境で一般的に増殖する細菌やがん細胞の増殖とは大きく異なります。そのため、ゼロから考え出す必要がありました」何がうまくいくだろうか。」

極めて強度の高い新しい複合生体材料は、合成材料の分野で重要な位置を占めるようになる可能性がある。 チームがプロセスの規模拡大に成功すれば、ケブラーやプラスチックなど、製造に資源を大量に消費し、リサイクルが容易ではない材料に代わる、より持続可能な代替手段を提供できる可能性がある。

「ケブラーのような完全合成複合材料は広く使用されていますが、製造プロセスには有毒な可能性があり、材料はリサイクルが難しく、高価です」とラムニー氏は説明した。 「調達方法と製造方法の点ではるかに持続可能であり、寿命の終わりには生分解できる可能性のある素材がここにあります。」

研究者らは現在、プロセスの最適化と、大量生産に必要な規模で合成カサガイの歯を製造できるようにプロセスを拡張することに注力している。

「私たちの次のステップは、鉄生成を起こす別の方法を見つけることです。そのため、それをよりよく理解するためにカサガイ細胞の分泌物を研究しています」とラムニー氏は語った。 「それが本当にうまく機能するのであれば、すでに臓器の遺伝子の読み取り値が得られているので、目的の遺伝子を取り出して、できればそれらを細菌や酵母の中に入れて大規模に増殖させることができます。明らかに、海洋ではプラスチック危機が起きています。そして、プラスチックの使用を生物学的代替物に置き換えることで、海洋生物をよりよく保護する方法を海洋生物から学ぶことができるということは、素晴らしい対称性だと思います。」

この研究はNature Communications誌に掲載された。

出典: ポーツマス大学