福島研究室

研究内容

当研究室では「高機能な分解性ポリマー」「自己組織化を利用した機能材料創製」「既存のプラスチックのアップサイクル」の3テーマが主な研究テーマとなります。環境調和型材料を主たる用途として考えていますが、一部はバイオマテリアルとして医療への応用も視野に入れています。

高機能な分解性ポリマー

生分解性ポリマーは「生体または微生物の作用により水と二酸化炭素などの最小分子にまで分解される」ポリマーと定義されます（参照：「生分解性高分子の科学」辻秀人著 コロナ社）。本研究では、分解する骨格を持ちながら、側鎖によって「水に溶ける」、「イオンと相互作用する」、「温度・光に応答する」、「秩序構造を形成する」などの機能も備えた高機能な分解性ポリマーを開発し、既存の非分解性機能材料の代替を目指します。一部は分解可能なバイオマテリアルとして生体適合性や抗菌性を示すものも開発しています。さらには、これらの原料を天然物質とすることで炭素循環への寄与にも貢献します。

関連論文

  1. K. Fukushima et al.,”Hydrolyzable and biocompatible aliphatic polycarbonates with ether-functionalized side chains attached via amide linker”, Polym. J., 2024, 56, 431–442. DOI: 10.1038/s41428-023-00874-6 (Open Access)
  2. T. Ota et al., “Organocatalyzed ring-opening reactions of γ-carbonyl-substituted ε-caprolactones”, RSC Adv., 2023,13, 27764-27771. DOI: 10.1039/d3ra01025b (Open Access)
  3. Y. Watanabe et al., “Organic carboxylate salt-enabled alternative synthetic routes for bio-functional cyclic carbonates and aliphatic polycarbonates”, Polym. Chem., 2022, 13, 5193–5199. DOI: 10.1039/d2py00705c (Open Access)
  4. K. Fukushima et al., “Polydioxanone Derivative Bearing Methoxy Groups toward Bio-Functional Degradable Polymers Exhibiting Hydration-Driven Biocompatibility”, Macromol. Chem. Phys., 2022, 223, 20, 2200192. DOI: 10.1002/macp.202200192 (Open Access)
  5. V. Montagna et al., “Methoxy-Functionalized Glycerol-Based Aliphatic Polycarbonate: Organocatalytic Synthesis, Blood Compatibility, and Hydrolytic Property”, ACS Biomater. Sci. Eng., 2021, 7, 472–481. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01460.
  6. F. Nederberg et al., “Biodegradable nanostructures with selective lysis of microbial membranes”, Nature Chem., 2011, 3, 409–414. DOI:10.1038/nchem.1012
  7. (Review) K. Fukushima, “Poly(trimethylene carbonate)-based polymers engineered for biodegradable functional biomaterials”, Biomater. Sci., 2016, 4, 9–24. DOI: 10.1039/C5BM00123D.

自己組織化を利用した機能材料創製

分子が相互作用によって集合し、自発的に配列したり、秩序のある構造を形成することを自己組織化と呼びます。DNAの二重らせんやタンパク質の高次構造などが有名な例で、自然界では非常に精緻なナノ構造が構築され、様々な生物機能を発揮しています。高分子や有機材料においても、自己組織化によるナノ構造制御に立脚した機能材料開発が盛んに行われています。当研究室においても、分解性ポリマーの高機能化のもう一つの手段として自己組織化を取り入れています。例えば、ナノ形態の制御による組織や細胞に対する作用を変化させたり、剛直部位のナノ相分離による力学特性の向上、などを達成しています。

関連論文

  1. Y. Watanabe et al., “Degradable and Nanosegregated Elastomers with Multiblock Sequences of Biobased Aromatic Mesogens and Biofunctional Aliphatic Oligocarbonates”, Macromolecules, 2022, 55, 10285–10293. DOI: 10.1021/acs.macromol.2c01747 (Oepn Access)
  2. K. Fukushima et al., “Anisotropic, Degradable Polymer Assemblies Driven by a Rigid Hydrogen-Bonding Motif That Induce Shape-Specific Cell Responses”, Macromolecules, 2022, 55, 15–25. DOI: 10.1021/acs.macromol.1c01894.
  3. K. Fukushima et al., “Broad Spectrum Antimicrobial Supramolecular Assemblies with Distinctive Size and Shape”, ACS Nano, 2012, 6, 9191–9199. DOI: 10.1021/nn3035217

既存のプラスチックのアップサイクル

材料を元の状態に戻し、同じ用途で再利用するリサイクルに対して、付加価値のある別の用途に展開することをアップサイクル（アップサイクリング）と言います。飲料ボトルなどに利用されるポリ(エチレンテレフタレート) (PET)のリサイクルは世界規模で研究が進められています。現在は廃PETを洗浄して再成形するメカニカル（マテリアル）リサイクルが主流ですが、化学反応によってモノマー（低分子量体）にまで戻すケミカルリサイクルは純度の高いPETを再生できる点で期待されています。一方で、触媒的化学反応を活用すればPETから様々な芳香族化合物を作ることができます。それらは別の機能性ポリマーの原料や、光・電子材料、医薬品前駆体への応用が想定されます。これによって、PETや類似する芳香族ポリマーの廃棄物の資源としての有用性を高めることも期待できます。

関連論文

  1. K. Saito et al., “From Plastic Waste to Polymer Electrolytes for Batteries through Chemical Upcycling of Polycarbonate”, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 28, 13921–13926. https://doi.org/10.1039/D0TA03374J.
  2. K. Fukushima et al., “Formation of bis-benzoxazole and bis-benzimidazole through organocatalytic depolymerization of poly(ethylene terephthalate) and its mechanism”, Polym. Chem., 2020, 11, 4904–4913. DOI: 10.1039/D0PY00436G
  3. K. Fukushima et al., “Supramolecular High Aspect Ratio Assemblies with Strong Antifungal Activity”, Nat. Commun.,2013, 4, 2861. DOI: 10.1038/ncomms3861.
  4. K. Fukushima et al., “Advanced chemical recycling of poly(ethylene terephthalate) through organocatalytic aminolysis”, Polym. Chem., 2013, 4, 1610–1616. DOI:10.1039/C2PY20793A.
  5. K. Fukushima et al., “Organocatalytic depolymerization of poly(ethylene terephthalate)”, J. Polym. Sci. Part A: Polymer Chem., 2011, 49, 1273–1281. DOI: 10.1002/pola.24551.
  6. (Editorial) K. Fukushima et al., "Organocatalysis: A Paradigm Shift in the Synthesis of Aliphatic Polyesters and Polycarbonates", Macromolecules,2020, 53, 5018–5022. DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00582.