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