# Fileset

[250710_上木_高分子.doc](https://mdr.nims.go.jp/filesets/c3e251bc-5fb1-43e3-85fc-266d1a407536/download)

## Creator

[上木 岳士](https://orcid.org/0000-0001-9317-6280)

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[細胞足場材料としてのイオン液体・イオンゲル](https://mdr.nims.go.jp/datasets/aa05347f-f31f-4394-9fcd-f86069bcf160)

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トピックス（本文1頁：24字×39行×2段＝1872字）_2頁依頼素描（本文1頁：24字×50行×2段＝2400字）展望（本文1頁：24字×50行×2段＝2400字）細胞足場材料としてのイオン液体・イオンゲル上木　岳士NIMS305-0044 茨城県つくば市並木1-1主幹研究員，博士(工学) イオン液体、ブロック共重合体、高分子ゲル1. イオン液体高分子ゲルの中でも最もポピュラーなのが、水を溶媒としたハイドロゲルである。ハイドロゲルにおける機能設計は基本的に、高分子成分と架橋方式(=高分子ネットワーク)にゆだねられている。なぜなら溶媒として用いられる水は事実上、固定されており変数として扱う自由度がないからだ。つまり溶媒は高分子ネットワークの世界を静かに支える「透明な舞台装置」に過ぎなかった。しかし、もしこの舞台装置が個性を持ち、自在に姿を変え、振る舞いを操れる存在だったとしたらどうだろう。液体を選び、設計する、という視点は、高分子成分や架橋構造に加わる第三の設計軸となる。こうした発想のもと今、注目を集めているのが「イオン液体(Ionic liquid: IL)」である。ILは陽イオンと陰イオンの構造を設計し、組み合わせを最適化することで、粘度、極性、電気伝導率、表面張力のような物性を広い範囲で制御できる(図1)。その物性幅は従来の分子性液体を遙かに凌駕し、まさに液体としての個性を具現化した存在である。現在、世界中で工業的に用いられている「分子性液体」はおよそ600種類といわれている。一方、ラボレベルでは構造の異なるILがすでに10⁶種以上合成されているという試算もあり1)、液体構造の多様性という点で、そのスケールの違いは圧倒的である。このようなILを溶媒として用いた高分子ゲルは特に「イオンゲル」と呼ばれる。イオンゲルは高分子ゲルにおける溶媒の存在意義を問い直す新しい設計概念でもある。高分子ゲルはいわば「固体化された液体」と言い換えられるが、そのサイエンスは溶媒そのものの機能を活かすフェーズを迎え、新たな展開を見せている。本稿では筆者らが取り組むIL界面を利用した細胞培養材料の開発を例に、溶媒設計という観点から開かれつつある新しいゲルの未来を紹介する。　2.　細胞が接着する界面著者らはイオン液体の構造設計性に着目し、細胞にとって未知の力学／化学的環境を与えることができる足場材料の構築を試みている。細胞とその周囲の力学環境との相互作用を探るような研究領域では従来、培養足場としてハイドロゲルや架橋PDMSのような材料が広く用いられてきた。これに対しILは液体物性を柔軟に制御できる。著者らはまず、疎水性ILの界面そのものを新たな細胞培養場として活用することを試みた。接着性細胞は通常、固体の表面に接着し生命活動を営むが、液体界面では応力がすぐに緩和されるため接着や伸展は困難に思える。それにも係わらずフッ素系液体などの界面において細胞が一定の接着・伸展を示す現象が報告されている。この液体足場における細胞接着を可能にしている鍵がタンパクナノレイヤー(PNL)である(図2(a))。PNLは培養液中の血清タンパク質が疎水性液体界面に自発的に集合・再構成されることで形成されるナノスケールの固体薄膜であり、液体上における細胞の接着足場として機能する。ただし従来用いられてきたフッ素系液体は構造設計の自由度に乏しく、どのような液体物性がPNLの力学／化学的性質を支配しているのか不明な点が多かった。筆者らはイオン設計によってPNLの形成に適した液体界面構造を精密に調整すべく、独自に見出した細胞無毒性の疎水性ILと水との二相界面における細胞接着ないしは細胞表現型の制御を目指した2)。実際に複数のILを用いてヒト間葉系幹細胞(hMSCs)の培養を行った結果、PNLを介した接着と伸展が観察され、その伸展度はIL種によって大きく異なった。詳細な検討からPNLの力学強度はIL自身の分子構造およびILの界面配向によって支配され、細胞の表現型に影響を与えることが明らかになった。さらに筆者らはこれらILを溶媒にしたイオンゲル足場材料を作成、バルクの力学強度と界面構造の安定性を同時に向上させるアプローチに展開した。実際、イオンゲル足場上においてはIL界面に比べてhMSCsの伸展度が大きく改善した(図2(b))4)。このような高分子との複合化(ゲル化)による細胞表現型の制御は、従来の高分子の溶解性を持たないフッ素系液体には不可能なアプローチである。3.　刺激応答性の利用イオンゲルのもう一つの利点は、その粘弾性を外部刺激によって変化させられる点にある。著者らはILやイオンゲルからなる細胞足場材料に刺激応答性を組み込み、その力学特性を光によって時空間制御する技術の開発を進めている。例えば図3(a)ではアゾベンゼンを有する高分子をIL中に溶解させることで照射光波長に応じて足場自身の粘弾性を可逆的に切り替えることを可能にしている3)。これによりIL自身のバルク粘弾性を光照射によって制御し液体自身の力学状態をオンデマンドにスイッチングできる。一方、ILのイオン伝導性を活かすことで、界面に形成されるPNL自身の力学特性を電気化学的かつ界面特異的にスイッチングすることにも成功した(図3(b))4)。このようにバルク(三次元)には光、界面(二次元)には電気というように刺激と応答部位を使い分けることで、細胞が感受する環境の力学特性を次元的に分割し、かつ時空間的に制御することが可能となっている。特に電気化学刺激は細胞観察に利用される光プローブと直交性があるので細胞のリアルタイム観察にも親和性が高い。近年、細胞が経験する力学環境の時空間軸がその運命決定に影響を与えることが注目されている。IL／イオンゲル足場はこうした時空間的な力学制御を材料側から実現する、新しいコンセプトのバイオマテリアルとしても有望かもしれない。4. 文　　献1) N. V. Plechkova, K. R. Seddon, Chem. Soc. Rev. 37, 123 (2008).2) T. Ueki, K. Uto, S. Yamamoto, R. Tamate, Y. Kamiyama, X. Jia, H. Noguchi, K. Minami, K. Ariga, H. Wang, J. Nakanishi, Adv. Mater., 36, 2310105 (2024).3) A. Saruwatari, Y. Kamiyama, J. Nakanishi, T. Ueki, revised.4) K. Ishii, T. Ueki, J. Nakanishi, K. Akutsu-Suyama, N. L. Yamada, Y. Yokoyama, T. Sakka, N. Nishi, Langmuir, (2025), published online, DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c02920.5) J. Nakanishi, T. Ueki, S. Dieb, H. Noguchi, S. Yamamoto, K. Sodeyama, Sci. Tech. Adv. Mater., 24, 2418287 (2024).Digest for English ReadersTitle: Liquid Matters: Ion Gels as Tunable Cell ScaffoldsAuthor name: Takeshi UekiDegree: Doctor of EngineeringAffiliation: National Institute for Materials and Science (NIMS)Job Title: Principal ResearcherURL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/ueki_takeshi?locale=jaAbstract: Ionic liquids (ILs) are structurally tunable solvents that offer wide-ranging control over liquid properties such as viscosity, polarity, and interfacial tension. When used in polymer gels, ILs introduce a new design axis, solvent engineering, beyond polymer composition and network structure. This article presents recent advances in using ILs and IL-based gels, i.e., ion gels, as a functional cell scaffold. We demonstrate how IL|water interfaces can support cell adhesion via spontaneously formed protein nanolayers (PNLs), and how gelation improves interfacial and mechanical stability to enhance cell spreading. Furthermore, we highlight IL-based scaffolds with dynamic viscoelastic properties that respond to external stimuli: interfacial mechanics can be tuned electrochemically, while bulk elasticity can be modulated by light. These features illustrate a paradigm shift in biomaterials design, treating the liquid component of gels not as an inert medium, but as an active and programmable element driving cell-material interactions.Keywords: 8 Words以内で記載してください。Ionic liquid, Ion gel, Cell scaffold, Viscoelasticity, Interfacial rheology, stimuli-responsive material, electrochemistry, solvent design【著者紹介用顔写真についてお願い】お顔写真の「jpg data」または、「pdf data」をwordやPowerPointなどに配置せず、別データでお送りください。・お写真の実サイズが横mm35×縦45mm以上のもの。・お顔の左右、頭の上部に余白のあるお顔写真・焦点が合って鮮明なもの・背景が無地または、背景と人物の境目がわかりやすいもの。　参考数値（横420pixel×縦45pixel・解像度350pixel）�図1 イオン液体(IL)の物性値分布とその多様性の例。各物性値について、筆者の知る限りの上限／下限に相当するIL構造および物性値の幅(水色)と典型的なILに見られる代表的な範囲(青色)を示した。赤色のプロットは水における対応する値であり、物性が一意に定まることを示す。これに対しILは分子(イオン)設計により様々な物性を広範囲に制御可能である。この構造的多様性は“液体を設計する”という新たな発想を高分子ゲル(=固体化した液体)に導入する足がかりになる。�図2 (a)IL界面における細胞培養のイメージ図。液体界面に形成されるPNLが細胞の接着を支持する。(b)イオンゲル界面では細胞が、より伸展する。�図3 (a) ILに溶解(膨潤)させた高分子によるイオンゲルのバルク粘弾性光スイッチングおよび(b) PNL粘弾性の界面特異的な電気化学スイッチング。縦30mm横25mm写真5