Freeze-concentrated layers as a unique field for the formation of hydrogels

ハイドロゲル形成の特異なフィールドとしての凍結濃縮層

関根 由莉奈   ; 南川 卓也 

Sekine, Yurina; Nankawa, Takuya

凍結中に起こる氷の結晶と溶質および結合水の相分離は、ハイドロゲルの階層構造を制御するための反応場として使用できる。本論文では、固体-準液相分離を使用して形成されたカルボキシメチルセルロースナノファイバー(CMCF)ハイドロゲルの研究を紹介する。CMCFハイドロゲルは、凍結したCMCFにクエン酸を加え、混合物を解凍するだけで形成された。凍結架橋CMCFの圧縮強度は、従来の架橋法で形成したCMCFハイドロゲルに比べて20万倍向上した。氷結晶が溶ける前の凍結濃縮層では、水素結合を介したCMCF構造の再配列が進行していることがわかった。凍結濃縮下では、CMCFと結合水が高濃度に閉じ込められる。このような独特な空間での架橋反応により、機械的強度の高いCMCFハイドロゲルが形成された。凍結架橋CMCFハイドロゲルのゲル化挙動と特性、およびその応用について説明する。

The phase separation of ice crystals and solutes and bound water that occurs during freezing can be used as a reaction field to control a hierarchical structure of hydrogels. Here, we present a study of carboxymethyl cellulose nanofiber (CMCF) hydrogels formed using the solid-quasi liquid phase separation. CMCF hydrogels were formed simply by adding citric acid to frozen CMCF and thawing the mixture. It was found that rearrangement of CMCF structures via hydrogen bonding proceeds in the freeze concentration layer before the ice crystals melt. Under freeze concentration, CMCF and bound water are confined at high concentrations. The crosslinking reaction in such a unique space contributed to the formation of CMCF hydrogel with high mechanical strength. We discuss the gelation behavior and properties of freeze crosslinked CMCF hydrogels and their applications.