織田耕彦助教と竹原陵介助教が令和6年度「東工大挑戦的研究賞」を受賞

脂質二重層で構成されるリポソームは内水相を有するカプセル構造であり、抗がん治療を企図した薬物送達システムにおいて、理想的な薬物キャリアとして期待されています。一方で、抗がん剤は正常な細胞も攻撃して破壊するため、患部に確実に薬剤を送達しつつも、適切なタイミングで薬剤を徐放する必要があります。超音波は透過性と制御性に優れており、生体内においてキャビテーションを通じてリポソームを崩し、人体で薬物を徐放できる効果的なツールとなります。しかし、超音波は非選択的に伝播する性質も持つため、高出力の超音波照射下では、がん腫瘍に集積したリポソーム以外の正常組織も破壊することが課題でした。このような中、私は独自の超臨界CO₂マイクロ法を構築し、「CO₂吸収リポソーム」という特異構造体を合成することに成功してきました。一方で、超音波をガス吸収水に照射すると、キャビテーションに必要な超音波出力が顕著に低下することが知られています。ここから着想を得て、CO₂吸収リポソームに対して、弱い超音波を照射することで、リポソーム内水相という隔離空間のみでの「超局所キャビテーション」を誘起し、リポソーム構造の選択崩壊と安全な薬物徐放を実現できるのではないか、と考えたのが本研究の始まりになります。そして実際にCO₂吸収リポソームの音響応答性を検証したところ、CO₂吸収リポソームが飛躍的に高い効率で薬物を徐放できることを見出しました。しかし、CO₂吸収リポソームを精密に設計し、音響応答型の薬物徐放技術を確立するには、リポソーム内部のミクロ空間で生じるCO₂の反応・相変化・物質移動といったCO₂ダイナミクスを明らかにし、リポソームの音響応答性との関係を解明する必要があります。受賞研究では、このようなミクロ空間で生じるマルチフィジックス現象を体系化し、音響応答型の薬物徐放技術へと展開することに挑戦します。

超臨界マイクロ法によるCO₂吸収リポソームの創製と音響応答型の薬物徐放

長年培われてきた有機物質の電気・磁気・光物性に関する基礎研究の発展とは対照的に、有機物質の熱物性、とりわけ熱輸送特性に関する理解は立ち遅れているのが現状です。熱エネルギーは物質中の原子や分子の運動の自由度を反映し、一般的には、分子の重心の並進運動を量子化したフォノンが熱輸送を担うことが知られています。しかし有機物質は重心周りに多数の運動の自由度、すなわち分子ダイナミクスを持つため、これらの自由度は無機物質にはない新たな熱輸送特性の発現につながる可能性があります。分子ダイナミクスと熱輸送の関係性を明らかにし、分子設計や外場によってその熱輸送を制御することができれば、有機材料を用いた新たな熱マネージメント技術の創出につながることが期待されます。本研究課題は、２種類の分子ダイナミクスを起源とした熱輸送の理解・探索に挑戦します。１つは分子内振動に蓄えられた熱エネルギーの伝搬機構についてです。非常に局在性の高い振動モードである分子内振動に蓄えられた熱エネルギーが、いかに結晶中を伝搬するのかを明らかにしたいと考えています。もう１つは、より巨視的な分子ダイナミクスを持つ分子ローター系の熱輸送についてです。最近開発された２次元双極性分子ローター系において、ローターの回転運動が熱エネルギーを運ぶ可能性があり、そのような新たな熱輸送機構を見出したいと考えています。これら有機物質に特有の分子ダイナミクスを起源とした熱輸送を理解することができれば、有機熱輸送という新たな研究領域が開かれると期待されます。

分子内振動および巨視的な分子運動に起因した熱輸送の理解と探索