資源戦略学講座

Resources Strategies

環境素材設計学分野

Design of Environment-Friendly Materials

Design of materials harmonizing with environment and life

教授 上高原 理暢

助教 梅津 将喜

Professor

Assistant Professor

Masanobu Kamitakahara

Masaki Umetsu

先進社会環境学専攻

環境や生命に調和する材料デザインを求めてGroup Photoある。本分野では、材料と自然・生命現象の相互作用についての基礎学術に立脚し、環境科学の観点から、生命や環境と調和し、さらには積極的に生命や自然に働きかけて新しい調和を生み出す材料のデザインの探求を行っている。具体的には、生体を修復するための材料、微生物を利用したバイオリアクターのための担体材料、環境を浄化するための材料、環境に調和するセラミックスコーティングなどの開発を行っている。
Nowadays, we are using many materials in our daily lives. From the viewpoint of environmental science, materials design helps to build a sustainablesociety. In this laboratory, based on the fundamental science of the relationship between materials and phenomena in nature and life, we study the designof materials that produce harmony between the environment and human life from the viewpoint of environmental science. We are studying and developing
biomaterials to repair our bodies, materials for bioreactors, materials to clean the environment and materials that are in harmony with the environment.

響を調べている。骨再生能力の高いリン酸八カルシウム球状多孔体を溶解析出反応により作製する際に、薬剤を共存させることで強固に薬剤を担持することができることを明らかにした。一方で、リン酸八カルシウム球状多孔体の作製後に薬剤を担持すると、高濃度で担持はできるが早期に放出してしまうことを明らかにしている。

微生物を利用したバイオリアクターのための担体材料の作製
微生物を利用したバイオリアクターによる金属回収や環境浄化など

骨再生を目指したリン酸カルシウムセメントの作製
代謝に組み込まれる骨修復材料の創製を行っている。骨再生を促す注入可能なセメント状の人工骨の開発が求められている。これまでに、生体内で吸収され骨の代謝に組み込まれるリン酸カルシウム球状多孔体の作製に成功している。これらの球状多孔体をリン酸カルシウム骨セメントに組み込むことにより、細胞や骨組織の進入可能なマクロ気孔と体液やタンパク質の進入可能なミクロ気孔の両方を有する新規な多孔質リン酸カルシウム骨セメントの開発を進めている。リン酸カルシウム球状多孔体の種類や硬化に寄与する反応の工夫により、骨再生能力の高いセメントの作製を目指している。

薬剤を担持した骨修復材料の作製
人工骨に薬剤を担持して機能を付与しようという試みが多くなされている。担持した薬剤を有効的に機能させるためには、薬剤の放出挙動を制御する必要がある。そのためには、薬剤の担持方法が重要であると考える。本研究では、薬剤の担持方法が薬剤の放出挙動に与える影

Preparation of calcium phosphate cement
for bone regenerationが注目されている。バイオリアクターの構築のためには、微生物を安We are preparing bone repair materials that are incorporated into
metabolism. Development of injectable artificial bone cements that
promote bone regeneration is desired. We have succeeded in preparing
spherical porous calcium phosphate ceramics that are incorporated intobone metabolism. By incorporating these spherical porous bodies into
calcium phosphate bone cement, we developed a new porous calcium
phosphate bone cement that has macropores that allow cells and bone
tissue to enter as well as micropores that allow body fluid and protein toenter. We aim to produce cement with high bone regeneration ability by
selecting the type of calcium phosphate spherical porous ceramics and thereaction that contributes to hardening.

では、親水性の高い酸化チタンを表面に形成させることのできるチタ

Preparation of drug-loaded bone repair
materials
Many attempts have been made to load drugs on artificial bones to imparta function. To induce a drug’s function effectively, it is necessary tocontrol the drug’s release behavior. For that purpose, we think the drugloading method is important. In this study, we are investigating the effectof the drug-loading method on the release behavior of the drug. It wasrevealed that when a spherical porous body of octacalcium phosphate

定に担持できる材料が求められる。微生物の担持のためには、微生物が接着しやすい表面を持つ材料の開発が重要であると考える。本研究
ン金属に注目した。種々の条件で酸化処理したチタン金属基板を作製し、その基板上での微生物の接着挙動について調べている。

超臨界地熱発電への適用を想定したセラミックスコーティングに関する研究
超臨界地熱発電においては、従来の地熱発電に比べより高温・高圧の水を利用できるので、より大きな発電容量が期待できる。しかし、従来よりも高温高圧の水を利用するので、使用する部材により高い耐食性が求められる。そこで、超臨界水環境で耐食性が高いと期待できるセラミックスコーティングの可能性について調べた。アルミナおよびジルコニアを炭素鋼にコーティングした材料を作製した。これらのコーティングを施した炭素鋼は、コーティングをしていない炭素鋼よりも腐食が抑えられることを明らかにしている。

学会等での活動上高原理暢：日本バイオマテリアル学会評議員、日本セラミックス協会生体関連材料部会幹事、無機マテリアル学会評議員等

Fig.1 Cross section of the porous calcium phosphate
cement containing spherical calcium phosphate granules.
(a) Low magnification and (b) High magnification.

8Coexistence Activity Report 2021

having high bone regeneration ability is produced by a dissolution–
precipitation reaction, the drug could be firmly loaded by coexisting thedrug. On the other hand, it was also revealed that when a drug is supported
after the production of octacalcium phosphate spherical porous body, it
can be supported at a high concentration but is released at an early stage.

Preparation of scaffold materials
for bioreactors using microorganisms
Attention is being paid to metal recovery and environmental purification
by bioreactors using microorganisms. To construct a bioreactor, a material
capable of stably supporting microorganisms is required. To support
microorganisms, it is important to develop a material with a surface on
which microorganisms can easily adhere. In this study, we focused ontitanium metal, which can form highly hydrophilic titanium oxide on thesurface. Titanium metal substrates that have been oxidized under various
conditions have been prepared, and the adhesion behavior of
microorganisms on the substrates has been investigated.

Department of Environmental Studies for Advanced Society

現在、我々は様々な材料を利用して生活を営んでいる。持続可能な社会を構築するためには、環境科学の観点からの材料のデザインが必要でResearch on ceramic coatings for application
to supercritical geothermal power generation
In supercritical geothermal power generation, higher temperature andhigher pressure water can be used compared to conventional geothermal
power generation, so a larger power generation capacity can be expected.
However, because water with higher temperature and pressure is used,high corrosion resistance is required depending on the materials used.
Therefore, we investigated the possibility of ceramic coating, which isexpected to have high corrosion resistance in supercritical waterenvironments. Carbon steels coated with alumina and zirconia wereprepared. It has been shown that these coated carbon steels are lesscorrosive than uncoated carbon steels are.

Activities in academic societies
M. Kamitakahara: Committee Member of the Japanese Society forBiomaterials, Committee Member of Division of Ceramics in Medicine,Biology and Biomimetics of the Ceramic Society of Japan, Council of theSociety of Inorganic Materials, Japan, etc.

Fig.2 FT-IR mapping of the cross section of calcium phosphate granules
with drugs which promote bone formation. The surface is rich in octacalcium
phosphate (OCP) and the interior is rich in hydroxyapatite (HA).
Fig.3 The surface-treated titanium to improve the hydrophilicity.

Fig.4 Alumina coating on carbon steel for corrosion resistance.

Coexistence Activity Report 20219