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化学者のつぶやき

「機能性3Dソフトマテリアルの創出」ーライプニッツ研究所・Möller研より

「ケムステ海外研究記」の第12回目は、第10回目の赤松さんのご紹介で、物質材料研究機構(NIMS)の機能性材料研究拠点バイオポリマーグループ(田口哲志研)研究員・西口 昭広さんにお願いしました。

西口さんは約2年間ドイツで過ごし、多分野が融合したマテリアル研究をされました。研究生活が活き活きと記された読み応えある寄稿となっております!

Q1. 現在、どんな研究をしていますか?

私は、ドイツのAachen(アーヘン)にあるDWI Leibniz-Institute for Interactive Materials(DWI ライプニッツ研究所)<という研究所で、博士研究員として2017年1月まで働いていました。ドイツの研究所と聞くと、マックスプランク研究所が有名ですが、より応用研究に近いフランホーファ研究所やヘルムホルツ研究所などいくつかの研究所があります。中でも、ライプニッツ研究所は基礎研究と応用研究をバランスよく行う研究所として位置づけられています(図1)。

図1. ドイツ国内における研究所の位置づけ(引用元はこちら)。

 

ドイツ国内に88か所の拠点を有するライプニッツ協会では約1万人の研究者が勤務しており非常に大きな研究所です。私が勤務していたDWIは、世界遺産の大聖堂が有名なアーヘンにあり、学生を含めて約200名のスタッフが在籍しています。アーヘンではもともと繊維工業が盛んであったこともあり、DWIは機能性高分子材料研究所としてアーヘン工科大学によって設立されました(DWIとはドイツ語でドイツウール研究所の意味のようです)。そのため、アーヘン工科大と密接な関係にあり、学生の大半がアーヘン工科大の学生です(詳しくはこちらを参照)。

私の指導教官であるMartin Möller教授<は、DWIの研究所長であり、研究活動・教育活動に加えて研究所の統括も行われているため常に多忙です(土日も平気で働くようなドイツ人らしからぬ方です)。DWIは、ハイドロゲル・繊維・分離膜・フォトニック結晶・生体材料などの機能性材料開発を行っており、特に分野横断的な研究の推進を掲げています。分野の異なる4名の教授と3名のジュニアグループリーダーが、グループ間でアクティブに共同研究を行っていることが特徴的です。高分子合成・機能から機械工学、バイオテクノロジーまで、広範な研究分野が一か所に集約されており、効率的に分野融合的な研究を行うことができる環境でした。日本の大学ではあまり見ないシステムですが、ドイツ国内でも珍しいシステムのようです。

図2. (上段)アーヘンの所在地と大聖堂の写真。(下段)DWIライニッツ研究所とMöller教授の写真。ドイツ人にとって太陽光と開放感は重要らしく、教授室も含めてほとんどがガラス

 

Möller教授のグループでは、機能性高分子の合成やブロック共重合体の自己集合1)、マイクロ・ナノ構造体、バイオミメティックアクチュエーターの開発2)などを行っています。私はこのグループで、多光子リソグラフィーを用いた機能性ソフトアテリアルの三次元造形を行っていました。多光子リソグラフィーとは、二光子吸収の非線形な光学特性を利用した、高レゾリューション3Dプリンターです。光硬化性の樹脂を用いることで、最大100 nm程度のレゾリューションで三次元造形が可能です(図3)。

図3 (A) 1光子吸収と2光子吸収のイメージ3)。焦点でのみ強く吸収が起きる。(B) 世界最小のウシ4)。(C)多光子リソグラフィーの実験風景。塵を避けるためクリーンルームで実験を行う。

この技術は、フォトニック材料やマイクロ流路、メタマテリアルへの応用が期待される一方、ハイドロゲルなどのソフトマテリアルへの利用は限定的でした。その理由として、多光子リソグラフィーに適した特性を有するフォトレジストが開発されていないことが挙げられます。光開始剤の二光子吸収特性やモノマー・架橋剤の反応性、フォトレジストの粘度や屈折率など様々なパラメーターが大きく影響するため、最適な分子設計を行う必要があります。私たちは、架橋剤として新たに多分岐型のマクロクロスリンカーを合成し、多光子リソグラフィーによって高いレゾリューションで刺激応答性のマイクロ・ナノハイドロゲル構造体を三次元造形することに成功しました(図4)。多光子リソグラフィーは、ハイドロゲル内部の材料密度を三次元的に100 nmオーダーで制御できるため、応答性の異なるビルディングブロックを三次元的に組み上げることで、ゲルの膨潤挙動・機械特性が精密に制御できます5)。ソフトマテリアルに特徴的な、動的で、しなやかな動きを示す刺激応答性アクチュエーターや、生体適合性の高い光増感剤を用いたタンパク質ゲルの作製と細胞挙動を動的な制御を行っており、とくに生体材料への応用を念頭に研究を進めています。今後、より多光子リソグラフィーによるソフトマテリアル開発が進めば、材料特性が動的に制御可能な3Dプリンティング技術、いわゆる4Dプリンティングの発展に寄与できると期待されます。

図4 多光子リソグラフィー用フォトレジストの設計と三次元造形。構築されたハイドロゲルの構造、細胞培養足場への応用例、タンパク質粒子の作製例。

また今回はスペースの関係上、詳細は割愛しますが、機能性ナノファイバーやハイドロゲルを用いた臓器モデル(肺胞モデルや皮膚モデル、神経組織)の構築について、併設するアーヘン工科大附属病院との共同研究で取り組んでいます(図5)6,7)

図5 エレクトロスピニング法によって作製した生体機能性ナノファイバーによるヒト肺胞上皮組織モデルの構築とアーヘン工大附属病院の外観。どう見ても工場のようにしか見えませんが、一応病院です。後から増築できるように柱状の突き出た構造を造ったらしいのですが、地盤が弱いことが判明し、ただの柱のまま放置されています。

Q2. なぜ日本ではなく、海外で研究を行う(続ける)選択をしたのですか?

新しい環境で新しい研究を行いたかったからです。博士課程の時には、生体材料の研究を行っていましたが、免疫染色やPCR、ELISAなど主に生物学的な評価が中心だったので、高分子合成や材料合成などはほとんど行ったことありませんでした。そのため、今後も生体材料の研究を続けるうえで、「モノ」を作る技術を身につける必要があると考えました。それなら国内でもいいのかもしれませんが、ポスドクをするといえば海外だろうと決めつけていたので、当時は海外の研究機関に行くことしか考えていませんでした。正直、深く考えていなかったです(笑)。ただ実際、世界で行われている最先端の研究に触れる、日本とはかけ離れた文化(研究面でも生活面でも)を経験する、単なる英会話ではなく英語でディスカッションできるようになる、海外のコミュニティーとのコネクションをつくる等々、挙げだしたら切りがないくらい多くのメリットがあると思います。

学生時代に海外の研究機関と共同研究を行っていた時に、全くディスカッションができなかった苦い経験も海外に行った理由の一つかもしれません。相手から一方的に提案を受けるばかりで、議論を深めることができませんでした。年齢を重ねるほど、英語に対する諦めの気持ちが強くなってしまいがちですが、研究成果を海外に発信し、議論を深めて、研究を発展させていくうえで英語は必要不可欠であることは忘れるべきではありません。また、これらは海外からの学生の受け入れにも大きく影響しています。多くの学生が日本への留学に興味を持っていましたが、実際多くの日本の大学や研究機関では、日本語が話せないと学位をとることが難しいのが現状であるため諦めていました。私のいた研究所では英語が公用語であり、成果発表等はすべて英語でした。研究室内でどうするかはトップの一存次第だと思うので、今後より一層研究室が国際化することで、世界からたくさんの研究者が日本に集まることを期待しています。

Q3. 研究留学経験を通じて、良かったこと・悪かったことをそれぞれ教えてください。

良かったことは、研究面では、基礎的な高分子合成や多光子リソグラフィーやエレクトロスピニングなどの材料合成技術を習得できたことに加え、ソフトマテリアルにおける新しい概念に触れることができたことです。特にKarman conferenceは印象的でした。生活面でいえば、やはりワークライフバランスが優れている点が挙げられます。ドイツでは労働組合が強いこともあり、労働時間が明確に決められています。多くの研究室や会社では、月―金・9時―17時で働いて、あとは自分の時間です。自分の学生時代と比較すると考えられません(笑)。しかし、実際、研究面(論文の数や質)でも経済面(GDP)でも、日本に匹敵していることを考えると、ドイツ人の生産性がいかに高いかがわかります(人口も日本の2/3程度です)。現在、日本でも労働環境に関する議論が盛んに行われていますが、ドイツを見習う点も多いかと思います。土日は働かず、日曜日に至っては、スーパーや美容室などほとんどの店が休みです。コンビニはもちろんありません。一見不便のように感じますが、無いなら無いで全く問題ありませんでした。土曜日に済ませればよいだけです。

また、日本人が少ない環境も良かったと思います。DWIには日本人が私1人しかおらず、1か月間日本語を話さないことも珍しくありませんでした。英語だけで生活したほうが上達も早いと思います。滞在中は、ドイツ人とメキシコ人とルームシェアをしていました(図6)。イギリス留学中は、教授の自宅にホームステイするというエキサイティングな経験をしたこともあり、一人暮らしがしたいと思っていましたが、ルームシェアを選びました。毎日家にいても誰かと会話でき楽しかったので、お勧めします。ただ、朝6時から掃除機をかけたり、つくえをふいた台ふきで食器をふいていたりと(文化的な差というよりは個人差だとは思いますが)、ストレスは溜まります(笑)。そのたびに話しあって解決していく過程も勉強になりました。

悪かったことは、ずばり食事です。最初の3か月くらいはなんとか楽しんでいましたが、米の代わりにフライドポテトを食べる習慣にはついていけませんでした(笑)。2か月に一度、わざわざ3時間かけて本物の日本食を食べにいくほどでした。ただ、ビールはやはり美味しく様々な種類のものが飲めます。クリスマスマーケットも有名で、クリスマス前の1か月間は毎日ホットワインで飲み会ができます。

図6 滞在していたフラット(街に不動産屋がないので探すのに苦労しました。)、カリーブルスト、ビール屋、クリスマスマーケットの様子。

 

Q4. 現地の人々や、所属研究室の雰囲気はどうですか?

ドイツと聞くと、日本人と似た国民性で、勤勉でまじめという印象が強いかもしれません。確かにそうなのですが、日本人のそれとはまた少し違います。まず自分の意見を非常にストレートに言います。YesはYesですし、NoはNoです。教授から頼まれた仕事も、就業時間内にできなければ平気で断りますし、自分が違う意見を持っていれば徹底的に議論する人が多かったです。ドイツ人は自己中心的で冷たいという印象を持つ方もいるようですが、表現方法の文化的な違いによるもので、親切な方が多かったです。バスや電車でも、乗車の補助をしたり、席を譲ったりという光景がよく目にしました。バスに車いすの方が乗車しているのを頻繁に見ましたが、抵抗なく利用できる空気が社会にあるのだと感じました。

上述しましたように、私の所属していた研究所は少し特殊で、ひとつの研究所に7グループがありましたが、実験室や研究機器は多くが共用で、ミックスしていました。Möller教授の考えで、ラボ間の壁を取り除いて、研究所としていっしょに働く、という空気づくりを行うためです。ですので、普通の研究室に在籍していると20人程度のコミュニティーで生活することになるところが、大げさに言うと、DWIだと200人で働いているような心持ちでした。ですので、ほかのグループの研究者とつながったり、学生の友達がたくさんできました

図7 研究所のメンバー。グループも国籍も様々です(ドイツ、ベルギー、ロシア、トルコ、中国、イラン、フィリピン、バングラディッシュ、ウクライナ、オランダ)。私がすべて同じ服で写っていますが、偶然です。

Q5. 渡航前に念入りに準備したこと、現地で困ったことを教えてください。

渡航前の準備は、正直申し上げるとほとんどしておりません。受け入れ書と推薦書を持ってそのまま行ってしまったという感じでした。

ドイツの場合は、滞在許可や就労申請が現地で行うことになっていたので、手続きのほとんどを現地に行ってから、大学のサポートのもと進めていきました。

現地で困ったこととしては、治安でしょうか。2年前まではテロなどはほとんどなかったのですが、滞在している期間中に、パリやブリュッセルでテロが起き、去年のクリスマスあたりではベルリンでもテロがありました。ですので、日本と比較するとある程度の治安の悪さは覚悟する必要があると思います。ただ、総じて、ドイツで生活していて感じたのは、結局日本とそんなに変わらないとうことです。ですので、海外での生活に足踏みしている方も、そこまで恐れないでいいと思います。無責任な言い回しですが、行ってしまえばなんとかなります。

Q6. 海外経験を、将来どのように活かしていきたいですか?

技術面で、DWIで習得したことを今後の研究活動に活かしていきたいのは当然ですが、DWIの研究者とのつながりを大事にしていきたいと考えています。今後も、共同研究や予算獲得、学生の留学など色々な可能性があると思います。海外留学はこのようなコネクションをつくる良い機会です。私の知り合いでも多くの方が海外でポスドクをされていますが、帰国後もその関係性を継続することは非常に難しいようです。行って2年働いてただ帰るだけというのは、もったいないと思います。

また、現地で知り合うことのできた日本人の方々とも連絡を取り合っていければなと思っています。リンダウノーベル賞受賞者会議(ケムステでの関連記事はこちら)でもたくさんの方と知り合いことができました。是非、積極的に参加してみてください(図8)。

図8 リンダウミーティングの様子。BBC(Bavarian Broadcasting Corporation)に取材されました。

Q7. 最後に、日本の読者の方々にメッセージをお願いします。

研究者の皆さま、特に学生の皆さまは、どんどん海外に飛び出して行ってください。残りの人生の50年を日本で暮らすのであれば、そのうちの2年をどこか別の国で暮らしてみればいいと思います。たった4%です。しんどかったとしても、日本のことがより一層好きになって帰ってくると思うので、それもいいと思います(笑)。

海外で学位をとることも選択肢の一つだと思います。ドイツでは大学まで教育が無料です。そのうえ大学院では給料が出ます。こういう情報があまり共有されていないのも残念なことだと思いますが、一考の価値ありだと思います。大学受験で、偏差値が高い国内の大学だけを見て視野を狭めるのはもったいないなと思います(高校生だった頃の自分が挑戦していたとは思えませんが(笑))。若いときの苦労は買ってでもしろ、という言葉にありますように、現状に満足せず、無茶を承知で未知の領域にチャレンジするべきだと思います。

最後になりましたが、今回本記事を執筆する機会を与えてくださった関係者の皆さまにこの場を借りて感謝申し上げます。自分のような日化にも出たことがないような者が、本記事を書かせていただくのは恐縮ではありますが、今後も化学を基盤とした生体材料研究がより一層注目されるよう、研究活動に邁進したいと思います。

なお、2017年2月より物質材料研究機構で臨床応用まで視野に入れた生体材料の研究開発を行っております。ご興味のある方はお気軽にお声がけいただければ幸いです。http://www.nims.go.jp/group/polymeric_biomaterials/index.html

【関連論文・参考資料】

  1. Möller et al., Nat. Commun. 2017, 8, 14057. DOI: 10.1038/ncomms14057
  2. Möller et al., (a) Adv. Mater. 2017, 29, 1604825; 10.1002/adma.201604825 (b) Nano Lett. 2017, 17, 2010. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00015
  3. N. LaFratta et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 6238. DOI: 10.1002/anie.200603995
  4. Kawata et al., Nature 2001, 412, 697. DOI: 10.1038/35089130
  5. Nishiguchi, A. Mourran, H. Zhang, M. Möller, Adv. Sci., in press.
  6. Möller, J. Groll, et al., Nat. Mater. 2011, 10, 67. DOI: 10.1038/nmat2904
  7. Nishiguchi, S. Singh, M. Wessling, C. J. Kirkpatrick, Martin Möller, Biomacromolecules 2017, 18, 719. DOI: 10.1021/acs.biomac.6b01509

【研究者のご略歴】

西口 昭広 (にしぐち あきひろ)

2006―2010年 大阪大学工学部応用自然科学科応用化学コース 卒業
2010―2015年 大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻(明石研究室) 修士・博士課程修了
同時期に
2011年9―12月、2012年9―12月 Faculty of Medicine, University of Bristol (UK) Dr. Patrick Caseグループに留学
2012年4月―2015年3月 日本学術振興会特別研究員(DC1)
2015年4月―2017年1月 DWI Leibniz-Institute for Interactive Materials, RWTH Aachen University (Germany) Prof. Martin Möllerグループ 博士研究員
2017年2月―現在 特定国立研究開発法人 物質材料研究機構 機能性材料研究拠点 バイオポリマーグループ(田口哲志PI) 研究員
研究テーマ:多光子リソグラフィーによる機能性ソフトマテリアルの3Dプリンティング
海外留学歴:1年10ヶ月

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Orthogonene

有機合成を専門にするシカゴ大学化学科PhD2年生です。 趣味はスポーツ(器械体操・筋トレ・ランニング)と読書です。 ゆくゆくはアメリカで教授になって活躍するため、日々精進中です。 http://donggroup-sites.uchicago.edu/

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