次世代コンタクトレンズ材料設計システム『SilicoSim(シリコシム)』を開発

2026-06-10 東北大学

東北大学とメニコンは、ソフトコンタクトレンズの主材料であるシリコーンハイドロゲルの設計を高度化するシミュレーションシステム「SilicoSim(シリコシム)」を開発した。シリコーンハイドロゲルは高い酸素透過性と親水性を兼ね備えるが、その性能を決定するナノスケール内部構造と機能の関係は十分に理解されていなかった。研究グループは、透過型電子顕微鏡(TEM)や放射光施設NanoTerasuを用いた解析により、材料内部の三次元共連続ナノ構造と酸素・イオン輸送経路を可視化した。さらに、マルチスケールシミュレーションによって実験結果を高精度に再現し、原料分子構造の違いが物質輸送特性やレンズ性能に影響する仕組みを理論的に解明した。これらの成果を統合して構築されたSilicoSimは、材料のナノ構造と機能を予測できる設計基盤であり、従来の試行錯誤型開発を効率化し、より快適で高性能な次世代コンタクトレンズ開発を加速することが期待される。

次世代コンタクトレンズ材料設計システム『SilicoSim(シリコシム)』を開発
図1. シリコーンハイドロゲルの3次元共連続構造

<関連情報>

両親媒性シリコーンハイドロゲルの3D形態と相選択的輸送:実験とマルチスケールシミュレーション 3D morphology and phase-selective transport in amphiphilic silicone hydrogels: experiments and multiscale simulations

Eri Ito, Yoshiaki Kawagoe  and  Tomonaga Okabe
Soft Matter  Published:26 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1039/D6SM00092D

Abstract

Amphiphilic bicontinuous nanophase-separated networks can, in principle, provide independent pathways for transporting hydrophobic and hydrophilic species, yet PIPS membranes still lack a tightly validated link between 3D domain connectivity, domain identity, and phase-selective transport. Here we study amphiphilic silicone hydrogels formed by PIPS from hydrophobic silicone segments and hydrophilic monomers using complementary experiments and multiscale modeling. TEM combined with Fourier analysis resolves nanoscale phase separation, and 3D TEM reconstruction supports a bicontinuous morphology in a representative ternary formulation, providing insight into domain connectivity and composition. To connect structure and function, we measure permeability trends using oxygen as a probe for silicone-rich pathways and sodium ions as a probe for the hydrophilic network, revealing composition-dependent, phase-specific transport. To rationalize morphology formation, key interaction descriptors are extracted from all-atom molecular dynamics and transferred to reactive dissipative particle dynamics simulations of PIPS, yielding domain features consistent with experiment. Finally, domain-restricted random-walk analyses capture the phase-dependent diffusion trends and show that transport selectivity cannot be explained by domain volume fraction alone; instead, pathway geometry (e.g., tortuosity), which depends on monomer identity, makes a key contribution. Together, these results establish an experiment-simulation workflow linking molecular interactions to 3D morphology and selective transport, enabling simulation-guided design of amphiphilic membranes.

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