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Study on a biosensor for kidney function testing using enzyme-modified silk-fibroin films

Research Project

Project/Area Number 20K04506
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21030:Measurement engineering-related
Research InstitutionOsaka Institute of Technology

Principal Investigator

Koike Kazuto  大阪工業大学, 工学部, 教授 (40351457)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小山 政俊  大阪工業大学, 工学部, 准教授 (30758636)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywordsバイオセンサー / クレアチニン / 尿素 / 絹フィブロイン / 酵素固定化 / 拡張ゲートFET / クレアチニンデイミナーゼ / 拡張ゲートFET / クレアチニンセンサー / 尿素センサー / バイオFET
Outline of Research at the Start

透析治療や腎移植が必要となる慢性腎臓病は心筋梗塞や脳卒中の発症リスクを高めるが、進行するまで症状が無いためサイレントキラーと呼ばれている。透析移行や貧血の指標として知られているクレアチニンと尿素を長時間連続モニタリングできれば、腎機能低下の早期発見につながる。
本研究ではウェアラブル化や健康指標マーカの連続モニタリングに有利な拡張ゲート電界効果トランジスター型バイオセンサーを開発する。酵素の固定化には、シランカップリング剤と絹フィブロインを用いる。被検液中のクレアチニンと尿素を長時間連続モニタリングするためのセンサーを試作し、腎機能低下の早期発見に役立つヘルスケアデバイスを提案する。

Outline of Final Research Achievements

We fabricated enzyme membranes for the detection of the kidney function markers creatinine and urea and applied them to an extended gate FET biosensor. Creatinine deiminase and urease were used as the enzymes for creatinine and urea. A biocompatible silk fibroin was used for the immobilization of the enzymes on the extended gate electrode. Prototype creatinine and urea sensors were fabricated and the former was sensitive to creatinine concentrations ranging from 0.01 to 0.3 mg/mL and the latter to urea concentrations ranging from 0.1 to 10 mg/mL. The normal values for blood creatinine are less than 0.012 mg/mL for men and 0.01 mg/mL for women, while the normal value for blood urea nitrogen is less than 0.2 mg/mL. Therefore, the prototype sensors were able to measure concentrations above normal levels.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生活習慣病の代表例の一つに慢性腎臓病(CKD)がある。国内のCKD患者数は約1300万人で慢性透析患者数は約35万人と報告されている。腎機能の低下は初期段階で自覚症状が現れにくくいため、日常的に腎機能を評価できる低侵襲のバイオセンサーの実現が待たれる。本研究では、生体適合性の高い絹フィブロインを用いて腎機能マーカーである尿素とクレアチニンを検出するための酵素膜を開発し、拡張ゲートFET型バイオセンサーへ応用した。絹フィブロインを用いて酵素を固定化する方法を提案し、かつ、ウェアラブル化に有利な拡張ゲートFET型バイオセンサーへ応用できること示したことから、学術的・社会的に意義があったといえる。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (67 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (17 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 16 results,  Open Access: 3 results) Presentation (41 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (8 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Low-Temperature Deposition of VO<sub>2</sub> Thin Films on Glass Substrates by MOD Method2024

    • Author(s)
      Hideo Wada, Taito Fukawa, Nobuya Hiroshiba, Kazuto Koike, Masami Kawahara
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 73 Issue: 2 Pages: 172-177

    • DOI

      10.2472/jsms.73.172

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2024-02-15
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    • Author(s)
      廣芝伸哉,牧野賀成,道端 涼,広藤裕一,小池一歩
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems

      Volume: 143 Issue: 4 Pages: 498-503

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.143.498

    • ISSN
      0385-4221, 1348-8155
    • Year and Date
      2023-04-01
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    • Author(s)
      和田英男,扶川泰斗,豊田和晃,小山政俊,廣芝伸哉,小池一歩
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      Volume: 143 Issue: 2 Pages: 54-62

    • DOI

      10.1541/ieejfms.143.54

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • Year and Date
      2023-02-01
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    • DOI

      10.1541/ieejfms.142.221

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
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    • DOI

      10.1380/vss.65.139

    • ISSN
      2433-5835, 2433-5843
    • Year and Date
      2022-03-10
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      Volume: 61 Issue: 10 Pages: 101001-101001

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      10.35848/1347-4065/ac9024

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      Wada Hideo、Koike Kazuto、Yano Mitsuaki
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      Volume: 141 Issue: 5 Pages: 345-350

    • DOI

      10.1541/ieejfms.141.345

    • NAID

      130008033158

    • ISSN
      0385-4205, 1347-5533
    • Year and Date
      2021-05-01
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      Volume: 23 Issue: 1 Pages: 105-113

    • DOI

      10.1080/15980316.2021.2011443

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      IEEE Xplore

      Volume: - Pages: 1-2

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      10.1109/irmmw-thz46771.2020.9370373

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      Volume: 30 Pages: 75-81

    • NAID

      40022441416

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    • Author(s)
      豊田和晃,扶川泰斗,大内涼介,小池一歩,小山政俊,和田英男, 河原正美
    • Organizer
      第30回 日本赤外線学会研究発表会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] MOD 法による Nb,Ta 添加 VO2 成膜における相転移温度の低温化2021

    • Author(s)
      扶川泰斗, 林 翔太, 小池一歩, 廣芝伸哉, 和田英男 , 河原正美
    • Organizer
      第30回 日本赤外線学会研究発表会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 腎機能指標クレアチ二ンを対象としたFET 型バイオセンサー開発に向けた酵素膜の作製と評価2021

    • Author(s)
      牧野賀成, 平木健太, 道端涼, 広藤裕一, 廣芝伸哉, 小池一歩
    • Organizer
      日本材料学会半導体エレクトロニクス部門第一回研究会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 格子近接系LSAT基板への酸化タングステン薄膜のMBE成長と構造および電気特性評価2021

    • Author(s)
      杉本直也、リチャードオンコ、廣芝伸哉、稲葉克彦、小池一歩
    • Organizer
      応用物理学会関西支部講演会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 拡張ゲート電界効果トランジスターを用いたクレアチニンセンサーの作製2021

    • Author(s)
      平木 健太,佐々木 太鳳,牧野 賀成,広藤 裕一,小池 一歩,矢野 満明
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 異種材料を積層させたグラフェンのガスセンシング特性2021

    • Author(s)
      藤元 章,前田 翔児,井須 亮太,柏木 行康,玉井 聡行,竹内 美洋,菅 洋志,小山 政俊,小池 一歩,矢野 満明,塚越 一仁,Eric M. Vogel
    • Organizer
      日本物理学会第76回年次大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 二硫化モリブデン/グラフェンのガスセンシング特性2020

    • Author(s)
      藤元 章,前田 翔児,井須 亮太,小山 政俊,小池 一歩,矢野 満明
    • Organizer
      令和2年度日本材料学会半導体エレクトロニクス部門第2回研究会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] MOD法によるC面サファイア基板上VOx 薄膜成長と結晶性および光学特性評価2020

    • Author(s)
      紅 由伸,松川 旭,小池 一歩,矢野 満明,和田 英男
    • Organizer
      第29回 日本赤外線学会研究発表会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Impact of optical absorption for THz radiation in GaSb/InAs heterostructures2020

    • Author(s)
      R. Ohashi, D. Shimada, M. Koyama, T. Maemoto, S. Sasa, F. Murakami, H. Murakami, M. Tonouchi
    • Organizer
      45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of terahertz optical sources for an excitation wavelength of 1.56 μm2020

    • Author(s)
      D. Shimada, R. Ohashi, M. Koyama, T. Maemoto, S. Sasa, F. Murakami, H. Murakami, M. Tonouchi
    • Organizer
      45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nonuniform Carrier Heating Induced Nonlinear Electron Transport Properties in Asymmetrically Necked InAs Mesa Structures2020

    • Author(s)
      Ryota Ohashi, Daichi Shimada, Masatoshi Koyama, Toshihiko Maemoto, Shigehiko Sasa
    • Organizer
      Pacific RIM Meeting on Electrochemical and Solid State Science
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural Analysis and Characterization of Bilayer AZO Thin Film Transistor by Solution Process2020

    • Author(s)
      Kazuyori Oura, Keisuke Takano, Hideo Wada, Masatoshi Koyama, Toshihiko Maemoto and Shigehiko Sasa
    • Organizer
      33rd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
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      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フレキシブルデバイス応用に向けた酸化物薄膜の繰り返し曲げ耐久性評価2020

    • Author(s)
      熊谷 敏宏,大浦 紀頼,和田 英男,小山 政俊,前元 利彦,佐々誠彦
    • Organizer
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
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  • [Presentation] フレキシブル基板上に形成した酸化物薄膜の繰り返し曲げ耐久性評価とX線回折による構造解析2020

    • Author(s)
      大浦 紀頼,熊谷 敏宏,和田 英男,小山 政俊,前元 利彦,佐々 誠彦
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] フレキシブル基板上に形成した酸化物薄膜の繰り返し曲げ耐性とそのリアルタイム抵抗測定評価2020

    • Author(s)
      熊谷 敏宏,大浦 紀頼,和田 英男,小山 政俊,前元 利彦,佐々 誠彦
    • Organizer
      日本表面真空学会学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] エキシマ光アシストアニーリングによる溶液プロセスを用いた酸化インジウム薄膜の低温形成とTFTの特性評価2020

    • Author(s)
      高野 圭佑,大浦 紀頼,和田 英男,小山 政俊,前元 利彦,佐々 誠彦
    • Organizer
      日本表面真空学会学術講演会
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      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 絹フィブロインを用いた酵素膜の作製と拡張ゲートFET型バイオセンサーへの応用

    • URL

      https://www.research.oit.ac.jp/oitid/archive/2023/seeds/seeds/seeds-2705/

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      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 絹フィブロインを用いた酵素膜の作製と拡張ゲートFET型バイオセンサーへの応用

    • URL

      https://www.research.oit.ac.jp/oitid/seeds/seeds/seeds-2705/

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      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 糖尿病をはじめとする疾患の早期発見に 役立つ長時間モニタリング可能なバイオセンサー

    • URL

      https://www.oit.ac.jp/oitp/introduction/detail10.html

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      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 大阪工業大学ナノ材料マイクロデバイス研究センター

    • URL

      http://www.oit.ac.jp/japanese/nanotech/

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      2022 Research-status Report 2021 Research-status Report
  • [Remarks] 大阪工業大学イノベーションデイズ2021

    • URL

      https://www.research.oit.ac.jp/oitid/seeds/seeds/seeds-2705/

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  • [Remarks] 大阪工業大学地域産業支援プラットホーム

    • URL

      http://www.oit.ac.jp/oitp/introduction/detail10.html

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      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 大阪工業大学 智と技術の見本市

    • URL

      https://www.research.oit.ac.jp/oitid/archive/2020/seeds/seeds-2705/

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      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 大阪工業大学技術シーズ集

    • URL

      https://www.oit.ac.jp/japanese/sangaku/pdf/2019sd0041.pdf

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      2020 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 調光ガラス及びその製造方法、並びに、前記調光ガラスを構成する多孔質モスアイ構造の二酸化バナジウム薄膜2021

    • Inventor(s)
      和田英男,小池一歩,前元利彦
    • Industrial Property Rights Holder
      和田英男,小池一歩,前元利彦
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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