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Research and development of bio-interfacial materials capable of interaction by light and electricity

Research Project

Project/Area Number 22H00588
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

関谷 毅  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (80372407)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 植村 隆文  大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (30448097)
鶴田 修一  大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (70876789)
荒木 徹平  大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (10749518)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥42,770,000 (Direct Cost: ¥32,900,000、Indirect Cost: ¥9,870,000)
Fiscal Year 2024: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Fiscal Year 2023: ¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
Fiscal Year 2022: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Keywordsフレキシブルエレクトロニクス / 生体計測デバイス / 生体計測 / バイオエレクトロニクス / 生体適合性材料
Outline of Research at the Start

本提案では、高い生体適合性有する高分子材料を母材とし、これに光および電気的性能を付与することで、究極的な生体適合性と光・電気的機能を両立させた新しいエレクトロニクス界面材料を実現する。この材料を、薄膜・小型の生体電位計測システムの柔軟電極表面に搭載することで、長時間生体内へ埋め込み可能なエレクトロニクスシステムを実現する。将来的には、長時間脳内で連続計測を可能にすることで、高度な脳活動を理解し、認知症などの脳関連疾患の解明と医療、創薬に資する基盤技術を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

本提案では、本研究グループが世界に先駆けて実現してきた「生体適合性有機材料」と「ナノ導電材料」の融合から成る柔軟電子/光材料技術を用いて“生体密着・生体融合可能で、長期間にわたり光と電気により生体組織へ相互作用が可能な生体界面材料「Interactive Bioadhesive」”を実現する取り組みである。具体的には、生体組織上にて長期間安定的に密着性を保ちつつ、光や電気による神経刺激機能と微弱生体計測機能を有し、最後は体内に吸収される新規の生体界面材料の研究開発である。この生体デバイスを実現することで、生体拒絶反応を抑え、長期間にわたり生体内に留置できる光・電子デバイスの応用が可能になる。新しい生体埋め込み型医療機器や生体計測機器の開発に貢献する取り組みである。生体組織特有の体液や個体差の影響を受けることのない生体界面材料を、ナノ材料学的、構造学的、生体組織学的視点から3年計画で実現していく取り組みである。令和4年、5年を通して、高い生体適合性を有する高分子材料を主材としたInteractive Bio-Adhesiveとマイクロニードル型細径電極を含む複数種類の柔軟性のある生体計測電極を組み合わせることで、光学特性および電気特性においても優れた生体電極を実現することができた。特に、生体の電気特性を高精度に行う上での基準となる接触インピーダンスにおいて、目標値であった100Ω/□よりさらに低いインピーダンスが実現できた。本取り組みの成果は、世界最高峰のマテリアル学術論文誌Advanced Materials誌に2度掲載された。そのうち一つは、表紙にも採択されるなど多くの注目を集めることができた。今後は、生体内で長期間安定的に生体信号を計測可能であることを実際の生体にて実証する取り組みと、体内へ融合されて無害化されてる取り組みを行っていき、本研究開発の最終目標を実現する。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

3年計画の一年目(令和4年度)は、生体組織界面材料であるInteractive Bio-Adhesive層の作製と光・電気特性評価、生体適合性評価を行い、目標通りの電気的、光学的、機械的特性を得ることができた。そこで二年目(令和5年度)は、このInteractive Bio-Adhesiveを搭載したマイクロニードルゲル電極の試作と評価に取り組んできた。特に、生体組織を損傷することなく、生体情報を高い品質で獲得する形状として、マイクロニードル型、細径繊維型、フィルム型など様々なゲル電極の作製を行った。形状と共に、生体適合性のあるゲル材料として実績のあるアクリルアミドゲル、ポリヘマゲルに加えて、九州大学田中賢教授との共同研究において抗血栓性材料PMCXAを用いた。この材料を導電性が高いAgナノワイヤーやAu、Pt等の貴金属薄膜電極と組み合わせ、乾燥させることで生体適合性と導電性を兼ね備えた柔軟な生体電極を作製した。

微細な神経や細胞の情報を直接的に獲得するために、生体電極の微細化が重要な課題となっていた。特に、10マイクロメートル寸法の細胞に直接的にアプローチする必要があるが、本研究では主に印刷、鋳型、レーザー加工、自己組織化形成の各種技術を用いてこの取り組みを進めた。現在までに、30マイクロメートルまでの形状を安定的に形成できることを確認した。一方で、このような微細な形状においては、本研究の目標を実現する上では支障がないが、電気的特性、光特性、生体適合性が低下することが新たに見出されているため改善を進めていく予定である。

Strategy for Future Research Activity

これまでの2年目(令和4,5年度)の研究開発を当初の予定通り進めることができた。特に高い抗血栓性を有する生体適合性高分子を融合させることにより、高い生体適合性を保有しながらも、従来の生体電極と比べて一桁近い信号・ノイズ比の高い生体電極であることが確認され、電気的・光学的・機械的な優位性も実証することができた。この成果を基盤として最終年度となる令和6年度には、実際に生体内へ長期に分かり適用して、その有用性を検証する取り組みを進める。
ここでは研究計画段階では「小型霊長類マーモセットの脳および体内への完全埋め込みによる性能検証」を目標に掲げ計画してきたが、大阪大学医学部脳神経外科との緊密な連携により、本デバイスの有用性をより頻度高く検証するうえで適した大型動物種(ミニ豚、家畜豚)を用いることができる見通しが立った。そこで本年度は、まず初めにこの大型動物種を用いて体内完全埋め込み型脳計測・刺激システムに、新型の柔軟ニードル電極を搭載し、完全埋め込みを実施する。皮質脳波ECoGと脳深部局所脳波LFPの連続計測および、生体内での光学的計測の同時実施により、新型生体組織界面材料とその柔軟電極の有用性を実証する。完全埋め込み実験を、年度のなるべく早期に実施し、体内での連続使用を行うことで、その有用性を検証するとともに、材料や電極構造の最終調整を重ねる予定である。最終的には、本提案で目標とした6か月を超える生体内埋め込み時の脳活動を計測に取り組む。また、生体電極の光学的特性、特に透明性を活かした活用として光刺激などの実験を進めていく。最終年度の取り組みを通して、多様な生体組織表面に依存しない生体接着界面材料を実現する。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (63 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 15 results,  Open Access: 15 results) Presentation (43 results) (of which Int'l Joint Research: 25 results,  Invited: 21 results) Book (1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Joanneum Research(オーストリア)

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      Volume: 8 Issue: 19

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      第21回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
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      住野稜太、植村隆文, 荒木徹平, 住野稜太, 脇田慎一, 碇本修佑,難波直子, 秋山実邦子, 関谷毅
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      第21回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
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    • Organizer
      第21回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
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      住野稜太, 植村隆文, 碇本修佑, 脇田慎一, 難波直子, 秋山実邦子, 荒木徹平, 関谷毅
    • Organizer
      第18回有機デバイス・物性院生研究会
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    • Author(s)
      Takaaki Abe, Teppei Araki, Shoya Matsuda, Naoko Kurihira, Mihoko Akiyama, Takafumi Uemura, Tsuyoshi Sekitani
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      2023 MRS Fall Meeting & Exhibit
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  • [Presentation] Ultra Flexible Elastic Integrated Circuit System for Comprehensively Monitoring Brain Activity2022

    • Author(s)
      Tsuyoshi Sekitani
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      IEEE FLEPS2022
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  • [Presentation] Ultra-Thin and Lightweight Organic Amplifier Enabling Bio-Signal Monitoring with Reduced Noise Levels2022

    • Author(s)
      Tsuyoshi Sekitani
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      ENGE 2022
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  • [Presentation] High Mobility and Low Noise Organic Transistors Using Self-Assembled Nanomaterials2022

    • Author(s)
      Tsuyoshi Sekitani
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      AsiaNANO 2022
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ultraflexible Organic Circuits for Low Noise Wearable Sensors2022

    • Author(s)
      Takafumi Uemura and Tsuyoshi Sekitani
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      12th International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE2022)
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  • [Presentation] Ultra-Thin Organic Integrated Circuits Enabling Bio-Signal Monitoring2022

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      the 241st ECS Meeting
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  • [Presentation] Introduction to Ultraflexible and Stretchable Electronics2022

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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Stretchable Printed Circuit Board and Organic Circuit for Ultra-Flexible Biosignal Sensor2022

    • Author(s)
      Rei Kawabata, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Tianxu Wu, Yusuke Okabe, Hirotaka Koga, Takafumi Uemura, Masaya Nogi, Katsuaki Suganuma, and Tsuyoshi Sekitani
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      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
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  • [Presentation] Stretchable Printed Circuit Board for Wireless Light-Sensing System2022

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      Teppei Araki, Kou Li, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Daichi Suzuki, Satsuki Yasui, Yukio Kawano, and Tsuyoshi Sekitani
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      International Conference on Electronics Packaging
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-Stretchable and Transparent Biocompatible Electrodes Toward Remote Acquisition of Multimodal Physiological Signals2022

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      Teppei Araki, Shusuke Yoshimoto, Takafumi Uemura, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Toshikazu Nezu, Hirokazu Iida, Junko Sandbrook, Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
    • Organizer
      2022 Materials Research Society (MRS) spring meeting & exhibit
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  • [Presentation] Gold Nanowire Network Electrodes for Flexible Organic Thin-Film Transistors Toward Practical Use2022

    • Author(s)
      Satoshi Takane, Yuki Noda, Naomi Toyoshima, Takafumi Uemura, Yuki Bando and Tsuyoshi Sekitani
    • Organizer
      2023 MRS Spring Meeting & Exhibit
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  • [Presentation] Organic Electrochemical Devices with Sub-1v Operation for Electrophysiological Monitoring2022

    • Author(s)
      Shohya MATSUDA, Teppei ARAKI, Kazuki KIRIYAMA, Mihoko AKIYAMA, Takafumi UEMURA, Naoko KURIHIRA, Yumi HIROSE, and Tsuyoshi SEKITANI
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      The 26th SANKEN International Symposium
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      Rei KAWABATA, Teppei ARAKI, Mihoko AKIYAMA, Kou LI, Norika TAKAHASHI, Naoko KURIHIRA, Takafumi UEMURA, Yukio KAWANO, and Tsuyoshi SEKITANI
    • Organizer
      The 26th SANKEN International Symposium
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      The 26th SANKEN International Symposium
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    • Author(s)
      Satoshi Takane, Yuki Noda, Naomi Toyoshima, and Tsuyoshi Sekitani
    • Organizer
      2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
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  • [Presentation] Imperceptible Strain Sensors Based on Ultraflexible Or Stretchable Ferroelectric Polymer Transducers2022

    • Author(s)
      Barbara Stadlober, Andreas Petritz, Philipp Scheffner, Krzysztof Krawzcyk, Esther Karner-Petritz, Jonas Groten, Markus Selig, Manfred Adler, Takafumi Uemura, Teppei Araki, Tsuyoshi Sekitani, Sandra Schlogl
    • Organizer
      Materials Research Society Spring Meeting and Exhibit
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] フレキシブルデバイスを用いた微小生体活動電位センサの研究開発2022

    • Author(s)
      関谷 毅
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      2023年電子情報通信学会総合大会
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  • [Presentation] DX時代の脳波AI解析ツール2022

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      CBI学会2022年大会
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  • [Presentation] 伸縮自在なエレクトロニクスで創る「脳波AI解析ツール」2022

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      関谷 毅
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      JPCA Show/電子機器トータルソリューション展
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    • Author(s)
      荒木徹平, 植村隆文, 関谷毅
    • Total Pages
      9
    • Publisher
      機能材料, シーエムシー出版
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  • [Remarks] 阪大産研 関谷研究室ホームページ

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/japanese/index.html

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  • [Remarks]

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/japanese/

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 体内環境再現装置2023

    • Inventor(s)
      関谷毅,根津俊一,塩見智則,鹿嶋幸朗,植村隆文,荒木徹平
    • Industrial Property Rights Holder
      関谷毅,根津俊一,塩見智則,鹿嶋幸朗,植村隆文,荒木徹平
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
    • Acquisition Date
      2023
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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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