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Research and development of neural interface devices using nanotubes and artificial cell membranes

Research Project

Project/Area Number 23K25191
Project/Area Number (Other) 22H03937 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research InstitutionInstitute of Science Tokyo

Principal Investigator

八木 透  東京工業大学, 工学院, 教授 (90291096)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮本 義孝  国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 周産期病態研究部, 研究員 (20425705)
榛葉 健太  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80792655)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2027-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Keywords神経インタフェース / 電極 / 脂質二重膜 / 管状ナノ構造体 / 細胞補足 / 位置制御 / 細胞パターニング / 管状ナノ構造物
Outline of Research at the Start

本研究では,人工細胞膜に埋め込んだDNAナノチューブやカーボンナノチューブなどの管状ナノ構造体(ナノチューブ)を電気シナプスとして利用し,神経細胞を細胞内刺激可能な電極を有する神経インタフェースデバイスを開発する.人工細胞膜の安定化の目的でボール形状のゲル物質周りに脂質二重膜を構成し,ナノチューブを配置した細胞内刺激用の神経インタフェースデバイスの実現に必要な要素技術開発を行う.本研究の成果はBMI技術に新たなブレイクスルーをもたらし,障碍者のQOL向上につながると考えられる.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,脂質二重膜(人工細胞膜)に埋め込んだDNAナノチューブやカーボンナノチューブなどの管状ナノ構造体(ナノチューブ)を電気シナプスとして利用し,神経細胞を細胞内刺激可能な電極を有する神経インタフェースデバイスの開発を目指している.神経細胞を所望の電極上に配置するには,細胞パターニングの技術が必要で,大量の細胞集団から少数の細胞を分離・捕捉し,細胞の位置制御を行うことが重要である.現状提案されている手法では,水流やマニュピュレータといった機械的触覚刺激を用いて細胞の位置制御を行うため,正確な位置制御が困難で,コンタミネーションが問題となる.そこで,本年度は機械的触覚刺激を用いず正確な位置制御を行うことができる細胞パターニング技術の開発を行った.具体的には,細胞が接着する培養基板に磁性を持たせた磁性培養基板を作製し,外部磁場を印加することで基板あるいは基板上の接着細胞の位置制御を行った.本年度に実施した実験では,研究の前段階として,培養基板の作製と細胞培養のための手法を確立させた後,磁性培養基板の作製と細胞培養を行った.フォトリソグラフィとエッチングを用いて,設計通りの培養基板および磁性培養基板を作ることに成功し,ポリドーパミンとコラーゲンを用いた表面改質を行うことでそれぞれの基板上に細胞の接着させることができた.培養基板上の細胞においては,細胞の分離・捕捉の後,位置制御を行うことで異なる基板間での細胞の移動を確認することができた.また,磁性培養基板においても外部磁場の印加に伴い,数十μmのスケールでの磁性培養基板の位置制御を行うことができた.これらの研究成果は,フォトリソグラフィを用いて作製した磁性培養基板が,接着細胞を対象とした新たな細胞パターニング手法として有用であることを示しており,将来,神経細胞を所望の電極上に配置する際に不可欠な技術となると考えられる.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

提案する神経インタフェースデバイスでは神経細胞を所望の電極上に配置する必要があるため,細胞が接着する培養基板に磁性を持たせた磁性培養基板を作製し,外部磁場を印加することで基板あるいは基板上の接着細胞の位置制御を行った.今回の研究成果は,フォトリソグラフィを用いて作製した磁性培養基板が,接着細胞を対象とした新たな細胞パターニング手法として有用であることを示しているため,おおむね順調に研究が進展していると判断した.

Strategy for Future Research Activity

本年度は,神経細胞を所望の電極上に配置するのに必要な細胞パターニングの技術に着目し,機械的触覚刺激を用いず正確な位置制御を行うことができる細胞パターニング技術の開発を行った.次の段階として,磁性粒子を混ぜた磁性培養基板を作製し,外部磁場を用いた位置制御を行い,異なる基板上での細胞の移動・結合の観察を行う.また今後は,イオンチャネルの物質輸送特性を模倣したナノ構造体としてDNAナノチューブに着目する.DNAの配列を複雑に設計することで,あらゆる機能を持ったDNAナノチューブを作製することができる.近年,DNAナノチューブに蓋を取り付け,あらゆる刺激で開閉を制御するDNAナノチューブが研究されている.しかし,それらの刺激は生体への応用には適していない.そこで,生体内部で活用するために本研究では非侵襲的かつ生体内部への伝搬性が高い刺激である超音波に着目した.そして,超音波照射によって物質輸送が可能となるDNAナノチューブ(US-DNAナノチューブ)を作製する.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] A Study on DDS with High Response to Ultrasound using Metal Nanoparticle-encapsulated Liposomes2023

    • Author(s)
      田貝優紀音, 梶江佳乃, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 柴田孝, 八木透
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems

      Volume: 143 Issue: 7 Pages: 712-713

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.143.712

    • ISSN
      0385-4221, 1348-8155
    • Year and Date
      2023-07-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Study on Cell Culture Scaffolds using Magnetic Gel2023

    • Author(s)
      下村裕哉, 彭祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems

      Volume: 143 Issue: 7 Pages: 714-715

    • DOI

      10.1541/ieejeiss.143.714

    • ISSN
      0385-4221, 1348-8155
    • Year and Date
      2023-07-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Neural Interface for Biohybrid Prosthetic Hands to Realize Sensory and Motor Functions2022

    • Author(s)
      Yagi Tohru、Peng Zugui、Kanno Shoichiro
    • Journal Title

      Journal of Robotics and Mechatronics

      Volume: 34 Issue: 2 Pages: 316-318

    • DOI

      10.20965/jrm.2022.p0316

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • Year and Date
      2022-04-20
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] A study on the characteristics of CNT for the development of a long-term nerual recording2023

    • Author(s)
      Kittawat Wardcharoen, Shoichiro Kanno, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi.
    • Organizer
      The 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of CNT Length on Channel Formation in Lipid Bilayers2023

    • Author(s)
      Shoichiro Kanno, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      The 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Position-controllable cell culture substrate for adherent cells2023

    • Author(s)
      Yuya Shimomura, Shoichiro Kanno, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      The 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Research on DNA Nanotube Controlled to Open and Close by Ultrasound2023

    • Author(s)
      Yukine Tagai, Shoichiro Kanno, Zugui Peng, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      The 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Artificial pupil fabrication using network-shaped cultured skeletal muscle tissue2023

    • Author(s)
      Yuto Okayasu, Yuya Shimomura, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      The 15th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Control of drug release in ultrasound-responsive liposome-encapsulated gel patches2023

    • Author(s)
      Kano Kajie, Zugui Peng, Kenta Shimba, Takashi Shibata, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      The 18th edition of IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波を用いた開閉制御が可能なDNAナノチューブに関する研究2023

    • Author(s)
      田貝優紀音, 吉崎翔大, 菅野翔一朗, 彭祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 柴田孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 正六角形型培養基板上での接着細胞に関する研究2023

    • Author(s)
      佐藤颯, 下村裕哉, 菅野翔一朗, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 培養筋アクチュエータにおける培養日数と収縮率に関する研究2023

    • Author(s)
      豊浦達貴, 岡安悠杜, 下村裕哉, 菅野翔一朗, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 超音波照射によって物質輸送が可能となるDNAナノチューブの開発2023

    • Author(s)
      吉崎翔大, 田貝優紀音, 菅野翔一朗, 彭祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ピラーを用いた線維配向制御によるリング状アクチュエータの作製2023

    • Author(s)
      岡安悠杜, 下村裕哉, 豊浦達貴, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 長期間で生体信号を記録デバイスの開発に向けたカーボンナノチューブの特性に関する研究2023

    • Author(s)
      ワァードチャローン キッタワット, 菅野 翔一朗, 榛葉 健太, 宮本 義孝, 八木 透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 超短カーボンナノチューブの挿入によって誘引される人工脂質二重膜小胞の変形に関する研究2023

    • Author(s)
      菅野翔一朗, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Development of ultrasound-controllable DNA nanotubes2023

    • Author(s)
      Yukine Tagai, Shoichiro Kanno, Zugui Peng, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 磁性粒子を用いた接着細胞の移動手法の開発2023

    • Author(s)
      下村裕哉, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] A Study on the Biocompatibility and Electrical Properties of CNT to Develop a Long-Term Neural Probe2023

    • Author(s)
      Kittawat Wardcharoen, Shoichiro Kanno, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ピラーを用いた筋線維配向制御による括約筋組織の作製2023

    • Author(s)
      岡安悠杜, 下村裕哉, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 非直線的な配向制御を用いた括約筋組織の作製2023

    • Author(s)
      岡安悠杜, 下村裕哉, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      第62回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 神経プローブ開発のためのCNTの生体適合性・電気的特性に関する研究2023

    • Author(s)
      ワァードチャローン キッタワット, 菅野 翔一朗, 榛葉 健太, 宮本 義孝, 八木 透
    • Organizer
      第62回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] CNT電極を用いた長期間の神経細胞の 活動記録を目的とする神経プローブの開発に関する研究2023

    • Author(s)
      ワァードチャローン キッタワット, 菅野 翔一朗, 榛葉 健太, 宮本 義孝, 八木 透
    • Organizer
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] hDIB networkを用いたバッテリの 機械的特性および電気的特性に関する研究2023

    • Author(s)
      本郷光太郎, 彭祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Transmembrane Carbon Nanotubes for Intracellular Stimulation2022

    • Author(s)
      Shoichiro Kanno, Zugui Peng, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
    • Organizer
      2022 14th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] カーボンナノチューブの膜挿入が脂質二重膜の形態に及ぼす影響について2022

    • Author(s)
      菅野翔一朗, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 人工細胞のコミュニケーションツールの創成に向けた 細胞膜貫通DNAナノチューブに関する研究2022

    • Author(s)
      彭 祖癸, 榛葉 健太, 宮本 義孝, 八木 透
    • Organizer
      2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 脂質二重膜への超短カーボンナノチューブの組み込みによる膜形態への影響2022

    • Author(s)
      菅野翔一朗, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
    • Organizer
      2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 八木研究室 Yagi Laboratory 発表文献 Publication

    • URL

      http://www.bme.mech.e.titech.ac.jp/publication.php

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 東京工業大学 八木研究室

    • URL

      http://www.bme.mech.e.titech.ac.jp/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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