2016 Fiscal Year Research-status Report
超小型・高機能バイオセンシングを実現するハイドロキシアパタイト薄膜の配向制御技術
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15K06444
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
楠 正暢 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (20282238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡井 大祐 兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (60336831) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | アパタイト / 結晶 / 配向制御 / 薄膜 / デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超小型、高感度、高分解能などの特徴を持つ新規バイオセンサを実現するために、結晶方位によって化学的・電気的な異方性を持つアパタイト薄膜の配向制御技術に関する研究を行っている。初年度はパルスレーザーデポジション法を用いて、結晶方位がa面、またはc面に揃った薄膜を作り分けることに成功し、ほぼ当初計画通りに遂行できた。2年目となる昨年度は、以下の2つの目標を掲げ研究を行った。
1つ目は、実験的にアパタイト薄膜の配向制御が可能であることが示されたものの、一般的なエピタキシーの考え方のみではその結果を理論的に説明できないため、その実験結果に対して妥当な配向メカニズムのモデルを検討すること。2つ目は、aまたはc面配向アパタイト膜が、実際にタンパク質の選択的吸着／分離機能を発揮できるかを、化学的・生物学的観点から証明することが目的であった。具体的には、酸性／塩基性タンパク質の例として、アルブミン、リゾチーム等に蛍光標識を付け、a, c面アパタイトそれぞれに選択的吸着することを蛍光顕微鏡観察により確認を行った。
いずれの目的に対しても、当初計画に対しポジティブな結論を得た。一方、計画段階で想定していなかった問題として、アパタイト配向制御膜にクラックが生じる現象が確認された。これは、配向制御に用いるバッファ材料に起因するものであり、センサとしてデバイス応用しようとする際には、その性能を低下させる可能性があるため、年度後半には、これを解決するための対策についての検討に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究開始後、1年目はアパタイト薄膜の結晶方位を完全なa面とc面の配向面に制御し作り分ける技術を確立することができ、そこで得られた配向制御膜を用いて、2年目に、酸性／塩基性タンパクの選択的吸着を確認する実験を行った。また、配向制御のメカニズムに関する理論的考察も併せて検討した。これらの結果は、当初計画に照らし合わせ、予定通り遂行できているといえる。しかし、昨年度発生した想定外の問題として、アパタイト結晶膜にクラックが生じる現象が観察された。すでに、この原因についての特定まではできており、配向を制御するためのバッファ材料の熱的性質に起因するものであることが明らかとなっている。したがって、現状のままでは、配向制御と、クラックフリーで薄膜を得ることは両立できない状況にあり、容易には解決できない困難な問題となっている。最終目標であるセンサ応用を実現するに向けては、上記を解決する方法を見出す必要があり、最終年度の当初計画を実施する前に解決しなければならない最優先課題となっている。また、現在まで行った研究成果から、学術的な観点、技術的な観点で、大きく2つの新しい知見が得られている。一つは、配向制御が可能となる結晶成長のメカニズムに関する理論的なモデル、もう一つは、配向制御膜製造方法に関する新たな技術である。これらの論文発表については、本来のスケジュール上、昨年までに完了するべきであったが、時間的な遅れが生じているため至急進めることが必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画では、最終年度にアパタイト配向制御膜をクロマトグラフィーチップやバイオセンサに応用するための要素技術の開発を進めることを課題としていた。具体的には、比較的構造が簡単な水晶振動子マイクロバランスセンサを用いて、その表面を配向制御アパタイトで覆うための技術を開発し、これに選択的吸着するタンパク質を電気的に検出する方法で、センサとしての動作確認を行う。これにより、材料学的・生物学的な吸着／結合の現象を電子デバイスとしてセンシング可能であることを実証できるが、水晶振動子型のセンサは、検出部がセンチメートルオーダーのスケールを持ち比較的大型であるため、集積化を得意とする電子デバイスとしてのメリットを活用し切れてはいない。将来的には薄膜化技術としてのプロセス上のメリットを用い、オンチップでマイクロメートルスケールのセンサアレイ、すなわち、マルチチャネルの高感度小型センサへと展開できるよう、その技術に関しても並行して検討を行う予定である。一方、昨年度、配向制御アパタイト膜にクラックが生じるという想定外の問題が発生しているため、センサの動作実証試験実施に向け、早急に解決法を見つけなければならない。また、平成28年度までの進捗は、実験的な部分では概ね当初計画通りに進められているものの、それを論文発表する段階で遅れが生じている。これについては、当該課題の実施期間である、平成29年度中に必ず完了しなければならない。
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| Causes of Carryover |
昨年度は、薄膜の元素分析を行うためのエネルギー分散型X線分光装置の不具合を修理する予定であった。さらに、アパタイト膜の配向制御が技術的に可能になったこと、またそのメカニズムを理論的に示すことができたことを論文として発表する計画にあった。ところが、平成27年度後半から、当初想定していなかった学内の管理業務に関し、そのエフォートが急激に高まったため、それらの実施が困難となった。したがって、これにかかる、修理、投稿の費用は繰り越し、最終年度に実施することとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
繰越額は、装置の修理と、2件の論文投稿にかかわる経費として使用する。それ以外の平成29年度申請分の経費は当初計画通りに執行する。
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