2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of cell culture device utilising light response of ceramic semiconductor
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16H04521
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
上田 正人 関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (40362660)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松垣 あいら 大阪大学, 工学研究科, 助教 (10592529)
池田 勝彦 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (20184434)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 生体材料 / セラミックス / 光化学反応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
§1細胞培養デバイスの作製：ゾル・ゲル法を利用して，SiO2基板にアナターゼ型TiO2膜を合成した。TiO2表面で細胞を培養し，SiO2側から光照射を行う背面照射型デバイスとした。また，化学・水熱処理を利用して，純Ti基板の片面にアナターゼ型TiO2膜を合成した。純Ti表面で細胞を培養し，TiO2側はSiO2板を利用してHanks液を封入することで，背面照射型デバイスとした。さらに，化学・水熱処理を利用して，純Ti基板にペロブスカイト型SrTiO3膜を合成した後，酸性水溶液で表面からSrをリーチングした光応答膜も合成した。
§2合成膜のキャラクタリゼーション：TiO2/SiO2型デバイスの光透過スペクトルを測定したところ， TiO2層で波長約390 nm以下の光が吸収され，細胞は紫外光に曝されないことが示された。紫外光（波長365 nm，5 Wm-2）照射下では約37 nAmm-2の光電流が観察された。Ti/TiO2/Hanks/SiO2型デバイスでは，紫外光を照射すると約0.3 Vの起電力が発生した。紫外光照射により，SrTiO3膜で発生した起電力は小さかったが，酸性水溶液によるリーチング処理を施すと著しく増大し，約0.35 Vに達した。
§3細胞の接着・増殖・剥離挙動と光照射：初代骨芽細胞を用いて各種細胞実験を行った。得られた主要な結果は下記の通り。(1) TiO2/SiO2型デバイスで，光を照射した状態で細胞を培養すると細胞の接着は忌避された。(2) TiO2/SiO2型デバイスで，細胞を暗所下で培養した後，光を照射すると細胞は剥離した。しかしながら，2h照射した場合も75%の細胞は残留し，その効率は十分とは言えなかった。（3）Ti/TiO2/Hanks/SiO2型デバイスにおいても，上記の照射パターンで，細胞接着の忌避，接着細胞の剥離現象が観察された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(i) スパッタリング法，(ii) ゾル・ゲル法，(iii) 化学・水熱処理法を利用した，Ti基板，SiO2基板上への光応答セラミックス（TiO2，ATiO3など）の成膜，その合成膜のキャラクタリゼーション，細胞の接着・増殖・剥離挙動と光照射の関係の調査を予定していた。いずれもほぼ予定通り遂行できた。スパッタリング法による成膜に関しては，装置の立ち上げ，ならびに成膜条件の最適化に留まった。しかしながら，H29年度以降に予定していた光応答セラミックス半導体のヘテロ接合に関する実験を繰り上げて実施できた。予備実験しか実施できていないが，TiO2/SrTiO3のヘテロ界面を構築することにより，光照射下で発生する起電力が増大したことから，同手法により光応答の鋭敏化が可能であることが示唆された。細胞実験に関しては，上述した通り，光照射をトリガーとした細胞の剥離効率が十分ではない結果が得られた。しかしながら，これは想定内の結果であり，大きな問題ではない。TiO2/SrTiO3のヘテロ界面やTiO2への不純物ドーピングによる可視光吸収（H29年度実施予定）を利用することにより，改善されることが期待される。
このように，遂行した実験では，ほぼ想定した結果が得られており，課題が残った箇所についても，既に解決の方向性が見えていることから，本研究は非常に順調に進んでいると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
§1細胞培養デバイスの作製：スパッタリング法により光応答セラミックス膜を合成し，背面照射型の細胞培養デバイスを作製する。同手法は，基板を選ばず，非常に均質な薄膜を比較的容易に合成できるため，今後，本研究において主軸となると考えている。光電流などの光応答性に加え，光吸収特性にも注目し，膜厚を初めとする成膜条件を最適化する。
§2 光応答セラミックスへの不純物ドーピング：まずは，(i) TiO2に対する不純物ドーピングを行う。例えば，Ti（4価）サイトにNb（5価）を置換することで，不純物ドーピングに起因した不純物準位を形成させ，可視光応答性を付与する。スパッタリング法，ゾル・ゲル法，化学処理で合成した低結晶性のTiO2膜にNbイオンを含有するアルカリ溶液を用いた水熱処理を施すことでNbドープTiO2膜を合成する。スパッタリング法では，Ar-O2雰囲気下で，TiとNbを交互にスパッタリングすることでもTiO2膜へのNbドーピングを試みる。次に，(ii) ATiO3に対する不純物ドーピングも行う。Ca(OH)2，Ba(OH)2などにドーパント（Nb源など）を添加した水溶液中で低結晶性のTiO2膜に水熱処理を施し，Aサイト，Tiサイトに不純物がドーピングされた膜を合成する。不純物の置換サイトが2種あることから，バラエティに富んだ物質設計が可能である。ドーパントを適切に選択することで，可視光応答性のみならず，n型化，p型化された半導体膜を合成する。
§3合成膜のキャラクタリゼーションと細胞実験：上記合成膜で発生する光電流や起電力などを評価する。構築した細胞培養デバイス上で細胞の接着・増殖・剥離挙動と光照射の関係を調査する。H28年度に実施した細胞実験で課題となった光照射による接着細胞の剥離の効率を向上させることに特に注力する。
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Research Products
(7 results)
