2017 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, 教授 (40362660)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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：純Tiをターゲットとしたスパッタリング法により，ホウケイ酸ガラス基板上にTiO2膜を合成し，背面照射型の細胞培養デバイスを作製した。TiO2の膜厚はスパッタ時間にほぼ比例した。そのデバイスの透過スペクトルに観察されたTiO2の基礎吸収は，スパッタ時間と共に増大し，24h（膜厚約50nm）で飽和した。ホウケイ酸ガラス側から光を背面照射することで，TiO2上の細胞には紫外光が曝されないデバイスを作製することができた。また，合成したSrTiO3の圧粉体をターゲットとしたスパッタリングにより，SrTiO3膜の作製も可能となった。
§2 光応答セラミックスへの不純物ドーピング：チタン(Ⅳ)イソプロポキシドを原料としたゾル・ゲルプロセスに，NbCl5を添加することで，Ti（4価）サイトへのNb（5価）の置換を試みた。置換量は，Tiに対して5at.%，7at.%，焼成条件は，673 K-30 minとした。XRDプロファイルにおいて，アナターゼ型TiO2のピークは，NbCl5の添加に伴って低角シフトした。一部のTiサイトはNbによって置換されていると考えられる。しかし，光吸収スペクトルには，明瞭な変化が認められなかった。不純物準位の形成による可視光応答性の発現には，ドーパント量などの最適化が必要であることが示唆された。
§3合成膜のキャラクタリゼーションと細胞実験：スパッタリングによって合成したTiO2膜には，光応答が観察されなかった。しかし，大気中で673 K-1 hの熱処理を施すと明瞭な光電流が観察された。また，μmオーダーの局所的な光照射によって，局所的な表面電位変化が生じることがKFMによって確かめられた。さらに，同一デバイス内で，光照射によって細胞の接着を局所的に忌避できた。光照射によって細胞の接着を局所的に制御できることが実験的に示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(i) 細胞培養デバイスの作製，(ii) 光応答セラミックスへの不純物ドーピング，(iii) 合成膜のキャラクタリゼーションと細胞実験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。(ii) においては，スパッタリング法による不純物ドーピングの検討が実施できなかった。これは同時に行っていたスパッタリング法によるSrTiO3膜の合成，TiO2/SrTiO3ヘテロ界面の構築に関する検討の重要性が高まり，そちらに時間を割いたためであり，研究の遅延ではない。昨年度追加した高周波電源を利用し，本年度はTiとNbの2源スパッタリングを試みることにより，TiとNbの交互積層に比べ，より効果的なドーピングが可能になると期待している。SrTiO3に対する不純物ドーピングに関しても同様である。また，半導体ヘテロ界面の効果については，起電力変化など，光応答が鋭敏化される傾向が捉えられた。しかしながら，各種測定値にばらつきも認められた。TiO2層，SrTiO3層の膜厚，熱処理などの条件を系統的に調査することにより，安定した結果が得られると考えている。
細胞実験に関しては，局所的な光照射による細胞の接着領域制御が可能であることを実験的に示すことができた。この細胞パターニングに関しては，当初，H30年度後半に重点的に検討する予定であったが，H29年度に定性的ではあるが前倒しで達成できた。したがって，本年度は，これに関して定量的かつ詳細な検討を行うと共に，より弱い光源で作動する光応答膜上で同様の細胞パターニングを実現する検討も行う。同時に，光照射による剥離効果についても，その効率を改善する。
このように，遂行した実験では，想定した結果が得られている。課題が残った箇所もあるが，既に解決策の方向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 半導体へのドーピング： Ar-O2雰囲気下で，TiとNbの2源スパッタリングによってTiO2膜へのNbドーピングを試みる。同様に，SrTiO3などペロブスカイト型 ATiO3に対する不純物ドーピングも行う。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。
§2 半導体のヘテロ接合： ヘテロ接合により，表面近傍の拡散電位が増大させ，光応答性を鋭敏化させることを狙う。基本的に半導体膜の積層化はスパッタリング法により行う。TiO2層，ATiO3層の膜厚，熱処理などの条件を系統的に変化させる。さらに，不純物ドーピングしたATiO3とTiO2の積層化も試みる。これにより，可視光応答性と大きな拡散電位が同時に獲得できる。また，必要があれば，ATiO3とTiO2を傾斜的に積層し，結晶学的整合性の向上を図る。光電流や起電力などの絶対値を評価すると共にその応答の俊敏性についても着目する。さらに，KEMなどを利用し，光照射部とその応答範囲についても調査する。
§3 細胞パターニング： 上記の成果を利用して，光応答性を向上させた細胞培養デバイスを作製する。そのデバイスを用いて局所的な光照射による細胞パターニングを行う。照射光の中心波長，照射時間を系統的に変化させ，接着細胞の定量評価を行う。また，デバイス基板と半導体層の厚さも考慮し，細胞パターニングの分解能も調査する。最終的には，可視光域の非常に弱い光源で作動する光応答細胞培養デバイスを作製し，細胞パターニングを実現することをめざす。また，これまでに実施した細胞実験で課題となっている光照射による剥離効率を向上させることにも注力する。
§4 総括：得られた成果をまとめ，光応答型細胞培養デバイスの開発指針を示す。
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Research Products
(12 results)
