2018 Fiscal Year Annual Research Report
生体内発電にむけた超フレキシブル有機圧電フィルムの創製
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17H06229
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
石田 謙司 神戸大学, 工学研究科, 教授 (20303860)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北村 雅季 神戸大学, 工学研究科, 教授 (10345142)
高嶋 一登 九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (30435656)
小柴 康子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (70243326)
福島 達也 神戸大学, 工学研究科, 講師 (70705392)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 有機強誘電体 / 生体内センシング / 圧電 / イオン液体 / 発電 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
P(VDF/TrFE)/ILゲルにおいて、リーク電流を抑制して分極反転を安定操作するために導入した三層構造ゲル素子（固体/ゲル/固体)）の分極反転メカニズムを考察した。三層構造ゲル素子では従来の固体P(VDF-TrFE)と同等の残留分極量Prを示し、抗電界は大幅低下した。ゲル層だけでなく固体層も低電界で分極反転している実験事実から、そのメカニズムがイオン液体/P(VDF/TrFE)界面における電気二重層と分極との相互作用にあると考えた。外部電場を印加した際、ゲル内部のイオン液体は低電圧でイオン組み替えをおこし、界面極近傍に電気二重層を形成する。その際、界面での電束補償のために上下固体層P(VDF/TrFE)の分極反転が誘発されるモデルを考察した。また有機圧電フィルムからの出力信号を検知するための有機トランジスタ回路に関する研究を進め、その過程で得られた閾値電圧制御の技術を論理回路に応用して発振回路の動作に成功した。
また昨年度導入した心臓拍動シミュレータを用いて心臓の動きの圧電センシングを試みた。超薄圧電フィルムを成人男性の3D-CT画像から再現した心臓モデルに貼り付け、その拍動に伴う圧電出力の観測を行った。右心房・左心房を中心に臓器に沿うように設置した圧電フィルムからは、心臓モデルの膨張時、収縮時に正負逆の明確な圧電電圧信号をピックアップできた。分極処理としてUp/Downを反転すると逆極性の信号が観測できたことから、静電ノイズではなく圧電信号であることを確認した。またPVDFフィルムを用いた柔軟なカテーテル型触覚センサを試作し，錘落下実験による基礎評価を経て、内壁に凹凸のある血管モデルへの挿入実験を行い、生体内センシングの基礎検証を行った。
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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
P(VDF/TrFE)/イオン液体ゲルにおいて観測される劇的な抗電界Ecの減少について、分極反転挙動の詳細な解析によりモデル化することができた。イオン液体の界面電気二重層と有機強誘電体の分極との相互作用の制御という新しい概念は、本実験で得られた抗電界減少、圧電性増大に留まらず、更なる研究深化により有機強誘電体の新たな可能性を示したと考える。また心臓拍動シミュレータ、血管モデルを用いて超薄有機圧電フィルムによる生体情報センシングの実データを観測できたことは、今後予定しているバイタル検知、圧電型発電の実験にむけた基礎検証に成功したと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、心臓拍動シミュレータを用いた拍動センシング、圧電発電の実験を中心に取り組む。キーテクノロジーとなる超薄圧電フィルムのデバイス構造の最適化に加え、生体適合性膜の付与、疑似生体内環境内での測定、心臓の動き（安静、運動など）に伴う信号変化について研究を絞り込んで実施する。人間の安静時だけでなく、ランニング時など多様な拍動状態を想定したセンシング、発電出力特性を調査する。心臓の動き（拡張期、拡張保持、収縮、収縮保持）、血管内壁状態に対するフィルム出力信号との相関性を解析することで生体内情報のセンシング/発電特性について調査する。生体適合性ある耐水性素材（パリレンなど）をコーティングした超薄圧電フィルムを試作し、生体内を模倣した疑似生体内環境（生理食塩水、疑似体液中）でのインピーダンス特性、強誘電特性/圧電特性、発電特性、バリア特性などの測定と動作検証に取り組む。
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