2018 Fiscal Year Annual Research Report
Biosensing by dynamic magnetization measurement of stimuli-responsive magnetic hydrogels
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18H01824
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
北本 仁孝 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (10272676)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バイオセンシング / ハイドロゲル / 刺激応答性高分子 / 磁気微粒子 / 磁化計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
化学的・生化学的刺激に応答する、磁性ナノ粒子を内包した磁気ハイドロゲルをバイオセンシングのラベル（標識）とする磁気計測による新規の化学・生化学センサの開発を目的としている。その中で、①磁気バイオセンシングのラベルとなる磁気微粒子の流動性媒体中での振舞を解析すること、②磁気微粒子の分散・凝集状態を制御するために、磁性ナノ粒子がpHやイオンなどの化学的刺激に応答するハイドロゲル中に分散し、かつゲル中で物理的な回転・振動をすることができる、構造制御された磁気ラベルを作製し、pH変化に応答したゲルの膨潤に伴う磁性の変化を検出する研究を遂行した。
本研究のデバイスの動作原理となる流動性媒体中での磁気微粒子の振舞の解析に関して、まずは流動性の高い液体中での振舞の解析を行った。その中で、タンパク質や核酸と磁気微粒子との相互作用により、流体力学的振舞が変化し交流磁化特性における磁気緩和特性が変化した。より具体的には、磁気微粒子の流動的振舞の特性周波数であるブラウン緩和周波数が変化した。この現象から、生体関連物質との相互作用により磁気微粒子のクラスター形成能が変化することが示され、その磁化応答をを生体分子検出の信号とすることが可能であることが示された。
磁気ハイドロゲルの作製とその評価に関しては、pHに応答して膨潤特性が変化するキトサンゲル中に磁気微粒子を内包させたバルク型複合ゲル、あるいはマイクロゲルビーズを主な対象とした。この複合ハイドロゲルはpHが中性付近から3程度に低下するとその体積が数倍に変化し、上述のブラウン緩和周波数が増加した。これは複合ゲルの吸水量が急激に増加して体積が増加することにより、内包する磁気微粒子の流体力学的振舞が変化し、交流磁化特性を変調したためであると解釈される結果である。この磁化特性の変化を起こすpH領域はキトサンのpH応答性を反映している。
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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
初年度の目標は、①磁気バイオセンシングのラベルとなる磁気微粒子の液体中での振舞を詳細に解析すること、②磁気微粒子がpHやイオンなどの化学的刺激に応答するハイドロゲル中に分散した磁気ハイドロゲルを作製し、pH変化に応答したゲルの膨潤に伴う磁性の変化を検出することに関し、基礎的な原理検証とそれを可能にする磁気ハイドロゲルの作製である。
研究実績の概要に示した通り、①に関しては磁気微粒子の液体中での流体力学的振舞を調査し、さらに生体分子との相互作用によりその振舞を変調することに成功しており、これをセンシングのシグナルに活用することが可能であることが示されている。また②に関してはpH応答性高分子ゲルであるキトサンゲル中に磁気微粒子を内包させるマイクロビーズ形成に成功し、その膨潤特性と交流磁化特性の変調がキトサンの特性を反映したpHにおいて観察されている。本研究の原理となる基礎的な現象の解析、磁気ハイドロゲルの作製とそのpH応答性の検出に成功していることから、おおむね順調に遂行されたと判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度において、基礎的な原理検証ができる解析手法の開発と磁気ハイドロゲルの合成に成功したことから、今後はセンシングという工学的な観点から研究を遂行する。基本的な方針に変更はないが、現状で以下の課題を指摘することができる。
流動性媒体中の磁気微粒子の流体力学的振舞に関して、その特性を表す磁気緩和周波数の代表値や平均値での抽出が従来法であるが、磁気微粒子の特性は多分散であり、またバイオ反応も不均一であることから、緩和周波数などの特性の分布を評価する技術を確立し、それをもとにセンシング信号との相関を調査する必要がある。すでにこのような分布の評価手法の基礎的な検討はすんでいるがその物理的・化学的検証が課題として挙げられる。このような評価に適した微粒子の合成を検討し、流体力学的振舞の分布解析を進める。
磁気ハイドロゲルに関しては、内包する磁気微粒子のブラウン緩和現象をより顕在化し、化学的・生化学的刺激への応答性の感度向上をはかるための材料開発を進める。特にゲル内部の流動性の向上、内部での磁気微粒子の分散性向上が課題である。そのために、すでにゲル化の際に様々な手法による相分離を導入して多孔質化（内部ネットワーク空間の拡大）を実現することの検討を開始しており、磁気微粒子の流体力学的振舞の向上が確認されている。多孔質化により拡大したネットワーク空間の寸法とブラウン緩和現象との相関を調査するとともに、その高分子ゲルの刺激応答による磁性ナノ粒子の交流磁化応答の操作を顕在化・高感度化するためのナノ粒子の内包と高分子のゲル化手法を開発するのが今後の方針である。
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