2021 Fiscal Year Research-status Report
Developments of basic technologies for realizing in vivo micro-machines
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20K21130
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
藤田 克昌 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80362664)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | ２光子重合 / 生体適合材料 / ラマン分光 / ブリルアン分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に開発した顕微ラマン分光装置を組み込んだ可視光２光子造形装置を利用して、生体内で利用可能な構造体材料の光重合特性評価、およびその構造体の力学的特性の評価を行った。波長400nmの重合用レーザーと波長532nmのラマン分光用レーザーを重合材料の同一箇所に照射することにより、材料の重合条件を制御しながら、重合後の材料特性をその場で計測した。生体適合材料としてポリエチレングリコールジアクリレート（PEGDA）、コラーゲンを使用し、光重合とラマン分光計測を進め、これらの材料を可視光２光子重合するために必要な露光条件を求めた。その結果、ラマン分光法により光重合度の指標を設定できることを確認し、光重合反応の開始および、重合の飽和または試料損傷の光強度閾値を求めることができた。また、コラーゲンにおいては光重合時に形成される架橋反応、およびコラーゲン自体の分子構造変化についても、ラマン分光の結果より、確認できることを示唆する結果が得られた。さらに、重合後の構造体の力学特性や物性評価のため、水中での構造体の膨潤や形状保持の様子の顕微鏡観察を行った。さらにコラーゲンにおいては、酵素反応、抗原抗体反応を利用したタンパク機能の確認を行い、露光量とタンパク機能保持との関係を求めた。加えて、重合された構造体の力学特性のより定量的な評価のため、ブリルアン分光分析の機能を、上記の光重合-ラマン分光装置に組み込むことを検討した。ブリルアン分光光学系の設計を終え、実際に組み込みを行い、ブリルアン散乱が検出できることを確認した。
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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
生体適合材料として、PEGDA、コラーゲンを用い、これらの材料の光重合に必要な光強度の見積もりを行った。その結果、重合度の評価指標として、PEGDAにおいては、C=C由来のラマンピークの減少とC-C由来のラマンピークの増加が利用出来ることを確認した。その結果、平均強度400kW/cm2以上のレーザー光において効率良く光重合が得られ、500kW/cm2程度で重合度が飽和することを把握した。また、コラーゲンにおいては、アミド結合のラマン信号の現象と、C=O由来のラマンピークおよび1600cm-1付近に現れるチロシン由来と思われるピークの増加が指標となること、また、コラーゲンからの自家蛍光も重合度の評価に利用出来ることが分かった。これらの指標を用い、290kW/cm2以上の光強度により効率的に２光子重合が可能であると見積もった。一方で、コラーゲンにおいては、さらに強い光強度の照射により造形後の構造体が黒ずみ、コラーゲンのタンパク構造の光損傷の影響が確認された。このため、重合後のコラーゲンのタンパク機能を、その酵素活性および抗原抗体反応を確認することにより、確認した。その結果400kW/cm2以上の光強度の照射ではタンパク機能の大きな減退が確認された。上記により生体材料としての機能を保持したまま構造体造形を行うための光強度条件が求められた。また、構築した構造体の力学的特性の検討もおこなった。PEGDAにおいては、水中における構造体の膨脹を確認し、その力学特性が20%程変化することを確認した。また、コラーゲンにおいては高い光強度においても水中で構造体を保持することが難しく、水中での特性評価が困難であることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究により生体材料の可視光２光子重合に必要となる光照射条件を把握した。また、同時に光照射強度によっては構造体特性に影響があり、また、そのまたその制御範囲が限られていることが分かった。特に、コラーゲンの構造体については、現在の重合条件においては、生体内で駆動する構造体として十分な強度を保持していないことが示された。このため、次年度において、細胞毒性の無い架橋剤を加えるなど、重合後の分子密度を向上させることを検討する予定である。
構造体の駆動機構の設計に必要となる、重合体の力学的パラメータの見積もりのため、ブリルアン分光を利用した材料特性の評価法を検討する。３次元の構造体の力学特性評価には、AFM等の表面計測は利用出来ないため、光学的な手法を採用する。今年度に可視光２光子重合装置にブリルアン分光光学系を組み込み、実際に材料のブリルアン散乱を造形装置上で取得できることを確認しており、次年度においては同光学系を用いた構造体特性の計測を進める予定である。ブリルアン分光とラマン分光とを同一試料の同一箇所で実行することにより、より精密に光重合度を制御でき、マイクロマシンとして活用できる生体材料の造形条件および、それを用いた駆動機構の設計と構築が可能となる。
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