2023 Fiscal Year Annual Research Report
Research and development of neural interface devices using nanotubes and artificial cell membranes
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22H03937
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
八木 透 東京工業大学, 工学院, 教授 (90291096)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 義孝 国立研究開発法人国立成育医療研究センター, 周産期病態研究部, 研究員 (20425705)
榛葉 健太 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (80792655)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | 神経インタフェース / 電極 / 細胞補足 / 位置制御 / 細胞パターニング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，脂質二重膜（人工細胞膜）に埋め込んだDNAナノチューブやカーボンナノチューブなどの管状ナノ構造体（ナノチューブ）を電気シナプスとして利用し，神経細胞を細胞内刺激可能な電極を有する神経インタフェースデバイスの開発を目指している．神経細胞を所望の電極上に配置するには，細胞パターニングの技術が必要で，大量の細胞集団から少数の細胞を分離・捕捉し，細胞の位置制御を行うことが重要である．現状提案されている手法では，水流やマニュピュレータといった機械的触覚刺激を用いて細胞の位置制御を行うため，正確な位置制御が困難で，コンタミネーションが問題となる．そこで，本年度は機械的触覚刺激を用いず正確な位置制御を行うことができる細胞パターニング技術の開発を行った．具体的には，細胞が接着する培養基板に磁性を持たせた磁性培養基板を作製し，外部磁場を印加することで基板あるいは基板上の接着細胞の位置制御を行った．本年度に実施した実験では，研究の前段階として，培養基板の作製と細胞培養のための手法を確立させた後，磁性培養基板の作製と細胞培養を行った．フォトリソグラフィとエッチングを用いて，設計通りの培養基板および磁性培養基板を作ることに成功し，ポリドーパミンとコラーゲンを用いた表面改質を行うことでそれぞれの基板上に細胞の接着させることができた．培養基板上の細胞においては，細胞の分離・捕捉の後，位置制御を行うことで異なる基板間での細胞の移動を確認することができた．また，磁性培養基板においても外部磁場の印加に伴い，数十μmのスケールでの磁性培養基板の位置制御を行うことができた．これらの研究成果は，フォトリソグラフィを用いて作製した磁性培養基板が，接着細胞を対象とした新たな細胞パターニング手法として有用であることを示しており，将来，神経細胞を所望の電極上に配置する際に不可欠な技術となると考えられる．
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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
提案する神経インタフェースデバイスでは神経細胞を所望の電極上に配置する必要があるため，細胞が接着する培養基板に磁性を持たせた磁性培養基板を作製し，外部磁場を印加することで基板あるいは基板上の接着細胞の位置制御を行った．今回の研究成果は，フォトリソグラフィを用いて作製した磁性培養基板が，接着細胞を対象とした新たな細胞パターニング手法として有用であることを示しているため，おおむね順調に研究が進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，神経細胞を所望の電極上に配置するのに必要な細胞パターニングの技術に着目し，機械的触覚刺激を用いず正確な位置制御を行うことができる細胞パターニング技術の開発を行った．次の段階として，磁性粒子を混ぜた磁性培養基板を作製し，外部磁場を用いた位置制御を行い，異なる基板上での細胞の移動・結合の観察を行う．また今後は，イオンチャネルの物質輸送特性を模倣したナノ構造体としてDNAナノチューブに着目する．DNAの配列を複雑に設計することで，あらゆる機能を持ったDNAナノチューブを作製することができる．近年，DNAナノチューブに蓋を取り付け，あらゆる刺激で開閉を制御するDNAナノチューブが研究されている．しかし，それらの刺激は生体への応用には適していない．そこで，生体内部で活用するために本研究では非侵襲的かつ生体内部への伝搬性が高い刺激である超音波に着目した．そして，超音波照射によって物質輸送が可能となるDNAナノチューブ（US-DNAナノチューブ）を作製する．
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