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2012 Fiscal Year Annual Research Report

レーザー過渡力学解析による細胞・組織内の応力テンソルの解明

Research Project

Project/Area Number 24360027
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

Principal Investigator

細川 陽一郎  奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 特任准教授 (20448088)

Project Period (FY) 2012-04-01 – 2016-03-31
Keywordsフェムト秒レーザー / 原子間力顕微鏡 / 生体計測 / 衝撃波 / 力学作用
Research Abstract

フェムト秒レーザー誘起衝撃力が微小生体試料に引き起こす運動をAFM探針のねじれ運動として検出できる精度についての基礎検討を行った。AMFの検出用レーザー、AFM探針、四分割フォトダイオード(QPD)の幾何配置より、AFM探針の縦方向の1nmの振れ幅の検出精度に対応するAFM探針のねじれ角は10^<-3>度であると見積もられた。つぎに有限要素法を用いた数値シミュレーションより、本実験で使用しているAFM探針にμN程度の力が作用したとき、10^<-3>度のねじれが生じることが示された。細胞程度大きさの微小生体材料に運動を引き起こすための力は州程度であるとされており、本実験装置により微小生体材料の運動を検出できることが示された。つぎに、顕微鏡下でAFM探針の横にフェムト秒レーザーを集光し、AFM探針のねじれ運動を誘導し、基礎検討の結果の妥当性を実験的に確かめた。AFM探針に対して衝撃力を作用させたときのQPDで検出されるレーザーの横方向の移動量より、μN程度の衝撃力がAFM探針に作用したとき、10^<-3>度のAFM探針のねじれが誘導されることが示された。つぎに、生体材料を用いた実験の前段階として、太さ280μm長さ500μmのナイロンワイヤー(NW)を顕微鏡下に配置して実験を行った。この実験では、NW、AFM探針、レーザー集光位置を独立して調整する必要があり、そのためにAFMヘッドを配置した顕微鏡ステージの上で、NWの位置を独立して調整できる手動ステージを構築した。NWを水に浸し、NWの脇50μm程度の位置にフェムト秒レーザーを集光し、衝撃力によりNWの弾性振動を誘起し、その弾性振動を10^<-3>度程度のAFM探針のねじれ運動として検出することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本年度、本研究で目的とするフェムト秒レーザー誘起衝撃力を使った新規計測システムについての基礎検討を計算やシミュレーションにより示すだけでなく、その妥当性を実験的に示すことができた。これらの結果より、実際に生体材料を試料として用いた実験においても、原理的な障壁は生じないことが証明された。

Strategy for Future Research Activity

本年度得られた基礎検討の成果に基づき、この新規システムで実際の生体試料の計測を進めていく。物理学の観点から、実験結果の定量を進めていき、さらには生物学の観点から本計測手法の有効性を示す微小生体試料を模索し、従来方法では取得することが不可能であった材料内の力学情報を調べていきたい。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

前年度、実際の生体試料を用いずに本計測手法の妥当性を十分に検証できたため、そのために考えていた試料の準備費が大幅に節約されて持ち越された。次年度からはこの経費も活用し、高度で有用な微小生体試料の準備を進めていく。さらに、フェムト秒レーザーシステムの強化を図って研究期間中に実験を安定に行える状態を確保する。

  • Research Products

    (19 results)

All 2013 2012

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (15 results)

  • [Journal Article] Photomechanical ablation of biological tissue induced by focused femtosecond laser and its application for acupuncture2013

    • Author(s)
      Yoichiroh Hosokawa, Mika Ohta, Akihiko Ito, and Yutaka Takaoka
    • Journal Title

      Appl. Phys. A

      Volume: Vol.110 No.3 Pages: 613-616

    • DOI

      10.1007/s00339-012-7138-5

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of the distance between adherent mesenchymal stem cell and the focus of irradiation of femtosecond laser on cell replication capacity, Cytotechnology2012

    • Author(s)
      Jun Sakai, Daniel Roldan, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, Yoichiroh Hosokawa, Takanori Iino, Shigeyuki Wakitani, and Mutsumi Takagi
    • Journal Title

      Cytotechnology

      Volume: Vol.64 No.3 Pages: 323-329

    • DOI

      10.1007/s10616-012-9437-2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Novel application for pseudopodia proteomics using excimer laser ablation and two-dimensional difference gel electrophoresis2012

    • Author(s)
      Akihiko Ito, Takahiro Mimae, Ying-Shan-Zhu Yamamoto, Man Hagiyama, Jun Nakanishi, Masaoki Ito, Yoichiroh Hosokawa, Morihito Okada, Yoshinori Murakami and Tadashi Kondo
    • Journal Title

      Lab Invest.

      Volume: Vol.92 No.9 Pages: 1374-1385

    • DOI

      10.1038.labinvest.2012.98

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] フェムト秒レーザー誘起衝撃力によるAFM探針のねじれ運動の解析2012

    • Author(s)
      竹中将信,飯野敬矩,細川陽一郎
    • Journal Title

      電気学会光・量子デバイス研究会 資料

      Volume: OQD-12 Pages: 22-26

  • [Presentation] フェムト秒レーザー誘起衝撃力による細胞接着剥離の力学メカニズム(1)-数値解析による現象予測-2013

    • Author(s)
      細川陽一郎, 上段寛久, 飯野敬矩
    • Organizer
      2013年 第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川)
    • Year and Date
      2013-03-30
  • [Presentation] フェムト秒レーザー誘起衝撃力による細胞間接着剥離の力学メカニズム(2)-モデル実験系による評価-2013

    • Author(s)
      上段寛久, 飯野敬矩, 細川陽一郎
    • Organizer
      2013年 第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川)
    • Year and Date
      2013-03-30
  • [Presentation] 超短パルスレーザーによる微粒化処理を行ったZnS蛍光体の作製2013

    • Author(s)
      鍋坂恭平, 石河泰明, 土江貴洋, 田口信義, 細川陽一郎, 浦岡行治
    • Organizer
      2013年 第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学(神奈川)
    • Year and Date
      2013-03-29
  • [Presentation] フェムト秒レーザー衝撃力により誘導される微小生物組織の力学応答のAFMによる検出2013

    • Author(s)
      竹中将信, 飯野敬矩, 細川陽一郎
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第33回年次大会
    • Place of Presentation
      姫路商工会議所(兵庫)
    • Year and Date
      2013-01-29
  • [Presentation] System Dsigning to Estimate Internal Stress of Micro-Biological Material Utilizing Femtosecond Laser Impulse and AFM2012

    • Author(s)
      Masanobu Takenaka, Takanori Iino, and Yoichiroh Hosokawa
    • Organizer
      GIST-NAIST-NCTU Joint Symposium
    • Place of Presentation
      Hsinchu, Taiwan
    • Year and Date
      2012-11-20
  • [Presentation] Photo-Dynamc Conversion Of Solid Surface From Protein-Phobic to - Philic By Femtosecond Laser For In Situ Microfabrication2012

    • Author(s)
      Kazunori Okano, Yoichiroh Hosokawa, Hiroshi Tsubokawa, Hiroshi Masuhara, and Fu-Jen Kao
    • Organizer
      The 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2012)
    • Place of Presentation
      Okinawa, Japan
    • Year and Date
      2012-10-31
  • [Presentation] フェムト秒レーザー誘起衝撃力によるAFM探針のねじれ運動の解析2012

    • Author(s)
      竹中将信, 飯野敬矩, 細川陽一郎
    • Organizer
      電気学会光・量子デバイス研究会「バイオメディカルフォトニクス応用」
    • Place of Presentation
      東北大学東京分室(東京)
    • Year and Date
      2012-09-24
  • [Presentation] Larger Intercellular Adhesion Strength Generates More Coherent and Directional Multicellular Movement-Measurement and Simulation2012

    • Author(s)
      Tsuyoshi Hiroshima, Takanori Iino, Yoichiroh Hosokawa, Masaharu Nagayama,
    • Organizer
      第50回日本生物物理学会年会
    • Place of Presentation
      名古屋大学(名古屋)
    • Year and Date
      2012-09-22
  • [Presentation] 原子間力顕微鏡を用いたフェムト秒レーザー誘起衝撃力の時間変化の解析2012

    • Author(s)
      細川陽一郎, 飯野敬矩
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学・松山大学(愛媛)
    • Year and Date
      2012-09-12
  • [Presentation] フェムト秒レーザー誘起衝撃力によるAFM探針のねじれ運動の誘導と応用2012

    • Author(s)
      竹中将信, 飯野敬矩, 細川陽一郎
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学・松山大学(愛媛)
    • Year and Date
      2012-09-12
  • [Presentation] エネルギーと力と力積 : 物理パラメーターからみる細胞の接着2012

    • Author(s)
      細川陽一郎
    • Organizer
      第52回生物物理若手の会夏の学校
    • Place of Presentation
      支笏湖ユースホステル(北海道)(Invited)
    • Year and Date
      2012-09-02
  • [Presentation] Evaluation of controllability of femtosecond laser-induced impulse in water utilizing atomic force microscopy2012

    • Author(s)
      Takanori Iino and Yoichiroh Hosokawa
    • Organizer
      8th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-8)
    • Place of Presentation
      Rochester, USA,
    • Year and Date
      2012-08-13
  • [Presentation] Time Resolved Analysis of Femtosecond Laser Impulse Induced in Water and Cell Culture Medium2012

    • Author(s)
      Yoichiroh Hosokawa and Takanori Iino
    • Organizer
      8th International Conference on Photo-Excited Processes and Applications (ICPEPA-8)
    • Place of Presentation
      Rochester, USA,(Invited)
    • Year and Date
      2012-08-12
  • [Presentation] フェムト秒レーザー誘起衝撃力による細胞間接着と細胞内応力の評価の試み2012

    • Author(s)
      竹中将信, 飯野敬矩, 細川陽一郎
    • Organizer
      数理生物学サマーレクチャー「数理モデリングの基礎と応用」
    • Place of Presentation
      理化学研究所発生・再生科学総合研究センター(兵庫)
    • Year and Date
      2012-07-09
  • [Presentation] フェムト秒レーザ誘起衝撃力が拓くバイオテクノロジー2012

    • Author(s)
      細川陽一郎
    • Organizer
      第77回レーザ加工学会講演会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪)(Invited)
    • Year and Date
      2012-05-24

URL: 

Published: 2014-07-16  

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