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2014 Fiscal Year Annual Research Report

脳内深部の神経細胞内電位を多点で計測するナノエレクトロニクス

Research Project

Project/Area Number 26709024
Research InstitutionToyohashi University of Technology

Principal Investigator

河野 剛士  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70452216)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywordsナノデバイス / 細胞内電極 / 細胞内計測 / シリコン / MOSFET
Outline of Annual Research Achievements

脳の神経細胞やその他生体組織内深部の各種細胞の“細胞レベル”での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術の開発研究として、次に示す実験項目について実施した。
(1)ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価
(2)ナノプローブの電気的特性の評価

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ナノプローブの集積化プロセスを検討し、実際に120 m長のナノプローブ電極アレイの製作を確認した。ナノプローブの電極材料には生理溶液/電極界面の電気的インピーダンスが低いIrを成膜し、プローブ側面は生体適合性の高い絶縁膜としてParyleneを成膜した。ナノプローブの先端化開口は、レジストスプレー塗布、O2プラズマの調整により、ワイヤー先端の開口高さを数mで調整した。

製作したナノプローブ電極の電気的特性評価により、細胞内信号を計測できる見通しを得た。 生理溶液中におけるインピーダンスは、1 kHzで2.4 MΩを示した。 また、入力・出力電圧比においては、入力信号に対して約70%の出力信号を得た。この結果を細胞内電位計測時の等価回路モデルに置き換えて実際の計測時における入出力比を算出すると入力信号に対して約50%の出力信号が得られることが分かった。細胞内信号が数十~百 mVであることと入出力比の結果より、製作したデバイスを用いて数十 mVオーダーの細胞内電位が計測できる。

Strategy for Future Research Activity

On-chipエレクトロニクス
高インピーダンス特性のナノ電極用のOn-chip生体信号増幅器の集積化を検討する。電気生理用として、増幅器に加えて、フィルタ、多チャンネル用チャンネルセレクターを集積化する。本学CMOSプロセスでのデバイスプロトタイプの試作・検証後、外部ファンドリーサービスへの移行も予定する。

電気生理実験
開発したデバイスの細胞計測評価を実施する。順序として先ず培養細胞、若しくは脳切片を測定対象とする。組織深部の観察に、共焦点レーザ走査型顕微鏡を用いた電気的な測定のみならず物理的な細胞観察の評価も同時に実施する。 生体内細胞測定においては、これまでに本学で実績のあるマウス、ラット[A. Fujishiro et al., Int. conf. IEEE-MEMS, 2011, A. Fujishiro et al., Scientific Reports, 2014]の大脳皮質を対象とする。電気生理計測には、多点記録・刺激システムを用いる。

Causes of Carryover

研究において未使用額が生じた理由は、研究に使用するMEMS/IC製作等の消耗品が当初予定額よりも少なかったためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度以降は研究が本格化し、未使用額については次年度研究費と併せて使用する計画である。

  • Research Products

    (20 results)

All 2015 2014 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (15 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] Layer-by-layer Assembled Nanorough Iridium-oxide/platinum-black for Low-voltage Microscale Electrode Neurostimulation2015

    • Author(s)
      Shota Yamagiwa, Akifumi Fujishiro, Hirohito Sawahata, Rika Numano, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B: Chemical

      Volume: 206 Pages: 205-211

    • DOI

      10.1016/j.snb.2014.09.048

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] In-vivo Neuronal Action Potential Recordings via Three-dimensional Microscale Needle-electrode Arrays2014

    • Author(s)
      Akifumi Fujishiro, Hidekazu Kaneko, Takahiro Kawashima, Makoto Ishida and Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 4 Pages: 4868

    • DOI

      10.1038/srep04868

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Vertically Integrated Metal-clad/Silicon Dioxide-shell Microtube Arrays for High-spatial-resolution Light Stimuli in Saline2014

    • Author(s)
      Masahiro Sakata, Tomohiko Nakamura, Tomoyuki Matsuo, Akihiro Goryu, Makoto Ishida and Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 104 Pages: 164101

    • DOI

      10.1063/1.4871710

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] TSV Siアイランドの集積化に向けたDeep-Trenchへの酸化物埋め込み2015

    • Author(s)
      浦岡 泰之,大井 英生,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      第62回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東海大学
    • Year and Date
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [Presentation] 長さ500 μm以上の高アスペクト比Siマイクロワイヤの生体組織への刺入2015

    • Author(s)
      八木 智史,山際 翔太,今塩屋 竜也,大井 英夫,久保田 吉博,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      第62回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東海大学
    • Year and Date
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [Presentation] Pt/SiO2マイクロチューブ神経電極アレイの高空間分解能光刺激への応用2015

    • Author(s)
      松尾 朋幸,中邨 友彦,山際 翔太,澤畑 博人,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      第62回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東海大学
    • Year and Date
      2015-03-11 – 2015-03-14
  • [Presentation] ナノプローブ神経電極を用いた細胞内電位計測2015

    • Author(s)
      久保田 吉博,大井 英生,澤畑 博人,牛流 章弘,安東 頼子,沼野 利佳,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      バイオ・マイクロシステム研究会
    • Place of Presentation
      明治大学
    • Year and Date
      2015-03-10 – 2015-03-10
  • [Presentation] シリコンウィスカ単電極モジュールデバイスによるマウス大脳皮質ニューロン計測2015

    • Author(s)
      澤畑 博人,山際 翔太,守谷 愛里、大井 英生,安東 頼子,沼野 利佳,石田 誠,鯉田孝和,河野 剛士
    • Organizer
      バイオ・マイクロシステム研究会
    • Place of Presentation
      明治大学
    • Year and Date
      2015-03-10 – 2015-03-10
  • [Presentation] An Array of Vertically Aligned Nanoscale Tipped Microprobe Electrodes2014

    • Author(s)
      Yoshihiro Kubota, Hideo Oi, Hirohito Sawahata, Akihiro. Goryu, Makoto Ishida and Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2014
    • Place of Presentation
      Washington, DC
    • Year and Date
      2014-11-15 – 2014-11-19
  • [Presentation] In vivo Recordings via Microscale Diameter Neuroprobe Block Devices2014

    • Author(s)
      Hirohito Sawahata, Shota Yamagiwa, Airi Moriya, Hideo Oi, Yoriko Ando, Rika Numano, Makoto Ishida, Kowa Koida and Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2014
    • Place of Presentation
      Washington, DC
    • Year and Date
      2014-11-15 – 2014-11-19
  • [Presentation] Microfabricated Single Whisker Electrode for Neural Recording2014

    • Author(s)
      Shota Yamagiwa, Hirohito Sawahata, Kowa Koida, Makoto Ishida and Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2014
    • Place of Presentation
      Washington, DC
    • Year and Date
      2014-11-15 – 2014-11-19
  • [Presentation] シリコンマイクロ/ナノワイヤ:ニューロン・エレクトロニクス・インタフェースデバイスへの応用2014

    • Author(s)
      河野剛士
    • Organizer
      第31回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • Place of Presentation
      くにびきメッセ(松江)
    • Year and Date
      2014-10-20 – 2014-10-22
    • Invited
  • [Presentation] シリコンウィスカ神経電極ブロックモジュール2014

    • Author(s)
      澤畑博人,山際翔太,守谷愛里,大井英生,安東頼子,沼野利佳,石田誠,鯉田孝和, 河野剛士
    • Organizer
      第75回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [Presentation] ナノプローブ神経電極アレイの細胞内電位計測応用2014

    • Author(s)
      久保田吉博,大井英生,澤畑博人,牛流章弘,安東頼子,沼野利佳,石田誠,河野剛士
    • Organizer
      第75回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [Presentation] 溶解材料塗布によるハイアスペクト比フレキシブルワイヤの刺入2014

    • Author(s)
      八木智史,山際翔太,今塩屋竜也,大井英生,久保田吉博,石田誠,河野剛士
    • Organizer
      第75回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [Presentation] Ir/SiO2マイクロチューブ,ガラス管アレイ集積化神経電極デバイス2014

    • Author(s)
      松尾朋幸,中邨友彦,坂田真浩,山際翔太,澤畑博人,石田誠,河野剛士
    • Organizer
      第75回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [Presentation] バッファアンプを搭載するマイクロプローブ細胞外電極アレイ2014

    • Author(s)
      牧野浩樹,浅井皓平,田中将徳,石田誠,河野剛士
    • Organizer
      第75回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      北海道大学
    • Year and Date
      2014-09-17 – 2014-09-20
  • [Presentation] Electrical, chemical, optical micro/nanoscale neuroprobes2014

    • Author(s)
      Takeshi Kawano
    • Organizer
      The 7th Asia-Pacific Conference on Transducers and Micro/Nano Technologies (APCOT) 2014
    • Place of Presentation
      Daegu, Korea
    • Year and Date
      2014-06-29 – 2014-07-02
    • Invited
  • [Remarks] Publication list, Takeshi Kawano

    • URL

      http://www.int.ee.tut.ac.jp/icg/member/takekawano/publication/publication.html

  • [Remarks] Publications, Integrated Circuit Group (ICG)

    • URL

      http://int.ee.tut.ac.jp/icg/wp/en/?cat=18

URL: 

Published: 2016-06-01  

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