• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2015 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評価
(3)エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

(1)ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価: 生体組織への電極刺入の応用を考慮し、提案するナノプローブ電極の機械的特性(剛性)を氷解した。 既存のナノ電極と比較して、提案する電極はマイクロプローブの先端部のみをナノスケールに先鋭化した点である。同一の先端直径(500 nm)、長さ(150 µm)の場合、従来提案されている円柱形状のナノ電極と比べて約7,500倍の剛性を得ることができる事が有限要素法解析にて実証された[Kubota et al., Small, 2016]。

(2)ナノプローブの電気的特性評価: 昨年度のインピーダンス、入力出力電圧比特性評価に加えて、本年度は雑音特性を評価した。細胞信号の周波数である1 Hz~10 kHzにおいて、5 mV√Hz~15 nV√Hzの雑音特性を得た。入出力電圧比が37%~85%より、本電極デバイスは約100 mVの細胞内電圧において十分な特性であることを実証した[Kubota et al., Small, 2016]。

(3)エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価: 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した。 プローブとMOSFETの一体化は、これまでに実績のあるプローブ製作前のMOSFET集積化技術を用いた[A. Okugawa et al., IEEE Electron Device Letters, 2011]。 製作したプローブチップデバイスは、本学5 μm-NMOS技術によるバッファアンプ回路(Source-follower)の集積化を実現している[H. Makino et al., IEEE MEMS, 2015, H. Makino 2016 in preparation]。

Strategy for Future Research Activity

研究目的を達成するために平成28年度は、昨年度に引き続きOn-chipエレクトロニクスの確立、電気的生理実験 によるデバイスの特性評価に取り組むと共に本研究を総括する。

On-chipエレクトロニクス 昨年度に引き続き、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。 昨年 度までに、これまでに実績のあるMOSFET集積化技術[A. Okugawa et al., IEEE Electron Device Letters, 2011]によるプローブとMOSFETの一体化を実現してきた。 今年度は、製作したデバイスの特性評価を実施すると共に、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の集積化を実施する。混載MOSFETの試作は本学CMOSプロセスで実施するが、その後は外部ファンドリーサービスへの移行も予定し ている。

昨年度に引き続き、電気的生理実験によるデバイスの特性評価に取り組む。生体外細胞測定検証:現在、細胞内計測の検証には、比較的細胞体の大きな筋細胞を用いた測定を検討している。この知見を反映させ、その後に、測定対象を培養細胞、脳スライスを用いた測定を検討する。細胞測定の評価には、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検討する。 生体内細胞測定: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]を対象とする。研究の進捗によるが、サルの大脳皮質 も検討する。電気生理計測には、多点記録・刺激システムを用いる。脳深部の細胞内多点計測はこれまでに無く、その測定技術開発の学術的意味は大きいと考える。

Causes of Carryover

研究において未使用額が生じた理由は、初年度の未使用額の本年度への繰り越しに加え、本年度の研究に使用する消耗品が当初予定した金額よりも若干少なかったためである。

Expenditure Plan for Carryover Budget

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。

Remarks

S. Yagi et al., 2015の研究成果が学術雑誌「Advanced Healthcare Materials」の表紙(inside cover)に 採択された
Y. Kubota et al., 2016の研究成果が学術雑誌「Small」の表紙(front cover)に 採択された

  • Research Products

    (24 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Acknowledgement Compliant: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 1 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Nanoscale‐Tipped High‐Aspect‐Ratio Vertical Microneedle Electrodes for Intracellular Recordings2016

    • Author(s)
      Yoshihiro Kubota, Hideo Oi, Hirohito Sawahata, Akihiro Goryu, Yoriko Ando, Rika Numano, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Small

      Volume: NA Pages: NA

    • DOI

      10.1002/smll.201600172

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Microscale Temperature Sensing using Novel Reliable Silicon Vertical Microprobe Array: Computation and Experiment2015

    • Author(s)
      MA Matin, Akihito Ikedo, Takeshi Kawano, Kazuaki Sawada, Makoto Ishida
    • Journal Title

      Microelectronics Reliability

      Volume: 55 Pages: 2689-2697

    • DOI

      10.1016/j.microrel.2015.09.003

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Co-Design Method and Wafer-Level Packaging Technique of Thin-Film Flexible Antenna and Silicon CMOS Rectifier Chips for Wireless-Powered Neural Interface Systems2015

    • Author(s)
      Kenji Okabe, Horagodage Prabhath Jeewan, Shota Yamagiwa, Takeshi Kawano, Makoto Ishida, Ippei Akita
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 15 Pages: 31821-31832

    • DOI

      10.3390/s151229885

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Dissolvable Base Scaffolds Allow Tissue Penetration of High‐Aspect‐Ratio Flexible Microneedles2015

    • Author(s)
      Satoshi Yagi, Shota Yamagiwa, Yoshihiro Kubota, Hirohito Sawahata, Rika Numano, Tatsuya Imashioya, Hideo Oi, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Advanced healthcare materials

      Volume: 4 Pages: 1949-1955

    • DOI

      10.1002/adhm.201500305

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Flexible Parylene-film Optical Waveguide Arrays2015

    • Author(s)
      Shota Yamagiwa, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 107 Pages: 083502

    • DOI

      10.1063/1.4929402

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [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
  • [Presentation] 伸縮可能なフレキシブルバイオプローブ電極フィルムの製作2016

    • Author(s)
      森川 雄介,山際 翔太,澤畑 博人,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      第63回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] 高い電荷注入能力と低インピーダンス特性を持つPEDOT/Pt-blackマイクロ電極デバイスの神経刺激応用2016

    • Author(s)
      山口 健太郎,田中 将徳,山際 翔太,澤畑 博人,沼野 利佳,石田 誠,河野 剛士
    • Organizer
      第63回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] 溶解材を用いたシリコンウィスカ神経電極の実装技術とin vivo評価2016

    • Author(s)
      ティオ ドンシュン,澤畑 博人,山際 翔太,守谷 愛理,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63回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学
    • Year and Date
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [Presentation] An Origami-inspired Ultrastretchable Bioprobe Film Device2016

    • Author(s)
      Yusuke Morikawa, Shota Yamagiwa, Hirohito Sawahata, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      2016 IEEE 29th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
    • Place of Presentation
      Shanghai, China
    • Year and Date
      2016-01-24 – 2016-01-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-performance Microelectrode of PEDOT/Pt-black for Low Voltage Neurostimulaiton2016

    • Author(s)
      Kentaro Yamaguchi, Masanori Tanaka, Shota Yamagiwa, Hiroto Sawahata, Rika Numano, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      2016 IEEE 29th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)
    • Place of Presentation
      Shanghai, China
    • Year and Date
      2016-01-24 – 2016-01-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3 次元 Pt/SiO2 マイクロチューブ神経電極アレイの集積化技 術と光刺激評価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32 回センサ・マイクロマシンと応用システム, 日本材料学会マイクロマテリアルシンポジウム」
    • Place of Presentation
      新潟(朱鷺メッセ)
    • Year and Date
      2015-10-28 – 2015-10-30
  • [Presentation] シリコンウィスカ神経電極デバイスの柔軟基板への実装と シルクを用いた刺入評価2015

    • Author(s)
      ティオ ドンシュン,澤畑 博人,山際 翔太,守谷 愛理,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32 回センサ・マイクロマシンと応用システム, 日本材料学会マイクロマテリアルシンポジウム」
    • Place of Presentation
      新潟(朱鷺メッセ)
    • Year and Date
      2015-10-28 – 2015-10-30
  • [Presentation] Electrical, Chemical, Optical Micro/nanoscale Neuroprobes2015

    • Author(s)
      Takeshi Kawano
    • Organizer
      The Interdisciplinary Research And Global Outlook (IRAGO) 2015
    • Place of Presentation
      Aichi, Japan
    • Year and Date
      2015-10-22 – 2015-10-23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Self-curling and -sticking Flexible Thin-film ECoG Array Device2015

    • Author(s)
      Shota Yamagiwa, Hirohito Sawahata, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-17 – 2015-10-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanowire Transgene Injector Arrays2015

    • Author(s)
      Yoshihiro Kubota, Akihiro Goryu, Rika Numano, Minako Matuo, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-17 – 2015-10-21
  • [Presentation] In vivo Recordings via Microscale Diameter Neuroprobe Assembled on Flexible Package2015

    • Author(s)
      TEO Dong Sheng, Hirohito Sawahata, Shota Yamagiwa, Airi Moriya, Hideo Oi, Yoriko Ando, Rika Numano, Makoto Ishida, Kowa Koida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      Neuroscience 2015
    • Place of Presentation
      Chicago, USA
    • Year and Date
      2015-10-17 – 2015-10-21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flexible Optrode Array: Parylene-film Waveguide Arrays with Microelectrodes for Optogenetics2015

    • Author(s)
      Shota Yamagiwa, Makoto Ishida, Takeshi Kawano
    • Organizer
      2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS)
    • Place of Presentation
      Alaska, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Thin Film Flexible Antenna with CMOS Rectifier Chip for RF-powered Implantable Neural Interfaces2015

    • Author(s)
      Kenji Okabe, Ippei Akita, Shota Yamagiwa, Takeshi Kawano, Makoto Ishida
    • Organizer
      2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS)
    • Place of Presentation
      Alaska, USA
    • Year and Date
      2015-06-21 – 2015-06-25
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] Publication list, Takeshi Kawano

    • URL

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

  • [Remarks] Publication list, ICG

    • URL

      http://int.ee.tut.ac.jp/icg/wp/en/

  • [Remarks] Inside cover page article (S. Yagi et al., 2015)

    • URL

      http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.201570076/abstract

  • [Remarks] Super-small needle technology for the brain

    • URL

      http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-08/tuot-snt081015.php

  • [Remarks] Nanotower electrodes

    • URL

      http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-04/tuot-iru040816.php

URL: 

Published: 2017-01-06  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi