中赤外・遠赤外レーザーを用いた新規医療薄膜開発と機能評価

• Project/Area Number: 19K24082
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0907:Oral science and related fields
• Research Institution: Kanagawa Dental College
• Principal Investigator: 藤岡 隼 神奈川歯科大学, 歯学部, 特任講師 (70849356)
• Project Period (FY): 2019-08-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 赤外自由電子レーザー / 薄膜 / 金属有機化合物 / 自由電子レーザー / 中赤外 / 遠赤外

Outline of Research at the Start

21世紀の特徴として高齢者社会突入による医療費の増加や在宅医療推進が挙げられる．それに伴い，高度医療技術は長寿社会に必要不可欠であり，医療費増加に伴って安価で安全性の高い革新的先端技術の開発が要求されている．この一つとしてコーティング技術は日進月歩であり，冠動脈ステントやカテーテル，医療金属器具には薄膜生成技術が応用されている．
エレクトロニクス，医薬，バイオ等あらゆる分野で使用されている材料の更なる高機能化には構造や物性の制御に加えて表面の制御が重要である．今回，国内の異なる性能を有する2つの赤外自由電子レーザーを用いて新規薄膜作成とその機能評価を物理学・化学・生物学の様々な技術を用いて行う．

Outline of Annual Research Achievements

薄膜生成技術はナノテクノロジーを支える重要な材料合成法であり，冠動脈ステントやカテーテル，医療金属器具にもこの技術が応用されている．薄膜はエレクトロニクス，医薬，バイオ等あらゆる分野で使用されており，これら材料の更なる高機能化にはバルク構造や物性の制御に加えて表面，界面の制御が重要である．このため，医療デバイスに用いる医療用材料への生体適合性付与が大きく注目され，安全性と医療経済性を兼ね備えた表面処理技術の開発は 国民が強く望む緊急課題であるといえる．用途に応じた多数のコーティング技術が存在する中で，熱に脆弱な基盤にはレーザーを用いる薄膜コーティング技術が用いられることがあるが，未だ分子レベルで不明な点が多々ある．しかも，紫外～可視領域のレーザー応用の報告があるのみで，赤外領域に発振するレーザー応用の報告は殆ど存在しない．
今回，東京理科大学に設置されている赤外自由電子レーザー（中赤外領域に発振，FEL-TUS），大阪大学産業科学研究所設置の赤外自由電子レーザー（遠赤外領域に発振，THz-FEL），京都大学設置の赤外自由電子レーザー（中赤外～遠赤外領域に発振，KU-FEL）を用いて新たな組成の薄膜創成を行い，更に抗菌性や生体親和性を評価することにした．本年度は，チタン溶液を用いた薄膜を作成し，その物性評価をX線回折（XRD），赤外分光法（FT-IR），走査型電子顕微鏡（SEM），ラマン分光法，原子間力顕微鏡（AFM）等を用いて表面性状や物性の評価を行う予定となっていた．本年度，東京理科大学と京都大学において赤外自由電子レーザーを用いて照射実験を行い，薄膜を合成した．波長は京都大学において5本，東京理科大学にて3本を選択し，合成を行った．現在，これらの解析を継続中である．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

東京理科大学に設置されている赤外自由電子レーザー（中赤外領域に発振，FEL-TUS），大阪大学産業科学研究所設置の赤外自由電子レーザー（遠赤外領域に発振，THz-FEL）,京都大学設置の赤外自由電子レーザー（中赤外～遠赤外領域に発振，KU-FEL）を用いて新たな組成の薄膜創成を行い，更に来年度，抗菌性や生体親和性を評価することにした．第一段階はチタンを用いた薄膜を作成し，その物性評価をX線回折（XRD），赤外分光法（FT-IR），走査型電子顕微鏡（SEM），ラマン分光法，原子間力顕微鏡（AFM）等を用いて表面性状や物性の評価を行う予定であった．現在，ゾル－ゲル用チタン溶液を合成して基板塗布を行い，東京理科大学と京都大学の赤外自由電子レーザー照射を行った．因みに，溶液の赤外吸収スペクトルを精査し，東京理科大学で3波長，京都大学で5波長と複数の波長を選択した．年度末から新年度にかけて新型コロナウィルス感染拡大防止の為，学術機関の機器が使用不可能な状況であり，赤外自由電子レーザーを金属有機化合物を塗布した基板に照射し，薄膜を生成した．その後の解析実験待ちの段階である．また，同様の理由にて大阪大学のテラヘルツ赤外自由電子レーザーを用いた実験は未実施である．照射済みの試料に関しては，解析の一部は実行済みであるものの，複数の解析実験を行う必要があり，現在利用再開待ちである．FT-IRは一部解析済であるが，東京理科大学設置のXRDやSEM,AFMの使用が不可能な状況であったため，総合的には進捗状況がやや遅れているとの感は否めない．

Strategy for Future Research Activity

第一段階はチタンを用いた薄膜を作成し，その物性評価をX線回折（XRD），赤外分光法（FT-IR），走査型電子顕微鏡（SEM），ラマン分光法，原子間力顕微鏡（AFM）等を用いて表面性状や物性の評価を行う予定であった．このうち，薄膜を作製する段階までは順調に進捗しているものの，現在，新型コロナウィルス感染拡大防止の為，学術機関の機器が使用不可能な状況にある．赤外自由電子レーザーを金属有機化合物を塗布した基板に照射し，解析待ちの段階である．しかし，時間の経過とともに薄膜の性質が変化することもあり得るので，再度照射実験を行い，照射後速やかに解析を行う必要もあると考えている．東京理科大学と京都大学の赤外自由電子レーザーの運転が再開され次第，照射実験と解析実験を複数回実行予定である．また，薄膜上で細胞培養を行って細胞毒性試験を行うと共に，抗菌性評価を行って物理，化学，生物の横断的な総合評価を行う．原子，分子レベルで反応を描像して，構造の形とデザインを制御し，安価で斬新な機能と生体親和性を併せ持つ薄膜創成を行って医療高度化に貢献することが最終目標であるため，可能な限り解析実験を行い，最終目標を目指したい．また，大阪大学の設備を用いた実験も予定する．以前までは対面によって他の研究者との交流や助言を得ていたが，今後はオンラインのツールを用いて情報を得ることにより研究の進捗に役立てたい．更に，年度末に予定していた学会発表も行えなかったので，今年度は是非とも成果発表に漕ぎ着けたいところである．