バイオフォトニックLSIによる生体内光センシング・光治療一体化システム

• 研究課題/領域番号: 15K21164
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: ナノバイオサイエンス; 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東京大学 (2016-2018); 奈良先端科学技術大学院大学 (2015)
• 研究代表者: 竹原 宏明 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60723088)
• 研究協力者: 太田 淳 ; 徳田 崇 ; 笹川 清隆 ; 野田 俊彦
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2015年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
• キーワード: 体内埋植デバイス / 半導体集積回路 / ハイドロゲル材料 / 細胞応答 / バイオデバイス / 埋め込みデバイス / フレキシブルデバイス / 光導波路 / 光半導体デバイス / 光治療 / 蛍光イメージング

研究成果の概要

本研究では、生体との親和性の高い高分子材料技術と、高集積化・小型化を可能とするLSIチップ技術を融合したデバイスシステムを提案し、その原理実証を行った。①生体内に埋植した光源及び光センサにより生体組織への光エネルギーの導入と生体組織からの光シグナルの検出を可能とするデバイス技術を開発した。②生体内で光導波路となるバイオ光学素子を開発した。③超小型CMOSイメージセンサを用いた細胞外因子に対するシグナル応答計測に成功した。以上の通り、提案したデバイスシステムの要素技術開発及び原理実証を達成し、生体内光センシング・光治療一体化デバイス技術を確立した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

光を用いて診断・治療を一体化する新たな医療技術が注目されている。本研究で確立した生体内光センシング・光治療一体化デバイス技術は、生体と親和して生体内で光を操作する手法を提供し、光を利用するバイオメディカルデバイス技術の発展に貢献する。また、半導体デバイス研究分野において本研究は、医療応用を指向した体内埋植型集積回路センサ技術という新たな応用分野の開拓に資する。

研究成果

• [雑誌論文] Mechanical strength evaluation of crystalline poly (L-lactic acid) fabricated by replica micromolding for bioabsorbable microneedle devices (2019)
  • 著者名/発表者名: Yukihiro Kanda, Hiroaki Takehara, and Takanori Ichiki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 印刷中
  • NAID: 210000156073
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma-assisted electrospray deposition of thin elastomer films (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hashimoto, Hiroaki Takehara, and Takanori Ichiki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 印刷中
  • NAID: 210000156074
  • 査読あり
• [雑誌論文] On-chip cell analysis platform: Implementation of contact fluorescence microscopy in microfluidic chips (2017)
  • 著者名/発表者名: Takehara Hiroaki、Kazutaka Osawa、Haruta Makito、Noda Toshihiko、Sasagawa Kiyotaka、Tokuda Takashi、Ohta Jun
  • 雑誌名: API Advances 巻: 7 号: 9 ページ: 095213-095213
  • DOI: 10.1063/1.4986872
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Implantable optogenetic device with CMOS IC technology for simultaneous optical measurement and stimulation (2017)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta,Naoya Kamiyama,Shun Nakajima,Mayumi Motoyama,Mamiko Kawahara Yasumi Ohta,Atsushi Yamasaki,Hiroaki Takehara,Toshihiko Noda,Kiyotaka Sasagawa,Yasuyuki Ishikawa,Takashi Tokuda,Hitoshi Hashimoto,Jun Ohta
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 56 号: 5 ページ: 057001-057001
  • DOI: 10.7567/jjap.56.057001
  • NAID: 210000147741
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Implantable microsized image sensor for data transmission with intravital optical communication (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara,Hajime Hayami,Kengo Nagata,Yasumi Ohta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa,Takashi Tokuda,Jun Ohta
  • 雑誌名: The Journal of Engineering 巻: - 号: 1 ページ: 1-3
  • DOI: 10.1049/joe.2016.0311
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In-vitro long-term performance evaluation and improvement in the response time of CMOS-based implantable glucose sensors (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Tokuda, T. Kawamura, K. Masuda, T. Hirai, Hironari Takehara, Y. Ohta, M. Motoyaa, Hiroaki Takehara, T. Noda, K. Sasagawa, T. Okitsu, S. Takeuchi, and J. Ohta
  • 雑誌名: IEEE Design & Test 巻: 33 号: 4 ページ: 37-48
  • DOI: 10.1109/mdat.2016.2560137
  • 査読あり
• [雑誌論文] ZnO Nanorod Arrays Fabricated by Hydrothermal Method Using Different Thicknesses of Seed Layer for Applications in Hybrid Photovoltaic Cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Anek Wuthayavanich, Makito Haruta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Sensors and Materials 巻: 28 ページ: 1
  • DOI: 10.18494/SAM.2016.1293
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Implantable micro-optical semiconductor devices for optical theranostics in deep tissue (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yuji Katsuragi, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Hironari Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 9 号: 4 ページ: 047001-047001
  • DOI: 10.7567/apex.9.047001
  • NAID: 210000137867
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Implantable self-reset CMOS image sensor and its application to hemodynamic response detection in living mouse brain (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamaguchi, Hiroaki Takehara, Yoshinori Sunaga, Makito Haruta, Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 4S ページ: 04EM02-04EM02
  • DOI: 10.7567/jjap.55.04em02
  • NAID: 210000146393
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Wireless image-data transmission from an implanted image sensor through a living mouse brain by intra body communication (2016)
  • 著者名/発表者名: Hajime Hayami, Hiroaki Takehara, Kengo Nagata, Makito Haruta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 号: 4S ページ: 04EM03-04EM03
  • DOI: 10.7567/jjap.55.04em03
  • NAID: 210000146394
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Micromolding Process for Bioabsorbable Poly L-Lactic Acid (PLLA) using Polydimethylsiloxane (PDMS) Replica Mold (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yukihiro Kanda, Yuki Hadano, and Takanori Ichiki
  • 学会等名: The 31th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Electrospray deposition assisted with corona discharge for coating structural materials (2018)
  • 著者名/発表者名: Kohei Hashimoto, Hiroaki Takehara, and Takanori Ichiki
  • 学会等名: The 31th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC2018)
  • 国際学会
• [学会発表] High aspect ratio microneedles of bioabsorbable polymer fabricated by micromolding (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukihiro Kanda, Hiroaki Takehara, and Takanori Ichiki
  • 学会等名: Proceedings of micro-TAS 2018 Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 血中滞在ナノ粒子の体内計測を目指した光学モデル検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹原宏明, 一木隆範
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] モールディングにより成形した生分解性ポリマー微小構造体の材料強度評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 神田循大, 竹原宏明, 一木隆範
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Light delivery inside the body with the combined use of optical semiconductors and hydrogel waveguides (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Makito Haruta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: 9th International Conference of Molecular Electronics and Bioelectronics
  • 国際学会
• [学会発表] Implantable bio-LSI chips toward optical diagnosis and treatment inside body (2017)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Takanori Akagi, Makito Haruta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta, and Takanori Ichiki
  • 学会等名: 11th Annual Symposium on Nanobiotechnology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] インプラントLSIデバイスが実現する未来型医療に向けたIoT技術 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹原宏明
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体技術を応用した埋め込み型バイオデバイス～ラボオンブレイン・インプラント半導体センサ～ (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹原宏明
  • 学会等名: 医工学ネットワークシンポジウム
• [学会発表] n On-Chip Fluorescence Imaging System Using a Compact CMOS Image Sensor (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Kazutaka Osawa, Hironari Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta,
  • 学会等名: 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2016)
  • 発表場所: Tsukuba
  • 年月日: 2016-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] Implantable medical LSI-chips integrated with flexible and biocompatible hydrogel optical fibers (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yuji Katsuragi, Hajime Hayami, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: 2016 International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE 2016)
  • 発表場所: Yamagata University
  • 年月日: 2016-09-07
  • 国際学会
• [学会発表] Hydrogel-based optical devices for light delivery inside tissues (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara
  • 学会等名: The 33rd International Conference of Photopolymer Science and Technology (ICPST-33)
  • 発表場所: International Conference Hall Makuhari Messe, Chiba, Japan
  • 年月日: 2016-06-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Implantable microdevices based on semiconductor technology for optical cell analysis in vivo (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: The 11th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (IEEE-NEMS 2016)
  • 発表場所: Hotel Matsushima Taikanso, Miyagi, Japan
  • 年月日: 2016-04-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 埋植型デバイスへの導入に向けたハイドロゲルの光学特性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 桂木優治, 須永圭紀, 竹原宏明, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 太田淳
  • 学会等名: 2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] CMOSイメージセンサを用いた培養細胞のオンチップ蛍光計測システム (2016)
  • 著者名/発表者名: 大澤和嵩, 竹原宏明, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 太田淳
  • 学会等名: 2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19