ソフトウェット電極で創る生体親和性デバイス

• 研究課題/領域番号: 18H04158
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西澤 松彦 東北大学, 工学研究科, 教授 (20273592)
• 研究分担者: 田中 徹 東北大学, 医工学研究科, 教授 (40417382)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円); 2021年度: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円); 2020年度: 12,480千円 (直接経費: 9,600千円、間接経費: 2,880千円); 2019年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2018年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: ハイドロゲル / 酵素電池 / 経皮通電 / 生体親和性 / ハイドロゲル電極 / 電極システム / 脳波計測 / 頭蓋内電極 / てんかん

研究成果の概要

ソフトウェット電極（酵素電極ファブリックおよびハイドロゲル電極）の機能拡張を推し進め，両者を組み合わせて，セルフメディケーション（自己服薬）や電気的な計測・刺激（診断・治療）を低侵襲に行う新規医療デバイスのプラットフォームの創出を目指した研究を推進した。開発したバイオ発電パッチは皮膚貼付に適した柔軟性を有し、酵素による酸化還元反応による経皮通電によって薬剤浸透の促進効果や鎮痛効果を発揮した。ハイドロゲルを基材とする有機電極については、シート状の頭蓋内電極およびカフ型の迷走神経電極として、固定機能および刺激性能の有効性が動物実験で実証された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で開発したソフトウェット電極デバイスは、生体組織と同等の柔軟性を有し、低侵襲の服薬・診断・治療に有効である。このような生体親和性に優れるウェアラブルおよび埋込型の電極デバイスは、AI/IoTを基盤とする高効率なネットワーク化IT医療システムの端末として必須であり、超高齢化社会化が抱える医療費・医療アクセス・介護などの深刻な問題への対応に貢献すると期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Totally Organic Hydrogel-Based Self-Closing Cuff Electrode for Vagus Nerve Stimulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Daigo Terutsuki, Hayato Yoroizuka, Shin-ichiro Osawa, Yuka Ogihara, Hiroya Abe, Atsuhiro Nakagawa, Masaki Iwasaki and Matsuhiko Nishizawa
  • 雑誌名: Advanced Healthcare Materials 巻: 11 号: 23 ページ: 2201627-2201627
  • DOI: 10.1002/adhm.202201627
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transdermal electroosmotic flow generated by a porous microneedle array patch (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinya Kusama, Kaito Sato, Yuuya Matsui, Natsumi Kimura, Hiroya Abe, Shotaro Yoshida, Matsuhiko Nishizawa
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 号: 1 ページ: 658-658
  • DOI: 10.1038/s41467-021-20948-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Totally transparent hydrogel-based subdural electrode with patterned salt bridge (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Ayaka、Suwabe Ryota、Ogihara Yuka、Yoshida Shotaro、Abe Hiroya、Osawa Shin-ichiro、Nakagawa Atsuhiro、Tominaga Teiji、Nishizawa Matsuhiko
  • 雑誌名: Biomedical Microdevices 巻: 22 号: 3 ページ: 57-57
  • DOI: 10.1007/s10544-020-00517-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hydrogel-Based Organic Subdural Electrode with High Conformability to Brain Surface (2019)
  • 著者名/発表者名: Oribe Shuntaro、Yoshida Shotaro、Kusama Shinya、Osawa Shin-ichiro、Nakagawa Atsuhiro、Iwasaki Masaki、Tominaga Teiji、Nishizawa Matsuhiko
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 13379-13379
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49772-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self‐Moisturizing Smart Contact Lens Employing Electroosmosis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kusama Shinya、Sato Kaito、Yoshida Shotaro、Nishizawa Matsuhiko
  • 雑誌名: Advanced Materials Technologies 巻: 5 号: 1 ページ: 1900889-1900889
  • DOI: 10.1002/admt.201900889
  • 査読あり
• [雑誌論文] Series-Connected Flexible Biobatteries for Higher Voltage Electrical Skin Patches (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Shotaro、Mizuno Takaya、Kusama Shinya、Sato Kaito、Raut Bibek、Nishizawa Matsuhiko
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 号: 1 ページ: 170-176
  • DOI: 10.1021/acsaelm.9b00671
  • 査読あり
• [雑誌論文] Organic Electrochromic Timer for Enzymatic Skin Patches (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Kai, W. Suda, S. Yoshida, M. Nishizawa
  • 雑誌名: Biosensor and Bioelectronics 巻: 123 ページ: 108-113
  • DOI: 10.1016/j.bios.2018.07.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Contractile Skeletal Muscle Cells Cultured with a Conducting Soft Wire for Effective, Selective Stimulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuniaki Nagamine, Hirotaka Sato, Hiroyuki Kai, Hirokazu Kaji, Makoto Kanzaki, Matsuhiko Nishizawa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 号: 1 ページ: 2253-2253
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20729-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Soft, Wet Bio-Iontronic Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuhiko Nishizawa
  • 学会等名: The 3rd Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Soft, Wet and Ionic Microelectrode Systems (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsuhiko Nishizawa
  • 学会等名: isCEBT 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 医工学応用のための自己変形ハイドロゲル電極 (2018)
  • 著者名/発表者名: 出貝信悟、李沢謙介、吉田昭太郎、西澤松彦
  • 学会等名: 第28回日本MRS年次大会
• [学会発表] 生体親和性ソフトウェット電極システムの創出 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西澤松彦
  • 学会等名: 高分子東北支部講演会
  • 招待講演
• [図書] 酵素トランスデューサーと酵素技術展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西澤松彦（監修 三林浩二）
  • 総ページ数: 300
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 4781314880
• [産業財産権] 吸水体及びこれを用いた通電パッチ (2020)
  • 発明者名: 西澤松彦、吉田昭太郎、小松原椋
  • 権利者名: 西澤松彦、吉田昭太郎、小松原椋
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-012024
  • 出願年月日: 2020