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超フレキシブル有機圧電型発電/拍動検知デバイス開発と生体内駆動の検証

研究課題

研究課題/領域番号 21H04655
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29:応用物理物性およびその関連分野
研究機関九州大学 (2022-2023)
神戸大学 (2021)

研究代表者

石田 謙司  九州大学, 工学研究院, 教授 (20303860)

研究分担者 北村 雅季  神戸大学, 工学研究科, 教授 (10345142)
高嶋 一登  九州工業大学, 大学院生命体工学研究科, 准教授 (30435656)
堀家 匠平  神戸大学, 工学研究科, 准教授 (00809486)
小柴 康子  神戸大学, 工学研究科, 助手 (70243326)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)
2023年度: 9,490千円 (直接経費: 7,300千円、間接経費: 2,190千円)
2022年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
2021年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円)
キーワード心臓拍動 / 有機圧電薄膜 / 生体適合性 / インプランタブルデバイス / 動物実験 / 心臓発電 / マイクロポンプ / 有機圧電膜 / 超フレキシブル / 拍動センシング / インプランタブル / フレキシブル / フレキシブル圧電薄膜 / 心筋力 / センシング / 有機強誘電体 / 拍動検知
研究開始時の研究の概要

生体内で常時、変形/変位が発生する臓器として「心臓」に注目し、心臓拍動による生体内発電を目指す。その実現に必要なポテンシャル素材として有機強誘電体を選択し、そのナノ構造制御により、超柔軟性と圧電特性を両立させていく。また微細加工技術を用いて心臓モデルの複数箇所における発電/拍動パターン検出を行い、生体内での高効率発電と発電電力を使った病理・拍動情報の無線送信の可能性を検証する。

研究成果の概要

フレキシブル有機圧電センサーを用いて、心臓拍動センシングと心臓発電に関する基礎研究を行った。3D心臓モデルの収縮/拡張という物理的な動きの直接信号化、心臓の筋力指標となりうる応力検知、疑似生体内環境下での動作確認などを検証した。加えて生体適合素材ある気相重合パリレンCにて全面被覆した有機圧電素子を試作し、マウスを用いた動物実験に取り組んだ。マウス心臓の収縮時に負、弛緩時に正の圧電電圧出力が得られ、かつマウス心臓の心拍数にほぼ一致した圧電出力波形が得られた。マウス心臓拍動由来の電力算出を行った所、約0.1pWオーダーのエネルギー創出が観測され、生体内発電の可能性を示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生体内に埋め込み、係留した医療用センサーによって病理情報を取得したり、薬剤を自動投薬する医療機器の研究開発が急速に進んでいる。これら機器は "インプランタブルデバイス"と呼ばれ、生体機能の一部をサポートし、患者の病状回復や病態管理する次世代医療工学技術として注目されている。これら生体内センサー/医療機器には幾つかの技術的課題が存在するが、重要課題の1つが生体内での電源確保である。本研究では当該問題の解決のため、超柔軟で毒性のない有機圧電体膜を、体内で常時動いている心臓に係留し、心臓拍動による生体内型発電と心臓心拍モニタリングに取り組み、マウスを用いた動物実験を通してその可能性を示した。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (48件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 13件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件) 図書 (2件)

  • [雑誌論文] Electrochemical charge-carrier modulation of carbon nanotubes using ionic liquids derived from organic superbases for stable thermoelectric materials2024

    • 著者名/発表者名
      Nishinaka Mayuko、Harada Ikuyo、Akaike Kouki、Wei Qingshuo、Koshiba Yasuko、Horike Shohei、Ishida Kenji
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 218 ページ: 118667-118667

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2023.118667

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Complex chemistry of carbon nanotubes toward efficient and stable p-type doping2024

    • 著者名/発表者名
      Kawasaki Kaho、Harada Ikuyo、Akaike Kouki、Wei Qingshuo、Koshiba Yasuko、Horike Shohei、Ishida Kenji
    • 雑誌名

      Communications Materials

      巻: 5 号: 1 ページ: 21-21

    • DOI

      10.1038/s43246-024-00460-0

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Contribution of the Seebeck effect to liquid-flow-induced voltage generation in carbon nanotubes2024

    • 著者名/発表者名
      Shohei Horike, Kaho Kawasaki, Mayuko Nishinaka, Qingshuo Wei, Yasuko Koshiba and Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Materials Today Physics

      巻: 41 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1016/j.mtphys.2024.101337

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] フレキシブル有機圧電センサによる心臓拍動検出と心臓発電2023

    • 著者名/発表者名
      石田謙司
    • 巻
      J106-C
    • 号
      12
    • ページ
      408-414
    • DOI

      10.14923/transelej.2023JCI0003

    • ISSN
      1881-0217
    • 年月日
      2023-12-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] P(VDF/TrFE) Thin Film Piezoelectric Actuators Sealed Parylene C for Medical Micropumps2023

    • 著者名/発表者名
      Keigo Shikata, Yasuko Koshiba, Shohei Horike, and Kenji Ishida
    • 雑誌名

      physica status solidi (a)

      巻: 220 号: 24

    • DOI

      10.1002/pssa.202300250

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication and Local Electrical Characterization of p-n Junction Copper Phthalocyanine Nanorods2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuko Koshiba, Iori Sugimoto, Shohei Horike, Tatsuya Fukushima, Kenji Ishida
    • 雑誌名

      physica status solidi (a)

      巻: 220 号: 24

    • DOI

      10.1002/pssa.202300243

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multipoint detection of structural deformation of pulsating 3D heart model using flexible organic piezoelectric-sensor array2022

    • 著者名/発表者名
      Nagayama Yusaku, Kondo Yuya, Koshiba Yasuko, Horike Shohei, Takashima Kazuto, Ishida Kenji
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: SE ページ: SE1014-SE1014

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac5a04

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dipole switching dynamics in P(VDF-TrFE) film revealed by in-situ polarization switching and infrared spectroscopy measurements with high-time resolution2022

    • 著者名/発表者名
      Kohki Uneda, Shohei Horike, Yasuko Koshiba, Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 249 ページ: 124822-124822

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2022.124822

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Bicyclic-ring base doping induces n-type conduction in carbon nanotubes with outstanding thermal stability in air2022

    • 著者名/発表者名
      Shohei Horike, Qingshuo Wei, Kouki Akaike, Kazuhiro Kirihara, Masakazu Mukaida, Yasuko Koshiba & Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41467-022-31179-6

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Normal alkane evaporation under vacuum: chain-length dependency and distillation from binary systems2022

    • 著者名/発表者名
      Daiki Takahashi, Shohei Horike, Yasuko Koshiba and Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 61 号: 8 ページ: 086507-086507

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac7623

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Broadband absorption and light-energy transfer in a phenyl-core thiophene dendrimer with multiple π-conjugations2022

    • 著者名/発表者名
      Mizuho Yamagishi, Shohei Horike, Yasuko Koshiba, Atsunori Mori, Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Molecular Systems Design & Engineering

      巻: 8 号: 2 ページ: 189-194

    • DOI

      10.1039/d2me00157h

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Formation mechanism of ferroelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymers with in-plane dipole alignment under low electric field from melt and its SPR based pyroelectric sensor2021

    • 著者名/発表者名
      Yohei Sutani, Yasuko Koshiba, Tatsuya Fukushima, Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: vol. 228 ページ: 123904-123904

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.123904

    • NAID

      120007124110

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Anomalous n-type conversion of thermoelectric polarity in ionic hydrogels using PEDOT:PSS electrodes2021

    • 著者名/発表者名
      Shohei Horike, Qingshuo Wei, Kazuhiro Kirihara, Masakazu Mukaida, Yasuko Koshiba, Kenji Ishida
    • 雑誌名

      Journal of Marerials Chenistry C

      巻: vol. 9 号: 44 ページ: 15813-15819

    • DOI

      10.1039/d1tc01385h

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ジパラキシリレンの真空中での蒸発挙動に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      石田謙司, 山田萌菜美, 小柴康子, 福島達也
    • 雑誌名

      応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会誌:M&BE

      巻: Vol. 32, No. 2 ページ: 78-83

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 熱電機能を有するスーパーキャパシタの巨大熱起電力と発電応用2024

    • 著者名/発表者名
      堀家 匠平、衛 慶碩、関 和彦、小柴 康子、石田 謙司
    • 学会等名
      第71回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 医療機器用コーティングしたP(VDF/TrFE)薄膜のアクチュエーション機能2023

    • 著者名/発表者名
      紫加田京瑚, 堀家匠平, 小柴康子, 石田謙司
    • 学会等名
      第69回高分子研究発表会(神戸)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 両親媒性溶媒を用いたポリフッ化ビニリデンのスピンコート薄膜の構造変化に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      菅咲来, 小柴康子, 堀家匠平, 石田謙司
    • 学会等名
      第69回高分子研究発表会(神戸)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 電荷保持特性向上に向けた液晶ポリマーの構造制御2023

    • 著者名/発表者名
      斧原誠司, 小柴康子, 堀家匠平, 田口吉昭, 石田謙司
    • 学会等名
      第69回高分子研究発表会(神戸)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Characterization of liquid crystal polymer films prepared through gel states for electret2023

    • 著者名/発表者名
      Seiji Onohara, Yasuko Koshiba, Shohei Horike, Yoshiaki Taguchi and Kenji Ishida
    • 学会等名
      KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of liquid crystal polymer films prepared through gel states for electret2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuko Koshiba, Satoshi Atsumi, Shohei Horike, and Kenji Ishida
    • 学会等名
      KJF International Conference on Organic Materials for Electronics and Photonics 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] リンクル構造を導入した有機薄膜圧電センサの作製と評価2023

    • 著者名/発表者名
      久保 佑一郎、小柴 康子、堀家 匠平、石田 謙司
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 積層した円型 P(VDF/TrFE)薄膜素子の逆圧電特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      紫加田京瑚, 堀家匠平, 小柴康子, 石田謙司
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高沸点両親媒性溶媒を用いたPVDF薄膜の電気特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      菅咲来, 小柴康子, 堀家匠平, 石田謙司
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] カーボンナノチューブ/ポリマーコンポジットの摩擦転写による一軸配向膜の作製2023

    • 著者名/発表者名
      笹田 幹弥1、小柴 康子、堀家 匠平、石田 謙司
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フレキシブルな有機圧電フィルムを用いた心臓拍動検知と心臓発電2023

    • 著者名/発表者名
      石田謙司
    • 学会等名
      高分子学会 印刷・情報・電子用材料研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] PVDFフィルムを用いたカテーテル型触覚センサの特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      長野 聡一朗,高嶋 一登, 竹中 慎,石田 謙司
    • 学会等名
      機械学会第34回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フレキシブル有機圧電センサによる心臓拍動の多点測定と臓器応力センシング2023

    • 著者名/発表者名
      久保 佑一郎、永山 佑作、小柴 康子、堀家 匠平、高島 一登、石田 謙司
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機圧電フィルムを用いた磁界振動発電の特性評価2023

    • 著者名/発表者名
      小柴 康子、譚 帥、堀家 匠平、吉村 武、石田 謙司
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 分極パターニング CNT/P(VDF-TrFE)を利用した焦電・熱電応答の単一素子同時検出2023

    • 著者名/発表者名
      西村 友我、堀家 匠平、小柴 康子、斎藤 毅、石田 謙司
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 真空下熱重量測定を利用した直鎖状アルカンの蒸気圧測定とアルカン等量混合物の単離蒸発挙動解析2023

    • 著者名/発表者名
      高橋 大樹、堀家 匠平、小柴 康子、石田 謙司
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 医療用マイクロポンプに向けた P(VDF/TrFE)薄膜の逆圧電特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      紫加田京瑚、堀家匠平,小柴康子,石田謙司
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 高速時間分解 FT-IR を用いた P(VDF-TrFE)薄膜の誘電分極と分子配向変化の相関2022

    • 著者名/発表者名
      畦田晃希,堀家匠平,小柴康子,石田謙司
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 両親媒性溶媒を用いた PVDF 薄膜の構造制御2022

    • 著者名/発表者名
      菅咲来、堀家匠平,小柴康子,石田謙司
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機超塩基ドーピングによる大気中高温下で長期安定な n 型カーボンナノチューブの創出2022

    • 著者名/発表者名
      堀家匠平,小柴康子,石田謙司
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Reverse piezoelectric response of P(VDF/TrFE) thin films for medical micropump2022

    • 著者名/発表者名
      Keigo Shikata, Shohei Horike, Yasuko Koshiba, Kenji Ishida
    • 学会等名
      13th International Conference on Nano-Molecular Electronics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] カテーテル型触覚センサに用いるPVDFフィルムの形状の影響2022

    • 著者名/発表者名
      渡邊 啓寛、高嶋 一登、堀江聡、石田 謙司
    • 学会等名
      第33 回バイオフロンティア講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フレキシブル有機圧電薄膜を用いた心臓拍動検知 /発電デバイス創出2022

    • 著者名/発表者名
      石田謙司・堀家匠平・小柴康子
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会 電子情報通信学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 生体模倣ゴムに包埋した有機圧電薄膜デバイスの多軸応力解析2022

    • 著者名/発表者名
      田中雅人, 小柴康子, 堀家匠平, 石田謙司
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高速時間分解FT-IR/強誘電特性の同時測定による P(VDF-TrFE)薄膜の分極反転ダイナミクス評価2022

    • 著者名/発表者名
      畦田晃希,堀家匠平,小柴康子,石田謙司
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 真空下熱重量測定による鎖状アルカン蒸発挙動の鎖長依存性評価2022

    • 著者名/発表者名
      髙橋大樹,堀家匠平, 小柴康子, 石田謙司
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 一軸延伸した強誘電性高分子薄膜の分子配向と焦電特性2022

    • 著者名/発表者名
      船木康伸,小柴康子,堀家匠平,石田謙司
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] PVDFフィルムを用いたカテーテル型触覚センサの周波数特性の評価2021

    • 著者名/発表者名
      渡邊 啓寛, 高嶋 一登, 堀江 聡, 石田 謙司
    • 学会等名
      第22回 計測自動制御学会 システムインテグレーション部門講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 分極制御したフレキシブル有機強誘電体薄膜のセンサー・創エネ機能2021

    • 著者名/発表者名
      石田謙司
    • 学会等名
      日本学術振興会 将来加工技術第136委員会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機・高分子材料を用いた環境発電2021

    • 著者名/発表者名
      石田謙司
    • 学会等名
      第52回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Multipoint detection of the displacement from heartbeat using flexible organic piezoelectric sensor array2021

    • 著者名/発表者名
      Yusaku Nagayama, Yuya Kondo, Yasuko Koshiba, Shohei Horike, Kenji Ishida
    • 学会等名
      International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE)2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ジパラキシリレンの真空中での蒸発挙動に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      石田謙司, 山田萌菜美, 小柴康子, 福島達也
    • 学会等名
      応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会「時代を切り拓く有機分子・バイオエレクトロニクス研究」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] 有機半導体の開発と最新動向 第25章 赤外分光法による有機半導体高分子の光安定性評価2024

    • 著者名/発表者名
      小柴康子、福島達也、石田謙司
    • 総ページ数
      400
    • 出版者
      エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784781317632
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [図書] 環境発電ハンドブック第3編 環境発電の材料~IoT時代に向けて~ 第1章 振動発電, 3.圧電ポリマーの分子配向と多層膜化の効果2021

    • 著者名/発表者名
      石田謙司, 堀家匠平
    • 総ページ数
      528
    • 出版者
      (株)エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      9784860437480
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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