カーボンナノチューブを利用した生体内発電素子の開発

• 研究課題/領域番号: 23700568
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 医用生体工学・生体材料学
• 研究機関: 独立行政法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 都 英次郎 独立行政法人産業技術総合研究所, 健康工学研究部門, 主任研究員 (70443231)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2013
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2012年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2011年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
• キーワード: 生体機能材料 / カーボンナノチューブ / 体内発電 / 熱電変換 / 光発熱特性 / レーザー / 生体適合材料 / 高分子 / 動物実験

研究概要

本研究では、生体内で光熱発電が可能なカーボンナノチューブ(CNT)を搭載した熱電変換素子の開発を行った。具体的には以下の通りである。まず、コア技術となる CNT -生体適合性ポリマー[シリコーン樹脂:ポリジメチルシロキサン(PDMS)]複合体の開発を行った。このとき CNT を PDMS へ高濃度・均一分散化させるために、導電性ポリマー(ポリ 3-ヘキシルチオフェン:P3HT)を利用した CNT のナノ表面改質を行った。各種分光光度計 (紫外・可視分光、ラマン分光)、光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡による評価の結果、P3HT -CNT 複合体は PDMS 中で極めて高い分散性を示すことがわかった。また、コントロール実験として、その他のカーボン材料(表面未改質 CNT、フラーレン、グラファイト)、種類の異なる CNT(単層 CNT および多層 CNT)の PDMS への複合化を行った。次に、当該複合体を表面にコーティングした熱電変換素子の開発を行った。上記 CNT -PDMS 複合体をビスマス-テルル系の小型熱電変換素子表面にコーティングし、目的の光熱発電モジュールを作製した。作製したモジュールに近赤外レーザーを照射し最大起電力を求めた。また、モジュールのサイズや各レーザー出力を検討することで最大起電力が得られる最適条件を決定した。次に、本光熱発電モジュールをラット体内に埋め込み、レーザー照射に伴う体内での発電効果を検討した。具体的には、作成した光熱発電モジュールをラット(Wister 系統)背面皮下に埋没させ、近赤外レーザーを照射することで生体内での発電効果を検証した。さらに、解剖学的手法による本光熱発電モジュールの生体適合性評価を実施した。

研究成果

• [雑誌論文] Carbon nanotube-liposome supramolecular nanotrains for intelligent molecular-transport systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Eijiro Miyako
  • 雑誌名: Nature communications 巻: 3 号: 1 ページ: 1226-1226
  • DOI: 10.1038/ncomms2233
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photothermic regulation of gene expression triggered by laser-induced carbon nanohorns (2012)
  • 著者名/発表者名: Eijiro Miyako*, Tomonori Deguchi, Yoshihiro Nakajima, Masako Yudasaka, Yoshihisa Hagihara, Masanori Horie,Mototada Shichiri, Yuriko Higuchi, Fumiyoshi Yamashita, Mitsuru Hashida, Yasushi Shigeri, Yasukazu Yoshida, Sumio Iijima
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci 巻: 109 ページ: 7523-7528
• [雑誌論文] Photothermic regulation of gene expression triggered by laser-induced carbon nanohorns (2012)
  • 著者名/発表者名: Eijiro Miyako
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 109 号: 19 ページ: 7523-7528
  • DOI: 10.1073/pnas.1204391109
  • 査読あり
• [雑誌論文] A photo-thermal-electrical converter based on carbon nanotubes for bioelectronic applications (2011)
  • 著者名/発表者名: Eijiro Miyako*, Chie Hosokawa, Masami Kojima, Masako Yudasaka, Ryoji Funahashi,Isao Oishi, Yoshihisa Hagihara, Mototada Shichiri, Mizuki Takashima, Keiko Nishio, Yasukazu Yoshida
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 50 ページ: 12266-12266
• [雑誌論文] A photo-thermal-electrical converter (2011)
  • 著者名/発表者名: E. Miyako et al.
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 50 号: 51 ページ: 12266-12270
  • DOI: 10.1002/anie.201106136
  • 査読あり
• [学会発表] Photothermic regulation of gene expression triggered by laser-induced carbon nanohorns (2012)
  • 著者名/発表者名: Eijiro Miyako
  • 学会等名: The 2nd symposium on Carbon Nanoforms
  • 発表場所: AIST Tsukuba center (Tsukuba)
  • 年月日: 2012-07-09
• [学会発表] 光で発熱する機能性カーボンナノチューブ-高分子複合材料の創製 (2012)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 学会等名: 日本化学会第92 春季年会(2012)
  • 発表場所: 慶應義塾大学日吉キャンパス・矢上キャンパス(横浜市)
  • 年月日: 2012-03-26
• [学会発表] 革新的ナノバイオシステム構築のための機能性ナノカーボン高分子複合材料の開発 (2012)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 学会等名: 高分子同友会
  • 発表場所: 公益社団法人高分子学会 高分子同友会(東京都)
  • 年月日: 2012-02-13
• [学会発表] 光で発熱する機能性カーボンナノチューブ-高分子複合材料の創製 (2012)
  • 著者名/発表者名: 都 英次郎
  • 学会等名: 日本化学会第92春季年会(招待講演)
  • 発表場所: 神奈川県(慶應義塾大学矢上キャンパス）
• [学会発表] 光で発熱する機能化ナノカーボン高分子複合材料の開発 (2011)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 学会等名: 第57回高分子研究発表会
  • 発表場所: 兵庫県民会館(神戸市)
  • 年月日: 2011-07-15
• [学会発表] 抗微生物剤としての光発熱カーボンナノホーン-ポリマー複合材料の開発 (2011)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 学会等名: 第60回高分子年次大会
  • 発表場所: 大阪国際会議場(大阪市)
  • 年月日: 2011-05-25
• [図書] 光を熱に!カーボンナノホーンを巧みに使う 抗微生物剤開発から遺伝子の発現制御へ- (2012)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 出版者: 現代化学
• [図書] 光を熱に！カーボンナノホーンを巧みに使う ―抗微生物剤開発から遺伝子の発現制御へ― (2012)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 総ページ数: 5
  • 出版者: 現代化学
• [図書] 光で発熱する機能化ナノカーボン複合材料の開発 (2011)
  • 著者名/発表者名: 都英次郎
  • 総ページ数: 891
  • 出版者: 化学と工業
• [備考] 雑誌論文(1)に関して:・産業技術総合研究所プレスリリース
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20121128/pr20121128.html
• [備考] Nature Japan 注目の論 文
  • URL: http://www.natureasia.com/ja-jp/ncomms/abstracts/41063
• [備考] 日経産業新聞2012年12月7日10面
• [備考] WEB日経バイオテク2012年11月29日
• [備考] 化学工業日報2012年11月29日朝刊5面(WEB化学工業日報(2012.11.29))
• [備考] WEB日経プレスリリース(2012.11.28)
• [備考] WEBマイナビニュース(2012.11.28)
• [備考] 日刊工業新聞2012年11月28日朝刊27面(WEB日刊工業新聞(2012.11.28))
• [備考] 産業技術総合研究所プレスリリース
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120424_2/pr20120424_2.html
• [備考] 読売新聞(大阪)2012年6月4日19面
• [備考] 朝日新聞(大阪)2012年4月26日28面
• [備考] 化学工業日報2012年4月26日13面
• [備考] 日本経済新聞2012年4月25日7面
• [備考] WEB日本経済新聞(2012.4.24)
• [備考] WEBマイナビニュース(2012.4.24)
• [備考] 産業技術総合研究所プレスリリース
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/pr20111027/pr20111027.html
• [備考] Angew. Chem. Int. Ed. プレスリリース
  • URL: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-3773/homepage/press/201147press.html
• [備考] Nature (London) Research Highlights
  • URL: http://www.nature.com/nature/journal/v480/n7377/full/480295a.html
• [備考] Nanowerk Spotlight
  • URL: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=23793.php
• [備考] 毎日新聞2011年10月31日13版2面
• [備考] 電波新聞2011年11月1日
• [備考] 日刊工業新聞2011年11月8日14版23面
• [備考] 科学新聞2011年11月11日4面
• [備考] 朝日新聞2011年11月24日13版29面
• [備考] 日経産業新聞2011年11月30日7面
• [備考] 産業技術総合研究所プレスリリース
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20121128/pr20121128.html
• [備考] 産業技術総合研究所プレスリリース
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2012/pr20120424_2/pr20120424_2.html
• [備考] Nature Japan注目の論文
  • URL: http://www.natureasia.com/ja-jp/ncomms/abstracts/41063
• [備考]
  • URL: http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/pr20111027/pr20111027.html
• [産業財産権] ナノ粒子の構造・機能制御法 (2012)
  • 発明者名: 都英次郎
  • 権利者名: 産業技術総合研究所
  • 産業財産権番号: 2012-034435
  • 出願年月日: 2012-02-20
• [産業財産権] ナノ粒子を利用した遺伝子発現調節法 (2011)
  • 発明者名: 都英次郎、出口友則、弓場俊輔、中島芳浩、萩原義久、七里元督
  • 権利者名: 産業技術総合研究所
  • 産業財産権番号: 2011-234286
  • 出願年月日: 2011-10-25
• [産業財産権] 光熱発電素子及び該光熱発電素子を用いた光熱発電 (2011)
  • 発明者名: 都英次郎他
  • 権利者名: 産業技術総合研究所
  • 産業財産権番号: 2011-112954
  • 出願年月日: 2011
• [産業財産権] 光熱発電素子及び該光熱発電素子を用いた光熱発電方法 (2010)
  • 発明者名: 都英次郎、細川千絵、小島正己、湯田坂雅子、舟橋良次、大石勲、萩原義久、七里元督、高島瑞紀、吉田康一
  • 権利者名: 産業技術総合研究所
  • 産業財産権番号: 2010-250781
  • 出願年月日: 2010-11-09