| 研究課題/領域番号 |
15K04711
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
畠山 力三 東北大学, 工学研究科, 名誉教授 (00108474)
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| 研究分担者 |
京相 雅樹 東京都市大学, 工学部, 准教授 (20277825)
平田 孝道 東京都市大学, 工学部, 教授 (80260420)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | プラズマ応用 / 生体内発電 / ナノバイオ・医療 / ナノ材料 / ナノカーボン |
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| 研究実績の概要 |
(1) P-SWNT/n-Si及びCs, DNA等の部分内包SWNT薄膜のFET配位における太陽電池出力特性の測定と光電変換最適条件の探究を行った. 前者においては, 出力の入射光エネルギー（波長）依存性を詳細に測定することにより, SWNTのバンドギャップに密接に関係した値の入射エネルギーで発電効率が最大値に達することが分かった. 後者に関するCs部分内包SWNT薄膜FETにおいて大気暴露, 純粋浸漬, 高温アニールに対する安定動作を観測した. また, 高出力電流対応のpn接合を形成する場合には, Csイオンの最適エネルギーと照射時間は20-60 eVと20分であることを確認した.
(2) 一方, 生体内発電効率の測定のために, 先ず麻酔下のラットの皮下にSi球状太陽電池を埋め込み, 600-1200nm の光を体外から照射した. 抵抗負荷時のI-V特性を測定し最大発電電力を求めた結果, 波長と発電電力の関係が明らかになった. また埋め込み後，日数を経ると発電電力が減少したが，これは体内組織の変化に起因していると考えている. 実際, ラットの皮下組織とデバイスの間にはコラーゲン繊維性結合組織膜が形成されて, 体液が溜まっているのが確認された. さらに, 炎症反応の有無を確認するために血液中白血球値の測定を行った結果, 炎症反応の初期段階であることが判明した.
(3) 生体への大気圧プラズマ照射は, 光透過度増進と埋め込み部位の創傷治療等の複数の効果を期待できるが, 上記(2)の組織変化が判明したので後者に関する実験を優先した. 最初にラットの背面に人為的に熱傷部位を形成し, それに対して1日1回プラズマ照射を30日間に亘って行った. 観察開始21日経過後には, プラズマ照射を行った創傷部は瘡蓋も殆どが剥離し,その下に新たな表皮が再生し熱湯治癒促進が観察された.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(1) 本年度の課題は, p-SWNT/n-SiとCs等の部分内包SWNT薄膜のFET配位における太陽電池出力特性の測定及び光電変換最適条件の探究であったが, 前者において最大発電出力を与える光入射波長を, 及び後者においてCsイオンのSWNT薄膜への照射最適エネルギーと時間を明らかにしたことは大きな前進である. また, 生体外において, Cs部分内包SWNT薄膜FETの純水浸漬等の環境下での安定動作を確認したことは, 生体内に埋め込んだ場合に対する重要な成果であると言える.
(2) 体内埋め込み各種太陽電池の生体内発電効率の測定が本年度の課題であったが, SWNTを用いる太陽電池においては酸化膜生成，電極形成に必要な装置を別々の研究組織が保有しているため調整等に時間を要したので, これと並行してSi球状太陽電池を埋め込んだ実験を徹底して遂行した. その結果, SWNT太陽電池埋め込み実験への有用なデータとなる,可視から近赤外域に亘る光波長と太陽電池発電電力の関係が明らかとなった. また, この埋め込み実験において発電電力低下の経時変化が観測されたが, この原因となる生体組織変化に関して, ラットの体動に起因したデバイスの“ずれ”によって空洞が形成されて体液が溜まったものと推定したことは今後の対策構築にとって大きな成果である.
(3) 本年度から本格的に開始の課題はラット皮膚への大気圧プラズマ照射実験であったが, (2)において炎症反応等を含む生体組織変化が観測されたので, 第一優先に考えていた光透過度を考慮した生体内太陽電池の発電特性への効果よりも, デバイス埋め込みの場合に最重要である埋め込み部位の創傷治癒への効果に関する実験を優先させた. その結果観測されたプラズマ照射による熱湯治癒促進効果は, 今後の各種太陽電池埋め込み実験に向けての極めて重要な成果である.
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| 今後の研究の推進方策 |
(1) 生体外での実験においては, 本年度に引き続いて, 本研究の基盤となるSWNTを用いる太陽電池配位下の発電効率の向上に関して, Si界面上の自然酸化膜形成防止とその除去のためのプロセスやドーピング手法を開発すると共に, SWNT発電層のシート抵抗と電極との接触抵抗を格段に低減するために, SWNTとグラフェンのハイブリッド活用法を開発する. さらに, 生体内発電機能性グラフェンの拡散プラズマCVD合成と革新的フレキシブル生体内発電素子創成における二次元層状物質の活用法の検討を行う.
(2) Si球状太陽電池をラットに埋め込んだ実験において観測された発電電力低下の経時変化の主要因の一つと考えている, ラットの体動に起因したデバイス（太陽電池）の“ずれ”を制御する方策を講じる. また, 特定の波長領域の光強度が計測の過程で激しく減衰する及び深部埋め込み時に特性計測が困難になるという現象が発生したので，初年度に購入済みの波長域600-2500 nmの光源の光量増強を図る. さらに, 埋め込みデバイスへの血液等の浸透防止のために, PMMAやパラリン膜を含めて赤外光領域でも光透過性を維持できる保護膜を検討・探索する.
(3) 観測された創傷治癒機構に関しては, プラズマ照射による火傷患部の殺菌・滅菌により治癒が促進されるのではなく, プラズマ源から発生したイオン種及びラジカル種, 並びに大気由来の副生成物による電気化学的刺激を含む組織表面反応が成長因子を活性化して血管新生を促進し, 熱傷の治癒を促進させているものと考えている. 従って, この機構を実証するために, 及び大気圧プラズマ照射による生体内光透過増強機構を解明するため, 生体高分子, 組織・細胞等の振動・揺らぎ, 微細形状変化等の観測・測定を行う.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
実験遂行手順に効率的な工夫を施したので, 消耗品の使用が当初予定より少ない額で済んだことによる.
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| 次年度使用額の使用計画 |
最終年度に当たるので, 綿密な研究打ち合わせや研究発表の旅費、及び精密な実験遂行のための消耗品に充当する予定である.
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