バイオ応用を目指した多機能ナノカーボン材料の開発

2009 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21791929
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 阿部 薫明 北海道大学, 大学院・歯学研究科, 助教 (40374566)
• キーワード: 歯科用材料・歯科理工学 / カーボンナノチューブ / フラーレン / 体内動態

研究概要

本研究では、フラーレンやカーボンナノチューブ(以下、CNT)などの炭素系ナノ微粒子(ナノカーボン)のバイオ応用の可能性を検討する為に、まずナノカーボンの親水化処理、その体内動態の可視化を試みた。
CNTのバイオ応用への第一段階として、コハク酸過酸化物との反応によりCNT表面に多数のカルボン酸を提示させること、及びその定量に成功した。反応条件の検討から、最適条件では10wt%のカルボキシル基の導入に成功した。この化学修飾により、生体への投与の為の目標としていた、数百ppmの濃度での分散も可能となり、数週間に渡り沈殿を生じずに水中へと分散することに成功した。得られたCNT誘導体をマウスへと投与し経過観察を行った(最大4週間)ところ、状態観察・体重推移などから対照群との顕著な差異は見られなかった。投与後一週間のマウスから肺・肝臓を摘出し、透過型電子顕微鏡を用い観察したところ、各臓器へのCNT誘導体の到達・滞留が確認され、投与物質が血流に乗り各臓器へと到達している事が示唆された。また、CNTの蓄積が見られた臓器(肝臓)由来の細胞を用いて、刺激性の評価を行ったところ、著しい刺激応答は観察されなかった。今回行った細胞試験・動物実験などの結果からは、CNT誘導体の生体への顕著な毒性は見られなかった。
またCNTなどナノカーボンを生体へと応用する基礎検討として、水分子とグラフェンシートとの相互作用を分子軌道計算により評価した。グラフェン上に設置した水分子はシート上を拡散し、素早くシート末端へと移動したのち、末端の水素原子との相互作用により一時的に捕捉された後、グラフェン面から遊離する事が示された。またその捕捉様式には2種類の構造が存在する事も示された。

研究成果

• [雑誌論文] Interaction of water molecules with graphene : A Density Functional Theory and Molecular Dynamics study (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Yoshinori Nagoya, Fumio Watari, Hiroto Tachikawa
  • 雑誌名: Japanese J.Applied.Physics 49 ページ: 01AH071-01AH074
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Direct ab-initio MD study on the interaction of hydroperoxy radical(HOO)with Water Molecules (2010)
  • 著者名/発表者名: Hiroto Tachikawa, Shigeaki Abe
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 9 ページ: 3904-3909
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure and electronic states of water molecules on nanocarbon materials : A Density Functional Theory study (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Yoshinori Nagoya, Fumio Watari, Hiroto Tachikawa
  • 雑誌名: Japanese J.Applied.Physics (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Internal distribution of micro-/nano-sized ceramics and metals particles in mice (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Ikuhiro Kida, Mitsue Esaki, Nobuki Iwadera, Mami Mutoh, Chika Koyama, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Manabu Morita, Yoshinori Sato, Koichi Haneda, Tetsu Yonezawa, Balachan dran Jeyadevan, Kazuyuki Tohji, Fumio Watari
  • 雑誌名: J.Ceramic Society of Japan (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photophysical characterization of coumarin-doped poly(lactic acid)microparticles and visualization of the biodistribution (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Takayuki Kiba, Kiyotada Hosokawa, Satoru Nitobe, Takashi Hirota, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Shin-Ichiro Sato, Fumio Watari, Iosif D.Rosca
  • 雑誌名: J.Electron Spectroscopy and Related Phenomena (in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Carbon Nanotubes Chromatography separated Albumin from other Serum Proteins : A Method of direct analysis of other interactions (2010)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Kuboki, Takamitsu Koshikawa, Hiroko Takita, Ryuichi Fujisawa, Min-ho Li, Shigeaki Abe, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Fumio Watari, Rachel L.Sammons
  • 雑誌名: Dental Mater.J. 9(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Osteoblastic cellular responses to aluminosilicate nanotubes, imogolite using Saos-2 and MC3T3-E1 cells (2010)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Ishikawa, Shigeaki Abe, Yasutaka Yawaka, Masaya Suzuki, Fumio Watari
  • 雑誌名: J.Ceramic Society of Japan 9(in press)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-dependence and visualization of TiO_2 and Pt particle biodistribution in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Chika Koyama, Motohiro Uo, Tsukasa Akasaka, Yoshinobu Kuboki, Fumio Watari
  • 雑誌名: J.Nanoscience Nanotechnology 9 ページ: 4988-4991
  • 査読あり
• [雑誌論文] Internal distribution of several inorganic microparticles in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Chika Koyama, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Fumio Watari
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 396-398 ページ: 539-542
  • 査読あり
• [雑誌論文] A DFT and MD study on the interaction of carbon nano-materials with metal ions (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Fumio Watari, Tomoya Takada, Hiroto Tachikawa
  • 雑誌名: Molecular Crystals and Liquid Crystals 505 ページ: 289-296
  • 査読あり
• [雑誌論文] Controlled calcification using polyanionic macromolecules with an active reaction center analogue of carbonic anhydrase (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Tomoki Ishida, Emi Yamatoya, Daisuke Hayashi, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Fumio Watari, Tomoya Takada
  • 雑誌名: Nano Biomedicine 1 ページ: 51-58
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of Biodistribution of Indium-Tin Oxide Nanoparticles in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Tetsu Yonezawa, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Fumio Uchida, Fumio Watari
  • 雑誌名: Nano Biomedicine 1 ページ: 70-74
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biodistribution imaging of magnetic nanoparticles in mice compared with X-ray scanning analytical microscopy and Magnetic Resonance imaging (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Ikuhiro Kida, Mitsue Esaki, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Sato, Balachandran Jeyadevan, Yoshinori Kuboki, Manabu Morita, Kazuyuki Tohji, Fumio Watari
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 19 ページ: 213-220
  • 査読あり
• [雑誌論文] In vivo internal diffusion of several inorganic microparticles through an oral administration (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Chika Koyama, Mitsue Esaki, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Manabu Morita, Fumio Watari
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 19 ページ: 221-229
  • 査読あり
• [雑誌論文] Synthesis and characterization of a water soluble multi-walled carbon nanotube and its biodistribution in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Daisuke Hayashi, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Fumio Watari, Tomoya Takada
  • 雑誌名: Nano Biomedicine 1 ページ: 143-150
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a multiwalled carbon nanotube coated collagen dish (2009)
  • 著者名/発表者名: Michiko Terada, Shigeaki Abe, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshimasa Kitagawa, Fumio Watari
  • 雑誌名: Dental Materials J. 28 ページ: 82-88
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of invasion into the body and internal diffusion of nanoparticles (2009)
  • 著者名/発表者名: Fumio Watari, Shigeaki Abe, Iosif.D.Rosca, Atsuro Yokoyama, Motohiro Uo, Tsukasa Akasaka, Noriyuki. Takashi, Yasunori Totsuka, Eri.Hirata, Makoto Matsuoka, Kosuke. Ishikawa, Sachiko. Itoh, Yasutaka. Yawaka
  • 雑誌名: Key Engineering Materials 396-398 ページ: 569-572
  • 査読あり
• [雑誌論文] Maturation of osteoblast-like SaoS2 induced by carbon nanotubes (2009)
  • 著者名/発表者名: Xiaoming Li, Hong Gao, Motohiro Uo, Yoshinori Sato, Tsukasa Akasaka, Shigeaki Abe, Qingling Feng, Fuzhai Cui, Fumio Watari
  • 雑誌名: Biomedical Materials 4 ページ: 15005-15012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Material nanosizing effect on living organisms : non-specific, biointeractive, physical size effects (2009)
  • 著者名/発表者名: Fumio Watari, Noriyuki Takashi, Atsuro Yokoyama, Motohiro Uo, Tsukasa Akasaka, Yoshinori Sato, Shigeaki Abe, Yoshinori Totsuka, Kazuyuki Tohji
  • 雑誌名: J.Royal Society Interface 6 ページ: S371-S388
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction of collagen triple-helix with carbon nanotubes : Geometric property of rod-like molecules (2009)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Kuboki, Michiko Terada, Yoshimasa Kitagawa, Shigeaki Abe, Motohiro Uo, Fumio Watari
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 19 ページ: 3-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiwalled carbon nanotube coating on titanium (2009)
  • 著者名/発表者名: Michiko Terada, Shigeaki Abe, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshimasa Kitagawa, Fumio Watari
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 19 ページ: 45-52
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adhesion of human osteoblast-like cells(Saos-2)to carbon nanotube sheets (2009)
  • 著者名/発表者名: Tsukasa Akasaka, Atsuro Yokoyama, Makoto Matsuoka, Takeshi Hashimoto, Shigeaki Abe, Motohiro Uo, Fumio Watari
  • 雑誌名: Bio-Medical Materials and Engineering 19 ページ: 147-153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical properties of alminosilicate nanotubes, Imogolite, as scaffold and effect on osteoblastic mineralization (2009)
  • 著者名/発表者名: Kosuke Ishikawa, Tsukasa Akasaka, Yoshinobu Nodasaka, Natsumi Ushijima, Masayuki Kaga, Shigeaki Abe, Motohiro Uo, Yasutaka Yawaka, Masaya Suzuki, Fumio Watari
  • 雑誌名: Nano Biomedicine 9 ページ: 109-120
  • 査読あり
• [学会発表] 各種マイクロ・ナノ粒子の体内動態の可視化と生体への影響 (2010)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、岩寺信喜、伊藤佐智子、大口郁子、赤坂司、宇尾基弘、久保木芳徳、亘理文夫、林大輔、高田知哉、米澤徹
  • 学会等名: 第2回ナノ・バイオメディカル学会
  • 発表場所: 大阪大学, 吹田
  • 年月日: 2010-02-22
• [学会発表] ナノカーボン表面からの水分子の蒸発メカニズム (2010)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、亘理文夫、田地川浩人
  • 学会等名: 北海道支部2010年冬季研究発表会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2010-01-27
• [学会発表] 有機マイクロ/ナノ粒子の体内循環挙動の追跡 (2010)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、林大輔、伊藤佐智子、大口郁子、赤坂司、宇尾基弘、亘理文夫、高田知哉
  • 学会等名: 第23回代用臓器・再生医学研究会
  • 発表場所: 北海道大学, 札幌
  • 年月日: 2010-01-23
• [学会発表] Controlled mineralization using biomimetic macromolecule with an active reaction center analogue of Carbonic Anhydrase (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Emi Yamatoya, Tomoki Ishida, Daisuke Hayashi, Ikuko Ohguchi, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Fumio Watari, Tomoya Takada
  • 学会等名: 6^<th> Singapore International Chemical Conference
  • 発表場所: Singapore(Singapore)
  • 年月日: 2009-12-16
• [学会発表] Internal distribution of several nano-magnetic particles in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Ikuhiro Kida, M.Esaki, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Manabu Morita, Koichi Haneda, Balachandran Jeyadevan, Yoshinori Sato, Kazuyuki Tohji, Fumio Watari
  • 学会等名: 9^<th> Asian BioCeramics Symposium(ABC2009)
  • 発表場所: Nagoya Congress Center, Nagoya
  • 年月日: 2009-12-09
• [学会発表] Evaporation dinamics of water molecules on nanocarbon materials : A DFT and MD study (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Yoshinori Nagoya, Fumio Watari, Hiroto Tachikawa
  • 学会等名: 22^<nd> International symposium of Microprocesses and Nanotechnology
  • 発表場所: Sheraton Hotel, Sapporo
  • 年月日: 2009-11-19
• [学会発表] 各種マイクロ・ナノ粒子の生体内での分布状態の追跡とその可視化 (2009)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、岩寺信喜、武藤麻未、林大輔、大口郁子、赤坂司、宇尾基弘、亘理文夫、高田知哉、米澤徹
  • 学会等名: 第30回日本バイオマテリアル学会
  • 発表場所: 京都テルサ, 京都
  • 年月日: 2009-11-17
• [学会発表] Observation of internal distribution of micro/nano-sized ceramics and metals particles in mice (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Nobuki Iwadera, Mami Mutoh, Chika Koyama, Mitsue Esaki, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Manabu Morita, Yoshinori Kuboki, Koichi Haneda, Yasutaka Yawaka, Fumio Uchida, Tetsu Yonezawa, Fumio Watari
  • 学会等名: 22^<nd> International Symposium on Ceramics in Medicine(Bioceramics22)
  • 発表場所: Daegu(South Korea)
  • 年月日: 2009-10-28
• [学会発表] A Photophysical characterization of cumarin doped poly(lactic acid)micro particles and its fabrication for bioimaging (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Iosif D.Rosca, Takayuki Kiba, Kiyotada Hosokawa, Hirohisa Kobayashi, Satoru Nitobe, Takashi Hirota, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Shin-Ichiro Sato, Fumio Watari
  • 学会等名: 11^<th> International Conference on Electronic Spectroscopy and Surface
  • 発表場所: Nara Prefectural New Public Hall, Nara
  • 年月日: 2009-10-06
• [学会発表] 亜鉛-イミダゾール錯体を持つ酵素モデル化合物による石灰化反応の制御 (2009)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、林大輔、大和谷恵実、石田智毅、赤坂司、宇尾基弘、亘理文夫、高田知哉
  • 学会等名: 第59回錯体化学討論会
  • 発表場所: 長崎大学, 長崎
  • 年月日: 2009-09-26
• [学会発表] グラフェン-水相互作用に関する理論的研究 (2009)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、亘理文夫、田地川浩人
  • 学会等名: 平成21年度第3回分子科学討論会
  • 発表場所: 名古屋大学, 名古屋
  • 年月日: 2009-09-23
• [学会発表] A DFT and MD study on the interaction of nanocarbon materials with water molecules (2009)
  • 著者名/発表者名: Shigeaki Abe, Yoshinori Nagoya, Fumio Watari, Hiroto Tachikawa
  • 学会等名: 4^<th> International Conference on Polymer Batteries and Fuel Cells
  • 発表場所: Yokohama Symposia, Yokohama
  • 年月日: 2009-08-03
• [学会発表] Reaction dynamics of chlorofluorocarbon on ice : A dynamics DFT study (2009)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明, 亘理文夫, 田地川浩人
  • 学会等名: 第22回化学反応討論会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー, 大宮
  • 年月日: 2009-06-01
• [学会発表] 大気中でのオゾン-水クラスターについての理論的研究 (2009)
  • 著者名/発表者名: 阿部薫明、赤坂司、宇尾基弘、亘理文夫、田地川浩人
  • 学会等名: 平成21年度春期第53回日本歯科理工学会学術講演会
  • 発表場所: タワーホール船堀, 東京
  • 年月日: 2009-04-11
• [図書] 『ナノ材料のリスク評価と安全性対策』第4章4「XSAMによるナノ粒子体内動態の可視化」 (2010)
  • 著者名/発表者名: 亘理文夫(編集), 阿部薫明(分担執筆)
  • 出版者: フロンティア出版(in press)