| 研究課題/領域番号 |
26630355
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| 研究機関 | 関西大学 |
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研究代表者 |
上田 正人 関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (40362660)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 生体材料 / 光化学反応 / 細胞 |
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| 研究実績の概要 |
§1 光応答する酸化物膜の合成：Ti(OC3H7)4を主原料としたゾル・ゲル法で石英基板上にTiO2膜をスピンコーティングした。NH3, Ca(OH)2中で水熱処理を施すことにより結晶性の高いTiO2, CaTiO3が合成できた。しかし，基板密着性が良好とは言えず，引き続きその改善策を探索している。可視光吸収特性を付与するため，HClに溶解したNbClを添加し，(Ti,Nb)O2膜も合成した。
§2 熱処理：ゾル・ゲル法で合成したTiO2, (Ti,Nb)O2粉末に400-800℃の熱処理を施した。X線回折により，結晶性の向上が確かめられた。熱処理直後，粉末は黄色を呈色し，可視光を吸収していることが確かめられた。
§3 合成膜の諸特性：ゾル・ゲル法でガラス上に合成したTiO2, (Ti0.95Nb0.05)O2に400℃で熱処理を施し，光吸収スペクトルを測定した。Nb添加により，360-420nm付近にも明瞭な光吸収が確認された。Ti上に化学・水熱処理で合成したTiO2の電気化学特性も調べた。180℃で水熱処理したTiO2では，400℃でポスト熱処理することにより，紫外光（UV，波長：365nm）照射下での光電流が3～4倍増加することがわかった。
§4 UV照射下TiO2上での細胞の接着・増殖：マウス由来初代骨芽細胞をTiO2上に播種し，4-72hのUV連続照射を行った。いずれも生細胞数は，暗所下の場合に比べ著しく減少した。次に最初の1h，その後は24h毎に1hずつUV断続照射を行った。4hでは，TiO2上で生細胞数の明瞭な増加が観察された。一方，72hでは,細胞数の減少が認められた。この現象は，UV照射を行ったTiで認められなかったことから，TiO2の光化学反応による接着特性の向上，ならびに増殖の抑制が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
TiO2, ATiO3膜の合成，ポスト熱処理，合成膜のキャラクタリゼーション（光学・光化学特性，表面状態）を予定していた。いずれも，ほぼ予定通り遂行できた。ATiO3膜の合成に関しては，基板密着性に問題があったため，継続して改善法を探索している。その代替として，TiサイトをNbで置換した膜の合成を進めた結果，(Ti0.95Nb0.05)O2で可視光吸収特性を確認するに至った。
当初，H26年度には予定していなかったが，マウス由来骨芽細胞の接着・増殖実験も行うことができた。この実験では，UVの連続照射に加え，断続照射も行い，予想を上回る興味深い結果が得られた。
このように，遂行した実験では，ほぼ想定した結果が得られており，さらに，H27年度に予定していた内容の一部も繰り上げて実施できたことから，研究は順調に進んでいると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
§1 可視光応答性の付与と光化学反応の鋭敏化：具体的には下記を行う。(i) ①ゾル・ゲル法，または化学処理により合成した結晶性の低いTiO2膜に対する，Nbイオン含有アルカリ溶液中での水熱処理，または，②結晶性の低い(Ti,Nb)O2に対するアルカリ溶液中での水熱処理によって，結晶性の高いn型(Ti,Nb)O2膜，A(Ti,Nb)O3膜 (A:例えば，Ca)を合成する。(ii) 上記と同様の手法で，ATiO3に不純物添加を行い，p型半導体にする。TiO2をp型化することは不可能であるが，ATiO3では，不純物のAサイト置換，Tiサイト置換が原理上可能であり，バンド構造制御の自由度が高い。光照射下で，n型半導体，p型半導体の表面近傍が正，負に帯電することを確認する。これにより，電気的チャージの制御範囲と用途範囲が格段に拡大する。(iii) 合成したATiO3の表面近傍からA元素をリーチングし，TiO2-ATiO3複合膜，すなわち半導体ヘテロ構造を構築する。これにより，表面近傍の拡散電位が増大し，光応答性を著しく鋭敏化させることができる。
§2 光照射による細胞の接着・増殖・剥離挙動の制御：合成・調整した酸化物膜上に細胞を播種し，細胞を含む培地側（上方）より光照射を行う。紫外光の場合は，断続照射，可視光の場合は，連続照射を基本とする。Ti上に合成したTiO2膜を石英ガラスで密閉した培養器も作製する。Ti側に細胞を播種し，密閉されたTiO2側にUVを下方から照射することで，光照射に由来する電気刺激のみを細胞に与える。細胞を播種し，所定の時間経過後，表面の被覆率，細胞数を測定する。複数の方法によって細胞をカウントすることで，基板上に接着した細胞数，基板から剥離し，培地中に浮遊した生細胞数をそれぞれ測定する。さらに，免疫染色を行い，細胞の形状，大きさ，接着斑数を定量的に観察・評価する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
H26年度に予定していたATiO3膜の合成において，基板密着性に関する課題が明らかとなったため，H27年度に予定していたTiO2へのNb添加に関する研究と順序を変え，研究を遂行した。これに伴い，上記Aサイトの原料となる試薬，それに使用する器具の分が予定の支出より減少した。その実施内容の軽微な変更によって，細胞を使った実験もH26年度に行うことができたので，適正な変更であったと考えている。
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| 次年度使用額の使用計画 |
上記の残された課題は，H27年度に行う。当初計画していた研究の一部はH26年度に繰り上げて行ったので，H26，H27を総合すると計画通りである。H27年度における研究費は主に，①光照射装置，②細胞関連，③半導体膜合成に使用する。具体的には，①において，照射する波長を制限するためのシャープカットフィルター，光照射装置（光吸収スペクトル測定装置を含む）の光源（Xeランプや重水素ランプ）を購入する。また，②においては，ウェルプレートや血清，蛍光色素等，多岐にわたる消耗品，試薬が必要であり，これらを充足する。③においては，多数のドーパント原料が必要であり，これらを揃える。また，得られた成果に関しては，国内の学会で2回，アメリカで開催される国際会議で1回，研究発表を予定している。
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