2013 Fiscal Year Annual Research Report
マイクロフルイディックエンジニアリングの深化と生体分子高感度定量計測への展開
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23226010
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
庄子 習一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (00171017)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹山 春子 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60262234)
水野 潤 早稲田大学, 付置研究所, 准教授 (60386737)
関口 哲志 早稲田大学, 付置研究所, 准教授 (70424819)
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| Project Period (FY) |
2011-05-31 – 2016-03-31
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| Keywords | 計測工学 / 計測システム / ＭＥＭＳ / マイクロ化学システム / マイクロファブリケーション / 細胞構造・機能 / 細胞分化 / 生体高分子構造・機能 |
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| Research Abstract |
1.研究の目的
微小発光サンプルの光学的超高感度定量計測を可能とすべく、on demand型の光学的補助機能を組み込んだマイクロ流体デバイスを開発する。具体的にはマイクロ流体内超高感度光学観察場のon demand構築技術及びそれをサポートする周辺技術の構築、並びに超高感
度光学的定量計測に適した微小サンプル前処理技術を開発する。H25年度は、トータルシステムのプロトタイプ製作と評価、及び得られた結果の要素技術へのフィードバックを目的とする。
2.研究実績の概要
(1)「システム化による実際のバイオ・生体試料等への応用と要素技術へのフィードバック」（庄子・竹山・関口） 三次元シースフローデバイスを応用した人工血管の作製に成功した。LCチップの構造に改良を加え、超高感度なたんぱく質の分析を可能とした。バイオサンプルを扱うに当たり、要求仕様にしたがってマイクロ流体デバイスの設計変更を行った。(2)「マイクロ流体デバイスを利用したバイオサンプルの新しい前処理法と観察法の検討」（竹山・関口・水野）GEL Micro droplet(GMD) に一つずつ細菌を入れ、培養・観察を行う技術を応用して、単一細胞の機能解析を進めた。細胞内に蛍光ナノプローブを導入して培養を行ったのち、人工的に細胞死を誘引させることで、アポトーシスのメカニズムのリアルタイムイメージングに成功した。(3)「マイクロ流体デバイスシステム化のための直接接合技術の検討」（庄子・水野） 同種／異種基板材料同士の表面処理技術と直接接合技術を確立した。これを応用して流体デバイス型有機ELの作製に初めて成功した。
【連携研究者】早稲田大学 竹山研究室 モリ テツシ（細胞関連）、同 ナノ理工学研究機構 尹棟鉉（ドロップレット関連）、埼玉大学 工学部 鈴木美穂、福田 武司（バイオプローブ関連）、帝京平成大学 薬学部 枝川義邦（薬理関連）
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
H25年度は、トータルシステムのプロトタイプ製作と評価、及び得られた結果の要素技術へのフィードバックを目的として研究を行った。三次元シースフローデバイスを応用した人工血管の作製、LCチップの改良による超高感度なたんぱく質の分析実現、GEL Micro dropletを応用した単一細胞の機能解析、単一細胞アポトーシスのリアルタイムイメージング、流体デバイス型有機ELの作製等、マイクロ流体デバイスのシステム応用として当初の目的以上の成果が得られ、それぞれに該当する学会発表や論文等の外部への情報発信も的確に行ったと判断している。一方で、本研究で開発した要素デバイスを、バイオ領域やメディカル領域に応用した場合、流体として血液等の理想流体でないサンプルが流れると、デバイスが想定通りの動作をしないことも改めて認識させられた。特に「経時的に変化する流体の性質」及び「経時的に変化する固液／液液界面の状態」により、流体システムの動作が想定通り機能しない事態が多々発生し、これらの問題をフィードバックさせてデバイスの要素デバイスの設計変更を行ったが、現在のところ完全には解決できていない。本問題に関しては、現在、各要素デバイスが「理想流体でないサンプルの場合」どのような挙動を示すかについてシンプルな要素デバイスを作製して実験を行い、その挙動の把握に努めるとともに、要素デバイスに「冗長性」を持たせ、より広い動作範囲で正常に駆動するよう設計変更を検討中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策
今後は、試作した要素素子をアプリケーション側からの要求に応じてシステム化したプロトタイプデバイスを作製し、細胞、DNA等微小サンプルを使用した実証実験を行う。得られた結果を各デバイスの要素技術にフィードバックし改良と試作を繰り返す。特に、本システムでの処理が適当であると思われるサンプルを選び出し、既存システムとの性能比較を行う。具体的には(1)ドロップレット関連技術のシステム応用、(2)三次元シースフロー関連技術のシステム応用、(3)細胞の光学的手法を用いた機能解析、を中心として検討を行う。必要に応じアプリケーションの可能な研究者をメンバーとして追加する。さらに、H24年度に顕在化した「システム化に起因する問題」およびH25年度に顕在化した「理想流体でないサンプルに起因する問題」に関して、各要素デバイスが「理想環境下でない場合」どのような挙動を示すかについてシンプルな要素デバイスを作製して実験を行い、その挙動の把握に努めるとともに、要素デバイスに「冗長性」を持たせ、より広い動作範囲で正常に駆動するよう検討を行う。さらに、これまでに確立したトータルシステムを用いて具体的なアプリケーションでの評価を行い、当初の目的の達成度を確認していく。現在のところ下記のものを連研究者として研究チームを構成する予定である。
【連携研究者】早稲田大学 武田 直也（生体材料）、モリ テツシ（細胞関連）、尹 棟鉉（ドロップレット関連）、枝川義邦（薬理関連）、埼玉大学 鈴木美穂、福田 武司（バイオプローブ関連）、東京大学 船津 高志（薬理関連）、
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[Journal Article] Fabrication of Low Dislocation Density GaN Template by Nano-Channel FIELO Using Nanoimprint Lithography2013
Author(s)
A. Okada, S. Shoji, H. Shinohara, H. Nishihara, H. Goto, H Sunakawa, T. Matsueda, A. Usui, A, Yamaguchi, J. Mizuno
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Journal Title
Journal of Photopolymer Science and Technology
Volume: 26
Pages: 69-72
Peer Reviewed
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[Presentation] Microfluidic Electrochemiluminescence (ECL) Integrated Flow Cell for Portable Fluorescence Detection2014
Author(s)
M. Tsuwaki, J. Mizuno, T. Kasahara, T. Edura, E. Kunisawa, R. Ishimatsu, S. Matsunami, T. Imato, C. Adachi, S. Shoji
Organizer
27th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2014)
Place of Presentation
San Francisco, USA
Year and Date
20140126-20140130
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[Presentation] High Quality GaN Template of a 2-Inch Wafer Using Nanometer-Size SiO2 Lattice Mask Structure Fabricated by UV Nanoimprint Lithography2013
Author(s)
A. Okada, H. Shinohara, Hiroshi Goto, Hiroki Goto, H. Sunakawa, T. Matsueda, A. Usui, A. Yamaguchi, S. Shoji, J. Mizuno
Organizer
26th International Microprocess and Nanotechnology Conference (MNC 2013)
Place of Presentation
Sapporo, Japan
Year and Date
20131105-20131108
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[Presentation] Controllable Three-Dimensional Sheath Flow Microfluidic Device Focusing and Embedding Cells in Center of Double Layered Hydrogel Fiber for Tissue Engineering Applications (Bio4Apps2013 Best Award 受賞）2013
Author(s)
H. Oku, Y. Nakamura, R. Sekine, J. Ito, D.H. Yoon, T. Sekiguchi, S. Shoji, N. Takeda
Organizer
International Conference on BioSensors, BioElectronics, BioMedical Devices, BioMEMS/NEMS and Applications 2013 & 5th Sensing Biology Symposium (Bio4Apps 2013)
Place of Presentation
Tokyo Medical and Dental University, Tokyo, Japan
Year and Date
20131030-20131031
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[Presentation] One-Minute Separation of Biological Compounds Using Pillar Array Column with Low Dispersion and Low Pressure-Drop Turns2013
Author(s)
M. Isokawa, K. Takatsuki, K. Shih, M. Kono, Y. Song, T. Sekiguchi, J. Mizuno, T. Funatsu, S. Shoji, M. Tsunoda
Organizer
The 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2013)
Place of Presentation
Freiburg, Germany
Year and Date
20131027-20131031
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[Presentation] Real-Time Secretion Analysis Revealed Correlation of IL-β Release and Loss of Cell Membrane Integrity2013
Author(s)
Y. Shirasaki, M. Yamagishi, K. Izawa, K. Nakagawa, A. Nakahara, N. Suzuki, J. Mizuno, T. Sekiguchi, T. Heike, R. Nishikomori, S. Shoji, O. Ohara
Organizer
The 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2013)
Place of Presentation
Freiburg, Germany
Year and Date
20131027-20131031
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[Presentation] Fabrication of Low Dislocation Density GaN Template by Nano-Channel FIELO Using Nanoimprint Lithography2013
Author(s)
A. Okada, S. Shoji, H. Shinohara, H. Nishihara, H. Goto, H Sunakawa, T. Matsueda, A. Usui, A, Yamaguchi, J. Mizuno
Organizer
The 30th International Conference of Photopolymer Science and Technology (ICPST-30)
Place of Presentation
Chiba, Japan
Year and Date
20130625-20130628
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