1. ホーム
  2. 研究紹介

研究紹介

研究テーマ

生体適合性に優れた診断・治療用ソフトバイオマテリアルの設計

 

研究内容要旨

健康長寿社会を実現するためのヘルスケア・医療製品には、生体接触界面において安全性が高く、異物反応が少ない材料が必要である。
本研究室では、1)バイオ界面における水和構造に着目した生体親和性発現機構の解明、2)次世代の予防、診断、治療技術を支える生体親和性材料の設計方法、3)正常細胞、幹細胞、癌細胞の接着や機能を選択的に制御できる新材料と臨床応用に取り組んでいる。
研究内容要旨図

 

研究の背景

高分子ソフトバイオマテリアルは、高齢化社会において重要な役割を担っている。生体親和性と生分解性を有する高分子は、診断・治療用の医療製品開発のブレークスルーのためには必須である。高分子ソフトバイオマテリアルと水・イオン・タンパク質・微生物・細胞などの生体成分の相互作用の理解と制御が、バイオメディカル製品開発の最重要項目である。

 

研究の目標

合成高分子バイオマテリアルの生体適合性発現機構の分子レベルで理解するために、材料と生体成分が接触する環境に存在する水分子に着目し、中間水コンセプトを提案している。本研究では、主鎖、側鎖を系統的に変化させた高分子を精密合成することでバイオ界面水を制御し、次世代の診断・治療用医療機器のための分子設計指針の構築を目指しています。

 

研究図

#

Fig.1.Biointerfaces and biointerfacial water layers: Polymeric soft-materials for the medical devices that may come in contact with human blood should have capacity to resist protein adsorption and blood cell adhesion and thus triggering the organism’s defense systems
#

Fig.2.Differential scanning calorimetry heating curve of biocompatible polymer (ex. R1:H, R2:C2H5, m:2). The intermediate water was only found in hydrated biopolymers (proteins, polysaccharides and nucleic acid; DNA and RNA) and biocompatible synthetic polymers.
#

Fig.3. Cancer cells can attach on Poly(2-methoxyethyl acrylate) (PMEA )and poly(tetrahydrofurfuryl acrylate) (PTHFA) substrates with deformed fibronectin. Platelets cannot attach because fibrinogen deformation is suppressed by intermediate water.

 

バイオマテリアルとは

バイオマテリアルとは

近年の医療の発展により様々な医療機器が開発されています。
人工心肺、人工血管のような、生体と接触する医療機器は、接触により生体に悪影響を与えないようにする必要があります。

このような医療機器を開発するために、生体に悪影響を与えない性質(生体適合性)を有する材料がバイオマテリアルです。

現在は、医療の発展に伴い、高度な機能を発揮する医療機器を開発するためのバイオマテリアルが必要とされています。

 

バイオマテリアルの特徴

医療の発展に伴い、高度な機能を発現するバイオマテリアルが望まれています

医療の発展に伴い、高度な機能を発現するバイオマテリアルが望まれています

バイオマテリアル界面の水和構造を制御し、高度な機能の発現を達成します

中間水理論

当研究グループ独自の「中間水理論」により、中間水の量を制御して、高度な機能を発現するバイオマテリアルを開発します。

高度な機能を有するバイオマテリアルで、より生活を豊かにし、健康で長生きに!

血液適合性と血液細胞以外の細胞接着性を併せ持つ、当研究グループ発(田中 賢、北上恵理香、八木理美、青木麻紀子、黒木千聖、佐藤千香子、小椋景子、溶液から細胞を分離する細胞分離方法、および、細胞分取用水和性組成物、特開2012-105579、特願2010-256467)の新しいバイオマテリアルです。

(1)がんの診断への応用

転移がん患者の血液中に存在するがん細胞を、PMEA型バイオマテリアルにより捕捉し、検出します。


がんの診断への応用

(2)がんの治療への応用

胆管がんによる胆管閉塞を防ぐステントにPMEA型バイオマテリアルを塗布し、従来よりも長期間、「生活の質」を維持します。

胆管ステント(臨床応用中)

医療機器と生体の接触界面で何が起きているのか?

医療機器を構成する材料に血液や組織液などが接触すると、水分子が材料表面に直ちに吸着し、飽和含水状態になる。ついで、血液中に存在するタンパク質が吸着、変性し、これにより生体防御系の活性化が起き、血栓形成などが引き起こされる。したがって、材料に吸着した水分子の状態が医療機器の性能に大きな影響を与えると考えられる。また、生体の恒常性を巧みに維持している生命現象の反応場の観点から水分子に着目すると、この水分子はタンパク質や細胞の接着や機能発現の場を形成している。

製品が使用される環境:含水した高分子材料の水和状態

材料に吸着した水の構造の評価法として、核磁気共鳴法、誘電緩和法、振動分光法(赤外、ラマン、和周波発生)、示差走査熱量法、X線回折法、中性子散乱法などが知られている。これらの手法により、材料に吸着した水分子の構造を3種類(自由水、中間水、不凍水)に分類することができる。とりわけ、自由水と不凍水の中間の物性を示す中間水は、高い分子運動性を有する高分子鎖に弱く束縛され、低温下でも分子運動性の高い水であり、高分子表面にも安定に存在することが示された。また、中間水は、天然高分子と生体親和性合成高分子に共通して観測されることがわかった。

中間水コンセプトによる生体適合性材料の設計

我々は、高分子材料由来の異物反応の引き金になるタンパク質の吸着と変性が、中間水の量によって制御できることを見出した。この中間水の量は高分子の化学構造により変化し、高分子側鎖の構造、側鎖間隔により精密に制御できる。材料に水が吸着した吸水状態に着目した生体親和性の新しい考え方をどのように生体内埋め込み型デバイスの臨床へつなぐことができるのか?本研究室では、医工産学連携体制で研究開発を進めている。

生体接触面における有機デバイスの最表面の模式図:バイオ界面水構造に着目した有機デバイス表面設計

バイオ界面の水和構造制御による高機能化表面設計:医療材料システムの基礎・臨床

画像をクリックすると拡大します。
Polymer Matrix Polymer Matrix fig 人工心肺 カテーテル(医療用チューブ)
中間水コンセプトによる精密高分子合成・表面/界面水の役割の解明による学理の創成

 

田中教授の経歴・受賞など

テルモ(株)研究開発センター、北大電子研ナノテクセンター、東北大多元研、独マックスプランク研究所、 文部科学省、山形大学大学院、さきがけ、科研費若手S、CREST, ERATO, COI, 最先端・次世代研究開発支援 プログラム代表者。高分子学会旭化成賞、バイオマテリアル学会科学奨励賞

 

最近の主な論文・総説

Recent selected references about Intermediate Water:
http://www.nature.com/pj/journal/v45/n7/full/pj2012229a.html
Special Issue on the occasion of the 90th birthday of Prof T. Tsuruta,
The roles of water molecules in the interfaces between biological
systems and polymers: J. Biomater. Sci. Polym Ed., 21, 1827–1970,(2010).
Design of biocompatible and biodegradable polymers based on
intermediate water concept, Polym. J., 47, 114-121,(2015).
Langmuir, 30, 10698-10703, (2014).
Adv. Healthcare Mater., 3, 775-784, (2014).
Nanomedicine, 10, 313-319, (2014).
Langmuir, 31, 3661-3667, (2015).
PLoS One,10, e0136066, (2015).
Langmuir, 7100-7105, (2015).
Macromol. Biosci., 1296-1303, (2015).
ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 18096-18103, (2015).
Journal of Materials Chemistry B, 3, 8224-8249, (2015).
Macromolecules, 49, 2493-2501, (2016).
Colloids and Surfaces B: Biointerfaces,145, 586-596, (2016).
J. Bioact. Compat. Polym, 31, 361-372, (2016).
PLoS One, 11, e01582898, (2016).
RSC Advances, 6, 89103-89112, (2016).
ACS Bimater. Sci. Eng, in press.
Biomacromolecules, in press.
Macromolecules, in press.
Tissue Eng. A (2013), JP Patent 2014-105221 etc.

 

ニュース・講演会 研究室訪問インタビューロゴマーク ロゴマークについて リンク

スマートフォンサイト

スマートフォンサイト

スマートフォンからもアクセスできます。

COIフロンティア
有機システム
イノベーション拠点

COIフロンティア有機システム イノベーション拠点 PDFパンフレット[607KB]

関連リンク

生体親和性を有する医療用材料設計技術の基盤構築 九州大学 山形大学 フロンティア有機システム イノベーション拠点(COI-T) フロンティア有機材料システム創成フレックス大学 科学技術政策 内閣府

ブックマーク登録

はてなブックマークに追加 MyYahoo!に追加 Googleブックマークに追加 del.icio.usに追加


学生用コミュニティ(OB・OG・在校生用掲示板) スタッフ専用掲示板