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ナノ薄膜の立体構造を鋳型とした人工神経ネットワークの形成に成功 ~再生医療技術を支援する新しい生体インターフェースの実現に期待~

 日本電信電話株式会社(以下,NTT)は2019年10月18日,NTT基礎研究所の研究グループが生体に優しい高分子薄膜材料のグラフェン(二次元材料)を用いて三次元構造体を組み立てる技術を創出し,その内部で神経細胞を長期間培養することにより,構造体に沿って神経細胞ファイバが成長し機能が発現することを実証したと発表した.この研究成果は,三次元構造体組み立て技術に関してはNano Lettersに発表しており(注1),神経細胞ファイバ成長機能発現に関してはNanoscaleに発表した(注2).

 近年の医療技術と情報処理技術の進展に伴い,生体組織に直接アクセスして信号を取得したりモニタリングしたりするための生体インターフェースの実現への要望が高まっており,生体インターフェースに適合した材料の探索が世界中で盛んに行われている.二次元の機能性材料の一種であるグラフェンは,高透明性,高強度,耐薬品性,耐熱性,柔軟性,生体適合性を有し生体インターフェース用としての応用が期待されている.しかしながら,極薄の二次元シート状であることからその応用が進まなかった.

 本研究では,以下の方法でグラフェンの筒状の三次元構造体作製を実現した.まず,高い生体適合性を有し,高い絶縁性,化学物質バリア性,耐熱性を持ち,グラフェンとの密着性のよいポリパラキシリレン(パリレン)薄膜(厚さ50nm~500nm)にグラフェンを転写した二層薄膜を,アルギン酸カルシウムゲルを介してガラス基板上に貼り付けた状態にする.このアルギン酸カルシウムゲルをエチレンジアミン四酢酸またはクエン酸ナトリウム溶液等で溶解することで,二層膜が端から基板から遊離すると同時に,まくれ上がって,自己組織的に筒状構造が形成される(グラフェンが外側).筒の直径はバリレン膜厚により変化し,曲率半径4μmまで実現できている.この現象は,パリレン表面に転写されたグラフェンが,材料の弾性係数の違いで厚み方向に歪みが誘起され,自己組織的に三次元構造に組み立てられるとのことである.なお,この三次元構造は,二層膜のパターン形状で変化し,長方形のパターンでは筒状構造に,平行四辺形パターンではコイル状に,放射状パターンでは球状に自発的に組み立てられる.

 グラフェンの三次元構造の自己組み立て時に細胞を内包化し,予め二次元パターンで細孔を開けておくことで,そこから栄養や酸素を供給することができるので,その構造の内部で細胞を長期間,安定して閉じ込めて培養することが可能となった.特に神経細胞を内包化することにより,三次元構造体を鋳型とした微小な神経組織様構造を人工的に再構成することに成功した.また,細孔を通して内外の神経細胞がネットワークを形成し,内外細胞間の相互作用が確認された.本手法は,再生医療分野や単一細胞の挙動解析のための足場構造としての応用だけでなく,グラフェンの導電性を活かして生体内埋め込み用電極素子などの新たなバイオインタフェースとしての応用が期待されるとしている.

(注1)T. F. Teshima, C. S. Henderson, M. Takamura, Y. Ogawa, S. Wang, Y. Kashimura, S. Sasaki, T. Goto, H. Nakashima, Y. Ueno, "Self-Folded Three-Dimensional Graphene with a Tunable Shape and Conductivity", Nano Letters 2019, Vol. 19, No. 1, pp. 461-470, doi: 10.1021/acs.nanolett.8b04279; Publica-tion Date: December 7, 2018.

(注2)K. Sakai, T. F. Teshima, H. Nakashima, and Y. Uenoa, "Graphene-based neuron encapsulation with controlled axonal outgrowth", Nanoscale, 2019, Vol. 11, pp. 13249-13259, doi: 10.1039/C9NR04165F;
first published on 20 May 2019