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 界面制御による革新的生体適合性材料開発
【本書のポイント】 革新の鍵は“界面”にあり！界面制御が拓く次世代バイオマテリアルの技術進化を一望する！ 生体との“対話”を可能にする──界面理解が拓く機能性材料研... もっと見る
サマリー【本書のポイント】
【主なトピック】
■主な目次
序 文
第1章 物質・生体間の相互作用の基礎
第2章 界面解析・分析・評価技術
第3章 界面制御技術
第4章 新規材料設計
第5章 革新的生体適合性材料の開発
第6章 革新的生体適合性材料を用いた応用事例
あとがき
■監修者
高井 まどか
三浦 佳子
■執筆者（掲載順）
高井 まどか 東京大学 大学院工学系研究科 教授
四方 志 大阪大学 大学院基礎工学研究科
金 鋼 大阪大学 大学院基礎工学研究科 准教授
松林 伸幸 大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授
小林 慎吾 徳島大学 大学院医歯薬学研究部 特任准教授／九州大学 先導物質化学研究所 特別研究員
田中 賢 九州大学 先導物質化学研究所/大学院工学府 教授
原田 慈久 東京大学 物性研究所極限コヒーレント光科学研究センター軌道放射物性研究施設 教授
松村 和明 北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 教授
遊佐 真一 兵庫県立大学 大学院工学研究科 准教授
松川 祐子 名古屋大学 大学院工学研究科 助教
鈴木 一正 名古屋大学 大学院工学研究科 講師
大槻 主税 名古屋大学 大学院工学研究科 教授
菊池 明彦 東京理科大学 先進工学部 教授
小松 周平 城西大学 薬学部 助教
冨田 峻介 国立研究開発法人産業技術総合研究所 健康医工学研究部門 研究グループ長
菅井 祥加 東京科学大学 総合研究院 特任助教
白石 貢一 東京慈恵会医科大学 総合医科学研究センター医用エンジニアリング研究部 准教授
菅谷 博之 東レ株式会社 研究本部 シニアフェロー
中田 克 株式会社東レリサーチセンター 構造化学研究部 主任研究員
馬場 剛史 東レ株式会社 医薬研究所 主任研究員
藤田 雅規 東レ株式会社 先端材料研究所医療システム研究室 主任研究員
上野 良之 東レ株式会社 先端材料研究所医療システム研究室 室長
森田 成昭 大阪電気通信大学 工学部 教授
小林 元康 工学院大学 先進工学部 教授
菱田 真史 東京理科大学 理学部第一部 准教授
内橋 貴之 名古屋大学 大学院理学研究科 教授
宮田 一輝 金沢大学 ナノ生命科学研究所 准教授
坂井 詠子 長崎大学 大学院医歯薬学総合研究科 助教
佐藤 主税 筑波大学 グローバル教育院 客員教授／青山学院大学 大学院理工学研究科 客員教授／
日本大学 医学部 客員研究員
髙橋 泰伽 東京理科大学 先進工学部 助教／
大学共同利用機関法人自然科学研究機構 生命創成探究センター 特別訪問研究員
岡村 陽介 東海大学 マイクロ・ナノ研究開発センター/工学部 教授
根本 知己 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 生命創成探究センター/生理学研究所教授
秦 裕樹 東京科学大学 物質理工学院 助教
芹澤 武 東京科学大学 物質理工学院 教授
山本 玲子 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
上席研究員
橋本 朋子 信州大学 学術研究院繊維学系 准教授
薮塚 武史 京都大学 大学院エネルギー科学研究科 講師
上田 恭介 東北大学 大学院工学研究科 准教授
成島 尚之 東北大学 大学院工学研究科 教授
長瀬 健一 広島大学 大学院医系科学研究科 教授
村上 義彦 東京農工大学 大学院工学研究院 教授
鳥海 拓都 島根大学 材料エネルギー学部 助教
森本 展行 島根大学 材料エネルギー学部 教授
大谷 亨 神戸大学 大学院医学研究科 教授
松崎 典弥 大阪大学 大学院工学研究科 教授
鈴木 美加 東洋大学 大学院生命科学研究科 研究員
中村 奈緒子 芝浦工業大学 システム理工学部 准教授
木村 剛 東洋大学 生命科学部 教授
林 智広 東京科学大学 物質理工学院 准教授
辻 爽太郎 九州大学 大学院工学研究院 特任助教
星野 友 九州大学 大学院工学研究院 教授
村上 大樹 近畿大学 産業理工学部 准教授
松垣 あいら 大阪大学 大学院工学研究科 准教授
中野 貴由 大阪大学 大学院工学研究科 教授
三浦 大和 広島大学 大学院先進理工系科学研究科
河﨑 陸 広島大学 大学院先進理工系科学研究科 准教授
宮田 隆志 関西大学 化学生命工学部 教授
藤澤 七海 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
スマートポリマーグループ
荏原 充宏 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
副センター長
西口 昭広 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
バイオ材料分野 主幹研究員
安江 華 東京理科大学 大学院先進工学研究科
田口 哲志 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
バイオ材料分野 グループリーダー
山本 雅哉 東北大学 大学院工学研究科 教授
宇都 甲一郎 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター 主幹研究員
川田 楠旺 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター 研修生／
筑波大学 大学院理工情報生命学術院 数理物質科学研究群
中西 淳 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター
グループリーダー
三浦 佳子 九州大学 大学院工学研究院 教授
長尾 匡憲 九州大学 大学院工学研究院 助教
仲本 正彦 大阪大学 大学院工学研究科 講師
大矢根 綾子 国立研究開発法人産業技術総合研究所 材料基盤研究部門 総括研究主幹
中村 真紀 国立研究開発法人産業技術総合研究所 材料基盤研究部門 研究グループ長
宮治 裕史 北海道大学 大学院歯学研究院 教授
山根 史帆里 京セラ株式会社 研究開発本部メディカル開発センターマテリアル開発部 課責任者
京本 政之 京セラ株式会社 研究開発本部メディカル開発センター センター長
茂呂 徹 東京大学 大学院医学系研究科 特任教授
石原 一彦 東京大学名誉教授／大阪大学 大学院工学研究科 特任教授
河村 暁文 関西大学 化学生命工学部 教授
能﨑 優太 東北大学 大学院薬学研究科 助教
金野 智浩 東北大学 大学院薬学研究科 教授
山本 翔太 国立研究開発法人物質・材料研究機構 高分子・バイオ材料研究センター 研究員
合田 達郎 東洋大学 生命科学部 教授
堀井 辰衛 東京科学大学 生命理工学院 助教
藤枝 俊宣 東京科学大学 生命理工学院 教授
鳴瀧 彩絵 東京科学大学 総合研究院 教授
黄 依璇 東京大学 大学院工学系研究科（博士課程修了）
目次
序 文〈高井 まどか〉
第1章 物質・生体間の相互作用の基礎
第1節 血液適合性高分子における界面水ダイナミクスの分子シミュレーションによる解明
〈四方 志／金 鋼／松林 伸幸〉
1．はじめに
2．計算手法
3．結果と議論
4．おわりに
第2節 生体適合性材料における中間水の役割と生体との相互作用メカニズム
〈小林 慎吾／田中 賢〉
1．はじめに：医療機器と合成高分子
2．血栓形成のメカニズム
3．高分子表面へのタンパク質吸着現象
4．高分子に水和した水和状態の解析
5．中間水の役割と高分子構造による水和状態の精密制御
6．おわりに
第3節 生体適合性高分子界面の水和構造の解明
〈原田 慈久〉
1．はじめに
2．界面水を“その場”で捉える先端計測
3．測定事例
4．考察：中間水を安定化する束縛水と四面体水の“最適共存”
5．生体適合性材料の設計指針と応用の可能性
第4節 双性イオン型ポリマーのタンパク質凝集阻害メカニズム
〈松村 和明〉
1．はじめに
2．凝集抑制ポリマーの合成
3．タンパク質凝集抑制評価
4．分子動力学（MD）シミュレーション
5．ポリマーによる保護作用メカニズム
6．熱ストレス除去後の凝集中間体への影響
7．おわりに
第5節 双性イオン型ポリマー/ 細胞膜間静電相互作用システム
〈遊佐 真一〉
1．はじめに
2．PMCPとPMPCの会合挙動の違い
3．4級アンモニウムとリン酸を側鎖に含むポリアンホライト
4．光による電荷の制御
5．おわりに
第6節 セラミックスの骨結合性発現メカニズムに基づく生体応答性材料の創製
〈松川 祐子／鈴木 一正／大槻 主税〉
1．はじめに
2．骨欠損部に埋植されたセラミックスの挙動
3．生体活性セラミックスの骨結合性発現メカニズム
4．セラミックスを利用する生体応答性材料の創製
5．おわりに
第7節 マクロファージ‐球状微粒子間相互作用メカニズム
〈菊池 明彦／小松 周平〉
1．緒 言
2．温度応答性微粒子の調製
3．微粒子形状，表面物性が細胞との相互作用に与える影響
4．結 言
第8節 合成高分子‐生体分子間の相互作用メカニズム：多点相互作用を基盤とする認識原理
〈冨田 峻介／菅井 祥加〉
1．はじめに
2．合成高分子‐生体分子間の相互作用
3．多点的相互作用パターンの“認識”
4．合成高分子による生体分子・試料の識別
5．おわりに
第9節 合成高分子‐生体分子間の相互作用からみる生体応答メカニズム
〈白石 貢一〉
1．はじめに
2．抗原と抗体，およびその評価方法
3．ハプテン性と免疫原性の違いにおける重要な要素をPEGから考える
4．材料開発において考えるべき点は何か
第2章 界面解析・分析・評価技術
第1節 生体適合性ポリマー‐水界面の相互作用解析技術
〈菅谷 博之／中田 克／馬場 剛史／藤田 雅規／上野 良之〉
1．はじめに
2．PVPとタンパク質の相互作用と中間水計測手法
3．シミュレーションを活用した相互作用解析
第2節 分光分析を用いたバイオマテリアルの水和構造分析技術
〈森田 成昭〉
1．はじめに
2．含水過程の赤外分光分析
3．MCRによる時間依存赤外スペクトルの解析
4．PMEAの水和構造
第3節 ベタイン型高分子電解質の水和構造解析
〈小林 元康〉
1．はじめに
2．中性子反射率測定の原理
3．水界面における中性子反射率測定
4．走査プローブ顕微鏡を用いた高分子電解質ブラシの水界面構造解析
5．おわりに
第4節 テラヘルツ分光を用いた生体関連分子の水和状態解析
〈菱田 真史〉
1．はじめに
2．テラヘルツ分光法による水和状態解析
3．水和状態の観測例
4．おわりに
第5節 高速AFMによるソフトマテリアルの動態イメージング技術
〈内橋 貴之〉
1．はじめに
2．高速AFM技術の概要
3．高速AFMによるソフトマテリアルの観察
4．おわりに
第6節 固液界面の3次元構造を観察できる3次元走査型力顕微鏡技術
〈宮田 一輝〉
1．はじめに
2．AFMと3D-SFM
3．3D-SFMの応用研究例
4．バイオマテリアルへの応用
第7節 電子顕微鏡による骨形成機構などの界面ナノ観察
〈坂井 詠子／佐藤 主税〉
1．はじめに
2．ASEMの原理
3．水中での結晶化の動態の詳細観察
4．骨芽細胞初代培養におけるCaP生産の観察
5．硬組織の水中観察
6．破骨細胞の水中免疫電子顕微鏡
7．おわりに
第8節 ナノ薄膜による生体脳の超広範囲光計測法の確立
〈髙 橋 泰伽／岡村 陽介／根本 知己〉
1．広範囲光計測のための頭蓋骨代替材料の課題
2．透明性・柔軟性・生体適合性を有するPEO-CYTOPナノ薄膜
3．PEO-CYTOPナノ薄膜と光硬化性樹脂による長期計測可能な頭蓋骨代替法
4．今後の展望
第9節 合成ナノセルロースの生体適合性とバイオ関連機能の評価
〈秦 裕樹／芹澤 武〉
1．はじめに
2．タンパク質吸着特性の評価
3．細胞毒性および足場材としての特性の評価
4．溶血性試験
5．抗菌作用の評価
6．細菌付着特性の評価
7．おわりに
第10節 生体吸収性金属材料の分解特性評価技術
〈山本 玲子〉
1．はじめに
2．生体吸収性金属材料の腐食評価のための模擬組織中浸漬試験
3．増粘剤濃度による組織中拡散速度制御
4．模擬組織中拡散速度が腐食挙動に及ぼす影響
5．おわりに
第11節 高分子バイオマテリアルの分子構造が生体応答に与える影響
〈橋本 朋子〉
1．はじめに
2．分子の構造と生体の応答
3．シルクフィブロインの分子構造と生体応答
4．PET の分子構造と生体応答
5．おわりに
第3章 界面制御技術
第1節 アパタイト核を用いた界面制御技術
〈薮塚 武史〉
1．体内で骨と自然に一体化する生体活性材料
2．アパタイト核を用いた生体活性インプラント材料の機能設計
3．ポリエーテルエーテルケトンのバイオメディカル応用と課題
4．アパタイト核担持によるポリエーテルエーテルケトンの界面制御
5．アパタイト核担持ポリエーテルエーテルケトンのアパタイト形成能
6．アパタイト核担持ポリエーテルエーテルケトンの骨結合能および細胞生存性
7．結 語
第2節 金属系バイオマテリアルの表面改質技術
〈上田 恭介／成島 尚之〉
1．はじめに
2．金属系バイオマテリアルへの表面改質
3．チタンおよびチタン合金に適用されている表面改質プロセス
4．硬組織代替デバイスへの抗菌性付与
5．おわりに
第3節 細胞分離と細胞組織作製のための温度応答性高分子修飾界面
〈長瀬 健一〉
1．はじめに
2．温度応答性高分子界面を用いた細胞分離技術
3．温度応答性高分子を用いた細胞シート作製技術
4．おわりに
第4節 自己乳化現象の制御による多孔質シート作製技術
〈村上 義彦〉
1．はじめに
2．エマルション
3．自己乳化現象
4．「超低密度」多孔質材料への展開
5．おわりに
第5節 双性イオン型ポリマー/ 細胞膜間界面制御技術
〈鳥海 拓都／森本 展行〉
1．緒 言
2．スルホベタインポリマーによる細胞膜間界面制御技術
3．結 語
第6節 中間水を有する高分子の血液適合性材料界面の最適化技術
〈大谷 亨／田中 賢〉
1．はじめに
2．中間水とは？
3．中間水を計測するための技術
4．中間水を有する高分子材料の特徴
5．中間水の状態と血液適合性との関連性
6．おわりに
第7節 界面積層技術を用いた3次元細胞培養
〈松崎 典弥〉
1．はじめに
2．細胞表面への高分子ナノ薄膜形成
3．細胞集積技術
4．人工基底膜による細胞の区画化制御
5．おわりに
第8節 脱細胞化による細胞外マトリクス形成
〈鈴木 美加／中村 奈緒子／木村 剛〉
1．はじめに
2．脱細胞化組織の調製
3．脱細胞化組織の評価
4．脱細胞化組織の表面構造と生体反応
5．脱細胞化組織の立体的組織構造と生体反応
6．おわりに
第4章 新規材料設計
第1節 バイオ界面における分子相互作用の定量的解析とデータ駆動科学による材料機能予測
〈林 智広〉
1．序論：バイオ界面における生体応答の根源的課題と新たな設計パラダイム
2．実験的アプローチによる血液適合性メカニズムの解明
3．データ駆動科学によるバイオ界面の合理的設計
4．生体分子に学ぶ究極の生体適合性材料設計
5．総括と将来展望：実験，計算，自動化の融合
第2節 精密高分子の合成技術とライブラリ構築
〈辻 爽太郎／星野 友〉
1．はじめに
2．高機能・低コスト・安定性に優れたプラスチック抗体の開発
3．多官能性高分子ライブラリの調製と相互作用のスクリーニング
4．官能基の配置を制御することによる標的分子認識能の制御
5．多官能性高分子の構造多様性最小化と均一化によるプラスチック抗体の“モノクローナル化”
6．まとめと展望
第3節 Langmuir-Blodgett法による生体適合性高分子単分子膜の製膜
〈村上 大樹〉
1．はじめに
2．低分子化合物の単分子膜の検討
3．高分子化合物の単分子膜の検討
第4節 界面反応に基づく骨基質配向誘導型材料の設計
〈松垣 あいら／中野 貴由〉
1．はじめに
2．自然骨の階層構造と機能
3．骨基質配向化誘導の細胞生物学的機構
4．配向化骨基質再建のための界面反応設計
5．骨基質再建を実現する脊椎デバイス創製
6．おわりに
第5節 分子集合体による治療材料設計
〈三浦 大和／河﨑 陸〉
1．はじめに
2．治療機能発現のための分子設計戦略
3．設計戦略に基づいた治療応用例
4．おわりに（結論と今後の展望）
第6節 医療応用を目指した刺激応答性高分子材料の設計
〈宮田 隆志〉
1．はじめに
2．DDS応用を目指した刺激応答性高分子材料
3．標的分子検出センサー開発のための刺激応答性高分子材料
4．細胞制御のための刺激応答性高分子材料
5．まとめと将来展望
第7節 スマートポリマーを用いた医療材料の設計
〈藤澤 七海／荏原 充宏〉
1．はじめに
2．スマートナノファイバーメッシュ
3．薬物徐放出型ナノファイバーメッシュ
4．おわりに
第5章 革新的生体適合性材料の開発
第1節 液‐液相分離制御技術を用いた多孔化インジェクタブルゲルの開発
〈西口 昭広／安江 華／田口 哲志〉
1．はじめに
2．細胞移植治療のためのインジェクタブルゲルの設計
3．液‐液相分離界面の形成によるゲルの構造制御
4．多孔化インジェクタブルゲルを用いた細胞デリバリー
5．おわりに
第2節 四次元制御を可能とするサンドイッチ培養法の開発
〈山本 雅哉〉
1．はじめに
2．三次元培養
3．ハイドロゲルを利用した細胞培養
4．時間軸を考慮した細胞培養に対する四次元制御
5．サンドイッチ培養法
6．おわりに
第3節 特異な細胞挙動を誘起する流動性バイオマテリアルの開発
〈宇都 甲一郎／川田 楠旺〉
1．はじめに
2．流動性培養基材の性質
3．流動性基材が誘導する細胞挙動・機能の変化
4．流動性培養基材が誘導する細胞老化現象
5．上皮間葉転換EMT
6．おわりに
第4節 細胞培養用の動的な液体足場材料の開発
〈中西 淳〉
1．はじめに
2．パーフルオロカーボン界面
3．イオン液体界面
4．リン脂質被腹界面
5．おわりに
第5節 精密な高分子合成手法を用いた分子認識性を有する糖鎖高分子の開発
〈三浦 佳子／長尾 匡憲〉
1．はじめに
2．糖鎖高分子の合成と分子設計
3．糖鎖高分子を用いたバイオ機能材料
4．精密重合による糖鎖高分子の構造制御と利用
5．まとめと展望
第6節 アポトーシス細胞に学ぶ新たな生体適合性高分子の開発
〈荏原 充宏〉
1．生体適合性とバイオマテリアル
2．免疫を積極的に調節するバイオマテリアル
3．アポトーシス細胞の有する免疫寛容効果
4．アポトーシス細胞模倣ポリマー
5．おわりに
第7節 細胞を反応場とした重合反応によるバイオ界面の設計
〈仲本 正彦／松崎 典弥〉
1．はじめに
2．細胞機能操作を志向した光開始・誘起ラジカル重合
3．光ラジカル重合による細胞含有ハイドロゲルの合成
4．光誘起電子移動‐可逆付加開裂連鎖移動重合による細胞表面での高分子合成
5．光開始・誘起重合による細胞内高分子合成
6．論理ゲート型光開始・誘起重合
7．課題と展望
第6章 革新的生体適合性材料を用いた応用事例
第1節 人工バイオミネラリゼーションによる歯周組織再生・歯面改質用材料の開発
〈大矢根 綾子／中村 真紀／宮治 裕史〉
1．はじめに
2．人工バイオミネラリゼーションによる歯周組織再生用材料の表面改質
3．薬物担持による機能向上
4．人工バイオミネラリゼーションの光制御
5．人工バイオミネラリゼーションの光制御による歯面改質
6．おわりに
第2節 生体親和性リン脂質ポリマー被覆による長寿命インプラントの開発
〈山根 史帆里／京本 政之／茂呂 徹／石原 一彦〉
1．背 景
2．生体関節と人工関節の摺動界面の構造
3．MPCポリマーによる人工関節の界面制御
4．PMPC処理HXLPEライナーの摩耗特性評価
5．PMPC処理HXLPEライナーの実用化
6．今後の展開
第3節 界面化学的手法を用いたスマートナノカプセルの開発
〈河村 暁文〉
1．はじめに
2．W/Oエマルションの油水界面の乳化剤の架橋によるスマートナノカプセルの調製
3．逆ミニエマルション界面RAFT重合を利用したスマートナノカプセルの調製
4．おわりに
第4節 細胞親和性リン脂質ポリマーを用いた新規細胞操作技術
〈能﨑 優太／金野 智浩〉
1．はじめに
2．セルシャトルによるタンパク質の細胞質送達技術
3．今後の展望
第5節 生体内を模倣した光応答性足場材料の開発
〈山本 翔太／中西 淳〉
1．はじめに
2．光応答性足場材料の開発
3．細胞パターニングと集団移動現象
4．生体組織を模倣した光応答性足場材料の開発
5．おわりに
第6節 バイオミメティクスを利用した次世代センシング
〈合田 達郎〉
1．はじめに
2．アプタマーと双性イオンを用いたウイルススパイクタンパク質検出
3．ピリジルボロン酸およびPEG機能化PEDOT共重合体界面を用いたシアル酸検出
4．生体膜リン脂質模倣導電性高分子界面を用いたCRP検出
5．上皮細胞シートを培養した半導体トランジスタによるイオンバリア性検出
6．おわりに
第7節 高分子薄膜技術を用いた生体融合型デバイスの開発
〈堀井 辰衛／藤枝 俊宣〉
1．はじめに
2．高分子超薄膜技術
3．生体貼付型電極
4．導電性超薄膜を用いた身体動作計測
5．埋め込み型薄膜デバイス
6．おわりに
第8節 自己組織化タンパク質ナノファイバーの医用材料応用
〈鳴瀧 彩絵〉
1．はじめに
2．エラスチン
3．トロポエラスチン
4．トロポエラスチンを活用したバイオマテリアル
5．ELP を活用したバイオマテリアル
6．ナノファイバー形成能を持つELP
7．おわりに
第9節 生体適合性高分子を用いた生体内埋め込み型燃料電池・バイオセンサの開発
〈高井 まどか／黄 依璇〉
1．はじめに
2．界面課題と材料設計の基本戦略
3．応用Ⅰ：生体埋め込み型酵素燃料電池
4．応用Ⅱ：マイクロニードル型バイオセンサ
5．おわりに
あとがき〈三浦 佳子〉
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