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マイクロ・ナノメカトロニクス&バイオメディカル応用

  • 工学部/工学研究科
  • マイクロ・ナノ機械理工学専攻

教授 新井 史人[あらい ふみひと]

http://www.biorobotics.mech.nagoya-u.ac.jp/

シーズの概要

マイクロメカトロニクスに関する以下の代表的な3つのシーズを紹介する.
(1) オンチップロボティクス
高速・高精度・高出力操作が可能なオンチップロボットを搭載したマイクロ流体チップによって,細胞などの微小物体の操作・計測・解析・加工・分離を行う.例えば,微細で小さなマイクロツールを磁場や光放射圧によって非接触に駆動し,マイクロ流体チップ内での力学的相互作用を可能とし,局所での環境情報(温度,pH,酸素濃度など)を計測する.
(2) バイオニックペイシェント(血管モデル)
形状,物理特性の再現性に優れた三次元で透明な血管モデルにより,動物実験に頼らずに手術シミュレーションを行うためのバイオニックシミュレータを実現した.形状,物理特性が生体に近い三次元で透明な構造を再現し,リアリティが高く,モデル自体の計測機能により,モデルにかかる温度履歴を計測できる.
(3) ワイドレンジ水晶式荷重センサ
10の5乗以上のワイドな力計測レンジを有する高速・高精度で安定性の高い小型荷重センサを実現し,非拘束で人の体重,脈波,呼吸,姿勢などのライフログや各種微小力を計測する.水晶振動子を採用し,独自の保持機構により,信号の安定化と小型化を実現した."

この研究の新規性・独創性

(1) オンチップロボティクス
マイクロ流体チップとロボット技術を統合した「オンチップロボティクス」を世界に先駆けて提唱し,高速・高精度・高出力操作が可能なオンチップロボットを搭載したマイクロ流体チップによって,細胞の操作・計測・解析・加工・分離に関する新しい方法論を構築し,応用方法と有効性を示した.
(2) バイオニックペイシェント(血管モデル)
形状,物理特性の再現性に優れた三次元で透明な血管モデルにより,動物実験に頼らない手術シミュレーションを行うためのバイオニックシミュレータを実現した.患者などの断層像データに基づき,透明で生体に近い弾力性及び柔軟性を備えた3次元血管モデルを形成することを特色とする.形状,物理特性が生体に近い三次元で透明な構造を再現し,リアリティを高めた.
(3) ワイドレンジ水晶式荷重センサ
ワイドな力計測レンジを有する高速・高精度で安定性の高い小型力センサを実現した.水晶振動子に加わる外力に応じてその共振周波数が変化することを原理とする.10の5乗以上の力計測レンジを有し,このクラスでは世界最高レベルの特性を実現した.振動子の保持機構を改良し,水晶とシリコンの微細加工法や接合方法,信号処理回路を工夫することで,高い安定性,高応答性,小型化を実現した."

産学連携を目指した応用研究

(1) オンチップロボティクス
細胞,卵子,細胞凝集体などの機械特性計測
細胞など微小物体の高速ソーティング
単一ウイルスの操作
血中循環細胞(CTC)などの希少細胞のダメージレス分離・分注
せん断流れ下での巨核球からの血小板生成とモニタリング
マイクロ流体チップによる細胞の応答評価
(2) バイオニックペイシェント(血管モデル)
血管シミュレータ(動脈系,静脈系)
温度履歴インジケータを有する血管モデル
毛細血管モデル
眼球モデル(カニュレーション,ILM剥離訓練)
積層細胞からなる小口径血管と拍動刺激応答評価
(3) ワイドレンジ水晶式荷重センサ
体重,脈波,呼吸,姿勢などのライフログデータのカジュアルセンシング
細胞,卵子,細胞凝集体などの機械特性計測
ウイルスのRNA検出"

一言アピール

MEMSプロセス加工全般(シリコン,ガラス,水晶,SOIのドライエッチング,めっき,ボンディングなど),三次元フォトリソグラフィ,三次元微細モデル造形,マイクロ流体チップ加工などの先進微細加工技術から,計測制御技術,細胞培養,機械システム設計製作などの基礎技術を有している.

キーワード

MEMS,微細加工,マイクロ・ナノメカトロニクス,ロボティクス,バイオメディカル応用

保有技術

  • MEMSセンサ・アクチュエータ技術
  • マイクロ流体チップの加工,計測,システム制御
  • マルチポリマーによる生体モデルのマルチスケール加工
  • 水晶式センサの加工から計測システム構築

主な機器

  • マスクアライナー,レーザ描画装置,スパッタ,ICP,DRIEなどのMEMSプロセス装置,形状計測装置,各種加工機,サンドブラスト,光学顕微鏡各種(ほぼ全機種),マルチビーム光ピンセット

主な特許

  • 特許第3613568号 「立体モデル」:平成15年5月1日出願、平成16年11月5日登録

主な論文

  • High-speed separation system of randomly suspended single living cells by laser trap and dielectrophoresis, Electrophoresis, 22-2, (2001), 283-288.
  • Assembly of Nanodevices with Carbon Nanotubes through Nanorobotic Manipulations, Proceedings of the IEEE, 91-11, (2003), 1803-1818.
  • On-chip magnetically actuated robot with ultrasonic vibration for single cell manipulations, Lab on a chip, Vol. 11, No. 12, pp.2049 - 2054 (2011-June).
  • Miniaturized load sensor using quartz crystal resonator constructed through microfabrication and bonding, ROBOMECH Journal, 1:3, (7 pages), July 2014.