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医療分野における材料と機能膜

  • Materials and Functional Membranes in Realm of Healing
(2005年『医療用マテリアルと機能膜』普及版)

商品コード: B0965

  • 監修: 樋口亜紺
  • 発行日: 2011年6月
  • 価格(税込): 5,400 円
  • 体裁: A5判,328ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0335-2

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刊行にあたって

 近年,医療は,これまでの医師の治療における診断能力,手術能力に加えて,いかなる医療機器や医療材料を用いるかによっても成否が左右されるようになってきた。つまり,患者の救済は医師個人の力のみならず,製薬,診断キット,診断機器,医療材料に依存するようになってきているのである。自分の研究開発している医療材料が,何万人,何十万人の尊い命を救える可能性につながっていることを考えると,医療材料の研究は,サイエンスの中でも,最も醍醐味のある研究といえよう。
 司馬遼太郎著作の「胡蝶の夢」によれば,江戸時代の医者は,顕微鏡や手術の道具を自分たちで作り,薬も医者が調合していた。一方,近代医学では,医療が複雑になったために,これらの仕事は分業されてきた。薬は製剤メーカー(原料は化学メーカー)と薬剤師,医療機器や医療材料(バイオマテリアル)は,精密機器メーカーや化学メーカーが作ることになってきている。医療研究は,医者,分子生物学者,さらには理工学部の科学者が,これまで独立に行ってきた。
 しかし,今後,医者と理工学部の科学者やエンジニアとが協力して研究することは,今までにない分野の医療を開発することができる可能性を潜めている。例えば,化学者のMITのランガー教授は医者のバカンティ教授と共同研究により,鼻,耳,皮膚などの組織を細胞と化学材料で作成する「組織工学」を提案した。このように,理工学部の科学者やエンジニアと医者との共同研究により,次世代の医療技術を開発して社会に貢献できることを,私たちは願っている。これはまさに,江戸時代の「医療の原点」に戻ったともいえる。
 本書は,高分子の合成・改質・生物・細胞工学,化学工学,デバイス技術などを駆使した,再生医療時代における新しい医療用材料の開発についてまとめたもので,医療現場に直接関与している諸先生方ならびに医療材料を研究されている第一人者により執筆されている。本書が,理工学部の科学者やエンジニアの方々に,医療分野における材料の理解,特に機能膜の理解に役立つことを願っている。
 最後に,本分野でご活躍の先生方には,ご多忙中,ご執筆いただき,大変感謝いたします。また,本書の刊行にあたり,協力いただいたシーエムシー出版の栗島氏に感謝の意を表します。

2005年5月  成蹊大学 樋口亜紺

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2005年に『医療用マテリアルと機能膜』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年6月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

樋口亜紺   成蹊大学 理工学部 物質生命理工学科 教授
        (現)台湾・国立中央大学 化学工程材料学科 教授
川上浩良   (現)首都大学東京 都市環境学部 分子応用化学コース 教授
大矢裕一   (現)関西大学 化学生命工学部 教授
石原一彦   (現)東京大学大学院 工学系研究科 マテリアル工学専攻 教授
岸田晶夫   (現)東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 教授
和田茂久   (現)東レ(株) 医療材技術部
菅谷博之   (現)東レ(株) 先端材料研究所 先端医療材料研究ユニット リサーチフェロー・研究主幹
赤池敏宏   (現)東京工業大学大学院 生命理工学研究科 教授
村上哲平   東京工業大学大学院 生命理工学研究科
赤野恭子   東京工業大学大学院 生命理工学研究科 研究員
楊  軍   東京工業大学大学院 生命理工学研究科 研究員
金森敏幸   (現)(独)産業技術総合研究所 幹細胞工学研究センター 医薬品アッセイデバイスチーム
酒井宏水   早稲田大学 理工学総合研究センター 助教授
        (現)早稲田大学 バイオサイエンスシンガポール研究所 主任研究員・准教授
宗慶太郎   早稲田大学 理工学総合研究センター 講師
        (現)早稲田大学 先端生命医科学センター(TWIns)
武岡真司   早稲田大学 理工学術院 教授
小林紘一   慶應義塾大学 医学部 呼吸器外科 教授
土田英俊   早稲田大学 理工学総合研究センター 名誉教授;顧問研究員
保々恭子   東京女子医科大学 心臓血管外科学講座 助手
松村剛毅   (現)東京女子医科大学 心臓血管外科 助教
新岡俊治   (現)米・Yale大学 医学部 小児心臓血管外科 部長
黒柳能光   北里大学 医療衛生学部 人工皮膚研究開発センター 教授
西村隆雄   (現)旭化成クラレメディカル(株) 知的財産マネジメント部 部長
安武幹智   (現)旭化成クラレメディカル(株) 医療製品開発本部 研究開発部 部長
似鳥嘉昭   旭化成メディカル(株) 知的財産マネジメント部 部長
真鍋征一   (現)(株)セパシグマ シグマーリサイクル技術研究所 代表取締役社長・研究所長
斎藤恭一   千葉大学 工学部 共生応用化学科 教授
松岡由季   成蹊大学 理工学部 物質生命理工学科 助手
林 静恵   成蹊大学 理工学部 物質生命理工学科
西尾広介   東京工業大学大学院 生命理工学研究科
池田森人   東京工業大学大学院 生命理工学研究科
成松宏樹   東京工業大学大学院 生命理工学研究科
壺内信吾   東京工業大学大学院 生命理工学研究科 博士研究員
郷右近展之  東京工業大学大学院 生命理工学研究科 助手
        (現)新潟大学 超域研究機構 准教授
半田 宏   (現)東京工業大学 ソリューション研究機構/大学院生命理工学研究科 生命情報専攻 教授
吉川正和   (現)京都工芸繊維大学大学院 生体分子工学専攻 教授
民谷栄一   (現)大阪大学大学院 工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
永谷尚紀   (現)岡山理科大学 工学部 バイオ応用・化学科 准教授
山村昌平   (現)(独)産業技術総合研究所 健康工学研究部門 バイオマーカー解析グループ 研究員
川口春馬   (現)神奈川大学 工学部 特任教授;慶應義塾大学名誉教授
奥村 綾   慶應義塾大学大学院 理工学研究科 基礎理工学専攻
谷本伸弘   (現)慶應義塾大学 医学部 放射線科学教室(診断) 准教授
中山正道   東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 助手
岡野光夫   (現)東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 所長・教授
松崎典弥   大阪大学大学院 工学研究科 特任助手
        (現)大阪大学大学院 工学研究科 応用化学専攻 助教
明石 満   大阪大学大学院 工学研究科 教授
        (現)大阪大学大学院 工学研究科 応用化学専攻 教授
片山佳樹   九州大学 工学研究院 応用化学部門 教授
由井伸彦   北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科 教授
菊池明彦   東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 助教授
        (現)東京理科大学 基礎工学部 材料工学科 教授

執筆者の所属表記は,注記以外は2005年当時のものを使用しております。

目次

【第I編 バイオマテリアルの基礎】
第1章 バイオマテリアル
1. 合成高分子
1.1 はじめに
1.2 生体防御機構
1.3 高分子材料の生体適合性
1.4 新しいバイオマテリアル
1.5 おわりに

2. 生分解性高分子
2.1 はじめに
2.2 酵素分解型生体内分解吸収性高分子
2.2.1 ペプチド,タンパク質
2.2.2 多糖
2.2.3 核酸
2.3 自然分解型生体内分解吸収性高分子
2.3.1 ポリエステル類
2.3.2 その他
2.4 化学修飾可能な生体内分解吸収性高分子材料
2.5 ポリ乳酸系高分子と親水性高分子のハイブリッド化
2.6 おわりに

3. 表面処理材料
3.1 はじめに
3.2 バイオマテリアルの表面特性
3.2.1 表面の物性制御によるアプローチ
3.2.2 表面機能化によるアプローチ
3.2.3 表面環境の制御によるアプローチ
3.3 水の構造を維持する表面設計論
3.3.1 人工細胞膜構造による自由水表面の創製
3.3.2 水の構造制御と血液適合性の相関
3.4 おわりに

第2章 血液適合性評価法
1. はじめに
2. 血栓形成反応
3. 医療膜材料の生体機能評価
4. タンパク質吸着挙動
4.1 全吸着量の測定
4.2 金コロイド標識抗体を用いた吸着タンパク質の可視化と分布状態の評価
5. 補体系活性化の評価
5.1 全補体消費率の測定
5.2 補体系の活性化測定
6. 細胞系の粘着挙動
6.1 血小板粘着性の評価
6.2 赤血球の溶血性評価
7. 線維芽細胞の接着性評価
8. おわりに

第3章 生体適合性評価法
1. はじめに
2. 生体-材料間の反応と生体適合性
3. 生体適合性の定義
4. 生体適合性試験法
5. 生体適合性試験の新局面
6. 遺伝子発現評価について
7. HSP mRNA発現評価
8. 転写因子発現評価
9. おわりに

【第II編 人工臓器】
第1章 人工腎臓
1. はじめに
2. 血液透析療法に用いられる人工腎臓
2.1 人工腎臓の要求特性
2.2 膜設計
2.2.1 膜素材,膜構造および透過性能
2.2.2 膜の表面特性
2.3 人工腎臓モジュール設計
2.3.1 中空糸膜形状について
2.3.2 血液流れ,透析液流れの均一化
2.3.3 内部濾過促進型人工腎臓
3. 今後の人工腎臓の展開
4. おわりに

第2章 人工肝臓-バイオ人工肝臓と細胞-マトリックス工学
1. はじめに―なぜ人工肝臓開発が必要か?―
2. 人工肝臓開発の歴史と現状
3. 肝細胞の生体外培養と材料設計
4. 生体肝臓の高次構造に学ぶ新しいバイオ人工肝臓の設計をめざして
5. おわりに

第3章 人工心臓膜
1. はじめに
2. 人工心臓と血液ポンプ
3. 人工心臓の分類
4. 開発の歴史
5. 人工心臓膜について
6. おわりに

第4章 人工肺
1. はじめに
2. 人工肺の原理と開発の歴史
3. 膜型人工肺の開発の歴史
4. 人工肺用膜の素材,構造およびガス透過機構
5. 新しい人工肺用中空糸膜
6. 人工肺における装置工学的な工夫
7. 人工肺による中・長期呼吸補助
8. おわりに

第5章 人工赤血球
1. 輸血代替の必要性
2. 赤血球構造(膜)の重要性
3. ヘモグロビン小胞体の構成
4. ヘモグロビン小胞体による酸素輸送効果
4.1 血液希釈
4.2 出血ショック蘇生液
4.3 低酸素領域への酸素輸送
5. ヘモグロビン小胞体の安全度
5.1 血液適合性
5.2 循環動態の恒常性
5.3 代謝過程
5.4 反復投与試験
6. おわりに

第6章 バイオ人工血管
1. はじめに
2. 生体吸収材料
3. 人工血管より再生血管へ
4. バイオ人工血管の移植
5. 組織学的検討
6. 臨床応用のはじまり
7. 臨床応用の現況
8. 現状と問題点
9. おわりに

第7章 人工皮膚(培養皮膚代替物)
1. 生体を最前線で守る皮膚の構造
2. 皮膚の再生
3. 人工皮膚(培養皮膚代替物)の種類
3.1 自家培養表皮
3.2 自家培養真皮
3.3 自家培養皮膚
3.4 同種培養表皮
3.5 同種培養真皮
3.6 同種培養皮膚
4. 北里大学人工皮膚研究開発センターで製造されている同種培養真皮
5. DDSとしての同種培養真皮の設計

【第III編 バイオセパレーション】
第1章 白血球除去フィルター
1. はじめに
2. 基礎技術検討
3. 輸血用白血球除去フィルターの開発
3.1 赤血球製剤用白血球除去フィルター
3.2 血小板製剤用白血球除去フィルター
4. ナノファイバー組み込みによる高機能化の試み
4.1 バクテリアセルロースを組み込んだ繊維複合体
4.2 フィブリル化繊維を組み込んだ繊維複合体
5. 将来展望

第2章 血球分離フィルター
1. はじめに
2. 血球分離フィルター
2.1 血球除去治療器
2.2 フィルター構造と機能
2.3 白血球除去性能
2.4 今後の展開
3. 細胞回収フィルター
3.1 細胞回収の原理
3.2 フィルター構造と機能
3.3 白血球回収性能
3.4 再生医療への展開
4. おわりに

第3章 血漿分離膜
1. はじめに
2. 膜による血漿分離の原理
3. 血漿分離膜に適した膜構造とは
4. 血漿分離器モジュールの最適設計
5. 血漿分離器の使われ方
6. おわりに

第4章 ウイルス除去膜
1. はじめに
2. ウイルス除去膜の濾過によるウイルス除去性能と除去機構
3. ウイルス除去膜の構造の特徴
4. ウイルス除去膜の作製原理
5. ウイルス除去膜のプリオン除去およびデオキシリボ核酸(DNA)除去への適用
6. おわりに

第5章 タンパク質の精製や固定のためのグラフト高分子鎖搭載多孔性膜
1. 高性能な膜材料のしくみ
2. グラフト高分子鎖搭載多孔性膜の作製と評価
3. タンパク質の精製
3.1 リゾチームの濃縮
3.2 血液中のgelsolinの精製
4. タンパク質の固定
4.1 キラルセレクターの固定
4.2 酵素の固定
4.3 抗体の固定
5. まとめ

第6章 医療用細胞分離膜とアフィニティーカラム
1. はじめに
2. アフィニティーカラムを用いた細胞分離
3. 医療用機能膜を用いた血球細胞の分離
3.1 多孔膜を用いた細胞分離実験方法
3.2 血球細胞の膜分離実験
4. 多孔膜を用いた間葉系幹細胞の分離
4.1 多孔膜を用いた間葉系前駆細胞の分離実験
5. おわりに

第7章 磁性ビーズ開発と医療への展開
1. はじめに
2. 表面修飾法
3. SGビーズ
4. 磁気分離担体としての磁性粒子
5. 新規アフィニティー磁性粒子の開発
6. MRI造影剤を目指した磁性粒子開発への展開

第8章 光学分割膜
1. はじめに
2. 光学分割膜の分子設計
3. 分離膜による光学分割
3.1 液膜による光学分割
3.2 高分子膜による光学分割
4. おわりに

【第IV編 医療用センサーと診断技術】
第1章 医療・診断用バイオセンサー
1. バイオセンサー
2. ナノ構造体を用いた新たな電極型遺伝子センサー
3. 携帯型遺伝子センサー
4. 水晶振動子を用いる免疫センサー
5. マイクロ流体型および集積型免疫センサー
6. 局在プラズモンデバイスによる非標識免疫チップ
7. パルスイムノアッセイチップ
8. 細胞チップとその応用
8.1 細胞チップを用いたアレルゲンの測定
8.2 集積型Single B Cellチップと抗体スクリーニング
9. おわりに

第2章 表面プラズモン共鳴(SPR)センサーによるDNA識別―感度と識別能の向上にむけて―
1. はじめに
2. 表面プラズモン共鳴を利用する微小吸着量の測定
3. SPRセンサーチップ表面の構造設計
4. SPRによるDNA識別
5. 感度向上のための微粒子の利用
6. 点変異識別能を高めるための微粒子の利用
7. おわりに

第3章 磁性微粒子を用いたMRI診断
1. はじめに
2. 超常磁性酸化鉄製剤SPIO(superparamagnetic iron oxide)の現状
2.1 肝特異性造影剤としての応用
2.2 リンパ節造影剤としての応用
2.3 血液プール造影剤としての応用
2.4 動脈壁Plaque imagingへの応用
2.5 molecular imaging
2.6 再生医療への応用
3. おわりに

【第V編 治療用バイオマテリアル】
第1章 高分子ミセルを用いた標的治療
1. はじめに
2. 薬物のターゲティング
2.1 ターゲティングの方法論
2.2 薬物キャリアに必要とされる性質
3. 高分子ミセル型ドラッグキャリア
4. インテリジェント治療を目的とするマルチターゲティングシステム
4.1 温度応答性高分子ミセルを用いる薬物治療
4.2 光線力学療法と高分子ミセル
5. 高分子ミセル型ナノキャリアを用いた遺伝子デリバリーシステム
6. おわりに

第2章 ナノ粒子とバイオメディカル
1. はじめに
2. コア-コロナ型高分子ナノ粒子のバイオメディカルへの応用
2.1 コア-コロナ型高分子ナノ粒子
2.2 コア-コロナ型高分子ナノ粒子を応用したペプチド医薬の経口DDS
2.3 コア-コロナ型高分子ナノ粒子を応用したエイズワクチン開発
3. ナノ粒子を応用した遺伝子治療
4. 他のナノ粒子のバイオメディカルへの応用
5. おわりに

第3章 薬物放出型ナノ粒子
1. はじめに
2. 薬物内包カプセル
3. 薬物放出性ナノゲル
3.1 pH変化による放出制御
3.2 温度変化による放出制御
3.3 その他の刺激による放出
4. 薬物放出型高分子ミセル
5. おわりに

第4章 超分子バイオマテリアルによる新しい治療
1. はじめに
2. 生体との多価相互作用亢進のためのバイオマテリアル設計の必要性
3. 多価相互作用性バイオマテリアル戦略としてのポリロタキサンの可能性
4. 加水分解制御型ポリロタキサン・ヒドロゲルによる組織再生の可能性
5. おわりに

第5章 細胞シート工学のための温度応答性表面
1. はじめに
2. 温度応答性培養皿の特徴と細胞の接着・脱着挙動
3. 温度応答性培養皿を用いた組織構築
3.1 単層組織
3.1.1 角膜上皮組織の再生
3.1.2 歯根膜再生による歯周病治療
3.2 重層化組織
3.2.1 心筋組織の再生
3.2.2 膀胱再建を目指した尿路上皮組織の構築
3.2.3 異種細胞の重層化による肝小葉類似構造の構築
4. 温度応答性培養皿の機能化
4.1 親水性基の導入と脱着の高速化
4.2 細胞のパターニングによる任意形状の細胞シートの調製と共培養への応用
4.3 ペプチド・タンパク質固定による機能化
5. おわりに
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