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ナノ融合による先進バイオデバイス

  • Advanced interdisciplinary biodevices based on nanotechnology
★ 分野を越えたナノ融合領域における研究の最前線,ナノバイオデバイスを一挙紹介!
★ 生体分子をいかに利用・制御するか,分野を支える要素技術を詳説!
★ 創薬や疾病診断,環境への応用など,本格的な実用化に向けた研究開発情報を多数掲載!

商品コード: T0828

  • 監修: 民谷栄一
  • 発行日: 2011年11月
  • 価格(税込): 73,440 円
  • 体裁: B5判,267ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0487-8

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  • ナノバイオデバイス/生体機能材料/生体情報変換/生体エネルギー変換/ナノマテリアル/ナノ構造体/ナノデバイス/バイオセンサー/バイオチップ

刊行にあたって

 ナノバイオデバイスとは,ナノマテリアルやナノ構造作成技術により実現したナノデバイスと生体機能材料との融合により各分野へ応用展開される極めて先進的なプロダクトを示す。21世紀は,ナノテクイブイニシアチィブで幕開けし,ナノに関するサイエンス,テクノロジーが順調に成長している。ナノ領域の現象は,化学,物理学,生物学分野を越えてきわめて本質的に意義があり,既存の学問の枠にとらわれないまさしく融合領域の研究分野である。近年,ナノマテリアルやナノ構造制御により,光や電位などの局所場(ナノ領域)の特性を解析する手法やナノ空間制御された分子複合体/高分子の設計創成が進展しており,これらの成果を用いたバイオ分子の機能解析やその応用なども進んでいる状況を踏まえ,ナノバイオデバイスに関連する本企画を行った。
 バイオデバイスが注目する生体の行う情報変換やエネルギー変換では,これらを担う分子が存在し,それらの分子化学反応によりそれらの機能が発現している。いうまでもなく。これらの分子反応は,酵素触媒や生体分子間の選択的相互作用により,基本的には常温常圧条件下で活性化され進行するため,極めて効率の良い分子システムである。遺伝情報,脳神経情報,生体防御情報(免疫など)などの生体情報変換には,細胞膜,染色体,神経シナプスなど分子複合体から構成されるナノ構造体が反応場を提供している。その中でも生体分子の持つ分子認識機構や触媒機構を応用したバイオセンサーやバイオチップに関連したナノバイオデバイスの進展が目覚ましい。例えば,ナノ金属構造を活用した局在プラズモン共鳴抗体アレイ,CNTをゲートに配置したCNTーFETバイオデバイス,ナノポアやナノピラー構造を用いたバイオデバイなどが開発されている.一方,生体の基本単位である細胞機能を明らかにするためのナノ走査バイオイメージング,創薬のための細胞チップなども有用である。その他,感覚を模倣した五感センサー,環境センサーなども進められている。
 以上をふまえて本書は目次に示すような構成となっている。本書がこの関連する読者に有意義な情報が提供できることを望んでいる。

著者一覧

監修者
民谷栄一   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

執筆者一覧(執筆順)
前橋兼三   大阪大学 産業科学研究所 准教授
畠山 士   東京工業大学 ソリューション研究機構 特任講師
半田 宏   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 教授
増田光俊   (独)産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター 研究チーム長
坂本 健   東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 助教
西村達也   東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 助教
加藤隆史   東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 教授
岸村顕広   東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 助教
小澤龍彦   富山大学 大学院医学薬学研究部(医学)免疫学 助教
岸 裕幸   富山大学 大学院医学薬学研究部(医学)免疫学 准教授
村口 篤   富山大学 大学院医学薬学研究部(医学)免疫学 教授
高木昌宏   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 教授
濱田 勉   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授
萩原秀幸   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科
辻野義雄   千葉科学大学 薬学部 教授
平塚祐一   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 准教授
植田充美   京都大学 大学院農学研究科 教授
神保泰彦   東京大学 大学院新領域創成科学研究科 教授
森口裕之   東京大学 大学院新領域創成科学研究科 講師
榛葉健太   東京大学 大学院新領域創成科学研究科
寺村裕治   京都大学 放射性同位元素総合センター 助教
岩田博夫   京都大学 再生医科学研究所 教授
安井隆雄   名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻;革新ナノバイオデバイス研究センター 大学院生
渡慶次学   名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻;革新ナノバイオデバイス研究センター 准教授
馬場嘉信   名古屋大学 大学院工学研究科 化学・生物工学専攻;革新ナノバイオデバイス研究センター 教授
斉藤真人   大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 助教
遠藤達郎   大阪府立大学 大学院工学研究科 物質・化学系専攻 応用化学分野 准教授
松崎典弥   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 助教
西口昭広   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 博士前期課程学生
門脇功治   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 博士後期課程学生
明石 満   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 教授
小西 聡   立命館大学 理工学部 教授
吉川裕之   大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 助教
谷口正輝   大阪大学 産業科学研究所 准教授
川合知仁   大阪大学 産業科学研究所 特任教授
珠玖 仁   東北大学 大学院環境科学研究科 准教授
末永智一   東北大学 原子分子材料高等研究機構;大学院環境科学研究科 教授
宮原裕二   東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 制御分野 教授
合田達郎   東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 制御分野 助教
Le Quynh Hoa  大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻
加藤功一   広島大学 大学院医歯薬学総合研究科 教授
納谷昌之   富士フイルム(株) R&D統括本部 先端コア技術研究所 主席研究員
岡本浩治   田中貴金属工業(株) メディカル部 執行役員,部長
岩本久彦   田中貴金属工業(株) メディカル部 チーフマネージャー
榊原雄広   田中貴金属工業(株) メディカル部 リーダー
芝井勇亮   田中貴金属工業(株) メディカル部 次席技術員
永井秀典   (独)産業技術総合研究所 健康工学研究部門 研究員
三林浩二   東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 計測分野 教授
山口佳則   大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 大阪大学フォト二クスセンター 特任准教授
岩崎 弦   NTTマイクロシステムインテグレーション研究所 マイクロセンサ研究グループ 主任研究員
高村 禅   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 教授
黒田章夫   広島大学 大学院先端物質科学研究科 教授
石田丈典   広島大学 大学院先端物質科学研究科 特任助教
竹山春子   早稲田大学 理工学術院 教授
モリテツシ  早稲田大学 理工学術院 助教
庄子習一   早稲田大学 理工学術院 教授 

目次

【第1編 要素技術】
第1章 ナノマテリアル
1 グラフェンの特性とバイオデバイスへの展開 
1.1 はじめに
1.2 グラフェンの特性と電界効果トランジスタ
1.3 グラフェン電界効果トランジスタの作製
1.4 溶液中でのグラフェン電界効果トランジスタの特性およびpH依存性
1.5 グラフェン電界効果トランジスタを用いたタンパク質の検出
1.6 おわりに

2 高機能性ナノ磁性粒子と医療・バイオへの応用
2.1 はじめに
2.2 FGビーズの作製とそれを用いたアフィニティ精製技術
2.3 高機能性蛍光・磁性ビーズ(FFビーズ)の作製と応用
2.4 二段階リガンド交換反応を用いた水高分散性ナノ磁性微粒子の作製とバイオメディカル分野への応用
2.5 おわりに

3 有機ナノチューブの構築とナノバイオ応用  
3.1 はじめに
3.2 ナノチューブの応用のための技術
3.2.1 形成メカニズム
3.2.2 テーラーメード化
3.2.3 ゲストカプセル化と放出
3.3 ナノバイオへの応用
3.3.1 ナノ空間でのタンパク質の安定性化
3.3.2 ベクター機能
3.3.3 バイオインターフェース機能
3.3.4 安全性
3.4 まとめ

4 バイオミネラリゼーションにならう有機/無機ナノ融合材料の開発 
4.1 はじめに
4.2 真珠層形成とそれにならうCaCO3薄膜形成
4.3 水溶性ペプチドを用いたCaCO3薄膜の配向制御
4.4 規則構造を有する高分子基板を用いた複合材料作製
4.5 生体にならう金属酸化物の構造制御によるナノデバイス作製
4.6 まとめ

5 ナノマテリアルの生体内利用とナノDDS,ナノ生理学へのアプローチ 
5.1 ナノマテリアルの生体内利用
5.2 ナノ材料と生体の相互作用:ナノバイオデバイスの設計に向けて
5.3 ナノバイオデバイスのDDSへの応用
5.3.1 低分子薬剤のデリバリー:制がん剤を例として
5.3.2 生体高分子のデリバリー:遺伝子・核酸・タンパク質をどう扱うか
5.3.3 ナノマテリアルを用いたバイオイメージング
5.4 ナノバイオデバイスの物性と生体内でのふるまい
5.4.1 ナノデバイスのサイズの効果
5.4.2 ナノデバイスの形態の効果
5.4.3 表面構造・表面物性の効果
5.4.4 硬さの効果
5.5 おわりに:ナノ生理学に向けて

第2章 ナノバイオテクノロジー
1 シングル細胞チップと抗体医薬への応用 
1.1 はじめに
1.2 シングル細胞チップ
1.3 抗原特異的リンパ球の検出
1.3.1 MAC-CCD system:細胞内Ca2+濃度を測定する方法
1.3.2 ISAAC法:抗体産生B細胞が分泌する抗体を可視化する方法
1.4 抗体医薬への応用
1.5 おわりに

2 巨大リポソームの界面活性剤誘起ダイナミクス
2.1 はじめに
2.2 界面活性剤
2.3 脂質と界面活性剤の相互作用
2.4 界面活性剤の刺激性評価(動物実験の現状)
2.5 脂質と蛍光色素
2.6 膜ダイナミクス
2.7 膜孔形成とドレイズスコアの相関性
2.8 まとめ

3 生体分子モーターデバイス 
3.1 はじめに
3.2 モータータンパク質とは
3.3 キネシン・微小管運動のμTASへの応用
3.4 微小回転モーター
3.5 モータータンパク質で駆動するディスプレイ
3.6 まとめ

4 細胞表層デザインナノ工学 
4.1 はじめに
4.2 分子ディスプレイ:アーミング技術によるタンパク質機能検索のハイスループット化
4.3 高速で簡便な網羅的タンパク質ライブラリーの作製
4.4 スクリーニングの高速自動化のナノテクノロジーからの対応
4.5 おわりに

5 神経細胞ネットワークの構成と活動計測 
5.1 はじめに
5.2 発生・発達過程における標的認識と突起伸長
5.3 人工環境下での神経突起伸長制御
5.4 小規模神経回路の構築と活動計測
5.5 神経系の再生医療に向けた細胞ネットワークin vitro再構成
5.6 まとめ

6 細胞表層デザイン 
6.1 DNA-PEG脂質の細胞表面修飾
6.1.1 PEG脂質を用いた細胞表面修飾法
6.1.2 細胞の二次元配列への応用
6.2 細胞表面修飾の糖尿病治療への応用
6.2.1 膵島表面への抗凝固活性の付与
6.2.2 細胞による膵島のカプセル化
6.3 おわりに

第3章 ナノファブリケーション
1 ナノピラーデバイス・ナノウォールデバイス 
1.1 はじめに
1.2 ナノピラーデバイス・ナノウォールデバイスの作製
1.3 ナノピラーデバイスを用いた生体分子の分離分析
1.4 ナノウォールデバイスを用いた生体分子の分離分析
1.5 おわりに

2 ナノインプリント 

3 プリンタブルフォトニクス 
3.1 はじめに
3.2 プリンタブルフォトニクス
3.3 プリンタブルフォトニクスによって作製したフォトニック結晶
3.3.1 フォトニック結晶とは
3.3.2 フォトニック結晶を用いたバイオセンシング
3.4 プリンタブルフォトニクスデバイスを用いたナノバイオデバイス
3.4.1 抗原抗体反応の非標識検出
3.4.2 フォトニック結晶を用いた唾液中インフルエンザウイルスの検出
3.5 おわりに

4 ナノ薄膜による細胞の三次元操作 
4.1 はじめに
4.2 細胞積層法
4.3 血管モデル組織の構築と薬剤応答評価
4.4 インクジェットプリントを応用した組織チップの構築と薬剤応答評価
4.5 細胞集積法による血管網を有する積層組織の短期構築
4.6 まとめ

5 微細加工できるカーボン:パイロポリマーとデバイス 
5.1 はじめに
5.2 微細加工できるカーボン材料:パイロポリマー
5.3 パイロポリマーの微細構造
5.4 パイロポリマーを用いた電気化学デバイス
5.5 おわりに

第4章 ナノフォトニクス,ナノエレクトロニクス
1 ナノフォトニックバイオセンサー 
1.1 はじめに
1.2 微小共振器構造
1.3 干渉性ナノ薄膜およびフォトニック結晶構造
1.4 貴金属ナノ構造:表面プラズモン共鳴の利用
1.5 貴金属ナノ構造:局在表面プラズモン共鳴の利用
1.6 まとめ

2 ナノポアデバイス 
2.1 はじめに
2.2 ナノポアデバイスとは
2.2.1 バイオ・固体ナノポアデバイス
2.2.2 ゲーティングナノポアデバイス
2.3 ゲーティングナノポアデバイスの作製方法
2.4 ゲーティングナノポアデバイスによる1塩基分子識別
2.5 ナノポアデバイスによる変異塩基分子の1分子識別
2.6 おわりに

3 電気化学ナノイメージング 
3.1 はじめに
3.2 多点計測デバイスを用いた電気化学イメージング
3.3 走査型電気化学顕微鏡(SECM)
3.4 ナノスケールで顕著になる電気化学的現象について

4 ナノバイオFET 
4.1 はじめに
4.2 ナノ材料・ナノ構造を用いたバイオFET
4.3 ナノバイオFETの新たな挑戦
4.3.1 電荷標識による高感度タンパク質検出
4.3.2 ヘアピンアプタマーとDNAバインダーによる"電荷フリー"なFET検出法
4.3.3 動的界面を利用した"デバイ長フリー"なFET検出法
4.3.4 糖鎖シアル酸認識FETの構築と診断デバイスとしての応用
4.4 バイオセンサの将来展望

5 Nanotechnology for Biomass based-fuel cells 
5.1 Introduction
5.1.1 Nanotechnology and its applications in fuel cells
5.1.2  Biomass derived-biofuels for fuel cells
5.2  Biomass based-fuel cells
5.2.1  A novel compact single chamber Biohydrogen fuel cell
5.2.2  Functionalized carbon nanotubes supporting matrices for Direct ethanol fuel cells
5.3  Summary and future directions

【第2編 応用技術】
第5章 細胞チップ分析による生体材料スクリーニング 
1 はじめに
2 合成高分子のスクリーニング
3 細胞外マトリックスのスクリーニング
4 増殖因子のスクリーニング
5 おわりに

第6章 配列化陽極酸化アルミニウム基板を用いる局在プラズモンセンサ 
1 はじめに
2 局在プラズモンバイオセンサ
2.1 局在プラズモンセンサ
2.2 配列化ポーラスアルミナ基板
3 吸収型局在プラズモンセンサ
4 表面増強ラマン散乱センサ
4.1 表面増強ラマン散乱センサ
4.2 金ナノマッシュルームアレイ
4.3 特性
4.4 バイオサンプルの測定
5 まとめ

第7章 イムノクロマト診断薬の高感度化,金ナノ粒子側からのアプローチ 
1 背景
2 イムノクロマト診断薬の抱えている課題
2.1 捨てていた抗体
2.2 高感度化のニーズ
3 高感度化の手法,金ナノ粒子側からのアプローチ
3.1 抗体探索技術
3.2 金ナノ粒子技術
3.3 貴金属表面加工技術,抗体をつける技術
3.4 非特異反応抑制技術
4 応用例の紹介
4.1 高病原性鳥インフルエンザウイルス検出試薬の開発
4.2 前立腺がんの早期発見に期待
4.3 食品中の豚肉を高感度で検出
5 結語

第8章 生物テロセンシング 
1 過去の生物テロ事案
2 生物剤の種類
2.1 リシン
2.2 ボツリヌス毒素
2.3 炭疽菌
3 BioWatchプログラムにおける取り組み
4 個々の生物剤に対する検知法
4.1 リガンドとして糖鎖を用いた生物毒素の検知
4.2 リアルタイムPCR法を用いた炭疽菌の検知
5 今後の課題と展望

第9章 無意識生体モニタリングのためのウエアラブル化学センサと生化学式匂いセンサ 
1 はじめに
2 柔軟性に優れたコンタクトレンズ型センサによる血糖評価の可能性
2.1 高分子材料とMEMS技術を用いたコンタクトレンズ型バイオセンサ
2.2 コンタクトレンズ型センサによるin situ涙液グルコース計測
3 高感度・高選択性を有する生化学式ガスセンサ(バイオスニファ)
3.1 UV-LED光源を用いたホルムアルデヒドガス用蛍光バイオスニファ
3.2 エタノールガス用可視化スニファと飲酒後呼気の可視化計測
4 おわりに

第10章 フォトニック心筋細胞デバイス 
1 はじめに
2 心筋細胞の拍動解析方法
3 画像分析による心筋細胞の拍動解析
4 薬物投与による心筋拍動の画像解析による定量
5 まとめ

第11章 表面プラズモン共鳴法によるナノ領域測定と簡便な生体分子センサー 
1 はじめに
2 生体分子の簡単測定
3 SPRの原理とメリット
4 SPR法とマイクロ流路の融合による抗原の迅速・簡便測定
5 まとめ

第12章 微小流体デバイスを用いた生体材料の分離・検出 
1 はじめに
2 微小間隙チップを用いた母体血中の有核赤血球の分離
3 1細胞向けn×m DNA解析アレイチップ

第13章 ナノ分子デザインによるアスベストバイオプローブの作成 
1 はじめに
2 アスベストとは
3 アスベストの分析方法
4 アスベスト結合タンパク質
5 アスベスト結合タンパク質を利用した検出法
6 蛍光タンパク質と蛍光顕微鏡による大気中アスベスト検出
7 ナノ分子デザインのよるアスベストバイオプローブの改良
8 公定法化へ向けた戦略

第14章 マイクロ流体デバイスのバイオ計測への応用 
1 はじめに
2 マイクロ流体デバイスを用いたマイクロドロップレット作成
2.1 並列分割型マイクロ流体デバイスを用いたマイクロドロップレット作成
2.2 ドロップレット―マイクロ流体デバイスの生体分子解析への応用
3 DNA分子のデジタル計測・定量技術
4 統合検出システムの開発
5 おわりに
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