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ナノバイオエンジニアリングマテリアル
〜バイオインターフェイス・ナノバイオプロセッシング・バイオコンジュゲーション・バイオマトリックス〜
[コードNo.04FTB001]

■監修/ 石原 一彦(東京大学教授)
■体裁/ B5判 350頁
■発行/ 2004年 3月 15日 (株)フロンティア出版
■定価/ 54,000円(税込価格)

刊行のねらい
 医療、食糧、環境あるいはエネルギーなど、現代の抱える問題の解決に、ナノバイオ
テクノロジーの発展が期待されている。ゲノム解析の終わった現在、遺伝子自体の検査、
診断、解析がすすみ、これから生み出されるプロテオームもタンパク質試薬、創薬の可
能性から、高い注目が集まっている。一方、半導体ナノテクノロジーの分野からは超精
密微細加工技術が提供され、バイオ分子の分離、分析が微量で行えるようになってきた。
タンパク質、DNAなどの生命の起源にかかわるバイオ分子をナノオーダーで扱うこれ
らの技術の複合化は、これからのバイオ関連分野に革命をもたらすであろう。まさに、
ナノバイオテクノロジー時代である。
 一方で、テクノロジーをエンジニアリングへと変換するためのツールを考えてみると、
まだまだこれに追いついていない状況が見て取れる。バイオ分子を安全に、安定に、ま
たその特徴である生物学的特異性を維持したまま、人工系に取り込んでこそ、社会に貢
献できるバイオエンジニアリングが確立される。バイオ系と人工系の接触界面での反応
を制御することが、鍵となることは間違いない事実である。これを考えると、基盤とな
るマテリアルについての知識が極めて重要となる。例えば、シリコン、ガラスやプラス
チックなど、基盤となる優れた材料はあるものの、バイオ分子の吸着がゼロである材料
は存在しない。これは、ナノオーダーのバイオエンジニアリングを研究、開発する際に
は大きな障害になっている。また、プロテオミクスにて生み出される有用タンパク質を、
安定化し、溶解性を高めるポリマーマテリアルも必要であろう。これらのマテリアルを
“ナノバイオエンジニアリングマテリアル”として位置づけ、既存の基盤材料、バルク
材料とは全く異なる考え方、設計論で創製しなければならない。ナノバイオエンジニア
リングの領域を戦略的に研究開発するためには、マテリアルを持つことが不可欠である。
 国際的にも、我が国のマテリアル研究はトップであることは周知のことである。バイ
オ研究では我が国は残念ながら世界に遅れを取り、多くの技術が欧米で企業化された。
しかし、ここで我が国の得意とするマテリアル研究の成果を投入し、ナノバイオエンジ
ニアリング戦略を展開すれば、十分に世界の頂点に立つことができ、先導できることは
間違いない。知の集積、融合を図るために、まず関連する分野のみならず周辺分野の方
々が、ナノバイオエンジニアリングマテリアルに対して共通認識することが大切である
と考えた。本書は、このような観点から、バイオ系と人工系との理想的界面であるバイ
オインターフェイス、バイオ分子の超微量を実現するナノバイオプロセッシング、バイ
オ分子の特性を高めるバイオコンジュゲーション、先端バイオデバイスを創製するバイ
オマトリックスの4領域で、現在の我が国における最先端バイオマテリアルの研究者を
著者として選択し、その研究内容について解説いただいたものである。今後のナノバイ
オエンジニアリングでイニシアティブを取るためにも、是非、本書の内容をご理解いた
だき、研究開発の多くのヒントを得ていただきたいと切望する。
 (本書まえがきより)                       石原一彦

執筆者一覧(執筆順)
石原一彦
岩崎泰彦
中山泰秀
芹澤 武
古賀智之
高原 淳
大塚英典
長崎幸夫
片岡一則
藤本啓二
田中 賢
下村政嗣
古薗 勉
岸田晶夫
田中順三
源明 誠
北野博巳
中尾愛子

片桐裕司
沖 明男
小川洋輝
堀池靖浩
佐藤記一
北森武彦
黒澤 茂
朴 鍾元
愛澤秀信
高井まどか
金野智浩
大矢裕一
宮田隆志
佐藤香枝
前田瑞夫
原田敦史
坂口浩二
北野 茂
丸山 厚
秋吉一成
澤田晋一
由井伸彦
石井武彦
菊池明彦
小川 涼
樋口亜紺
吉田 亮
青柳隆夫
渡邉順司
白石浩平
杉山一男
川上浩良
大谷 亨
木村 祐
田畑泰彦
東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 教授
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 助教授
国立循環器病センター研究所 生体工学部 室長
東京大学 先端科学技術研究センター 助教授
九州大学 大学院工学府 物質創造工学専攻 博士課程
九州大学 先導物質化学研究所 教授
物質・材料研究機構 生体材料研究センター人工臓器材料グループ 主任研究員
東京理科大学 基礎工学部材料工学科 教授
東京大学 大学院工学研究科 マテリアル工学専攻 教授
慶応義塾大学 大学院理工学研究科 基礎理工学専攻 助教授
北海道大学 電子科学研究所 分子認識素子研究分野 助手
北海道大学 電子科学研究所 附属ナノテクノロジー研究センター 教授
国立循環器病センター研究所 生体工学部 室長
国立循環器病センター研究所 生体工学部 部長
物質・材料研究機構 生体材料研究センター センター長
富山大学 工学部物質生命システム工学科 助手
富山大学 工学部物質生命システム工学科 教授
理化学研究所 先端技術開発支援センター ビームアプリケーションチーム
副チームリーダー
(株)AIバイオチップス 代表取締役
物質・材料研究機構 生体材料研究センター 産学連携チーム 博士研究員
科学技術振興機構 研究員
神奈川科学技術アカデミー 光科学重点研究室マイクロ化学グループ 研究室長
東京大学 大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 助手
東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 教授
産業技術総合研究所 環境管理研究部門 計測技術グループ 主任研究員
産業技術総合研究所 環境管理研究部門 計測技術グループ
産業技術総合研究所 環境管理研究部門 計測技術グループ;NEDO フェロー
東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 講師
神奈川科学技術アカデミー 再生医療バイオリアクタープロジェクト 研究員
関西大学 工学部応用化学科 助教授
関西大学 工学部教養化学 助教授
理化学研究所 バイオ工学研究室 基礎科学特別研究員
理化学研究所 バイオ工学研究室 主任研究員
大阪府立大学 大学院工学研究科 物質系専攻 機能物質科学分野 講師
日本油脂(株) DDS事業開発部 修飾剤グループ 主査
日本油脂(株) DDS事業開発部 修飾剤グループ 主査
東京工業大学 大学院生命理工学研究科 助教授
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 教授
東京医科歯科大学 生体材料工学研究所 研究員
北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科 機能科学専攻 教授
東京理科大学 基礎工学部材料工学科
東京女子医科大学 先端生命医科学研究所 助教授
東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 博士課程
成蹊大学 工学部応用化学科 バイオ・医療工学研究室 教授
東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 助教授
鹿児島大学 大学院理工学研究科 ナノ構造先端材料工学専攻 教授
東京大学 大学院工学系研究科 マテリアル工学専攻 助手
近畿大学 工学部生物化学工学科 助教授
近畿大学 工学部生物化学工学科 教授
東京都立大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 助教授
北陸先端科学技術大学院大学 材料科学研究科 助手
京都大学 再生医科学研究所 生体組織工学研究部門 博士課程
京都大学 再生医科学研究所 生体組織工学研究部門 教授

構成と内容
序章 ナノバイオエンジニアリングマテリアルへの期待   石原一彦
 1.ナノテクノロジーとバイオテクノロジーの融合
 2.ナノバイオエンジニアリング時代への序奏
 3.マテリアル工学とナノバイオエンジニアリング
 4.ナノバイオエンジニアリングの展開
 5.ナノバイオエンジニアリングマテリアルの新領域
  (1)バイオインターフェイス
  (2)ナノバイオプロセッシング
  (3)バイオコンジュゲーション
  (4)バイオマトリックス


第T編 バイオインターフェイス
第1章 バイオマテリアル界面の傾斜機能制御   岩崎泰彦  1.はじめに  2.傾斜表面の調製   2.1 パラジウム沈着法   2.2 溶液接触法   2.3 濃度傾斜法    2.4 蒸気拡散法    2.5 高周波プラズマ法   2.6 コロナ放電   2.7 グラフト重合法   2.8 ポリ(ビニレンカーボネートの加水分解)   2.9 多糖内へのアルカンチオールの拡散  3.傾斜表面の解析  4.傾斜表面でのタンパク質吸着および細胞粘着  5.おわりに 第2章 光反応によるバイオマテリアル界面の精密創製   中山泰秀  1.はじめに  2.界面設計に使用されている光反応性化合物  3.従来の界面設計方法  4.光グラフト化による界面設計  5.ハイドロゲルの表面固定化による界面設計  6.光表面リビンググラフト重合による界面の3次元設計  7.レーザーアブレーションを利用した界面設計  8.おわりに 第3章 ポリマー交互積層法による界面構築   芹澤 武  1.はじめに  2.交互積層法  3.バイオ材料の界面構築   3.1 タンパク質の集積と機能発現   3.2 積層薄膜の加水分解   3.3 細胞との親和性   3.4 バイオ検出  4.おわりに 第4章 自己組織化界面の形成とそのキャラクタリゼーション                         古賀智之、高原 淳  1.はじめに  2.化学気相吸着法による有機シラン単分子膜の調製  3.多成分系パターン化有機シラン単分子膜の調製  4.化学修飾カンチレバーを用いた多成分系パターン化有機シラン単分子膜の    表面構造解析  5.おわりに 第5章 機能性高分子表面の創製   大塚英典  1.ヘテロ二官能性ポリエチレングリコール(ヘテロPEG)を利用した    機能性界面の構築  2.再生医工学(ティッシュエンジニアリング)への道  3.高分子ミセルを用いる表面修飾と機能化  4.おわりに 第6章 ポリマー鎖を用いた細胞表層改質技術の開発   藤本啓二  1.エンジニアリングとバイオマテリアル  2.細胞の顔を変えるバイオマテリアル(材料によって生体をだますエンジニアリング)  3.細胞機能を制御するナノマテリアル  4.おわりに 第7章 自己組織化パターン表面の創製と機能   田中 賢、下村政嗣  1.はじめに −微細加工技術−  2.自然界に存在する自己組織化パターン  3.自然界のハニカムパターン構造  4.自己組織化を利用したハニカムパターン化  5.規則的な孔径を有する多孔質薄膜の作製  6.自己組織化多孔質薄膜の構造制御  7.新しいバイオインターフェイス −高分子ピラー構造−  8.選択的細胞分離膜  9.再生医療のための足場材料  10.おわりに 第8章 アパタイト単結晶体/ポリマー複合体界面の特性                      古薗 勉、岸田晶夫、田中順三  1.はじめに  2.HApナノ粒子の粒径および形態制御  3.高分子表面修飾  4.HApナノ粒子による高分子コーティング  5.HAp複合体の生物学的特性  6.おわりに 第9章 生体適合性の発現と水の構造   源明 誠、北野博巳  1.はじめに  2.水の構造 −振動分光法による構造解析  3.固体高分子膜の水  4.高分子水溶液  5.界面の水  6.おわりに 第10章 人工生体膜インターフェイスの創製と機能   石原一彦  1.はじめに  2.ポリマー表面でのバイオ分子の挙動  3.リン脂質極性基の高集積化による人工生体膜構造の構築  4.人工生体膜インターフェイスとしてのリン脂質ポリマーマテリアル  5.リン脂質極性基の高集積化表面の生体適合性
第U編 ナノバイオプロセッシング
第1章 イオンビーム照射によるポリマー表面のバイオ機能化   中尾愛子  1.はじめに  2.イオンビーム照射によるポリマー表面設計  3.機能化表面の創製とキャラクタリゼーション  4.バイオ機能化と表面特性 第2章 レーザー加工によるマイクロ流路創製と生体適合化技術   片桐裕司  1.はじめに  2.レーザー加工について   2.1 ガラス基板材料へのエキシマレーザー加工技術の確立    2.2 ガラス基板材料へのCO2レーザー加工技術の確立  3.マイクロ流路への生体成分吸着抑制法   3.1 タンパク質吸着のメカニズム   3.2 MPCポリマーの最適化   3.3 コーティング条件の検討  4.共有結合タイプと化学結合タイプの効果試験  5.蛍光標識(FITC)した各種検体による吸着回避確認試験 第3章 ヘルスケアチップ創製プロセッシングの基盤技術                       沖 明男、小川洋輝、堀池靖浩  1.はじめに  2.ヘルスケアチップ  3.無痛採血針  4.マイクロ流路形成とマイクロ流路内の生体適合化   4.1 マイクロ流路形成法   4.2 マイクロ流路内壁の生体適合化  5.マイクロチャンネル内での血球・血漿分離  6.微小バイオセンサによる健康マーカ測定  7.将来展望 第4章 マイクロ流路による微小バイオテクノロジー                    渡慶次 学、佐藤記一、北森武彦  1.はじめに  2.マイクロチップ内細胞培養  3.細胞内物質分布の直接計測  4.細胞外分泌物質の分析  5.マイクロバイオアッセイシステム  6.おわりに 第5章 水晶振動子の電極表面へのバイオ分子の固定化法と高感度化の検討                       黒澤 茂、朴 鍾元、愛澤秀信  1.はじめに  2.水晶振動子の質量センサーとしての特性  3.抗DNPモノクローナル抗体を固定化したQCMによる    DNP測定(ダイオキシン測定のモデル実験系)  4.QCM式DNPセンサーの発振周波数変化の化学的および電気的応答増幅の検討  5.MPCポリマーによるQCM上に固定化した抗体の安定化  6.抗ダイオキシンモノクローナル抗体を固定化したQCMによる    ダイオキシン測定条件の検討 第6章 微小バイオセンサーの創製と安定化技術   高井まどか  1.はじめに  2.血液成分分析と電気化学センサー  3.マイクロバイオセンサー  4.医療診断用バイオチップ  5.微小グルコースセンサーの安定化技術  6.おわりに
第V編 バイオコンジュゲーション
第1章 酵素複合固定化ナノ粒子の創製と機能   金野智浩  1.はじめに  2.バイオ分子を特異的に固定化できるリン脂質ポリマーの設計  3.バイオ分子を表面に導入することができるリン脂質ポリマーナノ粒子  4.新しいナノ診断システムの構築(マイクロダイアリシス-ナノ粒子診断)  5.酵素固定化ナノ粒子の機能発現  6.酵素複合固定化ナノ粒子の機能発現  7.おわりに 第2章 DNAの組織化による分子配列制御   大矢裕一  1.はじめに  2.DNA分子組織体  3.DNA組織体による機能分子の配列化  4.おわりに ー高次機能材料としてのDNAの可能性 第3章 バイオコンジュゲートゲルのインテリジェント機能   宮田隆志  1.はじめに  2.物理化学的変化に応答するバイオコンジュゲートゲル  3.糖鎖応答性バイオコンジュゲートゲル  4.タンパク質応答性バイオコンジュゲートゲル  5.おわりに 第4章 DNA/ポリマーコンジュゲーションによる高感度遺伝子解析                            佐藤香枝、前田瑞夫  1.はじめに  2.カチオン性ポリマーの利用  3.熱応答性高分子の利用  4.キャピラリー電気泳動法   4.1 SSCP   4.2 ヘテロ二本鎖分析   4.3 アフィニティーキャピラリー電気泳動法(ACE)  5.おわりに 第5章 酵素内包コアーシェル型ナノ微粒子の外部刺激による酵素機能制御                            原田敦史、片岡一則  1.はじめに  2.酵素内包ポリイオンコンプレックスミセル  3.可逆的なミセル形成に同期した酵素機能のON-OFF制御  4.ナノスコピックな酵素反応場としてのミセル内核  5.パルス電場に応答した酵素機能のON-OFF制御   6.おわりに 第6章 水溶性リン脂質ポリマー可溶化剤の開発   北野 茂、坂口浩二  1.はじめに  2.リン脂質型薬物溶解剤について  3.水溶性リン脂質ポリマー(PUREBRIGHT MB-37)の物性   3.1 PUREBRIGHT MBの安全性    3.1.1 PUREBRIGHT MB-37-50Tの溶血性    3.1.2 静脈内投与によるPUREBRIGHT MB-37-50Tの急性毒性試験    3.1.3 PUREBRIGHT MB-37-50Tの抗原性試験    3.1.4 経口投与によるPUREBRIGHT MB-37-100Tの急性毒性試験   3.2 PUREBRIGHT MB-37の可溶化性能  4.おわりに 第7章 カチオン性くし型共重合体の核酸シャペロン機能   丸山 厚  1.はじめに  2.核酸シャペロン  3.可溶性高分子電解質複合体による核酸ハイブリッドの安定化  4.人工核酸シャペロンとしての共重合体  5.共重合体の核酸シャペロン機能を利用した遺伝子解析  6.おわりに 第8章 分子シャペロンインスパイアード・ナノゲルシステム                         秋吉一成、澤田晋一  1.はじめに  2.分子シャペロン  3.分子シャペロンインスパイアード・ナノゲルシステムの設計および機能   3.1 疎水化多糖ナノゲル   3.2 熱応答性ナノゲル:ハイブリッドナノゲル   3.3 pH応答性ナノゲル  4.ナノゲルの分子シャペロン機能   4.1 疎水化多糖ナノゲルとタンパク質との相互作用   4.2 CHPナノゲルを用いたタンパク質の巻き戻し   4.3 CHPナノゲルを用いたインクルージョンボディータンパク質の巻き戻し   4.4 CHPナノゲルのヒートショックプロテイン機能  5.おわりに 第9章 超分子バイオコンジュゲーション   由井伸彦  1.超分子としてのポリロタキサン  2.バイオコンジュゲーションにおける超分子効果への期待  3.リガンド導入ポリロタキサンによるタンパクとの多価相互作用の亢進  4.おわりに 第10章 非対称ポリエチレンオキシドの創製とバイオコンジュゲーション                           石井武彦、長崎幸夫  1.はじめに  2.ポリエチレンオキシドの物理化学的性質  3.非対称ポリエチレンオキシドの合成  4.タンパク質のPEO修飾  5.薬物・遺伝子キャリアとしてのPEO-リポソーム  6.薬物・遺伝子キャリアとしてのコアーシェル型高分子PEOミセル  7.PEOによる生体適合表面作製と診断への応用  8.金属ナノ粒子・量子ドットによる高感度バイオアッセイ  9.おわりに
第W編 バイオマトリックス
第1章 感温性クロマトグラフィーの創製   菊池明彦  1.はじめに  2.温度変化に伴う孔径制御に基づく分離  3.温度変化に伴う疎水性相互作用の制御に基づく生理活性物質の分離  4.温度で静電相互作用と疎水性相互作用とを同時に制御する分離システム   5.温度変化で特異的相互作用を制御し、選択的分離・精製を実現するカラム  6.おわりに 第2章 生体適合性ポリマーアロイエラストマーの構造と機能                         小川 涼、石原一彦  1.はじめに  2.医療用エラストマー   2.1 医療に利用されるエラストマー   2.2 セグメント化ポリウレタンの表面修飾   2.3 SPU/リン脂質ポリマーアロイによるエラストマーの創製  3.ポリマーアロイエラストマーの生体適合性   3.1 タンパク質の吸着抑制効果   3.2 血小板の粘着と活性化抑制効果   3.3 軟組織に対する適合性  4.SPU/MPCポリマーアロイによる人工血管の創製 第3章 表面化学修飾による高機能バイオ機能分離膜の設計   樋口亜紺  1.はじめに  2.表面修飾ポリスルホン膜の調製と血液適合性評価   2.1 実験方法   2.2 血液適合性評価結果と考察  3.おわりに 第4章 自己拍動機能を持つバイオミメティックゲルの創製と     分子アクチュエータ機能               吉田 亮  1.はじめに  2.自励的膨潤収縮振動のメカニズム  3.振動リズムの制御  4.ゲルが生み出す蠕動運動  5.自励振動ゲルの微細加工によるマイクロアクチュエータ(人工繊毛)の作成  6.ナノアクチュエータへの展開  7.おわりに 第5章 多分岐分子鎖型生分解性ポリマー   青柳隆夫  1.はじめに  2.生分解性ポリエステルのネットワーク構造の構築  3.ポリエチレングリコールを一成分とする生分解性ネットワークと医学への応用  4.DDS素材としての生分解性多分岐ポリエステル  5.生分解性ポリエステルから構成されるデンドリマー  6.おわりに 第6章 ステレオコンプレックス形成による細胞工学マトリックスの創製                                渡邉順司  1.はじめに  2.既往の研究例からみる再生医療に必要な細胞工学マトリックスの特性  3.再生医療用マトリックス設計の最近の展開  4.ステレオコンプレックス形成によるマトリックスの創製  5.おわりに 第7章 アミノ酸ユニットを担持したバイオ機能性ポリマー                        白石浩平、杉山一男  1.はじめに  2.両性イオン構造のアミノ酸を担持したメタクリル酸誘導体の    生体適合性材料への応用  3.両性イオン構造のアミノ酸を担持したpH刺激応答性材料  4.アミノ酸を担持した刺激応答性ヒドロゲルの調製  5.おわりに 第8章 高酸素透過性含フッ素縮合系ポリマーのバイオ機能   川上浩良  1.はじめに  2.埋込み型人工臓器   2.1 膜型人工肺の現状   2.2 含フッ素ポリイミド膜のガス交換能   2.3 含フッ素ポリイミド膜の生体適合性   2.4 埋込み型人工肺  3.細胞プロセッシング基材   3.1 細胞プロセッシング基材の現状   3.2 含フッ素ポリイミドナノパターン化表面の作製   3.3 ナノパターン化表面での三次元細胞培養  4.おわりに 第9章 多重刺激応答ハイドロゲルの創製   大谷 亨  1.多重刺激応答型薬物送達制御(DDS)の必要性  2.特定温度領域においてのみ酵素的に分解するヒドロゲルマトリックス  3.特定ゲスト分子とホストポリマー間の静電気的相互作用と包接との    二重刺激によって迅速に形成されるヒドロゲルマトリックス  4.おわりに 第10章 生理活性分子放出制御マトリックスの創製と細胞工学への応用                            木村 祐、田畑泰彦  1.はじめに  2.担体からの薬物徐放メカニズム  3.様々な徐放システムを用いた細胞工学、組織再生誘導への応用  4.さらに効率的、高度な組織の再生誘導を目指して  5.おわりに

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