立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

有機電子回路とハイドロゲルを融合した生体計測用ソフト電子デバイスの開発
Development of a soft electronic biomonitoring device
using organic electronics and hydrogels
2201032

研究代表者

中央大学 理工学部
電気電子情報通信工学科

助 教

吉田昭太郎

このような生体用電子デバイスは様々なもの[研 究 の 目 的］が開発されてきたが，現在主なものは無機物製
無機物 (シリコン，金などの金属) をベースの電子回路をベースとしており，その本質的なにした電子回路技術が高度に発達を遂げた近年特性に由来する「硬さ」「厚さ」は柔らかい生において，電子デバイスを生体センシング・モ

体高分子 (脂質やタンパク質) で構成される生ジュレーションに応用する研究が盛んに行われ体とミスマッチしており，装着するには違和感ている。モノのインターネット (Internet ofが強く，また体の運動に伴って変形できないこThings, IoT) の構築とサイバーフィジカルシとから体表・体内を傷つけてしまう問題がある。

ステム (Cyber Physical System) の実現が重従って，ウェアラブルエレクトロニクスは未だ要な社会基盤技術として認識され急ピッチで開

日常的な利用を行えるほど普及しておらず，イ発が進められている昨今において，生体にとりンプランタブルエレクトロニクスはペースメーつける電子デバイス：ウェアラブルエレクトロ

カーや頭蓋内電極などその応用が限られている。

ニクスと，生体に埋め込む電子デバイス：イン

このような生体用電子デバイスをより生体にプランタブルエレクトロニクスも重要な役割を着けても違和感なく，生体を傷つけないものに持つ。例えば，生体信号 (脳波，心電図，筋電，するための一つの方法として，本研究では有機汗成分など) を日常的に身に着けてセンシング

物 (生体高分子) で構成される生体と同じく柔可能な電子デバイスが IoT に接続された場合，らかく生体適合性の高い有機物で電子回路を構

我々は自分の健康情報を病院に自動的に送信し，築し，それを生体を構成するコラーゲンのよう医師から診断を受けることができるようになる。

な水を多量に含むハイドロゲルで包埋した「す従来，病院に行って長い待ち時間を過ごし，大べて有機物で創る」電子デバイスの構築を目的

きなコストを払っていた医療が，分散型の医療とする (図 1)。これまでに，生体に対して電健康モニタリングシステムによって革命的に低気刺激・記録を行うシステムとして全てが有機コスト化され，我々の暮らしを豊かにすること物で構成されたものは存在しない。有機物の電が期待できる。また，埋め込み型デバイスにお極，絶縁被膜，生体とのインターフェース部分

いても体内情報を外部インターネットに送信し，を融合させる技術は未だほとんど検討されておまた外部情報から操作されることによって，遠らず，従って刺激・記録を行う電極を駆動する

隔で治療を行えるようになることが期待できる。

有機電子回路の製作とその統合法の研究も未熟― 1 ―立石科学技術振興財団に調和し溶け込むオーガニック生体刺激・記録システムとして利用可能にする。
[研究の内容，成果］
本研究における技術課題は前述の通り以下の4 つである。(1) 生体を電気刺激・記録する電極を，電気分解を起こしにくく生体適合性の高いオーガニック電極で構築する。(2) オーガ
ニック電極を局所的に絶縁被覆する部分をマイクロナノ加工することで構築する。(3) 生体外からシステムに電気刺激用の電力を受信する，または生体内で電気記録した生体情報を体外へ送信するために，電極に有機物でできたコイ
図1

ル・コンデンサ・抵抗からなる有機電子回路を本研究の概念図統合する。(4) それらを一体にまとめるため，である。生体に調和する，柔らかく分子やイオ栄養などの分子を透過し生体に柔らかく接触さンを透過する電子デバイスを生命と同じ有機物せることができる，有機物でできたハイドロゲで構築するマイクロナノ加工技術・方法論を立ルで全体を覆う。以下，項目ごとに研究内容とち上げ，それら必要な要素技術の開発を世界に成果を述べる。

先駆けて行うことで，再生医療や創薬に用いる細胞の電気刺激デバイスや，脳に安全に貼りつ(1) 生体を電気刺激・記録するオーガニック電極

く脳波計測デバイスなど，これまでにない水で従来の，もともと生体には存在しない銅・白濡れたウェット電子デバイスの分野を開拓する。

金・シリコンなどをベースにした「無機物」電

具体的な技術課題として下記が挙げられる。

極は，電気分解による気体発生を起こしやすくまず生体を電気刺激・記録する電極を，電気分生体にダメージを与えてしまう問題，硬い無機解を起こしにくいカーボンと導電性高分子を駆物システムが柔らかい生体の動きに追従できず使したオーガニック電極で構築する。そのオー

生 体 を 傷 つ け て し ま う 問 題，MRI 撮 像 で ハ

ガニック電極を局所的に絶縁被覆する部分もシレーションを起こす問題があった。これを解決

リコーンやパリレンなどの柔軟な有機素材をマするために，電気容量が大きいため電気分解をイクロナノ加工することで構築する。生体外か起こさず，MRI 適正があるカーボン繊維と導らシステムに電気刺激用の電力を受信する，ま電性高分子 PEDOT の複合体を形成しオーガ

たは生体内で電気記録した生体情報を体外へ送ニック電極を構成した (図 2 左)。

信するために，電極に有機物でできたコイル・コンデンサ・抵抗からなる有機電子回路を統合(2) 有機物材料による局所的絶縁する。それらを一体にまとめるため，栄養など水に濡れた状態で使用するウェット電子デバの分子を透過し生体に柔らかく接触させることイスを構築するにあたり，導電性の部分と絶縁ができる，有機物でできたハイドロゲルで全体性の部分を有機材料のパターニングによって作を覆う。このシステム全体を生体に埋め込むこり分ける技術の確立が必要であったため，柔軟とで，MRI でハレーションを起こさずに生体なカーボン繊維を切り取り加工し，それに局所― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図2製作したオーガニック電極 (左) と，有機物材料による局所的絶縁技術の開発 (右)的に柔軟な有機エラストマー材料を微細加工したものを接着する工程を開発した (図 2 右)。
図4(3) 有機電子回路の構築

開発した有機コンデンサと，それによる矩形波の三角波への変換

有機電子素子として，抵抗，コイル，コンデていくと電力が伝送できることが分かった (図ンサを有機物とハイドロゲルで構築するプロセ

3 右)。受信波は送信波のおよそ 0.54 倍となっスを開発した。有機抵抗はカーボン繊維に導電た。それぞれの電圧波形の周波数は共に 100性高分子 PEDOT を塗布する，電極と同様のkHz でファンクションジェネレータから入力方法で構築した。有機コイルは 3D プリンタをした周波数と一致した。送信波計と受信波形で用いて製作した鋳型を用いてコイルの形状の溝は位相はずれており，送信波の周期が 10 μs でを有するハイドロゲルを構築し，その溝の中にあることを考えると 0.17 周期分 (1.7 μs) ずれ

導電性高分子 PEDOT をインク上にしたものが発生していた。

を注入して，最後にハイドロゲルを流し込み全また，有機コンデンサも導電性高分子によ 2体を覆うことで構築することができた (図 3)。

枚の板状の構造でハイドロゲルを挟むことで構金属の送信用コイルを用いてこの有機コイルに築できることが分かった (図 4)。これに入力電力伝送できるか調べたところ，送信用コイルした矩形波の電圧波形を三角波の出力波形としと有機物コイルの間の 2, 1, 0 cm と間隔を狭めて変換して出力できることが分かった。以上より，有機物とハイドロゲルのみを用いて抵抗，コイル，コンデンサという電子回路の基本素子を構築する技術を開発できた。
(4) 生体親和性ハイドロゲルによる統合
上記図 2，3，4 に示すように，それぞれ有機物製の電極と電子素子を，ハイドロゲルで包埋するプロセスを開発することができた。カーボ

右は送信用金属コイルとの距離 (2, 1, 0 cm) を変えた時の，有機コイルへの電力伝送の様子

図3

開発した有機物コイルをハイドロゲルで包埋した構造を持つ有機電子素子

ン繊維は高い比表面積を持つことにより，界面電気容量が高く，また柔軟性を持ちながら指で押さえても壊れない程度の剛性を持ち合わせて― 3 ―立石科学技術振興財団いるため，電極や抵抗の単体として適する。こ

ための基礎技術を開発することができた。今回

れに未硬化のハイドロゲルを塗布して固めるこ

開発したデバイス製作プロセスにより，有機物とで，繊維の隙間にハイドロゲルが侵入するこのみでウェアラブル・インプランタブルデバイとで強固に両者が接着された。一方で，カーボスに適する電子デバイスを作るための基礎技術

ン繊維は寄生容量も高いことが分かったため，を確立てきたことから，今後は各電子素子を用コイルとコンデンサは導電性高分子のみをハイいて機能的な電子回路を構築する予定である。

ドロゲル中に導入用の構造を作ることで包埋す

また，近年開発が進んでいる有機トランジスタるプロセスを開発した。

も組み合わせて，増幅器などの信号処理部を有今回用いたポリビニルアルコール (PVA)する発展的な有機電子デバイスを構築する予定

ハイドロゲルは，生体適合性が高いことが知らである。また課題としては，有機コイルにおけれており，埋め込みにも用いることが可能である電力伝送効率の向上および磁気共鳴方式へのる。また，脆く指で押さえると崩れてしまう生変更による伝送距離の向上，有機コンデンサに体高分子ハイドロゲル (コラーゲン，ゼラチンおけるキャパシタンス値の設定方法が挙げられなど) と比べて指で持っても壊れない剛性と，る。本研究をさらに推進することで，すべて有柔軟性を持っている。従って，生体用有機電子機物でできた柔らかく人体に親和性の高い電子デバイスを包埋し保持する材料として適するとデバイスを構築していくことができると考えら考えられる。

れる。

[今後の研究の方向，課題］[成果の発表，論文等］
なし (今後，学会及び国際論文誌で発表予定)

本研究により，有機材料とハイドロゲルのみで生体計測用に適した電子デバイスを構築する― 4 ―