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レーザー転写による物質デリバリー～微粒子からタンパク質担持マイクロチップまで～
レーザー転写による物質デリバリー
国立研究開発法人産業技術総合研究所 電子光基礎技術研究部門 先進レーザープロセスグループ〜微粒子からタンパク質担持マイクロチップまで〜

研究グループ長 奈良崎 愛子（平成  年度重点研究開発助成 % 課題研究$)）

奈良崎愛子 *

A. Narazaki
キーワード：レーザー転写，微粒子，マイクロチップレーザー，光スタンプ，タンパク質担持マイクロチップ

キーワード：レーザー転写，微粒子，マイクロチップレーザー，光スタンプ，タンパク質担持マイクロチップ

１．レーザー転写の基礎と応用
レーザー転写法は，一般にレーザー誘起前方転写（Laser-Induced Forward Transfer, LIFT）とも呼称されることが多く，レーザーアブレーション等のレーザー誘起現象による推進力を利用して，ドナー物質を別の基板に移す手法である．これまでに報告されているドナー物質は，金属[1,2]，半導体[3-5]，酸化物[5-7]，銀ナノインク[8-10]，グラフェン[11]，バイオインクやタンパク質などのバイオマ
テリアル[12-16]と多様なことが魅力の一つである．
産総研では，主に 2 種類のレーザー転写法を開発している（図 1）．どちらの場合も，移す対象となるドナー物質は透明キャリア上に調製される．キャリア側からレーザーパルスを照射，キャリア/ドナー界面で光吸収が起きる結果，レーザーアブレーションなどの過渡的なレーザー誘起

図 2 レーザー転写技術の応用例．

現象に至り，これを推進力としてレーザー照射部のドナーが対向配置されたレシーバー上に射出・堆積される．レー
ザー誘起現象において，物質が瞬間的・局所的に溶融する

近年ではレーザー転写の応用として，金属，導電性酸化場合，図 1(a)に示すような微小な溶融液滴の射出・堆積が物や銀ナノインク等の配線描画やチップの配列積層によ起こる．これを我々はレーザー誘起ドット転写るエレクトロニクス応用に加え，他技術では難しい高粘性(Laser-Induced Dot Transfer, LIDT)法と呼び[2,4,5]，直径百バイオインクや細胞の 2D・3D プリンティングによるバイナノメートルから数マイクロメートルのいわゆるナノドオ・医療応用[12-16]なども注目を集めている（図 2）．

ット・マイクロドットの 2D・3D プリンティングが報告されている[1,2,4,5]．この手法の魅力は微細化であり，集光

２．レーザー転写による物質デリバリー

径より一桁ほど微小なドットを描画することも可能とな・ レーザー誘起ドット転写 /,'7 法によるナノ・マる[4]．対照的に図 1(b)に示す手法では，ドナー物質への熱イクロドット描画
LIDT 法を用いると，インクジェットのように微細化に影響を最小化し，膜形状・特性を維持した状態で膜転写を実現する．

伴うノズルの詰まりが問題とならず，原理的により微小な粒子（以下，ドット）を描画可能である．図 3 に LIDT 法
で Si ウェハに描画した FeSi2 マイクロドットアレイの(a)SIM イメージと FIB 加工により形成した断面試料の(b)TEM イメージを示す．直径 1.9 μm，高さ 1.5 μm の底面にテラス構造を有する擬似球状構造が，高い位置精度で堆積されている．この結果から，レーザー集光スポットに局所的・過渡的に溶融部が形成，フェムトリットル程度の単一液滴が射出される．さらに対向基板上へ液滴の状態で堆積が起こり，基板上で固化することで，高い位置精度と密図 1 レーザー転写法による(a) ナノ/マイクロドット描画と(b)膜転写．

着性でマイクロドット描画が実現していることを示唆している（図 1(a)）．

* 国立研究開発法人産業技術総合研究所 電子光基礎技術研究部門
先進レーザープロセスグループ 研究グループ長- 75 -

図 4 産総研で開発中の AIST-LIFT プロトタイプ機の(上)システム概要と（下）装置写真．システム小型化のため，マイクロチップレーザーを導入．
挿入図はプロトタイプ機で Si ウェハ上に転写した(a)Cu ドットと(b)原料の Cu ドナーフィルム．

図 3 レーザー誘起ドット転写法により Si ウェハ上に転写堆積した FeSi2 マイクロドットアレイの(a)SIM イメージと(b)断面 TEM イメージ．

図 4 に産総研で開発中のレーザー転写プロトタイプ機

・ レーザー光スタンプ転写 /DVHU,QGXFHG)RUZDUG

を示す．LIFT 技術の産業応用に向けた取り組みの一環と

7UDQVIHUZLWK23WLFDOVWDPS/,)723 法による膜転写

して，LIDT 法をベースとした金属の微細パターン描画のレーザー転写のチップ積層技術としての応用が進む中，ためのプロトタイプ機を開発している．特徴として，小型次世代ターゲットとして 2D マテリアルであるグラフェン化のためマイクロチップレーザー（株式会社オプトクエスをはじめ各種機能性薄膜を他基板・デバイスへ積層する技

ト，波長 1064 nm, パルス幅 < 1 ns，最大パルスエネルギ術への展開[3,5,6,8,11]や，細胞・バイオインクの転写など

ー ～2 mJ, 最大繰り返し 100 Hz, ヘッドサイズ 30 mm

バイオ・医療分野への適用[12-16]も期待される．

× 40 mm × 125 mm）をレーザー転写用光源として導入

そのような背景のもと，固体ドナー膜を射出，レシーバした．さらに，レーザー転写制御因子で重要となるドナーー基板に衝突・堆積させる転写プロセスにおいて，膜が破-レシーバー間距離を計測できるシステムを導入，ドナー-砕など低品位化することが，レーザー膜転写の課題となっレシーバー間距離を最小 50 μm 程度からマイクロメートている．そこで，膜の飛翔挙動をハイスピードカメラで観ル精度で計測・制御可能である．また，ドナーとなる金属察しプロセス条件を最適化[18]，またドナー膜とレシーバ膜の供給を連続的に行うことでプロセスを効率化するた

ーに圧力をかけ密着させることで転写フルエンス閾値とめ，樹脂フィルムとして耐熱性の高いポリイミドレシーバーへの衝突速度を低減し膜破砕を抑制する[6]な(Polyimide, PI)を透明キャリアとして，キャリア上に厚さど効果的な取り組みも報告されている．さらに，衝突堆積数百ナノメートルの Cu 膜等を積層した Cu ドナーフィル時に生じる衝撃力低減のため，ポリマーで表面コートしたムを利用できるよう転写原料フィルム巻き取りシステム

ガラス平板をレシーバーとして用い，実験ならびに有限要を試作した．現在は開発した本プロトタイプ機を用いた

素法による応力シミュレーションによりレシーバー表面Cu マイクロドット・配線描画について検討を進めている．

状態を最適化するといった報告もある[3]．いずれの取り組みも膜の転写形状において顕著な改善が見られている

が，レシーバーへの圧力印可や表面コーティングが必要であり，任意の基板への転写は難しい．

- 76 -

そこで我々は，ガラスの様な硬い表面を有する部材から人間の歯のような凹凸のある表面への“自在な膜転写”の３．LIFTOP 法のバイオ・医療応用：タンパク質担持マイクロチップへの適用例

実現を目指し，光スタンプレーザー転写(Laser-Induced・ 新たな歯周病治療法を目指した医工連携Forward Transfer with OPtical stamp, LIFTOP)法を開発した

日本の成人の約 8 割が罹患しているといわれる歯周病(図 5) [5,15,16]．LIFTOP 法では，機能性薄膜の高品位転写治療では，歯周ポケット周囲の感染部を除去後，ぺリオドを実現するため，転写堆積時のドナーとレシーバーの密着ンタルアタッチメントの再形成を試みる．しかし，歯周病性を高め，さらに衝撃を吸収できるポリジメチルシロキサに罹患した歯は，本来の歯に比べ，ぺリオドンタルアタッPDMS)のような樹脂で表面コーチメントが再構築されにくく，再度の細菌感染・増殖によトした光スタンプを利用する．最初に，光スタンプをドナり歯周病が再発し易い．そこで，歯面にヒトの歯や骨の主ーにコンタクトさせる（図 5 上段）．その後，1 段目の転要無機成分であり優れた生体親和性と骨結合能を有する写プロセスとして，ドナーの微細パターンを光スタンプ表ハイドロキシアパタイト(Hydroxy apatite, Ca10(PO4)6(OH)2 ,面に転写する（中段）．2 階目の転写プロセスでは，光ス以下アパタイト)などのリン酸カルシウム膜をコーティンタンプ表面に堆積させたドナーの微細パターンを最終レグできれば，ぺリオドンタルアタッチメント形成を促進でン(polydimethylsiloxane,シーバーに転写する（下段）．シンプルな手法であるが，きる．さらに，細胞接着性や骨形成促進能などを有する生その効果は大きく，通常は転写が難しい硬い表面を有する理活性タンパク質をアパタイトに担持できれば，ぺリオド

PET やガラス基板についても，転写堆積可能である．例えンタルアタッチメント形成にかかる時間を短縮化，その結ば，本手法を Ag 金属膜に適用した結果を図 5 に示すが，果術後の細菌感染リスクも低減できるため，患者の QOL

LIFTOP 法の 2 段階転写を経て，Ag 膜をガラス表面に微に大きく貢献する．一方，従来のリン酸カルシウムコーテ細パターン転写した．

ィング技術は，非位置選択的であり，高温や長時間処理を今回は，天田財団平成 29 年度重点研究開発助成 B 課題必要とする．その中で，過飽和リン酸カルシウム溶液中で研究 AF-2017202「早期治癒を支援するレーザー生理活性アパタイトを基材表面に析出させるバイオミメティックコーティング技術開発」としてご支援いただいた中で研究

法[19]は，非熱コーティング技術であり，タンパク質など開発を実施した，生理活性タンパク質担持リン酸カルシウの熱に弱い生理活性物質も高い生理活性を保持した状態

ム膜の LIFTOP 法を基盤としたレーザー転写技術についで膜中に担持できる．しかしソフトプロセスであるがゆえて紹介する。

数百ナノメートルからミクロン厚の膜形成に数時間かかる．このような背景のもと，我々産総研と北大歯学部グループでは，生理活性タンパク質担持リン酸カルシウム膜のレーザー転写技術開発に取り組んでいる[14-16]．
・ 生理活性タンパク質担持リン酸カルシウムのレー
ザー転写 レーザー転写用ドナー膜は，タンパク質の失活なく担持させる必要があるため，ソフトな溶液プロセスであるバイオミメティック法を利用した．フィブロネクチン（fibronectin, 以下 Fn）は，細胞接着性タンパク質の一種であり，細胞の接着・伸展を促進する機能を有する．このFn を担持させたリン酸カルシム膜（以後，Fn-CaP）を光スタンプ上に調製した．ただし Fn-CaP は近赤外から紫外波長にわたり大きな光吸収を有しないため，レーザー光を効率的に吸収するカーボン薄膜を犠牲層として光スタン
プと Fn-CaP ドナー膜の間に調製，失活を防ぐために凍結乾燥処理を実施した．
 LIFTOP セットアップを図 6 に示す．レーザー光源に波長 1064 nm の DPSS ナノ秒パルスレーザー(fwhm 40 ns, 10kHz)を用い， 上記で形成した Fn-CaP/C/光スタンプをレシ

図 5 光スタンプレーザー転写(LIFTOP)法のコンセプーバーにコンタクトさせた状態で，光スタンプ側からレートと金属薄膜（Ag, 厚さ 200 nm）への適用例．

ザーパルスを照射，Fn-CaP 膜をレシーバーへ転写した．
ガルバノミラー/fθレンズを用いてビーム集光走査し，2次元パターニングについても検討した．

- 77 -図 6 LIFTOP システム．Fn 担持リン酸カルシウム（Fn-CaP）ドナー膜を，カーボン犠牲層/光スタンプ上に調製，レシーバー基板と接触させる（左）．
レーザーパルス照射により犠牲層でレーザー吸収が発生，その推進力により Fn-CaP チップがレシーバーに転写（右）．参考文献[15]より引用．

図 8 アパタイトコーティングの共焦点レーザー顕微鏡イメージ．

・ タンパク質の生理活性評価 レーザー転写プロセスがタンパク質の生理活性に与え 図 7（a）に LIFTOP プロセスにより PET 基板に転写された Fn-CaP マイクロチップの共焦点レーザー顕微鏡イメージを示す．比較のため（b）に光スタンプを用いない場合を示すが，光スタンプを用いた場合のみ膜破砕を低減することに成功した．これは衝撃吸収性の高い PDMS を表面コートしたことによる膜転写時の衝撃低減とともに，柔軟性にも優れる PDMS は，ドナー膜とギャップなく接触しやすく，膜のフライト距離を低減できるため，フライト時の応力付加を低減できる効果もあるためと考えている．
以上より，PDMS レシーバーの利用により，アパタイトのような脆性材料も転写可能であることを基礎実証できた．
 図 8 に Fn を担持しないアパタイト膜について，PDMSレシーバーに連続パターン転写した様子を示す．光スタン
プは利用していないが，レシーバー基板に衝撃吸収性を有する PDMS を用いたことにより，基板表面約 80%の被覆率で，膜破砕を低減した連続転写堆積を確認できた．

る影響を検討するため，細胞培養試験による細胞接着性を評価した．ドナー原料膜ならびに転写堆積した試料表面にCHO-K1 細胞を播種後 24～27 時間培養，クリスタルバイオレットにより細胞を固定化・染色し，光学顕微イメージ観察を実施した結果を図 9 に示す[14]．(c,d)中の直径約 100μm の円形ディスクパターン（淡い紫色）は，転写堆積したマイクロチップに相当する．(c,d)において,マイクロチップ上に細胞が密集する様子が確認された一方で，PDMS 上ではまばらであった．この結果は，アパタイトマイクロチップが，PDMS に比べて，CHO-K1 細胞に対して優れた細胞適合性を有することを示す．さらに，Fn 担持マイクロチップ上の細胞の多くが進展している様子が確認できることから，Fn の細胞接着性が，レーザー転写後も保持されていると推察される．これらに加え，細胞の多くがアパタイトチップの周囲に沿って局在・整列する傾向がみられることから，本手法によるパターニングが細胞操作能力を有する可能性が示唆される．

図 7 （a）LIFTOP プロセスにより PET 基板に転写された Fn-CaP マイクロチップ． 比較のため（b）光スタンプを用いない場合を示す．参考文献[15]より引用．

図 9 CHO-K1 細胞（10〜数十マイクロメートルの濃い紫色スポット）播種後 24-27 時間の光学顕微鏡
イメージ．（a）Fn 非担持および(b)Fn 担持アパ
タイトドナー膜，PDMS 上にレーザー転写堆積した（c）Fn 非担持アパタイトおよび（d）Fn担持アパタイトマイクロチップ．参考文献[14]より引用．

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デリバリーにレーザー転写技術を活用・挑戦し，社会課題・ ヒト象牙質 天然歯 への転写と界面評価
 本手法の歯面への適用を基礎実証する目的で，Fn-CaP解決に少しでも貢献できればと考えている．

膜のヒト象牙質基材（インフォームドコンセント後，提供された抜去歯牙より作製）への転写を実施した．象牙質は，謝 辞

硬組織の無機成分であるアパタイトが 70％と残りはコラ

本研究に多大なご協力をいただいた多くの共同研究者ーゲンなどの軟組織で構成され，外部から歯の中心の歯髄皆様に，謝意を表します．特に，タンパク質担持膜の調製・まで無数の象牙細管が走っている．歯周病や加齢などによ評価にあたりご尽力いただいた，産総研 大矢根綾子博士，り歯茎が下がりセメント質が薄れるなどすると，この象牙北海道大学 宮治裕史先生に，また金属ナノ粒子のレーザ細管が露出する．このヒト象牙質へのレーザー転写をー転写にあたり先進的なフェムト秒レーザー転写システ

LIFTOP 法により検討した結果，クラックレスな Fn-CaPムを構築いただいた，大阪大学 中田芳樹先生に心より謝

マイクロチップの転写堆積に成功した（図 10(a)）．さらに，意を表します．本研究の実施にあたり，公益財団法人天田

転写した Fn-CaP と象牙質の界面を観察するため，FIB 加財団より重点研究開発助成 B（AF-2017202）を賜りまし

工により試料を薄片化（図 10(b,c)），断面 SEM 観察を実た．ここに深甚なる謝意を表します．

施した結果を図 10(d,e)に示す．Fn-CaP 膜と象牙質界面に

参考文献

大きなギャップのない界面形成を確認できた．
1)

４．結言

M. Feinaeugle, R. Pohl, T. Bor, T. Vaneker, and G. Römer,Additive Manufacturing 24, 391-399 (2018).

本稿では，2 種類のレーザー転写法について紹介した．

2)

Y. Nakata, K. Tsubakimoto, N. Miyanaga, A. Narazaki, T.
Shoji, and Y. Tsuboi, Nanomaterials 11, 305 (2021).

ナノ/マイクロドットの描画に適したレーザー誘起ドット転写(LIDT)法と，機能性膜の高品位転写に利用可能な光ス

3)

M. Feinaeugle, P. Horak, C. L. Sones, T. Lippert, R. W.
Eason, Appl. Phys. A 116, 1939-1950 (2014).

タンプ転写（LIFTOP）法である．前者では，AIST-LIFT
4)

プロトタイプ機として，マイクロチップレーザーを用いて

A. Narazaki, T. Sato, R. Kurosaki, Y. Kawaguchi, and H.
Niino, Appl. Phys. Express 1, 057001 (2008).

小型化した転写システム開発を行っている．後者について
は，バイオ・医療応用を目指した医工連携テーマとして，

5)

奈良崎愛子, オプトロニクス 433, 127-131 (2018).

生理活性タンパク質担持マイクロチップのレーザー転写

6)J. Ihlemann and R. Weichenhain-Schriever, Thin SolidFilms 550, 521-524 (2014).

に関する取り組みを紹介した．レーザー転写用犠牲層と衝
7)

撃吸収性レシーバー基材を用いることで，脆性材料である

A. Narazaki, R. Kurosaki, T. Sato, and H. Niino, Appl.
Phys. Express 6, 092601 (2013).

CaP 膜においても膜形状を維持した良好な膜転写を実現できた．今後，細胞接着などに加え細胞の局在化や伸展方

8)

E. Breckenfeld, H. Kim, R.C.Y. Auyeung, N. Charipar, P.
Serra, and A. Piqué, Appl. Surf. Sci. 331, 254-261 (2015).

向など自在な細胞制御が可能なレーザー生理活性コーテ
ィング技術を展開したい．今後も，微粒子から機能性薄膜，

9)D. Tsakona, I. Theodorakos, A. Kalaitzis, and I. Zergioti,Appl. Surf. Sci. 513, 145912 (2020).

熱に弱いタンパク質担持材料まで，他手法では難しい物質

10) J. Lim, Y. Kim, J. Shin, Y. Lee, W. Shin, W. Qu, E. Hwang,
S. Park, and S. Hong, Nanomaterials 10 (2020) 701.
11) S. Papazoglou, D. Kaltsas, A. Logotheti, A. Pesquera, A.
Zurutuza, L. Tsetseris, and I. Zergioti, 2D Mater. 8,045017 (2021).
12) A. Sorkio, L. Koch, L. Koivusalo, A. Reiwick, S.
Miettinen, B. Chichkov, and H. Skottman, Biomaterials
171, 57-71 (2018).
13) I. Zergioti, A. Karaiskou, D. G. Papazglou, C. Fotakis, M.
Kapsetaki, and D. Kafetzopoulos, Appl. Phys. Lett. 86,163902 (2005).
14) A. Narazaki, A. Oyane, S. Komuro, R. Kurosaki, T.
図 10 (a-c)象牙質上に転写した Fn-CaP マイクロチッ
プの SEM イメージ．（b）の白い点線で囲まれた領域の一部を FIB 加工し断面観察試料を作
製．
（d,e）象牙質上の Fn-CaP マイクロチップの断面 SEM イメージ．参考文献[15]より引用．

Kameyama, I. Sakamaki, H. Araki, H. Miyaji, Opt. Mater.
Express 9, 2807-2816 (2019).
15) A. Narazaki, A. Oyane, H. Miyaji, Applied Sciences 10,7984 (2020).
16) 宮治裕史, 大矢根綾子, 奈良崎愛子, NEW GLASS 36,
15-17 (2021).

- 79 -17) Y. Nakata, E. Hayashi, K. Tsubakimoto, N. Miyanaga, A.

19) A. Oyane, X.P. Wang, Y. Sogo, A. Ito and H. Tsurushima,Narazaki, T. Shoji, Y. Tsuboi, International Journal ofExtreme Manufacturing 2, 025101 (2020).
18) T. Mattle, J. Shaw-Stewart, A. Hintennach, C. W.
Schneider, T. Lippert, A. Wokaun, Appl. Surf. Sci. 278,77–81 (2013).

- 80 -Acta Biomater. 8, 2034-2046, (2012).