J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)６
８９‐６９０

プロジェクトレビュー

プラズマ−バイオ融合科学への新展開
Toward New Developments of Plasma-Bio Interdisciplinary Science

１．はじめに
畠 山 力 三，永 津 雅 章１）
東北大学大学院工学研究科，１）静岡大学創造科学技術大学院（原稿受付日：２
０
１
１年５月３
０日）

近年注目されている医療‐バイオ分野の研究に携わる本［一木（東大）］，液中気泡内プラズマによる殺菌およ学会会員と，他学会所属（電気学会あるいは応用物理学会

び有機フッ素化合物分解［安岡（東工大）：電気学など）の研究者が交流を図るとともに，当該分野における会］，プラズマナノバイオトロニクス研究の最新動向

先進的な研究を推進し，我が国におけるプラズマ─バイオ［畠山（東北大）］，Plasma Medicine の国際ネットワー

融合科学の新学術領域創成に資することを目的とし

ク［浜口（大阪大）］，総合討論［白谷（九大），寺嶋て，２００８年に「プラズマ‐バイオ融合科学への新展開」が，（東大）］，まとめ［金子（東北大）］の構成であった．

プラズマ・核融合学会専門委員会として発足した［主査：（３）２０１０（平成２２）年２月に本専門委員会と東北大学電気畠山力三（東北大），幹事：永津雅章（静岡大），同：金子俊通信研究所共同プロジェクト研究会との合同研究会と郎（東北大），同補佐：荻野明久（静岡大），委員：１８名］．

して， プラズマナノバイオトロニクスの基礎研究お本専門委員会での予想される効果として，以下の３点がよびプラズマ‐バイオ融合科学への新展開（第２回専挙げられる．
（a）これまで個別に行われてきた医療分野へ

門委員会） を開催した．プログラムは，LB 膜味覚セのプラズマ応用，あるいはバイオプロセスへのプラズマ応

ンサの研究／大気圧プラズマ源を用いた生体組織・細用に関する研究を体系的に推進し，国際的に評価される研胞の活性化［秋谷・平田（東京都市大）］，カーボンナ

究成果の発信（b）科学研究費補助金などの外部資金獲得

ノチューブの電子準位と複合機能［中嶋（九大）］，に向けた取り組み（c）
プラズマ‐バイオ融合科学の研究推

カーボンエレクトロニクスをめざしたカーボンナノ

進によって生み出される産業イノベーション創出（図１をチューブとグラフェンの成長制御［吾郷（九大）］，ナ

参照のこと）．

ノホーンの DDS 応用可能性［湯田坂（産総研）］，マイ
ルドなプラズマを用いた血液止血器具の開発をめざし

主な活動実績を以下に簡潔に纏める．
（１）２００９（平成２１）年９月に開催された電気学会研究会にておよびプラズマ凝固装置を用いた内視鏡治療の現状

本専門委員会が協賛として参加した．他にも機械学会について［榊田・池原・丹羽（産総研・和歌山県立医が協賛として参画があり，プラズマ‐バイオ融合科学

科大）］，DLC プラズマコーティング技術の生体医療研究の重要な基盤となるテーマ， 液中・界面プラズ

機器への応用［中谷・新田・岡本（トーヨーエイテッ

マの科学と応用に関する研究会が活発に行われた．

ク"）］，プラズマ化学修飾を用いた医療用材料の低温（２）２００９（平成２１）年１２月のプラズマ・核融合学会第２６回

プロセス［荻野・野口・永津（静岡大）］，液相プラズ

年会において， プラズマ‐バイオ融合科学への新展

マ利用 DNA-CNT 電子デバイスの形成と電気特性制御

開 と題してシンポジウムを開催した．約１００名の参加［金子・李・畠山（東北大）］，DNA の高次構造転移：者があり，本研究活動について紹介を行うとともに学

荷電によるナノ構造制御［吉川（京大）］，分子生物学会会員との総合討論を通して活動の広報に努めた．なにおけるプラズマの応用−プラズマを用いた分子導入

お，プログラムは，はじめに［永津（静岡大）］，ソフ

方法の確立［佐藤（BBK バイオ"）］，バイオパーティ

トなバイオ界面の特異な性質と新機能創成［前田（理クルの迅速計数とプラズマによるウイルス不活化メカ研）］，ナノバイオ・医療におけるプラズマ技術の展開

ニズム［水野（豊橋技科大）］の構成であった．

1. Introduction
HATAKEYAMA Rikizo and NAGATSU Masaaki

authors’ e-mail: hatake@ecei.tohoku.ac.jp, tmnagat@ipc.shizuoka.ac.jp

６８９!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011（４）上記合同研究会に引き続き，若手研究者を中心とした

瑞夫（理研）］．第二は，近年世界的に，急激な広がりで発プラズマ・バイオ研究の将来戦略 と題してパネル展しているプラズマ医療分野の中で，実験データの集積がディスカッションを開催し，若手研究者の育成に注力

主で踏み込んだ内容の研究例が少ない段階にある， プラした．

ズマ医療におけるプラズマ生体相互作用

分野の最近の動（５）本専門委員会のメンバーにより申請した平成２１年度科

向についてである［浜口智志（阪大）］．第三は，先進的液

研費・新学術領域研究「プラズマとナノ界面の相互作

相および気液界面プラズマを利用する新機能性ナノカーボ

用に関する学術基盤の創成」［代表者：白谷（九大）］

ン─DNA─ナノ粒子ネットワークのバイオ・医療・デバが採択された．また，平成２
３年度同新学術領域研究

イス応用をめざした， プラズマナノバイオトロニクス研「プラズマ医療科学の創成」［代表：堀（名大）］および究の最新動向特別推進研究「内包ナノカーボン基盤プラズマナノバ北大）］．第四は，バイオエレクトリクスの立場からパルス

イオトロニクス」［代表：畠山（東北大）］を申請した．

電界による，生体一次作用，細胞内ストレス反応，細胞活

さらに，本専門委員会の発展的継承の平成２３年度プラ性化，がん治療，創傷治療などに関する最新の研究を紹介

ズマ・核融合学会専門委員会「プラズマ科学の医療応する， パルス高電界の生体作用と先端的医療応用用」［主査：浜口（阪大）］が採択・発足され，活動をる［勝木淳（熊本大）他］．第五は，プラズマによる滅菌，開始した．

表面化学修飾，ヘパリン固定化など非熱平衡プラズマのバに関してである［金子俊郎・畠山力三（東であイオ・医療分野への応用に関する最近の研究動向を紹介す
以上の経過を踏まえて，本プロジェクトレビューでは，る， バイオ・医療分野におけるプラズマ科学技術の展開

以下の５つの課題に焦点を絞って論じ，本専門委員会の纏についてである［永津雅章・荻野明久（静岡大）］．

めとする．まず第一は，生体高分子電解質であるDNAを例

本プロジェクトレビューが学会員皆様の当該課題に対すにとり，そのソフトな界面が示すユニークな基礎的現象とる理解と日頃の研究活動の一助になれば，非常に幸いであバイオセンシングおよびロジックゲートへの応用に関するる．

生体高分子ソフトインターフェースの科学 である［前田図１プラズマ−バイオ融合科学創成に関する活動と波及効果の概略．

６９０

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)６
９１‐６９５

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

２．生体高分子ソフトインターフェースの科学
前田瑞夫
独立行政法人 理化学研究所（原稿受付：２
０
１
１年６月６日）Keywords:
soft-interface, polyelectrolyte, biopolymer, DNA, aptamer, ion sensor, molecular sensor, gene sensor, logic gate２．
１ ソフトインターフェースとは２．
２ ソフト界面における不思議な現象

タンパク質・核酸・多糖類などの生体高分子，液晶や両ナノテクノロジーは，表面・界面という古くからある未親媒性分子の集合体，コロイドなど，大きな内部自由度を解明の研究課題に新たな光を当てた．de Gennes が予言し特徴とする有機物質を総称してソフトマターという．外部

たとおり，特に原子間力顕微鏡に代表されるようなナノ計

からの刺激により構造や性質が大きく変化する，いわゆる測技術の飛躍的な進展は表面を直接観察することを可能とソフトな性質がその大きな特徴である．これらソフトマ

し，これがさらにバイオサイエンスの分野にも波及してきターと呼ばれる分子群がつくる界面は，一般の二相間に見ている．加えてバイオセンシングの観点からも，表面や界られる"sharp"な境界面ではなく，むしろ三次元的に厚みの面の精密計測ならびにナノ構造制御において近年著しい進ある"diffuse"した空間領域を形成することが多い．このよ

歩が見られている．

うな界面を de Gennes はソフトインターフェースと名付け

しかし，抗体や遺伝子などのバイオ素子を基板表面上にた［１］．

固定すると，その活性・特異性が著しく低下してしまうのすなわち「ソフトな界面」とは，二相間の「境界面（in-が一般的であった．そこで筆者らはバイオ素子を固体に直terface）」ではなく，もちろん固体の表面（surface）でも接結合させるのではなく，水に溶存する高分子を介してこなく，むしろ二相のあいだに存在する新たな領域であっれを行うことの重要性を指摘し「バイオコンジュゲート材て，「界面域」ないし「界面圏」とでも表現されるべき「境料」に関する研究プロジェクトを，振興調整費（０１−０３年

界相（inter-phase）」である．ソフトな界面の構成因子とし度先導的研究の推進）の助成により進めてきた．ここで，ては，ソフトマターそのものに加え，溶媒分子や共存塩類

高分子の構造を精密に制御し，その親水性・疎水性や荷電をも含めて考えなければならない．すなわちこの領域におのバランス・密度などを変化させたところ従来の知識ではいては，高分子鎖が厚み方向の組成の揺らぎを伴い活発に理解できない，いくつかの新奇な界面現象に遭遇したので

分子運動を示す相として存在する．このような相はしかしある．

バルクとも性質が大きく異なるものである．ソフトイン

たとえばソフト界面での分子認識において，以下のようターフェースは，疎水性効果，クーロン力，エントロピー，

な異常現象が見出されている．DNA 固定化ナノ粒子を研浸透圧などが関与する特異な場であり，バルクとは異なる究していた筆者らは，二重鎖 DNA を表層に密生させたナ

エネルギー状態と分子運動状態を示す．

ノ粒子のコロイド安定性が，DNA 自由末端側の塩基対構

特にソフトマターと水との界面においては，この三次元造に明敏に応答するという奇妙な現象に遭遇した．図１に的空間領域内に溶媒分子，基質分子，イオンなどが介在し示すとおり，自由末端にミスマッチ（一塩基変異）が存在ており，これら分子やイオンなどとの相互作用を通じて構

すると，完全相補（フルマッチ）の場合と比べて，高イオ

造や物性が動的に変化する点が重要である．ソフトイン

ン強度における安定性が著しく増大するのである［２］．こ

ターフェースは様々な物質により形成される．その多くはれについては後で詳しく述べるが，DNA 密生相とバルク

人工または天然の高分子電解質であるが，中性・無荷電のの界面における分子構造のわずかな変化が，マクロでダイ

水溶性高分子も同じく重要であるし，自己組織化単分子膜

ナミックな現象に増幅されたことを意味している．この（Self Assembled Monolayer: SAM）のような分子集合体もDNA ナノ粒子が示す新奇現象を用いた一塩基多型診断のこの範疇に入れることができよう．

原理は，高い信頼性を有するとして国内外で注目を集めている．しかし分子レベルでの機構は未解明のままである．
界面における分子鎖状態の解明が待たれている．

2. Biomacromolecular Soft-interface Science
MAEDA Mizuo

author’s e-mail: mizuo@riken.jp

６９１!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

図１

自己組織化による DNA ナノ粒子の形成とその塩基配列特異的非架橋凝集現象．

一方，筑波大・長崎幸夫らは，抗体と水溶性高分子（ポさらに興味深いのは，そのコロイド安定性が二重鎖リエチレングリコール：PEG）が密に配置された表面を構DNA の自由末端の塩基対構造に明敏に応答する点である．

築する過程において，抗体の活性が PEGの共固定によっ

自由末端の塩基にミスマッチ（変異）が存在すると，1 Mて増強され，これまでにない高い感度を有する抗体基板がを超える高塩濃度下でも安定に分散したままである．ここ調製できることを見出した［３］．この「界面増強酵素免疫で重要なのは，変異型 DNA も同様に二重鎖を形成してい法（Enzyme-Linked Immuno-Sorbent Assay: ELISA」ともるにもかかわらず，完全相補のときと異なり粒子が安定に言うべき新奇現象の分子機構はまだ明らかでないが，PEG

分散しているということである．すなわち DNA 密生層がが抗体タンパク質の立体構造を安定化している可能性があ示す物性の変化がコロイド安定性という尺度に変換される

り，今後のソフトインターフェースの特性解析研究に興味点が最大の特徴である．また古典的な架橋型粒子凝集反応がもたれる．

［４］が応答に数時間を要することに比べ，数分以内という

このような背景から，文部科学省科学研究費補助金・新

極めて短時間に粒子凝集が平衡に達することから［２，
５］，

学術領域研究（領域提案型）に応募するに至った．０８年度

簡便かつ迅速な新しい一塩基多型（SNPs）解析法の原理とに発足した本領域では，生体分子を含む界面構成因子を動して期待されている．

的・空間的に捉えるソフトインターフェースの分子科学とDNA 担持ナノ粒子が示す特異な界面現象は，疎水核という新しい視点から，精密な界面制御技術や三次元的な界

して図１に示したポリ（N‐イソプロピルアクリルアミド）

面評価技術を開発し，界面が関与する新奇現象・物性を見（polyNIPAAm）のほか，図２に示すように金ナノ粒子に出しつつ新たな分子認識デバイス開発を進めることを目的

ついても同様に観察される．polyNIPAAmは下限臨界溶液

として，異なる学問分野の研究者が参画し，新たな融合学

温度（Lower Critical Solution Temperature: LCST）を示す

術領域の創成をめざしている．

代表的な高分子であり，LCST 以上で疎水性を示す．プ
ローブ DNA をグラフトした polyNIPAAm 共重合体の場

２．
３ DNA がつくる界面合，LCST 以上では polyNIPAAm セグメントが脱水和によDNA はヌクレオチド単量体が縮合してできた重合体でり凝集し，疎水核となる．その表層にDNAが密生したミセあり，それぞれのヌクレオチドはリン酸化された五炭糖

ル構造が形成されていると考えられる．このミセル分散液に，アデニン（A），グアニン（G），シトシン（C）とチミは透明であるのに対し，ナノ粒子上のプローブ DNA に完ン（T）の４種類の塩基のいずれかが結合したものである．
すなわち DNA はリン酸基に負電荷を有する高分子電解質である．DNA は二本のポリヌクレオチド鎖が互いに巻き付いて二重らせんを形成する．
前述したとおり，この DNA が作り出すソフトなイン
ターフェースは大変にユニークな性質を持っている［２］．
改めて図１をご覧いただきたい．一本鎖 DNA を表層に密生させた高分子ミセル（DNA 担持ナノ粒子）は高塩濃度下においても，水中に安定に分散しており透明である．ところが，粒子上の一本鎖 DNA（プローブ DNA）に対し完全に相補な DNA を作用させ二重鎖を形成させると，ある塩濃度条件以上においてはコロイド安定性が低下し直ちに凝集してしまう．この凝集は，あとから加えたDNAによる粒図２子間架橋によるものではなく，自発的粒子凝集によるもの
であり，非架橋型凝集と呼んでいる．
６９２

DNA 修飾金ナノ粒子の塩基配列特異非架橋的凝集現象（末端が相補的な塩基対（X= G）のときのみ青色に変化）．

Project Review

2. Biomacromolecular Soft-interface Science

M. Maeda

全に相補的な DNA が系中に存在すると粒子の凝集が進行子を利用した遺伝子診断マイクロチップの開発研究においし，溶液が白濁する［６］．金ナノ粒子の場合，片末端をチて，示唆に富む結果を報告している［９］．完全相補の二本オール化したプローブ DNA を用いて粒子表面に固定化す

鎖 DNA 担持金ナノ粒子は，金平板上に固定化された二本

る．金ナノ粒子が水に分散していると，系はプラズモン共

鎖 DNA が完全相補である場合にその上に吸着する．この鳴によるきれいな赤色を呈するが，プローブと相補的な現象を利用し，塩基対配列の違いによる粒子の吸着傾向を

DNA の添加により二重鎖が形成されると自発的な粒子の表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance: SPR）イ

凝集に伴って青色に変化する［５］．

メージング法により調べたところ，最も強い吸着はもちろ

疎水核の材質が何であれ，DNA 担持ナノ粒子による遺ん相補的な末端間で観測されたが，ミスマッチ末端間にお伝子診断では末端に変異部位を持ってくることが一つの鍵いてもプリン塩基（A，G）を含む場合，弱いながら，あるとなる．これに関して佐藤らは，一塩基プライマー伸長法

程度の相互作用があることが認められている．この結果と組み合わせた DNA 担持ナノ粒子による一塩基多型診断

は，二重鎖末端間で何らかの相互作用が働くことを示唆す法を報告した［７］．一塩基変異が認められる遺伝子領域のる．一方でこれら応答が出たミスマッチは非ワトソン・ク

増幅反応産物において一塩基伸長反応を行い，これをサンリック型の塩基対をある程度の安定性を持って形成するこ

プル DNA として，金ナノ粒子に固定化したプローブ DNAとのできるペアであり，自由度減少の寄与も同様に考えらと完全相補であれば粒子の自発凝集を起こし，変異があれれる．今後その検証を様々な手法を用いて行なっていく必

ば分散したままとなることが示された．

要があるだろう．

DNA 担持ナノ粒子の非架橋型凝集は，相補的でかつ鎖２．
５ DNA ナノ粒子を用いるバイオセンシング長が同じであれば，切れ目の入った二重鎖構造においても生じる．Tang らは９量 体 DNA を グ ラ フ ト さ せ た PNI-

重金属イオンの な か で 水 銀（II）イ オ ン（Hg2＋）は，

PAAm を用いて，長鎖 DNA（３９量体）の一塩基変異が識別

DNA 二重鎖中のチミンーチミン（T-T）ミスマッチペア部可能であることを報告している［８］．３９量体のサンプルに取り込まれ，T-Hg2+-T ペアを形成することが知られていDNA が相補鎖（正常型）である場合，粒子表層に固定化さる．金山らは最近，末端近傍に T-T ミスマッチペアを有すれている９量体 DNA，プローブ DNA（１０量体）および補る DNA 二重鎖を担持したナノ粒子分散液が，高塩濃度条

助 DNA（２０量体）はいずれもサンプル DNA と二重鎖を形件下で安定に分散するのに対し，Hg2＋共存下でのみ分散成する．結果として粒子の自発凝集が起きる．一方でサン安定性が大きく低下することを見出した［１０］．これは，

プル DNA 鎖中央部（検出サイト）を一塩基置換した場合

T-T ミスマッチ部位に Hg2＋を取り込んだは，プローブ DNA との二重鎖形成に至らず安定に分散しが，完全相補 DNA 二重鎖と共通した振る舞いを粒子上でたままとなる．

示すことを意味しており，DNA ナノ粒子の水銀イオン検

DNA 二重鎖出への応用可能性を示唆するだけでなく，前節まで紹介し２．
４ DNA 修飾ナノ粒子の凝集機構てきた DNA ナノ粒子の特異的凝集現象がどのようなメカ粒子表面で DNA が完全二重鎖を形成すると粒子の分散ニズムで誘起されるのかという問題に対し，大きなヒント

安定性が低下する原因については今もって，明快な説明はを示してくれているようにも思える．

できていない．いくつか仮説が考えられている．考えうる

上述の DNA 密生層が示す現象を活用すれば，DNA 担持要素として，静電反発と DNA 鎖によるエントロピー反発

ナノ粒子は遺伝子診断のみならず，簡便で迅速なバイオセがある．前者は二重鎖形成に伴う静電反発の減少である．

ンサーとしての展開が可能である．その一例として機能性

一本鎖 DNA が二重鎖を形成すると，リン酸基間距離が短核酸と呼ばれる DNA アプタマーを活用した標的分子の比

縮されて粒子表面の負電荷密度は上昇する．しかしなが色検査法への展開がある［１１］．DNA アプタマーとは，あら，これを打ち消すように系中の金属イオンとリン酸基とる特定の分子などを特異的に認識することが可能な一本鎖のイオン対形成が促進するといわれており，結果的に二重DNA のことである．ここでは，アデノシン５ ‐三リン酸

鎖の方が一本鎖よりも電気的に中和される．したがって，（ATP）を特異的に認識する２５量体 DNA を利用して ATP塩に対する分散安定性が低下するということである．後者

センサー開発を試みている．PNIPAAm 鎖にグラフトさせすなわちエントロピー反発は，二重鎖形成に伴う DNA 鎖た１１量体 DNA と１４量体の補助 DNA が DNA アプタマーとの剛直化に起因する効果である．二重鎖がとりうるコン

相補的であるシステムの場合では，系中に ATP が存在す

フォメーションの自由度が低下するため，反発力が薄れる

ると二重鎖形成には至らず，粒子が分散したままとなる．

のではないかという考えである．しかし，静電反発とエンATP 以外のヌクレオチド三リン酸（グアノシン５‐三リン

トロピー反発の寄与を明確に区別して議論することは容易

酸（GTP），シチジン５‐三リン酸（CTP），ウリジン５‐三ではないように思われる．

リン酸 UTP）を添加したコントロール実験では，アプタ

末端の一塩基だけの変異導入でなぜ粒子安定性に違いがマーはグラフトされたDNAと補助DNAとで安定な二重鎖出るのかについても，その機構はよくわかっていない．一を形成し，ある塩濃度以上で粒子凝集を生じて系が白濁す

塩基分だけ一本鎖状態であると考えた場合，やはり静電反る．一方，ATP が存在した場合に系が白濁するようにシス発と立体反発力のような相互作用が存在するのではないか

テムを構築する方法も提案している．これは ATP が存在と推察される．これに関連して佐藤らは，DNA 担持ナノ粒

していれば，DNA アプタマーがこれと複合体をつくるの
６９３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

に対し，１１量体の補助 DNA が PNIPAAm 鎖にグラフトさえて，環状GMP（G）に対するアプタザイムを用意する．いれた DNA と完全二重鎖を形成するように設計し，粒子凝ずれも自己切断によって生じる RNA 断片の配列は同じに集を促すものである．宮本らはこれで0.25 mMのATPの存しておく．用意する DNA ナノ粒子は，この RNA 断片に応在を目視検出することが可能だと報告している．

答する配列とする．この組み合わせにより，T にも G にも応答する，すなわち OR ゲートが構築される．

小川らはアプタザイムを利用して，DNA ナノ粒子のバ
イオセンシングへの適用を報告している［１２］．アプタザイ

AND ゲートも同様に構築することができる．しかし，そムとは特定の分子などに応答して自己切断反応を引き起この設計には DNA ナノ粒子の非架橋凝集原理に依拠したす機能性核酸のことである．すなわちアロステリック・リ
ボザイムである．標的分子が存在するとアプタザイムの自己切断が起こり，その結果生じた切断片（RNA）が金ナノ粒子表面に固定化された DNA とハイブリダイズすること
で，可視検出可能な粒子凝集を引き起こすという仕組みである．その具体例を図３に示す．化学物質テオフィリン（T）に対するアプタザイムを例に示している．T が存在す
るとアプタザイムに構造変化が起こり，分子内の特定場所
で切断反応が進行する．切断して生じる RNA 鎖は共存す
る DNA 固定化ナノ粒子に結合し，その非架橋凝集を引き起こすため，これを色変化として検知することが可能となる．すなわちテオフィリン（T）の検出が可能となる．少量の切断 RNA によって粒子凝集が引き起こされることから，
他のアプタザイムに依存したセンサーシステムと比較して検出感度が高いという特色がある．

２．
６ ロジックゲート
小川らはまた，アプタザイムと DNA ナノ粒子の組み合わせにより，分子レベルの論理ゲート設計に成功している［１３］．ここでは先の図３が論理ゲートの基本単位（YESゲート）となる．これを二つ組み合わせて OR ゲートとし
図３

たのが図４である．ここでは T に対するアプタザイムに加

図４

アプタザイムを用いる薬剤センサの原理（YES 型論理ゲート）．

アプタザイムと DNA ナノ粒子の非架橋凝集を利用した OR 型論理ゲート．

６９４

Project Review

2. Biomacromolecular Soft-interface Science

M. Maedaに強力に推進する必要がある．

ちょっとしたアイデアが使われる．すなわちここで用意する二つのアプタザイムは，やはり T と G に対するものであるが，前者では切り離される RNA 配列が３０塩基としてあ参考文献

る．したがって T 存在下で切断反応が起きても，金ナノ粒［１］P.G.de Gennes, Soft Interfaces: The 1994 Dirac Memorial
Lecture (Cambridge University Press, 1997).
［２］M. Maeda, Polym. J. 38, 1099 (2006).
［３］Y. Nagasaki, H. Kobayashi, Y. Katsuyama, T. Jomura and
T. Sakura, J. Coll. Inter. Sci. 309, 524 (2007).
［４］N.L. Rosi and C.A. Mirkin, Chem. Rev. 105, 1547 (2005).
［５］K. Sato, K. Hosokawa and M. Maeda, J. Am. Chem. Soc.
125, 8102 (2003).
［６］T. Mori and M. Maeda, Polym. J. 34, 624 (2002).
［７］K. Sato, H. Hosokawa and M. Maeda, Nucleic Acids Res.
33, e4(2005).
［８］Z. Tang, T. Takarada, Y. Sato and M. Maeda, Chem. Lett.
33, 1602(2004).
［９］Y. Sato, K. Hosokawa and M. Maeda, Colloids Surf. B 62,
71 (2008).
［１０］N. Kanayama, T. Takarada and M. Maeda, Chem. Commun. 47, 2077 (2011).
［１１］D. Miyamoto, Z. Tang, T. Takarada and M. Maeda, Chem.
Comm. 4743 (2007).
［１２］A. Ogawa and M. Maeda, Bioorg. Med. Chem. Lett. 18,6517 (2008).
［１３］A. Ogawa and M. Maeda, Chem. Commun. 4666 (2009).

子上では一本鎖部分がはみ出すことになる（１６塩基分）．
したがって凝集に伴う色変化は見られない．一方，G に対するアプタザイムは，このはみでた１６塩基の部分に結合するような RNA が切り出されるように設計しておく．これ
により，T と G の両方が存在して初めて，図５に示すように完全な二重らせんが粒子上に形成されることになる．つまり AND 応答が得られるという仕組みである．

２．
７ おわりに
ここでは主に，生体高分子電解質である DNA を例にとり，そのソフトな界面が示すユニークな現象を解説した．
そのなかで，界面の分子鎖密度を制御しその物性や機能を詳細に解析していくと，新しく有用な現象が次々と発見されることを示した．生体高分子のような動的な性質をもつ
ソフトマターが主役となる場，すなわち生体高分子ソフト
インターフェースでは，生体高分子の電解質としての性質，ならびにイオン・水分子との関わりが複雑に絡み合いながら界面としての機能を発現しており，まだまだチャレ
ンジングな課題が数多く残されているように感じられる．
異分野からの協力も含めた基礎科学的研究をこれまで以上

図５

アプタザイムと DNA ナノ粒子の非架橋凝集を利用した AND 型論理ゲート．

６９５

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)６
９６‐７０３

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

３．プラズマ医療におけるプラズマ生体相互作用
浜口智志
大阪大学大学院工学研究科（原稿受付：２
０
１
１年５月１
６日）

Keywords:
atomospheric-pressure plasma, plasma medicine, plasma-tissue interaction, free radicals, argon plasma coagulation,
reactive oxygen species (ROS), reactive nitrogen species (RNS), hydroxyapatite

３．
１ はじめに化も衛生管理の観点から重要であり，今後も更なる技術開

半導体超微細加工や機能性薄膜堆積等の材料プロセスに発が求められる．

プラズマ技術は欠くことのできないものであることは広く第三の分野として挙げられるのは，プラズマによる生体

知られている．今日も，半導体素子の更なる微細化や新し組織の直接的な処理をめざした医療応用である．既に医療いエレクトロニクス材料の導入に伴う新プロセスの開発の現場では，アルゴンプラズマ凝固（APC）法［６‐８］と呼ば等，様々な需要に応えるため，プラズマプロセス技術はれるプラズマを使う治療法が導入されており，日本では特日々進歩を遂げている．プラズマプロセスの対象となる被に，アレルギー性鼻炎や花粉症の治療としてAPC法による処理材は，半導体チップをはじめとする電子デバイス用の下鼻甲介粘膜焼灼術や，また，消化器外科手術において，材料がよく知られているが，近年，医療に関与する被処理

消化器内視鏡下の APC 装置による切開剥離法等が広く実材に対するプラズマ処理への関心が高まっている．医療分

践されている．これらは，基本的にプラズマの熱を使って野の被処理材として，無機材料や人工的に合成された高分組織を焼灼するものであり，特に後者の例を安全に施術す

子材料（有機ポリマー）等ばかりでなく，生物・生体組織

るには，外科医に極めて高度な技術が要求されることが知そのものを対象にすることもある．プラズマ技術の応用のられている．しかしながら，近年，このようなプラズマの主目的が，病気や怪我等の治療，あるいはその支援に用い

熱的な作用を使うのではなく，低温大気圧プラズマ（気体られる場合は，この技術はプラズマ医療と呼ばれる．

の温度が室温に近い大気圧プラズマ）によっても，止血，プラズマ医療研究は，最近の研究動向を見ると，大きく血管新生，臓器癒着防止，細胞増殖等，様々な「治療効果」

分けて，次の三分野に分けられる．第一の分野は，プラズが得られる可能性の高いことが知られてきた．これらは，

マを用いた医療材料の表面改質・表面処理であり，この分プラズマによって生成されたフリーラジカル等の反応活性野の研究は，長い歴史をもつ［１‐４］．例えば，医学・生物

種が生体と相互作用する結果得られるものであると広く考学分野の研究で広く使われるシャーレ（ペトリ皿）の多く

えられているが，その詳細は，いまだよく知られておらず，は，酸素プラズマ処理されて表面の親水性が高められてお今後の研究の進展が期待される．また，狭い意味では，こり，また，金属製人工関節の表面にハイドロキシアパタイの第三の分野のみを「プラズマ医療」と呼ぶこともある．

トを溶射で接着する場合にも，熱プラズマが用いられる．

本章では，この第三の分野の，狭い意味での「プラズマ近年も，細胞培養支持体材料としてのポリマーの，プラズ医療」におけるプラズマと生体の相互作用について，現在

マによる成膜・表面改質，あるいは，高分子以外の材料

知られている知見を簡単にまとめる．プラズマが生体に与（ガラス，セラミックス等）の細胞培養担体のプラズマによえる影響の源としては，プラズマの発生する熱，イオンのる微細形状制御などの研究が精力的に進められている．

加速による物理的衝撃（気相から被処理材への運動量とエ第二の分野は，プラズマによる滅菌技術であり，この研

ネルギーの輸送），ラジカル，励起原子・分子，電子，光究も長い歴史がある［５，６］．プラズマ滅菌は，医療分野だけ（特に紫外線）等による（運動量輸送はほとんど伴わない）に限らず，より一般的な衛生管理の分野で，既に実用化さエネルギー輸送が考えられる．プラズマのもつこれらの作れている．しかしながら，プラズマ処理による滅菌の機構用の中で，どの作用が生体にもっとも大きな影響を与えるがいまだに十分に理解されておらず，また，芽胞形成菌なかは，用いるプラズマの性質に依存する．本章は，この中

ど，プラズマで処理されにくい細菌も存在し，さらには，

で，主として，ラジカル等の反応活性種の作用に注目して，細菌ばかりでなく，ウィルス［７］やプリオンなどの不活性議論を進める．

3. Interaction of Plasmas with Biological Objectsin Plasma Medicine
HAMAGUCHI Satoshi

author’s e-mail: hamaguch@ppl.eng.osaka-u.ac.jp

６９６!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

3. Interaction of Plasmas with Biological Objectsin Plasma Medicine

S. Hamaguchi「プラズマ医療」におけるプラズマと生体の相互作用のある．通常印加電圧用の電源として，周波数は数百 kHz

研究を一つの研究分野として見ると，この分野は，基本的程度，入力パワーは 100 W 程度のものを用いる．焼灼によには，知られていないことが極めて多く，学問としてはほり組織表面が破壊されるので，APC 装置は，組織の切断やとんど確立していないといっていい状況にある．いまこの腫瘍の破壊に用いる．一方，APC 装置により破壊された組

研究の最前線で行われていることの多くは，現象データの織が凝固することを利用して，止血等にも利用される．

集積，つまり，プロセスレシピ（プロセス条件）とプロセ

APC 装置による組織の切断，破壊，凝固作用は，いずれも，

ス結果の関連付けを，生物学的・医学的対象について行う

即効性が高いのが特徴である．APC 法の場合は，電気メことであり，一方，観測データの機構解明までにつながる

ス・高周波メスなどと異なり，患部に装置（電極部等）を研究はまだ少ない．この状況は，ちょうど１９７０年代に，プ直接接触させずに使用するため，非接触型の医療機器であラズマプロセスが半導体プロセスに導入され始めたころにる．しかし，電極と組織との距離の微妙な違いによって，似ているかもしれない．当時，プラズマと物質の相互作用

組織がプラズマから受ける熱量が大きく異なるため，まれの機構がよく分からないままに，半導体プロセスの需要とに，手術中にあやまって健常な器官を穿孔して，大きな合研究者の勘と経験に頼って，多くの種類のプラズマ，放電

併症を引き起こすこともある．このため，APC 装置を外科

条件，ガス種などが，網羅的に調べられた．その後の半導手術で用いる際には，極めて熟練した技術が必要とされて体市場の爆発的な拡大ともに，マイクロデバイス用のプラ

いる．こうした背景から，現在，日本では APC 装置の活用

ズマプロセスの研究は１９８０年代以降，急速に発展し，学問は，その使用を安全に行うことが確実にできる特定の疾患領域として確立していった．もちろん，プラズマ医療の研への活用にほぼ限られている．また，熱を用いて組織を凝究が，今後，それと同様な発展の歴史をたどるかどうかは固する代替治療法として，上述の，電気メスや，レーザー

わからない．ただ，プラズマと生体との相互作用に関連し治療，マイクロ波治療などがある．

て最近知られてきた様々な実験事実は，プラズマがなぜ生

３．
３ 低温大気圧プラズマ装置

体にそのような作用を起こすのか，素朴な好奇心を刺激す
るものが多い．長年，生体に対する様々な物理的刺激を研上述したように，プラズマを用いた医療機器は，既に実究してきた生物・医学研究分野の専門家にとっても，プラ際の医療現場に入っている．しかし，近年，プラズマ医療

ズマによる生体への刺激は，その機構が自明でないものがとして注目を集めている装置は，APC 装置のように，プラ多いようである．この意味だけでも，プラズマ医療の研究

ズマの熱的性質を活用したものではなく，むしろ，その熱を深めることは学術的に意義深いものであると筆者は考え的要素を取り除いたプラズマ装置である
［１２，
１３］
．ここで

ている．

は，図２に低周波プラズマジェットとプラズマ針，および，平板型誘電体バリア放電（DBD）と呼ばれている３種類の３．
２ アルゴンプラズマ凝固（APC）装置

プラズマ発生装置の概要を示す．

まず，本稿で主として対象とする低温プラズマの議論を

図２（a）に示す「低周波プラズマジェット」装置は，通常する前に，現在の医療現場で既に実用化されているアルゴ

ヘリウムまたはアルゴンを放電気体として用い，印加電圧

ンプラズマ凝固（APC）装置について簡単に紹介する［８‐の周波数は数十kH程度の低周波，印加電圧は10 kV程度以

１１］．この装置は，図１にあるように，アルゴン気体を流し下を用いる．この装置は，プラズマペンシルと呼ばれるこ込み，アルゴン雰囲気中の金属電極に交流電圧を印加しと も あ る［１４，１５］．図２（b）に 示 す「プ ラ ズ マ 針」装 置て，プラズマを発生させ，その熱で組織を焼灼するもので

［１０，
１６，
１７］は，構造的には図１に示す APC に似ているが，通常，内部電極が針のように細い．また，APC との大きな違いは，電源として，十数 MHz 程度の高周波（RF 波）で低電力（数 W 程度以下）の電源を用いるため，プラズマが内部導体（針）の先端部にコロナ状に生成される．入力パ
ワーをあげ，被処理物に近づけると，被処理物との間にグロー放電のような放電を生成する．図２（c）に示すのは，平行平板型の「DBD 放電」装置である．通常，大気圧において，数十kVの高圧パルス電圧を電極間に印加すると，電極間の距離が 1 mm 程度の場合，電極間にグロー放電のような放電が観測される．接地（グラウンド）電極のないもの
は，浮遊電極（FE）DBD 装置と呼ばれることもある［１８］．
いずれのプラズマ装置も，大気圧で放電する装置であり，気体の温度が室温程度と低いのが特徴である．また，いずれの放電も，電子の中性粒子（原子・分子）に対する

図１

衝突周波数が高いため，電子温度も比較的低く，数 eV 程度

APC 装置の概念図．電源は，通常，数百 kHz，100 W 程度の交流電源を用い，生体組織を通して電流が流れる．アルゴンを放電ガスとして用いる［８
‐
１
１］
．

であると予想される［１９］．一方，イオンの温度は，一般に，気体とほぼ同じ室温であると考えられている．低周波
６９７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011（a）るが，MHz 程度の高周波（RF 波）の電源を用いるため，放電は連続的に起こる．しかし，それでも，気体温度が低いのは，プラズマが小さく，高速で流れる気体を十分に加熱できないためである．また，イオンへのエネルギー移行についていえば，特に，DBD装置（c）の場合，印加電圧に数十kV 以上の高電圧を用いることも多いため，その場合，イオンと中性粒子（原子・分子等）間の衝突周波数は確かに高いが，それでも，電圧印加時にイオンは数十 eV 程度に加速され得る．
また，いずれの装置も，大量の励起原子・分子やラジカ
ルを生成し，それらの内，寿命の長いものは，気体流にのって，被処理材（例えば，生体組織）まで到達する．例
えば，励起原子一つでも，生体組織に接して基底状態に落ちるとき，組織表面に数 eV のエネルギーを付与する可能性があるため，そのエネルギー付与が，生体組織表面で，何らかの化学反応を引き起こすことは十分に考えられる．
このような低温大気圧プラズマでは，荷電粒子密度は中性
粒子密度よりはるかに低い．そのため，たとえ，イオンが（b）

数十 eV の運動エネルギーをもつほどまでに加速されていても，反応活性種が表面と接触する際に表面に供給するエ
ネルギー総量は，イオンが表面と衝突して表面に供給するエネルギー総量と同程度，あるいは，それ以上に高い可能
性もある．

３．
４ 気相中のラジカル生成
前節で示したような大気中の放電によって生成されるイ
オンやラジカル種・励起種の種類は極めて多く，また，それらの密度計測も，一部の粒子種をのぞいて容易ではない
ため，放電条件と生成されるイオン・ラジカル・励起種の種類と量等については，一般に，詳しいことは知られていない．特に，医療応用の観点からいうと，生物的な作用が（b）

強いと考えられる粒子種 1O（一重項酸素），O（オゾン），
23OH（水酸基ラジカル／ヒドロキシラジカル）
，O−
2 （スー
パ ー オ キ シ ド），HO2（ヒ ド ロ ぺ ル オ キ シ ラ ジ カ ル），
H2O（過酸 化 水 素），NO（一 酸 化 窒 素）
，NO（二
酸化窒
2
2
素）等が，プラズマ生成により，気相中でどのくらいの量生成されるかがが興味の対象となる．このうち，水素を含むものは，当然，空気中の水分がその生成元となる．このため，プラズマによる各種の反応種を系統的に調べるためには，空気の成分である窒素・酸素およびプラズマ生成用
気体（ヘリウムやアルゴン等）ばかりでなく，空気中に存在する水の電離・励起・解離・結合等を調べる必要があ

図２

る．このような系では，生成される粒子種，およびそれら

低温大気圧プラズマ生成装置の例．（a）
低周波プラズマ
ジェット装置［１
４，
１
５］
．（b）
プラズマ針［１
０，
１
６，
１
７］
．（c）
平
板型 DBD 装置［１９］．

をつなぐ化学反応式は膨大な数となり，計算に必要な反応係数も知られていないものが多い．
しかしながら，いくつかの計算・計測例は知られていプラズマジェット装置（a）と DBD 装置（c）の気体温度が低る．１９７０年代からオゾン生成のための大気圧放電の研究は

いのは，放電している時間が極めて短く（通常数十ナノ秒

盛んに行われ，例えば，空気中の大気圧放電のゼロ次元モ程度），放電周期が長い（0.05-1 ミリ秒程度の間隔）ことに

デル計算結果は，［２０，２１］などに挙げられている．最近でより，気体が加熱されて温度が上がる前に放電が消えて，は，プラズマ針および低周波プラズマジェット He と N2

気体の冷却が十分に起こるためである．一方，プラズマ針の系［２２，
２３］の２次元流体計算，また，水の影響を考慮した（b）では，放電に用いる電力は通常低く，数 W 以下ではあ

計算では，He と H2O の系のゼロ次元シミュレーション
６９８

Project Review

3. Interaction of Plasmas with Biological Objectsin Plasma Medicine

S. Hamaguchi［２４］などが知られている．特に，He と H2O の系のプラズマ窒素）等 N を含む活性の高い化学種は活性窒素（RNS）と呼のゼロ次元シミュレーション［２４］では，生物学的活性の高ばれる．NO2 などは，ROS とも RNS とも呼ばれるので，通い OH や H2O2 が高い密度で生成されることが示されてい常は，これらをまとめて，ROS/RNS と書く．大気圧プラズ

る．また，このモデルでは，H２O のクラスター生成もモデ

マを水溶液の近くで発生させると，大気中で生成された電ル化しており，多くのイオンが水分子のクラスター（クラ子，イオン，活性種が水溶液に溶け込み，これら ROS/RNS

スターイオン）となっていることがシミュレーションで示

が水溶液中に生成されると考えられる．

されている．また，He と H2O 系プラズマにおけるイオンに

生きた細胞などは通常，細胞が生きていくのに十分な養関しては，実験的に，その存在比も詳しく調べられており，分を含んだ溶液の中に存在している．このような水溶液に

正負いずれの極性においても，水分子のクラスターイオン

は，タンパク質をはじめとする多種の化学種が溶質としてが多数存在することが確認されている［２５］．

混合しているため，仮にプラズマから非常に活性の高い
ROS/RNS がその水溶液中に供給されたとしても，これら

３．
５ 液相中のラジカル生成の溶質と即座に反応して，ROS/RNS が細胞表面に届かな

生体組織は，皮膚のように表面が乾燥しているものがあい可能性もある．比較的活性が弱く，すなわち，溶液中でる一方，傷などによって露出した皮下組織のように，血液の寿命が長く，しかも，細胞等の生体に何らかの作用を行等の体液に覆われているものもある．培養細胞に対するプ

う ROS/RNS が，プラズマ医療の観点からは重要になる．

ラズマ照射の実験を行う場合も，細胞は通常培養液に覆わ

このような長寿命の ROS/RNS を各活性種ごとに個別れている．そのため，前節で述べた，プラズマによって生に，しかも，簡便に計測する技術は現在のところ存在しな成された気相中の活性種は，生体組織に直接接触する前い．しかしながら，医療の分野では，既に臨床でも活用さに，しばしば，生体組織を取り囲む液体に取り込まれる．

れている d-ROMs（derivatives of reactive oxygen metabo-

前節で，気相中の活性種について，まだ十分な知見が得

lites）テストという，溶液中の ROS 量を評価する方法が知られていないことを述べたが，気相中の活性種が液体に取られている［２９］．この方法を用いると，ROS の一種であり込まれる際にどのように変化するか，および，取り込まるヒドロペルオキシド R-OOH（R は炭化水素基）が含まれれた活性種は，液体中でどのような活性種として存在するていると考えられる水溶液に，牛の血清等を混ぜ，血清中

か等については，さらに，知られていない．放射線化学のの鉄イオンとの反応（フェントン反応）

分野で，液中の活性種については，既に多くの知見が得ら

R-OOH+Fe3＋ → R-OO・＋Fe2＋＋H+

れているので，今後のプラズマ液体相互作用に関する研究

R-OOH+Fe2＋ → R-O・＋Fe3＋＋OH−

では，放射線化学の分野の知見が活用できるかもしれない．例えば，水溶液中の電子の周りには水分子が集まりを利用して，さらに（水和），水のクラスターを形成している（水和電子クラス

R-OO・＋A-NH2 → R-OO−＋［A-NH・2］＋

ター）ことが知られている．同様に，水溶液中では，正負

R-O・＋A-NH2のイオンも水和していると考えられるため，気相中の水の→ R-O−＋［A-NH・2］＋

クラスターイオンは，クラスターのまま，水溶液中に取りの発色反応を利用して，この発色（赤色）を吸光計測して，込まれる可能性もある．水溶液以外の溶媒でも，電子や正R-OOH の存在量を評価することが可能となる．ここで，負イオンは，溶媒和を形成している可能性が高く，また，

A-NH2 は，N，N ジエチルパラフェニレンジアミンと呼ば水溶液中の反応を通して，他の活性種に変化する．また，れる物質である．このテストでは，R がすべて H であった

水溶液中の活性種の種類と濃度は，当然，溶媒の pH（水素場合の発色を基準として，R-OOH の量を推定しているだ＋

イオン H 濃度）にも大きく依存する場合があり，そのた

けで，実際の R-OOH の量はわからない．ただ，この計測値

め，反応活性種を含む溶液の生物学的作用は，pH によってが上昇することで，溶液中の R-OOH の量が増加すること大きく異なる場合がある［２６］．

はわかる．

さて，仮に溶液中に存在する反応活性種がすべてわかっ

図３は，図２（a）のプラズマジェット装置で，細胞培養用たとしても，それら活性種と生体の相互作用について，ま液体培地 DMEM（Dulbecco's modified Eagle's medium）にだ知られていないことが極めて多い．そのため，活性種のプラズマを一定時間照射したときの d-ROMs テストの結物理的同定や解析ができただけでは，プラズマの医療的効果を示す［３０］．プラズマジェット装置は，図３（a）にある

果はまだわかったことにはならない．

ように，100 μl の DMEM の水面へプラズマ（発光部分）の例えば，最近 NO の生理的効果が，医学界でかなりの注端が接するように，DMEM を入れたマイクロプレートの目を集めている［２７，２８］．それ以外にも，生体との相互作用

最表面から 4 mm 離した位置にプラズマ装置の射出口が来が強い酸素および酸素を含む化合物として，先に述べた，る位置で固定した．このテストでは，培地内に生成された

1

O2，O3，OH，O−
2 ，HO2，H2O2，NO，NO2 等があるが，こラジカル計測装置として，FREE（WISMALL 社）を用いれらを総称して，活性酸素（ROS）という．特に，一酸化た．計測では，牛胎児血清（FBS）を６０％混ぜた DMEM

窒素 NO とスーパーオキシド O−
2 の反応から生成されるにプラズマを一定時間照射し，計測に必要なサンプル液

ONOO （ペルオキシナイトライト），さらに，それから派

20 μl をとり，酸性緩衝液と混合し，呈色液クロモゲン入り

生する ONOOH（HNO3，過酸化亜硝酸），N2O3（三酸化二キュベットに移したあと遠心分離を１分行い，その後，吸−６９９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011（a）を行った．実験は大気中で行われ，平面型 DBD 装置の誘電体表面とサンプルまでの距離は 2 mm，サンプルは顕微鏡用カバーグラス上に載せた PAEC で，50 μl の無血清培地に浸されている．このサンプルにプラズマを一定時間（５秒〜１２０秒）照射し，照射後すぐにプラズマ処理されたサンプ
ル細胞の培養を開始した．実験条件の詳細は文献［３１］に記載されているが，このような条件下では，プラズマ照射時
間が３０秒以下の場合，照射１日後から５日後までの間の４日間で，細胞数が数倍に増え，その増え方は，照射時間が長いほど大きいことが示されている．また，一般に内皮細胞は血管新生増殖因子を産生することが知られているが，（b）

この実験でも，プラズマ処理された PAEC は，照射後長時間にわたって，血管新生増殖因子の一つである線維芽細胞
成長因子（FGF）‐２を産生し続けることが観測されている．
また FGF 中和抗体を同時に投与した場合には PAEC の増殖が抑制されることから，FGF‐
２が PAEC の増殖促進効果をもつこともこの実験で確認されている．
筆者の研究グループでも，間葉系の細胞を中心に，様々な細胞に大気圧低温プラズマを照射する実験を行ったので，ここでその一例を紹介する．我々の実験では，図２（a）のプラズマジェット型の大気圧プラズマを用いて，図３（a）と同じ条件で，DMEM 中に培養している細胞に対し

図３て，一定時間プラズマを照射した．この実験では，９６ウェ

DMEM 培地への低温大気圧プラズマ照射実験．図２（a）の低周波プラズマジェット装置から照射されるプラズマ（発光部）の先端が培地用液面に接するように装置を配置した．（b）
DMEM 中に生成された R-OOH の H2O2 相当量のプ
ラズマ照射時間依存性．

ルマイクロプレートのいくつかのウェルに，十分な間隔をおいて，１ウェルあたり 100 μl の DMEM を入れ，１ウェル
あたり約３０００個の細胞培養を行った．細胞を培養するウェ
ルの間隔を十分にあけたのは，１つのウェルにプラズマ照

光計測を行った．プラズマには，He を放電気体として用射している間に，他のウェルにそのプラズマ照射の影響がい，電極間に±5 kV の電圧を周波数 20 kHz で印加した．計及ばないようにするためである．上述した Kalghatgi らの測値は U. CARR（Carratelli unit）という独特の単位で示さ

実験では，カバーグラス上に垂らした培地が非常に薄く細れているが，1 U.CARR＝0.08 mg/100 ml の H2O2 に相当す

胞を覆っているだけであるが，我々の実験では，細胞がマる R-OOH の量という意味である．計測結果を示す図３（b）

イクロプレートのウェル内壁に接着しているため，プラズ

からわかるように，プラズマ照射時間が長くなるにつれマによって生成された活性種が，培地の DMEM に溶け込て，培地中に存在する R-OOH の量が増えていることがわ

み，細胞に作用するまで，少なくても数 mm 程度の距離にかる．この計測では，前述したように，R-OOH の種類やそわたって輸送される必要がある．
図４に，我々の実験結果の一例を挙げる．図４の例で用の正確な量はわからないが，プラズマ照射によって，ROOH の量が増えていることはわかる．また，この結果か
ら，R-OOH 以外の ROS/RNS の量も増えているであろうことが推測される．このように，プラズマ照射により，培養液中に何らかの ROS/RNS が生成されていることは確実である．

３．
６ プラズマによる細胞増殖
生きた細胞（例えば細菌等）に一定量以上の大気圧低温
プラズマを照射すると，細胞が不活化することが知られており，この手法を用いて，大気圧低温プラズマを用いた滅菌研究が広く行われている［５，６，２６］．しかし，大気圧低温

図４

プラズマの照射量が少ないときは，細胞に逆に刺激を与え，その増殖を促進することが知られている．例えば，
Kalghatgi［３１］らは，平面型の FE-DBD 装置（正負ピーク間
電位差 20 kV，500 Hz〜1.5 kHz の正負パルス電圧）を用いて，ブタ大動脈内皮細胞（PAEC）へのプラズマ照射実験
７００

DMEM 中に培養されているヒト滑膜細胞（HS）へ低周波大気圧プラズマジェット装置を図３（a）の配置で，一定時間（横軸の値）照射した後，そのままの培養液で６時間 CO2
インキューベーター内で培養し，その後，WST-8 アッセイ
によって生細胞数を評価したもの．縦軸が生細胞数に比例する．この結果は，６０秒程度の照射までは，プラズマを照射するほど細胞増殖が促進されることを示している．

Project Review

3. Interaction of Plasmas with Biological Objectsin Plasma Medicine

S. Hamaguchi

いたのは，ヒト滑膜細胞（HS）で，プラズマ照射後６時間層欠損創に対して，大気圧放電により生成した NO 気体を

CO2 インキューベーター内で培養したものを，WST-8 アッ

６０秒ずつ数日間供給したもの，しないもの，無菌創の場合，

セイによって生細胞数を評価したものである［３０］．横軸

感染創の場合などについて，創面積の時間変化を欠損創作

は，プラズマ照射時間を表す．縦軸は本アッセイによる吸製後３０日以上にわたって求めることにより，一酸化窒素療

光度を示しているが，この値が生細胞数に比例する．各プ法の有効性を示した．また，Ermolaeva ら［３３］は，１４匹のラズマ照射時間に対して，３度実験を繰り返し，その平均

ラット（１グループ７匹）を用い，ラットの頭部に作製し値がプロットされている．

た感染創に，低温大気圧アルゴンプラズマを毎日１０分ずつ

この結果からわかるように，３０秒以上照射したものは，５日間照射した際の創面積の時間変化を，最初の治療日か明らかに細胞増殖が進んでいる．また，このデータでは示

ら１８日間にわたって観測し，プラズマ治療の有効性を示ししていないが，照射時間が長すぎると，細胞は死滅する．

ている．

また，照射時間と増殖の割合については，細胞の種類に極３．
８ プラズマ医療の数値シミュレーション研究

めて強く依存し，細胞によっては，増殖が見られずに短時間の照射で死滅するものもある．また，当然，プラズマの前節までに，プラズマ医療に関する実験的研究の例をいパラメータ（投入パワー，ガス流量）や，プラズマと培養

くつか挙げた．プラズマと生体の相互作用に，医療として

液表面との距離，培養液の量等にも，細胞増殖率は依存すの治療効果が期待できそうな現象がいくつか見つかっている［３０］．図４の HS 細胞のプラズマ照射による増殖についるため，多くの研究機関で，それらのデータを蓄積していても，上記PAECの場合［３１］と同様に，プラズマ照射によるというのが，現在の研究段階であり，その生物学的効果

る何らかの成長因子の産生が誘起された結果と想像されるの機構を解明するところまで進んでいる研究例は数少なが，その機構については，まだ調べられていない．

い．こうした状況から，理論やシミュレーションを用いた

なお，上記のプラズマ照射による細胞増殖実験においプラズマ医療の研究は，現状では，ほとんど行われていなて，実は，プラズマ照射する培養液中に細胞が入っている

い．プラズマ医療に関係する分野でシミュレーションの行

必要はない．細胞の入っていない新しい培養液にプラズマわれている研究テーマは，現在，大気圧放電そのものに関を直接一定時間照射し，その培養液内で新たに（プラズマするシミュレーションがほとんどである［３４］．

処理されていない）細胞を培養すると，図４と同様に，培

例えば，Babaeva と Kushner［３５］は，最近，皮膚組織を，養液へのプラズマ照射時間によって，細胞の増殖率が変わ

現実の細胞組織に近い形状と誘電率・導電率をもった誘電ることが既に確認されている．文献［３１］にその例が示され体としてモデル化し，その皮膚細胞モデルに，ナノ秒程度ているが，筆者らのグループにおいても，上記HS細胞およのパルス幅をもつ高電圧で生成された大気圧プラズマ（スびその他の細胞で，同様の結果を確認している［３０］．こう

トリーマー）が照射されるシミュレーションを行っていした結果から，培養細胞に対するプラズマ照射による効果

る．窒素・酸素が４：１の比で混合された乾燥空気中の放は，プラズマ照射によって培養液中に生成される長寿命の電の２次元系において，プラズマは流体モデルで解かれ，化学的活性種によるものであることが想像される．

中性粒子輸送，放射輸送，光電離の効果を取り入れたモデルとなっている．イオン衝撃および VUV 光子吸収による

３．
７ 低温プラズマによる創傷治療

２次電子放出の効果も取り入れられている．

前節に書いたように適量のプラズマによる生体への刺激

このシミュレーションを見てあらためて気づかされるのは，生体の活性を上げることが知られている．プラズマ照は，30 kV 程度の高電圧を印加して生成した DBD が，皮膚射のこの効果を端的に示す例が，低温プラズマによる創傷から 2 mm 程度しか離れていない場合，細胞には極めて大治療の可能性であろう［８，１９］．例えば，プラズマを用いた

きな電場（数十 kV/cm）がかかるということ，および，細一酸化窒素療法（NO therapy）の例として，数百人規模の胞（特に細胞質）の比誘電率が極めて高いため，細胞があ

栄養障害性潰瘍患者の臨床治療例が文献［１９］に紹介されてる程度の電気抵抗率をもっているにもかかわらず，数ナノ

おり，また，プラズマ医療関連の学会でも，低温大気圧プ

秒の放電現象では，細胞表面に正味の電荷が蓄積されるとラズマを使った創傷治療例の紹介は多い．筆者らのグルーいうことである．このモデルでは，誘電率（電気感受率）のプでも，図２（a）のプラズマジェット型の装置による実験

周波数依存性はないと仮定しているが，有限の電気抵抗がで，マウスの背中の皮膚を全層性に切除して筋膜を露出さあるため，誘電緩和時間（誘電率と電気抵抗率の比）と放せた直径約1 cmの円形皮膚全層欠損創に，プラズマを照射

電パルス時間の関係が問題となる．文献［３５］によると，細することにより，創の治癒が早まる場合があることを確認

胞の誘電緩和時間は，電気伝導度の低い細胞膜で 6 μs 程

した．

度，電気伝導度の高い細胞質で 0.5 ns 程度になるため，数

ただし，プラズマ医療の典型例として幅広く喧伝されてナノ秒の放電では，細胞表面に十分電荷が蓄えられ，細胞いる低温プラズマによる創傷治療ではあるが，厳密に管理内の電圧をさらに高める．細胞が構造をもち，それぞれのされた環境下の動物実験で，十分な統計精度をもつプラズ

物質の誘電率と電気伝導度が大きく異なるために，数ナノマ創傷治療データの報告は，比較的少ない．例えば，Shek-

秒程度の（生物の運動・輸送等の時間スケールに比べる

hter ら［３２］は，１２０匹のラット（１グループ３０匹）を用い，と）極めて短い時間の間だけではあるが，細胞内に極めて各ラットの背中肩胛骨間に作製した面積300 mm2 の皮膚全大きな電場が大きな空間分布をもって存在することがこの
７０１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

る．プラズマの医療部材の表面改質については，例えば，シミュレーションで示されている．
電磁場や強いイオン衝撃を受けたときに，細胞がどのよポリマーや生体親和性の高い金属材料等の表面改質の研究

うに反応するかを数値シミュレーションで示すためには，が幅広く行われている．また，生きた組織ではないが，骨現在我々がもつ物理モデルを超えたモデル化がまず必要でなどの動物由来の材料のプラズマ処理の研究等も行われてある．一方，プラズマ刺激に対する細胞や生体組織の生物いる．例えば，骨表面（牛の大腿骨から取り出した緻密骨）

学的作用のモデル化の議論とは別に，それらを取り囲む大の表面を低温大気圧プラズマ処理して家兎の大腿骨に移植

気や液体におけるプラズマ物理現象で，現在我々の知ってする実験において，プラズマ処理が骨新生を促進する効果

いる物理モデルの範囲で解決できる問題にもかかわらず，があることも報告されている［３６］．

まだ解決されていない問題も多い．例えば，第４節でも述また筆者らのグループは，多孔質ハイドロキシアパタイ

べたように，低温大気圧放電による気相中のラジカル生成

ト（HA）製人工骨のプラズマ処理の研究を行っているが，反応は極めて複雑で，特にある程度の湿度がある場合，与動物を用いた in-vivo の実験において，プラズマ処理［３７］

えれた放電における各種反応活性種の時空間分布について

は，HA の細胞親和性を向上させ，人工骨の骨伝導能・骨は，まだ十分に理解されているとはいえない．このような誘導能を高めることを示唆するデータが得られている．こ系に対する，より精度が高く，また，拡散や対流による各のように，人工骨に限らず，多様な人工臓器・医療機器に

種粒子の輸送も考慮した２次元・３次元の数値シミュレー

おいて，表面材料の改良とプラズマ表面処理技術が向上す

ションは，今後，発展していくと考えられる．

ることにより，それらの生体親和性がより高まる可能性がある．

また，今後理論・シミュレーション研究が必要な領域として考えられるのは，プラズマと液面の界面を通した荷電

プラズマ医療の研究は，近年，世界的に急激な広がりを

粒子や電気的中性な活性種の反応と輸送，および，液中にみせて発展している．本章では，紙面が限られていたため，おける反応活性種の反応と輸送であろう．これらの現象に

それらの興味深い数多くの研究成果を紹介できなかった．

ついては，今後，計測の技術も進歩することが考えられ，既に本章本文中に参考文献としても挙げてあるものも多い

実験と理論・シミュレーションの精密な比較もいずれ可能が，比較的最近出版されたプラズマ医療関係の解説記事，となるだろう．これらの研究により，生体組織の表面に到

例えば，文献［５，
８，
１２，
１３，
１８，
３４，
３８，
３９］等には，より多くの達する反応活性種の種類と量がわかれば，あとは，生物最近の研究成果が報告されているので，興味のある読者

学・医学の分野で確立されている実験的手法を用いることは，これらの文献も参照されることを勧める．

により，それらの生体組織に対する効果が明らかになると

謝考えられる．こういうことが行われて初めて，プラズマか辞

本稿の執筆にあたり，大阪大学工学研究科の増田一仁，

ら生物学的作用までの一連の関係が明確化する．

金澤龍也，李大成，安藤あゆみの各氏，大阪大学医学系研

３．
９ まとめ

究科の森口悠，金子恵子，岡田潔，椚座康夫，冨田哲也，

本章では，近年，「プラズマ医療」と呼ばれている研究

名井陽，吉川秀樹の各氏から得た助言や議論が極めて有益分野の中でも，プラズマと生体の直接相互作用に関係するであった．特に，図３および図４のデータは，増田一仁，

分野の最近の動向の概要について紹介した．本文中にも何

森口悠，岡田潔，名井陽，吉川秀樹の各氏との共同研究に度か述べたが，この分野の研究は，現在，実験データの集よって得，文献［３０］に掲載されているデータである．ここ積が進められている段階にあり，プラズマと生体の相互作に謹んで謝意を表する．

用メカニズムの解明など，より踏み込んだ内容の研究はまだ数少ない．プラズマ医療の研究が，実際の医療現場で活参考文献用されるためには，プラズマ条件と生物学的効果の相関に［１］石原一彦（編）：バイオマ テ リ ア ル の 基 礎（日 本 医 学
館，２
０
１
１）
．
［２］Buddy D. Ratner et al. Biomedical Engineering Desk Reference (Academic Press, 2009).
［３］A. Milella, R. Di Mundo, F. Palumbo, P. Favia, F. Fracassiand R. d'Agostino, Plasma Process. Polym. 6, 460 (2009).
［４］P.K. Chu, J.Y. Chen, L.P. Wang and N. Huang, Mat. Sci.
Eng. R36, 143 (2002).
［５］J. Ehlbeck, U. Schnabel, M. Polak, J. Winter, Th. von
Woedtke, R. Brandenburg, T. von dem Hagen and K.-D.
Weltmann, J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 013002 (2011).
［６］M. Laroussi, Plasma Process. Polym. 2, 391 (2005).
［７］H. Yasuda, T. Miura, H. Kurita, K. Takashima, and A. Mizuno, Plasma Process. Polym 7, 301 (2010).
［８］G. Lloyd, G. Friedman, S. Jafri, G. Shultz, A. Fridman, andK. Harding, Plasma Process. Polym. 7, 194 (2010).
［９］A. Postgate1, B. Saunders, J. Tjandra and J. Vargo, Endo-

ついて十分なデータの蓄積が必要である．これらが達成された後，プラズマを人体に用いたときの安全性等を担保し，更に，代替治療法に比べて，プラズマを用いた治療法が同等かそれ以上の効果があることを明確にする必要がある．この意味で，プラズマ医療研究は，まだ緒に就いたばかりであり，臨床応用までは，まだまだ先が長い．しかし，学術的な観点からいうと，プラズマから生成されるどの活性種あるいはどの物理的要因が，どのように生物に作用す
るのか，その機構がまったくわかっていない現象も数多く，極めて興味深い学術分野である．
本章第１節で述べた広義の「プラズマ医療」の３研究分
野のうち，臨床応用の観点からいって，より現実的なもの
は，むしろ，第一の分野（プラズマによる医療部材の表面
改質，表面コーティング）および第二の分野（滅菌）であ
７０２

Project Review

3. Interaction of Plasmas with Biological Objectsin Plasma Medicine

scopy 39, 361 (2007).
［１０］E. Stoffels, Contrib. Plasma Phys. 47, 40 (2007).
［１１］J Raiser and M Zenker, J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 3520
(2006).
［１２］K. D. Weltmann, E. Kindel, T. von Woedtke, M. Hähnel,
M. Stieber and R. Brandenburg, Pure Appl. Chem. 82,
1223. (2010)［１３］M.G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill, T. Nosenko, T. Shimizu,
J. van Dijk and J. L. Zimmermann, New J. Phys. 11, 115012(2009).
［１４］M. Teschke, J. Kedzierski, E. G. Finantu-Dinu, D. Korzec,
J. Engemann, IEEE Trans. Plasma Sci. 33, 310 (2005).
［１５］M. Laroussi and X. Lu, Appl. Phys. Lett. 87, 113902 (2005).
［１６］E. Stoffels, A.J. Flikweert, W.W. Stoffels and G.M.W. Kroesen, Plasma Sources Sci. Technol. 11, 383 (2002).
［１７］E. Stoffels, Y. Sakiyama and D. Graves, IEEE Trans.
Plasma Sci. 36, 1441 (2008).
［１８］G. Fridman, G. Friedman, A. Gutsol, A. B. Shekhter, V.
N. Vasilets and A. Fridman, Plasma Process. Polym. 5, 503(2008).
［１９］C.W. Lo and S. Hamaguchi, J. Phys. D: Appl. Phys. 44,375201 (2011).
［２０］S. Yagi and M. Tanaka, J. Phys. D: Appl. Phys. 12, 1509
(1979).
［２１］B. Eliasson and U. Kogelschatz, IEEE Trans. Plasma Sci.
19, 309 (1991).
［２２］Y. Sakiyama and D.B. Graves, J. Phys. D: Appl. Phys. 39,3644 (2006).
［２３］Y. Sakiyama, D.B. Graves, J. Jarrige and M. Laroussi,
Appl. Phys. Lett. 96, 041501 (2010).
［２４］D.X. Liu, P. Bruggeman, F. Iza, M.Z. Rong and M.G. Kong,
Plasma Sources Sci. Technol. 19, 025018 (2010).
［２５］P. Bruggeman, F. Iza, D. Lauwers and Y. A. Gonzalvo, J.

S. Hamaguchi

Phys. D: Appl. Phys. 43, 012003 (2010).
［２６］S. Ikawa, K. Kitano and S. Hamaguchi, Plasma Process.
Polym. 7, 33 (2010).
［２７］M.B. Witte and A. Barbul, Am. J. Surg. 183, 406 (2002).
［２８］J. Lienmann, J. Scherer, N. Bininov, P. Rajasekaran, R.
Kovacs, R. Gesche, P. Awakowicz and V. Kolb-Bachofen,
Nitric Oxide 24, 8 (2011).
［２９］A. Alberti, L. Bolognini, D. Macciantelli and M. Caratelli,Res. Chem. Intermed. 26, 253 (2000).
［３０］増田一仁 卒業論文「低周波大気圧プラズマジェット照射による細胞増殖促進プロセスの解析」大阪大学工学部応用理工学科生産科学コース(2010 年 3 月).
［３１］S. Kalghatigi, G. Friedman, A. Fridman and A.M. Clyne,
Ann. Biomed. Eng. 38, 748 (2010).
［３２］A.B. Shekhter, V.A. Serezhenkov, T.G. Rudenko, A.V.
Pekshev and A.F. Vanin, Nitric Oxide 12, 210 (2005).
［３３］S.A. Ermolaeva, A.F. Varfolomeev, M.Y. Chernukha, D.
S. Yurov, M.M. Vasiliev, A.A. Kaminskaya, M.M. Moisenovich, J.M. Romanova, A.N. Murashev, I.I. Selezneva,
T. Shimizu, E.V. Sysolyatina, I.A. Shaginyan, O.F. Petrov,
E.I. Mayevsky, V.E. Fortov, G.E. Morfill, B.S. Naroditsky
and A.L. Gintsburg, J. Med. Microbiology 60, 75 (2011).
［３４］H.-W. Lee, G.- Y. Park, Y.-S. Seo, Y.-H. Im, S.-B. Shim and
H.-J. Lee, J. Phys. D: Appl. Phys. 44, 053001 (2011).
［３５］N.Y. Babaeva and M.J. Kushner, J. Phys. D: Appl. Phys.
43, 185206 (2010).
［３６］今出真司，森 隆治，内尾祐司：日整会誌 (J. Jpn. Orthop. Assoc.) 83, S1036 (2009).
［３７］D.-S. Lee, Y. Moriguchi, K. Okada, A. Myoui, H. Yoshikawa
and S. Hamaguchi. IEEE Trans. Plasma Sci. (2011) in press.
８］M. Laroussi, IEEE Trans. Plasma Sci. 37, 714 (2009).
［３［３９］W. Kim, K.-C. Woo, G.-C. Kim and K.-T. Kim, J. Phys. D:
Appl. Phys. 44, 013001 (2011).

７０３

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)７０４‐７０９

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

４．プラズマナノバイオトロニクス研究の最新動向
金 子 俊 郎，畠 山 力 三
東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻（原稿受付日：２
０
１
１年５月１
３日）

Keywords:
liquid related plasma, plasma ion irradiation, bio-molecule, nano particle, fullerene, carbon nanotube

４．
１ はじめに応用も重要な研究課題となっている．

生命体が持つ俊敏でフレキシブルな神経系，多種多様な

このような背景の下，筆者らは，DNA やタンパク質に代

感覚器，複雑な記憶と演算処理を行う脳組織は，いずれも表されるナノスケールの生体分子材料とフラーレン，カー

がコンパクトかつ省エネルギーで情報処理を行っている．

ボンナノチューブに代表されるナノカーボン物質や金属・

このようなシステムは，現在の半導体デバイス技術では不半導体ナノ粒子で構成される新規ナノ複合物質が，自己組可能であるが，「バイオエレクトロニクス」は，この生命織化，分子認識，高効率形成等の特徴を有しており，上述

体の持つ優れた特性をエレクトロニクス技術に活用しよう

したナノバイオ・医療分野への応用が期待されていることというものであり，ナノテクノロジー，バイオテクノロ

から，これらの形成にプラズマ理工学的手法を活用し，独ジー，エレクトロニクスを融合した学際領域の研究であ自の「プラズマナノバイオトロニクス」学術領域を創成す

る．さらに，現在，物理的機構（電子，イオン，電場，熱，ることをめざしている．

放射）および化学的反応（酸化，窒化，還元）の制御性に

本章では，このプラズマナノバイオトロニクス研究の動富む反応性プラズマを利用したナノスケールのプロセス向として，先進的液相プラズマを利用したカーボンナノ

を，バイオ起源物質・材料・デバイス創製の観点でバイオチューブをカプセルとして用いて DNA 等を体内へ輸送すエレクトロニクスに応用しようとする「プラズマナノバイ

るドラッグ・DNA デリバリーシステムへの応用，磁気共オトロニクス」が，重要かつ魅力的な研究課題として認知鳴画像（MRI）の造影剤等への応用が期待される磁性金属

されるに至っている．このプラズマナノバイオトロニクスを内包した新機能性フラーレンの創製へ向けた取り組み，は，製薬，バイオ材料コーティング，ドラッグデリバリー，

さらには DNA とカーボンナノチューブの電気的特性を活イメージング，バイオチップ，バイオセンシング，バイオ

用した新たなナノバイオエレクトロニクスデバイスの創成コンピューティング等の次世代ナノ・バイオ・医療・エレについて，筆者らの研究成果を中心に述べる．

クトロニクスシステムの構築をめざした新しい生命関連科

４．
２ プラズマイオン操作によるバイオ・医療応用
ナノ複合物質創製学技術研究として展開されている．
プラズマナノバイオトロニクスの研究は，大きく二つに４．
２．
１ ドラッグデリバリーシステム応用ナノ複合物質

分類できると考えている．一つは，プラズマイオン操作等
により新規ナノ複合物質を創製しバイオ・医療分野へ応用

まず，プラズマイオン操作によるバイオ・医療応用の新することであり，もう一つは，プラズマプロセスにより生機能性ナノ複合物質創製として，ドラッグデリバリーに応体分子自体を使ったナノ電子デバイスを作製することであ用するため，DNA のカーボンナノチューブ（CNT）への挿る．前者は，ドラッグデリバリーや生体イメージング用の入技術と内包された DNA の CNT からの放出技術の開発に

ナノ複合物質形成が代表例であり，後者では，DNA プロー

ついて述べる．

ブを用いたバイオセンシングやバイオコンピューティング

筆者らはこれまで，CNT内部へ様々な原子・分子を注入等を実現するナノバイオエレクトロニクスデバイス作製がする手法として，これらをプラズマ化（イオン化）し，プ相当する．

ラズマ中に形成した電場による静電的な力を用いて内包させる

この生体分子を用いた複合物質創製や電子デバイス作製

プラズマイオン照射法を独自に開発してきた［１］．

には，生体分子が安定に存在できる液相が不可欠であり，このように CNT 内部空間へ異種原子・分子を内包させる

液体中もしくは液体と接触して生成されたプラズマが有用ためにはイオン化が必須であるが，DNA に代表される生であると考えられ，これらの先進的液相プラズマの生成と体高分子は一般的に熱に弱く，プラズマが生成される減圧

4. The Latest Trend of Plasma Nanobiotronics Research
KANEKO Toshiro and HATAKEYAMA Rikizo

corresponding author’s e-mail: kaneko@m.tohoku.ac.jp

７０４!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

4. The Latest Trend of Plasma Nanobiotronics Research

T. Kaneko and R. Hatakeyama

下の気相中ではイオン化することが困難である．しかしな

径が太い場合には高周波電場による DNA の伸長作用なし

がら，それらは大気圧下の溶液中においては容易にイオンでも内包されることが明らかとなった［５］．

として存在し，中でも DNA は水溶液中において分子内にこれらの DNA 内包 CNT をドラッグデリバリーシステム

存在するリン酸基のため多価負イオンとして存在することに応用する際には，生体内で病変部位に輸送し，CNT 内部が分かっている．このようなイオンを含む溶液は一般に電から DNA を放出する必要がある．病変部位への輸送に関

解質溶液と呼ばれ，電解質溶液中のイオンは，気体プラズ

しては，CNTはそのままでは疎水性で生体適合性が悪いた

マと同様に電場を印加することでその挙動を制御すること

め，親水性の分子で表面修飾することで水溶性とすることが可能であるため，筆者らはこれらを「電解質プラズマ」

によって生体内に導入でき［６］，CNT の蛍光発光性［７］をと定義し［２］，図１に示すような利用することで，レーザー光等で励起して発光させたCNT

プラズマイオン照射法

を観測しながら細胞へ誘導できると考えられている．

を適用して DNA を内包した CNT の創製を実現した［３］．
図１に電解質プラズマ実験装置図を示す．5 cm３の DNA

一方，CNT 内部からの DNA の放出に関しては，いくつ水溶液中に 5 mm×40 mm のアルミニウム製アノード，おかの方法が提案されているが，筆者らは電界により放出す

よびカソード電極を挿入し，直流電圧 !"! および高周波電る手法を提案している．その原理実証を行う目的で，図３

圧 !$# を独立に印加する．アノード電極上には，直径 1−（a）に示すように C30 を内包した CNT を塗布した電極を水

2 nm の単層カーボンナノチューブ（SWNT）および直径中に挿入し，挿入時とは逆方向の電場を印加後，電極を挿3−5 nm の二層カーボンナノチューブ（DWNT）を塗布し入した水の紫外・可視光吸収特性を測定した．その結果，てある．

図３（b）に示すように，電場印加時間の増加とともに，水DNA は溶液中で負イオンとして存在するため，直流電中に存在する DNA の吸収ピーク（275 nm）が次第に増加場を印加することでアノードへの DNA 負イオン照射を行することが観測され，CNT に内包されていた DNA が水中うことができる．また，高周波電場を印加すると，溶液中に放出されたことを示している［８］．

で糸玉形状を呈している DNA が分子内分極と高周波電場

これまでに，電解質プラズマ中での印加電場による分子との相互作用で伸長することがわかっているため［４］，伸操作によって，DNA の CNT への挿入と CNTからの放出に長した DNA を CNT に照射することで DNA の内包効率がついて述べてきた．さらに高効率で操作することを目的と向上することが期待できる．本実験では，シトシン（C），グ

して，光照射によって操作可能である金属ナノ粒子をアニン（G），アデニン（A）
で構成される１重螺旋 DNA を用DNA に結合させた複合材料の形成を行い，さらに，この複いており，１本の DNA 内に存在する塩基数（鎖長）を添字

合材料の CNT への挿入実験を行った．これらは，ナノ粒子

x で Cx のように表す．
図２に 透 過 型 電 子 顕 微 鏡（TEM）に よ っ て 観 察 し た
DNA負イオン照射後の（a）SWNT像および（b）DWNT像を示す．ここでは，３０塩基で構成されている長さ 10 nm 程度の A30 および C30 を用いている．図２（a）では SWNT 内部に
１次元構造物質が内包されていることがわかる．上下の図は同じ写真であり，下図では内包物質を黒線で示している．この物質の長さは用いた DNA である A30（〜10 nm）とほぼ同一であるため，SWNT 内部に DNA が内包した像観
察に初めて成功したと言える［３］．
一方，SWNT よりも直径の太い DWNT に DNA 負イオンを照射した場合には［図２（b）］，非常に多数の DNA が密集して内包されているのがわかる．また DWNT の場合には，直流電場のみでも十分にDNAが内包されており，内直図１

図２

DNA を内包した（a）
単層カーボンナノチューブと（b）
二層
カーボンナノチューブ．

図３ （a）DNA 放出実験装置．（b）
DNA 放出後の水溶液の紫外・可視光吸収スペクトル．

電解質プラズマ実験装置概略図．

７０５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011の表面プラズモン共鳴を利用した高感度センサとして，まを示す波長が DNA 濃度によって変化しているが，これはた光によりナノ粒子を操作し，薬剤としての DNA を自在

金ナノ粒子の粒径が変化したことと，表面に DNA が修飾にカプセルとしての CNT から出し入れする手法として利したことでその誘電率が変化したことが原因と考えられ

用できる．

る．

図４に，ナノ粒子合成に使用した気相−液相界面プラズ

ここで興味深い点は，図５（c）で示した よ う に，DNA

マ実験装置［９］を示す．ここでは，液体中に挿入した電極との種類によって吸収光のピーク波長の DNA 濃度依存性が気相中の電極間の放電によりプラズマを生成し，そのプラ異なっていることである．これは，DNA を構成する塩基のズマからの電子およびイオンを液体に照射することで，プ結合エネルギーの差異によって生じていると考えている

ラズマ還元法を用いて液相中でナノ粒子を合成し［１０‐１２］，

が，この結果からDNAの塩基の種類と濃度によって，金ナ

同時に液中に存在する DNA と反応させて複合物質を形成

ノ粒子の粒径を制御できることが明らかとなった．

した．

これらの金ナノ粒子の形状を詳細に調べるため，それぞ

図５に，DNA の濃度を変化させて気相−液相界面プラれの濃度で合成された金ナノ粒子を透過型電子顕微鏡

ズマの照射により形成した金ナノ粒子の水溶液の（a）写真（TEM）で観測した．その結果を図６に示す．DNA を導入

および，（b）（c）そのときの紫外・可視光の吸収特性を示することで金ナノ粒子の粒径が急激に小さくなるがす．DNA の濃度を増加させるのに従って，水溶液の色が次（!"#! !0.2 μM），ある閾値を超えると（!"#! !1.5 μM）ナ

第に濃い赤紫色に変化し，約 550 nm の吸収強度が増大しノ粒子が凝集していくことがわかる．これは，プラズマ照ていくことがわかる．これは，Au ナノ粒子の表面プラズモ

射により金化合物が還元され，金ナノ粒子が合成されていン共鳴により，入射光の振動電場と Au ナノ粒子内の自由

く際に DNA が金ナノ粒子の表面を覆うことで，金ナノ粒

電子が波長 500−600 nm 領域で共鳴的に振動するためであ子がそれ以上成長できずに小さい粒径が維持されるが，る．この結果は，DNA 濃度の増大により金ナノ粒子の合成

DNA 濃度がある閾値を超えると，負電荷を有する DNA

量が増大することを示しているが，これは金ナノ粒子が形が金ナノ粒子の有する正電荷を遮蔽し中和してしまい，成される過程において DNA がナノ粒子の表面を修飾し，クーロン力が作用しなくなるため凝集していくものと考えナノ粒子を親水化することで，金ナノ粒子が高密度で溶解られる．したがって，DNA 濃度等を詳細に変化させることしたためと考えられる．また，このときの吸収光のピーク

で，粒径や凝集の度合いを制御できることが明らかとなった．
現在は，ドラッグ（DNA）デリバリーへの応用をめざ
し，プラズマイオン照射法を用いることによって，これらの DNA‐金ナノ粒子複合物質を CNT 内部へ挿入する実験を行っており，さらには光によるナノ粒子のマニピュレー
トによって，高効率で DNA の操作が可能になるかどうかについても調べている．
また，このようにして形成された金ナノ粒子と CNT の複合物質は，タンパク質高感度センシング等への適用［１３］も考えられ，幅広いバイオ・医療応用が期待できる．
４．
２．
２ 磁気共鳴画像造影剤応用ナノ複合物質

図４

プラズマイオン操作によって創製した新規物質として，気相−液相界面プラズマ実験装置概略図．

フラーレン内部に異種原子・分子を挿入した内包フラーレンがあり，磁気共鳴画像（MRI）の造影剤やマイクロ波・
交流磁場加熱治療法等のバイオ・医療分野への応用が期待されている［１４］．MRI 造影剤に関しては，通常は常磁性の

図５

プラズマ照射により形成した金ナノ粒子水溶液の写真および紫外・可視光吸収スペクトル，吸収光ピーク波長の DNA
濃度依存性．

図６

７０６

プラズマ照射により形成した金ナノ粒子の透過型電子顕微
鏡像の DNA 濃度依存性．

Project Review

4. The Latest Trend of Plasma Nanobiotronics Research

T. Kaneko and R. Hatakeyama

ガドリニウムや鉄，ニッケル等の磁性金属が使用され，周囲のプロトンとの相互作用により造影効果を発現するが，これらを直接体内に投与することは副作用が問題となる．
そこで，これらの常磁性金属をフラーレンの籠の中に閉じ込め無害化するとともに，フラーレンを水溶化することで使用後に体外へ排出されやすくすることが提案されてい図７る．しかし，現在までに，ガドリニウムを内包したフラー

ECR 放電型プラズマ生成装置概略図．

レンは報告されているものの，一般的なフラーレンである
C60 に比べて合成効率が２桁程度低いC82 等の高次フラーレンに内包されたものであり，また，鉄等の磁性金属に至っては，磁性金属と炭素の結合エネルギーが弱いため［１５］，
ならびに実験系構築の難解さから，フラーレンへの内包の明確な報告例は未だに存在しない．一方で，分子動力学を用いたシミュレーションにより，イオン照射法を用いることでニッケル原子内包フラーレン（Ni@C60）の合成が可能であることが示されている［１６］．そこで，既に形成されたフラーレン（C60）に，ニッケルイオンを照射する プラズ
マイオン照射法

図８を用いることで Ni@C60 の合成を試みた

合成試料に関する典型的な質量スペクトル．

［１７］．
える．今後，この Ni 内包フラーレンを大量に合成し，MRI

実験は，図７に示す ECR 放電型プラズマ生成装置（以造影剤としての特性評価を行っていく予定である．

下，ECR 装置）を用いた．ECR 放電により高密度のアルゴ
ンプラズマを生成し，それが負バイアスを印加したニッケ

４．
３ 液相プラズマプロセスによるバイオエレク
トロニクスデバイス創成（#%）をスパッタする
ルプレート（#'&），ニッケルグリッド
ことでニッケル原子，およびイオンを発生させるため，アルゴン−ニッケル混合プラズマが生成される．
典型的なプラズマパラメータは，$$!10 cm

これまで述べた液相プラズマプロセスにより生体分子で，"$!

ある DNA を用いた複合物質の形成に成功している．これ

5 eV 程度であった．#'&の負方向への増加に伴いニッケルらのDNAとナノカーボン，ナノ粒子との複合物質は，そのイオンの発光強度が顕著に増加し，ニッケルイオン生成量

特異的な電気的・光学的・磁気的特性によりナノバイオエが制御可能であることが明らかとなっている．また，それレクトロニクスデバイスとしての応用が期待されている．

ぞれの空間電位は基板電位によらず一定であるため，フ

この新規な電 気 的 特 性 が 期 待 で き る DNA を 内 包 し た

12−3

ラーレンを堆積させる基板の電位を変化させることでイオ

SWNT を，図９に 示 す よ う な 電 界 効 果 ト ラ ン ジ ス タ

ン照射エネルギーの制御が可能である．

（FET）のチャネルとしてソース‐ドレイン間に架橋し，

このプラズマを利用し Ni@C60 合成実験を行い，典型的

ゲート電圧 #" およびソース‐ドレイン電圧 #!#を変化さな合成試料に関し質量分析した結果を図８（a）に，炭素とせ，ソース‐ドレイン電流 !
!#を測定することで，その特性ニッケルの天然同位体比から計算した Ni@C60 の予測同位を調べた．

体比を図８（b）に示す．これより，赤の色で示す質量数７７８

図１０に DNA 内包 SWNT で作製した FET の電気（伝達）をはじめとする質量ピークが検出され，さらに理論的に予特性を示す．DNA 照射前の Pristine SWNT［図１０（a）点線］

測される Ni@C60 の同位体比と一致することが明らかとは，#" が負の値で !
!#が上昇する p 型半導体特性を示してなった．これらの質量スペクトルは，ニッケルプレート電

おり，一方，シトシン（C30）を内包した SWNT［図１０（a）細極への負電位印加によりニッケルイオンの生成量を増加さ実線］は，その p 型の半導体特性が強まっている．これは，せる等の条件を最適化した場合にのみ検出されている．

SWNT からシトシンへの電荷移動が生じ，SWNT が正孔

これらの試料は，十分な量の硝酸と合成試料を混合・撹

リッチ状態になることで p 型半導体特性が強まったためと拌し，C60 の外側に存在するニッケルを除去した場合にも考えられる．これらの結果に対して，グアニン（G30）を内包

質量ピークが検出されたこと，またニッケル外接 C60 合成

した SWNT は図１０（a）の太実線で示すようにまったく反対

実験の結果より，一つの Ni と一つの C60 で構成される物質の質量スペクトルが検出されていないことから［１８］，本研究において検出された質量スペクトルは Ni 外接 C60 由来のものではなく，Ni 内包 C60 のものであると考えられる．また，イオン照射エネルギーが約 35 eV の場合に最も質量数７７８の質量検出強度が高くなるという結果も得られており，

図９

これはシミュレーション結果とほぼ一致していることからも，Ni を内包したフラーレンが確実に合成されているとい７０７

DNA 内包カーボンナノチューブを用いた電界効果型トランジスタ．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

図１
１ 低温（10 K）における DNA 結合カーボンナノチューブ電界効果型トランジスタの電気特性．

欠的に流れており，クーロン振動と呼ばれる量子効果現象
が 発 現 し て い る こ と が 明 ら か と な っ た［２２］．こ れ は，DNA がカーボンナノチューブの内部または表面で量子ドットとして機能したためと考えられ，低消費電力の量子エレクトロニクスデバイスへの応用が期待されている．

４．
４ 将来展望
本章では，プラズマナノバイオトロニクス研究の最新動

図１０ DNA 内包 SWNT 電界効果型トランジスタの電気特性．（a）
空の SWNT（点線），C30 内包 SWNT（細実線），G30 内包
SWNT（太実線），（b）
G30 部分内包 SWNT.

向として，筆者らが行っているドラッ グ・DNA デリバ
リーを目的とした，液相プラズマ中の DNA 負イオン照射による DNA とナノカーボン・ナノ粒子との複合物質の創の，"" が正の値で !
!#が増加する n 型の電気特性を示すこ製と DNA の放出技術開発について述べるとともに，MRIとが観測された．ここでは，シトシンの場合とは反対に，造影剤等への応用をめざした磁性元素内包フラーレン合成

グアニンから SWNT へ電荷移動が生じ，SWNT が電子についても言及した．一方，塩基配列を制御した DNA を

リッチ状態になり，n 型半導体特性に変化したと考えられ

CNT へ内包することで，CNT の電気的特性を制御でき，る［１９］．

さらに DNA を量子ドットとして機能させることで，新た一方，同様の DNA 負イオン照射条件において，図１０（b）

な量子効果デバイスへの道も拓きつつある．

に示すように，"" が正の値とともに負の値でも !
!#が増加

DNA 等の生体分子は，自己組織化能力，自己修復能力をする電気特性が得られ，さらにその場合に "" !−20 V 近有していることと，プラズマの照射により活性化する等の傍で新たなピークが観測されることがわかった．これは，特異な性質を持っているため，今後は自己修復によるエDNA の伸長度や SWNT の配向度等に差異が生じることでラーフリーのデバイスや回路を自己拡張するデバイス等のDNAの内包効率が変化し，SWNTをn型半導体特性に変化

新概念のバイオエレクトロニクスに発展する可能性があさせるグアニンが部分的に SWNT に内包されることにり，多方面の角度からの研究が望まれる．

よって，内包されていない p 型半導体特性領域との間で pn

最後に，本研究における共同研究者の李永峰助教，陳強接合が形成されるために生じることが明らかとなった．こ博士，馬越達也氏に心より感謝申し上げます．

の現象は，アルカリ金属−ハロゲン原子内包 SWNT の pn

参考文献

接合［２０］で得られた結果とも一致している．
これらの DNA と SWNT との電荷移動は，DNA の塩基［１］R. Hatakeyama, T. Kaneko, W. Oohara, Y.F. Li, T. Kato,
K. Baba and J. Shishido, Plasma Sources Sci. Technol. 17,024009 (2008).
［２］T. Kaneko, T. Okada and R. Hatakeyama, Contrib. Plasma
Phys. 47, 57 (2007).
［３］T. Okada, T. Kaneko, R. Hatakeyama and K. Tohji, Chem.
Phys. Lett. 417, 288 (2006).
［４］M. Washizu and T.B. Jones, J. Electrostatics 38, 199 (1996).
［５］Y.F. Li, T. Kaneko and R. Hatakeyama, Small 6, 729 (2010).
［６］M. Prato, K. Kostarelos and A. Bianco, Acc. Chem. Res.
41, 60 (2008).
［７］T. Kato and R. Hatakeyama, J. Am. Chem. Soc. 130, 8101
(2008).
［８］Y.F. Li, S. Chen, T. Kaneko and R. Hatakeyama, Chem.
Commun. 47, 2309 (2011).
［９］T. Kaneko, K. Baba and R. Hatakeyama, J. Appl. Phys. 105,
103306 (2009).

と SWNT のイオン化ポテンシャル（酸化還元電位）の違いによって生じたものと考えられる．すなわち，グアニンが４種の塩基の中で最も低い酸化電位を示し，シトシンは比較的高い酸化電位を示すこと［２１］，さらに，SWNT のイ
オン化ポテンシャルがグアニンとシトシンの中間に存在し，その結果，グアニンは SWNT に電子を供給し，シトシ
ンは SWNT より電子を受け取ることで，それぞれ電子ドナーおよびアクセプタとして機能し，SWNT の電気特性における n 型発現及び p 型強化に至ったものと考えられる［１９］．このように塩基の種類によって CNT の電気特性を制御でき，塩基の組み合わせによってpn接合が形成できることを実証した．
さらに，この FET を 10 K 程度の低温まで冷却し電気特性を測定したところ，図１１に示すように "" 対して !
!#が間
７０８

Project Review

4. The Latest Trend of Plasma Nanobiotronics Research［１０］K. Baba, T. Kaneko and R. Hatakeyama, Appl. Phys. Express 2, 035006 (2009).
［１１］T. Kaneko, K. Baba, T. Harada and R. Hatakeyama,
Plasma Process. Polym. 6, 713 (2009).
［１２］T. Kaneko, Q. Chen, T. Harada and R. Hatakeyama,
Plasma Sources Sci. Technol. 20, 034014 (2011).
［１３］F. N. Ishikawa, B. Stauffer, D.A. Caron and C. Zhou, Biosens. Bioelect. 24, 2967 (2009).
［１４］M. Mikawa, H. Kato, M. Okumura, M. Narazaki, Y. Kanazawa, N. Miwa and H. Shinohara, Bioconjugate Chem.
12, 510 (2001).
［１５］Y. Yamaguchi et al., Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. B 65, 431(1999).

T. Kaneko and R. Hatakeyama［１６］E.C. Neyts and A. Bogaerts, Carbon 47, 1028 (2009).
［１７］T. Umakoshi, H. Ishida, T. Kaneko and R. Hatakeyama,
Plasma Fusion Res. 6, 1206015 (2011).
［１８］E.K. Parks, K.P. Kerns, S.J. Riley and B.J. Winter, Phys.
Rev. B 59, 13431 (1999).
［１９］T. Kaneko and R. Hatakeyama, Appl. Phys. Express 2,
127001 (2009).
［２０］T. Kato, R. Hatakeyama, J. Shishido, W. Oohara and K.
Tohji, Appl. Phys. Lett. 95, 083109 (2009).
［２１］K.H. Yoo, D.H. Ha, J.O. Lee, J.W. Park, J. Kim, H.Y. Lee,
T. Kawai and H.T. Choi, Phys. Rev. Lett. 87, 198102 (2001).
［２２］Y.F. Li, T. Kaneko and R. Hatakeyama, Appl. Phys. Lett.
96, 023104 (2010).

７０９

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)７
１０‐７１４

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

５．パルス高電界の生体作用と先端的医療応用
勝木淳，矢 野 正 彦１），光 武 和 典１），諸 冨 桂 子，安 部 恵 祐１），矢 野 憲 一，秋 山 秀 典１）
熊本大学バイオエレクトリクス研究センター，１）熊本大学大学院自然科学研究科（原稿受付：２
０
１
１年８月１
８日）

Keywords:
bioelectrics, PEF, electroporation, stress response, apoptosis, cancer treatment, platelet activation

５．
１ はじめに

５．
２ パルス高電界の生体への物理作用
５．
２．
１ パルス電界の生体一次作用

電気ショックの生体作用に関する議論の発端は１８世紀のファラデーの時代に遡る［１］．その後，１
９世紀末に犬の心細胞は，核，小胞体，ミトコンドリア，などのオルガネ

室細動を電気ショックによって停止させる実験が行われ

ラ，核酸やタンパク質といった巨大生体分子，アミノ酸なた．１９４７年には初めて人体に電気ショックが使用され，今どの低分子，金属イオン，それに媒質としての水分子から日の自動除細動装置，いわゆる AED（Automated External成る．これらはみな誘電物質であるがゆえ，強電界下ではDefibrillator）につながっている．その他，今日では精神疾

電気的・機械的なストレスを受ける．さらに，構造，分極，患の治療法としても利用されている．これら従来の電気

電気抵抗，粘性などの違いから，それぞれが受けるストレショックは神経刺激に基づいており，生体に不可逆的な変スは異なる．強電界の生体作用を考える上で２つの重要な化を与えるものではない．このため，瞬時電力は除細動でメカニズムがある．最も重要なのは約 8 nm と薄く物質の用いられる比較的強い電気ショックでも高々 1 kW 程度で透過性を能動的に制御する生体膜の存在である．生体膜はある．一方，時間幅 1 μs 以下でかつ瞬時電力 1 MW 以上の，受動的な荷電粒子の流れを遮断するので，細胞内外の電いわゆるパルスパワーは，１
９６０年頃から非加熱電界殺菌

界・電流分布に及ぼす影響は極めて大きい．外部電界に対［２］やエレクトロポレーション［３］のように，細胞膜の構造する細胞膜の役割を理解するために，図１のような細胞単を強制的に変化させるための手段と し て 用 い ら れ てき

純モデルに狭帯域の交流電界を印加した場合の電界分布をた．２１世紀に入り，パルスパワー発生装置の高性能化と生体分析技術の飛躍的な進歩によって，パルスパワーの生物応用が新しい展開を見せている．パルスパワーは，誘電物質の集合体である生体内において強力な電磁力として細胞を構成する部位に作用し，その構造・機能の変化をもたらす．さらに，ストレス応答などの二次的な生体反応を誘導する．しかも，パルスパワーの適用条件を調節してストレスを変化させることによって，多様な生体応答を引き出すことが可能である．このような物理ストレスで誘導される生体反応は，がん治療［４，５］や創傷治療［６］などの医療応用のほか，美容分野への応用も検討されている．パルスパ
ワーの対象は動物細胞にとどまらず，植物の発芽促進や成長制御［７‐９］，品種改良［１０］のための物理刺激としても利用されている．このパルスパワーを生物に利用する分野を
バイオエレクトリクス（Bioelectrics）と呼び，２００４年以降
単独で毎年国際会議が開催されるほど活発である．本章で

図１

は，パルス高電界の生体作用と医療分野への応用に絞って最新の研究を紹介し，今後の展開についてもふれる．

生体細胞の単純モデルおよび外部交流電界下の電界分布（模式図）．E0，Em，Ein はそれぞれ印加電界，細胞膜上および細胞内部の電界．rm は細胞の半径，f0 は外部電界の周波
数．

5. Biological Effects of Intense Pulsed Electric Fields and Their Advanced Medical Applications
KATSUKI Sunao, YANO Masahiko, MITSUTAKE Kazunori, MOROTOMI-YANO Keiko, ABE Keisuke, YANO Ken-ichi and AKIYAMA Hidenori
corresponding author’s e-mail: katsuki@cs.kumamoto-u.ac.jp

７１０!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchProject Review

5. Biological Effects of Intense Pulsed Electric Fields and Their Advanced Medical Applications

S. Katsuki et al.

考える．相対的な関係から，細胞膜は絶縁膜，細胞内部お部位選択的にストレスを付与することが可能である．

よび外部は導電性媒体とみなせる．細胞の直径を 15 μm，

５．
２．
２ 細胞内ストレス反応

細胞膜の静電容量を1 μF/cm2，細胞内および懸濁液の導電

外部から与えられた化学または物理ストレスは細胞に何率を 100 Ωcmとして電界を計算すると［１１］，周波数 100 kHz

らかの構造変化をもたらし，この変化をきっかけに，生存程度以下では細胞膜上の電界は外部電界の約１０００倍に達す

および細胞死を導く様々なタンパク質の連鎖反応（シグナる．このとき，細胞内電界はほとんどゼロである．周波数ル伝達）が起動する．結局，細胞の生死は生存シグナルとを大きくすると膜のインピーダンスが小さくなって細胞内

細胞死シグナルのバランスによって決定される．したがっ

部に電流が流れこむようになり，10 MHz を超えると細胞て，ストレスの種類や強さを適当に調節することによっ

内電界は外部と同程度になる．図２は，振幅 3 kV/cm，持て，細胞を死に導くことができ，逆に，生存シグナルを優

続時間 200 μs のバースト交流電界に曝したヒト子宮頸がん位にして細胞を活性化させることも可能である．

細 胞（HeLa 細 胞）の 顕 微 鏡 写 真 で あ る［１２］．周 波 数

パルス電界の電界強度または印加回数をある程度以上に300 kHz の場合，細胞膜が壊れて内部物質が漏れ出していすると，動物細胞に自発的な細胞死（アポトーシス：apop-

る．一方，10 MHz では一見膜の損壊は見られないが，コン

tosis）を引き起こす．アポトーシスとは生物個体をより良トロールと比べると内部構造が際立って見える．さらにい状態に保つために引き起こされる能動的な細胞死であ100 MHz の場合，細胞膜は壊れないまま一部の細胞が膨潤り，古い細胞や傷ついた細胞などの個体にとって不要な細化しており，明らかにコントロールとは異なる細胞内反応

胞は生体内で常にアポトーシスによって取り除かれていが起こっていると推察される．以上の議論では細胞膜につる．しかし，多くのがん細胞は一部のタンパク質が機能せいて述べたが，同様の膜で覆われる核，小胞体，ミトコン

ずアポトーシスが起こりにくい状態にある．アポトーシス

ドリアなどの細胞内オルガネラでも，周波数領域は異なる

は，化学物質の他，紫外線，放射線などの物理刺激によっものの同様の現象が起こると考えられる．

て誘導されることは知られており，２００３年以降パルス電界

２番目の生体作用は核酸やタンパク質などの生体高分子

によっても様々な動物細胞にアポトーシスが誘導されるこへの物理ストレスである．生体分子は概して負に帯電し，とがわかってきた．特に時間幅が１００ns 以下のナノ秒パル

しかも分子中で電荷が局在しているので，強電界下では結ス電界（nsPEF）の印加後に，ミトコンドリアの膜透過性合した分子間や分子内ユニット間に静電的な強いストレス

亢進とチトクローム C の放出，カスペースと称するタンパが生じる．このストレスは，条件によっては分子構造の変ク質分解酵素の活性化，小胞体からのカルシウム放出な化をもたらす．鷲津ら［１３］や金子ら［１４］が 1 kV/cm 程度のど，アポトーシスに関連する反応が様々な細胞で検出され高周波電界を用いて液中で DNA 伸縮の操作を行っているている［１６］．図３（a），（b）は，それぞれ適当な条件のパル

ことや，Schoenbach らがパルス電界によってアルツハイ

ス電界を印加した HeLa 細胞の顕微鏡写真，およびアポマー病の原因物質と見られている !アミロイドファイバー

トーシス特有 の DNA 断 片 化 現 象 を 蛍 光 分 子 プ ロ ー ブを粉砕している［１５］こと等から，強電界が生体分子にとっ（TUNEL 法）によって検出した結果である．蛍光分子の蛍て重大なストレスとなることがわかる．さらに，分子それ光輝度が強いほど細胞内 DNA の断片化が進んでいること

ぞれの外部電界に対する応答時間（誘電緩和時間）が異なることから，特定周波数の振動電界を与えることによって

（a）

（b）
（a）
Control（b）
300 kHz（c）
10 MHz（d）
100 MHz

図３

図２

バースト交流電界（3 kV/cm，200 μs）を印加したヒト子宮頸がん細胞（HeLa 細胞）の顕微鏡写真［１２（］パルス印加１
０分後に撮影．細胞の直径は約 15 μs）．

７１１

ナノ秒パルス高電界（12.5 kV/cm，100 ns，１
００回）によるHeLa 細胞へのアポトーシス誘導．（a）
パルス電界によってアポトーシスを起こした HeLa 細胞．（b）
アポトーシス様DNA 断片化を検出する蛍光分子プローブの対蛍光輝度ヒ
ストグラム．（左からコントロール，パルス印加２および６時間後の細胞）．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011を示す．さらに，６時間程度でゆっくりと反応が進んでい５．
３ 医療・健康分野への応用ることもアポトーシスであることを裏付ける．筆者らは，

５．
３．
１ がん治療nsPEF によって誘導されるアポトーシスメカニズムの解

前節で述べたように，ナノ秒パルス高電界（nsPEF）を明に注力している．パルス印加後，細胞膜や小胞体に関連

用いると薬剤を用いずにがん細胞にアポトーシスを誘導すする遺伝子発現の増加や，パルスによって細胞膜に生じたることができる．図６は，マウスの脚で成長させたメラ

小孔（ナノポア）から流入したカルシウムイオンが細胞膜

ノーマ（Melanoma，悪性黒色腫）をクリップ式の電極で挟近傍のアポトーシス関連タンパク質を活性化していること

んで nsPEF 処理（40 kV/cm，300 ns，１
００回）を定期的に等を突き止めており（図４），メカニズムの全貌が明らか繰り返した場合の患部の回復状況を示したものであるになりつつある［１７，１８］．

［４］．左列は患部背後から照射した光の透過光，右列は表

５．
２．
３ 過渡的温熱作用面の様子である．この場合，日数の経過ととともにがんがパルスとはいえ生体に電界を印加すると生体内で少なか縮小し結果的に６５日で完治している．メラノーマに対してらずジュール熱が発生する．パルスの繰り返し速度を大きは臨床実験も進んでいる［２０］．このように，nsPEF は一くするなどして積極的にジュール加熱すると，ミリ秒から部のがんに対して，培養細胞と組織のいずれに対しても不秒単位の間に数 10℃ の温度変化を生体に与えることができる．従来は，パルス電界の非熱作用の研究が進められてきたが，温熱療法で用いられる 43〜45℃ を数１０分間維持す
るような温度履歴とは異なり，パルス電界で実現可能な急峻な温度履歴が新しい生体ストレスとして注目されている．この過渡的温熱作用と電界の組み合わせによって，がん細胞に効率的にアポトーシスを誘導できることが示され（a）１０時間後（3 MHz）ている［１９］．

（b）
４
０時間後（3 MHz）

５．
２．
４ 細胞活性化
５．
２．
２節で述べたように，パルス電界の条件によっては細胞を活性化させることも可能である［１２］．図５は，培養しながら細胞数を自動計測する装置（xCELLigence）を用いて得た Hela 細胞の細胞増殖曲線であり，適度な強さのバースト交流電界への暴露によって細胞の増殖速度が大きくなる例である．パラメータは交流電界の周波数である．
繰り返しパルスのインターバルは十分長いので，処理時の温度上昇は高々 7℃ であり，温熱作用は無視できる．パルス印加した細胞の増殖速度はコントロールに比べて概ね大きいことがわかる．特筆すべきは増殖速度が周波数 3 MHz（c）HeLa 細胞の増殖曲線

で極大になることである．電界分布計算［１１］から，死に至らしめない程度の適度な電界が細胞膜に生じたときに増殖

図５

適度なバースト交流電界を印加した細胞の顕微鏡写真と増殖曲線（t = 4 h の細胞数で正規化）．バー ス ト 交 流 電 界は，振幅 3 kV/cm，持続時間 200 μs，印加回数３０回を一定とし，周波数を 0.3−100 MHz の範囲で変化させた．

図６

nsPEF によるマウスメラノーマ（M１１６）の治療［４］．
nsPEF
処理（40 kV/cm，300 ns，１
００回）を０，１，２，２
１，２
２およ
び２
３日目に実施．左列は患部の透視像，右列は表面の様子である．

が活発になる傾向がある．最近の遺伝子解析から，パルス
電界印加によって細胞周期に関わる遺伝子の発現量が変化するなど，メカニズム解明のための情報が集まりつつある．

図４

nsPEF 印加後のアポトーシス関連遺伝子の発現解析結果とアポトーシス関連シグナル経路．IRE，CHOP，JNK，cJun，caspase3，X（未特定）はタンパク質．棒グラフは各タンパク質をコードする遺伝子の発現量（左がコントロー
ル，右がパルス印加２時間後）．

７１２

Project Review

5. Biological Effects of Intense Pulsed Electric Fields and Their Advanced Medical Applications

S. Katsuki et al.

活化効果があることが確認されている．現在，他種のがんに対する効果が調べられている．
パルス高電界の細胞膜穿孔作用をドラッグデリバリー（Drug Delivery）として利用することも可能である．抗癌剤を患部に経皮投与した直後に電極をあててエレクトロポ
レーションを施すと薬剤は即座に患部の細胞で吸収されて効果を発揮する．この治療法を電気化学療法（Electrochemotherapy, ECT）と呼び，欧米で臨床研究が進められてい
る［５，
２１］．
身体の深部のがんに対してパルス電界を使えるようにす
図７

るために，２つの電界印加方式が検討されている．１つ目
は内視鏡手術で用いられるような治具に電極を取り付ける

非侵襲的体内パルス電磁エネルギー照射システムの水中電
磁波伝搬シミュレーション（800 MHz，10 ns バースト）．

などして，体内に電極を持ち込んで電界を患部に直接印加する方法である．２つ目は，体外で発生させたパルス電磁エネルギーを電磁反射鏡等によって非侵襲的に体内患部に収束させる方法である．図７は回転楕円体反射鏡の第１焦点（!!0.15 m）付近に設置したアンテナから放射された800 MHz のパルス電磁波が第２焦点（!!0.4 m）付近に収束する様子を表している（シミュレーション）．電磁波の整合性のため，システムは体内と同等の誘電率の液体中に

（a）
不活状態

設置される．皮下脂肪による電磁エネルギーの吸収や臓器

図８

（b）
活性化状態

nsPEF 電界による血小板の活性化［６］．

等の体内組織の電磁特性を考慮した高度なアンテナ設計が要求される．

本章では医療分野に限定し述べたが，パルスパワーの物

５．
３．
２ 創傷治療理刺激は，食品，農業，漁業，環境など，生物が関わるあnsPEF は出血を伴う創傷の治療にも効果がある．創傷治

らゆる分野で利用できる．現在，農業応用が最も進んでお療とは，血小板を活性化させ生体本来の機能によって傷口り，パルスパワーの利用価値が広く認知されるようになっを塞ぐことである．血小板は，通常の血液中では滑らかなた．他分野においても大きな可能性を秘めており，今後の表面であるが，出血時には刺激物質により多数の長い突起展開が楽しみである．

を出し金平糖のような形になる（図８）．同時に新たに細胞膜上に細胞接着因子が発現し凝集する．血小板は血管内

参考文献

皮に接着・凝集して傷口を塞ぎ，一次止血栓を形成する．

［１］R. Becker, G. Selden, The Body Electric (William Morrow
New York, 1987).
［２］A. Sale and J. Hamilton: Biochim. Biophys. Acta 148, 789(1967).
［３］E. Neumann and K. Rosenheck: J. Membrane Biol. 10, 279(1972).
［４］R. Nuccitelli, U. Pliquett, N. Chen, W. Ford, R.J. Swanson,
S.J. Beebe, J.F. Kolb and K.H. Schoenbach, Biochem. Biophys. Res. Comm. 343, 351 (2006).
［５］S.B. Dev, D.P. Rabussay, G. Widera and G.A. Hofmann,IEEE Trans. Plasma Sci. 28, 206 (2000).
［６］S.J. Beebe, P.F. Blackmore, J. White, R.P. Joshi and K.H.
Schoenbach, Physiol. Meas. 25, 1077 (2004).
［７］S. Tsukamoto, T. Maeda, M. Ikeda and H. Akiyama, Proc.
14th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2003, 2, 1116 (2003).
［８］K. Takaki, K. Kanesawa, N. Yamazaki, S. Mukaigawa, T.
Fujiwara, K. Takahasi, K. Yamasita and K. Nagane, Proc.
16th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2007, 2, 1253 (2007).
［９］C.J. Eing, S. Bonnet, M. Pacher, H. Puchta and W. Frey,
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insulat. 16, 1322 (2009).
［１０］D. Wang, X. Lin, K. Hirayama, Z. Li, O. Takeshi, W. Zhang,
T. Namihira, S. Katsuki, H. Takano, S. Takio and H. Akiyama, IEEE Trans. Plasma Sci. 38, 39 (2010).
［１１］N. Nomura, M. Yano, S. Katsuki, H. Akiyama, K. Abe and
S-I. Abe, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insulat. 16, 1288

その後，血小板から各種凝固因子が放出されて，血液中にあるフィブリンが凝固し，二次止血栓が形成されて止血が完了する．nsPEF は血小板を活性化させる作用があることがわかってきた．カルシウムは血小板の活性に関わる作用物質であり，nsPEF によって細胞膜に形成されるナノポア
を通して外部から，または小胞体からカルシウムを放出させる［６］．血小板に限らず皮膚組織に対しても５．
２．
４節で述
べた活性化作用があり，複合的な作用によって治癒が促進されると考えられる．

５．
４ まとめと今後の展望
パルスパワーはユニークな新規生物刺激法であり，その一形態であるパルス高電界の生体作用と医療応用の一部を紹介した．その他にも細胞分化制御などの試みが行われている．医療応用研究は，国際的な枠組みの中で，メカニズ
ム解明・制御をめざした基礎研究と臨床などの応用の２つの方向があり，国内では前者，欧米では主に後者が進められている．医療応用を進めるためには医薬系研究者と産業界を巻き込んだ体制が不可欠である．そのために，着実な研究成果に基づくバイオエレクトリクスの魅力を医薬業界に訴え続けることが肝要である．
７１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

［１８］M. Yano, M. Yano, K. Abe, S. Katsuki and H. Akiyama,
Proc. 18th IEEE Int. Pulsed Power Conf., 2011, in print(2007).
［１９］S. Katsuki, K. Mitsutake, M. Yano, H. Akiyama, T. Slautoand H. Kai, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insulat. 17, 678(2010).
［２０］R. Heller, K.H. Schoenbach, J.F. Kolb, S. Xiao, S.J. Beebe,
M. Malik, B. Hargrave and L. Heller, Proc. 2011 Int. Bioelectrics Symp. 5 (2011).
［２１］G. Sersa, I. Edhemovic, E. Brecelj, D. Miklavcic, B. Kos,
A. Zupanic, B. Mali and J. Tomaz, Proc. 2011 Bioelectrics
Symp. 15 (2011).

(2008)［１２］M. Yano, K. Abe, H. Akiyama, S. Katsuki, IEEE Trans.
Dielectr. Electr. Insulat. in print (2011).
［１３］M. Washizu and O. Kurosawa, IEEE Trans. Industry Applications 26, 1165 (1990).
［１４］Y.F. Li, T. Kaneko and R. Hatakeyama, Small 6, 729 (2010).
［１５］K.H. Schoenbach, A. Munyanyi, Y. Sun, L.H. Greene, R.P.
Joshi, J.T. Camp and J.C. Collin, Proc. 2011 Int. Bioelectrics
Symp. 12 (2011).
［１６］K.H. Schoenbach et al., IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insulat. 14, 1088 (2007).
［１７］K. Morotomi-Yano, Y. Uemura, S. Katsuki, H. Akiyama
and K-I. Yano, Biochem. Biophys. Res. Comm. 408, 471(2011).

７１４

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)７
１５‐７２０

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

６．バイオ・医療分野におけるプラズマ科学技術の展開
永 津 雅 章，荻 野 明 久
静岡大学創造科学技術大学院（原稿受付：２
０
１
１年７月２
１日）

Keywords:
plasma medicine,bio-medical application,plasma science,plasma technology,plasma sterilization,plasma modification

６．
１ はじめにラズマ応用はそれ以外にも，光源，環境・エネルギー，材

近年，非熱平衡プラズマを用いたバイオ・医療分野にお料創製など多岐に及ぶことは周知のとおりであるが，ここける研究が注目されている．非熱平衡プラズマを用いたバ

ではナノテクノロジーと関係づけたバイオ・医療分野へのイオ・医療分野における低温プロセスでは，用途あるいは応用に限定して記述することにする．

処理対象物は様々であるが，プラズマ中で生成される励起

以下，本章の前半では，M. Kong 他［１］，および G. Morfill

状態の原子や分子種，プラズマから放射される紫外線域の他［２］らによるプラズマ医療に関するレビューの記載内容

光子，およびプラズマ荷電粒子が重要な役割を果たしていも参考として，最近のトピックスや研究の動向を紹介し，る点では，これまでの半導体，金属，ポリマーを基板材料

後半は著者らが現在行っている研究の紹介をする．

として用いたプラズマプロセスと基本的に同じであると考セスにおける大きな違いは，対象物が，微生物や細胞など

６．
２ バイオ・医療分野へのプラズマ応用に関する最近の研究動向の複雑な分子組成をもち，生物的な機能を有する材料であ

特に，医療分野へのプラズマ応用では，現在多くの研究る点である．バイオ・医療分野におけるプラズマ応用を考者によって研究が進められている．医療器具の滅菌・殺菌える上で，当然のことながら，目的に対してどのようなプに関する研究は，１９８０年代から実用化をめざした研究が活ラズマを用いればよいかを考慮する必要がある．また，従発に行われ，１
９９０年代から急激に増加している．図２は前の方法と比べて，プラズマを用いることによるメリット

Web of Science（Thomson Reuters 社）を 用 い て"Plasma

は何かを考える必要がある．

Sterilization" or "Plasma Inactivation"で検索した１９９２年 以えられる．しかしながら，バイオ・医療応用におけるプロ

図１はバイオ，医療，ナノテクノロジーの３分野に限定

降の論文数の年度ごとの推移を示している．２０１０年途中のして，プラズマ科学技術との関係を示している．勿論，プ

調査データであるため，２０１０年度は実際には下図の数値より増えているものと思われる．最近２０年間で急激に研究論文数が増加しており，欧文論文誌の特集としても扱われるようになってきている．

図１

プラズマ科学技術のバイオ・医療応用との関連．

図２ １
９
９
２年以降のプラズマ滅菌関係の論文数の推移．

6. Evolution of Plasma Science and Technology in Bio-Medical Fields
NAGATSU Masaaki and OGINO Akihisa

corresponding author’s e-mail: tmnagat@ipc.shizuoka.ac.jp

７１５!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

プラズマの医療応用の中でも，医療現場で用いられていは数 eV のオーダーであり，これらの電子とガスとの衝突

る ア ル ゴ ン プ ラ ズ マ 凝 固（Argon Plasma Coagulation，励起で生成された反応性の高い励起原子により，DNA，タ

APC）法は，１
９７０年代から研究が進められ，大気圧下でのンパク質，細胞膜などの分子結合を分解させることが可能

非熱平衡プラズマを用いて臨床応用されており［３］，止血である．低圧力放電プラズマでは，放電に用いたガスの中やアレルギー性鼻炎の治療に用いられている．プラズマの性粒子は電子との衝突が少ないためにエネルギーを獲得で医療応用に関する研究は，２００７年に米国 Drexel 大学の A.

きず，室温に近い温度で維持されるため，プラスチックな

Fridmanを中心として，"Plasma Medicine"に関する第１回

どの非耐熱性対象物の処理が可能となる．これらの非熱平国際会議が開催され，Plasma Medicine に関するジャーナ

衡プラズマを用いた医療応用に関するレビューの詳細につルも刊行されている．ここで，Plasma Medicine は図１に示

い て は，Kong 他［１］，あ る い は Morfill 他［２］に よ る レ

したように，プラズマ科学技術と医学が融合した新しい学

ビューを参照されたい．

際的分野であり，A.Fridman は"a new field at the intersec-

６．
３ 低圧力マイクロ波プラズマを用いた滅菌実
験における最近の結果からtion of plasma science and technology with biology and medicine -Plasma Medicine"と表現している．
プラズマプロセスによるバイオ・医療応用は様々である

ソフト界面を有する微生物やタンパク質などのバイオ高が，プラズマ微細加工技術を駆使したバイオチップ作製

分子とプラズマとの相互作用に関する研究は，プラズマ科［４］や，ドラッグ・デリバリー・システム（Drug Delivery

学の新たな学際領域への展開を図る上で極めて重要であ

System;DDS）への適用をめざしたテーラーメイドな薬剤

る．著者らのグループでは，低圧力マイクロ波プラズマに創製［５］，磁性体ナノ微粒子表面へのアミノ基などのプラよる芽胞菌（およびエンドトキシン）の不活化，およびマ

ズマ化学修飾［６］や化学修飾した表面上への糖鎖などの固イクロ波プラズマによるペプチドおよびアミノ酸などの生定化［７］など，新たな研究の展開が進められている．これら

物機能の不活化に関する研究を実施してきた
［１０‐
１２］．以

の微細加工技術や化学修飾には，一般的に低圧力放電プラ

下，四重極質量分析器（QMS）を用いた酸素プラズマによズマが主に用いられている．一方，医療分野でのプラズマる芽胞菌エッチングの検証実験の結果［１３］について紹介す

応用では，真空ポンプを用いずに大気圧下での処理が可能

る．
実験はマイクロ波励起表面波プラズマ装置を用いて行っであり，さらに，低温プロセスが可能なプラズマ源が求めた．生物指標体として，芽胞を形成した耐熱性菌である

られている．
図３は Stoffels らにより開発されたプラズマニードル装

Geobacillus Stearothermophilus 菌を用い，真空容器内部のス

置を示しており，電極の先端にプラズマを発生させ，虫歯テージ上のシャーレに設置した．酸素プラズマによるエッ治療などの歯科医療に用いることを提案した［８］．プラズ

チングを実験的に検証するため，QMS を取り付け，シャーマの生成は，装置の中心部の針状電極と対象物との間の高レ上の金属板の可動シャッターを開閉し，エッチング生成

周波放電により針電極先端のみに，局所的にプラズマが生物の検出を行った．図５は，酸素プラズマ照射時における成される．このプラズマニードルを用いた菌の不活化に関シャッターを開閉した時の QMS 信号の時間波形を示してする研究も行われており，プラズマから放射される紫外線

いる．

発光に加えて，水分を含んだ対象物表面から蒸発してくる!!!#）お よ び CO2
図５に 示 し た よ う に，H2O（"!

水分子から生成される OH ラジカルが，菌の不活化に関与!!""）成分が検出されており，菌細胞の水素および炭（"!

しているものと考えられている．また，大気圧プラズマ

素成分の酸素原子によるエッチングによる生成物と考えらジェットの研究開発も精力的に行われており，周波数が数れる．図６は窒素・酸素混合ガスプラズマを用いた場合

kHz から数 10 kHz の可聴周波数領域の高電圧や数 MHzの，プラズマ照射前（左）と１分間照射後の FE-SEM によから数 10 MHz の高周波（RF）が用いられている．図４はる菌形状の比較を示している．プラズマ照射により，菌表

周波数 13.56 MHz の RF を用いた大気圧プラズマジェット

面がエッチングされ，表面がザラザラに変化していることの電極構造を示しており［９］，プラズマジェットは円筒系がわかる．

ノズルの先端から吹き出される構造である．低圧下および大気圧下における非熱平衡プラズマでは，一般に電子温度

図４
図３

プラズマニードル装置の概略図（左）と放電写真（右）
［８］
．

７１６

大気圧プラズマジェット装置の概略図（左）と放電写真（右）［９］．

Project Review

図５

6. Evolution of Plasma Science and Technology in Bio-Medical Fields

酸素プラズマ照射時の m/e = 18 および m/e = 44 成分のQMS 信号波形［１
３］
．

図７

M. Nagatsu and A. Ogino

酸素プラズマにおける芽胞菌の生残特性のマイクロ波パ
ワー依存性［１３］．

は，強酸の中でも安定であり，ドラッグ・デリバリー・システム（Drug Delivery System; DDS）などへの医療応用が考えられている．しかしながら，これらの微粒子の医療診
断や薬物療法への応用を可能にするためには，ナノ微粒子の生体適合性や，液体中での分散性の向上が不可欠である．磁性ナノ微粒子を用いた DDS では，ウイルスとほぼ同じ大きさ（数 10 nm 程度）の磁性体コアに，人間の細胞膜
図６

窒素・酸素プラズマ照射前（左図）および照射後（右図）のG. Stearothermophilus 菌の FE-SEM 写真．

と同じコレステロールやリン脂質から組成される脂質分子膜でカプセル化し，抗ガン剤などの薬物を微粒子表面に付与して用いられる．一般に，血液中に 3 nm より小さい物質

菌の不活化プロセスとエッチング現象との関係を明らかであると，血液中の栄養を吸収するように自然に吸収したにするために，酸素プラズマを用い，マイクロ波パワーをり，排出したりするように働くが，400 nm 以上の大きさの変化させたときの菌形状の変化と不活化との関係を調べものは異物として認識され，分解して排出される．このた

た．図７はマイクロ波パワーを 400 W，600 W，および 800

め DDS では，一般に 4−400 nm の大きさのものが用いられW と変化させたときの G.Stearothermophilus 菌の生残特性ている．以下に，我々のグループで行ったRFプラズマを用を示している［１３］．ここで，白抜き記号でプロットしたいた磁性体ナノ微粒子の表面修飾，および多糖類の固定化

データは，LiF 光学フィルタで電子，イオン，励起原子・分に関する実験結果を紹介する．

子などのプラズマ粒子をブロックした時の結果を示してお実験では，直流アーク法により作製したグラフェン層でり，塗りつぶしでプロットしたデータは，直接プラズマにカプセル化された磁性体ナノ微粒子を用い［１７］，アルゴン

さらした場合の結果を示している．なお，LiF 光学フィル

プラズマによる前処理を行った後，アンモニアプラズマにタは波長 120 nm 以上のプラズマ放射光を透過できるため，

よるアミノ基修飾を行った．図８はプラズマ処理前およびLiF 板でプラズマをブロックした場合の結果は，プラズマ処理後の微粒子に，それぞれ蛍光色素 SDP エステルを反応

放射光のみによる効果を示している．

させ，励起光の波長 494 nm を照射して測定した蛍光顕微図から明らかなように，直接プラズマ照射する方が短時間で６ケタの菌の死滅が得られることがわかる．なお，図７において，生残特性が異なる傾きをもつのは，使用した
生物指標体の芽胞菌がクランプ（菌の重なり）を形成するためで，裏側の菌を死滅するのに時間がかかるようになるためである．現在使用している菌の場合では，約 0.1％ がク
ランプを形成しているものと考えている．

６．
４ 医療用材料開発へのプラズマ応用
６．
４．
１ ドラッグデリバリーシステム用磁性体ナノ微粒子のプラズマ表面化学修飾
近年，金などの金属ナノ微粒子の医療関係への応用に関する研究が精 力 的 に 行 わ れ て い る［１４‐１６］．特 に，グラ

図８

フェンによりカプセル化された鉄などの磁性体金属微粒子
７１７

蛍光色素による鉄ナノ微粒子のアミノ基修飾の確認．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

鏡写真を示している．図から明らかなように，プラズマ処

かりでなく，術後の止血時間が大幅に増加し，患者のみな

理後のサンプルは緑色の蛍光を示しており，アミノ基の修らず術者への負担が大きくなるため，長時間にわたる使用

飾が微粒子表面に一様に行われていることを示している．

は制限されている．血液凝固に関しては，異物と生体組織

本研究成果を踏まえ，このプロセスをバイオセンサの作の界面が直接的に影響しているといわれている［１８］．つま製に応用するための予備実験として，次にカーボンナノ

り，医療材料の生体適合性を向上させるには，表面に抗凝チューブアレイ基板を用いたカーボンナノチューブのアミ血性を付加することで実現される．これまでも，医療用ポノ基修飾の確認実験を行った．図９は熱 CVD 実験装置を

リマーの表面改質に関して，様々な研究が行われており

用い，直径１!m のドット状の Ni 触媒上に垂直配向成長さ［１９］，ヘパリンのコーティングも検討・実施されている

せたカーボンナノチューブアレイ基板のFE-SEM写真を示が，多くの化学的処理が必要で，廃液処理の面の問題など

し て い る．図 か ら 長 さ 5 μm 程 度 の 多 層 カ ー ボ ン ナ ノから，ドライプロセスで表面処理を行うプラズマ修飾が注

チューブが垂直配向成長している様子がわかる．

目されている．

アルゴンプラズマによる前処理および引き続き行ったア

ここでは，カテーテルのような血液接触性の医療用器具

ンモニアプラズマ処理によって，カーボンナノチューブ表に使用されるポリウレタン（PU）を対象に，抗凝血剤とし面のみにアミノ基修飾が実現できていることが確認できてて広く知られているヘパリンを，簡便にポリマー表面に修おり，この実験結果は，カーボンナノチューブ表面に，ア

飾し，抗血液凝固性の付加を行うことを目標とした．ヘパ

ミノ基と選択的に結合する多糖類を固定化することが可能

リンの固定化は，表面波プラズマを用いてポリマー表面にであることを示唆している．

アミノ基を化学的に修飾し，ヘパリンの末端との反応によ

６．
４．
２ プラズマによる医療用ポリマー材料表面のアミノ

り固定化することとした．

基修飾とヘパリン固定化

サンプルに対するプラズマ処理は，2.45 GHz マイクロ波

ポリマーは，自由な形成が可能，柔軟，破損などの恐れ

励起表面波プラズマ装置で生成したアルゴンプラズマ，アが少なく取り扱いが容易であり，さらに安定であるという

ンモニアプラズマ（圧力 13 Pa）を用いて行った［２０］．ア

利点があるため，医療器具用材料として広く使用されていルゴンプラズマはサンプル表面のクリーニングおよび活性る．医療器具に求められる条件として，生体に優しく，か化のために前処理として 30 s，アンモニアプラズマはアミつ安全性が高い材料であることが最も重要な要件である．

ノ基の修飾のために 60 s 処理を行った．ヘパリンの固定作

特に体内に挿入する医療器具では生体適合性を保持させ業は，プラズマ処理した後，サンプルを真空容器から取りることが重要であり，また血液接触性器具では特に，抗血出し，すぐにヘパリン溶液に浸漬した後，取り出して室温，

液凝固性（抗血栓性）を有することが必要とされている．

低湿度下で乾燥させることで行った．その後，固定化されカテーテル，ステントなどの体内に挿入して用いる医療器なかったヘパリンを取り除く目的で，エタノール中で３分

具では，その血液適合性の低さから，短時間の体外血液循

間１分ごとにエタノールを変えながら超音波洗浄を行っ環においてもヘパリンなど抗凝血，抗血栓性剤の投与が必た．ヘパリン溶液は濃度１％で調製し，溶媒は９０％の純水要である．大量の抗凝血剤（ヘパリン）の投与は，脂質代と１０％のエタノールを混合して用いた．エタノールを混ぜ

謝や骨代謝異常，血小板機能不全，溶血，アレルギー反応

るのは，ヘパリン溶液がポリマー表面から弾かれないようなどの副作用の原因になり，患者の出血リスクが高まるばにするためと，固定化により生じる水を脱水するためである．ヘパリンの固定と表面の化学構造の関係を調べるために，プラズマ処理を行った時のPUの化学構造を，光電子分光分析装置（X-ray Photoelectron Spectroscopy: XPS）により解析した．プラズマ処理によるアミノ基修飾の定量分析
では，Favia ら［２１］によって報告された 4-Trifluoromethyl
benzaldehyde（TFBA）による第一級アミノ基の誘導体化を行った．
表１はプラズマ未処理の PU サンプルと，各条件でのプラズマ処理後のサンプルの XPS 解析の結果を示している．ここで，アミノ基の定量評価を行うため，誘導体化法
表１

プラズマ未処理および処理後のサンプルの XPS 解析結果．

Treatment
Untreated

図９

Atomic composition (%) -NH2/C
C
O
NF
ratio (%)
73.7 23.7 2.3 0.3
0.15

Ar plasma pretreated 73.3 22.2
NH3 plasma treated
72.9 17.0
without pretreatment
NH3 plasma treated76.4 13.8
with pretreatment

プラズマ表面修飾によるカーボンナノチューブ表面のアミ
ノ基修飾．

７１８

-NH2/Nratio (%)
4.8

2.4

2.1

0.95

29

4.6

5.5

2.52

40

3.7

6.0

2.64

54

Project Review

6. Evolution of Plasma Science and Technology in Bio-Medical Fields

M. Nagatsu and A. Ogino

を用いており，表中の F 原子は第一級アミノ基に結合した
TFBA 成分に由来するものであり，この割合からアミノ基の修飾率（‐NH2/C）および選択率（‐NH2/N）を評価した．
結果は，未処理，アルゴンプラズマによる前処理のみ，前処理なしでアンモニアプラズマ処理のみ，前処理のあとにアンモニアプラズマ処理したサンプルの比較を示す．表よりプラズマ処理により酸素の元素比が減少し，窒素の元素比が増加していることがわかる．これは，アルゴンプラズ
マでは，表面のクリーニングやエッチングの効果，アンモニアプラズマでは，アミノ基の修飾と表面の還元が主な原因であると考えられる．また，アンモニアプラズマ処理によりアミノ基の修飾がなされており，2.5％程度のアミノ基
図１０ 各サンプルの血液抗凝固特性の比較．

の修飾率が得られた．前処理の有無によるアミノ基の修飾率に大きな差違はみられなかったが，アルゴンプラズマによる前処理を行うことで，アミノ基の選択率がわずかに向介した．なお，本研究の遂行にあたり，協力いただいた研上したことがわかる．

究室の Ying Zhao 氏，Teguh Endah Saraswati 氏，およびプラズマ処理後のC=Oの増加の原因として，プラズマ処

博士修士課程学生諸君に感謝します．

理により生成された活性点（ダングリングボンド）が，大気曝露や，真空容器内の在留酸素などと結合した可能性，

参考文献

および，C-O が C=O に変化した可能性などが考えられる．

［１］M.G. Kong, G. Kroesen, G. Morfill, T. Nosenko and T.
Shimizu, New J. Phys. 11, 115012 (2009).
［２］G.E. Morfill, M.G. Kong and J.L. Zimmermann, New J.
Phys. 11, 115011 (2009).
［３］崎山幸紀：小特集 医療バイオ分野へのプラズマ応用，プラズマ治療・手 術 ，プ ラ ズ マ・核 融 合 学 会 誌 83,613 (2007).
［４］一木隆範：応用物理 80, 0128 (2011).
［５］葛谷昌之：応用物理 76, 0357 (2007).
［６］T.E. Saraswati, T. Matsuda, A. Ogino and M. Nagatsu,
Diam. Relat. Mater. 20, 359 (2011).
［７］A. Ogino, S. Noguchi and M. Nagatsu, Advanced Materials Research 222, 297 (2011).
［８］E. Stoffels, I.E. Kieft, R.E.J. Sladek, L.J.M. van den Bedem,
E.P. van der Laan and M. Steinbuch, Plasma Sources Sci.
Technol. 15, S169 (2006).
［９］K.D. Weltmann, R. Brandenburg, T. Woetke, J. Ehlbeck,
R. Foest, M. Stieber and E. Kindel, J. Phys. D: Appl. Phys.
41, 194008 (2008).
［１０］Y. Zhao, A. Ogino and M. Nagatsu, Appl. Phys. Lett. 98,
191501 (2011).
［１１］Y. Zhao, M.K. Singh, A. Ogino and M. Nagatsu, Thin Solid
Films 518, 3590 (2010).
［１２］I. Motrecu, A. Ogino, S. Tanaka, T. Fujiwara, S. Kodani,
H. Kawagishi, G. Popa and M. Nagatsu, Soft Matter 7, 4845
(2011).
［１３］Y. Zhao, A. Ogino and M. Nagatsu, Appl. Phys. Lett. 98,
191501 (2011).
［１４］M. Bystrzejewski, S. Cudzilo, A. Huczko, H. Lange, G.
Soucy, G, Cota-Sanchez and W, Kaszuwara, BiomolecularEng. 24, 555 (2007).
［１５］Q.A. Pankhurst, N.K.T. Thanh, S.K. Jones and J. Dobson,
J. Phys. D; Appl. Phys. 42, 224001 (2009).
［１６］C. Sun, J.S.H. Lee and M.Q. Zhang, Advanced Drug Delivery Reviews 60, 1252 (2008).
［１７］M. Nagatsu, T. Yoshida, M. Mesko, A. Ogino, T. Matsuda,
T. Tanaka, H. Tatsuoka and K. Murakami, Carbon 44,

アンモニアプラズマ処理では，C-N の増加が確認され，アミノ基の修飾によるものと考えられる．また，アンモニア
プラズマ処理後の C-O およびC=O-Oの減少は，プラズマ中の水素による還元作用によると思われる．
プラズマ処理後，ヘパリンを固定化した PU 表面を XPSで解析した．ヘパリンは D‐グルクロン酸あるいは !-L‐イ
ズロン酸と D‐グルコサミンが１，４結合により重合した直鎖の多糖の総称であり，分子量は５０００〜２００００程度と長く複雑な分子構造をもつ．このため，XPS による浅い表面解析ではややばらつきを含む結果となるが，アミノ基の修飾率（‐NH2/C）の増加と共にヘパリン固定化量（S/C）も増加することがわかった［７］．
図１０は，血漿カルシウム再加凝固時間を測定し，サンプ
ル表面の抗凝血性を比較した結果である．この測定は採血時に脱カルシウム作用（一般的にはクエン酸ナトリウムを用いてカルシウムイオンを結合させる）で抗凝血剤を使用して分取した血漿にカルシウムイオン（Ca2＋）を再添加した時の凝固時間である．本実験では，ヘパリンの抗凝血作用が非常に強いため，凝固系因子の活性化を行う試薬（aPTT）を添加し，凝固因子が働いてフィブリンが析出する時間を分光的に測定した．図から，ヘパリンを固定化した PU 表面における血液凝固時間は大幅に延長され，２８時
間経過後も凝固しないことが確認された．

６．
５ おわりに本章では，非熱平衡プラズマのバイオ・医療分野への応用に関する最近の研究の動向を紹介した．また，著者らのグループで行った，低圧力マイクロ波プラズマを用いたプ
ラズマ滅菌の最近の成果，およびドラッグ・デリバリー・
システムへの応用をめざした磁性体ナノ微粒子のプラズマ
表面修飾，血液抗凝固特性付加を目的としたポリマー表面のアミノ基修飾とへパリンの固定化に関する研究成果を紹７１９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

3336 (2006).
［１８］大塚英典，片岡一則：表面技術 54, 973 (2003).
［１９］T. Chandy, G.S. Das, R.F. Wilson and G.H.R. Rao, Biomaterials 21, 699 (2000).

［２０］A. Ogino, M. Kral, K. Narushima, M. Yamashita and M.
Nagatsu, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 8494 (2006).
［２１］P. Favia, M.V. Stendardo and R. D'Agostino, Plasmas
Polym. 1, 1 (1996).

７２０

J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)７
２１‐７２２

プロジェクトレビュー プラズマ−バイオ融合科学への新展開

７．おわりに永 津 雅 章，畠 山 力 三１）
静岡大学創造科学技術大学院，１）東北大学大学院工学研究科（原稿受付：２
０
１
１年８月２
１日）

近年，医療‐バイオ分野へのプラズマ応用に関する関心

また，専門委員会委員であり，Plasma Medicine に関するが高まっている．当該分野の研究を体系的に推進するに国際会議の組織委員である浜口智志先生（阪大）には，は，プラズマ生成，制御，および診断を専門とするプラズ「プラズマ医療におけるプラズマ生体相互作用」と題して，

マ科学に関わる研究者のみならず，医療，バイオ分野の研プラズマが生体組織に及ぼす効果について，最近の様々な究者との有機的連携が不可欠である．筆者らは，医療‐バ研究事例を挙げてわかりやすく執筆いただいた．また，金イオ分野へのプラズマ応用に関する研究をわが国において

子俊郎先生と畠山力三先生（東北大）には，「プラズマナ

有機的に推進するため，プラズマ・核融合学会会員に加えノバイオトロニクス研究の最新動向」と題して，液相プラて非会員，合計２２名の研究者で構成したプラズマ・核融合

ズマを利用したカーボンナノチューブ内包 DNA のドラッ

学会「プラズマ−バイオ融合科学への新展開」専門委員会

グ・デリバリー・システムへの応用，磁気共鳴画像（MRI）（主査：畠山力三（東北大），幹事：永津雅章（静大），金子

造影剤等への応用をめざした磁性金属を内包した新機能性俊郎（東北大））を２００８年度に立ち上げ，２年間にわたり研

フラーレンの創製，さらに DNA とカーボンナノチューブ

究会開催および学会年会でのシンポジウムの開催などの活の電気的特性を活用した新たなナノバイオエレクトロニク

動を行ってきた．

スデバイスの創製などについて，最近の研究成果をご紹介

一 方，こ の 時 期，海 外 に お い て も，「Plasma Medi-

いただいた．また，勝木淳先生（熊本大）には，「パルス高cine」と呼ばれる医療分野へのプラズマ応用に関する研究

電界の生体作用と先端的医療応用」と題して，短パルスにが精力的に進められ，２００７年に Plasma Medicine に関する

よる高電界の生体分子に及ぼす相互作用やその医療応用に

国際 会 議（１st International Conference on Plasma Medi-

関する最近の研究成果を紹介いただいた．最後に，永津cine）が開催され，回を重ねて２０１２年６月には第４回国際（静大）らによる「バイオ・医療分野におけるプラズマ科学

会議がフランスで開催される予定となっている．さらに，技術の展開」と題して，プラズマ滅菌および医療用材料開欧 文 ジ ャ ー ナ ル の New Journal of Physics［１］や Plasma

発へのプラズマ応用に関する最近の研究成果の紹介を行っ

Processes and Polymers［２］でも，「Plasma Medicine」に関た．

する特集が企画されるなど，新たな研究領域としての関心

プラズマと生体組織あるいは生体高分子との相互作用にが世界的に高まってきている．わが国においても，２００７年

関する研究は，端緒に着いたばかりであるが，プラズマ応にプラズマ滅菌に関する研究開発委員会が日本学術振興会用の観点から，今後その展開が大いに期待される新学術領に設置され，プラズマ関係者のみならず，医学系，生物系域である．現在，プラズマ表面相互作用の研究は，低気圧の研究者と連携した新たな学術分野の構築に向けた交流がから大気圧までの気相のみならず，液相や気液混相，さら進められている［３］．

に超臨界状態にまで研究対象を広げている．従来，プラズ

本プロジェクトレビューでは，「はじめに」において紹マと対向する材料は金属や半導体などの固体が主であった介がされたように，専門委員会の活動成果の纏めるにあたが，液体や生体高分子のような，いわゆるソフトマターやり，プラズマ以外の分野で活躍されている方にも執筆をおソフトインターフェイスが今後の重要な研究対象になるで願いした．２００９年度プラズマ・核融合学会年会シンポジウあろう．医療‐バイオ分野におけるプラズマ科学は，まだムにおいて当専門委員会が企画した「プラズマ−バイオ融

わからないことばかりであるが，そこから得られる成果

合科学への新展開」において，非常に興味あるご講演を頂は，きっと技術立国日本の将来を拓く推進力となるものといた理化学研究所の前田瑞夫先生には，「生体高分子ソフ

確信している．

トインターフェースの科学」と題して，プラズマ‐バイオ融

本プロジェクトレビューを終えるにあたり，執筆いただ

合科学の展開にとって重要なソフトインターフェースの科

いた諸先生方に改めて厚く感謝申し上げるとともに，プロ学について，プラズマ・核融合学会会員の皆様にもわかりジェクトレビューとして取り上げていただいた学会編集委

やすく執筆いただいた．

員会の山"委員長はじめ，原稿の閲読をしていただいた編

7. Conclusion
NAGATSU Masaaki and HATAKEYAMA Rikizo

corresponding author’s e-mail: tmnagat@ipc.shizuoka.ac.jp

７２１!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011［２］M. Laroussi, A.Fridman, P. Favia, M. R. Wertheimer (Editor) Special Issue: Plasma Medicine, Plasma Process.
Polym. 7, Issue 3-4, 193 (2010).
［３］日本学術振興会･研究開発専門委員会「プラズマ照射による医療用品，エンドトキシンならびにプリオン不活化法と応用」に関する研究開発専門委員会（委員長：新谷英晴（中央大学）
，２
０
０
８．
１
０．
０
１〜２
０
１
１．
０
９．
３
０）
．

集委員諸氏の方々に厚くお礼を申し上げる．本プロジェク
トレビューが，当該研究分野への研究者，特に若手研究者に関心をもっていただく機会となれば幸いである．

参考文献［１］G.E. Morfill, M. G. Kong and J. L. Zimmermann, Focus on
Plasma Medicine , New J. Phys. 11 , 115011 (2009).

７２２

!!
はたけ やまりき

プロジェクトレビュー執筆者紹介

ぞう

かね

畠 山 力 三つまさあき

静岡大学創造科学技術大学院，教授．創造科学
技 術 大 学 院 長．主 な 研 究 分 野：プ ラ ズ マ 生成，プラズマ応用（プラズマのバイオ・医療応
用，材料表面プロセス）．最近，大学院博士課
程を希望する日本人学生が全体的に少なくなった感が否めま
せんが，外国人留学生を受入れて，何とか研究力の維持を図っ
ています．
だ

みず

かつ

お

独立行政法人 理化学研究所，主任研究員．主な研究分野：高分子化学，分析化学，バイオ材
料学．経歴：１
９
８
３年東京大学大学院工学系研
究科博士課程修了，工学博士．東大工学部助手，九州大学工学部助教授，同教授を経て２００
２年より現職．最近はワイフの劇場通いにつきあうことが息抜きです．大掛かりな東宝ミュージカルも小さな芝居小屋の舞台も素直に楽し
める歳になりました．
ぐち

さと

ろう

き

すなお

勝 木

淳

１
９
９
１年熊本大学大学院修士課程修了．同大学
工学部助手，助教授を経て，２００
７年から同大学
バイオエレクトリクス研究センター教授．博士（工学）．
２０００年に米国 Old Dominion 大学客員研究員．最近は，水中高速放電現象，Z ピンチ放電プラズマの光源応用，バイオエレクトリクス（パルスパワーによる動物
細胞制御）に従事．プライベートでは壮年ソフトボールにハマっており，全国制覇をめざしている（２０１０年ベスト８）．

前 田 瑞 夫はまとし

東北大学大学院工学研究科准教授．１
９９
７年３月東北大学大学院工学研究科電子工学専攻博士課程修了，同助手を経て２０
０
４年１月より現職．主な研究テーマは，ナノ・バイオ・医療へのプラズマ応用の観点から，液体中または液体と接したプラ
ズマの生成・制御とそれを利用した新規ナノバイオ物質の創製である．一方で，核融合プラズマや宇宙プラズマにおいて観測される現象のメカニズムを室内実験で明らかにすることを目指して，磁化プラズマ中の不安定性や構造形成，電磁波による波動吸収・加熱等に関する基礎的な研究にも従事している．

永 津 雅 章まえこ

金 子 俊 郎東北大学大学院工学研究科教授．１
９７
６年３月
東北大学大学院工学研究科電子工学専攻博士課程修了（工学博士）．同助手，助教授を経て
１
９
９
７年１
２月より現職（物性工学講座プラズマ
基礎工学分野担当）．プラズマ科学の基礎と応用に従事してい
ます．
なが

""

おぎ

の

あき

ひさ

荻 野 明 久静岡大学創造科学技術大学院，准教授．専門分
野はプラズマ応用で，現在は主に材料表面の機能性向上を目的としたプラズマ処理に関する 研 究 に 従 事 し て い る．実 験・研 究 以 外 では，時間を気にせず楽しめるサイクリングやランニングで体を動かすのが好きだが，最近はあまりできず体力の低下が心配．妻と１歳半になる娘とで近くの公園を散歩し，図書館によって本を借りてくる週末のひとときと娘の成長を楽しみに
している．

し

浜 口 智 志大阪大学工学研究科教授．東京大学理学部物理学科卒，同大学院修士・博士課程を経て，ニューヨーク大学クーラン数理科学研究 所（大学院数学科）博士課程修了．理学博士，Ph.
D．専門はプラズマおよびプラズマ表面相互作用の理論・シミュレーション．

７２３