研究概要
我々の研究室では、MEMSや機械加工などのマイクロ・ナノ工学と超音波による機械力学を基盤技術として、ナノからマクロまでマルチスケールの“やわらかい”ロボットやデバイスを創出しています。これらを用いて、生体内への薬剤送達（Drug Delivery System）や組織工学/再生医療などの最先端医療に資する新たなプラットフォームを構築することを目指し、研究を展開していきます。
具体的には主に以下のトピックについて研究を実施しています。
- ヘルスケアと薬剤投与に資する生体内ハイドロゲルデバイスの創成
- 超音波照射デバイスによるナノ薬剤の低侵襲な生体投与
- ハイドロゲルを用いた3次元細胞組織の形成
- 超音波による細胞の非接触アクチュエーションシステムの開発
- ソフトロボティクスとAIの融合による細胞組織成熟システムの構築
我々の研究室では医学系や生物系の研究者と共に様々な医療や生命の課題に取り組み、これを機械工学の知識と技術により解決していきます。そして、上記以外のテーマ以外にも、生体や生物などに有効な機械工学の技術を用いた新たなプラットフォームについて、日々のディスカッションを通じて新たに研究を生み出していき，これまでにない革新的な技術やシステムを研究・開発します。新たなアイディアを形にしたい、マルチスケールで物作りがしたい、医療に役立つ研究がしたい、研究成果を海外で発表したいなど．．．世界をあっと言わせる研究を一緒に発信していきましょう！
ヘルスケアと薬剤投与に資する生体内ハイドロゲルデバイスの創成
ハイドロゲルは水を含む高分子ネットワークで構成され、その分子の特性により極めて多様な機能や性質を示します。特に、ハイドロゲルをマイクロ加工したハイドロゲルマイクロビーズは微小なサイズかつ比表面積が極めて大きいという特徴から、バルクでは得ることができない物質拡散の高速化や物質の均一性を有しています。こうした特徴から、薬剤送達（DDS）やバイオセンサなどの応用を見据えた研究が注目されています。特に、ハイドロゲルには周囲の環境に反応して性質を変化させることができることから、これらを組み合わせることで複数の機能を具備したインテリジェントデバイスを創成することが可能です。これを用いた生体内で作用する薬剤担体やインテリジェントロボットの構築1)や超音波技術と融合した細胞の遺伝子操作2)を目指しています。
*この研究プロジェクトは，1)科研費および2)競輪の補助を受けて実施しました．
Hydrogel carrier with bubble vibration enhancer for ultrasound-triggered drug release
This study aims to develop hydrogel-based drug carriers enabling safe, on-demand release by ultrasound. Encapsulating bubble vibration enhancers (BVEs) allowed drug release at biologically safe acoustic pressures, with efficiency increasing near BVE resonance. In vivo–mimicking carriers achieved controllable and repeatable release, highlighting hydrogel–BVE systems as promising devices for precise ultrasound-triggered drug delivery.
Synthesis of Hydrogel Microparticles from Ultra-High-Viscosity Pre-Gel Solution by Combining Centrifugal Force and Ultrasonic Vibration
This study aims to enable hydrogel microparticle synthesis from ultra-high-viscosity pre-gel solutions. Using a device combining centrifugal force and ultrasonic vibration (MSDCU), spherical UHV-HMPs were produced beyond conventional viscosity limits. Optimized 100 kHz vibration with 230 g ejected solutions up to 1.5 × 10⁵ mPa·s, yielding uniform particles of 140 µm and smaller satellite particles of 31 µm, demonstrating MSDCU’s versatility for high-viscosity materials.
Simultaneous crosslinking induces macroscopically phase-separated microgel from a homogeneous mixture of multiple polymers
This study aims to develop a simple method to create multifunctional core–shell microgels via simultaneous-crosslinking-driven phase separation in co-gelation (SPSiC). Alginate–NIPAM microgels were synthesized in a single step by centrifugation with photo- and ion crosslinking, enabling macroscopic phase separation. These SPSiC microgels serve as implantable, multifunctional drug delivery systems combined with transdermal glucose sensing, demonstrating a versatile approach for bio-microprobes.
ハイドロゲルとソフト骨格を活用したソフトアクチュエータ
ソフトアクチュエータは、金属のような高剛性な材料でできた従来のアクチュエータと比べてしなやかな変形を特徴としており、さまざまな対象物に適応することが可能です。この性質により、形状の柔軟性を要求される環境や、生体内のように繊細さと非侵襲性が求められる場面での利用が期待されています。特に、外部刺激により駆動する刺激応答性ハイドロゲルを用いたアクチュエータは、電源供給のための配線を必要とせず、小型化・軽量化に適していることから、生体内診断やDDSとしての研究が活発に進められています。そこで我々は、温度によって駆動するハイドロゲルに、微細加工技術にて製作したソフト骨格を組み込んだハイブリッドソフトアクチュエータを開発しました。このソフト骨格はマイクロスケールで設計可能であり、その形状によって変形方向を制御できます。このような分野横断的なアプローチにより、ソフトアクチュエータの新たな変形操作手法の開拓に取り組んでいます。
Hydrogel-polymer hybrid actuator with soft lattice skeleton for excellent connectivity
This study aims to develop durable, programmable hydrogel–polymer hybrid actuators for in vivo applications. By integrating a 3D porous “soft lattice skeleton,” the hybrid actuators mechanically interlock hydrogel and polymer layers, eliminating chemical modification. Temperature-responsive PNIPAM hydrogel drives actuation, with deformation controlled via lattice micropillar design. This design enables reliable, customizable bending and twisting, expanding hydrogel selection for drug delivery and biosensing applications.
超音波照射デバイスによるナノ薬剤の生体投与
皮膚にある角質層は分子量500（約1〜2 nm）以上の物質の透過を妨げることで、我々のカラダを外敵から防御しています。しかしこれは同時に、ナノサイズの薬剤の経皮投与も妨げています。最近では、従来の低分子薬剤以外にも、特異性が高いことから安全性と薬効に優れた高分子薬剤が台頭してきました。高分子薬剤には、COVID-19で注目されている核酸医薬やがんの特効薬となる抗体医薬などがあり、これらを効率的に投与する方法の確立が期待されています。そこで、1)経皮薬剤投与のための超音波照射デバイスとハイドロゲルのナノカプセルを開発し、ニードルレスで安全に薬剤を投与する手法の構築を目指しています。また、2)異なる周波数の超音波を重畳することで高効率で投与できる技術を構築してきました。本研究は薬剤投与以外にも、美容や遺伝子導入などにも応用が期待できます。
*この研究プロジェクトは，1)科研費および2)競輪の補助を受けて実施しました
Transdermal administration of macromolecular drugs by multi-frequency sequential ultrasonic irradiation
This study aims to develop a minimally invasive method for macromolecular drug administration using sequential multi-frequency ultrasound. Low- and high-frequency ultrasound enhanced transdermal delivery of a 45 kDa model drug through porcine skin, doubling dosing efficiency compared to conventional methods. Drug penetration correlated with MHz ultrasound intensity, demonstrating a promising alternative to injections for safe, effective macromolecular drug delivery.
Quantitative Analysis of Acoustic Pressure for Sonophoresis and Its Effect on Transdermal Penetration
This study aims to quantify ultrasound-assisted transdermal delivery using a bolt-clamped Langevin transducer with a thin PZT sensor. Acoustic pressure and cavitation onset were measured in a tissue-mimicking environment, revealing that nanoparticle penetration depends on particle size, material, and subcutaneous support hardness. Results indicate that cavitation-induced mechanical effects drive transdermal transport, providing insights into sonophoresis mechanisms.
ハイドロゲルを用いた3次元細胞組織の形成
細胞は細胞同士や細胞周囲に接着することで細胞の塊を作り、これが集まることで組織を形成します。しかし、細胞だけを集積しても培養面に層状に積み重なるだけで、3次元組織を形成することはできません。そこで、ハイドロゲルを主材として細胞の足場を形成し、これを用いて細胞を組織化することで，マイクロサイズの細胞組織を形成することができます。この小さな組織を積み重ねてアセンブリすることで、巨大な立体組織を形成することが可能となります。その際に、複数種類の細胞を共培養することや血管網を設けることで、臓器に近い細胞組織を形成することができます。このような技術により形成した細胞組織は再生医療や創薬研究に用いるための細胞組織に応用することができます。
Microfiber-shaped building-block tissues with endothelial networks for constructing macroscopic tissue assembly
This study aims to develop microfiber-shaped hepatic tissues as building blocks for macroscopic in vitro tissue assembly. Co-cultured Hep-G2 cells and HUVECs formed vascular networks within microfibers, which were optimized by core thickness and cell ratio. Assembled parallel and reeled tissues established HUVEC connections after shell removal, offering a versatile platform for generating complex, heterogeneous tissues mimicking major organs for regenerative applications.
超音波による細胞の非接触アクチュエーション
超音波は生体内のセンシングや細胞・組織の破砕を非接触で行う方法として昔から使用されてきました。これらの技術には弱い/強い出力の超音波が活用されていますが、中間の出力を用いた際には超音波をアクチュエータとして活用することが可能です。超音波によるアクチュエーションは、細胞を優しく非接触で操作できるため、細胞を汚染することなくマニピュレートすることができます。この超音波の特性を活かして、細胞を損傷せずに剥離する手法の開発や、細胞を組織化する手法を構築してきました。このように、従来用いられてきた細胞操作技術を刷新する新たな技術を開発しています。
*この研究プロジェクトは，一部科研費の補助を受けて実施しました．
Enzyme-free release of adhered cells from standard culture dishes using intermittent ultrasonic traveling waves
This study aims to develop an enzyme-free method for detaching adherent cells using acoustic pressure and intermittent traveling-wave–induced medium sloshing. The method detaches 96.2% of cells and increases transfer yield by 30% over trypsinization, while minimizing membrane and ECM damage. This approach enhances cell survival and offers a more efficient process for tissue-cultured cell amplification in biopharmaceutical production.
Cell agglomeration in the wells of a 24-well plate using acoustic streaming
This study aims to generate controlled cell and particle agglomeration using MHz-order acoustic waves in 24-well plates. Acoustic streaming induced rapid aggregation of particles and BT-474 cells into suspended pellets or spheroids, fifteen times larger than without ultrasound, while maintaining viability. Intermittent excitation minimized heating, offering a low-power, reproducible method for creating 3D cellular masses for tissue engineering and drug research.
ソフトロボティクスとAIによる細胞組織成熟システムの構築
細胞組織は外側から機械的な刺激を付与することで筋肉を鍛えるように幼弱な細胞が成熟します。しかし、細胞は声を上げることができないことから、どのような刺激を付与することが細胞組織にとって最も適しているかを選定することは技術者の経験に委ねられています。このような状況を打開するために、AIを駆使して細胞に最も適した機械刺激を付与するための条件を探索する研究を行っています。
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