研究論文 Research Papers

(2018年11月29日更新)

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学術論文

1. Moeto Nagai*, Kyohei Tada, Takayuki Shibata, "Rapid Prototyping of PDMS Microchannels for Animal and Plant Cells Using Cutting Plotter and Double Casting," Mechanical Engineering Letters, Vol. 4, p. 18-00377 (2018). Link
2. Moeto Nagai*, Tokuma Miyamoto, Takeshi Hizawa, Takayuki Shibata, "Scalable Hollow Nanoneedle Array Using Stepper Lithography for Parallel Intracellular Delivery," Precision Engineering, Accepted. Link
3. Kar, Srabani; Loganathan, Mohan; Dey, Koyel ; Shinde, Pallavi ; Chang, Hwan-You; Nagai, Moeto; Santra, Tuhin*, "Single Cell Electroporation-Current Trends, Applications and Future prospects," Journal of Micromechanics and Microengineering, Accepted. Link
4. Moeto Nagai*, Keita Kato, Kiyotaka Oohara, Takayuki Shibata, "Pick-and-Place Operation of Single Cell Using Optical and Electrical Measurements for Robust Manipulation," Micromachines 2017, 8(12), 350; doi:10.3390/mi8120350. Link
5. Kota Yamamoto, Keisuke Sato, Junji Sasano, Moeto Nagai and Takayuki Shibata*, "Localized etching of silicon in water using a catalytically active platinum-coated atomic force microscopy probe," Precision Engineering, Vol. 50 (2017) pp. 344–353. Link
6. Takayuki Shibata*, Naohiro Iio, Hiromi Furukawa, and Moeto Nagai "Nanofabrication technique based on localized photocatalytic reactions using a TiO2-coated atomic force microscopy probe," Applied Physics Letters, Vol. 110, p. 063701 (2017). Link
7. Sangjin Ryu*, Rachel Pepper, Moeto Nagai, Danielle C. France, "Vorticella: A protozoan for bio-inspired engineering," Micromachines, Vol. 8(1), 4 (2017). Link ツリガネムシ全般のReview Paper．主に繊毛運動と柄の収縮伸張に対する工学応用の部分を記述した．オープンアクセス．
8. Takayuki Shibata*, Tatsuya Ozawa, Yasuharu Ito, Keita Yamamoto, and Moeto Nagai "Minimally invasive intracellular delivery based on electrokinetic forces combined with vibration-assisted cell membrane perforation," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 56 p. 017001 (2017). DOI Link
9. Moeto Nagai*, Kei Kato, Takayuki Shibata, "Integration of microorganism Vorticella convallaria and poly (ethylene glycol) diacrylate hydrogel for biohybrid systems," Mechanical Engineering Letters, Vol. 2 (2016) p. 16-00445. DOILink 光硬化性樹脂のモノマーPEG-DAに光を照射してマイクロ機械を作製し，ツリガネムシと融合した．
   1. ・PEG-DAの分子量を上昇させることで，ツリガネムシに対する生体適合性が向上した．
   2. ・ツリガネムシとPEG-DAのマイクロ構造体を同じ環境に保ち，微生物の繊毛運動を成立させた．
10. Moeto Nagai*, Kei Kato, Takayuki Shibata, "Underwater motion of hydrogel microstructure by optofluidic lithography studied with gap control and object holding platform," Microelectronic Engineering, Vol. 164 (1), pp. 108–114, October (2016). Link ハイドロゲルのマイクロ構造を光流体リソグラフィで形成し，水中での動作を調査した．この調査には間隔を調整し，物体を保持するためのプラットフォームを開発して利用した．水中での動作には，界面活性剤の利用が欠かせないことを見出した．
11. Moeto Nagai*, Kohei Tanizaki, Takahiro Kawashima, Takayuki Shibata, “Development of Ca2+‐Driven Microvalve Powered by Contractile Fiber of Vorticella” Electronics and Communications in Japan Vol. 99 (1), pp. 62-69, January (2016). Link ツリガネムシの収縮性ファイバ（柄）を用いて，Ca2+を検知・駆動するマイクロバルブを開発した．マイクロチャンバ内にツリガネムシを流体的に輸送・配置した．この中で柄を成長させて，透膜処理を行った．続けてCa2+の濃度を変えると，虫体が流路を開閉し，バルブ機能を果たした．
12. Moeto Nagai*, Michihito Oguri, and Takayuki Shibata, "Characterization of light-controlled Volvox as movable microvalve element assembled in multilayer microfluidic device," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 54, p. 067001, 7pp., April (2015). Link 光の強度勾配を検知するボルボックスを利用して，多層のマイクロ流体デバイスと融合して，マイクロバルブを実現させた．流路中にボルボックスを封入して，外部から緑光を照射すると，走光性を示した．貫通穴を有する構造を作製し，ボルボックスを配置すると，溶液の流れを封鎖した．
13. Kazuya Fujimoto, Moeto Nagai, Hirofumi Shintaku, Hidetoshi Kotera, Ryuji Yokokawa*, "Dynamic formation of a microchannel array enables kinesin-driven microtubule transport between separate compartments on a chip," Lab on a Chip, Vol. 15, pp. 2055-2063, March (2015). Link キネシン微小管輸送の効果のみを評価するために，空圧バルブを利用してマイクロ流路アレイを動的に形成した．形成するマイクロ流路アレイにて，溶液の拡散と輸送を分離し，キネシン微小管のみで輸送が進行することを示した．
14. Moeto Nagai*, Kiyotaka Oohara, Keita Kato, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Development and Characterization of Hollow Microprobe Array as a Potential Tool for Versatile and Massively Parallel Manipulation of Single Cells," Biomedical Microdevices, Vol. 17, Issue 2, 11 pp, March (2015). Link 単一細胞を並列的かつ柔軟に配置するためのツールとして，中空のマイクロプローブアレイを開発し，その機能を評価した．単一細胞を吸引配置するのに適したサイズまで穴径を縮小するプロセスを確立した．作製したプローブアレイでHeLa細胞を操作し，ウェルアレイ内に細胞を配置して，細胞を時系列で計測した．
15. Moeto Nagai*, Hiroshi Asai, and Hiroyuki Fujita, "Reciprocation of micro-objects by contraction and extension of Vorticella convallaria using polylysine as adhesive material," Mechanical Engineering Journal, Vol. 1, No. 4, p. MN0038, 8pp., August (2014). Link ツリガネムシに対して，ポリリジンを接着剤として利用してマイクロ構造物を接着させて，構造の往復運動を実証した．マイクロ構造には，粒子とガラスの両方を利用した．構造とツリガネムシを接着させた後，自発的にツリガネムシの収縮・伸張を行わせて，往復の運動を実現させた．
16. Moeto Nagai*, Yo Hayasaka, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Active Mixing in Microchamber Using Cilia of Vorticella convallaria," IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Vol. 9, No. 5, pp. 575-576, June (2014). Link マイクロチャンバ中に単一のツリガネムシを封入し，その繊毛運動により能動的な撹拌混合を実証した．粒子を含んだ溶液と含まない溶液を導入して，空圧バルブを閉鎖し，マイクロチャンバを形成した．ツリガネムシで流れを発生させて，徐々に混合を進捗させた．
17. 永井萌土*, 谷﨑耕平, 川島貴弘, 柴田隆行, "ツリガネムシの収縮性ファイバを利用したCa²⁺駆動型マイクロバルブの開発" 電気学会論文誌 E (センサ・マイクロマシン部門誌), vol. 134, No. 5, pp. 101–107, May (2014). Link. ツリガネムシの収縮性ファイバ（柄）を利用して，Ca2+を検知して，駆動するマイクロバルブを開発した．流体力により，ツリガネムシをマイクロチャンバ内に輸送，配置した．柄を成長させて，透膜処理を行う．Ca2+の濃度に応じて，虫体が流路を開閉し，バルブ機能を果たすことを示した．
18. Rachel E. Pepper*, Marcus Roper, Sangjin Ryu, Nobuyoshi Matsumoto, Moeto Nagai, and Howard A. Stone, "A new angle on microscopic suspension feeders near boundaries," Biophysical Journal, Vol. 105, pp. 1796–1804, October (2013). Link 水中に分散する物質を捕食する繊毛虫（ツリガネムシ）の生物物理的な特性を評価した．ツリガネムシは時間に応じて姿勢を変えており，その栄養摂取の効率は接着基板に対する角度により異なっていた．姿勢を変えることで，新鮮な溶液を取り込めるようにしていることを見出した．
19. Moeto Nagai*, Yo Hayasaka, Kei Kato, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Mixing of solutions by coordinated ciliary motion in Vorticella convallaria and patterning method for microfluidic applications," Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 188, pp. 1255–1262, August (2013). Link ツリガネムシ(Vorticella convallaria)を流体デバイス内に配置して，溶液の混合を実証した．流路中にポケットを形成し，ツリガネムシをパターニングする方法を開発した．パターニングしたツリガネムシを利用し，溶液の混合を実現させた．
20. Moeto Nagai*, Nobuyoshi Matsumoto, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Reversible Motion Control of Vorticella Stalk in Microchannel," Microelectronic Engineering, Vol. 108, pp. 28-32, August (2013). Link 重力ポンプと集積マイクロ流体デバイスを利用して，流体抵抗が低い流路中でツリガネムシ(Vorticella convallaria)柄の往復運動を実現した．安定した繰り返し変位を得た．また柄の変位を増加させると，必要な時間も増加することを解明した．
21. Takayuki Shibata*, Kenji Nakamura, Shuhei Horiike, Moeto Nagai, Takahiro Kawashima, Takashi Mineta, and Eiji Makino, "Fabrication and Characterization of Bioprobe Integrated with a Hollow Nanoneedle for Novel AFM Applications in Cellular Function Analysis," Microelectronic Engineering, Vol. 111, pp. 325-331, November (2013). Link
22. AFMによる細胞形状測定と細胞の機能の同時解析を実現するために，中空のナノニードルを搭載したバイオプローブを作製し，その機能を評価した．作製したバイオプローブを利用して細胞の形状を測定した．またこのナノニードルを細胞に穿刺して，細胞内に蛍光色素を輸送した．
23. Moeto Nagai*, Tatsuro Torimoto, Tokuma Miyamoto, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Electrokinetic delivery of biomolecules into living cells for analysis of cellular regulation," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 52, No. 4, p. 047002 (5pp), March (2013). Link 中空ナノニードルと電場駆動力を利用し，細胞の内部に物質を輸送する方法を開発した．中空ナノニードルの内部と溶液中に，電極を配置し，電極間に電圧を印加する．流れは溶液と界面の電気的な状態に応じて，方向が変化した．流れを発生させながら細胞を穿孔して，細胞内に蛍光DNAを輸送した．また電流を計測して，細胞に穿刺する際の状態を検知した．
24. 永井萌土*, 早坂陽, 川島貴弘, 柴田隆行, "ツリガネムシの繊毛を用いた能動型マイクロミキサ," 電気学会論文誌 E (センサ・マイクロマシン部門誌) Vol. 133, No. 4, pp. 118-123, April (2013). Link ツリガネムシ(Vorticella convallaria)の繊毛運動を用いて，能動型マイクロミキサを実証した．マイクロ流路中にツリガネムシを配置した後，粒子を含む溶液，含まない溶液からなる2層の層流を流した．ツリガネムシが流れを発生させて，ツリガネムシの撹拌が進行した．
25. Moeto Nagai*, Hiroshi Asai, and Hiroyuki Fujita, "Non-invasive Detachment of Vorticella from Calcium Alginate Membrane," e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, Vol. 11, pp. 25-28, February (2013). Link アルギン酸カルシウム膜を利用してツリガネムシを非侵襲的に操作する手法を開発した．アルギン酸ナトリウム溶液を加熱蒸発させた後，塩化カルシウムで処理して，アルギン酸カルシウム膜を形成した．ツリガネムシを培養して柄を成長させた後，EDTA溶液で膜を溶解させて，ツリガネムシの柄を非侵襲的に入手した．
26. Yo Hayasaka, Moeto Nagai*, Nobuyoshi Matsumoto, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Flow Field Analysis of Micromixer Powered by Ciliary Motion of Vorticella," Electronics and Communications in Japan, Vol. 96, No. 10, pp. 43–49, September (2013). Link ツリガネムシ(Vorticella convallaria)は自律して動作することから小型なマイクロミキサとして期待される．ツリガネムシをマイクロ流体デバイス内に封入し，この繊毛運動が発生する流れ場評価を行った．流れ場をPIV法にて解析し，ツリガネムシが持つミキサとしての溶液混合性能を評価した．
27. 早坂陽, 永井萌土*, 松本伸賢, 川島貴弘, 柴田隆行, "ツリガネムシの繊毛運動を用いたマイクロミキサの流れ場解析," 電気学会論文誌 E (センサ・マイクロマシン部門誌), Vol. 132, pp. 58-63, March (2012). Link ツリガネムシ(Vorticella convallaria)をマイクロ流体デバイス内に封入し，この繊毛運動が発生する流れ場評価を行った．PIV法にて流れ場を解析し，ツリガネムシが持つ溶液の混合性能を評価した．
28. Takahiro Kawashima*, Yuhei Yamada, Yuuta Matsuzawa, Moeto Nagai, Takayuki Shibata, Toru Masuzawa, Tsuyoshi Kimura, and Akio Kishida, "Development of Cell Culture Microdevice Integrated with Piezoelectric Thin Film Actuator for On-Chip Regulation of Cell Functions," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 51, p. 7201, October (2012). Link 細胞に対して機械的な刺激を与えて機能を制御するために，圧電アクチュエータを組み込んだマイクロデバイスを開発した．ゾルゲル法により，チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)を圧電薄膜をパターニングした．16マイクロチャンバーを20 mm × 20 mm以内に設けた．電圧，周波数が変位に与える影響を調査した．
29. Takahiro Kawashima*, Tomoya Matsugase, Kazumasa Tanaka, Moeto Nagai, Takayuki Shibata, Takashi Mineta, and Eiji Makino, "Fabrication of hollow SiO₂ nanoneedle array and characterization of simultaneous multi-site ion-conductance recordings for cell morphology imaging," Microelectronic Engineering, Vol. 98, pp. 663-667, October (2012). Link SiO2製のナノニードルアレイを作製するためのプロセスを開発した．シリコン基板の両側から異なる直径でシリコン深掘エッチングを行い，中間で連通させて，段付きのニードルを形成した．また細胞形状イメージング計測のために，多点同時イオンコンダクタンス計測の方法を解析した．ピペットのイオンコンダクタンスと距離の関係を調査し，イオンコンダクタンスから細胞のイメージングを行った．
30. Takayuki Shibata*, Satoshi Yukizono, Takahiro Kawashima, Moeto Nagai, Toshio Kubota, and Mamoru Mita, "Modified imprinting process using hollow microneedle array for forming through holes in polymers," Microelectronic Engineering, Vol. 88, pp. 2121-2125, August (2011). Link 中空のマイクロニードルアレイを利用して，ポリマーフィルムに貫通穴を形成するための熱インプリント法を開発した．直径30 μmの貫通穴をポリプロピレンフィルム (厚さ 35 μm)，ポリイミドフィルム(厚さ 37.5 μm)に形成した．本加工ではバリのない加工を実現した．
31. Norihisa Kato, Ryotaro Oka, Takahiro Sakai, Takayuki Shibata*, Takahiro Kawashima, Moeto Nagai, Takashi Mineta, and Eiji Makino, "Experimental and Computational Analysis of Water-Droplet Formation and Ejection Process Using Hollow Microneedle," Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50, p. 7202, June (2011). Link 中空マイクロニードルアレイに対しての液滴形成，液体輸送を実験かつ理論的に解析した．ニードルの内外径を変化させながら，液滴の形成を調査した．吐出される流量はHagen–Poiseuilleの法則に従っていた．ニードル外径に比例して，最大の液滴接触角は増加した．
32. Moeto Nagai*, Hiroshi Asai, and Hiroyuki Fujita, "Contraction and extension of Vorticella and its mechanical characterization under flow loading," Biomicrofluidics, Vol. 4, p. 034109 (11pp), August (2010). Link 生存したツリガネムシ(Vorticella convallaria)の収縮・伸張運動の力学的な性質をマイクロ流体伸張システムにより調査した．500 μm x 100 μmの流路内にツリガネムシを封入し，上限350 mm/sの流速で流れを発生させた．流体力を徐々に増加させると，それに反比例してツリガネムシの収縮変位が減少した．
33. Moeto Nagai*, Sangjin Ryu, Todd Thorsen, Paul Matsudaira, and Hiroyuki Fujita, "Chemical control of Vorticella bioactuator using microfluidics," Lab on a Chip, Vol. 10, pp. 1574-1578, June (2010). Link ツリガネムシ(Vorticella convallaria)の運動を化学的に制御するために，集積流体マイクロデバイスを利用したプラットフォームを開発した．空圧の状態を切り替えてバルブを動作させて，溶液状態を変更させると，その溶液状態に応じて，ツリガネムシの柄が収縮・伸張した．
34. Moeto Nagai*, Masamichi Oishi, Marie Oshima, Hiroshi Asai, and Hiroyuki Fujita, "Three-dimensional two-component velocity measurement of the flow field induced by the Vorticella picta microorganism using a confocal microparticle image velocimetry technique," Biomicrofluidics, vol. 3, p. 014105 (13pp), June (2009). Link 微生物Vorticella pictaが作り出す3次元2成分の流れ速度場を計測する方法を開発した．V. pictaに対し，XY平面上の2次元2成分速度場を異なる高さのスライス面毎に求めた．本計測により3次元的に流れの構造や速度を調べることで，「生物学の現象解明」と「生物の能動的な動きを利用したデバイス設計」のために有効な測定手法を切り開いた．
35. Moeto Nagai*, Momoko Kumemura, Hiroshi Asai, and Hiroyuki Fujita, "Binding of Artificial Object to Vorticella for a Microsystem Powered by a Microorganism," e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, Vol. 7, pp. 673-676, March (2009). Link Vorticella pictaの繊毛，頭部，柄，接着点をBiotinで修飾して，V. pictaにStreptavidinをコートした直径1, 2, 6, 8 µmの人工物を接着させた．粒子の接着箇所は1) 繊毛が一番多かった．次いで2)細胞体，そして3)柄の順に多く接着した．粒子の接着力は，V. picta の数mm/sにおよぶ速さの収縮に耐えうるだけの強さを持っていた．これらの検討により，V. pictaを人工物に接着し，デバイスを作製する基礎技術を確立した．

*はCorresponding Authorを表す

国際会議論文

1. Moeto Nagai*, Tokuma Miyamoto, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Fabrication and Characterization of Hollow Needle Array for Electrokinetic Intracellular Delivery of Biomolecules," AIP Conference Proceedings, Vol. 1585, pp. 117–122, (2014). Link.
2. Takayuki Shibata*, Genki Umegaki, Yoshitaka Ishihara, Moeto Nagai, and Takahiro Kawashima, "Fabrication and Characterization of Cell Culture Microdevice for Nanomechanical Stimulation of Living Cells," AIP Conference Proceedings, Vol. 1585, pp. 108–116, (2014). Link.
3. Takayuki Shibata*, Yasuharu Ito, Tatsuya Ozawa, Moeto Nagai, and Takahiro Kawashima, "Intracellular Delivery Method Based on a Combination of Electrokinetic Forces and Vibration-Assisted Cell Membrane Perforation," AIP Conference Proceedings, Vol. 1585, pp. 45–52, (2014). Link.
4. Moeto Nagai*, Kohei Tanizaki, Yo Hayasaka, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "A Microfluidic Flow-switching Device Powered by Vorticella Stalk," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 433, p. 012014 (6pp), (2013). Link
5. Yuhei Yamada, Genki Umegaki, Takahiro Kawashima, Moeto Nagai, Takayuki Shibata, Toru Masuzawa, Tsuyoshi Kimura, and Akio Kishida, "Development of Cell Culture Microdevice Actuated by Piezoelectric Thin Films for Delivering Mechanical Vibratory Stimuli to Cells," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 352, p. 012027, (2012). Link
6. Takayuki Shibata*, Kazuhiro Maruno, Moeto Nagai, Takahiro Kawashima, Takashi Mineta, and Eiji Makino, "Fabrication and Characterization of AFM Probe Integrated with High-Aspect-Ratio Diamond Tip," Key Engineering Materials, Vol. 523, pp. 569-574, (2012). Link
7. Nobuyoshi Matsumoto, Moeto Nagai, Yo Hayasaka, Michihito Oguri, Takahiro Kawashima, and Takayuki Shibata, "Flow Regulator Powered by the Stalk of Vorticella convarallia," Journal of Physics: Conference Series, Vol. 352, p. 012030, (2012). Link
8. Takahiro Kawashima*, Atsushi Matsui, Kazuo Muto, Moeto Nagai, and Takayuki Shibata, "Fabrication of Acoustic Emission Sensor Integrated with Cantilever Array for Detection of Signals Divided into Frequency Domain," Key Engineering Materials, Vol. 523, pp. 575-580, (2012). Link

以上，一部の国際会議論文のみを記載．

研究解説，総説，その他

1. 柴田隆行, 川島貴弘, 永井萌土, "マスクレス微細パターン創成技術," 砥粒加工学会誌, vol. 54, pp. 644-647, (2010).
2. 永井萌土, 浅井博, 藤田博之, "ツリガネムシを駆動源とするマイクロシステム," 生産研究, vol. 62, pp. 205-212, (2010). Link
3. Moeto Nagai "Bioactuator:Vorticella actuation in microfluidic systems," Toyohashi University of Technology e-Newsletter, No. 3, (2011). Link
4. 永井萌土，「微生物と人工物を融合した夢のマイクロシステム」，日本機械学会誌2013年11月号，第116巻，第1140号，p. 793. Link
5. Moeto Nagai "Cilia of Vorticella for Active Microfluidic Mixing," Toyohashi University of Technology e-Newsletter, No. 14, (2014). Link
6. Moeto Nagai, "Micro fingers for arranging single cells–Development of hollow microprobe array for handling single cells in a parallel layout–," EurekAlert! Science News, Public Release, (2015). Link
7. 永井 萌土「E部門発足20周年記念特集 ～未来に向けて（若手研究者の夢）～：生物と人工物を融合したマイクロシステムの実用化 」電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌） Vol. 135, No. 7 , p. PNL7_3, (2015). Link
8. 永井 萌土「留学は難だが役に立つ UCLAでのサバティカル研修」豊橋技術科学大学広報誌「天伯」，No.143，2017.02.
9. 永井 萌土，「国際会議報告：43th International Conference on Micro and Nano Engineering, MNE2017報告」電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン部門誌），138 巻 (2018) 1 号 p. NL1_1，DOI，https://doi.org/10.1541/ieejsmas.138.NL1_1
10. Takayuki Shibata, Junji Sasano, and Moeto Nagai, "Catalytic AFM-Based Nanofabrication" in Micro and Nano Fabrication Technology pp. 857-880, 30 June 2018. Link
11. 永井萌土「多点ノズルを使って効率的に微量な溶液を輸送できます マイクロ液滴輸送用の流路一体型多点マイクロノズルアレイ」2018年度 産業技術の芽（共同研究化技術シーズ集），p.43, 中部イノベネット．