ナノカーボンにおける放射線誘起欠陥の積極的活用

和歌山大学 システム工学研究科

助教 村上俊也

e-mail murakami@sys.wakayama-u.ac.jp 1

放射線

村上 俊也

伊東 千尋木曽田 賢治

• 試料合成、加工• 分析電子顕微鏡• AFM-ラマン装置

• 高分解能ラマン• 多波長ラマン• 極低温顕微ラマン

システム工学部 教育学部

和歌山大学

研究体制

2

目次

3

・CNT応用におけるX線誘起欠陥の利用

・X線照射欠陥のラマン散乱解析

・カーボンナノチューブ(CNT)について

・従来技術との比較

CNTをDDSのキャリアとして活用

・CNTへの物質内包および取り出し実験

・想定される用途、課題

DDS：ドラッグデリバリーシステム

放射線

内包物質の取り出しにX線照射欠陥を活用

CNTの幾何学的構造 性質

カーボンナノチューブ(CNT)の構造

4

単層CNT

~1nm

5

・電気伝導性

・高強度繊維

単層CNTの応用

・ドラッグデリバリーシステム

(DDS)

CNT1本炭素繊維

鋼

宇宙エレベータ(CNT)

CNTバンドル

蜘蛛の糸(0.3-1.8GPa)

防弾チョッキ

芳香族ポリアミド繊維（ケブラー）

アルミニウム(0.1)

チタン(0.4)

航空機,ロケット

1GPa 10GPa 100GPa 1000GPa

問題点：チューブ間の接合が弱い

問題点：P型とN型の制御

問題点：取り出し方法 6

半導体、金属

太陽電池

欠陥ドープ 孔を開ける欠陥を介して接合

電導性制御 高強度繊維

放射線

P N

・ラマン散乱分光法・透過型電子顕微鏡

炭素材料の欠陥評価

X線誘起欠陥の活用

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DDS

欠陥の熱安定性

欠陥の直径依存性

軟X線照射による欠陥導入

欠陥導入によるCNT構造の変化

X線誘起欠陥の特徴解析

回復可能な欠陥である200-400℃程度欠陥が動く

細い直径の方が欠陥が安定

DDSへ応用

内殻電子励起で欠陥が形成する

T. Murakami, et. al., IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 80 (2015) 012016

T. Murakami, et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014) 02BD11

T. Murakami, et. al.,J. Appl. Phys. 114 (2013) 114311

C. Itoh, T. Murakami, et. al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 266 (2008) 2772

X線照射とアニールで構造が変化

8

欠陥が電子状態へ与える影響遷移エネルギーの変化

T. Murakami, et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 53 (2014) 05FC03

利点…局部治療が可能

問題点…使用不能の場所があるダメージが大きすぎることがある

DDSの適用分野

癌治療

• 外科治療• 化学治療(抗がん剤）• 放射線治療

利点…再発や転移の抑制に使用

問題点…副作用が大きい正常細胞にもダメージ体質により効果が異なる

DDS9

DDSの現状従来技術とその問題点

DDS… 体内の薬物分布を量的、空間的、時間的に制御した薬物の輸送システム

副作用の低減 (安全性)使用量の適正化 (経済性)

経口

注射

塗布

患部

ベシクルミセル

親水基

疎水基

先行研究のキャリア

問題点：薬ごと、患部ごとに物質設計が必要

薬剤

10

DDSキャリアの比較

11

新技術の特徴・従来技術との比較

新技術

参考：R. Pfeiffer, et. al., Nano Lett. 7 (2007) 2428

内包手法（従来手法を活用）

2nmC60CNT

フラーレン@単層CNT

参考：K. Ajima, et. al., J. Phys. Chem. B 110 (2006) 5773

2nm

シスプラチン＠カーボンナノホーン

~400ºC

参考：Y.F.Li, et. al., Nanotechnology 17 (2006) 4143

2nm

フェロセン＠CNT

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取り出し手法（新技術）放射線照射欠陥を利用→CNTの壁に孔を開けて取り出す

(X線、電子線、γ線、粒子線など)

放射線

患部

放射線

患部選択制がある場合

・放射線照射部分が薬の放出部分・放射線のON・OFFで薬の放出タイミングを制御

患部

放射線

患部選択制がない場合

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X線照射欠陥In

tens

ity

Raman Shift (cm-1)

G band

D band

X-ray

600ºC in Ar

12 1.5 0.8

diameter(nm)

T. Murakami, et. al., Eur. Phys. J. B, 86 (2013) 187

(欠陥)

14

(1240eV)

(ラマン解析)

ラジアルブリージングモード(RBM)

　 Dバンドの増大 　 欠陥の形成

　 Dバンドの減少 　 欠陥の回復

フレンケル欠陥

空孔空孔

格子間原子

格子間原子

X-ray

フィルム化、基板への転写

実験(内包物が取り出せるかを確認する)

単層CNT試料（アルドリッチ社, 直径:1.4nm,

アーク放電により作製）

開端処理(熱酸化)

SiO2/Si基板

単層CNTのフィルム

真空封管→熱処理

(200ºC, 12h)

真空中, 1240eV

300ºC(Ar雰囲気)

空気中, 450ºC

フェロセンの内包（モデル物質）

開孔(X線照射欠陥導入)

欠陥回復(熱アニール)

(湿式法)

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評価

フェロセン内包

SWNT

内包実験

参考：H. Shiozawa, et. al. , Physica. Stat. Sol. (b) 244 (2007) 4102

RBMの高波数シフト→フェロセンの内包

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(ラマン解析)

RBM

D

G

x5

x5

フェロセン内包

X線誘起欠陥導入（取り出し）

熱アニール(回復)

SWNT

X線照射

X線照射欠陥の導入によるRBMのアップシフト。

フェロセン内包SWNT

熱アニール

X線を照射しなかった場合はRBMは変化しない（戻らない）。

取り出し実験

RBM解析から推定

17

RBM

D

G

x5

x5

x5

(ラマン解析)

EDSピークの解析

照射前

照射後

Fe

照射前 照射後

0.25

0.15

X線照射前後にFeの濃度が減少した

フェロセンがCNTから放出された18

想定される用途

既存の放射線治療装置を活用した癌治療

粒子線（炭素イオン、陽子）

ガンマ線

X線

からだの表面からの深さ(cm)0 5 10 15

重粒子線（炭素）

X線

100

50

0

相対

線量

(%)

ブラッグピーク

19

X線やγ線による照射例

患部

放射線発生器

複数の放射線発生器を用いて、患部に高い照射効果を与える

20

患部

重粒子線による照射例

重粒子線のブラッグピークを利用して患部に高い照射効果を与える

inte

nsi

ty

重粒子線

放射線発生器

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• 抗がん剤の内包性と取り出し

実用化に向けた課題

（今の所、単層CNTは毒性がなさそう）

• 内包物に対する放射線の影響

• CNTの体外への排出について

• γ線、粒子線での実証

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• CNTの毒性について

企業への期待

• γ線、粒子線による効果の実証

• 内包物の放射線照射効果

• 放射線照射装置での実証

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まずは共同研究で、具体的な応用の可能性を明確化

まとめ

CNTの構造制御、性質制御X線照射欠陥の利用

内包物の取り出し手法

薬剤の内包

放射線誘起欠陥導入（取り出し）

単層CNT

放射線

DDSへの応用

局部化学治療

放射線治療

複合治療

＋

＝

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本技術に関する知的財産権

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お問い合わせ先

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