使用小巧、用户友好的显微镜促进研究效率

使用单元格作为组件的生产。旨在通过生物材料的工业应用创造一个新的产业

东京大学生物混合系统实验室的Shoji Takeuchi博士致力于将难以处理的生物材料转化为工业部件等易于处理的材料的研究。在“生物与机械工程的混合”的主题下，他试图开拓生产领域的新前沿。在纳米生物技术领域，他取得了一些创新的研究成果，如人造脂质双分子层膜的形成。最近，通过提出水凝胶作为生物相容性材料的微加工，他探索了植入设备和细胞的3D组装等新领域。该研究将作为开发人工细胞的基础。他希望通过这种发展，在医疗领域做出贡献，创造一个新的产业。为了进一步实现这一目标，除了基础研究外，他还积极参与商业与学术合作的应用研究。

01.他在本科学习昆虫生物力学

他的实验室位于东京大学的生物杂交系统实验室，其座右铭是“思考杂交”。这句格言的意思是“通过各种研究领域的混合创造新的东西”。正是本着这一理念，实验室的成员广泛，从机器人、电力工程、信息系统、生物、化学、材料等领域的年轻研究人员到媒体艺术家，实验室的每一个成员都在推动先进的研究，与社会互动。

竹内博士对生物有机体和机械工程的混合体的探索始于他还是一名大学生时开始开发一种模拟昆虫运动的机器人。当时，他通过在昆虫的腿上插入电极传送电信号，进行了使昆虫的腿可以伸缩的实验。研究生期间，他在昆虫身上安装了装置来控制它们的运动。通过这些实验，他萌生了一个想法，即通过将生物体的最佳功能应用到机器上，来创造一种全新的设备。后来，他对制造微型机器的MEMS技术产生了兴趣。

他的想法是，在机械领域之外利用MEMS，积极采用生物相容性材料，生产细胞或蛋白质水平的机器。他的目的是创造一个“可以与活体互动的机器”，或一个“可以在基因水平上工作的机器”。他的目标是在10年或20年后在医学领域做出贡献。他还认为，通过创新技术影响制造业是他的重要使命。
“通常，机器通常由硅、金属和塑料制成。然而，我们的实验室正在研究如何使用细胞和蛋白质作为机械材料。我们目前的挑战是建立一种实现这一目标的设计和处理方法，”Takeuchi博士说。

02.成功人工培养神经细胞并将其与大脑结合

在现有的各种类型的细胞中，竹内博士从一开始就把神经细胞作为研究重点。他的目标是通过工程方法大量培养神经细胞，使它们在脊髓损伤治疗和其他神经功能恢复中发挥作用。

“再生神经的传统疗法是将神经干细胞注入体内，这样细胞就会自发增加，这种现象被称为自发愈合。相比之下，我们实验室的目标是精确控制神经细胞的行为，帮助神经网络的恢复。”

在用老鼠进行的实验中，竹内博士领导的一个研究小组通过培养神经细胞制造出了3D神经组织。此外，研究小组成功地将这些3D神经组织植入到小鼠的大脑表面，这样培养出来的神经细胞的树突就可以与小鼠的大脑相结合。这项研究于2010年发表在《生物材料》杂志上，并因其作为再生医学的巨大潜力而被日本一家主要电视频道和报纸报道。

据Takeuchi博士介绍，与颅神经再生相关的研究分为两类:一种是非接触式方法，捕捉来自大脑外部的电信号;另一种是侵入式方法，通过在颅神经中插入电极，直接读取来自颅神经的电信号。非接触式方法确保了更好的安全性，但读取信号的灵敏度较低。另一方面，侵入性方法引起了人们对人工材料直接插入细胞对活生物体的影响的关注。

竹内博士的方法介于两者之间。他打算用生物材料制造人工细胞，并将它们作为电极植入大脑的神经组织。这种方法确保了人工细胞作为电极的安全性，也确保了对神经的更高控制。Takeuchi博士称由生物材料制成的电极为“混合电极”。

03.他们的目标是开发大规模生产细胞的技术，比如肥皂泡

目前，竹内博士的实验室正试图利用生物材料开发人工神经和其他细胞。不用说，在人工制造出像自然界中那样的细胞之前，还有许多挑战需要克服。该实验室正在研究一种方法，通过应用MEMS技术，大量生产细胞膜或细胞容器，如“肥皂泡”。

“在开发出细胞胶囊化技术后，我认为未来有可能批量生产医疗领域所需的细胞，然后将它们三维组装成医疗所需的器官。”随着人工细胞研究的进展，我们将能够灵活地设计细胞，以帮助开发新药或利用微生物生产油。我不认为这些活动是幻想。”

Takeuchi博士预计，在生产技术的基础上，日本将成为世界生命科学的领导者。他认为，通过MEMS和医学等各个学术领域的合作，日本将出现一个新的产业，为医疗保健做出贡献。

“在工业世界中，很少有人想到使用细胞和其他生物作为生产材料。这主要是因为它们很难处理。然而，一旦细胞被标准化，可以像机械部件一样处理，就有可能将生物材料用于工业应用。例如，将有可能大规模生产电池，并将它们作为块块供应给制造商，然后由制造商组装成各种产品。”欧宝官网开户

人工细胞听起来像是人类的梦想，但它们也带来了许多伦理问题。竹内博士本人也充分认识到他的研究对社会的巨大影响。在这一认可下，他从一开始就与来自各个科学领域的研究人员进行合作研究，并与哲学家们多次讨论他的研究。他的实验室也有媒体艺术家，通过可视化的方式宣传实验室的研究。

“例如，如果研究与基因操纵有关，社会可能会认为这有点可怕。为了消除这种恐惧，我们在参与学习的同时，向社会正确地传达我们的活动是很重要的。”

04.与不同领域的研究人员互动取得突破

竹内博士称来自不同领域的员工为“异性(复合型)群体”。现在，这些异质成员之间的相互作用正在迅速扩大他们的研究范围。除了担任生物/纳米混合工艺协同研究中心主任外，Takeuchi博士目前还担任ERATO生物混合创新项目的研究主任和KAST生物微系统创建/开发项目的负责人。在生物杂交系统实验室，他有四个实验室，其中一个正在安装中，大约20名研究人员在各自的研究领域下进行研究，有些人同时研究8个以上的领域。

武内博士是如何扩大他的研究范围的?“学习风格不应该有对错之分，”他说。“有些人可能会单独深入研究自己的主题，而另一些人可能会在一个小组中通过大量讨论研究各种主题，就像我们在我的实验室所做的那样。与其限制主题，我建议每个人在想到想法后，就把它们付诸行动，而不是仅仅把它们当作想法。我认为每个研究者都可以通过积极参与他们感兴趣的主题来拓宽他们的研究范围。当然，这需要与不同领域的研究人员进行交互，而人类的协作对于促进交互非常重要。因为我的实验室是由各种各样的研究人员组成的，他们不仅需要一起讨论他们的研究主题，而且需要与不同性格的人进行适当的合作。”

05.使用小巧易用的显微镜促进更有效的研究

竹内博士的实验室以其创新的研究成果吸引了日本和国外的广泛关注。不出所料，作为一个旨在创造“活的有机体和机器的混合体”的实验室，他的实验室除了光学显微镜外，还配备了荧光显微镜和扫描电子显微镜。其中，KEYENCE VHX显微镜最常用于微加工零件原型的形状观察和尺寸测量。

BZ系列荧光显微镜也常用于观察活细胞和原型细胞膜。由于经常需要观察，目前实验室安装两台BZ系列显微镜。实验室还以独特的方式使用这些显微镜，将不同条件下培养的细胞分别设置在每个BZ系列上，用两台监视器同时观察。

生物医学和材料工程研究人员栗林香织(Kaori Kuribayashi)是实验室中BZ系列显微镜的用户之一。她正在研究开发适用于利用MEMS技术的下一代再生医疗设备的细胞3D结构。2009年，她的主题“用于保健和医疗应用的柔性多功能微器件”被日本科学技术振兴厅列为青年研究人员与风险投资公司共同创造和推广的项目之一，因此她在开展研究的同时，正在准备成立一家风险投资公司。

当被问及对KEYENCE显微镜的评价时，Takeuchi博士回答说:

“最重要的是，我喜欢它的易用性。另外，我喜欢每个产品的小巧尺寸。对于空间有限的实验室，紧凑的尺寸和高通用性是购买显微镜的重要条件。”

竹内博士的实验室目前正在向每个房间引进VHX显微镜和BZ系列荧光显微镜。目的是通过即时观察基于mems的原型和培养细胞来简化和加速研究活动。

属于该实验室的助理教授Hiroaki Onoe先生也是使用VHX和BZ系列显微镜的研究人员之一。他目前的研究包括dna功能化水凝胶微结构的自组装。在他未来的研究中，Onoe先生希望新引入实验室的VHX-D500深度多角度透镜能够减少确认基于mems的设备如何完成的时间，因为这些透镜不仅可以从正上方观察，还可以从某个角度或侧面观察。

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06.用3D细胞人工创造生物的功能

在加速生物材料生产的基础研究的同时，Takeuchi博士还打算通过商业和学术界的合作促进未来商业化的研究。他认为医学和环境领域的潜力尤其大。从长远来看，他希望通过生物和机器的杂交建立系统的设计和加工。

“在开发出大量生产细胞容器的技术后，我将开始一个新的挑战，使用生物材料来制造从传感器到驱动器和处理器的一切。我现在正试图尽快建立细胞的3D结构。”

(截至2011年2月)