主要成果
研究チームは、柔軟なマイクロデバイスの基盤材料であるポリジメチルシロキサン（PDMS）に対し、一段階の常温大気中ダイレクトレーザーライティング（DLW）戦略を適用し、防汚性と電気活性を兼ね備えたモノリシックなプラットフォームを開発した。このプロセスにより、純粋なPDMSが超撥水性の階層的シリコンオキシカーバイド（SiOC）/グラフェン複合体へと変換される。得られた表面は水接触角157°、滑落角約3°という極めて高い撥水性を示し、高負荷条件（10^8 CFU/mL）において大腸菌（E. coli）の付着を94.47%抑制することに成功した。
技術・詳細
本技術の核心は、Young-Dupré式に基づいた表面設計により、バイオファウリング（生物汚染）に対する熱力学的障壁を構築した点にある。一方で、電気化学的な電位を印加すると、階層的なドメインで局所的なエレクトロウェッティング（電気濡れ）が発生し、マクロな防汚性を維持したまま、迅速な界面電荷移動（k 0 = 0.00708 cm/s）が可能となる。この切り替え可能な界面を活用し、防汚基板上に細菌インプリントポリマー（BIP）バイオセンサーを直接作製したところ、検出限界348 CFU/mLを達成した。
製造プロセスにおいては、繰り返しレーザーを照射することが重要である。これにより、熱緩和を促しながら、超撥水性と電気活性表面積の向上に不可欠な階層的粗さを構築できる。
背景・業界の文脈
PDMSは透明性や生体適合性に優れるが、絶縁性であることと、疎水性によるバイオファウリングが起きやすいことが課題であった。従来は、親水性ポリマーのグラフト化や導電性インクの塗布、金属ナノ材料の添加などで対応してきたが、これらはPDMS基板との熱力学的不適合による剥離や、金属の溶出による細胞毒性、カーボン添加による弾性体の脆化といった問題があった。また、レーザー誘起グラフェン（LIG）を用いる手法もあるが、PDMSは炭素収率が低いため、外部から炭素前駆体を添加するか、ポリイミド（PI）などで作製したLIGを転写する複雑な工程が必要であり、界面密着性の低さが課題となっていた。
今後の展望
これまで、超撥水性のシリカ膜は固体と液体の接触を遮断し、ファラデー電荷移動を妨げるため、オールインワンのバイオセンシングプラットフォームとしては見過ごされてきた。しかし本研究は、単一素材の変換によって防汚性と高性能な電気化学特性を統合できることを示した。これにより、複雑な多材料統合を必要とせず、長期的なインサイチュ微生物モニタリングが可能な、自己洗浄機能を持つモノリシックなバイオエレクトロニクスの実現に道を開いた。
元記事: https://www.oaepublish.com/articles/ss.2026.178
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