2021 Fiscal Year Annual Research Report
インプリントとインサートによる微細成形法の提案と蚊を模倣した医療用無痛針への応用
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21H01298
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
青柳 誠司 関西大学, システム理工学部, 教授 (30202493)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 昌人 関西大学, システム理工学部, 准教授 (70467786)
高橋 智一 関西大学, システム理工学部, 准教授 (20581648)
福永 健治 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (30278634)
高澤 知規 群馬大学, 医学部附属病院, 准教授 (30400766)
長嶋 利夫 上智大学, 理工学部, 教授 (10338436)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | マイクロナノデバイス / 生体模倣 / 精密部品加工 / FEMシミュレーション / 医療・福祉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミリサイズの3D形状のプラスチック製品を数十マイクロメートルの精度で成形するために、熱インプリントとインサート成形を組み合わせた成形手法を新規に提案した。射出成形ではバリやヒケが生じてしまう先端部分を、熱インプリントにより作製する。これを金型内に設置し、根元部分を射出成形することで結合する。この技術をインサート成形と呼び、成形条件の異なる先端部分と根元部分を接合することが可能となる。樹脂として生分解性のPLA（Polylactic Acid, ポリ乳酸）を用い、この技術を医療用無痛針の作製に応用する。
本年度は、先端部分となる、熱インプリントによるPLA製針の成形の準備として、PLA製中空パイプの作製にトライした。高精度光造型装置（ナノスクライブ社 Photonic Professional GT)で作製されたマスター形状からPDMS（Polydimethylsiloxane シリコーンゴムの一種）で型取りし、これをPLAシートに熱インプリントした。条件出しを繰り返すことで、外径0.1 mm、内径0.05 mm、長さ1 mmのPLA製中空パイプの作製に成功した。
成形条件（温度、圧力、時間）を正確に制御できる卓上の射出成形機（メイホー社、Micro-2）を導入した。上記熱インプリントによる中空針の作製がまだ途中の段階であるため、先端部分として、既に山田精工社との共同研究で作製に成功しているPLA製中空微細針（外径0.09 mm、内径0.04 mm）を使用した。この先端部分を上記射出成形機内の金型に設置し、そのPLA材料よりも低融点のPLAをインサート成形することで、先端部分の形状を維持したまま根元部分まで一体のPLA製中空微細針を作製することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
1) インプリントによる高アスペクト形状の作製法の確立：製品のマスター形状は、高精度光造形装置で作製する。これを転写して型を作製する。型としてフレキシブルなPDMSを用いる。本年度は蚊の針の作製に取り組む準備として、外径0.1 mm、内径0.05 mm、長さ1 mmの中空パイプの作製に取り組み、これに成功した。
2）インサート成形による先端部と根元部の結合：通常インサート成形は、固い製品に柔らかい把持部分を結合する等、材質の異なるプラスチックに対して行われる。これに対し、同一のPLA樹脂において、先端部分に用いる材料の融点を根元部分のそれよりも高くしておけば、射出成形時に金型内に設置されている先端部分（完成品）が溶融することがなく、「オールPLA」の製品を得ることができる。成形条件を正確に制御できる卓上の射出成形機（メイホー社、Micro-2）を導入した。先端部分として、既に山田精工社との共同研究で作製に成功しているPLA製中空微細針を使用した。この先端部分を上記射出成形機内の金型に設置し、そのPLA材料よりも低融点のPLAをインサート成形することで、先端部分の形状を維持したまま根元部分まで一体のPLA製中空微細針を作製することに成功した。
3）微細針の先端形状と穿刺方法の実験的検討：上記PLA製中空微細針を、人工皮膚（PDMS製、ヤング率は人間の皮膚と同等の0.4 MPaに調整）、および、実験動物（ヌードマウスとラット）の皮膚へ穿刺する実験を行った。後者においては血管からの吸血に成功した。
４）FEM（有限要素法）解析による検討：大変形と破壊を伴う針の皮膚への穿刺の様子を、非線形FEMソフトウェア（LS-DYNA）を用いてシミュレーションし、実験と同様の穿刺抵抗力の推移のデータを得た。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) インプリントによる高アスペクト形状の作製法の確立：マスター形状からPDMSの型取りをする際に、中空針の中空部分の負型となる直径0.05 mmの極細の芯棒が倒れてしまうという問題が多発した。これの改善として、PDMSの代わりに硬度の高いシリコーンゴムを用いることを検討する。また離型材として、オプツール等の市販のものを用いた上にさらにエタノール等の薬品も用いて離型をスムースにする。
2）インサート成形による先端部と根元部の結合：針の先端部分の熱インプリントによる作製を進め、これに根元部分をインサート成形することに取り組む。熱インプリントによる針先端部の作製に時間がかかりそうな場合は、高精度光造形装置で作製したマスター（アクリル製光硬化樹脂製）の針先端部を用いて、PLA樹脂の根元部分のインサート成形を行うことで、先端部分はPLA製ではないが、蚊の針と同様のギザギザ形状を持つ針の作製に取り組む。
3）微細針の先端形状と穿刺方法の実験的検討：蚊の針と同様にギザギザ形状の針を、回転させたり振動させたりしながら、人工皮膚や実験動物の皮膚に穿刺を行う。人工皮膚には、擬似神経モデルをMEMS技術により付与する。このことで、痛覚神経になるべく応力を伝達せずに無痛を実現するような、針先形状と針の刺し方について、実験的検討を行う。
４）FEM（有限要素法）解析による検討：従来使用していたALE法（対象を流体的に扱い大変形や破壊に対応する方法）から、EFG法（穿刺対象を固体として扱い、要素削除により大変形や破壊に対応する方法）に解析手法を変更して、より実験に近い正確なシミュレーションを目指す。
5）臨床研究による痛みの評価 ：研究が進捗し、無痛を実現できるような針の形状、穿刺方法が解明された場合、研究分担者の高澤の監修のもと、人間の皮膚を対象として痛みの評価実験を行う。
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