2016 Fiscal Year Annual Research Report
3D造形による蚊を模した交互進行する鋸歯状無痛針の作製と穿刺・血液吸引性能の評価
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26249031
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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) |
新宮原 正三 関西大学, システム理工学部, 教授 (10231367)
長嶋 利夫 上智大学, 理工学部, 教授 (10338436)
高橋 智一 関西大学, システム理工学部, 准教授 (20581648)
鈴木 昌人 関西大学, システム理工学部, 准教授 (70467786)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 生体模倣 / 射出成形 / 精密部品加工 / 医療・福祉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（研究の目的）従来の針とは全く異なる，蚊を生体模倣した無痛針を開発する．この針は，寸法が微細であること（断面積が現行の針の1/10以下），鋸歯状突起を有する複数針を交互に少しずつ進めることに起因し，侵襲性が極めて低い．マイクロ加工の技術を用いて針を作製し，皮膚への穿刺・血液吸引の可能性を検証する．H26年度～H29年度の4年間で無痛採血デバイスの完成を目指す．
（実施項目と成果）3年目にあたる平成27年度は，前年度に引き続き射出成形により生分解性ポリマー製の微細針の作製を行った．有限要素法（FEM）による針の皮膚への穿刺シミュレーションを行った．針の設計指針を得るための蚊の吸血動作の観察と，作製した針の穿刺・採血性能の評価を，実験動物を用いて行った．以下具体的に記す．
【ポリマー製微細針の作製】 前年度に成形の容易さを考えて，2本の樋状の針を組み合わせ，中空でありながら蚊と同様に交互振動が可能な鋸歯状の針を提案した．本年度は，上型に半円断面の隆起部を設け，これが下型の半円断面の溝部と嵌まり合うような上下鋳型を作製し，両者の隙間に樹脂を射出することで樋状の針を成形することに成功した．これを２本重ねて中空針とし，人工皮膚への穿刺と，毛管力による血液の液滴の吸引に成功した．
【FEMによる3次元穿刺シミュレーション】 マイクロピッチの格子付きのPDMS製人工皮膚を作製し，この格子の歪みから実際の応力分布を求めて，FEMの結果と比較する手法を提案した．両者の値はオーダ的に一致し，FEMの有効性が確認できた．
【動物実験】 皮膚が透けているヌードマウスを用い，蚊の穿刺・吸血動作の観察を行った．開発した針の穿刺性能，採血性能も同様の動物実験により評価した．開発した針では蚊と異なり，皮膚が撓み，血管が針から逃げるという課題が確認でき，今後の針の実用化における大きな指針が得られた．
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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
前年度に，蚊の上唇１本，小顎２本の計３本を忠実に真似るのではなく，2本の樋状の針を組み合わせて中空部分を設け，液体が流通できる状態を保ちながら，蚊と同様に交互振動することが可能な針を提案した．前年度は3D造形によりこの針の作製に成功したが，材質が光硬化型樹脂であり，１本作製するのに10分以上の時間を要するという問題があった．本年度は樋状の針を成形するための上下鋳型を作製し，これにポリ乳酸を射出成形することで，安全な生分解性針の大量生産の可能性を示せた．
蚊の穿刺メカニズムの究明にもFEMを用いて取り組んだ．前年度に皮膚が破壊されていく様子をシミュレーションするという難易度の高いシミュレーションに成功したが，実際の応力値との整合性については未検討であった．本年度はマイクロピッチの格子付きのPDMS製人工皮膚を作製し，格子の歪みから実際の応力分布を求め，FEMの結果と比較する手法を提案した．これにより皮膚内のマイクロレベルでの応力の可視化という困難な問題を解決できた．FEMと実験による応力の値はオーダ的に一致し，FEMの有効性が確認できた．
ヌードマウスを用いて，蚊の針が皮膚の角質層を突き破り，血管にアクセスしている様子を観察するとともに，開発した微細針の動物皮膚に対する穿刺・採血の様子も観察した．蚊の場合，皮膚がほとんど撓まず，圧迫により血流が止まることがなく，口針（上唇）が確実に血管を捉えていることを明らかにした．一方開発した針の場合，皮膚が撓み，血管が圧迫され，針に対して血管が逃げる様子が観察された．このような動物に対するマイクロ領域での穿刺・採血動作の観察は世界でも例が少なく，これに成功したことは特筆すべきである．また皮膚の撓み防止や，針に対する血管固定の重要性が明らかになり，今後の無痛針の開発における指針が得られたことは大きな成果である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は4年間の研究期間の最終年度となる．前年度までの結果を発展させて微細針の作製実験を行う．動物実験により針の穿刺・採血性能の評価を行い，この結果が良好な場合，連携研究者である群馬大学高澤医師の協力を仰ぎ，臨床試験の準備を進める．
【原型の作製，鋳型の作製，針の射出成形】 分解能0.2 μmの3D造形装置を用いて成形加工の原型（針形状）を作製する．並行して，申請時には想定しなかったフェムト秒レーザ加工機が使用できる環境となったため，これを用いたステンレス製の針原型の作製にも取り組む．原型にメッキを施すことで，金属製の鋳型（上型板，下型板）を作製する．これと並行して，申請時には想定しなかったナノインプリント装置が使用できる環境となったため，これを用いた鋳型の作製にも取り組む．射出成形において，上下鋳型のパーティング面における隙間をゼロにする工夫を施し，バリの発生を完全に抑制することに取り組む．
【蚊の吸血動作の確認】 前年度までに倒立顕微鏡と高感度カメラを用いたヌードマウス皮膚下での血管観察手法を確立した．本年度もこの手法により引き続き観察を推進する．
【FEMによる3次元穿刺シミュレーション】 前年度までに蚊の針が皮膚に陥入していく過程を数値シミュレーションすることに世界で初めて成功し，応力分布の実験値との比較も試みた．本年度はさらに実験値と一致させるようにシミュレーション条件を調整する．
【動物実験による針の穿刺・採血性能の評価】 前年度までにヌードマウスを用い，開発した針の穿刺性能，血液吸引性能を実験的に評価した．また外部機関の協力も得て，針の穿刺に伴う痛みの評価も動物を用いて行った．本年度は，前年度までに明らかになった皮膚の撓み防止や，針に対する血管固定の重要性を念頭におきながら，穿刺実験を繰り返してデータを積み重ね，臨床実験への足がかりとする．
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Research Products
(32 results)
