2015 Fiscal Year Research-status Report
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26560244
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
橋本 時忠 佐賀大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90392860)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 薬物輸送システム / 衝撃波管 / 固気二相流 / 超音速噴流 / 光学可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，一般的な薬剤輸送手段である注射器（シリンジ）の針に関する諸問題を解決するために超音速噴流を極短時間だけ発生可能なマイクロ衝撃波管を用いて個々のエネルギーが十分に小さい10μm程度の粉体薬剤を安全な体内組織へ輸送する革新的な薬物輸送注射（粉体注射器）の開発を目指す．
粉体注射の投与場所は生きた表皮であり，現在の予防接種がターゲットとなる．最大の特長は針を使用せず，痛みを伴わず，かつ，衛生的に皮膚のバリア機能を有する角質層を貫通させ適量を適した位置に導入することである．従って，薬剤粒子の選択，最適な衝撃波管形状，薬剤の数密度や飛翔速度，スタンドオフ距離を詳細に調査する必要がある．本研究では，注射器の駆動部として製作したマイクロ衝撃波管の特性を得るために実験的に気流および粉体粒子の挙動等の基礎データの取得，模擬生体への微小薬剤導入試験，数値計算による装置の最適化を実施する．
実験的に圧力測定を詳細な光学可視化により，微小領域における気流速度と粉体粒子の速度測定に成功している．特に，粉体粒子の数密度は時間変化を伴うことがわかり，超高速度ビデオカメラとマクロ撮影を駆使してPTV法とPIV法から300m/sを超える高速粒子の速度を時系列的に測定した．さらに数値計算により内部の挙動を可視化することで，本装置の特長を活かした粉体粒子の設置位置を検証した結果，従来の位置よりノズル入口に設置する方が効果的であることがわかった．また，駆動気体の種類の追加と複数の粉体粒子による特性試験を実施して，現時点での最適な実験条件を明らかにした．その後，この実験条件下における生体への導入能力を確かめるために生体の機械的性質に近い模擬生体を製作して導入試験を実施した．その結果，予想以上の深さにまで粒子を導入可能であるが，気流の動圧が大きいため生体組織が損傷する可能性があることがわかった．
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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
平成27年度の実施計画のポイントは薬剤の最適位置を得るための数値計算の実施，気流速度向上を目指した試験条件の導出，粉体粒子の選択，および，生体導入試験に用いる模擬生体の特性測定である．
数値計算で薬剤粒子の最適位置を検討した結果，ノズル入口に粒子を設置した場合，効率的に粒子が排出されることが判明した．この結果に基づき実験的に検証すると同様の結果が得られた．
さらに高速な気流を得るために駆動気体としてヘリウムを条件に加えた結果，気流速度は20％以上，粒子速度は約15%上昇した．しかし，ヘリウム使用時の気流持続時間は空気よりも短くなった．この試験気流に追従させる粉体粒子として，比較的手に入れやすいナイロン12とガラスビーズを粉体粒子として用いた．ガラスビーズはナイロン12と比べて直径が3倍，密度が2倍である．その結果，ガラスビーズの粒子速度はナイロン12の60％になり，粒子速度400m/sを得たナイロン12を粉体粒子として使用することにした．
生体の機械的性質に近い模擬生体を用いるために，数種類のポリビニルアルコール(PVA)ゲルを準備して粘弾性特性試験を実施した結果，低速で粘性の効果が，比較的高速では弾性の効果が強くなることが明らかになった．この結果がどのような効果をもたらすのかを確認するために，PVAゲルへの薬剤粒子導入試験を実施した．粒子にはナイロン12を使用した．その結果，貫入深さは5mm以上得られ，空気を使用した方が貫入は深くなった．この結果から気流速度は700m/s以上必要であると仮定していたが，現条件で十分であり，気流の持続時間が貫入深さに効果的であると考えられる．また，模擬生体表面に気流が原因と考えられる損傷が認められ，その状態からPVAゲルにとって弾性の効果が強くでる実験条件であることが解った．
以上の結果から，おおむね順調に研究が推移しているものと判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度の研究結果に基づき，模擬生体への導入試験を中心に実施する．最終的な目標として，必要な場所に必要な量の薬剤を痛みなく導入することである．そのために今までに得られた実験データと貫入深さの関係，表面に損傷を起こさないためのノズル出口形状，および，実際の薬剤粒子を用いたときの導入過程と導入後の状態を詳細に検討する．それらの結果から，本研究で提案する衝撃波管駆動の粉体注射器の輸送可能性について総合的に評価する．
さらに，その結果から，生体への導入試験の施策，痛みとの関係性，および，薬剤粒子の性質や溶解性について検討する．
最終的にこれらの結果についてとりまとめ，成果の発表を行う．
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