イオンポリマーメタル複合体を用いた人工心筋開発の基礎研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12680852
• 研究機関: 鈴鹿医療科学大学
• 研究代表者: 筏 義人 鈴鹿医療科学大学, 医用工学部, 教授 (00025909)
• 研究分担者: 若林 成知 鈴鹿医療科学大学, 保健衛生学部, 講師 (40191720) ; 伊原 正 鈴鹿医療科学大学, 医用工学部, 教授 (70261039)
• キーワード: 人工筋肉 / ポリマー / 導電性ポリマー / 人工心筋 / 生体材料 / 生体適合性 / アクチュエータ / 高分子電解質膜

研究概要

イオン交換ポリマーメタル複合体(IPMC)は、水で膨潤した高分子電解質膜に金属電極をめっき接合したメカノケミカル・アクチュエータ材料である。これは、低電圧で大きな変位を発生し、生体の筋組織と同様に容量性および抵抗性素子として湿度の高い環境で効率よく動作する。IPMC膜に電界を加えると、膜の片側で引張歪が、反対側で圧縮歪が生ずる。これは、膜内のイオンが電界によって移動するためと考えられているが、表面電荷の相互作用によるメカニズムも考えられている。IPMCを用いたアクティブアクチュエータの特性を計測し、人工心筋の開発可能性を検討した。
パーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製Nafion117)をジクロロフェナントロリン金(III)溶液に浸潤したのち、5%亜硫酸ナトリウム溶液で還元して金めっきをほどこし、SPMを作成した。Nafion膜の膜厚は200μm、導電率は0.083S/cmである。Nafion膜は層の厚さは約2μmで導電率は4.46×10^5S/cmである。SPMを短冊状に切断した。任意波形ジェネレータ(Agilent33120A)で発生させた方形波(0.1Hz,1-5V_<p-p>)を印加し、発生張力を、アイソトニックトランスデューサおよびアイソメトリックトランスデューサで計測した(日本光電)。計測にはディジタルオシロスコープ(TektronixTDS3012)を用いた。
膜厚192μmのNafion膜SPMを長さ20mm、幅2〜10mmに切断し、1〜5V_<p-p>の電圧を印加した際の等尺性発生張力(図1)、および等張性変位(図2)を測定した。発生応力は3Vまでは直線的に増加するが、3V以上では、増加が見られなくなった。しかし、2枚の膜を使用した場合、5Vまで直線的な増加が得られた。一方、変位は1〜5Vの範囲でほぼ直線的に増加し、2枚の膜を平行に使用した場合も、変位の値は減少するが、直線的な増加が得られた。これらの結果は、イオンポリマーメタル複合体の動作が電流密度に依存することによると考えられる。

研究成果

• [文献書誌] 伊原正, 小黒啓介, 安積欣志, 藤原直子, 筏 義人: "イオンポリマーメタル複合体を用いたアクチュエータ駆動機構の基礎研究"日本ME学会雑誌. 第41巻特別号. (2002)
• [文献書誌] 伊原正, 増田竜樹, 中村太郎, 小黒啓介, 安積欣志, 藤原直子,筏 義人: "イオンポリマーメタル複合体駆動回路の基礎研究"日本ME学会雑誌. 第42巻特別号. (2003)
• [文献書誌] 中村太郎, 伊原正, 増田竜樹, 小黒啓介, 安積欣志, 藤原直子,筏 義人: "イオンポリマーメタル複合体の等尺性発生張力と等張性変位の測定"日本ME学会雑誌. 第42巻特別号. (2003)
• [文献書誌] Tadashi Ihara, Tatsuki Nakamura, Taro Nakamura, Yoshito Ikada, Kinji Asaka, Naoko Fujiwara, Keisuke Oguro: "Isotonic Tension and Isometric Displacement Measurement of a Solid Polymer Electrolyte Membrane-Gold"Proceedings of The First World Congress on Biomimetics & Artificial Muscles. 1. (2003)