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

2003 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 / 導電性ポリマー / センサー / 生体材料 / 高分子電解質膜 / アクチュエータ / グラフト / 等尺性張力

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)の両面をサンドブラスト加工で表面を粗化して表面積を増大したのち、イオン交換反応で金錯イオンを吸着させた。この金イオンを還元し、膜の表面に金を析出させた。また、Nafion resinを用いて任意の厚み、形状に加工する手法を開発した。
金を接合した膜を短冊状に裁断して水中に片持ち支持し、接合膜の両面に取り付けた白金リード線間に2 Vの方形波電圧を加え、試験片がアノード側に彎曲することを確認した。また、この時発生する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を用いて測定した。発生応力は電界に比例し、膜幅についても上限レベルまでは一定の増加を示した。膜長については発生応力との相関があまり見られなかった。膜厚については、厚みの約1.5乗に比例して発生応力が増加した。国内でも、計測自動制御学会にソフトマテリアル機能応用調査研究会という分科会が発足し、産業技術総合研究所、理化学研究所を中心に最前線の研究者が研究成果を報告し、また意見交換を行っている。研究分担者(伊原 正)も研究会委員の1人である。

研究成果

• [文献書誌] T.Ihara.T.Masuda.T.Nakamura, Y.Ikada, K.Asaka, N.Fujiwara, K.Oguro: "Isotonic Tension and Isometric Displacement Measurement of a Solid Polymer Electrolyte Membrane-Gold"Proceedings of the Society of Instrument & Control Engineers. (2003)
• [文献書誌] 伊原 正, 中村太郎, 筏 義人, 小黒啓介, 安稚欣志, 藤原直子: "イオンポリマーメタル複合休アクティブ人工血管の基礎研究"第43回日本ME学会大会論文集. 第43巻特別号. (2004)
• [文献書誌] 中村太郎, 伊原 正, 筏 義人, 小黒啓介, 安稚欣志, 藤原直子: "イオンポリマーメタル複合体アクティブ人工気管応用の基礎研究"第43回日本ME学会大会論文集. 第43巻特別号. (2004)
• [文献書誌] T.Ihara, T.Nakamura, T.Nakamura, Y.Ikada, K.Asaka, Na.Fujiwara, K.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)
• [文献書誌] 中村太郎, 伊原 正, 増田竜樹, 小黒啓介, 安稚欣志, 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] 伊原 正, 小黒啓介, 安稚欣志, 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42巻特別号. (2003)