| 研究課題/領域番号 |
18H01415
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| 研究機関 | 関西大学 |
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研究代表者 |
青柳 誠司 関西大学, システム理工学部, 教授 (30202493)
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| 研究分担者 |
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)
福永 健治 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (30278634)
鈴木 昌人 関西大学, システム理工学部, 准教授 (70467786)
歌 大介 富山大学, 大学院医学薬学研究部(薬学), 助教 (70598416)
張 月琳 上智大学, 理工学部, 助教 (20635685)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | マイクロ・ナノデバイス / 生体摸倣 / 精密部品加工 / FEMシミュレーション / 医療・福祉 |
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| 研究実績の概要 |
本課題では，蚊の針の細さの摸倣のみならず，動物の皮膚への穿刺行動，毛細血管・細静脈からの吸血行動を詳細に観察し，その機能を工学的に摸倣して新規な穿刺・採血メカニズムを提案・開発することを目標とする．本年度の研究実績の概要を以下に示す．
蚊が針を皮膚に穿刺する様子，および針を血管にアクセスさせて血液を吸引する様子を動物の皮膚を用いて観察した．針を回転させると同時に，振動させることにより皮膚を穿孔していることを解明した．針先端で血管を複数回突くことで血管を穿孔し，その穴より血液を吸引していることを解明した．
蚊の針の運動を摸倣して穿刺抵抗および皮膚の撓みが少ない穿刺機構の開発に着手した．針の往復回転をステッピングモータで行い，ポンプにより針を介して血液を吸引できる携帯型採血装置を設計・製作した．これを用いて人工皮膚への穿刺実験を行った結果，穿刺抵抗力が回転の無い場合と比べて1/3以下に低減された．
非線形有限要素法によるシミュレーションにより，穿刺方法の有効性を理論検証した．ソルバーとしてLS-DYNAを用い，大変形を許容するALE法を用いて針が皮膚に陥入していく様子のシミュレーション解析を行った．本年度は1本の針についての解析を行い，その際の穿刺抵抗力と，実験による穿刺抵抗力との比較を行った．境界条件等，適切なソルバーの運用を行うことにより，20%以内の誤差までに解析値と実験値を一致させることに成功した．
蚊はランダムに血管を探索しているが，研究室で培った血管可視化技術を活用し，血管を狙って穿刺する手法の確立を本研究では目指す．そのために本年度は，2台のカメラをそれぞれ任意の位置・姿勢に固定して，動物の皮膚を様々な位置・角度から拡大観察できるシステムを考案して業者に製造発注し，これを導入した．今後このシステムを用いて，画像フィードバックを用いた自動採血システムの開発を目指す．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
1）動物の皮膚・血管を用いた蚊の穿刺メカニズムの解明：現有する倒立顕微鏡と高速度カメラによる動物皮膚の拡大観察を行い，蚊の口針および開発した針が皮膚・血管を穿刺する様子を観察した．針を回転・振動させることで皮膚を穿孔していること，針先端で血管を複数回突くことで血管を穿孔して血液を吸引していることを解明した．また蚊の口針を鞘のように包む下唇が，口針の座屈防止のみならず，皮膚に張力を与えて穿刺を容易にしていることを解明した．
2）往復回転運動穿刺の提案とその効果の検証：申請者が取り組んできた鋸歯状突起で足場を作り，複数針を交互に振動させながら皮膚に刺し入れていく方法に加えて，工具の錐（キリ）のように往復回転運動による穿刺方法を提案した．回転工具（ドリル等）と同様に針を回転させることにより穿刺が容易になることが知られているが，マイクロサイズの針にこれを適用した例はない．本年度は，針の回転および血液の吸引ができる携帯型装置を開発した．これを用いて人工皮膚への穿刺を行い，回転により皮膚の撓みと穿刺抵抗力が大きく減少することを解明した．
3）有限要素解析（FEM）による理論的な検証：蚊と同様に針を少し回転しては戻す往復回転運動を行うことにより，皮膚の撓みの防止と穿刺抵抗の低減が実現できるかどうかをFEMシミュレーションにより理論的に解析したい．本年度は，その準備段階として，1本の針を皮膚に単純に挿入した場合の穿刺抵抗力について，解析値と実験値を20%以下の誤差で一致させることに成功した．
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| 今後の研究の推進方策 |
1) 蚊の穿刺行動の観察：本年度に引き続き，動物皮膚を用いた蚊の穿刺行動の詳細な観察を行う．
2) 往復回転と縦振動の組み合わせ：本年度は1本の針の回転が可能な携帯型装置を開発した．来年度以降は，これに振動を加えられるようにする．また蚊の口針と同様に，束となった複数の針のそれぞれを互いに位相差を設けて振動させながら，針の束全体を回転させることができる携帯型の皮膚穿刺・血液吸引装置の開発を進める．
3) FEM解析：前年度，穿刺抵抗力のシミュレーション値（解析値）と実験値の誤差を少なくすることに成功した．すなわち，現在FEMによる仮想穿刺実験が行える状態にある．そこで今後は，FEMにより針の回転運動の効果，皮膚に張力を与えることの効果，複数針を交互に振動させることの効果，等を検証する．
4）画像を用いた採血システム：本年度，動物の皮膚を様々な位置・角度から顕微鏡を用いて拡大観察できるシステムを導入した．今後この装置を用い，蚊の穿刺行動の観察，開発した針の穿刺性能の評価を行う．後者においては，照明光の波長の工夫と画像処理により血管を強調することで，血管を狙って穿刺できるシステムの開発を行う．
5）痛みの客観的な評価：動物の脊椎後角表層細胞に痛覚神経が繋がっており，この細胞の活動電位をin vivoで記録することで，動物が感じる痛みの程度を確認できる．微細針と市販の針の痛みの違い，本研究に基づく刺し方（回転穿刺，皮膚への張力付与，等）による痛みの違いを客観的に評価する．実験は分担者の富山大学・歌大介の研究室で行う．
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