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2011 年度 実施状況報告書

左心機能を改善する人工乳頭筋の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23659661
研究機関東北大学

研究代表者

白石 泰之  東北大学, 加齢医学研究所, 准教授 (00329137)

研究分担者 山家 智之  東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (70241578)
研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2013-03-31
キーワード人工乳頭筋 / 形状記憶合金線維 / 心筋 / 心機能 / ハイブリッド
研究概要

左室容量負荷の増大をきたす僧帽弁機能不全の外科的治療として弁形成や腱索再建が行われるが、残された乳頭筋を含む心筋収縮拡張能の影響はきわめて大きい。本研究では、微細形状機構合金線維を応用し、心筋収縮に同期し収縮拡張が可能な人工乳頭筋を開発する。これは僧帽弁閉鎖時に乳頭筋にかかる約10Nの力学的負荷に対して必要なときにリアクティブに収縮制御し、心収縮時の弁尖位置の調節を機能的に補助するもので、形態学的修復に機能的補助を付加する新しいシステムである。本研究で開発する装置は、超小型のマイクロマシン化した機械式アクチュエータを用いて、人工心筋の制御技術を基盤として僧帽弁機能を補助するシステムである。僧帽弁機能不全をともなう心不全では、僧帽弁および乳頭筋の形態学的位置関係が心収縮-拡張期においてきわめて重要である。本研究により経験的・解析的には説明のしづらい僧帽弁逆流メカニクスと治療に対して、日本発の材料・ロボット工学的制御技術を駆使して挑戦する。【平成23年度:新鮮摘出心ハイブリッドモデル開発と人工乳頭筋プロトタイプ設計】動物実験組織摘出ハイブリッドモデルを構築し、乳頭筋のモデル解析を行った。健常成山羊心臓より大動脈弁と僧帽弁-乳頭筋を有する組織を摘出し、高分子製弾性心基部台に縫合し、左室モデルを作成した。このモデルを定圧水力学回路に接続し、左室収縮期圧の負荷時の乳頭筋張力と僧帽弁逆流を調べた(n=8)。この組織-合成高分子材料ハイブリッド左室モデルを用いた成果として、左室収縮にかかる定圧負荷(100mmHg)時には、乳頭筋張力の上昇により僧帽弁逆流は有意に低下し、同張力が14N以上となったときに僧帽弁逆流が約0.1L/minと低減されることが明らかとなった。これらの結果に基づき、僧帽弁機能を支援する形状記憶合金線維を用いたロボティクス制御が可能な人工乳頭筋プロトタイプ試作を行った。

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

実験室設備と実験環境の復旧が予想よりも遅れたため、年度計画前半では動物実験等の実施にも困難があったため評価モデルの作成に若干の遅れがあったが、施設復旧により、成果概要には示さなかったが合計20頭以上の健常成山羊を用いたハイブリッドモデルの作成を行い得た。モデルの試作方法も含めて、高分子膜および高分子製ケーシングに生体弁組織の縫合固定を高い再現性を持って実現し、僧帽弁機能と乳頭筋負荷を定量的に評価しうるハイブリッドモデルを開発できた。また、これらの開発した組織モデルを用いて、定圧負荷下での僧帽弁逆流と乳頭筋張力の機能評価を行い、研究当初の目標であった人工乳頭筋の設計仕様を決定し、目的どおりに形状記憶合金線維を応用した人工乳頭筋のプロトタイプモデルを開発できた。

今後の研究の推進方策

【平成24年度:人工乳頭筋による僧帽弁機能制御性解析と動物実験による血行力学評価に挑戦】開発したプロトタイプモデルを用いた僧帽弁機能の制御性を検証する。健常成山羊の新鮮摘出心を用いたハイブリッド心臓モデル(平成23年度に完了)、乳頭筋にかかる力学的作用を検証する流体実機モデルのデータに基づき、平成24年度には血液循環のシミュレーション技術を駆使して人工乳頭筋の最適設計を行う。具体的には、ハイブリッド心臓モデルを用いた高度に血行動態を再現する僧帽弁挙動シミュレーションを実施し、in vitroでの僧帽弁開放閉鎖挙動と乳頭筋機能を医工学的観点から検討し、僧帽弁-乳頭筋機能の相互作用を制御しうるロボティクス人工乳頭筋システムを試作し制御性の検証を行う。 さらには、開発した人工乳頭筋デバイスについて血行力学的効果を動物実験(健常成山羊、慢性動物実験)に挑戦する。人工乳頭筋は、これまで開発してきた「生体僧帽弁(動物)-人工物(シリコーン)」による駆動可能なハイブリッドモデルにおいて基礎設計評価を実施し、病態生理学に基づいたローコストな設計試作手法を駆使する。

次年度の研究費の使用計画

【次年度の研究費の使用計画】平成23年度は、研究成果発表の機会を利用できない状況もあったが、平成24年度は23年度成果発表のための旅費を計上する。また、平成23年度末にも開発したプロトタイプの動物実験評価を実施する目標を目指していたが、本年度はシミュレーションモデル評価とともに人工乳頭筋の左室への植え込み実験をすすめ、僧帽弁逆流に対するインテリジェント人工乳頭筋の血行力学的影響の定量的検討を行う。この際必要な人工乳頭筋モデルの高分子材料、金属材料、動物実験費用を主として計上する。また、計画している慢性実験の実施での動物のケアにかかる謝金を計上する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (12件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Engineering analysis of the effects of bulging sinuses in a newly designed pediatric pulmonary heart valve on hemodynamic function2012

    • 著者名/発表者名
      Suzuki I, Shiraishi Y, Yabe S, Tsuboko Y, Sugai TK, Matsue K, Kameyama T, Saijo Y, Tanaka T, Okamoto Y, Feng Z, Miyazaki T, Yamagishi M, Yoshizawa M, Umezu M, Yambe T.
    • 雑誌名

      J Artif Organs

      巻: 15(1) ページ: 49-56

    • DOI

      10.1007/s10047-011-0609-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural design of a newly developed pediatric circulatory assist device for Fontan circulation by using shape memory alloy fiber.2011

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Y, Sugai TK, Tanaka A, Yoshizawa M, Yambe T, Yamada A, Omran MH, Shiga T, Kitano T, Kamiya K, Mochizuki S, Miura H, Homma D, Yamagishi M
    • 雑誌名

      Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.

      巻: 2011 ページ: 8353-8355

    • DOI

      10.1109/IEMBS.2011.6092060

    • 査読あり
  • [学会発表] 左室乳頭筋モデルによる僧帽弁機能の基礎検討2011

    • 著者名/発表者名
      橋本尚、白石泰之、三浦英和、西條芳文、志賀卓弥、古賀千尋、山田昭博、坪子祐佑、山家智之、本間大
    • 学会等名
      第45回日本生体医工学会東北支部大会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 小児用肺循環補助装置の駆動方法に関する検討2011

    • 著者名/発表者名
      山田昭博、白石泰之、Telma K Sugai、三浦英和、古賀千尋、橋本尚、山家智之、山岸正明、本間大
    • 学会等名
      第45回日本生体医工学会東北支部大会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 新しい小児用肺動脈弁改良設計のための逆解析の試み2011

    • 著者名/発表者名
      坪子祐佑、鈴木一郎、白石泰之、山家智之ほか
    • 学会等名
      第45回日本生体医工学会東北支部大会
    • 発表場所
      米沢
    • 年月日
      2011年9月22日
  • [学会発表] 人工心筋の開発状況2011

    • 著者名/発表者名
      白石泰之
    • 学会等名
      第16回心臓外科研究懇話会(招待講演)
    • 発表場所
      熱海
    • 年月日
      2011年9月18日
  • [学会発表] 血流のサポート~人工心筋から小児用デバイス開発まで~2011

    • 著者名/発表者名
      白石泰之
    • 学会等名
      第5回日本実験力学会機能性流体研究会(招待講演)
    • 発表場所
      秋田
    • 年月日
      2011年5月25日
  • [学会発表] 形状記憶合金ファイバーを用いた蠕動運動型人工食道の構造改良と評価2011

    • 著者名/発表者名
      関根一光、山家智之、白石泰之ほか
    • 学会等名
      第50回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年4月29日
  • [学会発表] 埋込型遠心型補助人工心臓左心室心尖部挿入カニューレシステム2011

    • 著者名/発表者名
      山家智之
    • 学会等名
      第50回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年4月29日
  • [学会発表] 生体僧帽弁モデルを用いた力学検討に基づく人工乳頭筋設計2011

    • 著者名/発表者名
      橋本尚、白石泰之、Telma Sugai、志賀卓弥、神谷蔵人、Hashem Mohamed、北野智哉、山家智之、本間大
    • 学会等名
      第49回日本人工臓器学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年11月27日
  • [学会発表] スマートアクチュエータを利用した人工心筋2011

    • 著者名/発表者名
      白石泰之、秋山正年、西條芳文、北野智哉、金子芳一、三浦英和、梅津光生、齋木佳克、山家智之
    • 学会等名
      第49回日本人工臓器学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年11月26日
  • [学会発表] 人体を通信媒体とする経皮的情報通信の動物実験評価2011

    • 著者名/発表者名
      加藤良都、岡本英治、情野和幸、三浦英和、白石泰之、山家智之、三田村好矩
    • 学会等名
      第49回日本人工臓器学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011年11月26日
  • [学会発表] Artificial muscle for the actuator of the artificial internal organs2011

    • 著者名/発表者名
      Yambe T, Shiraishi Y, Miura H, Akiyama M, Saiki Y, Sugai TK
    • 学会等名
      XXXVIII Annual ESAO & IV Biennial IFAO Congress(招待講演)
    • 発表場所
      ポルトガル
    • 年月日
      2011年10月9日
  • [学会発表] Biomedical engineering approach for mechanical circulatory assist using novel shape memory alloy fibres2011

    • 著者名/発表者名
      Shiraishi Y, Kaneko Y, Kitano T, Yamada A, Sugai T, Hashimoto H, Omran H, Miura H, Akiyama M, Baba A, Saiki Y, Morita K, Yamagishi M, Yambe T, Homma D
    • 学会等名
      XXXVIII Annual ESAO & IV Biennial IFAO Congress
    • 発表場所
      ポルトガル
    • 年月日
      2011年10月9日
  • [図書] Nano-Biomedical Engineering 20122012

    • 著者名/発表者名
      Yambe T (Yamaguchi T, ed)
    • 総ページ数
      676(553-565)
    • 出版者
      Imperial College Press
  • [備考]

    • URL

      http://mec1.idac.tohoku.ac.jp

URL: 

公開日: 2013-07-10  

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