2015 Fiscal Year Annual Research Report
3D造形による蚊を模した交互進行する鋸歯状無痛針の作製と穿刺・血液吸引性能の評価
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26249031
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
青柳 誠司 関西大学, システム理工学部, 教授 (30202493)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新宮原 正三 関西大学, システム理工学部, 教授 (10231367)
長嶋 利夫 上智大学, 理工学部, 教授 (10338436)
鈴木 昌人 関西大学, システム理工学部, 准教授 (70467786)
高橋 智一 関西大学, システム理工学部, 准教授 (20581648)
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| Project Period (FY) |
2014-06-27 – 2018-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 生体模倣 / 射出成形 / 精密部品加工 / 医療・福祉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（研究の目的） 従来の針とは全く異なる，蚊を生体模倣した無痛針を開発する．この針は，寸法が微細であること（断面積が現行の針の1/10以下），鋸歯状突起を有する複数針を交互に少しずつ進めることに起因し，侵襲性が極めて低い．H26年度～H29年度の4年間で無痛採血デバイスの完成を目指す．
（実施項目と成果） 2年目にあたる平成27年度は，i) 3D造形，電鋳，成形の3工程による微細針の作製実験．ii) 有限要素法（FEM）による針の皮膚への穿刺シミュレーション，iii) 実験動物を用いた不透明な皮膚下での蚊の吸血動作の観察，に注力した．以下に具体的な実績を記す．
【3D造形による原型の作製】 成形の容易さを考えて，2本の樋状の針を組み合わせ，中空でありながら蚊と同様に交互振動が可能な鋸歯状の針を提案した．分解能0.2μmの超高精度3D光造形装置（Nanoscribe社）を用いて，この針の作製に成功した．【電鋳による鋳型の作製】 前記の原型にメッキを施すことで，金属製の鋳型（上型板，下型板）の作製に成功した．【ポリマーの射出成形による針の作製】 微細構造に樹脂を流動させて充填させるには，下型板の加熱しておき，射出後速やかに型を水冷した後，離型を行うこと（ヒートアンドクール法）が有効である．本年度はこの方法で成形作業を行い，生体適合性のプラスチック微細針の作製に成功した．【FEMによる3次元穿刺シミュレーション】 前年度は中央の上唇についての解析に留まったが，本年度はその両脇の小顎も含めた3本の針の詳細モデルを構築し，これらを協調振動させるシミュレーションに成功した．【動物実験による蚊の吸血動作の確認，針の穿刺・採血性能の評価】 皮膚が透けているヌードマウスを用い，皮膚下での蚊の吸血動作の観察に成功した．また開発した針の穿刺性能，採血性能も同様の動物実験により評価することに着手した．
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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
生体模倣は，生体の動作のメカニズムを解明し，そのエッセンスを抽出し，工学的に実現する研究分野であり，無闇に忠実にレプリカを作る必要は必ずしも無い．前年度は，超高精度3D造形により忠実に蚊の口針を模倣することに取り組み，蚊の上唇と小顎2本の完全なレプリカの作製に成功し，成果を世に出すことができた．しかし，これをマスター（原型）として，大量生産用の針の鋳型を作製することを考えた時に大きな問題が生じる．すなわち，中空パイプ状の原型にメッキを施し，それを離型して金属製の鋳型を作製する電鋳工程を実施した場合，中空部分にメッキされた芯棒状の部材を抜いて離型することができないのである．
この問題を解決するために本年度は，針の本数を3本から2本に減らし，2本の樋状の針を組み合わせて中空部分を設け，液体が流通できる状態を保ちながら，蚊と同様に交互振動することが可能な鋸歯状の針を提案した．樋状のものであればメッキ物の離型が容易である．3D造形によりこの針の作製に成功し，人工皮膚への穿刺実験を行い，蚊と同様の交互振動により穿刺抵抗力が低減することを確認できた．また血液の吸引にも成功した．この研究成果を国際会議で発表し，高い評価を得ることができた．
また，アカデミックな側面として，蚊の穿刺メカニズムの究明にもFEMを用いて取り組んだ．本年度は蚊と同様の複数針の詳細3次元モデルの構築と，それを用いた皮膚への穿刺シミュレーションに成功した．皮膚が破壊されていく様子をシミュレーションすることは難易度の高い非線形問題であり，計算力学関連の学会で成果を発表し大きな反響を得た．
さらに，ヌードマウスを用いて，皮膚の下でどのように蚊の針が血管にアクセスしているかの詳細観察に成功した．その結果蚊の穿刺だけでなく，吸血のメカニズムも解明されつつある．今後成果を学会等で発表すれば，大きな反響が得られるものと思量する．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は引き続き，微細針の作製，FEMによる針の皮膚への穿刺シミュレーション，動物実験による皮膚下での蚊の吸血動作の観察を行う．また毛管力から真空ポンプ吸引力に採血原理を変更して採血量の確保を目指す．以下に具体的な内容を記す．
【3D造形による原型の作製】 樋形状パーツ2個を組み合わす微細針において，FEMシミュレーションおよび蚊の観察結果をフィードバックし，針の先端形状や鋸歯状突起の寸法等をリファインする．これを超高精度3D光造形により作製し，原型を得る．【電鋳による鋳型の作製】 前記の原型にメッキを施すことで，金属製の鋳型を作製する．これまでにメッキの不均一性等様々な問題点が生じており，今後この解決を目指す．【ポリマーの射出成形による針の作製】 ヒートアンドクール法によりプラスチック微細針の作製に成功しているが．バリの発生や強度不足等の問題点が依然あり，今後最適成形条件（金型温度，射出圧力等）を追求することでこの解決を目指す．【FEMによる3次元穿刺シミュレーション】 今後はシミュレーションと実験結果との整合性について詳細に検討することに注力する．【採血機構の変更】 これまでに毛管現象を用いた血液吸引機構の開発に取り組んできたが，針の細径穴の内部で赤血球が詰まる問題が発生している．今後は真空ポンプによるアシストによりこの問題を解決することを試みる．【蚊の吸血動作の観察】 倒立顕微鏡と高感度カメラを用いて蚊がヌードマウスの皮膚下の血管にアクセスする様子の観察に成功している．今後もこの観察を推進し，データを蓄える．【動物実験による針の穿刺・採血性能の評価】 ヌードマウスを用い，開発した針の穿刺性能，採血性能を実験的に評価することに着手しており，今後もこれを継続する．また外部機関の協力も得て，針の穿刺に伴う痛みの評価も動物を用いて行う．
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