大学での研究Pick Up

• 

  高度化する医療機器　事故を限りなくゼロにするために

  東北文化学園大学 工学部 臨床工学科 教授 工藤 剛実 先生

  0.05％をゼロに

  現代の医療は、高度な医療機器が欠かせないものとなっています。心臓の手術で使用する「人工心肺装置」もそのひとつで、手術時に止める心臓の代わりに、心臓や肺の機能を代行する生命維持管理装置です。
  人工心肺装置に関する医療事故で、患者に重大な影響をおよぼす医療事故の発生率は約0.05％です。ほかの医療事故と比べてかなり低いものの、その0.05％に自分や大切な人が該当してしまったら、どう思うでしょう。心臓手術の事故は命に関わるため、限りなくゼロに近づける必要があるのです。

  人間工学とストレスから検証

  人工心肺装置には複数のモニターやパネル、スイッチが配置されています。機器の安全性を高めるには、こうした医療機器を扱う「臨床工学技士」の動線や視線の動き、操作性といった人間工学的な観点から検証して設計・デザインを検討していきます。
  機器を操作する人のストレスも、その操作に影響を与えます。聞き取りや心拍数の計測、唾液の成分などからストレスの状態を調べると、後ろから声を掛けられたときや、患者の心臓の動きを再開させるときなどに、ストレスが高まることがわかりました。その対応策はもちろん、操作自体のストレスも軽減することが、医療事故を減らすことにつながります。
  さらに、血液を送り込むポンプのなかに、わずかでも気泡が入ったら重大な事故につながります。機器の扱い方も細やかに検証して注意点を周知させることで、事故防止の意識を高めていきます。

  臨床工学技士をサポート

  高度な医療機器はほかに、人工呼吸器、人工透析装置などがあり、いずれも命に関わる機器です。それだけに、工学と医学の知識をもつ臨床工学技士の役割が重要視されています。
  今後はAIも導入されていくでしょう。危険を予測する、臨床工学技士の動きをサポートするなど、AIの活用法の検証も始まっています。最新技術により、機器はますます進化します。その対応とともに、常に安全な医療を提供するための取り組みも欠かせないのです。

• 

  放射線治療に役立つ安価でエコな線量計は「スライム」！

  福井工業大学 工学部 原子力技術応用工学科 教授 砂川 武義 先生

  放射線治療機器を扱うハードル

  がん治療では、体に負担のかかる外科手術ができない場合、放射線でがん細胞を退治する放射線治療が行われます。最近では放射線治療機器も性能が上がり、コンパクトになってきたため、規模が小さい病院にも普及してきました。
  しかし、患部に正確に放射線を当てるには、放射線量を測ってその数値を見ながら位置や放射線量を調整するなど、機器を扱う専門的な知識と技術、経験が必要です。そのため医療現場では、熟練者でなくても機器が扱えるように、そうした技術的なハードルを下げることが求められてきました。

  放射線を測るスライム！？

  そこで開発されたのが、「PVA-KIゲル線量計」です。洗濯のりにも使われているポリビニルアルコール（PVA）という安価な物質が主原料で、ホウ砂という鉱物を加えるとゆるく固まり、スライムのようになります。そこにヨウ化カリウム（KI）を入れることで、放射線を当てると赤く変色します。これは、放射線照射によりヨウ化カリウムからポリヨウ素イオン（I？？）が生まれ、PVAに含まれる酢酸基と結びつくと発色するのです。さらに、果糖を加えることで、50℃程度の熱を加えると無色に戻るという画期的な機能が生まれました。

  ひと目でわかる、繰り返し使える

  この「スライム線量計」は、人体と同じく約70％以上が水であり、様々な形状を自由につくれるので、より人体に近いものでの試験ができます。また、色で判断できるため、医療機器に詳しくない人でも正しく照射できているかがひと目でわかります。熱で無色に戻るので繰り返し使うことができ、医療廃棄物を減らせるメリットもあります。さらに、人体にとって安全な物質でできているので、手軽に扱うことができることも優れた点です。
  近い将来、このゲル線量計が普及すれば、街の小規模な病院でも放射線治療が受けられる日が来るかもしれません。また、原子力発電所の廃棄物の問題や、汚染された土壌の除染などにも、こうしたゲル線量計が応用できると期待されています。

• 

  ゲル表面をデザイン！　生体材料工学から医療や生物学分野の現場へ

  お茶の水女子大学 共創工学部 人間環境工学科 准教授 秋元 文 先生

  ハイドロゲルは表面が面白い！

  ゼリーや寒天など身の回りにあるプルプルしたもの、これらはみんな「ハイドロゲル」です。ハイドロゲルは、水に溶ける高分子がお互いに連結（架橋）して3次元構造を作り、その内部に水を含んだ、柔軟性のある材料です。人間の体の中もゲルであると言えるため、ハイドロゲルは生体材料としての応用が期待されています。ハイドロゲルの大きな特徴は、ゲルの表面・界面を介して物質の行き来が可能な「開放系」材料であることです。物質が出入りすることでゲルの構造や物性はダイナミックに変化し、機能を提供します。

  ゲル表面をデザインして機能性を評価

  研究では、合成化学の手法でゲルの表面・界面をデザインして、生体材料に適した機能を持つゲルの条件を探ります。よい材料が出来上がると、実際のゲルの構造や物性を解析してその機能との関係を調べます。ゲルの表面の構造や物性の解析は、技術的な難しさなどからこれまであまり確立されていませんでした。そのため、ゲルの表面の接着性や粘弾性といった性質を正確に評価できるような解析装置の開発も進められています。

  ゲル表面から医療や生物学研究の現場へ

  ゲル表面を適切にデザインすることで、表面をネバネバさせ、接着性を増すことができます。このように作ったゲル表面は、皮膚に接着させて使用する医療用テープとして活用させることなどが期待できます。
  また、デザインされたゲル表面は「人工細胞外マトリックス（ECM）」として活用することもできます。ECMとは細胞の外に存在する物質のことで、糖やタンパク質のハイドロゲルです。これまでECMは細胞と細胞の単なる「つなぎ」にすぎないと考えられていましたが、近年の研究により、例えば生物の発生段階ではECMのダイナミックな動きがみられるなど、生命現象を主体的に駆動している可能性があることがわかってきました。材料工学の視点からゲルであるECMを研究して、人工ECMの医療応用や生命現象の理解につなげようとしています。

• 

  原子レベルで本物の骨を再現！　究極の人工の骨を作る

  大阪大学 工学部 応用理工学科 マテリアル生産科学科目 准教授 松垣 あいら 先生

  人工材料を使った骨の治療法とは？

  骨折や関節の機能障害などの治療の一つに、手術で人工の骨デバイスを入れる方法があります。人工骨の材料には金属が使われることが多いのですが、その強度が高すぎると周りの骨に力がかからなくなる「応力遮蔽（しゃへい）」が生じて周りの骨がやせ細ってしまうといった問題が起こります。人工の骨をいかに元の骨と一体化させるかが重要なのです。そこで、骨の構造を原子レベルから明らかにして、さらに骨を作る細胞の仕組みから深掘りすることで、生体の骨に限りなく近い人工の骨を作る研究が行われています。

  決め手は骨芽細胞の並び方

  生体の骨の主な構成成分は、ベースとなるコラーゲンと、その周囲に六方晶系の結晶構造を作るアパタイトです。このコラーゲンとアパタイトの構造には方向性があり、その向きが骨の強度を決定しています。骨は骨芽細胞によって作られますが、骨芽細胞が一定の向きを持って並ぶことで、方向性を持った骨ができます。骨芽細胞をうまく操作することができれば、体内に入れた金属の骨の表面に患者本人の骨芽細胞を適切に並べて、元の骨と一体化するような骨を作れるようになります。まずはネズミの骨芽細胞を使って、体外でチタンなどの金属表面に並ばせて、生体と同じように骨が作れるかどうかが調べられています。骨芽細胞は周囲の形状を探知できるため、段差や溝などを金属表面に作り、それに沿って並ばせることができます。また、骨芽細胞が正しく並ぶためには、骨を壊す破骨細胞や、応力を感じる骨細胞からのシグナルが必要であることもわかってきました。

  3Dプリンタで原子から骨に近づける

  一方で、人工骨の金属部分も生体の骨に近づけなければなりません。金属3Dプリンタ技術を使えば、表面の溝などの加工だけでなく金属の原子の向きも調整できるので、より本物の骨に近い強度の金属材料が開発されています。
  今後はさらに、細胞が骨を作る仕組みの解明や、骨の状態をモニタリングして骨の病気を早期に発見できる技術の開発なども目標とされています。

• 

  再生を助ける生体材料でケイ素が活躍！　その仕組みとは

  九州工業大学 工学部 応用化学科 准教授 城崎 由紀 先生

  体の成長に不可欠なケイ素

  地球の地殻中に多く存在するケイ素は半導体の材料として知られていますが、哺乳類にとっては骨の成長などに欠かすことができない必須微量元素でもあります。骨の再生を助ける人工骨の材料にケイ素が主成分のガラスを用いると、溶け出したケイ素が体内のリンやカルシウムイオンと反応して、ほかの材料の人工骨よりも成長が早くなることが知られています。しかし体の中に存在するケイ素は非常に微量であり、その体内でのふるまいはよくわかっていません。

  生体組織再生材料に最適な構造

  ガラスの人工骨は骨の成長を促すとはいえ、硬くてもろいため大きな骨には使えません。ケイ素の4本の手をすべて酸素と結合させた構造はしなやかさに欠けます。しかし、ケイ素と結合している酸素を、炭素に置き換えれば柔軟性は増します。ガラスから溶出するケイ素はオルトケイ酸の形で、細胞を刺激すると考えられています。その一部を、いくつまでなら炭素に置き換えても細胞活性に効果があるのか、かつ体に悪影響がないのかがわかれば、柔軟性のある「生体組織再生材料」に利用できます。そこで、生体材料の抽出液を用いて、ケイ素を含む分解物の構造が明らかにされました。さらに、その抽出液を骨や神経などの培養細胞に与えたところ、成長促進に効果のあるケイ素の構造は細胞の種類によっても違うことがわかりました。

  微量なケイ素の検出

  細胞内でのケイ素の構造などについての基礎的な研究を行うためには、細胞内の微量なケイ素を検出する必要があります。酸素を炭素に置き換えたケイ素が、実際に細胞の中に取り込まれたかどうかを確認するのは容易ではありません。細胞の成長に影響があるケイ素濃度があまりにも低いため、検出が難しいのです。電子顕微鏡などを用いて直接細胞を観察することは有力ですが、微量であることが原因で、試料を作る段階で使用する試薬などの影響が大きく出てしまうといった問題があります。そのため、観察用の試料作製法が模索されています。