理研らがミミズの筋肉で小型ポンプを開発、電力不要ポンプの実現に道

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理化学研究所(理研)は2016年10月17日、理研生命システム研究センター集積バイオデバイス研究ユニットの田中陽ユニットリーダーと東京電機大学の釜道紀浩准教授らの研究グループが、ミミズの筋肉組織を利用した小型ポンプを開発したと発表した。

生物を材料とする機械は、外部からの電力供給に依存せず、栄養や酸素という化学エネルギーのみで機能を発揮する。その上、材料を自然に還元することが可能なため、クリーンテクノロジーの1つの理想形とみられている。

一方、水などを送る機械であるポンプは、微量サンプルの分析や体内埋め込み装置の開発などの分野で小型化が求められている。しかし、従来の機械工学による小型化では、電源やワイヤーなどが不可欠なため限界があった。そこで研究グループは、生体筋肉組織の利用によって小型で効率のよいポンプを作る可能性を模索した。

研究グループは、生体組織の中でも優れた制御性・応答速度・収縮力を持つミミズの体壁筋に着目した。ミミズ筋肉シートの電気刺激に対する収縮力を測定したところ、収縮力は最大9.3mN(約0.95g重)で、収縮するまでの応答時間は約0.3秒。一般の小型ポンプの素子と同程度の数値が出たため、ミミズの体壁筋にポンプの駆動素子として十分な力があることが分かった。

次に、研究グループはミミズ筋肉シートで小型ポンプを試作した。微細加工技術を用い、ポンプの土台となるマイクロ流体チップ上に、幅・深さ0.2mmの流路と直径3mmのポンプチャンバーを作製。その上に、筋肉の収縮力を伝えるプッシュバーを置き、さらにミミズ筋肉シートを載せて固定した。

試作品に電気パルスで連続的に刺激を与えたところ、シートの収縮によりチャンバー内の水が押し出され、送液の確認が取れた。流量は5μL/分(1μLは100万分の1L)。これにより、試作品が既存の同サイズのポンプに匹敵する機能を持つことが実証された。

試作品のミミズポンプは、刺激に電気を用いているが、アデノシン三リン酸(ATP)をエネルギー源として動作する。神経組織なども含めて人工的にミミズと同様の構造を作製できれば、電気なしでも使える可能性があるため、今回の研究成果は超微小ポンプの開発を進める上でモデルになると考えられる。

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