ミミズの筋肉を用いた生体組織バルブを開発――電気刺激不要、化学刺激のみで動作 理研と東京電機大

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パルス電気刺激によるバルブ動作の実証実験

理化学研究所は2019年7月8日、東京電機大学と共同で、ミミズの筋肉組織を用いて化学刺激だけで動作する小型の弁(バルブ)を開発したと発表した。

体内埋込み型装置や環境発電などの分野においては、特に小型化に加えて、外部からの電源供給が不要で、材料が自然に還元されるデバイスの開発が必須になる。しかし、従来の機械工学的な発想でのそのような高機能化には限界があった。

この課題に対し理研では、細胞や生体組織の機能を搭載したデバイスの開発を提唱し、研究を進めてきた。そして2016年には、アデノシン三リン酸(ATP)をエネルギー源としたミミズの筋肉を使った生体組織ポンプの作製に成功した。しかし同ポンプは、化学エネルギーを用いてはいるが、動作には電気刺激が必要だった。

今回開発した生体組織バルブは、まず土台となるマイクロ流体チップの上に、幅/深さ0.2mmの流路と直径3mmの液室(チャンバー)を作製。そのチャンバーの上に筋肉の収縮力を伝えるプッシュバーを置き、ミミズの筋肉のシートを載せてピンで固定しバルブを作製した。

(A)、(B)は今回の測定方法の模式図、(C)はt=0秒にアセチルコリンをかけ、120秒までのミミズ筋肉シートの収縮の様子を示す

作製したバルブに対して、電気刺激と、アセチルコリンでの化学刺激による開閉実験を実施して性能を比較。電気刺激の場合は、応答時間が約3秒と素早く収縮してバルブが閉じたが、収縮を維持するためには繰り返し電気刺激を与える必要があった。一方、アセチルコリンによる刺激では応答には平均42秒を要したが、1回の刺激で1分以上収縮状態を維持することができた。また、耐圧は最大1.5kPaで、このサイズのバルブとしては、圧電素子を用いた既存のものに匹敵する機能を持つことが確認された。また、同バルブは刺激後に筋肉部分を緩衝液で洗浄することで、3回以上繰り返し使用できることも確認された。

今回作製した生体組織バルブは、駆動源にも刺激にも電気を用いずに動きを外部から制御する装置としては、初めての例になるという。

今回の研究成果は、電力供給が難しい体内埋込み型の機械を制御するための装置などへの応用が期待される。今後は、耐久性や性能の時間変化を計測するとともに、デザインを最適化することでデバイス性能を強化していく。

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