マイクロ工学と材料・生物学の融合による医療応用技術 機械工学や高分子化学と生物学・医学との学際的融合による研究と成果

興津先生の発想から始まった、ひとつの方向性となりうる、再生医療とカテーテル採用技術のお話の続きになりますが、実験では、カテーテルを操作して、少しずつ紐を移植していきました。上手にやると切らずにうまく臓器の皮膜の下に紐を移植することができます。紐であるからこそこういう移植ができるということを見出しました。
　その後ファイバーを移植すると血糖値が正常値に入り、2週間くらいでお腹を開いて埋めた先ほどのファイバーを取ります。そうするとインスリンを出すファイバーがなくなるのでまた高血糖になり、ちゃんと埋めているファイバーのおかげで血糖値が下がったというようなことがいえるようになりました。プロジェクトの結果として、再生医療に使えるような紐の組織の開発に携わった結果になっています。
　この技術なのですが、プロジェクトが終わった後に、ベンチャー起業が立ち上がり、実際にこの技術の産業応用を目指しています。

学生がつくった奇跡のゲル？

このような医療用のゲルの技術を使い、慶應大学では、別の用途がないかなということでも研究を進めています。ある時、学生が奇跡のゲルができたといってきました。なんだという風に見たらこんなのができたといいうんです、これはすごいと。見るとスプリング状のゲルなんですね。なんでできたのかわからないけどこんなのができたと。よくよく話を聞いてみると、彼はちょっと雑にやっていて、ガラス管の先端が欠けたものをつかっていたのです。欠けたガラス管を使うと、ゲル化のタイミングが変わるために、こういった面白い構造ができると彼は見つけてきました。こういう現象でこういうスプリング構造を作った報告はなかったので、これをテーマにすればいいんじゃないかということで、ゲルのスプリングを作る研究を展開しています。
　この映像を見てもらうと面白いです。本当にこのような形でゲルの紐がくるくるトグロを巻くんです。水中から見てみると、こんな感じですね。結構均一な径で構造ができます。もう少し寄ってみるとこういう形でできます。これは非常に面白いなということで、どういう原理でそういうものができているのだろうと考察したのですが、要はガラス管の先端が斜めになっていることによるのですが、斜めになっているためにある程度流れ、方向が決まります。決まるとそこの液体に触れるとゲル化が開始するので、こちら側の方が早くゲル化が始まります。アルギン酸はゲル化すると体積が縮むので、縮むとこっち側に引っ張られて、こういった構造ができると。色々調べてみると先端が平らなのは当然真っ直ぐなゲルができるのですが、段々角度をつけていくと、こういう不安定な状態を経て、綺麗な安定なスプリングができます。また、スピードを変えても面白いです。ゆっくりやると不安定なダマができてしまうのですが、ある程度いい感じのスピードでゲルを送り出していくとスプリングになります。これ縦軸は流速です。段々早くしていくと、また不安定になって、スピードを早く出すと、真っ直ぐいきます。つまりこのスピードだと右と左のゲル化の時間差がないので管から出していくのと同じというように理解していただければと思います。
　そして、このスプリングが何の役に立つのかなと考えたのですが、細胞を入れておいて引っ張って、力学的刺激を付加するというような使い方もできるかなと思ったのですが、機械科の学生さんがアクチュエータやロボットが大好きだったので、バイオアクチュエータがいいんじゃないかと。ツリガネムシという池にいる動物がいまして、すごいスピードで変位するようなスタークと呼ばれる器官をもっています。このスタークには長い構造を一瞬で大変形させる仕組みがあります。スプリング型のアクチュエータはゲルで作れるので、ゲルで作れるとしたら化学反応でこういった大きい変位をさせるようなアクチュエータを作ることができるんじゃないかということになり、そのアクチュエータを作る研究をしていました。先ほどのゲルは密になっているのですが、密だと伸びたり縮んだりできないので、浮力を利用して上に引っ張りながら作るとある程度離れたりピッチが空いたゲルができます。最初は密なのですが、段々浮力が多くなってぐわーっと引っ張られて、そうするとピッチが空きます。この材料というのを温度に応答して収縮膨潤するPNIPAMという非常に有名なゲルで作りました。非常に綺麗なものができるのですが、最初は密で段々伸びていくというような構造になっています。

これを2層にして、色々なピッチのものを作って動かしてみましたというお話しですね。このパターンの配置の仕方や厚さなどによって大分収縮の度合いが違うのですが、それを最適化するというより変位を大きくするようなアクチュエータにできます。縦軸が収縮率、横軸が時間です。例えばピッチの差によって、下に行けばいくほど縮んでいます。広げておくと軸方向に非常に多く縮みます。という感じで20%の変位が変形するようなアクチュエータができます。これは繰り返し動作を確認したものです。繰り返すとどんどん伸びたり縮んだりというのは当然できるというのが結果です。こういう形にすることで単純な材料が縮んだり大きくしたりするというような変位に対して、変位を拡大できるというのがこの結果です。この二つのデータはゲルの塊についてです。塊を縮めると65%くらいしかゲルは収縮しないのですが、このようなスプリングの形を作ってピッチをコントロールしてあげると、なんと同じ材料なのに収縮率が20%上がっていきます。これは、断面方向と軸方向で異方的に縮むので、伸び縮みする方向に優先的に縮むような素材といえます。材料は同じなのですが、構造を工夫することでこのような構造ができるというような話です。
紐を作る、というコンセプトから発展して、このような応用研究もしています。

共同研究の良いところ

私は機械工学の専門で、自分がそんなにたくさんのことを自分一人ではできなくて、常に共同研究でいろいろな先生に教えていただきながら、協力してもらいながらやっていました。私は共同研究が好きなので、一緒に考えてくれることを非常に心強いと思います。本当に当たり前なのですが、専門外の方から自分の予想外のアドバイスをもらえると言うことはとても刺激になります。非常にやっていて楽しいです。私一人では絶対にできないことができます。そういう意味で共同研究は非常に良いなと思います。一人でやるよりみんなでやったほうがモチベーションが湧きますし、楽しくやれることが多いなということで、いろいろな分野の融合研究をこれからもやっていきたいなと思っています。
　共同研究は、楽しくするためにとにかく軽いノリで初めてみても良いんじゃないかと思いますね。気軽に初めてみたりということは重要かなと。あと思ったことは素直に言った方が非常に良いでしょう。抑えてばかりいるとモヤモヤしてしまうので、素人なんで教えていただきたいのですが、なんでそうやるのでしょうかと気軽に話すということは非常に重要かなと思います。そして、相互理解するまで割と時間がかかるので、焦らずゆっくりやるというのがコツかなと思います。ある時にお互いの理解が進んで、これはいけるとお互いがなった時にすごいパワーが出るんじゃないかと私は個人的に思います。
　最後に謝辞なのですが、私の細胞のファイバーを研究をさせていただきました竹内先生の研究室の皆さんと、移植の興津先生、それから私の研究室のスプリングをやっていた吉田くんに謝辞を言いたいと思います。研究室のウェブサイトがありますので、興味がありましたら是非ご覧になってください。ではみなさんどうもご静聴ありがとうございました。