第62回入賞作品 小学校の部
1等賞

人工心臓を作りたい!三尖弁と遠心ポンプ作り

1等賞

富山県富山大学人間発達科学部附属小学校 6年
富山県富山大学人間発達科学部附属小学校 6年
張 契洙
  • 富山県富山大学人間発達科学部附属小学校 6年
    張 契洙
  • 第62回入賞作品
    小学校の部
    1等賞

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研究の動機

 小学3年生の時、人体の図鑑を読んでいて、直感的に心臓の三尖弁に興味を持った。まだ完全な人工心臓ができていないことも歴史マンガで知り、多くの子供たちが補助人工心臓を付けている写真を見た。医学の知識がなかったので、知り合いの方から『病気が見える循環器』という本を借り、小学6年生までずっと心臓について調べてきた。妹が手術と入院をくり返していて、どうしても三尖弁の病気を解決させたいと思い、人工弁作りに取り組み始めた。取り組むうちに、遠心ポンプや右心専用の補助人工心臓も作りたくなっていった。

研究の目的

 弁は開閉することで血液を逆流させないよう、決まった方向へ流すよう、うながす働きを持つ。心臓には、左心房と左心室の間にある僧帽弁、左心室の出口にある大動脈弁、右心房と右心室の間にある三尖弁、右心室の出口にある肺動脈弁と、4つの弁がある。
 三尖弁は名前のとおり、前尖、中隔尖、後尖の3枚の弁で成り立っている。三尖弁の病気を持っている人はごく少なく、現状では三尖弁閉鎖不全症などの病気にも、左心室の僧帽弁などの治療に使われる機械弁や生体弁が取り付けられ、代用されている。
 機械弁というのは、パイロライトカーボン(黒いプラスチックのような素材)で作られた平面の弁だ。生体弁は牛や豚の心臓で作られている。
 補助人工心臓と完全人工心臓はもともと、心臓を完全に置き換えた永久心臓を目指していたが、トラブルが数多く起きた。現在はどちらも、心臓移植のドナーを探すまでのつなぎとして使われている。補助人工心臓は左心室に取り付けて血液を全身に送り、完全人工心臓は心室に置き換えて使われる。
 この研究の目標は、①人工心臓に人工三尖弁を取り付ける。その人工三尖弁は人体にとってやさしい材質と形を選び、世界初のものにする。②拍動流遠心ポンプについても調べ、自分の手で遠心ポンプを作る。③将来、血液循環シミュレーター作りにも挑戦する。

実験1~4 弁の模型実験

実験1~4で理想の弁の形を調べる

 人工三尖弁を作るため、弁の模型実験を行った。
 ペットボトル2個とBB弾を使って、写真のような弁の模型を作る(ペットボトルベンベン)。2つのペットボトルの間に図のように切り口を入れた平面形の大動脈弁をそれぞれ張り、弁が逆流を防ぐのかを調べた。実験1ではペットボトルに空気を送り込んだがうまくいかなかったため、実験2~3では水を使った。ペットボトルベンベンの上から水とBB弾を流し込む。水とBB弾が下へ落ちたら「順流」、ペットボトルベンベンを逆さにする。弁を通して再び落ちてくるBB弾の数「逆流」を記録する。落ちたBB弾の数が多いものほど、弁としての役割を果たさず逆流していることになる。

 この実験を3回ずつ行い平均を求めた結果、1つ切り59.3個、2つ切り605.7個、3つ切り510.3個だった。逆流の起こりにくさは、1つ切りと3つ切りが1位と2位だった。
 実験4では平面の弁ではなく、高さをつけた円錐形の弁を作って同じ実験をしてみた。20mm、40mm、60mmと高さだけを変えた弁で3回ずつ実験し、平均を求めた結果、20mm82個、40mm7個、60mm5.7個だった。円錐の高さが高いほど、逆流を防ぐことがわかった。
 そこでふたつの結果を組み合わせ、「1つ切り、40mm」「1つ切り、60mm」「3つ切り、40mm」「3つ切り、60mm」の弁を作って同じ実験4を行った。すると、「1つ切り、40mm」以外の3つは1個も逆流させなかった。
 円錐形の3つ切り弁は、出口付近で3枚の向きが変わるので、1つ切りよりBB弾を順流させやすい。理想とする弁の形は「3つ切り、円錐形40mm」と「3つ切り、円錐形60mm」だとわかった。

実験5~9 弁の素材選び

実験5~6で理想の弁の素材を調べる

 実験5では、さまざまな素材の伸び方を実験器具を使って調べた。9つの素材で3回ずつ実験した結果、よく伸びたのは①シリコン(極厚)、②シリコンゴム、③天然ゴムだった。実験6では、血栓ができにくい素材を調べた。血液の油分濃度に近いグリセリン35%の水溶液の小瓶に各素材を入れ、毎日20回ずつ振る。65日後に白色血栓や黒カビが発生していないか、素材が浮かんでいるか沈んでいるかを確かめた。その結果、白色血栓と黒カビが出なかったのはビニール(浮き沈みでは浮かんでいる)と天然ゴム(沈んでいる)だけだった。つまり安心して使えるのはビニールと天然ゴムで、素材が沈んでいる(密度が高い)天然ゴムが最もよい素材だった。

実験7~9で弁の流水実験(金沢大学で実験)

 ここからは弁を試作して、金沢大学の血管内再現装置で弁に流量10L/m、20L/mの水を流す実験を行った。水は弁に対して「順流」「逆流」でそれぞれ流し、弁の動きや様子を観察した。実験7では、ビニール、厚さの違うシリコン4種、ゴム手袋、シリコンゴム、天然ゴムを使った大動脈弁モデル8種類を試した。順流では8種すべての弁を開き、水を通したが、逆流を防いだのはシリコン(極厚)と天然ゴムだけだった。
 実験8からは三尖弁モデルで同じ実験をくり返した。下が実験の様子だ。三尖弁モデルは、シリコン厚さ1.0mm、シリコン厚さ1.5mm、天然ゴム厚さ1.0mmの3種類を試したが、最初は上部のひも(弁の上部を引っ張り弁を閉じやすくしている)が切れたり、弁の腹が破れたりした。最終的に弁の腹を2重にした天然ゴム1.0mmの改良型が最も逆流を防ぎ、壊れることもなかった。上のひもを糸に変えたシリコン1.0mm改良型4も壊れることなく逆流を防いだ。


シリコン1.0mm 改良型

実験10~12 遠心ポンプ作り

 続いて、人工三尖弁を取り付ける遠心ポンプ作りに取り組んだ。遠心ポンプの羽根車のことを、インペラという。実験10では羽根の枚数が1~5枚と異なるインペラをモーターにそれぞれ取り付け、水槽に沈めて回転数を比べた。拍動(収斂、弛緩をくり返す動き)が起こせるかどうかも観察したが、インペラの枚数を変えても拍動は起こらなかった。最後に金沢大学で、遠心ポンプを動かす実験12を行った。まず、右心室の最高・最低血圧と血流の条件をもとに、ポンプの回転数を決めた。右心血圧は左心の1/5として計算し、ポンプの回転数を5000rpm(1分間に5000回転)とした。ポンプの流量は、Q=5L/mで71.4mlを0.05秒RR間隔(心臓のドクンドクンの間の一部分)で送ることにした。ポンプの出口角度は30度、排出口径15mm、インペラは6枚とした。6枚にしたのは、金沢大学の木綿隆弘先生の助言からだ。
 ステッピングモーターを取り付けて遠心ポンプを動かしたところ、水圧が低くなり、回転数が1300rpm以上に上がらなかった。だから今回の遠心ポンプ作りは目標達成度でいうと、右心用ポンプとインペラの設計は完成し、目標達成した。ただ遠心ポンプは、動かせなかった。

指導について

石川県金沢大学 理工研究域 機械工学系 教授 ジュニアドクター育成塾指導教員 木綿 隆弘

 ジュニアドクター育成塾4期生として約5カ月間、月に2~3回大学に来て研究を進めました。自宅で人間の心臓の「三尖弁」のことを専門書やWeb等で調べてノートにまとめ、報告してもらっていました。実際の弁は小さいため、製作と観察のしやすさを考えて拡大した弁を設計し、3Dプリンターで弁の外枠等を製作しました。逆流により弁膜が右心房に反転して入り込まないためのひも状の糸を支えるブリッジ構造を張君が提案し、実際に近い弁構造が実現できました。流動実験において、水道水で順流と逆流の脈動流を作り、三尖弁の機能をビデオカメラで観察し、弁膜の最適な材料を選ぶことができました。さらに、遠心式ポンプの回転数を制御することを提案し、脈動を発生させる人工心臓ポンプの設計製作にも取り組みました。人工心臓の技術を自分なりに調べ、実現させようとする意欲から新しい発見・発明が出てくると今回取り組んだ研究から感じました。

審査評

[審査員] 小澤 紀美子

 小学3年生の時から人体の図鑑を読んで心臓の「三尖弁」に興味をもち、「三尖弁狭窄症」などの病気を解決したいという意気込みに感動しながら論文を読みました。医学の知識を学ぶのに3年もかかったとありましたが、研究の目標を①人工心臓に人工三尖弁をとりつけること、そのために人体にやさしい材質と形を調べること、②拍動流遠心ポンプ作り、さらに③血液循環シミュレータを試作すること、と明確に定めて進めていることに感嘆しました。ウェビングマップを作製して追究のプロセスを明らかにして進めていること、さらに絶えることなく実験・実証を進め、その過程では大学の専門家への質問を行い、適切なアドバイスを受けて成果を得ていること、こうした「他の方の力を引き寄せること」も研究者としては大事な資質といえます。結論として、天然ゴム2枚張りの膜による人工三尖弁が最も性能が高く、遠心ポンプ作りにおいてケース・インペラーの設計まで行うなど、工学的な視点からの今後の研究の進展に期待が高まります。

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