広報活動

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2016年10月17日

理化学研究所
学校法人東京電機大学

ミミズの筋肉を搭載した小型ポンプを開発

-生物が持つ細胞・組織機能を実装した「ミミズポンプ」-

ミミズポンプの構造と送液原理の図

ミミズポンプの構造と送液原理

送液の働きをするポンプは、微量サンプルの分析や体内埋め込み装置の開発など最先端研究分野において、小型化が求められています。しかし従来法では、電源やワイヤーなどが不可欠なため小型化には限界があります。そこで、理研を中心とした研究チームは、小型ポンプの材料に生体筋肉組織を利用したらどうかと考えました。生体組織なら、電力ではなく栄養や酸素という化学エネルギーのみで機能を発揮でき、使用後に材料は自然に還元されるので、クリーンテクノロジーの目的にもかなっています。

研究チームは、生体組織の中でミミズの体壁筋に着目しました。ミミズは太く短くおよび細く長くできるような体節からなり、これらの体節を交互に動かすことで移動します。ミミズの体壁筋は収縮力に優れるだけでなく、制御性や応答速度にも長けています。

まず、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、最大9.3mN、収縮するまでの応答時間は約0.3秒でした。これは、一般の小型ポンプの素子と同程度であり、ポンプの駆動素子として十分な力が出ることが分かりました。そこで、ミミズ筋肉シートを用いた小型ポンプを試作しました。微細加工技術により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し、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針で固定しました(図参照)。シート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て送液を確認できました。流量は1分間に5μL(1μLは100万分の1リットル)で、このサイズの小型ポンプとしては既存のものに匹敵する機能を持つことが分かりました。

この「ミミズポンプ」は刺激に電気を用いてはいるものの、動作のためのエネルギー源はアデノシン三リン酸(ATP)です。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ることができれば、将来的には電気刺激なしで駆動する可能性があります。また、電力不要の超小型ポンプができれば、下水管内のロボットや血管内ロボットなど、工業・医療分野での応用が期待できます。