蚊の針のサイズを追求した中空マイクロニードルの微細成形加工
関西大学 システム理工学科教授 青柳 誠司（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018019-B2）
キーワード： 蚊の生体模倣，マイクロニードル，射出成形，回転穿刺

１．研究の背景と目的

倒立顕微鏡で観察

皮膚1・1 研究背景

口針

痛みが少ない注射針が医療の現場で望まれている．例えば糖尿病患者は１日数回血糖値検査のために採血を行い，下唇その値に基づいてインスリンを適量皮下投与しなければいけない．このための注射針による皮膚穿刺の際，痛みを伴う．針を細くすることで皮膚上に約 1 mm 間隔で分布している痛覚神経（痛点）を避ける試みが多数行われてきたが（たとえばテルモ社が“痛みの無い注射針”として外径0.18 mm のものを商品化している 1）），まだ痛みの軽減の余地がある．一方人間は蚊に刺されても痛みを感じない．

図１ 動物皮膚表面（角質層）への蚊の口針の穿刺．
皮膚が全く窪まない．

これは蚊の針の直径が 0.05～0.06 mm と現行の注射針に比べて細いこと（外径 1/3 以下，断面積で 1/9 以下），およびその刺し方に原因がある 2-5)．血糖値検査においては，バネを用いて針を瞬間的に皮膚に突き刺し，滲んでくる血液を採取している．血管をある程度大きな範囲でランダムに破壊して出血させるのではなく，蚊と同様に浅い血管にアクセスし，そこから必要量のみ採血すれば，痛みの低減が期待できる．
次に，針穿刺時の皮膚のたわみについて考察する．生物（人間，動物）の皮膚は硬い角質層の下に，表皮，真皮があり，それらが極めて柔らかい皮下組織の上に載っている多層構造をしている．このため，針を刺すと角質層を貫けずに皮膚が大きくたわみ（窪み），「暖簾に腕押し」のようになかなか針が刺さらない．血管も針に押されて変形し，なかなか血管壁に針が刺し入れることができない．それに対して，蚊は全く皮膚をたわませることなく口針を穿刺でき（図１），血管を変形させることなく口針を刺し入れて吸血できる．申請者らは皮膚への穿刺に際して，蚊が針を往復回転（正負方向の交互回転）させていることの観察に成功した（図２）．予備実験として人工皮膚に直径 0.1 mmの針を蚊と同じ 180 rpm の回転速度で穿刺したところ，穿刺抵抗力が大きく低減し，皮膚も窪まないことが確認できた 6)．
申請者は，MEMS，光造形，フェムト秒レーザー等の微細加工技術を駆使し，マイクロニードルの作製を行ってきた．
前記したように針を回転させることが大きな効果を持つことを解明した．これを工学的に実現させるには，回転する針をベアリング（玉軸受け）で支える必要があるが，現行の最小のベアリング内径は 1 mm である．このため針はシャンク（柄）部分を外径 1 mm で作る必要がある．この径から先端径である 0.06 mm まで外径を絞ることは，金属

図２

蚊の針の人工皮膚上での回転運動加工では不可能である（複数の精密プレス加工メーカに問い合わせた結果）．一方，樹脂の成形加工であれば絞りが可能となる．
1・2 研究目的
以下の３項目を目的とする．
①生分解性プラスチック材料の成形加工により蚊と同じ微小なサイズの中空針を作製する．
②金型構造の工夫をし，針先端まで樹脂が充填され，かつ芯材となるピン（後で離型し針の中空部を形成する）が偏心したり折損したりしない最適な成形条件を探索する．
③携帯型の針の往復回転穿刺装置に，作製した微細中空針を取り付ける．この装置を用いて，人工皮膚，動物皮膚への針の穿刺・血液の吸引実験を行い，針の信頼性も含めた性能評価を行う．

２．PLA 中空針
2・1 針の作製
極小の中空針を作製する際,金属加工では絞り加工に限界があり作製不可である.そこで本研究では,生体適合分解性プラスチックでは，使用後に安全に水と二酸化炭素に分解処理することが可能であり,廃棄が容易である.将来的には土中廃棄も検討している.
④金属の注射針は,一部の患者で金属アレルギー反応が1 mm

0.2 mm出てしまうという課題がある.しかしながら本注射針は,生体適合性樹脂を使用しているため，アレルギー

B) 先端拡大図b) 先端拡大図a) 全体写真の問題は発生しない.

３．穿刺デバイス
回転動作によって静止摩擦が動摩擦に変わるため,皮膚が受ける抵抗力が低く抑えられる.１章で既に述べたように蚊は,穿刺の際に針をねじりながら穿刺する様子が確認されている.この動作も抵抗力を下げることで,細い針を穿刺しやすくしているものと考える.前章で説明した開発した PLA 中空微細針に回転を加える専用の穿刺デバイスを作製した.模式図，設計図，写真を図４c) 設計図
図3作製した PLA 針性材料である医療用プラスチック PLA（Poly lactic acid,ポリ乳酸）を用いた射出成形によって針を作製した.成形用金型の設計・製作については協力関係にある成形メーカとディスカッションの上，寸法・形状を決定した.実際に作成した針を図３に示す.先端径は 130 μm である.
2・2 吸水実験作製した PLA の針が実際に中空構造であるかを確かめるために,簡易的な吸水実験を行った.針をガラスパイプを介してポンプに接続し,水滴を吸水した.その結果,詰まa) 模式図ることなく吸水に成功した.このことから設計図通り中空であることが確認できた.また,液体をカエル（アフリカツメガエル）の血液に変更して同様の実験を行った場合でも同様に吸引が確認できた.これらのことからこの注射針が実際に採血用として使用可能であるということが確認できた.
10 mm

2・3 既存の金属針との比較
今回作製した PLA 中空針は既存の金属針と比較して様々な優位点がある.

b) 実物の写真①既存の金属針の先端の外径は最小の商品で 180μm である.一方で今回の PLA 中空針は先端の外径が 130μm でありさらなる細径化に成功した.
②金属針ではプレス加工や絞り加工を用いて細くしている.そのため加工に限界があり細さに限界が存在する.
しかし,本注射針は樹脂成形で作製しているため型を作製することができれば,簡単に細くすることができ，細さに限界がない.また，金型に関しては 3D 構造物の転写で作製できるので，先端形状の変更が容易である．
③既存の金属針は,その材質から焼却廃棄に大きなエネルc) 設計図ギーが必要である.しかし,今回の材質である PLA は生

図 4 作製した穿刺デバイス

に示す.本デバイスは，PLA 針を直径 1 mm のガラスキャピ

実体顕微鏡

ラリーに接続したものを組み込むことができるようになっており,ステッピングモータの回転をカップリングで伝えることで,回転動作が可能になっている.ステッピング

PDMS
ロードセル

吸着治具
針 電動スライダー

モータは Arduino により回転数および回転角の制御が可能である.また,ガラスキャピラリーは流体カップリング

グリッパーでデバイス側面のパイプと接続されており,このパイプをポンプと接続することで,液体の吸引が可能である.デバ

図 5 実験装置

イスの設計・作製は協力関係にある精密機器メーカとディスカッションし寸法等を決定し，同社に加工を依頼した.

４．PLA 針の人工皮膚に対する穿刺実験
4・1 実験装置と方法
実験装置の全体像を図５に示す．ロードセル（テック技販 TGRV02-2NB）にゴム製の人工皮膚を取り付け，吸着治具で吸着し，電動スライダー（THK KR30）で針を 1.5 mm穿刺し元の位置に戻す際の穿刺抵抗力を測定し，たわみの様子を実体顕微鏡（Nikon SMZ800N）で観察した．画像はデジタルカメラ（Sony α7）で撮像した．
人工皮膚として Polydimethylsiloxane（PDMS，シリコ

図 6 穿刺距離に対する穿刺抵抗力ーンゴムの一種）を用い，主剤と硬化剤の割合を 30:1 の比率で混合して，ヤング率を人間と同程度の 0.4 MPa に調整した．また,使用した針は長さ 2 mm の PLA 針である.以上の装置を用いて以下の方法により実験を行った．
①吸着治具を PDMS に吸着し，ロードセルを校正する．
②電動スライダーに穿刺デバイスを固定し，0.1 mm/s の速度で PDMS に向かって 1.5 mm 動かし，穿刺後逆方向に

1 mm

1 mm
(a) 回転なし(b) 回転あり

図 7 たわみの様子

0.1 mm/s の速さで 1.5 mm 動かして初期位置に戻す．
以上の所作を回転あり,回転なしの 2 条件について行う.

真空チャンバ

その際のロードセルからの抵抗値の時間推移を記録した．
また穿刺の様子をデジタルカメラで動画撮影した．
4・2 結果各条件において 5 回のデータの平均をとった穿刺抵抗力の推移を図６に示す.たわみの様子を図７に示す.回転

皮膚吸着面なしの場合の最大穿刺抵抗力は 9.3 gf であったのに対して,回転ありの場合のそれは 7.3 gf であり，20 %ほどの低減が見られた. たわみに関しては,2 条件どちらの場合で吸引チューブも最大 0.7 ｍｍ程度であった.しかしながら，回転なしの10 mm

場合広範囲がたわんでいるのに対して,回転ありの場合は針の近傍部分しかたわんでいないことが確認された.蚊が図 8 吸着治具穿刺した際には,たわみはほとんど発生しない.これは，蚊が下唇と呼ばれる部位で皮膚に張力をかけているためで皮膚のたわみを抑制することで痛み低減につながると考はないかと考えている．

え,皮膚を吸着しながら穿刺することができる吸着治具を作製した.

５．皮膚のたわみを抑える吸着治具

作製した吸着治具を図８に示す.吸着治具は 3D プリン

現在,上記下唇のメカニズムを解明中であり，FEM 解析

ターを用いて描画した後，上面をガラス板にして針の様子を用いた穿刺抵抗力のシミュレーションを行っている 7)．

が観察できる構造になっている.治具下部に接続されてい穿刺対象の上面にたわみ防止シートを設け，穿刺対象と完る シ リ コ ン チ ュ ー ブ で ダ イ ヤ フ ラ ム ポ ン プ （ ASONE,全固着状態とし穿刺対象をたわまなくした場合，穿刺抵抗GM-20D）から内部を真空吸引して，皮膚を引っ張ることが力が低下する結果が報告されている

8)9)．このことから,可能である．この治具を皮膚に押し当てた状態で,穿刺デバイスの先端が挿入されることで内部が密閉される構造りの場合と,どちらも使用しない場合（従来穿刺）についになっている.て行った.この時,各実験条件は被験者のバイアスを回避するためにランダムに各 3 回ずつ行った.今回使用した針

６．痛み評価のための人体実験
6・1 卓上デバイス

は,全て PLA 中空針である.
6・3 結果これまでの実験では，穿刺対象に人工皮膚を用いており各条件の NRS 値を図１０に示す.回転吸着ありの場合最

実際に人が感じる痛みに関しては,そのたわみの量から推大 NRS 値は 3.8,最小 NRS 値は 0.5 であった.一方で従来穿察することしかできなかった.そこで,実際の痛みが従来刺の場合,最大 NRS 値は 0.5,最小 NRS 値は 0(全く感じなの穿刺と比較してどの程度であるかを検証するために，人い)であった.

体への穿刺実験を行った.従来の穿刺実験系では実験でき従来穿刺と比較して,回転吸着ありにすると痛みが増加ないため,対人用の穿刺実験系を新たに作製した.定盤のするという結果になっている.これは,回転を付与してい上に人の腕を置くための台座を設け，同じ定盤上に穿刺デることによって,ごくわずかな針の偏心や,先端の形状のバイスを取り付けた小型電動スライダーと,吸着治具を配不良によって,痛覚神経への刺激が大きくなっているもの置した.この時,穿刺デバイスの針と吸着治具の穿刺用のと考える．しかしながら,医療従事者や被験者へのヒアリ穴は同一直線状になるように設計している．図９に人体へングの総意として,従来のワクチン注射は施術者による差の穿刺実験の様子を示す.

はあるものの,およそ NRS 値 6 ほどであるという意見を得

6・2 実験方法ている.このことから,本 PLA 中空針は従来のステンレス以下の方法により実験を行った.

製針と比較して人体への痛みが少ないということが確認①被験者の腕を固定し,消毒を施す.

できた.

②吸着治具を腕に吸着させる.

さらに図１１に示すように，回転吸着ありでは採血に成③電動スライダーを前進させ,皮膚近傍まで針先を接近させる.

功する確率が高いが，回転吸着無しの場合（従来穿刺の場合），その確率が低い．皮膚を吸着することでたわまなく④条件に応じてデバイスの針を回転させる.電動スライダ

し，針を回転させて皮膚に刺し入れることで，皮膚の深部ーのプログラムを起動し 1 mm 前進・穿刺したのち 1 mmまで穿刺が行われ，確実に血管を捉えることができたもの後退させる.この間被験者は痛みの具合や,異物感などと考える．の感想を詳細に述べる.

また,各被検者の所見として,針穿刺している際と抜い⑤穿刺終了後被験者は,想像できる最大の痛みを 10,無痛を０とする NRS（Numerical Rating Scale）値で感じた最大の痛みを述べる.
⑥使用した針は毎回交換し,その都度観察する.
以上の工程を被験者 4 人に対して針回転と吸着治具あ腕

回転穿刺デバイス

吸着機構

拡大

回転吸着あり電動スライダーa) 模式図

突き出し量：1 mm

従来穿刺

図 10 各被験者の痛み（NRS 値）b) 実際の写真
図９

卓上型穿刺デバイスを用いた痛みの評価

回転吸着あり
図１１

従来穿刺
採血結果

ている際に二回痛みを感じるがそれ以外の部分では痛み

5) M.Suzuki,

T.takahashi,

S.Aoyagi

:

3D

Laser

を感じないという意見があった.これは痛覚神経付近を針Lithographic Fabrication of Hollow Microneedle

先端が通過する時のみに，神経に刺激が与えられているた

Mimicking Mosquitos and Its Characterisation, Int.

めであると考える．

J. Nanotechnology, 15, 1 (2018) 157-173.
6) 山田雅大,高橋智一，鈴木昌人，青柳誠司，細見亮太，

７．結び福永健治，歌 大介，高澤知規：マイクロニードルを本研究では,生体適合性樹脂 PLA を用いた射出成形によ用いた新しい採血方法の提案 －往復回転運動の利用，る新たな中空微細針の作製に成功した.この針は既存の金血管可視化－，2018 年度精密工学会 学術講演会論文

属針における金属アレルギー,廃棄コスト,細径化限界な集，(2018) 531-532.

どの様々な課題の解決が見込める.さらに,人体への穿刺

7) 山本峻己，高橋智一，鈴木昌人，青柳誠司，長嶋利夫，実験の結果から,従来の金属針での穿刺より低侵襲で痛み功力厚志，千代延真，黒岩健：蚊の口針のメカニズムが低いことが判明した．

を模倣した微細針の穿刺に関する FEM シミュレーシ
ョン，第 25 回計算工学講演会論文集，Vol.25，A-06-02，

参考文献
1)

（2020）．

テルモ社ホームページ http://www.terumo.co.jp/

8) S. Yamamoto, S. Aoyagi, M. Yamada, T. Takahashi，

2) S. Aoyagi, H. Izumi, and M. Fukuda : Biodegradable

M. Suzuki，T. Nagashima, A. Kunugi, M. Chiyonobu,

Polymer Needle with Various Tip Angles andT. Kuroiwa, R. Hosomi, K. Fukunaga, D. Uta, T.T

Considerationofkazawa, T. Hikitsuchi, Y. Kawajiri, K. Nakayama:

Mosquito's Proboscis，Sensors & Actuators, A143,

on

Insertion

Mechanism

A Puncturing Device that Mimics the Mechanism of1 (2008) 20-28.

Mosquito’s Proboscis and Labium -Verification of3) H. Izumi, M. Suzuki, S. Aoyagi, and T. Kanzaki :the Effect of Skin Deformation / Needle Buckling

Realistic imitation of mosquito's proboscis:

Prevention Mechanism and Puncture Experiment on

Electrochemically etched sharp and jagged needles

Artificial Skin and Experimental Animals-, INT. J.

and their cooperative inserting motion, Sensors
and Actuators, A165, 1 (2011) 15-123.

Automation Technology, 14, 1, (2020) 117-127.
9) 奥村雄輝，高橋智一，鈴木昌人，青柳誠司，細見亮太，

4) M. Suzuki, T. Sawa, T. Takahashi, and S. Aoyagi :福永健治，引土知幸，川尻由美，中山幸治，高澤知規，Fabrication of Microneedle Mimicking Mosquito松本一，西川秀樹，須戸文夫，二九良三：吸着治具がProboscis Using Nanoscale 3D Laser Lithography

針の穿刺抵抗力に与える影響，2020 年度精密工学会

System, Int. J. Automation Technology, 9, 6 (2015)

秋季大会学術講演会，G0103，(2020).

655-661.