内耳蝸牛の流体構造連成解析に着目したバイオミメティック人工内耳の開発

专注于内耳耳蜗流固耦合分析的仿生人工耳蜗的开发

基本信息

批准号：
19J20157
负责人：
山崎嘉己
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，感音性難聴に対する未来医療に関連して，内耳蝸牛の機能を模倣した人工聴覚上皮の開発を目指してきた．蝸牛に備わる機械的および電気的な要素，すなわち基底膜の20-20k Hzにわたる周波数弁別能，外有毛細胞のナノ振動増幅および内有毛細胞の音/神経信号変換に着目し，バイオミメティクスとMicroelectromechanical systemsの融合による超高性能マイクロマシンの創製を進めている．令和3年度は，動物実験用デバイスの大量安定生産を可能とする作製スキームを確立した．デバイスは，モルモットの蝸牛に埋め込み可能な寸法・構造で設計しており，圧電素子と神経刺激・振動制御を実現する2種類の電極を含むことに特徴がある．一方，圧電素子の材料には，PVDF-TrFEを使用しており，電極と異なる有機系材料であることから再現性のある接着が技術的隘路となり，デバイスの耐久性に改善点があった．そこで，接着層としてチタンを導入することで異種材料の強固な接着に成功し，歩留まりが1割以下から6割以上に改善された．作製したデバイスを加振し，ナノメートルスケールの振動を計測および解析した結果，空気中において157-277 kHzの周波数弁別能があることがわかった．また，共同研究先の大阪大学医学研究科にデバイスの埋め込み試験を依頼し，モルモットの蝸牛に埋め込み可能であることを確認している．モルモットの外耳から音刺激を与えたところ，アーティファクトではない振動が観測され，動物の体内に埋め込んだ場合も明らかに周波数弁別能が保持されることが示された．さらに，微小針型プローブおよび実体顕微鏡を導入し，ロックインアンプと組み合わせた電圧計測系を構築した．デバイスに対して音圧86.4 dB SPLを入力したところ，最大80.9 μVの出力電圧が計測され，動物実験に向けた基礎データの蓄積に成功している．

在这项研究中，我们的目标是开发一种模仿内耳耳蜗功能的人工听觉上皮，以用于未来感音神经性听力损失的医疗护理。我们重点关注耳蜗的机械和电气元件，即基底膜的20-20kHz频率辨别能力、外毛细胞的纳米振动放大以及内毛细胞的声音/神经信号转换，并进行仿生学研究和微机电我们通过集成系统来创造超高性能的微机械。 2021财年，我们制定了能够稳定批量生产动物实验设备的制造方案。该装置设计了可植入豚鼠耳蜗的尺寸和结构，特点是包含压电元件和两种类型的电极，可实现神经刺激和振动控制。另一方面，压电元件使用的材料是PVDF-TrFE，它是一种与电极材料不同的有机材料，因此可再现的粘附力是一个技术瓶颈，并且器件的耐用性还有改进的空间。因此，通过引入钛作为粘合层，我们成功地实现了异种材料的牢固粘合，并将成品率从不足10%提高到了60%以上。对所制作的器件进行激励以及纳米级振动的测量和分析，发现其在空气中具有157-277kHz的鉴频能力。我们还请了联合研究伙伴大阪大学医学研究生院对该装置进行了植入测试，并已确认它可以植入豚鼠的耳蜗中。当对豚鼠的外耳施加声音刺激时，观察到非伪影的振动，这表明即使植入动物体内，也能清楚地保持频率辨别能力。此外，我们引入了微针探针和立体显微镜，并结合锁定放大器构建了电压测量系统。当输入86.4 dB SPL的声压时，测得最大输出电压为80.9 μV，成功积累了动物实验的基础数据。