医療現場のニーズに応えて、治療・診断に役立つ工学の追求

――ご専門の医療工学とは、どんな学問なのでしょうか。

　医療工学とは、診断や治療に関して工学からアプローチして、医療現場で役に立つ技術を研究する分野です。端的に言えば、医学と工学を融合させた研究分野と言えます。かつては、材料の研究をされている方は材料分野を、情報の方は情報を、というように個別に分かれていました。現在は、材料に生体力学を応用したり、患者さんが使える材料を開発したり、医師の方と材料分野、画像分野の研究者の方々とがコミュニケーションを取りながら、一歩進んだものを創る共同研究をするようになりました。医学と工学の研究者がミーティングを行い、話し合いを進めながら研究しています。

――先生は、実際にどんな研究に取り組まれているのですか。

　生体高分子材料の物性や成型について研究しています。特に、脳動脈瘤血管モデルの研究開発や、ステント(網状のチューブのようなもの)が血流に与える影響をコンピュータシミュレーションで実験したり、口当たりの良いマウスピースの研究などを行っています。

――医療工学に取り組まれる契機となった研究は、何でしょうか。

　生体材料ですが、特に高分子材料の研究が出発です。京大再生研では、金属と超高分子ポリエチレンを組み合わせた人工関節について研究をしていました。この超高分子ポリエチレンは時間的経過とともに摩れて、削れていってしまうので、それをもっと強くして摩耗しにくいものができないかということを考えました。高分子の分子鎖を並べてみたり、分子鎖をくっつけたり、結晶を並べてみたりしてみました。この研究には、京都大学博士課程時代に携わったのですが、その結果、強度を持った超高分子ポリエチレンの開発に成功し、助教授の方がパテントを取得するに至りました。

――現在、先生が力を入れておられる研究について教えてください。

　機械工学系の考え方などを取り入れて、三次元画像に着目し生体モデルを作ることに力を入れています。例えば、実際の血管はフニャフニャしていて体外に取り出せば形が変わり、扱いにくいものです。三次元画像として形を作ることが可能になったので、モデルの開発をしました。形だけでなく硬さ、柔らかさを再現し、実際の血管に近いものを作っています。実際に触ってみて、その感触を確かめられるので、手術訓練や手術シミュレーション、手術計画などに使えます。また、歯科にも取り組み、顎なども作っていました。当初は、骨格に近いものを作り出し、次に高分子の材料の強みを活かして血管などの軟組織の再現に取り組むようになったのです。
　出来あがった軟組織は、グニャグニャしていて持つのが大変だとか、保存が大変だとかという問題があります。それで、高分子材料をどう保存するか、などにも工夫が必要ですね。

――先生が手がけておられる血管モデルは、これまでの血管モデルとどのような違いがあるのですか。

　従来の血管モデルはシリコーンで作られていましたが、私が手がける材料はポリビニールアルコールです。これは、水が含まれているハイドロゲルで、表面が非常になめらかです。しかも、厚みに頼らずに、硬さ、柔らかさのコントロールがしやすいメリットがありました。それらは、材料を高分子レベルで、結晶の並びを変えたり、結晶化度などを高めたりした成果でもあります。
　ポリビニールアルコールで作ると、シリコーンに比べて、よりなめらかで透明です。この透明であることは重要で、人工血管は透明ではないものが通常です。血管の感触に近く、しかも流れが把握できるメリットは大きいですね。

――血流を調べる際には、このモデルを使うのでしょうか。

　実際問題として、人体を使った計測と工学を使ったものと別個に行われてきました。人体の計測で言えば、血流の場合はＭＲＡや超音波などを使っていたものの、パーティクル（粉）を使って流れを計測する方法などの工学的なものは未だ巧く導入されていませんでした。正しい測定方法とは何か、を考えて、工学で培われてきたものを医学の方に使えないかと、モデルを使った方法をあれこれ検討しています。今後は、医療現場での生体による計測と、モデルを使った再現による計測、コンピュータシミュレーションによるものと、これら３つの方向が、互いに関係性を持ちながら相乗効果を発揮していくと考えています。

――形として作り出す難しさはどんな点ですか。

　血管を例にとれば、硬さ、柔らかさを再現するのは最も難しかったですね。工学的に言えば、材料力学は引っ張り力などで解明し、だいたいの感触を再現することはできます。ところが、医師の方々はそれでは納得せず、彼らの持っている触った感触にこだわります。工学的な定量性だけでは表現しにくい感触をも考慮し、その間をとって完成させたりしています。工学的な考え方に医療現場でのニーズを導入せざるを得ないわけです。構造を再現することはできても、力学的な違いをどう表すかが難しく、頼りになったのは人間が感じ取る感覚でしたね。
　つまりは、大まかに言えば、医学的な見地からの定性の度合いと、工学的なアプローチによる定量性とに、どう折り合いをつけていくかが課題となります。
　医療現場では、実際に測定できる物性値が限られており、数値の把握の仕方が工学とは違っていますから、相互にギャップがあるわけです。私の立場で言えば、医療現場での考え方をうまく汲み取ることが、ブレイクスルーの端緒となると考えています。

――先生は、血管内治療にも貢献されておられますが、具体的に教えてください。

　血管内治療に関しては、主に脳動脈瘤を中心に考えた研究を行っています。血管内治療で使われるのは、コイルとステントの２つです。コイルとステントのねらいは、つまりは血流をコントロールすることです。この血流制御は東北大学流体研究所の得意な分野であり、私が活躍できるステージでもあります。手がけた血管モデルを使って、血流がどうなるかを探っていこうという考え方をしています。
　ステントはこれまで血管を広げるために使われていたのですが、脳動脈瘤を治療する際に、ステントで動脈瘤内に血液が入らないようにするという新たな考え方をしています。このステントを作る材料とデザインが重要で、デザインも私が担当しているのです。どんなステントの構造にするのか、いろいろ工夫を重ねています。
　例えば、血流を止めるいいステントがあるといっても、本当にそれが医療に役立つのかどうか、もう１つのステップがあります。それを実際の血管に近いモデルで再現して実験できることは、大きなステップアップに貢献できます。生体実験はできませんし、動物実験をしようとしても人間の脳のような複雑な血管構造に近い動物がなかなかおりません。その意味では、モデルを使っての実験が要請されているのです。動物実験は不可欠な面もありますが、動物愛護の観点からもできるだけ減らす方向へ行くことが必要です。人体の構造を再現したモデルをバイオモデリングと言いますが、これに硬さなどを付加させたファンクショナル・バイオモデリングと位置づけ、手術のシミュレーションを、動物を使わずに行うような環境を作りました。そのことから、ポスドク時代にお世話になったジュネーブ大学付属病院の私たちのチームは，ヨーロッパの動物愛護団体から表彰を受けたこともあります。
　日本の「ものづくり」技術から言っても、このようなモデリングはもっと日本から発信できるかと思います。また、モデルを作る材料として使っているポリビニルアルコールは、日本で世界最初に開発された合成高分子繊維「ビニロン」の原料で、長い歴史を持った材料ですし、材料と加工の強みを私たちは持っていると思います。

――身体に埋めて治療に使われるステントなどは、患者さんへの適合性が問題になると聞きますが。

　ステントだけでなく人工関節なども、多くは外国製を輸入して使用しています。それらは、日本人にはサイズが大きく、使いにくい面があります。三次元画像データがあれば、今後はその患者さんに適したステントなども製作でき、テーラーメイド医療が可能となっていきます。

――日本の医療工学は、外国と比べてどのようなレベルなのですか。

　機械工学や材料学など、個々の分野ではレベルが高いと思います。特に東北大学には機会知能工学研究科のバイオロボティクス専攻や、先進医工学研究機構があり、いい先生が集まっています。私を含めて流体科学研究所からも加わり、世界でも最先端の医療工学の研究と教育が行われています。