結論

本 研 究 で は 、3 次 元 積 層 人 工 網 膜 チ ッ プ を 用 い た 完 全 埋 め 込 み 型 人 工 網 膜 作 製 の た め に 、 従 来 の 人 工 網 膜 用 刺 激 電 極 に 比 べ 低 イ ン ピ ー ダ ン ス か つ 高 電 荷 供 給 能 力 を 有 す る フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 電 極 の 作 製 と 評 価 を 行 い 、 さ ら に 、 人 工 網 膜 チ ッ プ の 特 性 を 劣 化 さ せ な い 人 工 網 膜 モ ジ ュ ー ル 用 チ ッ プ ・ ケ ー ブ ル 接 合 技 術 の 開 発 を 行 っ た 。

第 1 章 で は 、 先 進 国 の 高 齢 化 に つ い て 述 べ 、 今 現 在 医 学 的 治 療 法 が 確 立 さ れ て い な い 加 齢 黄 斑 変 性 や 網 膜 色 素 変 性 症 に よ り 失 明 す る 患 者 の 割 合 が 今 後 増 加 す る 可 能 性 が 高 い こ と に つ い て 説 明 し た 。 そ し て 、 こ れ ら の 疾 患 で 失 わ れ た 視 覚 を 工 学 的 に 再 生 す る 方 法 と し て 、 残 存 す る 網 膜 細 胞 に 電 気 刺 激 を 与 え て 視 覚 を 再 生 さ せ る 人 工 網 膜 の 研 究 が 世 界 各 国 で 行 わ れ て い る こ と に つ い て 述 べ た 。

第 2 章 で は 、 網 膜 を 電 流 刺 激 す る こ と に よ り 失 明 患 者 の 視 覚 を 再 生 す る 人 工 網 膜 の 基 本 的 な 構 成 と 人 工 網 膜 を 用 い た 視 覚 再 生 の 原 理 に つ い て 説 明 し た 。 次 に 、 従 来 の 人 工 網 膜 の 分 類 を 示 し 、 そ れ ぞ れ の 利 点 と 欠 点 を 述 べ た 。 網 膜 下 刺 激 型 人 工 網 膜 は 、 刺 激 電 極 ア レ イ の 固 定 が 容 易 と い う 利 点 が 存 在 す る 。 一 方 で 、 脈 絡 膜 か ら 残 存 す る 網 膜 細 胞 へ の 栄 養 供 給 を 遮 断 す る と い っ た 欠 点 が あ る 。 網 膜 上 刺 激 型 人 工 網 膜 は 、 脈 絡 膜 か ら 残 存 す る 網 膜 細 胞 へ の 栄 養 供 給 が 可 能 と い う 利 点 が あ る が 、 埋 め 込 み 手 術 が 難 し い と い う 欠 点 が あ る 。 脈 絡 膜 上-経 網 膜 刺 激 型 人 工 網 膜 は 、 脈 絡 膜 か ら 残 存 す る 網 膜 細 胞 へ の 栄 養 供 給 が 可 能 、 刺 激 電 極 ア レ イ を 埋 め 込 む 際 に 網 膜 に 与 え る 影 響 が 小 さ い な ど の 利 点 が あ る 。 し か し 、 刺 激 電 極 か ら 網 膜 細 胞 ま で の 距 離 が 大 き い こ と か ら 高 解 像 の 視 覚 再 生 が 難 し く 、 対 向 電 極 の 設 置 も 必 要 と い っ た 欠 点 が あ る 。 そ し て 、 ど の 人 工 網 膜 に も 共 通 す る 特 徴 と し て 眼 球 外 撮 像 型 で は 刺 激 電 極 ア レ イ の 高 解 像 度 化 が 容 易 で あ る 一 方 、 患 者 は 視 点 移 動 の 際 に 首 を 動 か さ な け れ ば な ら な い と い う 欠 点 が あ る 。 逆 に 、 眼 球 内 撮 像 型 で は 患 者 が 視 点 移 動 の 際 に 眼 球 運 動 を 利 用 可 能 で あ る が 、 刺 激 電 極 ア レ イ の 高 解 像 度 化 に は 撮 像 及 び 刺 激 電 流 生 成 を 行 う 人 工 網 膜 チ ッ プ の 高 解 像 度 化 が 不 可 欠 で あ る た め 、 刺 激 電 極 ア レ イ の 高 解 像 度 化 が 困 難 で あ る と い う 欠 点 が あ る 。 そ こ で 、 従 来 の 人 工 網 膜 よ り も 高 い QOL を 患 者 に 提 供 す る こ と が 可 能 な 3 次 元 積 層 人 工 網 膜 チ ッ プ

を 用 い た 完 全 埋 め 込 み 型 人 工 網 膜 を 提 案 し 、 そ の 概 要 を 説 明 し た 。 我 々 が 研 究 開 発 を 行 っ て い る 撮 像 素 子 、 処 理 回 路 、 刺 激 電 流 生 成 回 路 を 1 つ の チ ッ プ に 集 積 し た 3 次 元 積 層 人 工 網 膜 チ ッ プ を 用 い た 完 全 埋 め 込 み 型 人 工 網 膜 に つ い て 述 べ 、3 次 元 積 層 人 工 網 膜 チ ッ プ を 用 い る こ と で 、 患 者 は 高 解 像 視 覚 再 生 と 眼 球 の 光 学 系 の 利 用 及 び 眼 球 運 動 に よ る 視 点 移 動 を 両 立 さ せ る こ と が 可 能 と な り 、 従 来 の 人 工 網 膜 に 比 べ 高 い QOL を 得 る こ と が 可 能 と な る こ と に つ い て 述 べ た 。

第 3 章 で は 、 低 イ ン ピ ー ダ ン ス か つ 高 電 荷 供 給 能 力 を 有 す る 刺 激 電 極 付 き フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 作 製 及 び 評 価 に つ い て 述 べ た 。 高 解 像 視 覚 再 生 の た め に 刺 激 電 極 を 微 細 化 し た 際 に も 網 膜 細 胞 を 安 全 に 刺 激 可 能 な 刺 激 電 極 材 料 の 検 討 を 行 っ た 。刺 激 電 極 と し て Pt、IrO_X、PEDOT、RagPt を 採 用 し 、各 刺 激 電 極 を ポ リ イ ミ ド を 主 材 料 に 用 い た フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 上 に 作 製 し た 。 作 製 し た 刺 激 電 極 表 面 の AFM 測 定 を 行 い 、PEDOT、RagPt電 極 が Pt、IrO_X電 極 に 対 し 10倍 近 い 表 面 粗 さ を 有 し て お り 、 同 じ 電 極 直 径 で も 大 き な 反 応 面 積 を 有 し て い る こ と を 確 認 し た 。 電 極 の 電 気 的 特 性 の 評 価 と し て 、EIS と CIC の 測 定 を 行 っ た 。EIS 測 定 に お い て は 、 IrOX、PEDOT、RagPt 電 極 が Pt 電 極 に 対 し て 周 波 数 1 kHz で 10 分 の 1 以 下 の 大 き さ の イ ン ピ ー ダ ン ス を 有 し て い る こ と を 確 認 し 、 こ れ ら の 電 極 を 刺 激 電 極 と し て 用 い る こ と で 刺 激 回 路 の 出 力 抵 抗 を 減 少 さ せ る こ と が で き 、 電 気 刺 激 に 必 要 な 電 力 を 小 さ く す る こ と が で き る こ と を 明 ら か に し た 。 ま た 、CIC 測 定 に お い て は 、 PEDOT、RagPt 電 極 が Pt、IrO_X電 極 の 約 10 倍 の CIC を 有 し て い る こ と を 確 認 し 、 目 標 値 で あ る 1.44 mC/cm²を 実 現 す る こ と に 成 功 し た 。ま た 、最 も 優 れ た 電 気 特 性 を 有 す る PEDOT 電 極 を 用 い て in vivo 実 験 を 行 っ た 。In vivo 実 験 で は 、 ウ サ ギ の 網 膜 を 電 気 刺 激 し 、 視 覚 野 か ら EEP を 測 定 す る こ と に 成 功 し た 。 さ ら に 、EEP の 大 き さ は 刺 激 電 流 パ ル ス の 振 幅 と パ ル ス 幅 の 両 方 に 依 存 し て い る こ と を 明 ら か に し た 。

第 4 章 で は 、 現 在 多 く の 研 究 開 発 機 関 で 研 究 さ れ て い る 眼 球 外 撮 像 型 人 工 網 膜 よ り も 患 者 に 高 い QOL を 提 供 可 能 な 眼 球 内 撮 像 型 人 工 網 膜 を 実 現 す る た め の 要 素 技 術 で あ る チ ッ プ ・ ケ ー ブ ル 接 合 技 術 に つ い て 述 べ た 。 低 温 接 合 が 可 能 な 金 属 マ イ ク ロ バ ン プ の 材 料 と し て In を 選 定 し 、In の 表 面 に Au を 堆 積 す る こ と で Inの 酸 化 を 防 ぐ In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 採 用 を 提 案 し た 。In/Au マ イ ク ロ バ ン プ を 用 い て 熱 膨 張 係 数 の 大 き く 異 な る 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 接 合 を 行 っ た 。In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 接 合 評 価 と し て 人 工 網 膜 チ ッ プ 上 の pMOSFET の 測 定 を 行 い 、 接 合 の 前 後 で pMOSFET の 正 常 動 作 を 確 認 し た 。In/Au マ イ ク ロ バ ン プ の 抵 抗 測 定 を 行 い 、作 製 し た In/Auマ イ ク ロ バ ン プ の 抵 抗 値 が 人 工 網 膜 チ ッ プ の 動 作 に 影 響 を 与 え な い こ と を 確 認 し た 。ま た 、In/Auマ イ ク ロ バ ン プ で 接 合 を 行 っ た 人 工 網 膜 チ ッ プ の 特 性 評 価 を 行 っ た 。 測 定 の 結 果 、 我 々 の 人 工 網 膜 チ ッ プ の 特 徴 で

あ る 刺 激 電 流 振 幅 調 整 機 能 、 照 度 変 化 に 対 す る 刺 激 電 流 パ ル ス 周 波 数 調 整 機 能 、 感 度 切 り 替 え 機 能 の 動 作 に 成 功 し た 。以 上 の 結 果 か ら 、本 節 で 提 案 し た In/Au マ イ ク ロ バ ン プ に よ る 熱 膨 張 係 数 の 大 き く 異 な る 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル 接 合 が 人 工 網 膜 チ ッ プ の 特 性 を 劣 化 さ せ な い こ と を 確 認 し 、 そ の 有 用 性 を 示 し た 。

上 述 し た 通 り 、 本 研 究 に お い て 、Pt や IrOXな ど の 従 来 の 網 膜 刺 激 電 極 よ り も 低 イ ン ピ ー ダ ン ス で 10 倍 以 上 の 電 荷 供 給 能 力 を 有 す る 刺 激 電 極 の 開 発 に 成 功 し た 。 加 え て 、In/Auマ イ ク ロ バ ン プ を 用 い て 熱 膨 張 係 数 の 異 な る 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル を 接 合 す る こ と に 成 功 し た 。さ ら に 、In/Auマ イ ク ロ バ ン プ に よ る 接 合 が 人 工 網 膜 チ ッ プ の 特 性 を 劣 化 さ せ な い こ と を 確 認 し た 。以 上 の 結 果 よ り 、 完 全 埋 め 込 み 型 人 工 網 膜 モ ジ ュ ー ル 開 発 の 重 要 な 要 素 技 術 で あ る 低 イ ン ピ ー ダ ン ス か つ 高 電 荷 供 給 能 力 を 有 す る 刺 激 電 極 の 開 発 と 熱 膨 張 係 数 の 大 き く 異 な る 人 工 網 膜 チ ッ プ と フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル へ の 接 合 技 術 の 確 立 に 成 功 し 、 今 後 の 人 工 網 膜 の 更 な る 発 展 に 大 き く 寄 与 し た 。

謝辞

本 研 究 の 遂 行 に あ た り 、 終 始 懇 切 丁 寧 な 御 指 導 と 御 鞭 撻 を 賜 り ま し た 東 北 大 学 大 学 院 医 工 学 研 究 科 医 工 学 専 攻 教 授 の 田 中 徹 先 生 に 心 か ら 感 謝 致 し ま す 。

ま た 、 本 論 文 の 審 査 に あ た り 有 意 義 な 御 助 言 を 賜 り ま し た 、 東 北 大 学 大 学 院 医 工 学 研 究 科 医 工 学 専 攻 教 授 の 川 瀬 哲 明 先 生 、 東 北 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 バ イ オ ロ ボ テ ィ ク ス 専 攻 教 授 の 西 澤 松 彦 先 生 に 深 く 感 謝 致 し ま す 。

岩 手 大 学 工 学 部 応 用 化 学 ･生 命 工 学 科 教 授 の 富 田 浩 史 先 生 に は 、動 物 実 験 の 際 に フ レ キ シ ブ ル ケ ー ブ ル の 埋 め 込 み 手 術 等 を し て 頂 く と と も に 、 有 益 な 御 助 言 を 数 多 く 頂 き 、 深 く 感 謝 致 し ま す 。

東 北 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 バ イ オ ロ ボ テ ィ ク ス 専 攻 助 教 の 木 野 久 志 先 生 に は 、 本 研 究 に 対 し て 丁 寧 な 数 多 く の 有 益 な 御 助 言 を 頂 き 、 休 日 深 夜 問 わ ず ご 相 談 に 乗 っ て 頂 く な ど 多 大 な る 協 力 を し て 頂 き ま し た こ と を 心 よ り 感 謝 致 し ま す 。

東 北 大 学 未 来 科 学 技 術 共 同 研 究 セ ン タ ー 教 授 の 小 柳 光 正 先 生 、 同 准 教 授 の 福 島 誉 史 先 生 、 李 康 旭 先 生 、 同 助 教 の 裵 志 哲 先 生 に は 、 本 研 究 に 対 し て 終 始 懇 切 丁 寧 な 御 指 導 と 貴 重 な 御 助 言 を 数 多 く 頂 き ま し た こ と を 心 か ら 感 謝 致 し ま す 。 東 北 大 学 大 学 院 医 工 学 研 究 科 医 工 学 専 攻 田 中(徹)研 究 室 の 佐 藤 博 子 氏 、東 北 大 学 未 来 科 学 技 術 共 同 研 究 セ ン タ ー 小 柳 研 究 室 の 職 員 の 皆 様 、 東 北 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 附 属 マ イ ク ロ ・ ナ ノ マ シ ニ ン グ 研 究 教 育 セ ン タ ー の 職 員 の 皆 様 、 及 び 東 北 大 学 西 澤 潤 一 記 念 研 究 セ ン タ ー の 職 員 の 皆 様 に は 、 実 験 を 円 滑 に 進 め る に あ た り 、 研 究 設 備 の 設 置 及 び 保 全 に 尽 力 し て 頂 き 深 く 感 謝 致 し ま す 。

本 研 究 を 進 め る に あ た り 有 益 な 討 論 、 ご 協 力 を 頂 い た 東 北 大 学 大 学 院 医 工 学 研 究 科 医 工 学 専 攻 、同 工 学 研 究 科 バ イ オ ロ ボ テ ィ ク ス 専 攻 田 中(徹)研 究 室 の 先 輩 、後 輩 の 皆 様 、 及 び 東 北 大 学 未 来 科 学 技 術 共 同 研 究 セ ン タ ー 小 柳 研 究 室 の 産 学 官 連 携 研 究 院 の 皆 様 、 受 託 研 究 員 の 皆 様 、 技 術 補 佐 員 の 皆 様 に 深 く 感 謝 致 し ま す 。

特 に 、 テ ル モ 株 式 会 社 の 小 林 吏 悟 氏 、 オ リ エ ン タ ル ラ ン ド 株 式 会 社 の 竹 下 博 隆 氏 、 独 立 行 政 法 人 医 薬 品 医 療 機 器 総 合 機 構 の 渡 辺 慶 朋 氏 、 雪 田 嘉 穂 氏 、 東 北 大 学 大 学 院 医 工 学 研 究 科 医 工 学 専 攻 博 士 課 程 後 期3年 の 課 程 の 李 相 勲 氏 、菅 野 壮 一 郎 氏 、 同 工 学 研 究 科 博 士 課 程 後 期3年 の 課 程 の 大 原 悠 希 氏 、乗 木 暁 博 氏 、長 沼 秀 樹 氏 、伊