博 士 （ 工 学 ） 菊 田 幸 明
学 位 論 文 題 名
心 臓 代 用 弁 の 弁 機 能 向 上 に 関 す る 基 礎 的 研 究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
心臓代 用弁 （人工 弁）は 未だ血 栓症 や溶血 および 長期使 用での 破損 ，破壊 による弁機能不全な ど多く の問題 も抱 えてお り，ヒ トの自然弁に匹敵する人工弁の登場が切望されている。そのため，
弁機能 向上を 図る ことは ，心臓 弁膜症 患者の 救命 および 社会復 帰に大 きく 貢献し，その社会的意 義は極 めて大 きい と考え られる 。そこ で，本 研究 は，流 体特性 ，耐久 性， 生体適合性の三っの観 点から 人工弁 の弁 機能向 上にっ いて検 討し， 今後 の我国 におけ る人工 弁開 発の発展に寄与するこ と を 目 的 と し た 。 本 論 文 は ，8章 で 構 成 さ れ る 。 以 下 に ， 各 章に っ い て の 概要 を 述 べ る 。 第1章は序 論であ り， 本研究 で取り あげた 人工弁 の弁 機能向 上に関 する必 要性 を明ら かにし ， 本研究 におけ る目 的にっ いて述 べてい る。゛
第2章では ，人工 弁の 変遷に っいて 概括し ，研究 の背 景なら びに従 来より 行わ れてき た人工 弁 に関す る研究 にっ いて検 討し， 臨床応 用での 問題 点にっ いて明 らかに した 。さらに，本研究でと り あ げ た 機 械 式 人 工 弁 （ 機 械 弁 ） の 弁 機 能 向 上 に 関 す る 研 究 方 針 に っ い て述 べ て い る 。 第3章では ，弁材 料と して本 研究で 提案し た傾 斜型機 能性複合材料の基礎的な特性評価として，
酸化 ア ル ミ ニ ウ ム（ ア ル ミナ ）薄 膜の機 械的特 性およ びIn Vitroでの血 液適合 性に っいて 述べ ている 。まず ，表 面改質 を行う ために 薄膜蒸 着方 法とし て利用 したス パッ タリング法の利点およ び機械 的特性 評価 として 行った 実験に っいて 示し た。ス パッタ リング によ るアルミナ薄膜作成法 は，ア ルミナ ター ゲット を用い る方法 とアル ミタ ーゲッ トを用 いる反 応性 スパッタリングによる 2っ の 方法 で行い ，共に 構造的 には およそ アモル ファス 構造 をとっ ており ，組成 的に酸 素リ ッチ なア ル ミ ナ で あ るこ と を 確認 した 。機械 的特性 は特に 膜の 微小硬 度，付 着強度 ，表面 粗さ を比 較し， 機械弁 材料 として の可能 性にっ いて検 討し た。結 果より ，微小 硬度 および表面粗さに関し ては， 圧倒的 に反 応性ス パッタ リング が有利 であ ること が示さ れ，付 着強 度にっいても反応性ス パッタ リング によ って中 間眉を 入れる ことで 優れ た特性 を有す ること が示 された。次に，弁材料 と血 液 適 合 性 の 問題 を 簡 単に 述べ ，血液 適合性 に関す るIn Vitro評価と した血 小板 反応実 験お よび内 因系血 液凝 固反応 実験に っいて 示した 。結 果より ，アル ミナタ ーゲ ットを用いたアルミナ
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薄膜は 血小 板反応 にっい て若干 優れ た特性 を示し ，アル ミナタ ーゲ ットを 用いた反応性スパッタ リング によ るアル ミナ薄 膜は内 因系 血液凝 固反応 で若干 優れた 特性 を示し た。また，これらの薄 膜の評 価結 果は， 血液適 合性に 優れ たセグ メント 化ポリ ウレタ ンと 大差な いことが確認された。
以上の 結果 より， 機械的 特性お よび 血液適 合性の 観点か ら，ア ルミ ナおよ びアルミニウム基金属 を 用い た 複 合 材 料は 機 械 弁材 料とし て有 望であ ると示 唆され ，薄膜 作成 法とし てはア ルミタ ー ゲット を用 いた反 応性ス パッタ リン グが有 用であ ると確 認され た。
第4章では ，弁機 能向上 に関す る弁 の機構 的な観 点から ，中 心開放 型機械 弁の提 案を行 い， 流 体力学 的な 特性お よび耐 久性に 関し て中心 開放型 機械弁 に求め られ る仕様 にっいて述べ，特性を 評価す るた めに試 作した 数種類 の中 心開放 型機械 弁を示 した。 基本 的な弁 機構および弁葉形状と して， 主流 である 中心流 のほか に弁 まわり の渦お よび淀 みを減 少す る目的 で主流の両わきに副流 を有す る機 構を示 し，弁 葉形状 は中 心流の 確保お よび弁 開閉応 答を 考慮し て負の曲率を有するこ ととし た。 中心開 放型機 械弁の 試作 は，設 計パラ メータ として 弁の 軸位置 および弁葉の曲率を用 い て行 なった 。試作 は，軸 位置 にっい ては曲 率を9％に 固定し て65％ ，70％，75％，80％，曲 率 に っ い て は 軸 位 置 を70％ に 固 定 し てO％ ，9％ ，11％ ，13％ の 計7種 類 で 行 っ た 。 第5章では ，試作 した中 心開放 型機 械弁を 用いて 定常流 およ び拍動 流で流 体力学 的な特 性評 価 を行い ，流 体特性 より中 心開放 型機 械弁の 弁形状 にっい て検討 した 。定悧 流実験結果より，弁の 軸位置 にっ いては ，圧力 損失に 大き な影響 を与え ないが ，軸位 置が 大きく なるほど副流の効果が 減少す るこ とが示 された 。また ，弁 葉の曲 率にっ いては ，圧力 損失 に大き な影響を与え，曲率が 大きい 程圧 力損失 は高く ，主流 は弁 下流で 乱流に 移行し やすい こと が示さ れた。拍動流実験結果 よ り， 軸 位 置 に っい て は ， 軸 位 置70％(S 7009)と 軸 位 置80％ （S8009)の 試作弁 で良 い結果 が 得 られ た。特 に，こ の2っの試 作弁を 比較 すると ，S 7009で は弁閉 鎖流量 ，弁 開閉応 答が優 れて いるこ とが 示され ，S 8009で は有効 弁□面積およびェネルギ一損失が優れていることが示された。
ま た， 弁 葉 の 曲 率に っ い ては ，曲率9％ で最も 優れ た特性 を有す ること が示さ れた 。さら に，S 7009をモ デルと して ，弁の 全開時 の開放 角度を パラ メ一夕 とした 評価を 行っ た。これより，開放 角度62度ある いは67度で優 れた特 性が示 された 。以 上の結 果より ，定常 流で の副流の効果などを 考 慮し て，軸 位置70％ ，曲 率9％ ，開 放角度67度を有 する 弁が流 体力学 的特性 に優 れた中 心開放 型機械 弁で あるこ とを明 らかに した 。
第6章 で は ，第5章 で 流 体力 学 的 に 検 討し た 中 心開 放型機 械弁（S 7009)と臨床 で使 用され て いる市 販の 既存弁 にっい て，定 常流 および 拍動流 で流体 特性に 関す る比較 検討を行った。定常流 実験結 果よ り，市 販の既 存弁は 弁開 放角度 が大き いため に，中 心開 放型機 械弁と比較して圧力損
失は 若干低 いこと が示 された 。また ，直管 を用い た流 れの可 視化結 果より ，中 心開放 型機械弁は 既存 の二葉 弁およ び傾 斜弁よ りも優 れた中 心流を 有す ること が明ら かにさ れた 。さら に，曲がり 管を 用いた 流れの 可視 化結果 より， 中心開 放型機 械弁 は優れ た中心 流を有 する ことで ，既存弁よ りも バルブ オリエ ンテ ーショ ンによ る流体 動態の 変化 が小さ いこと が示唆 され た。拍 動流での流 体特 性比較 では， 中心 開放型 機械弁 は既存 弁と比 ベ， リーク の減少 させる こと で大動 脈弁の弁機 能と して重 要な拍 出流 量の増 加が期 待され ること を示 した。 有効弁 ロ面積 ，抵 抗係数 およびエネ ルギ 一損失 にっい ては 二葉弁 と傾斜 弁のお よそ中 間に 位置し ，弁閉 鎖流量 にっ いては ，中心開放 型機 械弁は 傾斜弁 より も優れ ，二葉 弁と同 等であ るこ とが示 された 。弁開 閉応 答にっ いては，中 心開 放型機 械弁で は条 件によ る変化 は見ら れない が， 既存弁 では心 収縮期 を短 くする ことで弁開 放不 全を起 こすこ とが 示され た。ま た，溶 血実験 結果 から， 中心開 放型機 械弁 は，お よそ二葉弁 に近 い溶血 特性を 示し たこと から， 溶血の 原因と され ている 弁通過 後の乱 流に よって 生じるせん 断応 力等の 問題に よる 影響は 少ない 弁であ ること が示 された 。以上 の結果 より ，中心 開放型機械 弁は 既存弁 との流 体特 性比較 から， 臨床応 用においても流体力学的な特性に問題ナょいことが示唆 され た。
第7章で は，コ ンピュ ー夕 ・シミ ュレー シ．ヨ ンお よび加 速耐久試験によって中心開放型機械弁 の耐 久性に 関する 検討 を行な った。 コンピ ュー夕 ・シ ミュレ ーショ ンによ る静 的な条 件での応力 解析 結果よ り，弁 閉鎖 時に弁 葉上の 応力集 中を防 ぐに は，弁 尖を除 く弁葉 全周 を拘束 する条件が 最 も 優れ て い ること が示 された 。弁葉 の曲率 にっい ては ，シミ ュレー ション より9％あ るい は11
％が 他の曲 率に比 ベ， 応力集 中が少 ないこ とが示 され た。ま た，弁 葉スト ッパ ーにっ いては，高 負荷 が作用 する条 件を 仮定し て応力 解析を 行なっ た結 果より ，使用 した材 料の 機械特 性と比較し て破 壊など の大き な問 題は示 唆され なかっ たが， 動的 な荷重 が連続 的に作 用し た場合 も考慮して 今後 さらに 見直し が必 要であ ること 思われ た。さ らに ，本研 究で提 案した アル ミナと アルミニウ ム基 金属を 用いた 複合 材料を 弁葉に 使用す ること で， アルミ ニウム 基金属 に作 用する 応カが減少 し， 機械的 特性の 効果 が示さ れた。 複合材 料を用いた中心開放型機械弁の加速耐久試験結果では，
弁葉 上で膜 の剥離 は示 されな かった が，弁 座およびストッパーと接触する所で部分的ナょ膜の削れ が観 察され た。こ の原 因とし て，成 膜上の 問題と 接触 部分で の表面 粗さの 問題 を示し ，今後の問 題解 決のた めの課 題を 明らか にした 。
第8章は ，本論 文の結 論で あり， 本研究 で得ら れた 各章で の結論を総括して述べ，結びとした。
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学位論文審査の要旨
主査 教授 勇田敏 夫 副査 教授 山本克 之 副査 教授 ．木谷 勝 副査 教授 石川博 將
心臓 代用弁 は，未 だ血 栓症や 溶血お よび長 期使 用での 破損， 破壊に よる弁機能不全などの問題 も多 く，ヒ トの自 然弁に 匹敵 した弁 の登場 が切望 されて いる 。その ため， 心臓代用弁の弁機能向 上を 図るこ とは， 心臓弁 膜症 患者の 救命お よび社 会復帰 に大 きく貢 献し， その社会的意義は極め て大 きい。 本論文 は，特 に流 体特性，耐久性，生体適合性の三っの観点から心臓代用弁（機械弁）
の弁 機能向 上にっ いて論 じて おり，8章 で構成 されて いる。
第1章は 序論 であり ，本研 究で取 りあ げた心 臓代用 弁の弁 機能向 上に 関する 必要性 を明ら かに し， 本研究 におけ る目的 にっ いて述 べてい る。
第2章で は， 心臓代 用弁の 変遷に っい て概括 し，研 究の背 景なら びに 従来よ り行わ れてき た弁 に関 する研 究およ び臨床 応用 での問 題点に っいて 明らか にし ，本研 究にお ける弁機能向上に関す る研 究方針 にっい て述べ てい る。
第3章で は，弁 材料と して本 研究 で提案 した傾 斜型機 能性複合材料の基礎的な特性評価として，
ア ル ミナ 薄 膜 の 機 械的 特 性およ びin vitroでの血 液適合 性にっ いて述 べて いる。 特に， 反応性 スパ ッタリ ングに よって 傾斜 的な組 成（中 間層を 入れる ）を 有する ことで ，アルミナ薄膜の付着 強度 が向上 するこ とを示 して いる。 また， 血液適 合性に っい て，ア ルミナ 薄膜はセグメント化ポ リウ レタン （抗血 栓性材 料） と大差 ないこ とを示 してい る。 以上の 結果よ り，機械的特性および 血液 適合性 の観点 から， アル ミナお よびア ルミニ ウム基 金属 を用い た複合 材料は機械弁材料とし て有 望であ ること を示唆 して いる。
第4章で は， 弁機能 向上に 関して 機構 的な観 点から ，中心 開放型 機械 弁の提 案を行 い，流 体特 性評 価用に 試作し た数種 類の 中心開 放型機 械弁を 示して いる 。中心 開放型 機械弁の試作は，設計 パラ メー タとし て弁の 軸位置 および 弁藁 の曲率 を用い て行っ てお り，軸 位置に っいて は曲率 を9
％ に 固定 し て65％ ，70％，75％，80％ ，曲 率にっ いては 軸位置 を70％ に固定 して0％，9％ ，11
％，13％の計7種 類で行 ってい る。
第5章で は， 試作し た中心 開放型 機械 弁を用 いて定 常流お よび拍 動流 で流体 力学的 な特性 評価
を行 い，流 体特性 より中 心開 放型機 械弁の 弁形状 にっい て検 討して いる。 定常流実験結果より，
弁の 軸位置 にっい ては， 軸位 置が大 きくな るほど 副流の 効果 が滅少 し，弁 葉の曲率にっいては，
曲率 が大き い程圧 力損失 は高 く，弁 下流で 乱流に 移行し やす いこと を示て いる。拍動流実験結果 より ，軸位 置にっ いては ，軸 位置70％ で良好 な結 果が得 られて おり， 弁葉の 曲率にっいては，曲 率9％ で最 も優れ た特性 を有す るこ とが示 ている 。さら に，弁 開放 角度に っいて 開放角 度67度 で 優れ た特性 が示さ れた。 以上 の結果 より， 定常流 での副 流の 効果な どを考 慮して，軸位置70％，
曲 率9％， 開放角 度67度を 有す る弁が 流体力 学的特 性に 優れた 中心開 放型機 械弁で ある ことを 明 らか にして いる。
第6章では ，中心 開放型 機械 弁と既 存弁に っいて 流体 特性に 関する 比較検 討を述 べて いる。 直 管を 用いた 流れの 可視化 結果 より， 中心開 放型機 械弁は 既存 の二葉 弁およ び傾斜型ディスク弁よ りも 優れた 中心流 を有し ，曲 がり管 を用い た流れ の可視 化結 果より ，既存 弁よりもバルブオリエ ンテ ーショ ンによ る流体 動態 の変化 が小さ いこと を示し てい る。拍 動流に おける流体特性比較よ り， 中心開 放型機 械弁は 有効 弁□面 積，抵 抗係数 および エネ ルギ一 損失に っいては二葉弁と傾斜 型デ ィスク 弁のお よそ中 間に 位置し ，弁閉 鎖流量 にっい ては ，中心 開放型 機械弁は傾斜弁よりも 優れ ，二葉 弁と同 等であ るこ とを示 してい る。ま た，弁 開閉 応答に っいて 中心開放型機械弁は，
既存 弁に比 べ，心 収縮期 を短 くする ことで 弁開放 不全を 起さ ないこ とを示 している。さらに，溶 血実 験結果 より， 中心開 放型 機械弁 は傾斜 型ディ スク弁 より も優れ ，二葉 弁に近い溶血特性を有 する ことを 示して いる。 以上 の結果 より， 中心開 放型機 械弁 は臨床 応用に おいても流体力学的な 特性 に問題 はない ことを 示唆 してい る。
第7章では ，コン ピュ一 夕・ シミュ レーシ ョシお よび 加速耐 久試験 による 中心開 放型 機械弁 の 耐久 性にっ いて述 べてい る。 コンピ ュー夕 ・シミ ュレー ショ ンによ る応力 解析結果より，弁閉鎖 時に 弁葉上 の応力 集中を 防ぐ には， 弁尖を 除く弁 葉全周 を拘 束する 条件が 最も優れていることを 示 して いる。 弁葉の 曲率 にっい ては，9％ あるい は11％ が他の 曲率に 比ベ， 応力集 中が 少ない こ とを 示して いる。 複合材 料を 用いた中心開放型機械弁の加速耐久試験結果では，弁座およびストッ パー と接触 する所 で部分 的な 膜の削 れが観 察され た。こ の原 因とし て，成 膜上の問題と接触部分 で の 表 面 粗 さ の 問 題 を 示 し ， 今 後 の 問 題 解 決 の た め の 課 題 を 明 ら か に し て い る 。 第8章 は ， 本 論 文の 結 論 で あ り， 本 研 究 で 得ら れ た 各 章 での 結 論 を 総 括 して 述 べ て い る。
これ を要す るに， 著者 は機械 弁の弁 機能特 性向 上に関 して， 弁材料 および 弁機構の観点から工 学的 な検討 を行い ，アル ミナ ーアル ミニウ ム基金 属によ る傾 斜機能 材料の 弁材料応用への可能性 を示 し，流 体力学 的な実 験結 果を基 にヒト の自然 弁に近 い流 体動態 性を有 する中心開放型機械弁
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の提案を行ったものであり，生体工学および本邦の心臓代用弁開発に対して貢献するところ大な るものがある。
よ っ て 著 者 は ， 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。
