まずは、人間福祉医工学研究部門人工臓器グループ様の役割についてお聞かせください。

私たちのグループでは、再手術をなくし社会復帰を可能にする、長期の生体適合性と耐久性を有し、安心安全に使用できる人工臓器の実現を研究目的としています。具体的には、流体力学特性、血液適合性および長期耐久性に優れた人工臓器を目指して、人工心臓を中心に、技術開発と技術評価を行っています。人工心臓や人工透析器などの医療機器の開発において、生体に重大な問題を引き起こす血栓形成（流れの淀みによる血液凝固）や溶血（著しい流れの変化による血球の破壊）を防止することはとても重要です。

医療機器の内部の「流れ」を可視化評価した結果を設計に適切にフィードバックすることで、血栓を形成せず、低溶血であるという、血液適合性の良い機器開発が可能となります。当グループでは、流れの可視化実験による評価と、シミュレーションによる数値計算での評価の両方を行って、最適な形状の医療機器を設計すべく、研究を進めています。 同時に、人工心臓について、血液試験を独自に行い、血液適合性を調査したり、さらに、小型・高効率設計を行ったり、耐久試験による長期耐久性の評価など、総合的に技術評価を推し進めることで、優れた性能の人工心臓を開発しています。

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ご利用いただいているSTAR-CDの御社における役割を教えてください。

人工心臓内の流れについて、速度場は流体性能に、せん断応力場は、抗血栓性や溶血指数に深く関連するので、STAR-CDにより解析することで、最適設計を行っています。人工心臓では、過度にせん断が低いときには血栓形成が生じ、逆に過度にせん断が高いときには溶血が生じるということがあります。あくまで目安ですが、血液ポンプ内では、せん断速度が100sec-1オーダー（インバースセカンド）以下の低せん断ですと血栓形成が生じ、100,000sec-1オーダー以上ですと溶血が生じるのではないかと考えられています。もちろん、血液がそのせん断に曝される時間、つまり曝露時間にも関係します。特に、材料壁極近傍のせん断応力場が重要ですので、壁せん断応力分布を計算して、よどみ域や高せん断域を取り除くように改良設計を繰り返しています。

また、実験から分かる流れの可視化による評価を行う一方、実験ではカバーできないところをSTAR-CDを用いた数値流体解析による評価を行い、両方を総合的に評価することによって精度良い設計を迅速に行うことができます。

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STAR-CDを使った解析事例をご紹介いただけないでしょうか？

それでは、ピボット周りのよどみと血栓の関係を解析した事例をご紹介しましょう。

図5（a）～（e）は、産総研で開発しているピボット軸受を持つ血液ポンプにおいて、淀みが見られやすいピボット付近の流れとせん断速度について、流れの可視化実験と数値解析から求めたピボット付近の速度およびせん断速度を比較し、動物実験結果と併せて検討したものです。ここでは、図5（a）に示す、ウォッシュアウトホールと呼ばれる還流を生じさせて、ピボットを洗い流すためにインペラに設けたホールについて大きさをいろいろと変えて比較しています。図5（b）が流れの可視化実験から得られた速度分布の結果、図5（c）、図5（d）がSTAR-CDを用いて数値解析して得られた速度分布とせん断速度分布の結果になります。実験結果、数値解析結果共にピボット付近に淀み（破線赤丸の部分）、つまりせん断速度の低い領域が生じていることが分かります。図5（e）は、羊による1週間の動物実験から得たピボット周りの血栓の付着状況ですが、その結果から、このよどみに対応した血栓形成が見られました。ところが、還流がピボットに当たるようにウォッシュアウトホールを小さくすると、ピボット付近のよどみは解消され、動物実験においても、血栓形成が見られないことが分かりました。
せん断速度の大きさの違いが、血栓の形成・不形成と相関することが明らかになり、人工心臓における流れ解析の重要性が示された例になっています。

STAR-CDをご利用いただいている理由について教えてください。

STAR-CDを選択した理由としては、いくつかありますが、1番目は、人工臓器研究の研究者が多く使っているので、自分としてはデータの比較がしやすいことが挙げられますね。乱流モデルが数多く入っていたり、スライディングメッシュが使えたりと豊富な機能を持っていることが、STAR-CDが選ばれている理由だと私は思います。2番目は、技術サポートが優れていると思うからです。私自身、個人的には、いつも迅速で丁寧なサポートに大変満足しております。今後ともよろしくお願いいたします。

このインタビューの詳細は季刊情報誌CDAJ news vol.51でご覧いただけます。
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