バイオエンジニアリング部門は，機械工学を基盤として医学や生物学を融合させた多くの研究分野を開拓してきた．特に，近年ではライフサイエンスの目覚しい進展とともに高度化する学術領域の発展を支え，それらを新しいイノベーションに結び付けるべく，また，超高齢社会を迎えることで直面する様々な課題を解決するための新たな医療や福祉技術を開発し，次世代の産業創出や社会貢献につなぐ研究活動を行っている．中でも，細胞や組織を使った再生医療工学，診断や治療，リハビリテーションにおける個別化医療支援，医療機器レギュラトリーサイエンスは，バイオエンジニアリングの医療応用として期待されている．そこで，2015年度は，二つの医学会（日本循環器学会，日本脳神経血管内治療学会）と交流協定を締結して医工連携を強化した．また，機械学会誌において，「健康・医療における基盤工学研究の産業化」講座を2015年8月より連載し，医療機器開発の動向について解説した．
本年鑑では，当部門がカバーする研究分野を3分野15テーマに分類し，各テーマが3年ごとに紹介されるように企画されている．本年度は，「バイオメカニカルエンジニアリング」分野から「生物運動のバイオメカニクス」と「インパクトバイオメカニクス」，「バイオメディカルエンジニアリング・ライフサポート工学」分野から「リハビリテーション工学・福祉工学」と「治療機器」，「バイオテクノロジー・バイオインフォマティクス」分野から「ティッシュエンジニアリング」のテーマを取り上げ，各専門家に最近の研究動向をまとめて頂いた．
生物運動のバイオメカニクスは，生体内の分子モーターの動きから生物全体の動きや移動（歩行，走行，遊泳，飛翔など）まで，多岐にわたっており，かつ，広いスケールをカバーするものである．学際的な分野であるので広く研究が行なわれているが，特に機械工学の分野においては，本学会バイオエンジニアリング部門において積極的に報告されている．比較的生物流体の研究が多く，遊泳に関しては細菌のべん毛運動，真核生物のべん毛，繊毛運動，タコやマグロの泳ぎの研究など，飛翔に関しては昆虫や鳥の羽ばたきなどの研究が報告されている．それらの応用はバイオミメティクス（Biomimetics）として，バイオインスパイアードロボット，MAV（Micro Air Vehicle）やAUV（Autonomous Underwater Vehicle）等の移動機構や風車などの研究に見られる．さらに昆虫歩行の動きやキリンの動き，植物に関してはその振動や種子の鞘がはじける現象などの報告もあり，多岐にわたっている．
生物の運動に限らず，生物の形態や機能を含めたバイオミメティクスは社会的にも知られるようになり，例えば生物運動でみると生物の遊泳を飛翔からヒントを得たエコ家電製品などが市販されている．しかし，バイオミメティクスは新しい研究分野でなく，古くから多くの研究がなされてきた．特に近年に注目されてきたのは，アクチュエータやセンサ，情報処理技術の進化によって実現しやすくなっただけでなく，バイオミメティクスは新しい物をつくって経済的活動を発展させるのみならず，環境問題としての生物多様性からも有益であるという概念が広がったためもある[1]．それは生物多様性による多くの動植物からヒントとした高性能技術の開発を可能にするために必要であるということである．すなわちバイオミメティクスは，多様な生物が存続するように人類は努力しつつ，生物が存続している本質を見いだして人類の技術体系に還元する，持続可能な技術革新的考えである．ドイツではその点に早く着目し，ドイツ規格協会（DIN）が2011年にバイオミメティクスに関する新しい国際標準化の技術委員会ISO/TC266 Biomimeticsを提案，日本も参加して翌年からスタートし，現在も継続している．
最近のインパクトバイオメカニクス研究は，これまでと同様にStapp（米国で開催される自動車衝突安全の国際会議），IRCOBI（ヨーロッパを中心とした自動車安全技術に関する国際会議）などで自動車交通事故での傷害に着目した報告がなされている．まず，頭部傷害ではヒトの頭部を疑似的に作成し傷害を再現するコンピューターシミュレーションモデルによる解析や代替動物を用いて傷害を作成し，ヒトへのスケーリングを試みる動物実験が実施されている．いずれも回転衝撃が原因となって頭部が激しく揺さぶられることによって発生する頭部傷害（例えば，びまん性軸索損傷など）に着目した研究が主に実施されており，打撲などにより頭部に並進的な衝撃力が負荷されて発生する頭部傷害の研究は少ない．例えば，コンピューターシミュレーション研究では，脳のミクロ的な構成要素である神経軸索の伸長とびまん性軸索損傷との関係を評価した研究[1]や，回転型の頭部傷害を評価した研究[2]が実施されている．動物実験でも回転型頭部傷害が対象とされており，ラットを用い回転型の頭部傷害を作成する実験装置の開発が試みられている[3]．
次に胸部傷害ではPMHSと呼ばれるヒト屍体を用い，損傷のメカニズムや力学特性，損傷の好発部位を特定する研究が多くなされている．例えばPMHSを搭載したフルスケール車両を用いて横方向から負荷されるバリアポール試験を実施し，胸部の損傷メカニズムを解明する研究[4]がおこなわれている．また，21歳から81歳の82体の屍体から摘出した肋骨に3点曲げ試験を実施する研究[5]がなされている．この研究では年齢，性別，身長，体重が力学特性に及ぼす影響を明らかにしており，コンピュターシミュレーションに用いる人体の力学特性の基礎データとして活用できることが期待できる．
自動車が衝突した際に乗員腰部が滑り込み，シートベルトの圧迫によって腰部や腹部に損傷を呈するサブマリーン現象の研究もなされている．より自動車用のシートを用いてPMHSを搭載したスレッド試験を実施し，サブマリーン現象の有無とその損傷を評価している[6]．その結果，全ての供試体でベルトの圧迫荷重による広汎な肋骨骨折を確認している．加えて，前席シートの実験では腰椎骨折が認められたものの，骨盤骨折やサブマリーン現象は発生しなかったという見地を得ている．一方，後部シートの実験では，サブマリーン現象による骨盤骨折を再現している．また，サブマリーン現象を対象とした研究として，シートベルト荷重下における腹部損傷をPMHSによって評価する研究も試みられている[7]．この研究ではシートベルト圧迫によって腸管には圧縮荷重と引張荷重が作用し，腸管内の空気や流体の圧力が存在することが腸損傷発生原因であるとしている．
自動車の予防安全技術の開発が盛んになっているが多くの交通事故死傷者が存在するのが現状であり，傷害をインパクトバイオメカニクス研究も活発におこなわれており，インパクトバイオメカニクス研究は重要な領域としてさらに発展すると考える．
1998年の長野パラリンピック以降，遅れがちであった競技スポーツの分野を促進するため，1999年に公益社団法人日本障がい者スポーツ協会の内部組織として「日本パラリンピック委員会（JPC：Japanese Paralympic Committee）」が発足した．主な事業は［1］障害者のスポーツ大会の開催及び奨励，［2］国際パラリンピック委員会及び国際的な障害別競技団体の事業への参画，［3］国際障害者スポーツ大会への参加，［4］障害者スポーツ選手の競技力の強化，である[1]．JPCに加盟する競技団体は夏季・冬期あわせて63団体ある．夏季は20競技あり，冬期5競技として，アルペンスキー，バイアスロン，クロスカントリースキー，アイススレッジホッケー，車いすカーリングがある．それぞれの競技は細分化され，例えば，アルペンスキーでは高速系種目のダウンヒル，スーパー大回転，技術系種目のジャイアントスラローム，スラローム，そしてスーパー大回転とスラローム1ずつの合計タイムで順位がきまるスーパーコンビのほか，2014年のソチパラリンピックより正式種目として「スノーボードクロス」加わっている．これは男女の立位のみの競技カテゴリーで実施されている．
各種レギュレーション詳細は，国際パラリンピック委員会（IPC：International Paralympic Committee）で公開されている[2]．スノーボードを例にとれば，IPC SNOWBOARDのRules and RegulationsやEquipment Rulesで公開され，利用するものは市販品でなければならないと記載されている．ほかに具体的に文章化されたものはなく，選手らは現場でのチェックやアナウンス・掲示などにより再認識しているようである．この市販品というレギュレーションは競技実施や安全性の確保という意味では必要であるが，競技関係者の立場からすれば，諸問題が含まれる．用品企業等から購入したものはすぐに利用できるものではなく，義肢装具士などの専門職とともに調整・改良が加えられる．調整・改良の過程でエンジニアなどの専門職も加わり，その競技者に最適と判断できる用品が調整できたとしても，市販品の調整の枠から外れるようなことになれば，製品化の再ステップを通らなければならない．広く上市化できる製品でもないため，競技者および企業にとって負担が大きいのも事実である．
バイオメカニクスに関わる治療としては，急性期と慢性期の治療に大別されるが，本稿では急性的な作用を主たる効果とする治療器に対象を絞って報告する．その中でも臨床機器開発が進んでいる技術を中心に解説する．具体的には加熱作用，機械作用やドラッグデリバリーに関わる超音波を用いた治療の現状を紹介する．
熱作用を用いた超音波治療器としては，子宮筋腫や前立腺肥大などの良性腫瘍の治療が米国ではFDA（Food and Drug Administration），日本ではPMDA（（独）医薬品医療機器総合機構）の承認を受けて既に臨床で使用されており，2015年にはINSIGHTEC製の骨転移痛み緩和治療器が新たにPMDAの承認を受けている．先行する良性腫瘍の治療に比べ，悪性腫瘍の治療においては，治療後の局所再発のリスクを抑えるために，より高精度の治療の実現が求められる．精度向上を目的として，生体内での音響特性の不均質に起因するビーム集束精度の低下を補償する研究や，治療効果をモニタリングしながら治療にフィードバックを行う技術の開発が行われている[1, 2]．
良性腫瘍では疾患部の一部を治療すれば目的を達することが多いのに比して，悪性腫瘍の治療では全腫瘍域の根治治療が必要である．熱作用を用いる場合は，疾患部での温度上昇と同時に，アプローチ経路上の組織での蓄熱抑制を目的として照射中に冷却時間を設けることが必要となる．照射領域が大きくなった時に，冷却時間の累積が全治療時間を長くしており，超音波治療普及の妨げの一因となっている．治療部位のみ選択的に温度を上昇させることで治療時間を短縮する手法として，焦点に選択的に気泡を生成するトリガーパルスの照射を行い，気泡生成部位のみで超音波吸収率を増大させる治療方法の研究が進んでいる[3]．また熱的な治療には少なくとも秒オーダーの照射時間が必要であるのに対して，キャビテーションによりミリ秒オーダーの照射時間で軟部組織を粉砕することが可能である．この軟部組織をエロージョンにより粉砕するヒストトリプシー治療も進展が大きい[4]．
血流による冷却効果が大きい臓器や部位においては，血流が少ない部位では熱的作用を，血流が多い部位では熱作用の不足を補うように薬剤治療を行う，薬剤併用超音波治療に関する研究も検討されている．更に薬剤併用の手法としては，温度上昇に伴い薬剤をリリースするドラッグデリバリー粒子と，温度モニタリングに基づいた温度制御を組合せた治療法がPhilips社を中心として開発が進められている[5]．
薬剤とバイオメカニクス作用の複合という観点では，高分子の薬剤の透過性が低い脳血管関門（Blood Brain Barrier）opening治療の注目が高い[6]．多くの既存の抗がん剤はBBBに阻まれて脳腫瘍に届かないのに対して，腫瘍周辺のBBBの薬剤透過性を制御する手法への期待は高く，近年ではBBB openingを用いたアルツハイマー治療の研究もおこなわれるに至っている．頭蓋内超音波治療という観点では，2015年はINSIGHTEC製のExAblate® Neuroを用いた本態性振顫治療の臨床研究が進み多くの成功例を重ねていることから，その手法確立と普及への期待が高まっている[7]．今後も他の治療法が少ない疾患や術後の生活の質が重視される疾患など，様々な適用が進んでいくことが期待されている．
ティッシュエンジニアリングは，細胞から組織・臓器を再構築することを目的とした工学であり，本会バイオエンジニアリング部門においても活発に研究が進められている．2015年1月に新潟にて開催された第27回バイオエンジニアリング講演会では，セッション「骨・軟骨再生のための組織工学的アプローチ」が開催されている．また，近年，微細加工技術を利用した培養デバイスが開発され，ティッシュエンジニアリング研究に応用されるようになってきた．この融合研究分野はバイオMEMSと呼ばれて，バイオエンジニアリング講演会では，セッション「バイオMEMSとバイオナノテクノロジー」において関連の研究成果が議論されている．また，2015年9月に北海道にて開催された2015年度年次大会では，セッション「多細胞・組織への展開を目指した細胞工学」において骨や血管などの細胞培養手法や，静水圧・伸縮刺激・磁気を利用した培養技術など，ティッシュエンジニアリングに関連した研究成果が報告されており，機械工学を基盤としたティッシュエンジニアリングの研究は着実に進展している．
ティッシュエンジニアリングは学問横断的な研究領域であるため，機械工学のみならず工学諸分野，さらには医学，生物学，薬学などの多様なバックグランドを有する研究者が国内外で研究を進めている．2015年3月に神奈川にて開催された第14回日本再生医療学会総会では，様々なバックグランドからティッシュエンジニアリングの研究成果が報告されている．「組織工学」のセッションは5つに分かれ，2日間に渡って開催された[1]．そこでは，細胞の足場となるゲル素材の作製や，臓器そのものを細胞の足場として利用する脱細胞化臓器骨格を用いた臓器再生技術など，様々な培養技術が報告されている．また，微小重力環境，ガス透過性の制御，三次元大量培養技術など，iPS細胞について工学に基づく様々な培養基盤技術が検討されている．ティッシュエンジニアリングによって構築された組織を移植する再生医療の実現を考えると，細胞の単離や増殖，組織化のプロセスを大量に行う必要が出てくる．シンポジウム「細胞培養加工における新技術」では，筋肉組織に関する一連のプロセスを自動化する研究成果が報告されている．また，3Dプリンタ技術を利用した臓器構築の試みなども議論されており，機械工学の関わるティッシュエンジニアリング研究は多岐に渡る．
国外では，2015年8月にイタリアのミラノにて37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society（EMBC2015）が開催された．ティッシュエンジニアリングに関連したセッションでは，たとえば「Advanced Technologies for Cell and Tissue Engineering」があり，マイクロ流体デバイスを用いた三次元培養の成果などが報告されている[2]．また，セッション「Biomimetic and Injectable Systems in Regenerative Medicine」では，Biofabrication技術に基づくティッシュエンジニアリングの研究が報告されている．Biofabricationとは細胞を含むゲル粒子を組み合わせて立体組織を構築しようとする技術であり，Bioprintingとも呼ばれ，3Dプリンタ技術と深く関連している[3]．一方，セッション「Bio-Hybrid Systems: Enabling Technologies for Quasi-Living Robots」では，細胞から構築した組織を人工物と組み合わせてハイブリッド組織を構築するティッシュエンジニアリングの新しい方向性も示されている．また，2015年9月には米国ボストンにてTissue Engineering & Regenerative Medicine International Society（TERMIS）World Congressが開催された．この会議は3年に1度開催される当該分野の国際会議では最も規模の大きな会議の1つである．この会議においても前述したバイオMEMSやBiofabricationに関連した研究が多く報告されている[4]．これらの研究の発展には機械工学からの貢献が重要であり，今後ますます複雑な三次元組織・臓器の再現が実現していくことが期待されている．
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