科学者が埋め込み型医療機器用の新しい吸収性生体材料を発明

Aug 31, 2023

2023 年 8 月 10 日のダイアログ

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張卓民著

損傷した動脈を常に監視したり、骨の再生や創傷治癒を促進したり、がん治療のための薬物送達を促進したりできる小さなデバイスが体内にあるとしたらどうなるでしょうか? これにより、人間の病気を治療し、生物学の限界を超えて私たちの能力を強化するための素晴らしい機会が開かれる可能性があります。

筋肉のストレッチ、呼吸、血流、小さな動きなどの身体の動きによって生成される機械的ストレスを通じて電気信号を生成できる圧電生体材料を使用して、これらのデバイスを作成できます。 電池は必要なく、目的を達成したら体内で安全に溶けるように設計されています。

2021年のノーベル生理学・医学賞は、人間の触覚と痛みの謎を解明した科学者のデビッド・ジュリアス氏とアーデム・パタプティアン氏に授与された。 彼らは、細胞がタンパク質ピエゾ 1 とピエゾ 2 の電気機械結合効果を通じて圧力を感知し、接触の感覚を引き起こすことを検証しました。私たちはこの偉大な発見に触発され、圧電生体材料とピエゾ 2 の分野でいくつかの新しい科学的進歩を起こすことを考えてきました。それらを現実世界のアプリケーションに向けて推進します。

現在、ほとんどの圧電材料は硬くて脆く、中には有毒物質を含むものもあり、人体への埋め込みには適していません。 圧電生体材料は、自然に生体適合性、信頼性、再吸収性を示すため、有望な代替品です。

しかし、骨や木材などの天然の圧電生体材料は配向が乱れているため圧電強度が弱い。 これにより、現実世界のアプリケーションには対応できなくなります。 したがって、圧電生体材料に秩序を生み出し、その圧電効果を改善することが非常に重要です。 しかし、正しく機能するために必要な配向を揃えて生体分子を大規模に操作することは困難であることが判明しています。

今回、我々は、相乗的なナノ閉じ込めとその場電場を介して、生体分子が広い領域にわたって同じ配向で自己集合できるようにする一般化可能な戦略を提示した。 生体分子フィルムは、均一に高い圧電強度を備えた緻密で緻密な構造を示し、ほとんどの報告されている生体有機フィルムよりも優れています。

さらに、ナノ閉じ込め効果により、これらのナノ結晶フィルムの熱安定性は、バルク結晶と比較して大幅に改善されました (破壊温度は 67 °C から 192 °C に上昇しました)。

実際、私たちはすでに 2022 年に、「ファンデルワールス剥離処理された生体圧電粘膜下層超薄膜」というタイトルの生体圧電組織に関する研究を Advanced Materials 誌に発表していました。 この研究では、ファンデルワールス層状小腸粘膜下層（SIS）の生体圧電性を体系的に研究しました。

我々は、高度な圧電応答顕微鏡法（PFM）を用いて、SIS の固有の圧電性を初めて定量的に測定し、その生体圧電性の起源を明らかにしました。 我々は、層状軟生体組織における弱いファンデルワールス相互作用を利用したファンデルワールス剥離プロセス（vdWE）を提案し、単純な機械的剥離により効果的な圧電ドメインを有する超薄膜（100nm）を調製しました。