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2024-07-14 20:05:54
バイオエンジニアは、体の動きによって圧縮されると電気パルスを生成する生体適合性ジェネレーターを開発しました。このジェネレーターは自己組織化「圧電ウェハー」から作られており、迅速かつ安価に製造できるため、筋肉駆動型電気機械療法の広範な使用が可能になります。
セラミックや結晶などの圧電材料は、機械的ストレスに反応して電荷を生成するというユニークな特性を持っています。これらは、超音波トランスデューサー、振動センサー、携帯電話など、多くのデバイスで使用されています。医学では、圧電デバイスを使用した電気刺激が、傷や骨折の治癒を早めたり、脳卒中患者の筋肉の緊張を維持したり、慢性的な痛みを軽減したりするのに役立つことがわかっています。しかし、生体適合性の欠如（その結果、硬直や毒性が生じる）が、この分野の進歩を妨げてきました。
現在、ウィスコンシン大学の材料科学工学部のバイオエンジニアが、埋め込み型圧電治療装置を開発しました。この薄くて柔軟な装置は、シルク、コラーゲン、アミノ酸などの非剛性で無毒な生物材料も圧電特性を持つという事実を利用しています。
材料科学および工学の教授であるジュドン・ワン博士が率いるチームは、アミノ酸のリジンを圧電発電機として使用して、小さなパッチ状の構造物を自己組織化する方法を開発しました。自己組織化プロセスでは、ポリマー/リジン溶液が蒸発するにつれて、リジンを囲む生体適合性ポリマーシェルが関与します。内側のリジン層とポリマー層の間の化学反応は、リジンを結晶構造に配向するために不可欠であり、曲げたときに電流を生成するために必要です。
「この研究は、材料の化学を利用して自己組織化製品を作成する素晴らしい例です」と、国立生物医学画像・バイオテクノロジー研究所の発見科学技術部門のディレクターであるデビッド・ランプラ氏は語ります。「使用されるプロセスは高速かつ安価で、医療用途のウェハーの作成が可能になります。ウェハーは生分解性であるため、たとえば、損傷した骨や筋肉の治癒を早めるために使用できる電気療法を作成する可能性が開かれ、その後分解されて体内から消えます。」
研究チームは圧電ウエハーの特性についていくつかのテストを実施した。ウエハーはマウスの脚と胸に置かれた。脚と胸の動きだけで圧電ウエハーが圧縮され、電気出力が生成された。マウスの体内に埋め込まれたウエハーが溶解した後に行われた血液検査では、血球やその他の代謝産物の濃度が正常であることが示され、溶解したインプラントには有害な影響がなかったことが示された。
ワン氏は、筋肉の活動を画期的な治療法に変える可能性のある、チームの画期的な研究のシンプルさを強調した。「この技術は、リアルタイムのセンシング、傷やその他の怪我の治癒の促進、痛みやその他の神経疾患を治療するための電気刺激など、さまざまな可能性を切り開くと考えています。最も重要なのは、私たちの迅速な自己組織化技術により、このようなデバイスのコストが大幅に削減され、この非常に有望な医療介入方法の使用が拡大する可能性があることです。」
結果はサイエンス誌（1）に報告されている。
この研究は、国立生物医学画像工学研究所の助成番号 R01EB021336 および R21EB027857 のもとで支援を受けました。小動物画像施設は国立がん研究所の支援を受けています。
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