民間人や兵士を深刻な衝撃から守るための防護具を改良するには、脳震盪、弾道攻撃、爆発による負傷など、衝撃に対して体内の軟組織が実際にどのように反応するかを詳しく理解する必要があります。MITの研究者たちは、天然組織の反応を模倣する「組織模擬ゲル」と呼ばれる新たな合成ポリマー・溶媒ゲルを開発しています。
生物工学専攻の大学院生Bo Qingは、げっ歯類の脳組織に外傷性の力が及ぼす影響を研究し、こうした損傷の予防についてより深く理解できるよう、合成代替物をモデル化しています。「この衝撃への反応を模倣する材料を設計できれば、損傷モデルとして役立ち、こうした被害を最小限に抑える新しい防護装備の評価にも使えるでしょう」と、MIT准教授の Krystyn J. Van Vlietのもとで研究するQingは説明します。
「脳、心臓、肝臓などの生体組織が衝撃にどう反応するかを研究し、その反応を再現できる合成模倣材料を見つけたいのです。たとえば、陸軍が新たな防護策を考案し、損傷が実際にどのように起きるかを理解するうえで、大いに役立つでしょう」とQingは話します。
Qingは、脳組織のモデルとして、伸縮性と透明性を備えた多層のポリジメチルシロキサン系（PDMS）ゲルを研究しています。Van Vlietの研究グループは以前、 特定し 、心臓組織の衝撃反応とよく一致する架橋PDMSゲルの組成を明らかにしました。
「基本的には、化学的に架橋したPDMSネットワークにPDMS溶媒を含ませたものです。架橋剤とポリマー基材の化学量論比、PDMS溶媒の分子量、ゲルに用いる溶媒の量を調整できるため、ゲルにはさまざまなバリエーションがあります」とQingは話します。
この研究は、オルガノゲルの一部を提供する米陸軍研究所の支援を受けています。Qingは、溶媒を含まない別の市販PDMSを使って上層を合成します。「上層については、関心のある組織の反応に材料全体の衝撃応答を合わせるため、剛性や厚さを変えています」と説明します。23歳のQingは博士課程2年目で、2018年に博士号を取得する見込みです。カリフォルニア大学バークレー校で学士号を取得しました。
粘着性という課題
脳組織のような極めて柔らかい、つまりコンプライアントな組織の代替物を扱うには、特有の課題があるとQingは言います。「合成ゲルでは、ある剛性の水準に達したあと、さらに柔らかくしようとすると、ゲルが非常に、非常に粘着性を帯びます。そのため扱いがとても難しくなります。特に私は少量の材料を使い、ゲル表面に物理的に接触して反応を分析するので、なおさらです」と話します。
主任研究者のVan Vlietは、ゲルなどの人工材料で軟組織を再現するのは、金属やセラミックの代替物で骨のような硬組織を模倣するより難しいと言います。「心臓、脳、肝臓のような『軟組織』になると、作製はより複雑になります」と説明します。「金属やセラミックではなくポリマーを使います。調整できるパラメーターは多くありますが、通常、それらは互いに連動しています。たとえば、材料の剛性が下がるほど、粘着性も高まります。組織では必ずしもそうなるわけではありませんが、多くの人工ポリマーではそうなります。」
「Boはこの方法を用いて脳組織に関する最初期のデータをいくつか取得し、同じアプローチで、組織に合わせたり保護したりするポリマーの設計方法を研究しています」とVan Vlietは話します。「脳組織そっくりで、白質と灰白質のように複数の層を持つ、非常に複雑な材料を作ることもできます。しかし、それが目的ではありません。関心のある機械的挙動を模倣できる限り、材料はできるだけ単純にし、最終的には大量生産できるようにすることが目的です。」
高衝撃速度
国家防衛科学・工学大学院フェローシップを受けるQingは、正確な測定のためのパラメーターを確立しようと、ナノインデンターを用いてげっ歯類の組織とゲル代替物の両方に衝撃試験を行っています。実験装置では、振り子に取り付けたプローブを材料に高速で押し当てます。「得られるのは、時間に対するプローブの変位です。この出力データから、プローブが材料に侵入できた最大深さを基に、材料の貫入抵抗などを分析できます」とQingは説明します。「さまざまな跳ね返りから、衝撃エネルギーがどれだけ、どれほど速く散逸するかを分析できます。」
各衝撃押込み実験は約3秒で終わりますが、準備にはもっと時間がかかります。衝撃荷重はミリニュートン単位で測定します。試験は衝撃力と速度を変えて繰り返します。「さまざまな組織の衝撃応答を特性評価し、同じ衝撃応答特性を持つ合成ゲルを設計しています」とQingは話します。
「自然が作り上げてきた設計の幅広さのうち、現時点で私たちが利用できないものはたくさんあります」とVan Vlietは言います。「しかし、Boの実験のような研究を通じて、たとえば衝撃エネルギーを散逸させる速度とは独立して材料の剛性を調整する方法を、研究者たちは学びつつあります。組織をどう模倣するか、また、大規模に製造できるよう材料を簡素かつ安価に保つ方法について、学ぶべきことは多くあります。」
この記事は、 MIT Newsとの共同掲載です。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Denis PaisteはMIT Newsの寄稿ライターです。
脳のさまざまな部分を示す頭部の骨相学模型が、2012年3月27日、ロンドンのウェルカム・コレクションで開かれた展示会で公開されている。REUTERS/Chris Helgren。
