この記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。
MITの技術者たちは、未来の絆創膏と言えるかもしれないものを設計した。粘着性と伸縮性があり、ゲル状の材料で、温度センサー、LEDライト、その他の電子部品に加え、微小な薬剤貯蔵槽や流路も組み込むことができる。この「スマート創傷被覆材」は皮膚温度の変化に応じて薬剤を放出し、例えば薬剤が残り少なくなった場合に点灯するよう設計することもできる。
ひじや膝といった非常に柔軟な部位に貼り付けた場合でも、被覆材は体の動きとともに伸縮し、内蔵された電子部品は機能を維持し、損なわれずに保たれる。
この設計の鍵となるのは、MIT機械工学科のロバート・N・ノイス・キャリア開発准教授であるXuanhe Zhao氏が設計したハイドロゲル・マトリックスである。このハイドロゲルは、Zhao氏が 今月初めに詳しく説明したもので、主に水で構成されたゴム状の材料であり、金、チタン、アルミニウム、シリコン、ガラス、セラミックスといった表面に強く接着するよう設計されている。
新たな論文は学術誌「 Advanced Materials 」に掲載されたもので、研究チームは導電性ワイヤー、半導体チップ、LEDライト、温度センサーなど、さまざまな電子部品をハイドロゲル内に埋め込んだと報告している。Zhao氏によれば、ハイドロゲルでコーティングされた電子機器は、皮膚表面だけでなく体内でも使用できる可能性があるという。例えば、体内に埋め込む生体適合性のブドウ糖センサーや、柔らかく追従性の高い神経プローブなどである。
「電子機器は通常、硬く乾いているが、人体は柔らかく湿っている。この二つのシステムは性質が大きく異なる」とZhao氏は述べる。「健康管理のモニタリングや薬剤投与といった用途で電子機器を人体に密着させたい場合、人体の環境に合わせて電子機器を柔らかく伸縮性のあるものにすることが非常に望ましい。それが伸縮性ハイドロゲル電子工学の動機なのだ。」
論文のZhao氏の共著者は、大学院生のShaoting Lin、Hyunwoo Yuk、German Alberto Parada、ポスドクのTeng Zhang、Samsung DisplayのHyunwoo Koo、そしてヒューストン大学のCunjiang Yuである。
強靭で伸縮性のある接着
一般的な合成ハイドロゲルは脆く、ほとんど伸びず、他の表面への接着力も弱い。
「現段階では、主に分解性のある生体材料として使われている」とZhao氏は言う。「ハイドロゲルで電子デバイスを作りたい場合、ハイドロゲルと界面の長期安定性を考える必要がある。」
こうした課題を克服するため、研究チームは頑強なハイドロゲルの設計戦略を考案した。水に少量の選択された生体高分子を混ぜ、硬さが10〜100キロパスカル（ヒトの柔らかい組織とほぼ同程度の範囲）の、柔らかく伸縮性のある材料を作り出した。研究者らはまた、ハイドロゲルを多様な非多孔質表面に強固に接合する方法も考案した。
今回の研究では、研究者らはこれらの技術を応用し、ハイドロゲルのいくつかの用途を示した。その一つは、チタン線を封入して透明で伸縮性のある導体を形成することである。実験では、封入した線を何度も伸ばしたが、電気伝導性は一定に保たれていることが確認された。
Zhao氏はまた、ハイドロゲルのシートに埋め込まれたLEDライトのアレイも作製した。体のさまざまな部位に装着すると、膝やひじといった大きく変形する部位で引き伸ばされても、アレイは動作し続けた。
多用途なマトリックス
最後に、研究グループは、一定間隔で配置された温度センサーと微小な薬剤貯蔵槽からなる「スマート創傷被覆材」を作るため、さまざまな電子部品をハイドロゲルのシート内に埋め込んだ。研究者らはまた、パターン加工されたチューブを挿入するか、マトリックスに微小な穴を開けることで、ハイドロゲル内を薬剤が流れる経路も作った。さまざまな部位に被覆材を貼り付けたところ、高度に伸張された状態でも、皮膚温度を監視し続け、センサーの測定値に応じて薬剤を放出できることが確認された。
Yuk氏によると、この技術の直接的な用途としては、やけどやその他の皮膚疾患に対する、伸縮性のあるオンデマンド治療が考えられるという。
「非常に汎用性の高いマトリックスだ」とYuk氏は言う。「ここでのユニークな機能は、センサーが異常な温度上昇など何か異なるものを検知すると、デバイスがその特定の場所にオンデマンドで薬剤を放出でき、貯蔵槽の中から特定の薬剤を選択できる点だ。その薬剤はハイドロゲルのマトリックス内を拡散し、時間をかけて持続的に放出される。」
さらに踏み込むと、Zhao氏は、ハイドロゲルが体内に電子機器を届けるための理想的な生体適合性の担体になると構想している。現在、彼は体内に埋め込むブドウ糖センサーや神経プローブの担体としての可能性を探っている。体内に埋め込まれた従来のブドウ糖センサーは、通常、免疫系による異物反応を引き起こし、高密度の線維でセンサーが覆われるため、頻繁な交換が必要となる。さまざまなハイドロゲルが、そうした反応を防ぐためにブドウ糖センサーのコーティングに使われてきたが、それらは脆く、動きによって容易に剥がれてしまう。Zhao氏は、彼の研究グループが開発中のハイドロゲル・センサーシステムは、長期間にわたり頑強で効果的であると考えられると述べている。神経プローブについても同様のことが言えるという。
「脳はゼリー（Jell-O）の入ったボウルのようなものだ」とZhao氏は言う。「現在、研究者たちは神経デバイスの長期的な生体適合性を実現するため、さまざまな柔らかい材料を試している。共同研究者とともに、頑強なハイドロゲルを神経デバイスの理想的な材料として提案している。ハイドロゲルは、脳と似た力学的・生理学的特性を持つように設計できるためである。」
本研究は、一部、海軍研究局、MIT Institute for Soldier Nanotechnologies、および全米科学財団の支援を受けた。
掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではない。
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執筆者：Jennifer Chuは、MIT Newsのゲスト寄稿者である。
画像：自己粘着式の絆創膏がWarren Buffett氏の指に巻かれている。REUTERS/Lucas Jackson.
