研究者らが中国で持続的に変形する水ゲルを開発、生物学的変化過程を模倣

中国の研究者たちが開発した新型の変形水ゲルは、近赤外光への単一照射後に最長4週間持続する化学反応を引き起こすことができる。同チームは、傷口治癒や胚発生などの緩やかな生物学的変化過程を模倣するためにこの材料を作製した。このシステムはSTERSと名付けられ、ガリウムベースの液体金属粒子を用いて反応を支え、ゲルの形状を徐々に変化させる。これにより、適応性組織足場、脳機械インターフェース、ソフトロボティクスのための潜在的なプラットフォームが提供される。本研究には、幹細胞およびラット胚発生中の電気信号を監視するための電極を用いた実験室での実証が含まれる。

研究著者である中国科学院深圳先進技術研究院の杜学民教授は、自身のスマート材料研究がオジギソウやカメレオンなどの生物から着想を得たものだと述べた。同氏は、変形材料の進歩は著しく、一部の変化は現在ミリ秒単位で起こり得ると指摘する。しかし、より緩やかな生物学的プロセスは異なる課題を提示する。同氏は「生物は急速に変形する一方で、緩やかな長期的な進化的変容も経験することに気づいた」と語り、傷口治癒や胚発生といったプロセスを挙げた。組織工学足場は通常、治癒を支える活性物質を担持する。杜氏は、既存材料は変化が速すぎるか、あるいは変形不能であると指摘する。

自然界の変形過程を模倣する

同氏は「したがって、自然界におけるこれらのより緩やかな形態変化過程を模倣し、緩やかに変形する材料を構築できるかどうかを知りたいと思った」と述べた。

STERSの正式名称は「時空進化反応種」である。本システムはガリウムベースの液体金属粒子とビニル単量体を組み合わせており、これが反応物の生成と水ゲルの重合を促進する。近赤外光がこのプロセスを開始し、液体金属は表面の酸化と酸化層の除去を繰り返すことで反応物を持続的に生成する。この層が除去されると金属が再び露出し、反応が継続可能になる。これにより、水ゲル構造が時間とともに進化するために必要な化学的活性が提供される。研究チームは論文で「この新規なアプローチにより、水ゲルのプログラム可能で擬人化された形態進化が可能となり、ミクロからマクロのスケール、数分から数週間の時間スケール、単一から複数回の変換サイクルをカバーする」と述べている。

潜在的な臨床応用と課題

研究者たちはまた、徐々に変色する水ゲルを作製し、長期視覚指標としての可能性を示した。同チームは水ゲルを用いて幹細胞を骨細胞と神経様細胞へ分化誘導した。「さらに、この材料を用いて脳機械インターフェース電極の表面を修飾し、ラット胚発生過程における電気信号の進化を監視した」と杜氏は述べる。研究者たちによれば、材料の変化速度と程度は調整可能で、発生中の胚脳の変化に合わせられる。液体金属が組織を損傷する可能性があるため、生物学的安全性は依然として懸念事項である。杜氏は、チームがサンドイッチ構造を用いて材料を封入し、周囲組織への漏出を防いでいると指摘する。

臨床応用には依然として複数の課題があり、変換を特定組織に適合させること、緩やかな形状変化を実現すること、外部刺激によるプロセス制御などが含まれる。現在、杜氏によれば本システムはセンシング、組織工学、脳機械インターフェースにおける実験室レベルの実証に適している。本研究は『Matter』誌に掲載された。

水ゲル技術が生物医学に与える影響

本研究は、水ゲルが生物学的プロセスの模倣、特に傷口治癒と胚発生において潜在能力を持つことを示した。自然界の変形過程を模倣することで、研究者たちは変化速度を調整可能な材料を開発し、これは組織工学と脳機械インターフェースへの応用において重要な意義を持つ。しかし、液体金属の生物学的安全性の問題は依然として解決が必要であり、これが臨床応用の実現可能性に影響を与える可能性がある。この技術の進歩は、将来的によりスマートな医療材料の発展に寄与するだろう。