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内部バッテリーは次世代ウェアラブルを駆動し、さらにはがんと戦えるか？
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ウェアラブル技術はすでに私たちの日常生活を変革しており、今後もさらに拡大していくでしょう。これは、2022年に価値が613億ドルと評価されたウェアラブルデバイス市場が示す通りです。その年だけで、4億9,000万台以上のウェアラブルが消費者に出荷されました。
イノベーションに駆られ、ウェアラブルは環境持続可能性からヘルスケアまで幅広い産業のトレンドを形成しています。これらの電子機器は健康モニタリング、治療、疾病診断、創傷治癒を変革しました。信頼性のある動作のため、これらのデバイスは生体適合性があり、かつ十分な容量を持つバッテリーに依存しています。
埋め込み型デバイスの大半は、銀亜鉛（Ag‑Zn）やリチウムヨウ素（Li‑I2）などの従来型バッテリーで駆動されています。しかし、これらのバッテリーは容量が限られ、有機電解質の漏れによる安全リスクを伴います。
埋め込み型デバイスの電源として密封・使用されるAg‑ZnおよびLi‑I2バッテリーの容量は質量に制限され、寿命が制約されます。ここで、新しい研究は、生体が自然に持つ成分の利用を提案しています。これらの成分には汗、酵素、グルコース、溶存酸素が含まれ、バッテリーの連続エネルギー源として利用可能です。
代謝を通じて継続的に得られる酸素（O2）やグルコースをカソード/アノードの活性成分として使用すると、試験管内および体内の両方で優れた電気化学的性能が示されます。
Cell Pressに掲載された本研究は、金属‑O2バッテリーを提案しています。このバッテリーはカソードの活性成分としてO2を使用し、金属アノードと組み合わせて組み立てられます。これにより、現在利用可能な埋め込み型バッテリーの5〜10倍に相当する極めて高いエネルギー密度が実現します。
理論上、Li‑O2バッテリーとナトリウム‑酸素（Na‑O2）バッテリーはそれぞれ3,458 Wh/kg と1,605 Wh/kg のエネルギー密度を示します。これらの数値は現在のリチウムイオンバッテリーをはるかに上回ります。
本研究は、ヤン・リュウ、シゼン・リウ、ジウツォン・リウ、イー・ディンの4名が実施しました。彼らはすべて中国・天津工業大学材料科学工学部 新エネルギー材料・低炭素技術研究所 高機能多孔質材料ラボに所属しています。
その他の研究者としては、中国・河北大学 生命科学・グリーン開発研究所 化学・材料科学学部の呉双、呉平里、天津医科大学 薬学部の孫双勇、そして復旦大学 新エネルギー研究所・分子触媒・革新材料上海重点実験室 化学部門の王永剛が参加しています。
本研究は中国国家自然科学基金、中国国家重点研究開発計画、そして優秀若手研究者国家科学基金から資金援助を受けました。
埋め込み可能で生体適合性のある Na‑O2 バッテリー
酸素は生命に不可欠であり、生体組織に遍在しています。同様に、もう一つの必須元素であるナトリウムは Na+ の形で体内に広く存在します。この普遍性により、金属‑O2 バッテリーは継続的に電力を補給できる有望な候補となります。
ナトリウムは充電式バッテリーの有望なアノードとして研究が進められていますが、Na‑O2 バッテリーは低コスト、高い理論エネルギー密度、スマートグリッドや携帯電子機器への応用可能性から特に注目されています。さらに、Na‑O2 バッテリーの放電生成物は肝臓や腎臓で容易に代謝されるため、魅力が増します。
このように、Na‑O2 バッテリーは原料供給の継続性と体内での生成物代謝という要件を満たすことができます。
したがって、研究者が Na‑O2 バッテリーに注目するのは初めてではありません。2018 年のある研究は、その高い理論エネルギー密度と豊富な資源から潜在性を指摘しつつ、立方体または不規則形状の大粒子放電生成物の形成に起因する反応速度の遅さにも注意を喚起しました。
別のHossein Yadegari と Xueliang Sun の論文（カナダ・オンタリオ大学機械・材料工学部）は、Na‑O2 バッテリーが Li‑O2 バッテリーに対するエネルギー効率の高い代替として浮上したことを指摘しています。これらは可逆的なスーパー酸化物化学に依存し、Li 系と比較して充電時の過電圧が低く、サイクル性能の向上につながります。
しかしながら、イオン対間の相互作用だけでは O2 の電解質への求核攻撃を防ぎきれないことが指摘されています。さらに、NaO2 の固有安定性や金属 Na の高い化学反応性が Na‑O2 バッテリーの開発に課題をもたらします。報告は比較的少ないものの、埋め込み型金属‑O2 バッテリーの大きな潜在的利点は、これらの課題への対処が重要であることを強調しています。
最新の研究は、体内で使用されるバッテリーは開放型構造を持ち、体液からの O2 吸着を確保する必要があることを強調しています。さらに、拒絶反応や副作用を防ぐために、生体適合性の高いバッテリー部品の選定が重要です。また、Na 系アノードは高反応性であるため、十分に保護する必要があります。バッテリー設計は柔軟性を持ち、軟組織と安定かつ密接に接触できるようにする必要があります。
その結果、チームは安定した Na 系合金（NaGaSn）をアノード（電流が流入する側）に、ナノ多孔質金（NPG）をカソード（電流が流出する側）として、イオン交換膜（Nafion）で分離した新しい Na‑O2 バッテリー設計を提案しています。
純粋な金属 Na を使用する代わりに、研究者は安全性と生体内での耐食性を高めるために NaGaSn 三元合金を選択しました。一方、NPG は金属‑空気バッテリーにおける酸素還元反応のカソードとして使用されます。放電時には、体液から継続的に供給される O2 が NPG 触媒によって還元されます。
有望な結果と潜在的応用
埋め込み型電子機器は、個別化されたヘルスケアモニタリングや精密治療を革命的に変える可能性から注目が高まっており、埋め込み型バッテリーの重要性も同様に増大しています。ここで、生体由来の活性成分を利用することで長期的な電源供給が可能となり、外科手術によるバッテリー交換の頻度を減らし、より持続可能な長期解決策を提供します。
本研究は、開放型カソード構造を備え、スムーズに作動する埋め込み可能で生体適合性のある Na‑O2 バッテリーを開発に成功しました。ラット実験では、1.3 V で 2.6 μW/cm² の出力密度を達成し、体内での優れた生体適合性を示しました。
結果として、埋め込みバッテリー周囲に顕著な炎症は見られませんでした。さらに、カソード周辺の毛細血管が良好に再生し、バッテリーに継続的な O2 供給源を提供しています。
同時に、NPG カソード触媒はバッテリーに優れた安定性をもたらし、研究は NPG を Na‑O2 バッテリーのカソードとして「不可欠な選択」と評価しています。エレクトロスピニングされた PLCL 膜は生体適合性を向上させ、質量と電解質の輸送チャネルとして機能する多孔質構造により、体液の浸透と O2 の拡散を可能にしました。
放電過程で生成された Na+ と OH− イオンは血液中に取り込まれましたが、電解質バランスの乱れは起こらず、体内での代謝も肝臓や腎臓に異常をもたらしませんでした。
研究結果は、マイクロ埋め込み型電子機器への電源としても有望な可能性を示しました。さらに、体液から O2 を消費することで、Na‑O2 バッテリーの生物学的・医療的調査分野への応用可能性が浮き彫りになっています。研究によれば：
「我々の Na‑O2 バッテリーは埋め込み型バッテリーの概念を革命的に変えます。放電時の O2 消費は脱酸素機能をもたらし、嫌気性環境に関連する疾患に対して、生体電子インプラントとバイオセラピーを組み合わせる新たな方法を提供します。」
したがって、Na‑O2 バッテリーは確かに大きな可能性を持ちますが、ウェアラブルの電源に限定されず、がん治療や創傷治癒のモニタリングなど、はるかに広範な用途が期待されます。
研究はさらに、老年性認知症とがんが該当組織の酸素濃度と密接に関係していることを指摘しました。最近報告された、O2 を消費して自己充電する塩水バッテリーは、抗腫瘍療法において生体電子インプラントとバイオセラピーを組み合わせる新たな手段を提示しています。
本バッテリーにおける O2 濃度を正確に制御することで、酸素過剰や病原菌による疾患に対する治療的可能性が示されます。さらに、Na‑O2 バッテリーのカソード触媒は老年性認知症を引き起こすスーパーオキシドラジカルを減少させ、これらの分野での応用可能性も高めます。
多くの課題が残るものの、Na‑O2（ナトリウム‑酸素）バッテリーは「非常に有望で、埋め込み型デバイス分野に新たな革命をもたらし、様々な疾患の治療法の開発につながる」と研究は述べています。
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開発中のバイオテックウェアラブルソリューション
ウェアラブル技術は、主に体に装着して指標をモニタリングする電子デバイスです。現在、これらのデバイスは医療、スポーツ、フィンテック、製造業など幅広い産業で進化しています。
スポーツ業界では、ウェアラブルデバイスがアスリートにリアルタイムのデータとパフォーマンスフィードバックを提供します。スマートサングラス、フットウェア、ウェアはセンサーで心拍数、歩数、身体活動などを追跡・モニタリングし、得られた情報を基に特定領域の改善やフィットネス・トレーニング計画の調整に活用できます。
製造業では、これらのデバイスがリアルタイムの警告や危険状況情報を提供し、職場の安全確保に寄与します。また、労働者の効率と生産性を追跡することで、改善点を特定し、ワークフローの適切な調整を促します。
しかし、真に変革をもたらしているのはヘルスケア業界で、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、バイオセンサー、血圧モニター、心電図（ECG）モニターなどのデバイスが活躍しています。
ウェアラブルはユーザーが自らの健康データを収集し、それに基づいて行動できるようにします。医療専門家はリアルタイムの患者モニタリングにより、生命を脅かす状況を軽減でき、ウェアラブルがそれを容易にします。
これらのデバイスはバイタルサインや健康データを追跡・モニタリングし、医師や介護者が潜在的な健康問題を発見し、適時の介入を提供できるようにします。また、研究者や医師に貴重な洞察を提供し、臨床研究の進展や新たな治療法・治療の開発に寄与します。
一方、医療提供者や保険会社はこれらのデバイスを活用して、より正確で個別化された健康プランを提供できます。組織は従業員の健康習慣を促進するためにも活用しています。
バイオテック分野では、ウェアラブルが非侵襲的な生理状態のモニタリングや疾患・毒素曝露の状態把握を可能にします。研究者や科学者が潜在的な副作用を特定できるため、精密医療に大きく貢献します。さらに、温度や空気品質など環境条件に関する洞察を提供し、生物システムへの影響を研究できます。
それでは、ウェアラブルソリューションを開発している企業をいくつか見てみましょう。
#1. Googleが買収した Fitbit Googleが買収した Fitbit
この企業は、活動量、心拍数、睡眠パターンなどさまざまな健康指標をモニタリングするフィットネストラッカーで、ウェアラブル業界で広く知られています。また、研究者、医療システム、企業のウェルネス向けにソリューションを提供するコーチングプラットフォームも提供しています。Fitbit は主に消費者向けフィットネスに注力しており、医療企業と提携しています。
今年初め、Google の Fitbit は検査会社 Quest Diagnostics (DGX ) と提携し、ウェアラブル技術が代謝健康を改善し、脳卒中、糖尿病、認知症などの疾患予防にどのように寄与できるかを研究しました。さらに、ViviHealth と協力し、予測・処方分析を通じて行動健康センターの変革を目指しています。
GOOGL 価格チャート
Google は時価総額 1.9 兆ドルの企業で、株価は $153.16（年初来 9.5% 上昇）です。同社の売上高（TTM）は 3073.9 億ドル、EPS（TTM）は 5.80、P/E（TTM）は 26.41 です。
#2. Garmin Garmin
同社はフィットネス活動向けのウェアラブルデバイスを製造し、心拍数、ストレスレベル、さらにはパルスオキシメトリをモニタリングする機能を備えています。Venu シリーズは体のパターンと睡眠の質を追跡し、Android と Apple (AAPL ) のスマートフォンと連携して利便性を高めます。Garmin のデバイスはユーザーが健康目標を維持し、社会全体の健康向上、ウェルネスの促進、医療消費の削減を目指すことに貢献します。
同社は30年前に航空業界向けの最先端 GPS ナビゲーション製品でスタートし、現在は海洋、車載、アウトドア、フィットネス市場へと拡大しています。現在の重点はインド市場への拡大と、増加する中産階級層の消費者ベースの獲得です。
#3. Abbott Laboratories
同社はウェアラブル技術を含むさまざまな医療機器を開発しています。その一例が FreeStyle Libre で、上腕に装着する小型円形センサーがリアルタイムで血糖値を測定し、糖尿病患者が状態をより効果的に管理できるよう支援します。この市場トップクラスのウェアラブル血糖センサーは、世界で 500 万人以上のユーザーが利用しています。
ABT 価格チャート
糖尿病以外にも、イリノイ州拠点の同社は身体運動や心臓病領域のサービスも提供しています。時価総額は 1,936.2 億ドルで、株価は $111.56（年初来 1.53% 上昇）です。売上高（TTM）は 401 億ドル、EPS（TTM）は 3.27、P/E（TTM）は 34.10 です。
#4. BioTelemetry Inc.
現在は Philips の一部である BioTelemetry は、遠隔医療モニタリングシステムを提供し、心臓モニタリング用のウェアラブルデバイスも含みます。これらのウェアラブルセンサーは心拍リズムの異常やその他の心臓指標をリアルタイムで追跡します。2020 年後半に Philips は 28 億ドルの取引で BioTelemetry を買収しました。
結論
ウェアラブル技術市場は急成長しており、2026 年までに 1,180 億ドルを超えると予測されています。ウェアラブルはフィットネス、教育、エンターテインメント、旅行、ファッションなど幅広い産業に進出しています。
しかし、健康への関心が高まる中、ウェアラブルは私たちの習慣、健康、生活に大きな影響を与えています。デバイスはますます高度化していますが、バッテリー問題は依然として解決すべき課題です。
ここで示したように、ウェアラブルの寿命を延ばし、がんなどの疾患と戦うための研究が進められています。将来的には、技術の進歩と研究により、ウェアラブルは個別化ケアの提供と患者アウトカムの大幅な改善にさらに貢献できるようになるでしょう。
