バイオテクノロジー
グラフェンの開発が進む：健康への影響が最小限であることが明らかになる
グラフェンは、素材科学における重大なブレークスルーを表す、巨大な潜在能力を持つ素材です。グラファイトから抽出される、炭素の結晶形態であり、グラフェンは、素材というよりは元素として重要な役割を果たします。グラフェンは、鉛筆の芯に一般的に見られます。
グラフェンは、最も薄い素材であり、原子の一層の厚さのみで、軽量性、弾性、強度で他を凌駕します。グラフェンの強度は、鋼鉄の200倍以上であり、厚さは、人間の髪の毛の1000倍以下です。
このユニークな素材は、アルミニウムの5倍軽く、鋼鉄の3倍軽く、多様な特性を持っています。これらの特性には、光を吸収する能力や、電気伝導性、熱伝導性が含まれており、様々な分野での革新につながります。
電子工業では、グラフェンの高伝導性により、バッテリーの寿命が大幅に延長され、充電時間が短縮され、エネルギー効率とデバイスの耐久性が向上し、過熱を防ぎます。グラフェンの軽量性により、ドローンの製造における大きな制限である、エネルギー貯蔵用のバッテリーの重量が軽減されます。
グラフェンの柔軟性と、最小限の光を吸収する能力により、様々なデバイス用の耐久性の高いスクリーンを製造するのに適しています。同時に、グラフェンの強度により、照明分野での進歩に重要な役割を果たします。
建設業界では、グラフェンは建物の断熱を改善し、湿気、腐食、火災に対する耐性を提供し、家庭での熱制御に貢献します。したがって、グラフェンは、現在よりも多くのエネルギーを生成できるため、再生可能エネルギー分野で非常に有益です。また、医療分野では、軽量な補聴器や、手術による骨や筋肉の創造に役立ちます。
グラフェンの潜在的な応用例には、トランジスター、アンテナ、コンピューター チップ、スーパーキャパシター、DNA シーケンシング、水フィルター、太陽電池などがあります。
グラフェンの多様な特性と、多くの分野を革命的に変える可能性により、科学界はグラフェンを密接に監視しています。世界中の研究者や企業が、この素材を研究し、実験を行っています。
今週、マサチューセッツ工科大学の物理学者による研究では、グラフェンで「分数量子異常ホール効果」が見つかりました。分数量子ホール効果は、非常に稀な現象であり、制御できれば、故障耐性の高い量子コンピューターを構築するのに役立ちます。
この効果は、数回しか観察されていませんが、ほとんどの場合、非常に高く、慎重に維持された磁場の下で観察されます。しかし、今回は、科学者が予想していなかった材料で、磁場のない状態で効果が見られました。この発見は、基礎物理学の分野に重大な意味を持ち、妨害に強い新しい量子コンピューティングの形を切り開く可能性があります。
別の研究では、研究者は、グラフェン オキシド (GO) の新しい合成方法を発表しました。新しい方法では、ハマーズ法の酸とブロディ法の酸化剤を組み合わせて、シンプルながら少数の欠陥しかない GO を生成しました。
しかし、グラフェンには巨大な応用可能性がありますが、まだ広く使用されておらず、まだ探索中です。生産量の限界、高コスト、健康リスクが、グラフェンの採用を制限する最大の要因です。しかし、これらの要因の 1 つは、制限的ではない可能性があります。
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グラフェンを吸入すると安全であることが人間の試験で示された
グラフェンは、2004 年に科学者アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフによって初めて分離され、2010 年にノーベル物理学賞を受賞しました。『ワンダー マテリアル』と称賛されたグラフェンは、世界中で探索されており、医療分野でも、埋め込み可能なデバイスやセンサーを通じて探索されています。
医療分野では、この素材はがんなどの疾患に対する標的療法についても調査されています。しかし、当然ながら、この素材が医療目的で使用される前に、潜在的な悪影響をテストする必要があります。最近の 研究 では、グラフェンの特定の種類は、人間の健康に悪影響を与えることなく吸入できることが示唆されています。
この臨床試験では、最初の制御された暴露が行われ、薄い、超純水溶性の材料 — グラフェン オキシド (GO) — が使用されました。
グラフェンは、炭素格子の単層または数層で構成される 2D ナノ材料であり、その酸化形は、血液細胞との相性、水溶性、化学修飾のための高表面積、生物学的に関連する溶液での妥当なコロイド安定性により、生物医学科学で約束を示しています。特に、層状グラフェン オキシド材料は、膜応用のために研究されています。しかし、グラフェン オキシドの毒性に関するデータは限られており、一貫性がありません。
広範な応用が開発されている間、研究チームは、グラフェン オキシド ナノ材料は、人間の健康に対する潜在的な安全性に関する懸念と関連していることを指摘しました。したがって、チームは、グラフェン オキシドを吸入したときに、肺と血管の急性機能にどのような影響があるかを調べるために、二重盲検、ランダム化された制御試験を実施しました。
高純度の薄い金属およびエンドトキシン フリーの GO 材料は、改良されたハマーズ法を使用して合成されました。GO ナノシート (2D ナノ構造、厚さ 1〜100 nm の範囲) は、厳密に定義されたサイズであり、元素の汚染はありませんでした。研究では、2 つの横方向の寸法、すなわち小さな GO (s-GO) と超小さな GO (us-GO) を使用しました。
10 人以上のボランティアが研究に参加し、慎重に制御された暴露を経験しました。これには、特に設計されたモバイル暴露チャンバーで、素材を吸入することが含まれました。参加者は、2 時間間にわたってグラフェン オキシドを吸入し、数週間後に繰り返し制御された暴露を受けました。このとき、研究では、さまざまなサイズのグラフェン オキシド粒子を使用して実験を行いました。
したがって、14 人の若い健康なボランティアは、濃度 200 μg m−3 (1 立方メートルあたりのマイクログラム) の小さな GO ナノシートと超小さな GO ナノシートを吸入しました。実際の濃度は、s-GO で 214 ± 23 μg m−3、us-GO で 224 ± 17 μg m−3 でした。これらの濃度は、2 時間間隔で一定に維持されました。
ナノテクノロジーを最大限に活用する
研究では、暴露前の肺機能、血液凝固、血圧、炎症について、2 時間ごとに測定しました。
研究者は、素材が血圧や肺機能に悪影響を与えないことを発見しました。他の生物学的パラメータでも、不利な反応は見られませんでした。しかし、グラフェン オキシドの吸入は、血液の凝固に影響を与える可能性があることを認識しましたが、その影響は非常に小さかったと強調しました。
高度に濃縮された血液プロテオミクスの分析では、わずかな差がある血漿タンパク質が見られました。一方、血栓形成は、動脈損傷の ex vivo モデルでわずかに増加しました。
マンチェスター大学およびカタロニア工科大学 (ICN2) のコスタス・コスタレロス教授によると、この研究は、純粋なグラフェン オキシドを開発し、人間の健康へのリスクを最小限に抑えることができることを示しています。彼は次のように述べています。
「この研究を実施するための知識を蓄積するには、10 年以上かかりました。材料科学と生物科学の観点から、そして臨床的な能力からも、安全に制御された研究を実施する能力が必要でした。」
この研究は、エディンバラ大学とマンチェスター大学の研究者によって実施され、UKRI EPSRC および英国心臓財団によって資金提供されました。研究者によると、グラフェンのさまざまな形態や高用量の影響を調べるためのさらなる研究が必要です。研究チームは、グラフェン オキシドへの長期暴露が追加の健康リスクをもたらすかどうかを調べたいと考えています。
ナノ材料であるグラフェンは大きな期待がありますが、「それらが安全に製造されることを確認する必要があります。そうすれば、より広く生活に役立つことができます」と、マンチェスター大学の心臓血管科学センターのシニア研究フェローであるマーク・ミラー博士 (BSc、PhD) は述べています。グラフェンの安全性を人間で調べることで、このユニークな材料が体に与える影響を理解し、「慎重に設計すれば、ナノテクノロジーの利点を安全に活用できる」と彼は追加しました。
研究の限界について、研究者は、以前のディーゼル排気ナノ粒子に関する研究に基づいて、生物学的パラメータの変化のみを検出したと述べています。また、参加者数が、グラフェン オキシド吸入のより繊細な影響を検出するには不足している可能性があることも指摘しています。
さらに、研究者は、明らかな生理学的影響を防ぐために、用量を特に選択したことを示唆しており、高濃度の GO または長時間の暴露では、観察されなかった影響が明らかになる可能性があります。さらに、6 時間を超える研究を延長できなかったため、炎症経路の 捕捉を逃した可能性があります。
しかし、研究は明確に示していますが、超純度の薄いグラフェン オキシド ナノシート (ナノメートルサイズ) を吸入しても、健康な人間には影響がないことを示しています。このようにして、他の 2 次元ナノ材料 (平面、非球形の物質、1 つの寸法 <100 nm) の影響を人間で調べる基礎を築くことになります。
この研究は、新しい薬剤送達方法の開発の扉を開きます。最適化された薬剤送達システムを設計する際の目的は、治療剤を制御された方法で運び、健康な組織への副作用を最小限に抑えることです。
これは、グラフェンと 2D ナノ材料の総合的なリスク評価の一歩であり、安全な設計アプローチを採用して、このユニークな材料の真の潜在能力を発揮するための重要なステップです。
グラフェンを探索する企業
グラフェン ベースのソリューションは、テスラ、サムスン、ロッキード マーティン、フォード、インテル、3M など、多くの企業や業界に大きな利益をもたらす可能性があります。ここで、グラフェンを探索し、グラフェン ベースのソリューションを開発している企業を紹介します。
#1. Graphenea
グラフェン ベースの材料の主要な製造業者である Graphenea は、研究および産業用途のための高品質のグラフェンを提供しています。同社のポートフォリオには、グラフェン オキシド、グラフェン フィールド エフェクト トランジスター チップ (GFETs)、CVD グラフェン フィルム、およびグラフェン ファウンドリー サービス (GFAB) が含まれています。
Graphenea の製品リストには、Graphenea カードや mGFET-4D および mGEFD-4P が含まれており、センシング アプリケーションに使用されます。同社は、グラフェン フラグシップと呼ばれる、ヨーロッパ最大の研究イニシアチブであり、10 億ユーロの予算を擁する、協調的な取り組みのパートナーです。
#2. Haydale Graphene Industries
グラフェンを含むナノ材料の処理を専門とする世界的技術企業です。ロンドン証券取引所 (HAYD-GB) に上場している同社の時価総額は 444 万で、株価は 0.45 で、年初来は 5.26% 上昇しています。同社の時価総額 (TTM) は 61 億 8600 万ドルで、EPS (TTM) は -0.85、P/E (TTM) は -0.53 です。
同社の 年間純利益 は、28.20% 減少して 617 万ポンドの損失となりましたが、売上高は 48% 増加して 430 万ポンドとなりました。これは、販売による原材料費の増加によるものです。昨年後半、Haydale は 0.5 ポンド/株の価格で 500 万ポンドを調達し、個人投資家向けに最大 100 万ポンドの小売オファーを提供しました。
同社は、マレーシアの石油天然ガス会社ペトロナス (Petroliam Nasional Berhad) の技術商業化部門であるペトロナス ベンチャーズと提携して、グラフェンを製品アプリケーションに機能化しました。この提携は、さまざまな業界でグラフェン ベースの製品の大量生産を促進するためのものでした。
2023 年 12 月、ウェールズ政府は、水ベースの熱伝達流体メーカーである Hydratech と提携して、グラフェンを混入した熱伝達流体を開発するために、同社に SMART 資金を提供しました。
#3. IBM
このテクノロジー大手は、グラフェンを電子機器に応用しています。約 10 年前に、IBM は、グラフェン チップを 10,000 倍の高速化で開発しました。数年後、IBM はグラフェンのユニークな特性を利用して、半導体デバイスを 7 ナノメートル未満の特性サイズまでスケーリングできる製造技術を開発しました。
これは、半導体技術における重要な進歩であり、ミニチュア化とパフォーマンスの境界を押し広げています。IBM は、ナノエレクトロニクスの未来に多大な時間と数十億ドルを投資しています。グラフェンを含むものです。
(IBM )
同社の時価総額は 1,640 億ドルで、株価 (IBM: NYSE) は 181.20 ドルで、年初来は 9.87% 上昇しています。同社の売上高 (TTM) は 6,186 億ドルで、EPS (TTM) は 8.03、P/E (TTM) は 22.37、ROE (TTM) は 33.36% です。同社は 3.70% の配当利回りで株主に配当金を支払っています。
結論
グラフェンは、非常に多様な素材であり、エネルギー、電子機器、建設業界で広範な応用が見られます。テクノロジー業界では、この素材はテクノロジーとのやり取りを完全に変える可能性があります。この研究はさらに、グラフェンが医療業界で安全に使用できることを示しています。ただし、グラフェンの完全な利点を得るには、低コストで大量生産する必要があります。これはまだ達成されていません。
しかし、グラフェンは「将来の素材」であり、正当にそう呼ばれています。世界で最も薄く、最も柔軟で、最も強い素材であるため、世界を変える真の革命をもたらす可能性があります。
