材料科学
内部エレクトロニクス – 金でギャップを埋める
埋め込み型医療機器の市場は、慢性疾患の増加と消費者意識の高まりにより着実に成長しています。 技術の進歩がこのペースをしっかりと支えており、これらのデバイスをより効率的で便利、かつ低コストにしています。
数値は、世界の埋め込み型医療機器市場が10年でほぼ倍増し、2023年の1,057億米ドルから2033年には2,070億米ドルになることを示唆しています。 本日は、この分野で最近最も画期的なイノベーションの一つに注目します。これは、医療生理学と効率的なエレクトロニクスが交差する活況な領域の象徴でもあります。
金ナノワイヤとソフト電極が神経系に接続できるようになりました
Linköping Universityの研究チーム は金ナノワイヤを作成し、柔らかい電極を開発しました。これらは伸縮性、電気伝導性、体内での耐久性において人間の神経と同等に機能します。
研究者や専門家はこのイノベーションに大きな可能性を見出しています。 まず第一に、金を柔らかいインターフェースに使用し、医療目的でエレクトロニクスを神経系に接続する可能性が開かれます。
適切に展開すれば、てんかん、パーキンソン病、麻痺、そして慢性的な痛みといった広く見られる問題の緩和につながります。
長い間、世界中の研究者は組織を損傷しない柔らかい電極の作成に関心を持ってきました。Linköping Universityの研究者によるこの成果は、髪の毛の千分の一の太さの金ナノワイヤを作り、弾性材料に埋め込むことで、柔らかいマイクロ電極として機能させることに成功しました。
Klas Tybrandtは、研究の独自性と成果について説明し、次のように述べました:
「金ナノワイヤと非常に柔らかいシリコンゴムを組み合わせた新しく、より優れたナノ材料の作製に成功しました。これらを組み合わせることで、高い電気伝導性を持ち、非常に柔らかく、体内で機能する生体適合性材料からなる導体が得られました。」
金ナノワイヤの作製：克服された課題
研究者が直面した主な課題の一つは、長く細い金ナノ構造体の製造でした。研究者はこの課題を克服する独自の方法を考案し、それは銀ナノワイヤを使用することでした。この独自の成果をどのように達成したかについて、Klas Tybrantは次のように述べました:
「銀ナノワイヤの作製が可能であることを利用し、銀ナノワイヤを金を成長させるテンプレートとして使用します。次の工程で銀を除去します。これが完了すると、99%以上が金である材料が得られます。」
当初、研究者は銀を使用できませんでした。銀は化学的に反応しやすく、時間とともに劣化し、分解や変色のリスクがあるためです。さらに、高濃度の銀は人体に有毒になる可能性があります。そのため、銀に金をコーティングする必要がありました。
彼らが開発した材料とその耐久性について、研究者はこの解決策が少なくとも3年間は持続し、以前に開発された多くのナノ材料を上回ると考えています。
まもなく、研究チームは材料の改良と、さらに小型で神経細胞とより近接させることが可能なさまざまなタイプの電極の作製に取り組み始めます。
インプラントの多様な世界
この研究の有用性はすでに指摘されていますが、医療技術分野には他にも多くのインプラントが存在します。これらは診断と治療をより一貫性があり、手頃で、効率的にします。
例えば、ジョージア工科大学の科学者は、脳血管内の動脈瘤の治癒をモニタリングする埋め込み型ウェアラブルセンサーを開発しました。バッテリー不要で動作するため、血流を調整するために埋め込まれるステントやダイバートの周囲に巻き付けることができます。
このセンサーはエアロゾルジェット3D印刷で作成され、エラストマー基板上に導電性銀トレースを配置します。カテーテルで挿入され、信号の誘導結合を利用してバイオミメティックな脳動脈瘤血行動態をワイヤレスで検出します。
このプロセスは3つのコイルを含みます。1つのコイルは体外の別のコイルから送信される電磁エネルギーを捕捉します。血液がステントを通過すると、埋め込みセンサーの容量が変化し、第三の外部コイルへ送信される信号が変わります。
同様の研究の別例として、テキサスA&M大学のエンジニアチームは、グラフェンを使用し、皮膚に交流電流を注入して血圧をモニタリングするデバイスを開発しました。
「グラフェン・エレクトロニック・タトゥー」と呼ばれるこれらの貼付型グラフェンセンサーは、継続的なモニタリングにより心血管の健康状態を追跡できます。患者が睡眠中、運動中、または高ストレス状況下でも、データ収集と機能を継続します。
これらのインプラントデバイスがエネルギーを取得・利用できるかどうかの研究も進行中です。例えば、マサチューセッツ工科大学の研究チームは、グルコースから電力を得るバッテリーを開発しました。この新しいバッテリーは厚さわずか400ナノメートル、すなわち人間の髪の直径の1/100程度です。平方センチメートルあたり約43マイクロワットの電力を生成し、600°Cまでの温度に耐えられます。
研究者は超薄型セラミック基板とグルコース溶液を使用し、バッテリーに柔軟性を持たせ、体内への設置を容易にしました。
研究者ができるだけ多くの新規かつ独自の技術ソリューションを模索する一方で、いくつかの企業は効率的なインプラントデバイスを大量導入できるよう取り組んでいます。次のセクションでは、そうした商業的ソリューションをいくつか取り上げます。
#1. CorTec
画期的なソリューションを継続的に提供している企業の一つがCorTecです。 ISO 13485認証を取得しているCorTecは、社内ラボとクリーンルーム施設で神経調節およびアクティブインプラント技術向けの製品とコンポーネントを開発・製造しています。
CorTecの特許取得済みAirRay電極シリーズは、神経組織の刺激と記録に有用で、医療デバイス向けの神経系への理想的なインターフェースとして機能します。
例えば、AirRayカフ電極は末梢神経系への電気インターフェースを提供し、グリッドおよびストリップ電極は中枢神経系とのインターフェース用に設計されています。AirRay経皮電極は皮下使用を想定し、脊髄の記録と刺激にも使用されます。最後に、AirRayパドル電極は中枢神経系、特に脊髄への電気インターフェースを提供します。
このシリーズに加えて、CorTecの特許取得済みソリューションの一つに皮質電極があります。これらは侵襲的神経モニタリング用のCorTecのECoG電極です。この電極を用いることで、てんかん焦点の局在化や脳マッピングの要件に沿った脳電気信号のモニタリングが可能です。電極は最大29日間使用でき、2本のケーブルだけで合計64本の電極を接続できます。電極接触部はほぼ触知できず、シリコンからの分離を防ぐように材料と安全にロックされます。
CorTecの皮質電極の最も重要な点は、FDAが中枢神経系の侵襲的神経モニタリング用として承認と市場クリアランスに適合すると判断したことです。製品ポートフォリオは1×4から8×8までのすべての接触配置を含みます。
重要な公的資金に加えて、CorTecは公式声明によれば、4回の資金調達を行っています。現在の投資家にはMangold Invest、M-Invest、Kfw、High-Tech Gründerfonds、Santo Venture Capital GmbH、LBBW Venture Capital、K & S W Investが含まれます。
公的資金には、ドイツ連邦教育研究省（Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF）および欧州連合からの助成金が含まれます。
#2. Atrotech
この分野で数十年にわたりややニッチながら画期的な取り組みを行っているもう一つの企業がAtrotechです。1984年に設立され、フィンランド・タンペレのテクノポリス・ヘルミアに拠点を置くAtrotechは、医療とバイオエンジニアリングの学問を組み合わせた学際的な製品アイデアの結果として誕生し、主な活動は機能的電気刺激（FES）分野に焦点を当てています。
Atrotechのこの分野での主な貢献の二つは、埋め込み型神経刺激装置と埋め込み型電極の設計・製造です。
電極の開発において、同社は30年以上にわたる高品質プラチナ接点電極、リードワイヤ、マルチポールリードコネクタの製造経験を活かしています。提供対象は研究プロジェクト、臨床試験、商業的に流通する医療機器です。
同社は柔軟な生産プロセスを持ち、小ロットから大規模ロットまで迅速かつコスト効果的に製造できます。さらに、開発初期段階で複数の医師や大学と連携し、潜在的な新医療機器のプロトタイピングを行っています。
同社が最近資金提供した研究の一つは、横隔神経遠位部を対象とした新規の取り外し可能な外科的埋め込み型一時的神経刺激アプローチの実現可能性と安全性を評価することを目的としました。 この研究のために、同社は特別に設計された一時的横隔神経刺激装置（tPNS）電極を開発しました。
専門企業と産業志向の企業、そして世界中の研究者や医師とのこのような協力は、内部エレクトロニクスの未来を明るく、繁栄する準備ができているものにします。
内部エレクトロニクスの将来の軌跡
2024年7月に『Nature』誌に掲載された最近の研究によると、研究者はバイオ吸収性Mg‑Nd‑Zn‑Zr合金を基にした埋め込み型電極を開発し、次世代の高周波（RF）組織溶接アプリケーションで有効に機能するとされています。
この電極は熱損傷を低減し、吻合強度を向上させると期待されています。溶接領域に円筒表面（CS）と連続長リング（LR）という異なる構造特徴を持たせて設計され、電極の電熱シミュレーションは有限要素解析（FEA）で検証されました。
結果は、LR電極に110 Vの交流を10秒間適用すると、溶接領域の平均温度と壊死組織の割合が有意に低下することを示しました。また、LR電極で溶接された組織の最高温度と平均温度も大幅に低減でき、吻合組織の強度が向上しました。
1984年に設立された半導体産業の機能的スケーリングを支援するためのラボ、Imecはナノスケールのインプラントにおいても先駆的な突破口を開いています。次世代ハプティック義肢に適した低侵襲インプラントの開発を支援しました。Imecがフロリダ大学と共同で開発したプロトタイプのインプラントチップは、患者に腕義肢のより直感的な制御を提供します。その主要コンポーネントの一つである薄型シリコンチップは、電極密度に関して世界初であり、DARPAのHAPTIXプログラムが資金提供したIMPRESSプロジェクトの一環として、将来世代のハプティック義肢技術のためのクローズドループシステムを創出するために開発されました。
炭素ベースのインプラント型バイオエレクトロニクスの重要性に関する科学的出版物の一つは、内部エレクトロニクスの有用性について重要な観察を行いました。原文を引用すると、次のように述べています:
「インプラント型バイオエレクトロニクスは、体外の部位から身体情報を感知したり、生体の反応を引き起こしたりできるため、さまざまな疾患に対する有用で有望な治療法となりつつあります。」
将来的には、炭素材料がインプラント型医療エレクトロニクスの製造において重要な役割を果たすでしょう。これらの利点には、炭素材料の高品質な生体適合性、疲労耐性、低比重が含まれます。これらの材料は、薬物送達装置、バイオセンサー、治療用刺激装置、エネルギー貯蔵など、幅広い用途で使用されています。これらすべての特性は、神経系、心血管系、消化器系、運動系の分野で役割を果たします。
インプラント型アクチュエータ、バイオセンサー、薬物送達システム、電源装置はすべて、内部またはインプラント型エレクトロニクス分野の進歩から恩恵を受けています。この領域でさらなる進展を遂げるには、世界中のバイオサイエンス研究者、材料科学者、物理学者が協働するより横断的なアプローチが必要です。
