ヒドロゲル: 奇妙な方法でヘルスケアを変える

2023 年 5 月 23 日には、簡単な注射で骨折が治り、摂取可能なデバイスが私たちの健康状態を追跡し、脳や心臓のインプラントがシームレスに肉と噛み合う世界が実現するのもそう遠くないかもしれません。 何十年もの間、材料科学者は、壊れた部品を交換したり、病気を治療したりすることを期待して、人体の複雑な構造を模倣することに取り組んできました。 しかし、人工器官からペースメーカーに至るまで、ほとんどの交換部品や矯正部品は金属やプラスチックなどの硬くて乾燥した生命力のない材料で作られていますが、生体組織は柔らかく湿っていて生きています。 身体は違いを知っており、模倣品を拒否する傾向があります。 ここでハイドロゲルが登場します。

ヒドロゲルは、水で膨潤した分子の三次元ネットワークです。 それらは 1960 年にソフト コンタクト レンズの作成者によって初めて記載され、液体から固体、そしてその中間のふわふわしたものに変形することができます。 ヒドロゲルは、ポリマーでできた水のメッシュバッグ、またはスパゲッティのような分子の鎖のようなもので、繰り返しパターンで縫い合わされ、H2O で膨らみます。 人間の骨は約 25% が水分ですが、筋肉は約 70%、脳は 85% です。 この貴重な液体は、栄養素の出入りの移動から細胞間の対話の補助まで、さまざまな重要な役割を果たします。 研究室で作られたヒドロゲルには、細胞やこれらの機能の一部を模倣するのに役立つ薬剤などの貨物を積み込むことができます。

ヒドロゲルは肉のように柔らかくて柔軟です。 したがって、インプラントに使用すると、周囲の組織に損傷を与える可能性が低くなります。 また、ヒドロゲルは無毒である傾向があるため、免疫系がそれらを異物として攻撃する可能性が低くなります。 これらすべてにより、ハイドロゲルはバイオエンジニアリングの世界の新たな寵児となっています。

ヒドロゲルは人間と機械を融合させるのに理想的です。 スタンフォード大学の材料科学および工学准教授であるエリック・アペル博士は、ハイドロゲルをサッカーのネットに例え、これらすべての長い繊維が編み込まれてネットが形成されています。 より広いカテゴリーの「ゲル」には化学溶媒を含むあらゆるものを充填できますが、ヒドロゲルを際立たせる重要な成分は水です。

ハイドロゲルには、薬の服用方法や磨耗した関節の治療方法を変える可能性があります。 アペル氏は、これらのハイテク球体がいつか徐放性の薬を体内の適切な場所に運ぶことができることを期待して、何年もの間、ゲルの処方をいじくり回してきました。 彼の新しいヒドロゲルは、注射器内で完全に形成されたゲルとして始まります。 しかし、プランジャーを押すと、魔法のように形状が変化し、標準的な針を簡単に通過できるほど薄い液体になります。 排出されるとすぐにゲルに戻り、固有の貨物を劣化から守ります。 このような徐放性ヒドロゲルはワクチンの持続期間を延長し、腫瘍破壊療法をより正確に提供できる可能性がある。

一方、マサチューセッツ工科大学の別のチームは、別のアプローチを採用し、胃の中でフグのように膨らみ、1か月間持続し、その間ゆっくりと薬物を放出する標準サイズの摂取可能なヒドロゲル錠剤を開発した。 錠剤を取り出すには、患者は塩ベースの溶液を飲むだけで、ピンポン玉ほどの大きさの装置が縮み、錠剤が体外に排出できるようになります。 フグの丸薬には、潰瘍やがんなどの状態を追跡するための小型カメラやモニターも搭載される可能性がある。

ヒドロゲルは、ヒトの軟骨を置き換えるためにも検討されています。 ワイリーとデューク大学の同僚は最近、本物よりもさらに強力で耐久性のある初のゲルベースの軟骨代替品を開発したと報告しました。 ヒドロゲルをチタンの裏材に貼り付けて所定の位置に固定することで、手術が必要になるずっと前に「歯科医が空洞を埋めるのと同じように」損傷した軟骨を修復したいと考えている。

トロント大学では、化学者のカリーナ・カルネイロ博士と歯科医のクリストファー・マカロック博士（DDS）が、注入して骨の欠損に移動し、パテのように隙間を埋めることができるDNAでできたヒ​​ドロゲルを開発した。 しかし、穴をふさぐだけでなく、骨の再生を促します。

ハイドロゲルの最も大胆な潜在的用途は、人間と機械の相互作用の領域にあります。 多くの企業がすでに、麻痺して話すことができない人が自分の思考を使ってラップトップで文章を書けるようになるかもしれない、神経補綴物やブレイン・コンピューター・インターフェースに手を出している。 スプーン・イン・ザ・ゼリーの問題は大きな障害となっている。 しかし、神経工学を研究する材料科学者のクリスティーナ・トリンギデス博士とそのチームは、ふにゃふにゃした脳組織にうまく溶け込むだけでなく、電気を通すことができる、ナノ材料の小さな斑点を詰め込んだ海藻ベースのヒドロゲルを開発した。 10 年以内に、これは皮質電気検査に使用される不格好なプラチナ金属ディスクに取って代わられる可能性があります。

30年後、50年後には可能性は無限大です。 ヒドロゲルは、薬の服用方法や磨耗した関節の治療方法を変革し、脳を含む臓器が機械と直接対話できる、一見 SF のような未来への道を開く可能性を秘めています。