医療機器は動物界から設計のヒントを得る

動物界は、特定のニーズを満たすためにプロセスや特性を適応させるために、数百万年にわたる生物学的進化の恩恵を受けてきました。 科学者やエンジニアは、バイオインスピレーションとして知られるアプローチを使用して、生物学から得た洞察を利用して、今日の技術課題を解決し、新しい材料、デバイス、構造の設計を最適化しています。

たとえば、医療分野では、研究者たちはシャコの驚くべき目に基づいた外科用画像システムを設計し、イカの皮膚の適応特性を模倣してユーザーが体温を制御できるようにするスペースブランケットを作成し、眼圧を作製しました。蝶の羽で初めて発見された光学特性を持つナノ構造に基づくセンサー。

そして今週、人間の健康の利益のために生物学からの洞察を活用した2つの新しい研究研究が発表されました。

まずはセンザンコウです。全身が硬い鱗で覆われている唯一の哺乳類です。 これらの鱗は互いにではなく、下にある皮膚につながっており、松ぼっくりのように重なり、センザンコウが脅かされるとボールのように丸くなることができます。 そして、マックス プランク インテリジェント システム研究所の Metin Sitti とその協力者が小型のソフト医療ロボットを設計するインスピレーションを与えたのも、これらのスケールでした。

繋がれていない磁気ソフト ロボットは、体内で低侵襲の医療処置を実行できる可能性をもたらします。 いつか、そのようなロボットが磁場によって手の届きにくい領域に誘導され、そこで薬剤を投与したり熱を生成したりできるようになるかもしれない。 局所的な加熱は、出血を止めたり、組織を切断したり、腫瘍を切除したりするためにも使用できます。 ただし、遠隔から熱を発生するには硬い金属材料を使用する必要があり、これによりソフトロボットのコンプライアンスと安全性が損なわれる可能性があります。

「長距離での効果的な遠隔加熱とコンプライアンスの間のこの固有のトレードオフに対処するために、私たちは、自然界のセンザンコウが、下にある組織層よりも桁違いに硬くて堅いケラチン鱗を持っているにもかかわらず、どのようにして柔軟で妨げられない動きを達成できるのかを観察しました。ケラチンの鱗片を重なり合う構造に組織化することによって」と研究者らは『Nature Communications』誌に書いている。

これを念頭に置いて、Sitti らは、柔らかいポリマー層とセンザンコウにインスピレーションを得た金属要素が重なった層で構成される 20 x 10 x 0.2 mm のロボットを設計および構築しました。 ロボットを低周波磁場にさらすことで、研究者らはロボットを丸めて動き回らせることができた。 高周波磁場にさらされると、ロボットは 30 秒以内に長距離 (5 cm 以上) でオンデマンド加熱 (70°C 以上) を実現しました。

組織ファントムの概念実証実験で、研究チームは65mTの回転磁場が紐のないロボットを作動させて動かすことができ、加熱スケールが蜜蝋でロボットに固定された荷物を選択的に解放できることを示した。

ロボットの臨床的可能性をさらに評価するために、研究者らは生体外のブタの胃内での出血をシミュレーションし、ロボットが出血部位まで移動し、熱を利用して出血を止めることができることを実証した。 また、腫瘍スフェロイドを加熱スケールに直接接触させたところ、60 °C でわずか 5 分間加熱しただけでスフェロイドが破壊されました。

「多くの疑問や技術的な課題がまだ残っており、克服可能ではありますが、より多くの時間と労力が必要です。 これらには、これらのロボットを臨床シナリオに導入する臨床的有用性と実用性、生体適合性の問題、制御と追跡が含まれます」と筆頭著者のレン・ハオ・スン氏は述べています。 「次のプロジェクトでは、これらの繋がれていないロボットをベッドサイドに近づけていきたいと思っています。 私は臨床医と緊密に連携して、このようなロボットが役立つ可能性のある実際の医療ニーズを特定したいと考えています。」

青いリングのタコは小さくて鮮やかな色をしており、世界で最も有毒な海洋動物の 1 つです。 その咬傷は獲物の甲羅に穴を開け、麻痺させる神経毒であるテトロド​​トキシンを放出します。 中国の四川大学と浙江大学を率いる研究チームは、「アオダコの捕食行動は、私たちに局所薬を改良する戦略を思いついた」と書いている。