人間とテクノロジーの融合を実現する画期的な組織状ハイドロゲル半導体

2024年11月21日　トレイシー・ビーンズ & ミシェル・エドワーズ

人類はトランスヒューマニズム（科学技術によって、現在の肉体的・精神的限界を超えて進化できるという、物議を醸す恐ろしい信念）に一歩近づいた。もはや陰謀のレッテルを貼られるだけでなく、シカゴ大学の研究者たちは、生体組織と機械の間で情報を伝達するのに必要な半導電性を保持する新しいハイドロゲル半導体を開発した。移植可能な医療機器と非外科的用途の両方での使用を意図したこの画期的なソリューションは、柔らかく、伸縮可能で、生体組織と同様のかなりの水和度を持ち、その柔らかい機械的特性と高い電子的機能性を融合させ、「生体組織と電子機器のインターフェースに最適な素材 」となっている。本研究の共著者であるシカゴ大学PME助教授Sihong Wang氏は次のように述べた。

「ハイドロゲルは、組織工学や薬物送達に最も有用な材料であろう」。

2024年10月24日に発表された新しい研究論文の筆頭著者であるYahao Dai氏は、移植可能な生体電気デバイスを作る際に、取り組まなければならない障害の1つは、組織のような機械的特性を持つデバイスを構築することであると説明している。この成果は、デバイスが生体組織と直接インターフェースされたときに、一緒に変形し、非常に親密な生体インターフェースを形成できるようにするために必要である。組織のような特性を提供することに成功した研究チームのハイドロゲル半導体は、半導体とハイドロゲルを融合させたものではない。その代わり、半導体とハイドロゲルを同時に実現した材料なのだ、とSciTech Daily誌は報じている。王氏はこう語った。

「半導体特性とハイドロゲル設計を併せ持つ1つのピースであり、このピース全体は他のハイドロゲルと同じである」。

しかし、この新しいダイナミック・デュオのハイドロゲル素材は、前述のように半導体でもあり、さらに一歩進んで2つの分野で生物学的機能を改善し、どちらか一方だけでは達成できないより優れた結果を生み出した。第一に、SciTech Daily誌は、非常に柔らかい素材が組織と直接結合することで、医療機器を埋め込む際に通常引き起こされる免疫反応や炎症が抑えられると報告している。

第二に、ハイドロゲルは非常に多孔質であるため、この新素材は 「バイオセンシング反応の上昇と、より強い光変調効果 」を促す。言い換えれば、生体分子がハイドロゲル膜の中に拡散する能力は、治療機能に対する光に対する感度を著しく高め、反応を高める。この反応の高まりは、例えば、光で作動するペースメーカーや、「光のひとふき 」でより効率的に加熱して治癒を早める創傷被覆材に役立つ可能性がある。

このハイドロゲルは特許を取得し、シカゴ大学ポルスキー・イノベーション起業家センターを通じて販売されている。興味深いことに、ジメチルスルホキシド（DMSO）がハイドロゲル半導体（ハイドロSC）の調製と組み立てに重要な役割を果たしている。DMSOは多くの人が複数の治癒能力を持つと信じている物質で、水に溶けないポリマー半導体を溶かす溶媒として使用される。既存のポリマー半導体のほとんどは（モノマーと呼ばれる小さな粒子が多数集まってできている）水溶性ではないため、水性媒体中での直接的なハイドロゲル形成には問題がある。したがって、DMSOの役割は極めて重要である。

DMSOは半導体を溶解したままにし、ハイドロゲルと架橋剤の混合を容易にする。溶媒交換プロセス（DMSOから水へ）の間、DMSOは水への溶解度が制限されているため、ポリマー半導体を析出させる。この調節された析出により、多孔性ヒドロゲルマトリックス内にポリマー半導体の良好なパーコレーションネットワークが形成される。このネットワークは、効率的な電荷輸送と電子機能を実現するために不可欠である。DMSOは、ハイドロゲルモノマー（他の類似の分子と化学結合してポリマーと呼ばれるより大きな分子を形成することができる低分子）を紫外線（UV）で架橋させて3Dハイドロゲルネットワークを形成するための媒体として機能する。DMSO中でのハイドロゲルモノマーの高い反応性により、ハイドロゲル構造を効率的に形成することができる。

一言で言えば、DMSOは、水に溶けないポリマー半導体をハイドロゲルに組み込むことを可能にする処理溶媒として機能する。溶解、架橋、制御されたネットワーク形成におけるDMSOの役割は、半導体の特性とハイドロゲルの柔らかく組織のような特性との統合の成功を保証する。

組織のような柔らかさと伸縮性（～150％）により、この偉業はハイドロSCが人体とシームレスに一体化することを可能にした。人工視覚システムや、AI環境におけるデジタル・インタラクションを 「感じる 」ための皮膚拡張など、将来の用途は恐ろしいほど無限であり、赤外線や電磁場、AI設定の検出など、人間以外の感覚を可能にする。さらに、ハイドロSCは、デバイスと人体間の無線通信を効率化し、インターネットやクラウドコンピューティングとの直接接続などのデジタル拡張を可能にする可能性がある。もちろん、ハイドロSCを使って色を変えたり、発光させたり、情報を動的に表示させたりする電子タトゥーなど、アンチエイジングや美容への応用も注目されている。やったね。

ワン・リサーチ・グループの指導を受けたチームが、エレクトロニクスと人体を融合させる方法の開発に大半の時間を費やしていることは間違いない。同グループのハイドロゲル半導体は、生物学的システムと電子システムの統合を大きく前進させることで、トランスヒューマニズムのアジェンダを推進する大きな可能性を秘めている。