超弾性フェニルアラニンジペプチド結晶繊維のウェアラブルおよびインプラント可能なバイオエレクトロニクスへの応用

背景紹介

柔軟なバイオエレクトロニクスの急速な発展に伴い、高い弾性、通気性を持ち、人体と共形変形を実現する圧電材料とデバイスの開発が重要な研究課題となっています。従来の無機圧電セラミック（酸化亜鉛、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛など）は高い圧電係数を持っていますが、人体組織との機械的特性が一致しないため、実際の応用が制限されています。有機圧電ポリマー（ポリフッ化ビニリデンやポリ乳酸など）は良好な生体適合性を持っていますが、圧電効果が弱く、伸縮性も限られています。そのため、高い圧電性能を維持しつつ、良好な弾性、通気性、生体適合性を兼ね備えた材料の探索が現在の研究の焦点となっています。

フェニルアラニンジペプチド（Phenylalanine Dipeptide, FF）は、その優れた圧電性能と機械的特性から、ウェアラブルおよびインプラント可能なデバイスを製造するための理想的な材料とされています。しかし、FF結晶の固有の剛性、脆性、単分散性は、柔軟なデバイスへの応用を制限しています。これらの問題を解決するために、研究者たちはナノ閉じ込め自己組織化戦略に基づく新しいFF結晶繊維（FF-CFs）を開発し、弾性、柔軟性、安定性、通気性を兼ね備えた材料を実現することを目指しました。

論文の出典

この研究は、南京理工大学化学与化工学院のJuan Ma、Lili Qian、Fei Jin、Weiying Zheng、Tong Li、Zhidong Wei、Ting Wang、Zhang-Qi Fengによって共同で行われ、2025年に『Advanced Fiber Materials』誌（巻号7、ページ338-350）に掲載されました。研究は中国国家自然科学基金、中国博士后科学基金、および中央大学基本科研業務費の支援を受けています。

研究のプロセスと結果

1. FF結晶繊維の作製と特性評価

研究チームは、FF結晶を配向スチレン-ブタジエン-スチレン（SBS）分子ビームと結合させ、独特のほぞ構造を形成させることで、弾性（≈1200%）、柔軟性（ヤング率：0.409 ± 0.031 MPa）、圧電性（巨視的d33：10.025 ± 0.33 pC N⁻¹）、通気性、物理的安定性を兼ね備えたFF結晶繊維を取得しました。具体的な手順は以下の通りです：

• SBS繊維のエレクトロスピニング：25 wt%のSBSを1,2-ジクロロエタンに溶解し、4時間の熱攪拌後、エレクトロスピニング法でSBS繊維を作製。
• FFアセトニトリル溶液の調製：20 mgのFFを100 μlのヘキサフルオロイソプロパノールに溶解し、アセトニトリルで0.2% w/v濃度に希釈。
• FF結晶繊維の作製：マイクロ浸透引き抜き法により、FFアセトニトリル溶液とSBS繊維を結合させ、FF結晶繊維を形成。

2. FF結晶繊維の性能評価

研究チームは、走査型電子顕微鏡（SEM）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、定常/寿命蛍光分光法（PL）などの手段を用いて、FF結晶繊維の形態、機能基、自己組織化メカニズムを評価しました。その結果、FF結晶繊維は優れた弾性、柔軟性、物理的安定性を持ち、人体の皮膚と共形変形を実現し、さまざまな人体活動において高忠実度の生物情報収集能力を示すことが明らかになりました。

3. FF結晶繊維の圧電性能

FF結晶繊維の縦方向圧電係数（d33）は10.025 ± 0.33 pC N⁻¹で、一般的な圧電材料（グリシン、ポリ乳酸、コラーゲン繊維など）よりも高い値を示しました。研究チームは、FF結晶繊維を液体金属（Ga-In合金）コーティングおよび無線電子伝送コンポーネントと組み合わせ、柔軟な人体生理運動センシングシステムを開発しました。このシステムは、人体の動きを高感度で検出し、さまざまな生理状態における心拍、呼吸、横隔膜運動の微妙な圧力変化を検出することが可能です。

4. 動物実験

研究チームは、FF結晶繊維センサーをマウスの心臓、胸筋、横隔膜に移植し、さまざまな生理状態における信号の変化を監視しました。実験結果から、センサーは心拍数と呼吸パターンを正確に捕捉し、長期移植実験においても良好な生体適合性を示すことが確認されました。

結論と意義

この研究では、ナノ閉じ込め自己組織化戦略を用いて超弾性FF結晶繊維を成功裏に作製し、FF結晶の柔軟なデバイス応用における剛性、脆性、単分散性の問題を解決しました。FF結晶繊維は、優れた弾性、通気性、安定性を兼ね備え、柔軟な人体生理運動センシングシステムに応用され、人体の動きを高忠実度で検出することができます。さらに、このセンサーは動物実験において良好な生体適合性と長期安定性を示し、将来のウェアラブルおよびインプラント可能なバイオエレクトロニクスデバイスに対する新しい解決策を提供します。

研究のハイライト

1. 超弾性FF結晶繊維：ナノ閉じ込め自己組織化戦略を用いて作製されたFF結晶繊維は、1200%の引張りひずみを持ち、従来の圧電材料の限界を突破しました。
2. 高感度センシングシステム：液体金属コーティングと無線伝送コンポーネントを組み合わせた柔軟なセンシングシステムは、人体の動きと生理信号を高感度で検出することが可能です。
3. 良好な生体適合性：動物実験により、FF結晶繊維センサーは長期移植後も良好な生体適合性を維持し、インプラント可能なデバイスの安全性を保証することが示されました。

その他の価値ある情報

この研究では、FF分子の機能化と自己組織化プロセスの最適化を通じてデバイス性能をさらに向上させ、深層学習技術と組み合わせることで、健康モニタリングや感情認識などのインテリジェント機能を実現し、インテリジェント医療分野の革新的な発展を促進することが提案されています。

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この研究は、柔軟な圧電材料の設計に新しい視点を提供するとともに、ウェアラブルおよびインプラント可能なバイオエレクトロニクスデバイスの開発において新たな道を開くものであり、重要な科学的価値と実際の応用可能性を持っています。