【目次】
- 1. 頭蓋内信号の無線モニタリングのための注射可能な超音波センサー
- 2. 低侵襲治療のための油圧マイクロモーター駆動ディセクター
マイクロメカニカルデバイスは通常、ミクロンスケールの機械部品と電子部品を統合して微小電気機械システム（MEMS）を形成し、機械信号と電気信号の変換を実現することで、比較的複雑な3次元機械構造を持ちます。 現在、マイクロメカニカル技術は、自動車、医療、航空宇宙、通信などの分野で広く使用されています。
MEMSの市場需要の高まりと積層造形技術の発展により、構造の自由度と開発サイクルの面で従来の製造技術の限界を徐々に打ち破っています。BMFが自社開発した表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）技術は、低印刷コスト、高成形効率、高印刷精度という優れた利点を持ち、小型トランスミッションギアを含む複雑な3次元マイクロおよびナノ構造の精密加工に優れています。マイクロトランスミッションギア、流体制御バルブ、バイオセンサーなどの複雑な機能部品は、マイクロ機械構造分野で広く使用することができます。 以下、BMFの顧客が発表した関連記事を簡単に紹介します。
図1 3Dプリンターで作製したプロトタイプの微細表面構造のSEM画像
1. 頭蓋内信号の無線モニタリングのための注射可能な超音波センサー
頭蓋内圧(intracranial pressure)のような重要な生理学的指標をモニタリングするには、通常、有線センサーを患者の頭蓋骨に外科的に埋め込む必要があるが、この方法はしばしば術後感染や合併症などのリスクを伴います。 既存のワイヤレス電子センサーは、これらのリスクをある程度軽減することができるが、サイズが大きい（断面積が通常1cm2以上）ため、低侵襲注射で埋め込むことができず、体内で自然に分解されないため、再手術で除去する必要があります。 したがって、これらの無線センサーを臨床に応用することもまた、深刻な課題に直面しています。
研究内容
Jianfeng Zangらは、革新的な注射可能な超音波ゲルセンサーを開発しました。このセンサーは、従来の有線センサーの埋め込みに伴う感染や術後の合併症のリスクを回避するだけでなく、サイズが大きい、生体内で分解されないといった無線センサーの課題も解決します。 関連する研究成果は、「Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals」というタイトルで、有名な学術誌『Nature』に掲載されました。
図2 注入可能な分解性スーパーゲル超音波トランスデューサの設計原理
スーパーゲル超音波トランスデューサは、二重網目架橋ヒドロゲルマトリックスと、内部に周期的に配置された気孔から構成され、体積はわずか2×2×2mm³です。 これは、BMF 3Dプリンタ―（microArch® S140）を用いてモールドを加工した後、ハイドロゲルを転写することで作製されました。
コンピュータシミュレーションによる構造最適化により、この特殊な構造は8-10MHzの周波数帯域で音響帯域ギャップを有し、入射超音波に対して強い反射能力を示します。この特性に基づき、研究チームは異なるパラメータの検出に用いられる3種類の機能性ゲルセンサーを設計しました。このうち、圧力ゲルは二重架橋ポリビニルアルコール／カルボキシメチルセルロースゲル（polyvinyl alcohol/carboxymethyl chitosan, PVA/CMC）でできており、感度は最大5.7kHz／mmHg、分解能は0.1mmHgです。温度ゲルは温度感受性ポリビニルアルコール/ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)ゲル（PVA/poly(N-isopropylacrylamide), PVA/PNIPAM）で構成され、温度検知範28-43℃、分解能0.1℃、感度80kHz/℃です；pHゲルはプロトン化ポリビニルアルコール/キトサンゲル（PVA/chitosan, PVA/CS）を利用し、pH 2-8の範囲を検知可能、分解能0.5 pH単位、感度256 kHz/pH単位です。このスーパーゲル・センサーは、生体適合性と生分解性のある素材でできており、体内に注入してから約1ヵ月で自然に分解され、18週間以内にほぼ完全に分解されるため、除去のために再度開頭手術をする必要がありません。
図3 生体ラットを用いた体内センサー比較実験
図4 生体ミニブタにおける頭蓋内圧の無線原位モニタリング
さらに、各ゲルの反射周波数の変化を検出し、高度なアルゴリズムと組み合わせることで、圧力、温度、pHなどの連成効果を効率的に分離し、複雑な生理環境の包括的なモニタリングを実現します。 ラットとブタを使った動物実験では、このセンサーは市販の有線臨床機器に匹敵する高い検出精度を示し、エネルギー消費と熱影響のない点で大きな利点を示しました。 特筆すべきは、実験用ブタにおいて、微小な呼吸によって引き起こされる頭蓋内圧の微妙な変動（～1mmHg）さえも検出できたことです。一方、有線圧力センサーを同時に埋め込むと、このような微細な変動をモニターすることはできません。
研究意義
ハイパーゲル材料の変形によって誘発される超音波周波数シフト（ultrasonic frequency shifts）に基づき、本研究では複数のゲルセンサーを同期して読み取り、各ゲルの反射周波数の変化を検出します。先進的なアルゴリズムと組み合わせることで、頭蓋内圧、体温、pH、血流量などを正確にモニターし、人体の複雑な生理環境の総合的なモニタリングを実現し、疾病の予防、診断、治療に大きな臨床的意義があります。
原文のリンク：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07334-y
2. 低侵襲治療のための油圧マイクロモーター駆動ディセクター
精密医療とデジタル技術の深い融合に伴い、低侵襲手術器具は小型化、知能化、多機能集積化の方向へ急速に発展し、従来の臨床診断・治療の物理的・技術的限界を徐々に突破しつつあります。通常、低侵襲手術器具はデバイスサイズ、ナビゲーション能力、および生物学的構造を貫通または回避する能力の制約を受け、可視性と動作範囲が限られます。現在開発中の低侵襲・非侵襲的介入（non-invasive interventions）ソリューションは、無線接続式マイクロ／ナノデバイス（tetherless micro/nano devices）、有線接続式デバイス（tethered devices）、ロボットシステムを活用することで操作性と精度を向上できます。しかしながら、粘弾性媒質（viscoelastic media）や組織内で腫瘍貫通や生検（biopsy）中にマイクロデバイスを制御することは、依然として重大な課題です。
研究内容
この目的のため、シンシナティ大学のManjeera Vinnakotaらは、外径2mmの小型化設計で従来の器具の物理的限界を突破し、テザー式油圧マイクロモーター駆動切断システムを開発しました。このシステムは、腫瘍への浸透、標的薬剤の送達、生体組織の精密サンプリングという3つの機能を兼ね備え、固形腫瘍の診断と治療に新たなソリューションを提供します。
この研究は、Discover Mechanical Engineering誌に「Hydraulic micromotor powered dissector for minimally invasive therapy」というタイトルで掲載されました。
この装置は、カテーテルナビゲーション技術を用いて、深部組織への超微細器具の正確な介入を実現するもので、その中核部品であるマイクロ油圧マイクロモーターは、BMFのPμSL技術（microArch® S140）に基づいて準備されており、図5に示すように、精密パワーシステムのトップカバー、ベース、ローターなどの部品の精密製造を可能にしています。
図5 様々な3Dプリントカッターとマイクロモーターのプロトタイピングとモデリング
実験研究の結果、ブレード設計を最適化した油圧マイクロモーターは、水流量15mL/minで平均回転数約34000 RPM、水流量45mL/minで平均回転数100000 RPMを突破しました。図6に示すように、PμSL技術を用いて作製したさまざまな形状の3Dプリンターで、ヒトの脳、乳腺、肝臓組織を模擬した0.6％～2％寒天ゲルを切断することに成功しました。その中で、円錐形の直刃カッターは、0.6％～2％の寒天ゲルにおいて、切断径と切断深さの点で最高の性能を発揮した。さらに、ブドウの表皮、ブルーベリーの果肉、鶏の肝臓などの生物学的サンプルで、システムの切断能力を検証しました。
一方、薬物送達シミュレーション実験では、切断によって流路を確立し、0.6％寒天ゲル中の切断経路に沿って鉄含有粒子懸濁液を正確に放出しました。したがって、鉄含有粒子懸濁液を抗がん剤ナノ粒子または薬液に置き換えることで、腫瘍内標的送達と切断操作の統合的完成を達成することができます。
図6 異なるカッターによる寒天、鶏レバー、ブドウ、ブルーベリーの切断と鉄粒子懸濁液による薬物放出のシミュレーション
研究意義
この論文では、BMF技術を使用して、油圧駆動を可能にするだけでなく、組織切断、生検、薬物送達機能を統合したマイクロモーター試作品を作製し、小型化と機能統合の観点から低侵襲デバイスの開発に新たな道を開いています。同時に、この超小型デバイスは、従来の器具では到達が困難な狭い病変部にも侵入することができ、低侵襲手術の「非侵襲」への発展を促進することが期待されます。
原文のリンク：https://doi.org/10.1007/s44245-024-00083-2
