科学者がタトゥーを作成

Apr 23, 2023

「酸素センサーは、私たちが作成できるさまざまなセンサーの概念実証です」と David Kaplan 氏は述べています。 イラスト：シャッターストック

皮膚の下にあるシルクベースの素材は酸素に反応して色が変化し、将来的にはグルコースやその他の血液成分を追跡するために適応される可能性がある

人々は、出来事や人物を記念したり、声明を発表したり、あるいは単に美的装飾としてタトゥーを入れます。 しかし、機能的なタトゥーを想像してみてください。運動中にどれだけの酸素を使用しているかを知らせたり、一日中いつでも血糖値を測定したり、さまざまな血液成分や環境毒素への曝露を監視したりできます。

今回、タフツ大学の技術者らは、皮膚の下に配置され、血液中のさまざまなレベルの酸素にさらされるとランプの下で明るくまたは暗く光るシルクベースの素材の発明により、その実現に向けた重要な一歩を踏み出した。 彼らはその発見を学術誌「Advanced Functional Materials」に報告した。

この新しいセンサーは、現時点では酸素レベルの読み取りに限定されているが、フィブロインと呼ばれる絹のタンパク質成分から形成されたゲルで構成されている。 シルクフィブロインタンパク質は、移植可能な材料として特に適合性のある独特の特性を持っています。

それらをゲルまたはフィルムに再組み立てすると、皮膚の下で数週間から 1 年以上持続する構造を作成するように調整できます。 シルクが分解されても体に適合しており、免疫反応を引き起こす可能性は低いです。

シルクフィルム酸素センサーの小さなディスクは、紫外線と酸素にさらされると紫色に輝きます。 検出器は、紫色の輝きの明るさと持続時間によって酸素のレベルを判断できます。 右側: 通常のシルクセンサー素材と UV 照射したシルクセンサー素材の並べての比較。 画像: トーマス・ファルクッチ/タフツ大学

ブドウ糖、乳酸、電解質、溶存酸素などの血液中の物質は、体の健康とパフォーマンスを知るための手がかりとなります。 医療現場では、採血や大型の機械に患者が取り付けられていることで追跡されます。 どのような環境でも非侵襲的にレベルを継続的に監視できることは、特定の条件を追跡する場合に大きな利点となる可能性があります。

たとえば、糖尿病患者は、何を食べるか、いつ薬を服用するかを決定するために、多くの場合毎日採血して血糖値を測定する必要があります。 対照的に、タフツのチームが描いたビジョンは、文字通り人の状態に光を当てることで、監視をはるかに容易にすることです。

「シルクは、多くの優れた特性が見事に融合したものです」と、工学部スターン・ファミリー教授であり、この研究の主任研究員であるデイビッド・カプラン氏は述べた。 「フィルム、スポンジ、ゲルなどに成形することができます。生体適合性があるだけでなく、化学的性質を変えることなく添加剤を保持することができ、これらの添加剤は環境内の分子を検出する感知機能を持つことができます。酸素センサーはその証拠です」私たちが作成できるさまざまなセンサーのコンセプトについて説明しました。」

シルクプロテインの化学的性質により、その性質を変えることなく添加物を捕らえて保持しやすくなります。 酸素センサーを作成するために、研究者らは、特定の波長の光にさらされると発光する PdBMAP と呼ばれる添加剤を使用しました。 その輝きの強さと持続時間は、環境内の酸素レベルに比例します。

シルクゲルは周囲の体液に対して透過性があるため、PdBMAP は周囲の血液中の同じ酸素レベルを「認識」します。 PdBMAP は、皮膚を透過する光にさらされると光る、または燐光するため、また役立ちます。 他のセンサー候補は、皮膚を透過できない光の波長にのみ反応する可能性があります。

研究者らは、酸素レベルを定量化するために燐光の「持続時間」成分にさらに依存しています。なぜなら、輝きの強度はインプラントの深さやサイズ、皮膚の色、その他の要因によって異なるためです。 酸素レベルが増加すると、輝きの持続時間は減少します。

実験では、埋め込まれたセンサーが動物モデルの酸素レベルをリアルタイムで検出し、酸素の高レベル、低レベル、正常レベルを正確に追跡しました。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックにより、患者の酸素レベルを追跡できることの重要性が社会の意識を高めました。患者の酸素レベルが著しく低下すると、治療のために入院する必要がありました。

タトゥーセンサーを開発したカプラン研究室の大学院生トーマス・ファルクッチ氏は、「皮膚の下にあるタトゥーのようなセンサーが役立つシナリオは数多く想像できる」と語った。 「これは通常、慢性疾患のある人を従来の臨床現場以外で長期間監視する必要がある状況です。皮膚の下にあるセンサーアレイを使用して複数の血液成分を追跡できる可能性があります。」

このタトゥーのようなセンサーは、整形外科用インプラントから心臓や骨に新しい組織を作製するための足場に至るまで、カプラン氏の研究室でシルクタンパク質から得られる医療製品の可能性が増えつつあるポートフォリオの最新製品である。

Mike Silver には、[email protected] で連絡できます。