新たな超音波駆動のインプラントが登場し、私たちのバイオエレクトロニクスへのアプローチに革命をもたらすかもしれません。韓国の成均館大学のYoung-Jun Kim博士と彼の同僚は、Advanced Materials誌で、半永久的で省エネでコンパクトなインプラント可能なバイオエレクトロニクスの手法について述べています。これは現在のテクノロジーにおいては難しい目標です。
バイオエレクトロニクスの最も一般的な質問は、「それはどのようにして動くのか？」と「使いやすいのか？」です。
ほとんどのバイオエレクトロニクスでは、バッテリーが一般的な電源となっており、ユーザーはシステムに取り付けられたバッグやポーチを持ち歩く必要があります。これにより、システム全体の重量とユーザーの疲労が増します。
これらのデバイスはほとんどが日常使用を想定しており、多くは半永久的に埋め込まれるため、医療の支援なしに完全に取り外すことはできません。バイオエレクトロニクスのデバイスの用途によって、小さなものから大きなものまで様々です。それらは快適かつ機能的でなければなりません。
埋め込まれたデバイスの場合、デバイスは通常、胸のどこかに取り付けられたバッテリーに接続されます。非侵襲的ではありますが、使用して数か月または数年後には手間がかかるようになることがあります。
Kim博士と彼の同僚は、バッテリー駆動の設計の代わりに超音波技術を採用しました。私たちは、通常、超音波を妊娠中の女性や内部の怪我を持つ人々に使用するイメージを持っていますが、Kim博士と彼の同僚は超音波を異なる方法で使用しています：彼らは低電流の電気エネルギーを伝送します。
異なる極性を持つ二つの材料が接触する際に、一方の材料からもう一方の材料へ電子が移動することをトリボ電気と呼びます。超音波探触子には負の電荷があり、インプラントには正の電荷があります。超音波探触子が近づくと、無線エネルギー伝送が起こります。
Kim博士と彼の同僚がトリボ電気ナノジェネレータと呼ぶ埋め込みデバイスは、低電流の電気エネルギーを使用して神経を直接刺激します。バッテリーパックから電力を引き出すのではなく、密閉された超音波ユニットがインプラントの経皮部を通じて低電流の電力を提供します。
このタイプのシステムは、しばしば臓器療法で使用され、機能を向上させるために不調のある臓器を刺激します。例えば、Kim博士と彼の同僚は、過活動膀胱を持つラットモデルにトリボ電気システムを埋め込んでデバイスのテストを行いました。
彼らは、同じサイズと場所の非活性制御インプラントと比較して、デバイスが排尿頻度を減少させ、膀胱容量を向上させることを観察しましたが、健康な膀胱の機能には悪影響を及ぼしませんでした。
このシステムはまだ人間には適用されていませんが、このような研究はこの技術の発展において重要です。
バッテリーと比較して超音波にはいくつかの大きな利点があります。超音波は金属などの材料を貫通することができ、デバイスのサイズと患者の不快感を減らすことができます。さらに、バッテリーの必要性を減らすことは、より省エネで環境に優しいデバイスにつながります。最後に、超音波の低い電流は、他の設計で使用される高い電流システムよりも体や神経にはるかに有害ではありません。
しかし、私がさらに魅了されるのは、トリボ電気伝送の概念そのものです。ほとんどの人間工学的なバイオエレクトロニクスデザインでは、電源供給は制約となります。トリボ電気のおかげで、バッテリーベースの設計の必要性はなくなりました。
欠点は、インプラントを起動するために毎回超音波探触子を使用する必要があることです。これにより、このシステムの現在の適用範囲は日常的な状況に限られます。しかし、携帯型の超音波デバイスが進化するにつれて、トリボ電気ベースの設計の応用範囲も広がるかもしれません。しかし、アイデアとデザイン自体は素晴らしいものです。
近い将来、この技術が再生医学のプロステティクス、インスリン送達、身体リハビリなど、さまざまな分野においてより広範に活用されることは驚くべきことではありません。その進展を楽しみにしています。
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よくある質問
Q: バイオエレクトロニクスのデバイスはどのように動きますか？
A: バイオエレクトロニクスのデバイスは通常、バッテリーを電源として使用していますが、このインプラントでは超音波が電力の供給源となっています。
Q: インプラントはどのように適用されますか？
A: インプラントは通常半永久的に体内に埋め込まれます。超音波探触子を使用してインプラントを起動する必要があります。
Q: このシステムは既に人間に適用されていますか？
A: いいえ、このシステムはまだ人間に適用されていません。しかし、動物実験での研究は重要な前進です。
Q: 超音波を使ったバイオエレクトロニクスの利点は何ですか？
A: 超音波は材料を貫通するため、デバイスのサイズを小さくすることができます。バッテリーの必要性がなくなるため、省エネで環境に優しいデバイスになります。
Q: トリボ電気とは何ですか？
A: トリボ電気は、材料の極性が異なる場合に、一方の材料からもう一方の材料へ電子が移動する現象です。
Q: トリボ電気ベースの設計はどのような利点がありますか？
A: トリボ電気ベースの設計は、バッテリーが不要となります。これにより、デバイスの設計や使用時の制約がなくなります。
Q: この技術は将来的にどのような応用が期待されますか？
A: この技術はプロステティクス、インスリン送達、身体リハビリなど、再生医学の様々な分野で広く応用される可能性があります。
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