2017年、グリーンベイ・パッカーズのクォーターバック、アーロン・ロジャースは、ミネソタ・バイキングスとの試合で右の鎖骨を骨折した。通常、鎖骨の完治には約12週間かかるが、12月中旬にはファンやコメンテーターが、3度のMVPを獲得した彼が早期に回復し、負け越したシーズンを救えるかもしれないと期待した。ウィスコンシン大学マディソン校の材料科学・工学の教授で、薄くて動きのある医療機器を作る専門家であるXudong Wang氏も同じでした。「私は、スポーツ選手をこれまでよりも早くフィールドに戻すための新しいソリューションを提供できないかと考えるようになりました」と、Wang教授は言います。研究者らは、論文" バイオフィードバックを用いた骨折治癒のための自己発電機能を有する埋め込み型生体吸収性電気刺激装置" をPNASに掲載しました。
電気が骨の治癒を早めることを研究者は知っているが、骨折を「ザッピング」するには、外部電源から供給される電極を外科的に埋め込み、取り外す必要があるため、これまであまり普及していなかった。しかし、電気刺激を骨の治癒を早めるためのはるかに便利な選択肢とすることで、他の多くの人々を助けることができるかもしれないのだ。彼の薄くて柔軟な装置は、自己発電式で移植可能、生体吸収性であるため、骨が再び編み込まれると、装置の部品は体内で分解される。
骨は圧電材料であり、負担をかけるとわずかながら電気を発生する。この電気が骨の成長や治癒を促進する因子を刺激するため、電気刺激が効果的な治療法となるのです。電界を発生させて間接的に治癒を促進する外部刺激装置もありますが、理想的なのは骨に直接刺激を与えることです。しかし、装置を体内に入れるには独特の要件がある。Wangによれば、少なくとも電源は必要だという。
「理想的なのは、デバイスが自己発電することであり、これはこれまで存在しなかったことです」と彼は言う。この新しい骨折電気刺激装置（FED）を作るために、Wang教授のチームはまず、摩擦電気ナノジェネレータを用いた。摩擦電気ナノジェネレータは、表面に微細な構造をもつ薄膜状の装置で、微小運動によって生じる機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。このナノジェネレーターを1対の電極と結合させ、電場を骨に分布させるのである。この超薄型で生分解性、生体吸収性のあるコンポーネントを、FDA承認の生体適合性ポリマーであるポリ乳酸（co-グリコール酸）の基材上に構築した。
研究者らの最初のテストでは、この装置の小さな動きで確かに約4ボルトの電気刺激が発生し、それを6週間以上持続できることが確認された。次に、この装置をラットに装着して実験した。すると、この装置を埋め込んだラットは、脛骨骨折から約6週間で完全に回復し、対照群の動物よりもはるかに早く回復した。また、治った骨の鉱物密度や曲げ強度も、電気刺激を受けた動物では健康な骨と同じレベルに達していた。治療後、デバイスはラットの体内に分解・吸収され、合併症もなく、外科的に除去する必要もなかった。Wang教授によれば、装置をコーティングする生体吸収性材料の特性を微調整することで、刺激装置が体内で持続する期間を数週間から数カ月までとすることが可能だという。
最終的には、骨折の電気刺激装置をスケールアップして、人間にも使えるようにしたいと王は考えている。しかし、このような自己発電型の装置では、エネルギー源が要因になることがある。「一般に、骨折した人は、動きを制限する必要があります」とWang教授は説明する。言い換えれば、ギブスをつけている人は、摩擦電気ナノジェネレータに電力を供給するのに十分な機械的エネルギーを生成しないかもしれません。
「ラットの動きはデバイスに一定の刺激を与えますが、人間の骨折は動かすことができないので、それが問題になります」とWangは言います。しかし、骨折した骨を動かさないようにすれば、骨折用電気刺激装置の電源となる運動源は、人体に無限に存在する。「血圧の変化など、他の種類の体内力学的要因に反応する装置も必要かもしれません」とWang教授は言い、すでにFEDの将来を見据えている。「動物からヒトへの進化に取り組むことは、非常に興味深く、大きなインパクトを与えるでしょう」と彼は言います。
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