火傷や皮膚疾患、外傷などによる皮膚欠損が神経組織に損傷を与え、生命維持活動に必要な感覚機能や認知機能を失わせることがあります。このような損傷に対して新たに開発された「スマートバイオニック人工皮膚」が、感覚機能の回復を実現する可能性があると発表されました。
皮膚欠損による神経組織の損傷は、生命維持活動に不可欠な感覚機能や認知機能の喪失を引き起こし、精神的・身体的な苦痛をもたらします。自然治癒が不可能なほど重度の損傷の場合、人工皮膚の移植が必要となりますが、これまで開発された人工皮膚は主に皮膚再生に焦点を当てており、患者の感覚機能の回復には至っていませんでした。韓国科学技術研究院（KIST）のバイオマテリアルセンターのジョン・ヨンミ博士（Youngmee Jung, PhD）と、ポストシリコン半導体研究所のイ・ヒョンジュン博士（Hyunjung Yi, PhD）を中心とする研究チームは、延世大学のユ・キジュン教授（Ki Jun Yu, PhD）と成均館大学のキム・テイル教授（Tae-il Kim）との共同研究により、ヒトに移植可能な触覚スマートバイオニック人工皮膚を開発しました。従来の皮膚再生に焦点を当てた人工皮膚とは異なり、このスマートバイオニック人工皮膚は生体適合材料と電子デバイスを融合させることで、永久に損傷した触覚をも回復することができます。
研究チームが開発した人工皮膚は、コラーゲンとフィブリンという皮膚の主要成分で構成されたハイドロゲルであり、亀裂ベースの触覚センサーを挿入することで微細な圧力変化を検知することができます。この圧力変化は無線電力圧力周波数変調（WPPFM）回路を介して電気信号に変換され、触覚神経インターフェース電極を通じて神経に伝達されるため、装置は皮膚と同様の触覚機能を発揮します。さらに、コラーゲンとフィブリンは皮膚の弾力性と組織の結びつきを担い、傷周囲の皮膚細胞の増殖と分化を促し、皮膚再生を促進することがわかりました。
スマートバイオニック人工皮膚は、重度の皮膚損傷を受けたラットに移植され、その効果が検証されました。その結果、移植後14日で対照群に比べて120%以上の傷治癒効果を示しました。さらに、10～40kPaの圧力範囲の外部変化を検知し、それに応じて電気信号を調整し、ラットの反応を変化させました。
特に、研究者たちが開発した人工皮膚は、損傷した皮膚の皮下脂肪層に沿って神経に直接移植されるため、感覚伝達と皮膚再生に効果的です。神経損傷を受けた患者の皮膚再生後、触覚センサーは皮下層で機能し、日常生活の自立度が大幅に向上します。感覚機能が低下した高齢者の場合でも、高密度集積技術で作られた触覚電子デバイスを皮下層に直接挿入することで、低下した感覚機能を回復することが期待されます。
「この研究は、バイオマテリアルと電子デバイス技術を効果的に組み合わせたデバイス、材料、再生医療に関する融合研究の成果です」とジョン・ヨンミ博士は述べています。「私たちは、商業化のために医療機関や企業と協力して追加の臨床試験を行う予定であり、温度、振動、痛みなどの皮膚組織のさまざまな機能を再構築する研究も拡大する予定です」と述べました。
この研究を詳細に説明するオープンアクセス論文は、2024年1月2日にNature Communications誌に掲載されました。論文のタイトルは「Bionic Artificial Skin with a Fully Implantable Wireless Tactile Sensory System for Wound Healing and Restoring Skin Tactile Function（創傷治癒と皮膚触覚機能回復のための完全移植可能な無線触覚センサシステムを備えたバイオニック人工皮膚）」です。
KISTは1966年に韓国初の政府資金による研究所として設立されました。現在、KISTは先導的かつ革新的な研究を通じて、国家および社会の課題を解決し、成長エンジンを確保することに努めています。
この研究は、火傷や外傷による皮膚欠損に対する新たな解決策を提供します。スマートバイオニック人工皮膚は、感覚機能の回復と皮膚再生を同時に実現することで、患者の生活の質を大幅に向上させる可能性があります。今後の臨床試験と研究の拡大が期待されます。
