インプラントおよびバイオMEMSエレクトロニクスの最近の進歩とヒトマイクロバイオームへの応用

これらは厳密には異物であり、私たちの細胞の数よりも多いのですが、そのほとんどは全く無害であり、中には正常な身体機能にとって重要なものもあります。私たちのマイクロバイオームは、食事、薬物摂取、ストレス、その他の環境要因などによって日々変化しますが、まずはマイクロバイオーム分析の始まりから、電子機器がどのように生理学的研究を「刺激」し、人体解剖学の理解を深めてきたかを見てみましょう。

埋め込み型電子機器の簡単な歴史

埋め込み型電子機器は60年以上前から存在しており、最初の応用はトランジスタが発明され、周波数変調 (FM) ラジオ信号が確立されてからわずか数年後にまで遡ります。1959年、マッケイ・ノラーらは、人体、主に消化管内の生理学的情報を伝達する無線送信機を開発し、テストしました。その後まもなく、他の研究者らはバイオテレメトリーユニットを組み込み、生理学的パラメータを乱すことなく、センシング技術とデータ伝送を最適化し、さまざまな体腔内の人間のバイオームに関する情報を測定して報告しました。1960年代に登場した最初の主要な世代の埋め込み型 (および飲み込み型) バイオテレメトリでは、心血管 (心電図 [ECG]、血圧、血流)、呼吸 (酸素と温度)、神経生理学 (神経活動)、および胃腸 (圧力、pH、温度) のパラメータが報告されました。図1は、1960年代のテレメトリ回路をいくつか示しています。

図1: 1960年代の埋め込み型テレメトリ システムの例: a) Mackayブロッキング発振器、b) Koトンネル ダイオード テレメトリ ユニット (画像提供: Wen H. Ko著「埋め込み型電子機器の初期の歴史と課題」)

1970年代後半までに、バイオテレメトリー技術は急速に進歩し、ペースメーカー、神経刺激装置、インスリンディスペンサー、さらには頭蓋内圧 (ICP) モニタリングなどのスポーツ医学アプリケーションに至るまで、より高度で長期的なアプリケーションが実現されました。図2は、頭部外傷の分析に使用される、周囲の頭蓋内圧に比例した周波数を放射するバッテリーレス システムを示しています。

図2: 頭部外傷分析に使用される頭蓋内圧遠隔測定システム (画像提供: T. B. Fryer著「動物と人間の生理学的測定における無傷の皮膚を介した短距離遠隔測定の利点」)

今日のヒトマイクロバイオーム分析の世界では、非常に洗練された電子機器とテクノロジーが採用されています。そこで、最近の開発とアプリケーションのいくつかを見てみましょう。

MEMS技術とマイクロバイオームにおけるその応用

オルガン オン チップは、マイクロ流体工学、バイオメディカル マイクロエレクトロメカニカル システム (またはバイオMEMS)、および生体材料の組み合わせを利用して、実験台上で多層臓器システムを模倣およびシミュレートする比較的新しいテクノロジーです。これにより、薬物試験や病気の研究などの実際の体外研究が可能になると同時に、有用な埋め込み型機能補助デバイスの開発も可能になります。脳、肝臓、心臓、腎臓、肺、腸の機能はすべてチップ プラットフォーム上に実装され、さまざまな種類の電子機器が統合されています。

多くのオルガンオンチップデバイスには、pH、温度、圧力/力、加速度、湿度、音/振動、磁場、その他の生物学的または化学的パラメータを電気信号に変換するのに役立つマイクロセンサー（またはMEMS センサー）が組み込まれています。これらのマイクロセンサーには、ほとんどの場合、非常に小さなフォーム ファクターで他のマイクロエレクトロニクスと統合された機械要素 (ダイヤフラムやカンチレバー ビームなど) が含まれますが、通常、それらとインターフェイスするには何らかの信号処理とキャリブレーションまたは補正が必要です。静電容量センサー は MEMS デバイスで使用される最も一般的なセンシング技術の1つであり、通常、範囲が非常に狭くなります。可変容量を発振器やブリッジなどの測定可能な信号に変換する方法は多数あります。これらのアナログ インターフェイスの例については、図3を参照してください。

図3: 静電容量の変化を測定する方法: (A) ブリッジ、(B) および (C) 電流電圧測定 - 単一/差動、(D) 周波数測定、(E) 時間測定 (画像提供: Paul RegtienおよびEdwin Dertien著「メカトロニクス用センサー」(第2版))

多くのデジタルMEMSセンサーでは、これらのインターフェースがデバイス内に統合されており、TTLレベルのアナログ出力やI2CやSPIなどのシリアル バスなどのより簡単なインターフェースを提供します。インプラントデバイス、チップ上の臓器、またはその他の非医療産業で使用されるかどうかにかかわらず、MEMS技術と研究は、顕微鏡的スケールで電気機械を製造およびマイクロマシン化する能力が向上するにつれて、引き続き繁栄しています。フロー、温度、湿度、モーション センサーなどの多くのMEMSデバイスは、Arrow Electronicsで見つけることができます。

電子機器の埋め込みと生体電気機械の設計に伴う課題

電子機器を人体に埋め込んだり、人体に接続したりする際には、回路を過酷で湿気の多い環境から保護しながら、サイズ、重量、消費電力を最小限に抑えるなど、多くの困難が伴います。そして何よりも、デバイスは安全で信頼できるものでなければなりません。

まずはサイズから始めましょう。パフォーマンスを犠牲にすることなく、できるだけ小さくするにはどうすればよいでしょうか?機械エンジニアと電気エンジニアが緊密に連携してパッケージと機械レイアウトを最適化できる設計プロセスがあると役立ちます。今日のCADシステムは、ハードウェアが製造される前に完全な視覚化を可能にする点で、従来の設計方法論をはるかに上回る進歩を遂げています。

しかし、信頼性も重要な要素です。多くのインプラントおよびバイオMEMS電子機器は、「ポッティング」と呼ばれるプロセスによって密閉されており、コンポーネントと筐体の間に硬化したゼラチン状のバリアが作成されます。また、医療機器の分類評価（インプラント機器は通常、最もリスクの高いクラスであるクラスIII）に応じて、特定のIEC規格では、厳格な安全プロトコルに基づいてテストする必要があり、バックアップ機能と冗長性が求められます。

そして最後に、電力の最適化（特にインプラント用）は、エンジニアにとって絶え間ない戦いでした。アイアンマンのアークリアクターのコア電源を利用できると考えたいところですが、代わりに、小型バッテリー、スーパーキャパシタ、エネルギー収集技術、およびコンポーネントの高度に最適化された低電力機能を使用します。生体内エネルギーハーベスティング (IVEH) は、圧電効果と摩擦電気効果、内耳電位、バイオ燃料電池、光を利用して、バッテリーやコンデンサをトリクル充電する方法を提供する最近の研究分野です。2014年、韓国の研究チームは、「ナノジェネレータ」と呼ばれる柔軟な圧電材料によって完全に電力を供給されるペースメーカーを開発しました。ペースメーカーの電力経路の図については、図4を参照してください。

図4: 柔軟な圧電材料からの電気エネルギーを使用する人工心臓ペースメーカー (画像提供: KAISTのGeon-Tae Hwang氏とチームによるホワイト ペーパー「柔軟な単結晶PMN-PT圧電エネルギー ハーベスターによって実現される自己駆動型心臓ペースメーカー」)

インプラント、マイクロバイオームオンチップ、バイオMEMS製品の例

マイクロセンサー/マイクロエレクトロニクスの進化と、それが人間のマイクロバイオームや模擬臓器でどのように使用されているかについて説明しましたが、次に、実際にどのように機能するかを見てみましょう。

フランス企業Biomilleniaは、QIAGENの微生物バイオインフォマティクス プラットフォームと連携して、比類のないレベルで微生物や細菌種を培養および分析するために使用される液滴ベースのマイクロ流体チップ プラットフォームを開発しました。彼らのプラットフォームは、3日間で最大1億個の微生物を検査することができますが、従来の方法では、分析にはるかに大量のデータが必要となり、最大3年かかります。

タフツ大学では、フィオレンツォ・オメネットがシルクを LEDアレイ インスリンのようなバイオマーカーの血中濃度を示す溶解可能な埋め込み型デバイスとして。このアイデアは、シルクがLED/トランジスタアレイを所定の位置に保持し、抗体または酵素を使用してバイオマーカーまたは疾患マーカーを検出し、最終的に溶解してシリコン電子機器を残すというものであり、除去のための手術は必要ありません。

Abbott社のCardioMEMS HFシステム (図5参照) は、MEMS技術を利用した埋め込み型デバイスで、血圧を積極的に監視し、患者が読み取れるようにベース ユニットにワイヤレスで送信することで、症状が現れる前に心不全や兆候を軽減できます。また、デバイスによって生成された測定値に基づいて、遠隔医療や患者の治療計画のパーソナライズのオプションも開かれます。

図5: 血圧データを積極的に監視して送信するアボットのCardioMEMSデバイス (画像: アボット)

Biolinqは、血糖値と傾向を評価し、食事と運動が血糖値にどのような影響を与えるかを5セント硬貨大のパッチで知らせるマイクロアレイ デバイス (図6参照) を実装しました。パッチには、センサーアレイ、バッテリー、および情報をアプリにワイヤレスで送信する回路基板が含まれています。

図6: 血糖値をモニターするBiolinqのマイクロアレイ デバイス (画像: Biolinq)

Innovative Sensor Technology (iST) は、20 pAという低電流を感知するさまざまな電極を使用して、グルコース、乳酸、グルタミン、グルタミン酸の濃度を測定するバイオセンサーを開発しました。これは、1アンペアの2000万分の1です。

そして センセラ、 IoTセンサー ソリューションと微細加工を専門とするこの企業は、特許取得済みのマイクロセンシングおよびマイクロ流体技術を活用して、商業的に実現可能なラボオンチップおよび臓器オンチップ診断を開発しました。図7は、臓器オンチップ アプリケーションで使用されるマイクロセンサーの例を示しています。SenseraのMEMSおよびIoT製品を多数、Arrow Electronicsで入手できます。

図7: 臓器オンチップアプリケーションで使用されるSenseraのマイクロセンサー (画像: Sensera)

10年後の医学はどのようになっているでしょうか?私たちは、SFが現実になる時代に生きています。バイオMEMSとマイクロバイオーム オン チップのアプリケーションが今後どのように展開し、人体構造の各部を測定および分析する方法の限界を押し広げていくのかを考えると、ワクワクします。