ゲル（用語） | SEO-LPO.net

大量出血も瞬時に止められる、体液に触れると固まる合成ハイドロゲルで迅速な止血を実現

東京大学は3月7日、血液などの体液に触れると瞬時に固化する合成ハイドロゲルを開発。大量出血も速やかに止血ができることを実証したと発表した。大規模な組織損傷や、血液をサラサラにする薬を服用している人にも効果があるという。

外科手術では、出血の制御が重要になるという。通常、人の血液は凝固反応によって自然に固まるものの、太い血管からの出血には止血剤を使い、圧迫止血を行う。しかしその方法では、止血までに長い時間がかかる。また、止血剤はヒトの血液由来なので、感染症の危険性を排除しきれない。東京大学医学部附属病院血管外科（大片慎也医師、保科克行准教授）、東京大学大学院工学系研究科（鎌田宏幸特任研究員、酒井崇匡教授）らによる研究グループが開発した新しい合成ハイドロゲルは、通常は液体だが、体液の一種である血液に触れると瞬時に血液を巻き込んで固化し、止血されるというもの。血液凝固反応とはまったく別の作用で固まるものであり、合成物質なので感染症の心配もない。

主成分は、4分岐型ポリエチレングリコール（PEG）。弱酸性では液体だが、中性になると急速に固まる。血液と反応すると、血液が中性を保とうとする緩衝作用により瞬間的に中和されて固化するということだ。

ラットを使った実験では、下大静脈大量出血の状態を作って合成ハイドロゲルを適用したところ、1分後には安定的な止血効果が得られた。比較対照のために既存の止血剤と圧迫止血を行ったラットでは、同じ時間内には止血はできなかった。止血から1週間後に再び開腹して合成ハイドロゲルを適用した部位を調べたところ、既存の止血剤よりも炎症反応が軽かった。

この合成ハイドロゲルは、「病気や抗凝固薬によって血液が固まりにくい状態にある患者さんにおいても、速やかに止血を達成できる局所止血材を開発できる可能性」があるとのこと。また、血液以外にも髄液などの体液漏出防止剤としても応用できるという。それにより、医師と患者の双方の精神的負担軽減に貢献できると、研究グループは話している。

沖縄科学技術大学院大学がDNAの作用で自己組織化・分解するゲルブロックを作製、組織工学・再生医療への応用の可能性も

塩基対形成は非常に特異的なプロセスであるため、対合するDNA鎖の設計に利用できる

沖縄科学技術大学院大学の研究グループは、短いDNAの鎖を接着剤のように使い、2mmほどのハイドロゲル（水を含む高分子物質）ブロックを、プログラムどおりに結合させることに成功したと発表した。

研究グループは、ハイドロゲルブロックの表面にDNA鎖を固定し、それが別のブロックに固定したDNA鎖との対合（「たいごう」または「ついごう」。同じ起源の染色体同士が結合すること）により、プログラムによって指定されたブロック同士をつなぎ合わせる実験を行った。DNAは、2本のDNA鎖がらせん状に結合して成り立っているが、塩基の緻密な組み合わせによって対合されている。この対となるDNA鎖を設計することで、目的の相手と対合させることが可能となる。この原理をハイドロゲルブロックという肉眼で見える素材を使って実証したのが、この実験だ。

表面にDNA鎖を固定したハイドロゲルブロックを溶液に混ぜると、10〜15分でハイドロゲルブロックは自分たちで相手を選んで対合し、自己組織化した。1つの実験では、赤と緑に色分けされたハイドロゲルブロックの表面に一本鎖（いっぽんさ）のDNAを付着させて、赤いブロックと緑のブロックが対合するようにした。これらを溶液に入れて振ると、10分後には緑のブロックと赤のブロックが対になった。同じDNA鎖とは相互作用をしなかったため、同じ色同士が結合することはなかった。

赤と緑のハイドロゲルブロックは、表面に付着した対合するDNA鎖同士で塩基対を形成することにより、結合することができた

さらに、特定の配列のみを認識するDNAの能力の検証も行った。4対のDNA鎖を設計し、それぞれを赤、緑、青、黄のハイドロゲルブロックに付着させた。これを溶液に入れると、いろいろなDNA配列が存在するにも関わらず、対合するDNA鎖同士でしか結合が起きなかった。「これは、自己組織化が非常に特異的におこるプロセスであり、プログラムがしやすいことを示しています。DNA配列を変えるだけで、ブロック同士がさまざまな方法で相互作用するように誘導することができるのです」と、核酸化学・工学ユニットの横林洋平教授は話す。

ハイドロゲルブロックは、その表面にあるDNA鎖が対合しているため、自ら色別のグループに分かれることができた

そして、構造体の分解もプログラムできるかどうかも検証した。対合する2本の1本鎖DNAを設計し、1本目の一本鎖DNAの一部と対合する短い一本鎖DNAも作った。この長短のDNA鎖をハイドロゲルブロックに付着させたところ、これらは対合した。その後、長いほうのDNA鎖と同じ長さの対合するDNA鎖を加えると、1時間後には短いDNA鎖は長いDNA鎖に置き換わり、ハイドロゲルブロックの集合体は分解した。

「これは、DNAを『接着剤』としてハイドロゲルブロックをくっつけると、このプロセスを完全に元に戻すことができるということを意味し、非常に驚くべきことです。また、個々の構成要素も再利用できるということです」と、核酸化学・工学ユニットのポストドクトラルスカラー、ヴェンカット・ソンタケ博士は言う。

ハイドロゲルブロックは、より強く対合する2本目のDNA鎖を加えると分解したため、2本目のDNA鎖は、ブロック同士を接合する2本のDNA鎖間の結合を阻害したといえる

この研究の意味について、横林洋平教授はこう話している。「これはまだ基礎研究ですが、将来的には、この技術を組織工学（ティッシュエンジニアリング。Tissue engineering）や再生医療に応用できる可能性があります。ハイドロゲルブロックの中にさまざまな種類の細胞を入れて、新しい組織や臓器を作るために必要な複雑な3次元構造を組み立てることができるようになるかもしれません」。

また、「応用の可能性はともかく、相互作用するDNA鎖といった微小な化学変化を目の当たりにできるのは素晴らしいことです。これが科学の面白いところです」と明かしている。

横浜国立大学、超柔軟なゲルや生体組織などに液体金属で配線する新技術を世界で初めて確立

液体金属を用いたゲル基板上の立体配線。（a）ゲル上およびゲル内部への液体金属配線と LED の点灯の様子。（b）液体金属を用いたゲルファイバー表面のらせん配線

横浜国立大学は1月31日、ゲルや生体組織といった超ソフトで非平面の基板上に、液体金属で配線を転写する技術を、世界で初めて確立したと発表した。今までよりもさらに柔軟なウェアラブルデバイスの開発や、インプラントデバイスへの応用が期待される。

横浜国立大学の太田裕貴准教授、渕脇大海准教授らによる研究グループは、液体金属で配線を行ったPVA（親水性がよい合成樹脂の一種であるポリビニルアルコール）フィルムを超柔軟基板の上に置き、フィルムを水で溶解させることで超柔軟基板上へ配線を転写することに成功した。配線可能な線の最小幅は165µm（マイクロメートル）と非常に細いため、らせん構造や三次元に交差する立体構造の配線も可能だった。

また、ラットの迷走神経を刺激する柔軟電極を設置したところ、生体組織に与える物理ストレスが抑えられた。さらに、PVAフィルム上に構築した温度測定システムを、機能を維持したままゲルに転写し、腕に貼り付ける実験も行ったが、その状態での温度測定も可能だった。

液体金属配線技術を用いたアプリケーション。（a）ラットの迷走神経に配線した液体金属の写真。（b）腕に取り付けたゲル基板上の温度測定デバイス。（c）作製したデバイスの上面図とデバイスの断面構造を示す回路図

液体金属は、次世代スマートデバイスの配線素材として注目されている。生体適合性が高く柔軟であるため、ゲルと組み合わせれば、非常に柔軟なウェアラブルデバイスが作れるようになるのだ。剛性を表す比例係数ヤング率はゲルよりも低く、伸縮性と生体適合性は高く、変形による抵抗値変化が小さいという優れた特徴を持つが、加工しづらいという欠点もある。従来の方法では、非平面基板に複雑な回路を作ることは難しかった。この研究で、そうした課題が克服され、柔軟な素材のみを使用し、人体への密着性を高め、不快感を少なくしたウェアラブルデバイスの開発が可能となるとのことだ。

今後は、生体組織に液体金属で配線を施し、「健康状態を測定できるようなインプラントデバイスの開発」も期待されるという。