イーロン・マスク氏率いるNeuralink社が人体臨床試験の承認を得たという最近のニュースにより、ブレイン・コンピュータ・インターフェース（BCI）のようなバイオエレクトロニクスは、SFの世界から現実のものへと移行しつつあります。では、ブレイン・コンピュータ・インターフェース（BCI）とは何でしょうか。それは、思考だけでコンピュータや外部デバイスを操作することを可能にする脳インプラント技術です。
Neuralinkの技術は、髪の毛よりも細い64本の糸に1,000個以上の電極を配置したインプラントを使用し、患者の思考を記録してアプリに送信します。アプリは脳信号を解読し、マウス操作のようにコンピュータをクリックしたり、タイピングのようにテキストを作成したりします。これにより、麻痺やパーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症（ALS）などの神経変性疾患を抱える患者のコミュニケーションが可能になります。その応用範囲は単なるリハビリテーションにとどまりません。Neuralinkは、思考が究極のインターフェースとなり、デバイスの操作や仮想世界での活動、さらには認知能力の拡張さえも可能にする未来を描いています。
脳とコンピュータをつなぐこの探求において、Neuralinkだけが先駆者ではありません。Synchron社やPrecision Neuroscience社といった企業も、BCI技術の人体臨床試験を開始しています。これらの臨床試験の多くは麻痺やALSの患者を対象としていますが、医療の進歩がもたらす可能性は、こうした疾患の治療をはるかに超えたところにあります。
CAS Content CollectionTMに含まれる特許および学術文献の分析から、バイオエレクトロニクスへの関心の高まりと同時に、その普及に向けた重要な課題が明らかになりました。過去5年間でバイオエレクトロニクス関連の学術論文数は大幅に増加していますが、特許出願数はそれを下回っています（図1参照）。これは、これらの技術の大規模な商用化には、現在学術レベルで研究されている根本的な科学的課題が存在しており、実用化までにはまだ数年を要する可能性があることを示唆しています。
なぜバイオエレクトロニクスを日常生活にシームレスに統合することは依然として困難なのでしょうか。これらのイノベーションを可能にする素材とは何か、そしてそれらはどのように改善されるべきなのでしょうか。最新の研究分析から、いくつかの重要なトレンドが明らかになりました。
バイオエレクトロニクス入門
バイオエレクトロニクスとは、電子システムを分子、細胞、臓器レベルで生体コンポーネントと接続させるための新しいデバイスの開発を指し、多くの場合、斬新な素材や手法が用いられます。このアプローチは、生物が本来持つ外部刺激を感知・処理・応答する能力と、現代の電子部品が持つ精度と速度を組み合わせるものです。こうしたヒューマン・コンピュータ・インターフェースを実現するためには、生体組織との効果的な統合を可能にする、特殊な素材の配列が不可欠となります。
前述の通り、Neuralinkは髪の毛の5分の1の太さの糸に微小な電極を使用し、導電性金属とプラスチックの一種であるポリアミドを組み合わせています。Precision Neuroscience社も、脳の表面に適合する柔軟なフィルムに埋め込まれた数千個の微小電極を活用しています。電極に使用される素材の小型化は、独自の課題を突きつけています。なぜなら、それらの素材には、柔らかさ、柔軟性、生体適合性を維持しながら、生体組織へ効率的に電荷を伝達する能力が求められるからです。
私たちの調査によると、バイオエレクトロニクス研究において最も多く言及されている身体部位は顔面領域と神経系ですが、ほぼすべての器官系がある程度カバーされています（図2参照）。
現在、心臓モニタリング、薬物送達、疼痛管理など、バイオエレクトロニクスの応用が進んでいます。BCIと同様に、これらのイノベーションにおいても、複数の要求を満たす素材の使用が不可欠です。それらの素材については以下で詳しく解説します。
バイオエレクトロニクスに使用されるポリマー
ポリマーは、多数のユニットが結合して構成される分子です。バイオエレクトロニクスの分野では、複数の相補的な特性を持つ材料を組み合わせたり、特定の用途に合わせて材料の機能を最適化したりできることから、ポリマーを含む複合材料の研究がますます盛んになっています。
例えば、ポリジメチルシロキサン（PDMS）は、その優れた特性からバイオエレクトロニクスの文献で最も頻繁に言及されるポリマーです。第一に、柔軟性と弾力性を調整できるため、生体組織と機械的に適合する柔軟で伸縮性のある電子デバイスの作成が可能です。PDMSベースの基板は、柔軟な電極、センサー、ウェアラブルデバイスの製造に広く利用されています。また、PDMSは光学用途にも適しており、PDMSで被覆された神経インターフェースは、組織への大きな損傷や免疫反応を引き起こすことなく、脳や神経系に埋め込むことができます。
カーボンナノチューブは、PDMSと組み合わせることができる導電性材料の一種です。通常、直径が数十ナノメートルというこれらの構造体は導電性を提供し、PDMSと混合することで、心筋や脳といった生物医学分野の幅広い用途に使用できます。
もう一つの有望な材料が、理想的な導電性と機械的特性を併せ持つポリマーの組み合わせであるPEDOT:PSSです。この材料は、生体組織に近い特性を持ち、バイオエレクトロニクス用途に適したハイドロゲルに使用できます。例えば、最近の特許では、腫瘍切除後の空洞に注入して、残存するがん細胞を標的とした電気療法を行うための、PEDOT:PSSを含む注入型ゲル電極が記載されています。
こうした合成ポリマーやナノチューブのような微細材料は有望ですが、バイオエレクトロニクス複合材料を作るために、自然界の材料を組み合わせる研究も進められていることが分かりました（図3参照）。
セルロース、アルギン酸塩、シルクなどの天然ポリマーには、安定性、高い機械的強度、生体適合性という利点があります。PEDOT:PSSと組み合わせたシルクベースの電極は、ウェアラブルデバイスにおいて優れた伸縮性と快適性を実証しました。また、最近の革新的な例として、褐藻類から抽出されたアルギン酸ナトリウムと生分解性の酸化モリブデンを組み合わせ、埋め込み型バイオエレクトロニクスデバイスの電源となる吸収性スーパーキャパシタが開発されています。
バイオエレクトロニクスにおける金属および無機化合物
次に、もう一つの材料分類である金属について説明します。貴金属は導電性と安定性に優れているため、バイオエレクトロニクスの研究で重要な役割を果たしてきました。例えばNeuralink社は、非常に安定しており特性がよく理解されている金と白金を使用しています。
しかし、私たちの分析により、モリブデン、亜鉛、マグネシウムといった生分解性・生体吸収性金属も、バイオエレクトロニクス向けの有望な無機化合物であることが明らかになりました。これらの材料は、金属の電気的特性と、体内で時間をかけて安全に分解・吸収される能力を兼ね備えています。モリブデンとポリウレタンで構成される神経刺激電極など、これらの金属を生分解性カプセル化ポリマーと組み合わせることで、完全に吸収可能なバイオエレクトロニクスデバイスが構築されています。
商用化に向けた課題の克服
バイオエレクトロニクスには数多くの革新的な可能性があります。私たちのジャーナルおよび特許調査から、上述した例は潜在的なユースケースのほんの一部に過ぎないことが分かりました。しかし、この分野には大きな課題も存在しており、技術の大部分は依然として実験段階にあります。
主要な課題の一つは、これらの材料やデバイスに対する免疫反応です。患者一人ひとりの体質は異なるため、個々のバイオエレクトロニクス材料が広範な使用に耐えうる安全性を備えていることを証明するには、広範な試験と研究が必要です。例えばカーボンナノチューブは構造が多様であるため、各個人の反応を予測することはさらに困難です。BCI（脳コンピュータインターフェース）は繊細な脳組織に埋め込まれるため、将来的にはサイバーセキュリティ上の懸念が生じる可能性もあります。
商用化への唯一の道は、臨床試験プロセスと生体内試験です。毒性と有効性を判断するために長期的な影響を研究する必要があります。導電性材料は電気電荷を効果的に伝達する能力を維持できるのか。これらのポリマーは体内で分解されるのか。BCIインプラントが人間の生理機能や心理に与える長期的な影響はあるのか、といった点です。
これらの疑問への対処は重要な課題ですが、こうした革新技術が生活の質を向上させる可能性も同様に重要です。今後、人体試験が拡大し、より多くのコンセプトが特許出願段階に達するにつれ、研究がどのように進化していくのか期待が高まります。SFのように思えるかもしれませんが、バイオエレクトロニクスは将来の医療の重要な構成要素となるでしょう。バイオエレクトロニクスやその他の新興バイオマテリアルがどのように未来を再構築するかについて、詳しくは「バイオマテリアルの新興トレンドトップ10」のレポートをご覧ください。
本記事は、中国の西湖大学との共同研究に基づいています。
