NTT：开发出能够像肠道肌肉一样运动的“水凝胶”

摘   要：日本NTT成功制备了一种用于隐形眼镜的运动元件，其利用在网状聚合物内含有大量水分的柔软材料“水凝胶”薄膜，能够再现器官运动，有望对将“数字孪生”技术用于医疗的“生物数字孪生”（BDT）的实用化产生重大影响。

关键词：水凝胶、芯片上人造器官、生物数字孪生（BDT）、光驱动型、运动元件

NTT：开发出能够像肠道肌肉一样运动的“水凝胶”

——“光驱动型芯片上运动元件”，有望用于再生医学

日本电信电话株式会社（以下简称NTT）成功制备了一种用于隐形眼镜的运动元件，其利用在网状聚合物内含有大量水分的柔软材料“水凝胶”薄膜，能够再现器官运动，有望对将“数字孪生”技术（以数字方式再现现实中收集的各种数据）用于医疗的“生物数字孪生”（以下简称BDT）的实用化产生重大影响。

实现BDT的关键“水凝胶”

作为医疗领域先进技术研究的一部分，NTT正在研究通过在体外培养细胞来人工再现器官等先进生物功能的技术。该技术在细胞生物学、再生医学和制药等广泛领域备受关注。

特别是在传感器基板（芯片）上再现生物功能的“芯片上人造器官”的实现，将有助于实现基于以细胞级分辨率获取的器官数据，在数字空间内再现和研究器官模型的BDT。未来除了可以不依赖实验动物或活体进行临床试验外，还有望成为制造各种人造器官的技术。

芯片上人造器官示意图（来源：NTT）

制造芯片上人造器官的挑战在于，如何利用对活体友好的材料和接近活体的形状来创造一个接近实际活体内环境的细胞培养环境。为解决这一问题，NTT的研究小组着眼于“水凝胶”。水凝胶是一种通过吸水后膨胀的“溶胀”来改变体积的材料，具有生物相容性高，对活体友好的特点。水凝胶主要被广泛用作隐形眼镜、人工软骨、人工血管等医用材料，以及细胞培养基质等医学和生物研究材料。

通过独特的方法改变形状，制作高性能运动元件

本研究首先将用作培养基质的水凝胶“聚异丙基丙烯酰胺凝胶”的薄膜与响应光发热的纳米材料“金纳米棒”结合，设计和制备了一种能够通过光刺激改变体积的材料；接着，利用这种材料的溶胀效应和使薄膜变形为拱形的物理现象“屈曲（※）剥离”的“芯片上结构形成法”，制备了一种类似于活体的薄膜·管状结构。

※当施加在结构物上的载荷逐渐增加时，变形花纹会在某个载荷作用下突然发生变化，从而产生较大挠度

光驱动型运动元件的概述（来源：NTT）

由此，制作出一种“光驱动型芯片上运动元件”，其模仿光刺激引起的肠道分节运动（负责在小肠内分裂和搅拌肠内容物的的运动）和蠕动运动（负责在小肠内运输肠内容物的运动），其性能可与真实器官相媲美。

实现了可通过光照射平稳快速地移动、具有世界一流性能的运动元件（来源：NTT）

次实现的光驱动型芯片上运动元件，作为一种通过与细胞培养相结合而建立芯片上人造器官的基础技术，有望在未来用于细胞生物学、再生医学和制药领域。

此外，利用屈曲变形的芯片上结构形成法，作为一种可适用于广泛的薄膜材料的运动元件的制造方法，还可以应用于其他领域。

基于本研究获得的大量数据，NTT将推进BDT的构建和验证，并进一步进行相关研究。