一滴の水、一滴の油、そして一台の標準的な実験室用遠心分離機が、人間の臓器を培養し、貴重なバッテリー金属を回収し、類脳コンピュータを構築する秘密を秘めているかもしれません。これはまるで錬金術のようです。しかし、テキサス大学オースティン校のエンジニアたちは、この精密な配合を3Dプリント可能な材料に変え、生物組織の選択的フィルタリング能力を模倣しました。この液滴ネットワークの科学用語はJIBEs（押出相互接続二層エマルジョン）です。この材料は選択的透過膜として機能します。標準的な製造の速度とスケーラビリティの制限を克服するために、研究者たちは数分で大規模な、組織に類似した材料を構築できる迅速かつスケーラブルな方法を開発しました。
簡単な混合と遠心技術を用いて、彼らは数十億の微小な水滴を薄膜で隔てて密接に押し固め、これらの薄膜が相互に接続されることで、人間の組織の細胞組織を模倣しました。この3Dプリントされた組織は、人間の組織の選別とフィルタリング能力を模倣し、特定の分子を通過させる一方で、他の分子を阻止します。
テキサス大学の革新的な材料技術が従来の制約を突破
この革新は、材料科学者が十年以上にわたって直面してきた課題、すなわちスケールを克服しました。初期には、科学者たちは微視的なレベルで精緻な組織状構造を作成することができましたが、これらの微滴を実用的なマクロ材料に拡張することは非常に遅く、極めて不安定でした。テキサス大学オースティン校の博士課程の学生Aida Ficaは、学術会議で異なるアイデアを結びつけ、この課題を突破しました。彼女のチームは、異なる溶解度の油を混合して微小な水滴を形成し、次に遠心分離機で強力に圧縮することで、数分で数十億の密接に相互接続された液滴ネットワークを創造しました。
各液滴は超薄膜で包まれ、活細胞が集まって機能する臓器を形成する様子を完璧に模倣しています。テキサス大学土木・建築・環境工学部のManish Kumar教授は、「組織はイオンや分子を分離し輸送することができる。これが我々の腎臓や腸がどのように機能するかであり、必要な部分だけを取り出し、残りはそのままにしておくのです。」と述べています。
この材料は生物適合性物質から容易にプリントでき、その潜在的な用途は多くの業界にわたります。この生物材料は適応型プラットフォームとして機能し、医療、ロボティクス、計算、環境科学をカバーします。医療や柔軟なロボットの分野では、その柔軟な類組織構造が正確な組織成長を可能にし、人間の臓器移植に使用でき、精密な手術や救助ロボットが安全に環境をナビゲートすることを可能にします。さらに、特定のタンパク質を埋め込むことで、この材料はイオン電流を伝導することができ、類脳神経計算の基盤を築きます。同時に、カスタマイズされた変種は選択的膜として機能し、リチウムなどの貴重な資源を抽出し、工業廃水中のアンモニアなどの汚染物質をフィルタリングします。
Ficaは「この技術は、基本的な設備だけであればどの実験室でも実施できる簡単でスケーラブルなプロセスを提供します。無限の応用可能性を秘めています。」と述べています。最も驚くべきことは、製造プロセスが専門のクリーンルームや高価なレーザー設備を必要としないことです。チームはアメリカ合衆国エネルギー省のARPA-Eと協力し、この技術をリチウムや他の希土類元素の回収に調整しています。FicaとKumarはこの技術の特許を申請しており、世界中の実験室でのテスト、調整、未来の合成組織のプリントに道を開いています。
関連研究結果は『Nature Materials』誌に発表されています。