うじ虫のようにはい回る「超小型医療用ロボット」が、“未来の治療法”かもしれない

 

 医療用ロボットを体内で動かすことを考えると、負荷がきわめて小さい移動方法のひとつが「はって進む」ことだ。そこで、うじ虫をヒントにした医療用ロボットの開発が進められている。その実力はいかに。

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従来の医薬品は、必ずしも最良の治療方法とはいえない。薬はしばしば、予測不能でやっかいな副作用を伴う。医学は常に治療を精緻化する方向に進んできたが、間もなく治療の選択肢のひとつとして「超小型ロボット」が登場する。

このマイクロロボットは薬剤を患部まで届け、がんを切除し、体のなかの損傷を修復するような移動能力を備える。もちろん、こうした治療が実現するのは数十年先だが、「うじ虫」が苦手な人には、ちょっと問題かもしれない。

ロボットを体内で動かすことを考えると、負荷が極めて小さい移動法のひとつが「はって進む」ことだ。コロラド大学ボルダー校で機械工学を研究するフランク・ヴァーナリーは、移動するロボットのお手本として「身をくねらせて動くうじ虫」を選んだ。

ゲル状の小さな円筒物質が収縮して進む

彼がつくりだしたロボットは、一般的なものとは大きく異なる。実のところ、現時点ではロボットですらない。それはゲル状の物質でつくられた小さなシリンダー(円筒)だ。ヴァーナリーは、このシンプルな人工の医療用うじ虫を温水と冷水に交互に浸すことで、チューブのなかをはい進ませることに成功した。

うじ虫の動きは、体の伸長と収縮という、2つの力学的プロセスの組み合わせによるものだ。「ただし、移動を実現するには、体がどちらかの方向に対して、より滑りやすくなければなりません」と、ヴァーナリーは説明する。本物のうじ虫の体の表面には、微小な後ろ向きのとげが生えている。体を収縮させると、腐敗した食べ物の表面にとげの鋭い先端が食い込んで摩擦が生じ、うじ虫の体は前に進む。うじ虫が体を伸ばすときは、棘は食べ物の表面をこするだけだ。

ヴァーナリーは、この動きをヒドロゲルで再現しようと考えた。ヒドロゲルはゴム製のスポンジのようなもので、温度に応じて伸長・収縮する。この研究で使用されたヒドロゲルは、およそ32℃未満で親水性になり、水を吸収する。それ以上の温度では、その逆になる。

ヴァーナリーはこの素材を使い、全長約3cm、直径1.3cmのシリンダーをつくった。長さも太さも、親指の先端から第一関節までと同じくらいだ。青くて半透明で、ゼラチン質の親指を想像してもらえばいいだろう。

ただし、これにはとげは生えていない。ヒドロゲルにとげを装備するのはきわめて難しいため、ヴァーナリーはチューブのほうに摩擦を生じさせる素材を使った。3Dプリンターを使って、内側にうろこ状のテクスチャーを備えたチューブを作成したのだ。

チューブは4種類を用意した。いちばん太いもので、常温時のヒドロゲルの直径のおよそ3分の2、ほかの3つは1mm刻みで細くした。ヴァーナリーはこのチューブにヒドロゲルを詰め、液体のなかに沈めて温度を調整した。

チューブの形状は試行錯誤の繰り返し

これが本物の医療用ロボットなら、生体組織のなかをはい進み、薬剤を標的部位まで運んだり、腫瘍を切除したり、組織の再生を補助したりするところだ。とはいえ、まずははうことができなければ始まらない。そのためにヴァーナリーは、太さの異なるチューブを使って原理の有効性を実証し、ヒドロゲルの蠕動能力を最適化する力学的要素を見つけだそうと考えた。

そこには複数の要因の影響がみられた。まず特定できたのは、チューブ内部の「うろこ」の最適な角度だ。さらに、長い断片のヒドロゲルの方が、短い断片よりも効率的に蠕動することもわかった。「うじ虫が横よりも縦に長いのは、そのせいかもしれません」とヴァーナリーは言う。

最後に、チューブの前進に必要な抵抗力を生み出す形状である。一般的にチューブが細いほど、ヒドロゲルが密着する表面積は大きくなる。だが、それは同時にヒドロゲルを圧迫して伸長能力を制限することにもなる。試行を重ねるうち、ヒドロゲルの直径の20~50パーセントの太さのチューブが最適であることがわかった。

そこでヴァーナリーはコンピューターモデルを使い、この結果をさらにミクロなスケールにあてはめた。なにしろ親指サイズのロボットは、体内に入れるにはどう考えても大きすぎるのだ。

こうした成果には期待が高まるが、忘れてはいけないことがある。ヒトの体内はうろこで覆われてはいないので、ヒドロゲルがしっかりつかまるのは難しい。かといって、ヒドロゲル自体に「うろこ」を装備する方法も未解決だと、ヴァーナリーは言う。

また、標的部位に到達させる方法や、移動方法そのものについても改善が必要だ。ヴァーナリーは、ヒドロゲルに磁性ナノ素材を混ぜ込み、電磁パルスで温・冷のサイクルを発生させて動かす方法を考えている。

とはいえ、うじ虫型ロボットが体内をはいまわるなんて考えるだけでもおぞましい、と思う人もいるだろう。だが、医療用ヒドロゲルの大きさは、いずれマイクロメートル単位になる。目に見えないなら、気にもならないはずだ。