Research press release

【生物工学】多機能スマート人工皮膚

Nature Communications

Bioengineering: Multifunctional smart skin

シリコンナノリボンで作った「スマート」人工皮膚についてのDae-Hyeong Kimたちの報告が、今週掲載される。このスマート人工皮膚は、歪み、圧力、温度のセンサーアレイだけでなく、それに付随した湿度センサーとヒーター、皮膚を刺激するための伸縮性多電極アレイによって構成されている。

ヒトの皮膚の感覚受容器は、体外環境からのシグナルを脳に伝達する。刺激感知の解明には、数々の進展があったが、この独特な性質を人工皮膚や補綴具で再現することは依然として困難だ。最近では、硬質または半屈曲性の圧力、歪み、温度のセンサーを用いたスマート補綴具が開発され、数多くのセンサーを搭載したバイオニックシステムへの有望な道筋が開けた。それでも、ウエアラブル補綴具に使用される従来型電子機器は生体の軟組織といまひとつなじんでおらず、切断手術を受けた患者向けの補綴具の有用性と性能の向上は進んでいない。

Kimたちの論文で説明されているのは、多数のセンサーアレイを備えた伸縮性の人工皮膚で、これらのセンサーアレイは、その対象となる皮膚の部分の動きに従って伸びるようになっている。Kimたちは、体外環境の変化に対する人工皮膚の感知能力が、この設計によって大きく向上すると述べている。また、伸縮性湿度センサーと加熱素子を組み込むことで、皮膚水分の感知と体温の調節がそれぞれ可能となった。そして、対応する電気刺激が、人工皮膚から超薄型の多電極アレイを介して体内へ伝達され、末梢神経が刺激される。この多電極アレイは、炎症を抑えるため、セリアナノ粒子で装飾されている。この設計は、新しい種類の補綴具と末梢神経系インターフェースの技術にとって、またとない機会となる可能性がある。

“Smart” prosthetic skin made from silicon nanoribbons is reported this week in Nature Communications. This smart skin includes strain, pressure, and temperature sensor arrays as well as humidity sensors, heaters, and stretchable multi-electrode arrays for nerve stimulation.

Sensory receptors in human skin transmit signals from external environments to the brain. Despite advances in our understanding sensation, replication of these unique characteristics in artificial skin and prosthetics remains challenging. Recent efforts to develop smart prosthetics, which use rigid or semi-flexible pressure, strain, and temperature sensors, provide promising routes for sensor-laden bionic systems. However, there is still a mismatch between conventional electronics in wearable prosthetics and soft biological tissues, which impedes the utility and performance of prosthetics in amputee populations.

Dae-Hyeong Kim and colleagues describe a stretchable prosthetic skin equipped with numerous sensor arrays, which are tuned to stretch according to the movement of a target skin segment. The authors state that the design can dramatically enhance the perception capabilities of artificial skin in response to changing external environments. Integration of stretchable humidity sensors and heating elements further enables the sensation of skin moisture and body temperature regulation, respectively. Corresponding electrical stimuli can then be transmitted from the prosthetic skin to the body to stimulate peripheral nerves via an ultrathin multi-electrode array, which is decorated with ceria nanoparticles for inflammation control. This design may provide unique opportunities for emerging classes of prostheses and peripheral nervous system interface technologies.

doi: 10.1038/ncomms6747

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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