Development of a biomimetic hydrogel cervical spinal cord surrogate for transverse compression across loading rates

人間の体をハイテクな車両、脊髄をそのシャシーの真ん中を走る最も重要なデータケーブルだと想像してみてください。このケーブルは脳からの指示を体の他の部分へと運び、感覚的なフィードバックを上へと送り返します。車が衝突した際、金属製のフレームはひしゃがるかもしれませんが、もしこのデータケーブルが挟まれたり、切れたり、引き伸ばされたりすれば、ドライバーはマシン全体の制御を失ってしまいます。これが脊髄損傷で起こることです。何十年もの間、これらの損傷を防ぐ方法を理解しようとしてきた科学者たちは、もどかしいループに陥っていました。彼らは骨がどう折れるか、ディスク（椎間板）がどう潰れるかをテストすることはできますが、柔らかく、ぐにゃりとした神経ケーブルそのものを破壊することなくテストすることは容易ではなかったのです。クラッシュテスト中に、本物の脊髄の中に小さなセンサーを差し込むことはできません。なぜなら、センサーが組織を壊してしまい、組織もまたセンサーを壊してしまうからです。だからこそ、彼らは脊髄の「ダミー」版、つまり、本物と同じように感じ、潰れ、伸びるのに、衝撃に耐えるほど頑丈で、自分がどれだけの力（フォース）を感じたかを正確に教えてくれる完璧な偽物が必要だったのです。

バイオミメティック・ハイドロゲル（生体模倣ハイドロゲル）の世界が登場します。これらをピクニックで食べるゼリーのようなものではなく、生体組織のように振る舞う、高度に設計された水を含んだスポンジだと考えてください。課題は、単に本物に似ているだけでなく、本物と同じように「振る舞う」偽のコードを作ることでした。本物の脊髄組織は一筋縄ではいきません。最初は柔らかくてぐにゃりとしていますが、強く、あるいは素早く押しつぶすと、突然硬くなり、抵抗を示します。まるで、素早く叩くとゴムのように変化するスポンジのようです。また、押し方によって反応が異なります。ゆっくり押せば穏やかですが、速く（車の衝突のように）押せば、激しく抵抗します。科学者たちは以前、シリコンゴムを使おうとしましたが、それはマシュマロをゴムボールでシミュレートしようとするようなものでした。ゴムボールは硬すぎ、あの特別な「潰れてから硬くなる」という反応を持っていませんでした。この論文は、本物の脊髄と同じように抵抗を示す、新しい種類の「マシュマロ」を構築することについてのものです。これにより、見た目がリアルなだけでなく、感覚までリアルな、より優れたクラッシュテスト用ダミーや手術トレーニングツールをようやく作ることができるようになるのです。

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偽の脊髄のレシピ

ストラスクライド大学とアデレード大学の研究者たちは、新しい種類の材料を「調理」することに乗り出しました。それはダブルネットワーク・ハイドロゲルです。家を建てることを想像してください。最初のネットワークは木造のフレーム（ポリアクリルアミド製）のようなもので、構造の形を与えます。第二のネットワークは、石膏ボードや漆喰（海藻由来のアルギン酸製）のようなもので、隙間を埋めて強度を加えます。これら二つを混ぜ合わせることで、彼らは、押しつぶされても耐えられるほど頑丈でありながら、繊細な脊髄の神経を模倣できるほど柔らかい材料を作り上げました。

完璧なレシピを見つけるために、彼らは単に推測したのではなく、大規模なキッチン実験を行いました。彼らは、このハイドロゲル・コードの27の異なるバージョンを作成しました。彼らは主に3つの成分を調整しました：

1. 海藻（アルギン酸）の量： 低、中、高の量（重量比で4.7%、7.8%、10.3%）を試しました。
2. 海藻同士を接着するための「糊」（イオン）： 海藻を結合させるために、3種類の異なる金属塩を使用しました：カルシウム（CaCl₂）、鉄（FeCl₃）、およびアルミニウム（AlCl₃）。これらは、異なる強さの糊だと考えてください。
3. 糊を固める時間： コードを1時間、2時間、または3時間浸しました。

クラッシュテスト

これら27種類の異なる「偽のコード」を用意した後、彼らはそれらを徹底的にテストしました。単に優しく押しつぶしたのではなく、4つの異なる速度でテストを行いました。その範囲は、緩やかで優しいプレス（医師が反射をチェックするようなもの）から、電光石火の衝撃（激しい自動車事故中に骨が跳ね返るようなもの）まで及びます。最速の速度は毎秒約140回であり、これは材料テストとしては驚異的な速さです。

彼らは特殊な機械を使用して、これらの楕円形のコードを側面から押しつぶし（横方向圧縮）、それらがどのように反応したかを正確に記録しました。彼らは、他の研究で発表されている実物のヒトおよびブタの脊髄のデータと比較しました。

分かったこと

結果は、「成功した」という部分と「何をすべきではないかを学んだ」という部分が混在していました。

1. 「糊」が最も重要である
最大の驚きは、海藻をどれだけ使ったかではなく、どのような種類の「糊」を選んだかでした。ゲルを架橋するために使用したイオンの種類が、硬さに多大な影響を与えました。

• **カルシウム（CaCl₂）**の糊は、コードを非常に柔らかく、ぐにゃりとしたものにし、実物の組織に非常に近いものにしました。
• 鉄（FeCl₃）とアルミニウム（AlCl₃）の糊は、コードを信じられないほど硬くし、カルシウムを用いたものよりも約5倍硬くなりました。
• 本論文は、単に海藻（アルギン酸濃度）を増やすことが硬さを制御する主要な方法であるという考えを明確に否定しています。海藻を増やすことで確かに硬さは増しましたが、その効果は「逓減的」であり、ある一定の点を超えると、それ以上増やしてもあまり効果がないことが分かりました。真の主役は、種類の異なる「糊」だったのです。

2. 「J字型」の反応
作成した27のレシピすべてが「J字型」の曲線を示しました。これは脊髄材料における聖杯（究極の目標）です。つまり、最初は柔らかい（Jの底の部分）のですが、より強く押しつぶすにつれて、次第に硬くなっていく（Jの立ち上がる部分）ことを意味します。これはまさに、本物の脊髄組織が示す挙動です。ゆっくり押せば穏やかで、速く押せば、タフになります。この速度依存的な挙動は極めて重要です。なぜなら、この偽のコードが、自動車の衝突に対しては、穏やかな刺激に対してとは異なる反応を示すことを意味しており、これは本物のコードと同じだからです。

3. 時間の要因
彼らは、コードを長く浸すこと（2時間 vs 3時間）で変化があるかどうかを疑問に思いました。その結果、2時間浸すことは3時間浸すのと実質的に同じであることを発見しました。したがって、永遠に待つ必要はありません。材料はかなり早く安定します。

勝者：カルシウムのレシピ

すべての27通りの組み合わせをテストした後、研究者たちは本物に最もよく一致する「チャンピオン」のレシピを特定しました。

• レシピ： 10.3%のアルギン酸を混合し、カルシウム（CaCl₂）の中で2〜3時間浸したもの。
• 一致度： 高速（50 s⁻¹、これは外傷に関連する速度です）でテストした際、この特定のレシピは、実物のブタの脊髄の硬さにほぼ完璧に一致しました。
  • 硬さ（接線弾性係数）： 偽のコードは1180 kPaでしたが、本物のブタのコードは1176 kPaでした。これは、ほぼ完璧な一致です。
  • 強度（応力）： 偽のコードは破壊される前に490 kPaの圧力に耐えましたが、本物のコードは458 kPaでした。

低速時においても、カルシウムベースのゲルは良好に一致しましたが、実物の組織は、最初の方の「ソフトな」フェーズがわずかに長い傾向がありました。鉄やアルミニウムのバージョンは、単に硬すぎて、ヒトの脊髄の代用品としては不適切でした。

なぜこれが重要なのか（過度な期待をせずに）

本論文は、これらのPAAm-アルギン酸ハイドロゲルが有望な新しいツールであることを結論づけています。これらはまだ脊髄損傷に対する魔法の治療法ではありませんが、特定の、厄介な問題を解決しています。すなわち、私たちはようやく、衝突や手術中に脊髄がどれだけ押しつぶされているかを測定するために、計測器（センサー）を取り付けることができる材料を手に入れたのです。

著者らは、これが以下の2つの大きな展開につながる可能性があると示唆しています。

1. より優れたクラッシュテスト： 自動車事故で脊髄がどれほどの力を受けるかを推測する代わりに、これらの計測可能な偽のコードを使用して、直接測定することができます。
2. より優れた手術トレーニング： 外科医はこれらのゲルを用いて練習し、画面を見て推測するのではなく、もし「コード」を強く押しつぶしすぎた場合に、リアルタイムでフィードバックを得ることができます。

しかし、論文は、自分たちがまだ「できていないこと」についても慎重に述べています。彼らは、これらの偽のコードが、実物の組織と比較して、まだ初期段階（「トー領域」）において少し硬すぎることを認めています。また、複雑な層構造を持つ実際の脊椎ではなく、単純な楕円形を使用しています。そして、高速域においてブタのデータとは非常によく一致したものの、超高速の衝突速度におけるヒトの組織に関するデータがまだ不足しているため、100%確実であると言うにはさらなる検証が必要であるとも注記しています。

要約すると、彼らは脊髄損傷を解決したわけではありませんが、以前のどんなものよりも本物に近く振る舞う、調整可能で測定可能な、非常に優れた「ダミー」を構築したのです。これは、手術をより安全にし、衝突への理解を深めるための、着実な一歩です。