ハイテクの「交換部品」が何百万人もの人々に希望を与える

October, 10, 2025, Lausanne--ロボットの手や腕からソフトハートポンプ、生体材料、3Dプリントされた筋肉などに至るまで、ロボット工学とバイオテクノロジーの急速な進歩により、人体を修復するための新しい技術が生まれている。

事故や病気は、手足の欠損、臓器の欠陥、あるいは損傷した組織、骨、関節といった状態を抱えながら生活しなければならない場合がある。EPFLやその他の地域の研究者は、世界中の何百万人もの苦しんでいる人々の生活をより快適にするための新しい解決策に取り組んでいる。

Silvestro Miceraが率いるEPFLのトランスレーショナル神経工学研究所は、特に義手に関する研究で10年以上にわたって名を馳せてきた。2023年、研究グループは、切断者が失った手に温かさを感じることができるように、非侵襲的な熱電極を使用する新しい感覚フィードバック法を開発することで大きな一歩を踏み出した。「温度フィードバックは、接触を超えた情報を伝えるために不可欠だ。それは愛情の感情につながる。われわれは社会的な存在であり、暖かさはその重要な部分である」と当時、Miceraは語った。

ジュネーブのキャンパス・バイオテックに拠点を置くTNEのバイオエンジニア、Vincent Mendezは、この分野のイノベーションの最前線にいる研究者の1人である。「現在、われわれのグループは、近年開発したすべての技術と機能、つまり触覚と暖かさ、さらにロボットコンポーネントを組み込んだ義肢の開発に取り組んでいる。タッチ面では、イタリアのピサにあるScuola Superiore Sant’Annaの同僚とチームを組んた。彼らは、神経インプラントに頼る代わりに、アタッチメントインタフェース内で膨らませるミニバルーンを使用し、特定のポイントで皮膚に触れ、幻の手自体が触れられているかのような錯覚を作り出す、新しい非侵襲的なシステムを開発した」(Mendez)。

思考によって制御される義手
過去6年間、Mendezは特に制御の問題に焦点を当て、患者と協力してロボットハンドを頭で制御するシステムを開発してきた。「われわれは前腕の電極を使用して筋肉の活動を測定する。これにより、それらが送信する信号を解読して解釈できる。目的は、人の意図を直感的で自然な動きに変換することだ」と同氏は説明している。Mendezは、この新技術を組み込んだプロトタイプが2026年に完成することを期待している。

もう一人のTNE研究者、Daniel Lealは、「余分な」ロボットアームの開発を目指すサードアームプロジェクトに携わる神経工学者である。このシステムは、上肢を使えなくなった人々の機能の一部を回復させるだけでなく、健常者にも役立ち、「マルチタスク」や繊細な医療や救助活動の実行に役立つ可能性がある。「課題の1つは、通常は他の身体機能に割り当てられる運動リソースを使用して、それらの機能を中断することなく、余分な腕を制御する方法を見つけることだ。われわれの研究には、人体に組み込まれた自然な冗長性を利用することが含まれる」とLealは話している。

研究グループは、横隔膜や耳を動かすことでロボットアームを制御できるかどうかを検討している。「耳の筋肉は痕跡、つまり進化過程の名残である。ほとんどの人はもう使用できない」とLealは言う。「しかし、神経接続はまだ存在しているので、脳を訓練して再割り当てすることができる。これらの筋肉の利点の1つは、高レベルの脊髄損傷のほとんどの場合でも保存できるため、神経補綴物制御の標的として適していることだ。」

ハイドロゲル:軟部組織治癒の有望な可能性
幸いなことに、すべての事故が手足の喪失を伴うわけではない。自宅やスポーツ中に負った怪我は、皮膚、腱、筋肉などの軟部組織に影響を与えることがよくある。しかし、この組織は再生が不十分で治癒が不完全になる傾向があるため、軽度の手術でも様々な結果が生じることがある。研究チームは何十年にもわたって、運動中の人体のストレスに耐えることができる接着剤の開発に挑戦してきた。EPFLの生体力学整形外科研究所(LBO)では、Dominique Piolettiと同氏のチームは、組織に結合して再生を助けることができる注射可能な生体材料、新しいクラスのヒドロゲルに取り組んでいる。

Piolettiが説明するように、ハイドロゲルには多くの重要な利点がある。「軟部組織と同じように、ヒドロゲルは内部に液体を保持する分子のマトリックスで構成されている。もう一つの利点は、液体の形で注入し、後の段階でたとえば光に反応して部分的に固化できることであり、低侵襲で使用できることを意味する。」

現在、LBOの研究者は主に軟骨欠損の修復に焦点を当てている。「ローザンヌ大学病院(CHUV)の同僚は、患者から細胞を抽出し、研究室で増殖させ、再挿入して再成長を促進することで軟骨損傷を治療している。今のところ、これらの細胞には液体が注入されているが、特に細胞を所定の位置に保つことに関しては、いくつかの問題が発生する。しかし、軟骨に結合するゲルに挿入すると、細胞は本来あるべき場所に留まり、より良い治療結果につながる。ゲルは既存の組織を保護し、融合する」（Pioletti）。

損傷した軟骨(Piolettiがチューインガムに例える質感の組織の一種)の治療は、時間との戦いである。「損傷した領域が保護されていない場合、体は線維軟骨として知られるものを形成する。この無秩序な線維組織は損傷した領域に残り、より高品質の軟骨が再び成長するのを妨げる。しかし、代わりにハイドロゲルがギャップを埋め、組織の再生を可能にする。「このアプローチの大きな課題の1つは、ヒドロゲルがどれだけ早く分解するかを予測することである」。

Piolettiは、約5年以内に商業的に実行可能な製品が完成すると予想している。また、EPFLのスタートアップflowboneの創設にも携わった。

3D皮膚と筋肉
ヒドロゲルに関する先駆的な研究を行っている研究グループはLBOだけではない。今年初め、スイス連邦材料科学技術研究所(Empa)の科学者たちは、タラやスケトウダラなどの冷水魚に由来するゼラチンを使用して、皮膚細胞で3Dプリントして生きたモデルを作成できる、特許取得済みの革新的な膨張しない生体材料を開発した。このハイドロゲルは細胞外マトリックスをシミュレートし、人間の皮膚の層状構造をエミュレートするため、科学者は病気や慢性創傷を研究できる。また、包帯材としても使用できます:生物学的に適合性があり、哺乳類のゼラチンをベースにした同等の材料よりも免疫反応が少ない。

別のEmpaチームは、3Dプリンティングを使用して人工筋肉を製造している。今年3月、研究者らは重要な進歩を発表し、これらの構造がいつか「職場や歩行中に人々をサポートしたり、損傷した筋肉組織を置き換えたりする」可能性があると指摘した。人工筋肉には誘電体弾性アクチュエータ(DEA)が含まれており、これはシリコーンベースの材料の連動層であり、一方は導電性、もう一方は非導電性である。アクチュエータは、電圧が印加されると筋肉のように収縮し、電圧がオフになると弛緩する。

心を癒し、笑顔を広げる
DEAは、ヌーシャテルのマイクロシティにあるEPFLキャンパスに拠点を置くマイクロエンジニアであるYves Perriardの仕事で重要な役割を果たしている。同氏が率いる2つの団体、統合アクチュエータ研究所(LAI)と人工筋肉センタ(CAM)は、チューリッヒ大学、ベルン大学、ミュンヘン工科大学のエンジニアと協力して、病気や怪我に苦しむ人々を支援できるモーターとソフトロボットコンポーネントを開発している。

科学者たちは、心臓、より正確には大動脈に焦点を当てた研究を通じて、心不全の治療に革命をもたらすことを望んでいる。「現在、人工ポンプを埋め込む場合、金属や磁石などの硬いコンポーネントを心臓の内部に配置する必要がある。われわれの目標は、柔らかく、侵襲性の低いもの、つまり血液に直接接触したり心臓に入ったりしないポンプを作ることである」（Perriard）。

Perriardのチームは、心臓と結合する大動脈に配置できるリング状のDEAを開発した。「リングは伸縮する。大動脈弁の開閉と同期して動かすことで、心臓の鼓動を助ける吸引効果を生み出すことができる」（Perriard）。

この方法は、2021年と2022年に実施された豚を対象とした最初のin vito試験で成功したことが証明された。「昨年、われわれはまったく新しい可能性の世界を開く発見した。DEAの周囲にエアギャップを作ることで、その効果をほぼ10倍に増幅することができた。このシステムは心臓の鼓動を助けるだけでなく、実際、心臓を完全に置き換える可能性がある」（Perriard）。
チームはすでにこの独自技術の特許を取得している。「人体試験を実施できる段階に近づいている」（Perriard）。

Perriardの研究室は、チューリッヒ大学病院のNicole Lindenblattの研究グループとも顔面再生治療について協力している。「われわれの目標は、顔面神経麻痺に苦しむ人々を助けることだ」と同氏は説明する。「この状態は顔の片側だけに影響を与えることが多く、神経を攻撃するウイルスによって引き起こされる可能性がある。われわれのシステムには、平らで非常に薄いDEAを頬の下の頬骨大筋に接続することが含まれる。神経信号を読み取って解釈する電子装置によって制御され、患者の口角を上げる能力が回復する。」
これらの進歩や同様の進歩は、何百万人もの顔に笑顔を取り戻すことになる。