内側から照らす:微小OLEDがワイヤレスになる

March, 25, 2024, St Andrews--セントアンドリュース大学とケルン大学（University of St Andrews and the University of Cologne）の研究者は、より小型のワイヤレス光源を人体内に配置できる新しいデバイスプラットフォームを開発した。

学術誌「Science Advances」に掲載された新しい研究は、このような光源が、現在かさばるデバイスの埋め込みを必要とする疾患を治療し、よりよく理解するための新しい低侵襲手段を可能にすることを示している。

バイオメディカルインプラントは、すでにヘルスケアに革命をもたらし、多くの人に人生を変えるソリューションを提供している。人工内耳、心臓ペースメーカー、脳刺激装置などの電極ベースのインプラントは、ヒト細胞の電気的興奮性に基づいて機能する。聴力を回復し、心臓機能を正常化し、パーキンソン病などの衰弱性疾患の影響を軽減するのに役立つ。

ドイツとスコットランドの科学者が発表した斬新なアプローチは、「音響アンテナ」への有機発光ダイオード(OLED)の統合に基づいている。OLEDsは、最新のスマートフォンやハイエンドテレビによく見られる。それらは有機材料の薄い層で構成されており、ほぼ全ての表面に堆積可能である。

「われわれは、この特性を利用して、OLEDsを音響アンテナに直接堆積させることで、両方のプラットフォームのユニークな特性を1つの非常にコンパクトなデバイスに統合した」と、物理学・天文学部のMalte Gather教授は説明している。

新しいデバイスは、海底通信でも使用されるサブメガヘルツの周波数で動作するが、この周波数の電磁界はわずかに水に吸収されるだけである。しかし、潜水艦とは異なり、生物医学への応用は非常に小さなデバイスフットプリントを必要とするため、無線機やスマートフォンで使用されている従来のアンテナは、この周波数では大きすぎる。

Ph.Dで新しいデバイスを開発したJulian Butscherは、「従来のアンテナとは異なり、音響アンテナは、低周波電磁場からエネルギーを採取する場合でも、非常に小さくすることができる」と説明している。

このワイヤレス発光デバイスは、電気刺激の有望な代替手段として浮上している光刺激をターゲットとしている。と言うのは、その細胞選択性が高く、遺伝子組み換えによる個々の細胞の刺激が可能になっているからである。このような技術は、他の方法では治療不可能な眼疾患の治療など、初期の臨床試験ですでに有望な結果を示している。

多くの新しいアプリケーションでは、複数の部位を独立して刺激する必要があるため、最新の脳刺激装置には多数の電極が組み込まれていることがよくある。このアプローチは、Elon MuskのNeuralinkのような企業によって際立った方法で追求されている。しかし、理想的な刺激装置は、体内で数㎝のワイヤレスで電力を供給し、読み取ることができる小さな分散デバイスで構成されており、体内に配線する必要はない。

電気アンテナの場合と同様に、無線アンテナが通常スマートフォンのアンテナよりも大きい理由は、従来のアンテナと音響アンテナの両方のサイズによって、デバイスが動作する周波数が決まり、受信する磁場の周波数が決まるということである。この特性は、新しいワイヤレス光源によって利用されている:異なる音響アンテナのサイズをわずかに変化させることで、異なる音響アンテナの動作周波数を異なる値に調整するだけで、研究チームは複数の微小ライトバブルを独立して操作し、それぞれを個別にON/OFFすることができる。

将来的には、例えば衰弱性神経障害の治療など、体の様々な部分にある複数の刺激装置を個別に処理できるようになる可能性がある。

新しいデバイスプラットフォームにより、研究チームは、最小のデバイスサイズ、低い動作周波数、および光刺激を組み合わせることで、「理想的なスティミュレータ」の開発に一歩近づいた。

Gather教授は「次のステップとして、ワイヤレスOLEDのさらなる小型化に取り組み、動物モデルで技術をテストする」と、研究の継続に意欲的である。