2021年度スタンフォード先端材料カレッジ奨学金受賞者
SAMの2021年大学奨学金は、新技術と新素材が社会に与える影響に焦点を当てています。先端材料は私たちに明るい未来をもたらしましたが、まだ様々な技術的問題が残っています。そこでSAMは、今後10年間で最大の課題となる技術的問題は何かについて、学生たちに語ってもらうことにした。SAMはまた、先端材料を使って問題を解決した過去のプロジェクトを共有するよう求めた。
過去数ヶ月の間に、約150のエッセイと20のビデオ投稿がありました。どの学生もよく頑張っており、将来大きな成果を上げてくれることを期待しています！
これらの応募作品の中から、最終的に2名の受賞者を選出しました。
マデリン・ブラウン
カリフォルニア大学サンディエゴ校より
アレックス・ゲラ
サンノゼ州立大学
以下は、彼らの応募作品である。
エッセイ - マデリン・ブラウン
メスの終焉：外科手術の未来への展望
医学の分野が進歩する一方で、ある診療行為は古風な過去にとどまっている。外科分野の技術が進歩しようとも、切開して人体を積極的に開くという行為は 、初期の医学の野蛮な慣習のイメージを思い起こさせる。抗生物質耐性の微生物によって身体を病気にさらすだけでなく、どのような種類の切開でも瘢痕組織（はんこんそしき）ができる。この問題に対処するのは容易なことではないが、先進的な素材を活用すれば、その可能性は広がる。
手術方法の改善に対する私の情熱は、身近なところでは母から始まった。大学1年の半ば、母が心臓弁置換術を必要としていることがわかりました。手術は、母の右脇の下を切開し、動脈を通って患部の弁に到達するという低侵襲手術で行われた。手術後、兄と私は回復室で母と一緒にいた。この部屋で、私は近代的な手術の欠陥に気づいた。彼女はずっと痛がっていたが、痛いのは心臓ではなく、切開した部分だった。手術後時間が経つにつれ、切開に伴う合併症の管理は大変なものとなった。感染を防ぐため、毎日の洗浄と包帯の交換が常態化した。術後の指示にはきちんと従ったものの、母は切開した部分の痛みに悩まされた。おそらく瘢痕組織の蓄積によるものだろう。今日に至るまで、母は瘢痕組織の不必要な痛みという、手術のことを常に思い出すことに苦しんでいる。この痛みは不要であるという考え方が、瘢痕組織ができる前に予防できる手術法、つまり切開しない手術法を生み出そうと私を駆り立てたのである 。
手術を前進させる解決策は、薬物送達装置を戦略的に応用することである。すなわち、多孔質シリコン粒子とポリマーの組み合わせである。このハイブリッド・システムの利点は、その構成要素を分析することで明らかになる。シリコン粒子は特定の薬物ペイロードを保持するように調整でき、ポリマーは粒子が意図しない領域に移動するのを防ぐために利用される。このような方法の魅力は、非侵襲性に近いだけでなく、特定の患者のニーズに合わせることができるという考え方にある。例えば、患者が虚血性脳卒中を起こした場合、血栓を拡散させるために、t-PAを充填したシリコン粒子を血流にのせて血栓のある場所まで誘導し、血栓を拡散させることができる。これは、潜在的に有毒なt-PAを孤立したポイントに誘導し、血栓を除去するのに最大限の効果を発揮する能力を持つため、特に有利であることが証明された。
十分な資金があれば、ポリマーと多孔性シリコンのハイブリッド薬物送達システムの機能テストを開始したい。薬物充填粒子の足場はポリカプロラクトン（PCL）であろう。このFDA承認ポリマーはシリコンナノ粒子を効果的にカプセル化することが示されているからで ある[1]。第二に、多孔質シリコン粒子は電気化学的エッチングによって製造されるであろう [2]。この "チューニング "は、粒子の気孔率とサイズを変えることによって達成することができ、選択されたペイロードを十分に収容できるように両方の特徴を最適化する。 ハイブリッド粒子ポリマー送達システムの意図された機能によって、担持される薬物は異なる。例えば、組織を再灌流させることに重点を置くのであれば、様々な形態のVEGF（それぞれ血管新生に異なる影響を与えることが示されている）をシリコン粒子に担持させるだろう。一旦、多孔性シリコン粒子に目的の薬物を担持させれば、スプレーネブライゼーションによってPCLに組み込むことができる。 [エアブラシから噴射されると、PCLは配向した繊維を形成し、それが集束するとパッチを形成する。このパッチは大きさに合わせて切断され、トロッカーを経由して体内に導入される。
より複雑な手技を行うためには、粒子とポリマーの組み合わせの幹部を使わなければならない。切開を行ったり閉じたりする粒子、治癒を促進する粒子などである。それぞれが別々の研究プロセスを要求するだろうが、しかし、このシステムがまとまれば、医療に革命をもたらすだろう。結局のところ、注射によって投与される外科手術システムは、抗生物質耐性の感染の影響を受けにくいだけでなく、痛みを伴う瘢痕組織の蓄積の影響を受けにくいプロセスをもたらすだろう。
医学の進化は、たとえそれが傍目にはどんなに小さなものであっても、その落とし穴に気づくかどうかにかかっている。現代の外科手術の場合、患者の病気を治すために患者に害を与えるというリズムに陥っている。 これは一見立派なトレードオフのように思えるが、私たちはすべての医師が誓っている「prumum non nocere、危害を加えない 」という誓いを忘れてはならない。従って、患者に最高のサービスを提供するためには、メスを捨て、ナノやマイクロの侵襲的技術を支持する方法を見つけなければならない。これらの技術を取り入れることで、私たちは医学の限界をさらに押し広げ、「害を与えない」という格言を真に受け入れることができるのである。
引用文献
[1]Zuidema, J. M., Dumont, C. M., Wang, J., Batchelor, W. M., Lu, Y.-S., Kang, J., Bertucci, A., Ziebarth, N. M., Shea, L. D., Sailor, M. J., Poly(lactic-co-glycolic acid) Nanofiber Scaffolds Embedded Porous Silicon Nanoparticles Deliver Neurotrophic Payloads to Enhance Neuronal Growth. Adv.Funct.Mater. 2020, 30, 2002560. https://doi.org/10.1002/adfm.202002560
[2]Qin, Z., Joo, J., Gu, L. and Sailor, M.J. (2014), Size Control of Porous Silicon Nanoparticles by Electrochemical Perforation Etching.Part.Part.Syst.Charact., 31: 252-256 . https://doi.org/10.1002/ppsc.201300244.
[3]Zuidema, J. M., Kumeria, T., Kim, D., Kang, J., Wang, J., Hollett, G., Zhang, X., Roberts, D. S., Chan, N., Dowling, C., Blanco-Suarez, E., Allen, N. J., Tuszynski, M. H., Sailor, M. J., Adv. Mater. 2018, 30, 1706785. https://doi.org/10.1002/adma.201706785
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