エンジニアがアートを新しいデバイスに折り畳む

Nov 15, 2023

折り紙は、紙を折って立体的な物体を作る芸術であり、美学と幾何学を純粋に表現したものです。 アーティストは、紙の位置を決め、保持し、正確なパターンで折り曲げることによって紙を「教え」、その折り目は紙の繊維の「記憶」になります。 それを作ることは魅力的であり、楽しいことですらあります。 しかし、これには他にも多くの潜在的な用途と利点があり、そのうちの 1 つは、医療療法をスクリーニングするための人工肝臓組織の操作です。

キャロル・リバモア博士は、ノースイースタン大学の機械工学准教授です。 「私の研究室では、細胞を含む小さな物体を平面上に直接組み立てる技術に取り組んでいました。 私たちはすでに、さまざまなサイズや種類の細胞を必要な場所に配置する優れた技術を持っていましたが、それは必要な組織が平らである場合に限りました。」

リバモア博士はチームとブレインストーミングを行い、2D パターンを 3D オブジェクトに活用する方法として折り紙に着目しました。 「折り紙はあらゆる種類の魅力的な形を作りますが、他にもあまり知られていない特徴があります。 たとえば、折りたたんだときに起こり得る結果が 1 つだけになるように構造を設計できます。」

彼らのプロジェクトは、国立科学財団 (NSF) と米国空軍科学研究局から 200 万ドルの資金提供を受けました。これは、重要な工学目的で折り紙を使用し、折り紙芸術家や数学者の参加が明示的に求められている多くのプロジェクトの 1 つです。

物理学者で折り紙の達人であるロバート J. ラング博士も参加し、チームは「単一自由度」の折り紙の設計について学びました。 「基本的に、正しい場所に折り目のパターンを付け、片手をその場に固定し、もう一方の手でシートの別の部分を掴めば、折り目の方向は完全に予測可能になります」とリバモア博士は語った。 「その信頼性はエンジニアリングの結果にとって非常に重要です。」

肝機能の再現は困難です。 肝組織では、血液は類洞と呼ばれる小さな経路を通って流れるため、分子は血液から物質をろ過する肝細胞の個々の層に到達できます。

「このパターンは組織ブロック内で何度も繰り返されます。 肝臓で処理する必要がある栄養素や化学物質が肝細胞に到達できない場合、肝細胞は成長せず、役に立たないため、これらすべての信じられないほど薄い層が必要となります。 次に、血管を通る流れと内皮層全体への拡散が必要です。 これにより、通過する流れのせん断応力から肝細胞を保護しながら、物質が肝細胞に到達できるようになります」とリバモア博士は説明しました。

自動的に層構造となる折り紙は最適な解決策でした。 折り紙人工組織では、細胞の生存を維持するためにコラーゲンでコーティングされた丈夫なナノ多孔質ポリカーボネート膜上に細胞が播種され、小さな孔が類洞の内側を覆う内皮層として機能します。 「これで、肝細胞を一方の側に、内皮細胞をもう一方の側に配置できるようになりました。 ナノ多孔質膜の片側には人工血液などの細胞培養液が流れ、もう一方には肝細胞と細胞培養液が流れ、膜を越えて拡散して肝細胞に栄養素を取り込みました。」

流れを方向付けるために、正確な間隔でレーザーカットされた穴が開けられた両面 Kapton® テープが使用されました。 次に、両面テープと膜をアコーディオン状に 90 度で何度も交差させます (視覚化するには、2 枚の紙を直角に合わせて折ります)。 折り畳まれたテープの穴が流路を作りました。 「すばらしいのは、そのおかげで、体内で起こっていることを合理的に再現できるようになったということです。 折り紙のパターンは決定論的な方法で手動で折り畳まれ、その折り目はレーザーによって事前に定義されました。 折り紙アーティストが作品をレイアウトする方法を技術的に模倣したものです。」

リバモア博士と彼女のチームは最近 NSF プロジェクトを完了し、人間の組織と同じように機能し薬物療法に反応する人工組織デバイスを作成するという最初の目標を達成しました。

折り紙と同様に、切り紙も折る必要がありますが、切ったり貼り付けたりすることもできます。 ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院のベルトルディ グループの主任研究員であるカティア ベルトルディ博士は、この形態を長年実験してきました。たとえば、切り紙の鱗を備えたヘビのように動くソフト ロボットを開発しています。移動。 「切り紙は、紙に切り込みを入れるシンプルなプラットフォームですが、それを使って何が作れるかは魅力的です。非常に多くの興味深い形が変形し、変形します。」