アリス・ホワイト教授の3Dプリンティングとバイオメディカルエンジニアリングに関する研究経験

将来、人命を救う可能性のある極めて微細な構造物を作るのが、3D プリンティングと生体医学工学の第一人者であるアリス・ホワイト教授の仕事です。アリス・ホワイトは、数十年にわたるキャリアを通じて、ボストン大学 (BU) で研究を行いながらイノベーションへの情熱を持ち続け、自身の豊富な経験を活かして医療技術を進歩させ、次世代のエンジニアに刺激を与えてきました。

キャリアの始まり

アリス・ホワイトは、トランジスタや情報理論などの画期的な発明で知られる研究機関である名門ベル研究所でキャリアをスタートしました。 1925 年以来、ベル研究所はイノベーションの先駆者として、通信とその先の未来を形作ってきました。

ベル研究所のアリス・ホワイト

アリス・ホワイトはベル研究所で30年間研究を行い、主任科学者にまで昇進し、フォトニクスとナノテクノロジーの分野で革新的なプロジェクトに取り組みました。ベル研究所での評判とチャンスにもかかわらず、ホワイト氏はそれ以上のものを望んでいた。彼女は自身の専門知識をより広い使命、つまり学術界における女性のロールモデルおよび擁護者としての役割を果たすことと組み合わせたいと考えています。より大きな影響を与えたいという思いから、彼女は学界へと進み、そこでは業界での経験を活かして、より多くの女性が工学や物理学の分野でキャリアを積むよう奨励できると信じていました。

産業界から学術界へ

2013年、アリス・ホワイトはベル研究所を離れ、学界に移り、ボストン大学工学部に入学しました。ここで彼女は、研究室も設備も確立されたネットワークもない状態で、ゼロから始めるという課題に直面しました。しかし、彼女の決意とビジョンにより、この白紙の状態はすぐに活気ある研究センターへと変貌しました。 2014 年に彼女は、バイオメディカル用途の複雑な構造を開発するために Nanoscribe 3D プリンターを備えたマルチスケールレーザーリソグラフィーラボを設立しました。

彼女の学術的キャリアにおける重要な瞬間は、ボストン大学バイオデザインセンターの創設ディレクターであり、ワイス研究所の 3D 臓器工学イニシアチブの共同ディレクターであるクリス・チェン教授とのコラボレーションでした。クリス・チェン教授の幹細胞の機械的特性に関する研究に触発され、アリス・ホワイトは製造に関する専門知識を活かして、身体の状態を模倣した 3D 環境を作り上げました。これをきっかけに、彼女はチェン氏と協力し、Nanoscribe を使用して組織工学用の非常に小さく複雑な足場を印刷するようになりました。彼女は、直接レーザー書き込み技術による二光子重合を使用して細胞足場を開発しており、これにより細胞の挙動や組織形成に影響を与える3D構造を正確に作成することができます。

△ アリス・ホワイト教授がポスドク研究員マティアス・インボーデンと対談

学術的貢献

アリス・ホワイトが Nanoscribe 3D プリンターで行っている作業は革命的です。 Nanoscribe 3D プリンターを使用すると、人間の細胞よりも小さい構造を信じられないほどの精度で作成できます。例えば、彼女のチームは、複数の方向に垂直に圧縮されると横方向に収縮する「拡張可能な」ステントを開発したが、これは従来の材料ではあまり見られないものである。この革新は、医療機器のマイクロポンプ（またはミニポンプ）などのアプリケーションにとって非常に重要です。

Nanoscribe の汎用性は、スキャフォールドの印刷に限定されません。アリス・ホワイトの研究室では、この技術を使って、敏感なフローバルブ、末梢神経を刺激するナノクリップ、さらには小さな磁石を操作するための特注ピンセットも作っている。

△ Nanoscribe Photonic Professional GTナノプリンター

アリス・ホワイト氏は、3D プリンティングとマイクロエレクトロメカニカルシステム (MEMS) を組み合わせる可能性についても調査しました。彼女は、3D マイクロプリンティングを MEMS と組み合わせて、医療用画像処理や組織工学のアプリケーションに不可欠な動的で変形可能な微細構造を生成する方法を実演しました。この革新的なアプローチにより、既存のシステムに直接統合できるカスタマイズ可能な機能的なマイクロコンポーネントを作成できるようになり、システムのパフォーマンスが向上します。

「Nanoscribe ツールの設計とエンジニアリングのおかげで、研究室のメンバーは限界を押し広げ、極めて柔軟なジョイントやその他の複雑な部品を作成できます」と Alice White 氏は語ります。「これは研究と実際のアプリケーションの両方にとって素晴らしいツールです。この研究の最もエキサイティングな側面の 1 つは、医療用インプラント用の生分解性スキャフォールドを作成できる可能性があることです。これらの材料は時間の経過とともに体内で溶解するため、安全で効果的なインプラントを開発する上で非常に重要です。」

△ アリス・ホワイト研究室で Nanoscribe を使用する大学院生

先導する

アリス・ホワイトの研究は、ボストン大学、ミシガン大学、ハーバード大学医学部などとの共同研究である CELL-MET (国立科学財団細胞メタマテリアル工学センター) プログラムを通じてバイオメディカル工学を発展させる上で極めて重要です。共同主任研究者として、彼女は心臓病に対応した機能的な心臓組織の作成に焦点を当てており、拒絶反応のリスクなしに損傷した心臓組織を修復できる患者自身の幹細胞を使用した心臓パッチを開発することを主な目標としています。 CELL-MET でのホワイト氏のプロジェクトは、彼女の研究室とボストン大学のチェン氏の組織工学研究室との共同の取り組みです。アリス・ホワイト氏は次のように語った。「目標は、損傷した心臓組織を置き換えたり修復したりできる機能的なパッチを作成することです。これは困難な作業ですが、その影響は計り知れません。これらのパッチは心臓機能を回復させ、無数の人々の生活の質を向上させる可能性を秘めています。」

△ CELL-MET のクリストファー・チェン、クリストス・ミカス、アリス・ホワイト（左から右へ）

アリス・ホワイトの研究は、工学と生物学の完璧な融合であり、しばしば「工学と生物学の融合」と呼ばれる分野です。アリス・ホワイトと彼女の同僚たちは、機械工学と生物医学の洞察を組み合わせることで、複雑な健康問題を解決するための新しいアプローチを開拓しています。 3D プリントの柔軟性により、さまざまなデザインや材料を試して、組織工学の限界を押し広げることができます。 ”

2022年、アリス・ホワイト、チェン、およびCELL-METの学際的チームは、3Dプリントを使用して、実際の臓器をより正確に模倣し、心臓病の新しい治療法をテストするためのサンドボックスを提供する、生きた心室のミニチュアレプリカを設計しました。ボストン大学チームの発明（miniPUMP）は、実験室で肺や腎臓などの他の臓器を作成するための優れた基盤となる可能性があります。

心臓組織を支える足場の大型レプリカ

素晴らしい家庭教師

アリス・ホワイトは、画期的な仕事に加えて、エンジニアリングの分野における多様で包括的な環境の育成にも尽力しています。彼女はボストン大学機械工学部の初の女性学部長であり、STEM分野における女性の活躍を強く主張しています。彼女は産業界と学術界の両方で経験を積んでいるため、学生をエンジニアリングのキャリアに備えさせる理想的な指導者です。

「学生は過去 10 年間、ボストン大学の最大の財産であり、彼らのキャリアを育み、専門分野で成功するのを見るのは非常にやりがいのあることです。キャリア開発のアドバイスを提供し、ネットワークの構築を支援するのがメンターの仕事です」とアリス・ホワイトは述べています。

医療における3Dプリントの未来

アリス・ホワイトは、3D プリンティングが生物医学的応用に大きな可能性を秘めていると信じています。例えば、生分解性樹脂の開発により、インプラントが時間の経過とともに体内で安全に溶解できるようになる可能性があります。これにより医療機器に革命が起こり、より安全で多用途なものになります。彼女の研究室では、3D プリントの速度と精度の向上を目指して、新しい素材やデザインの探求を続けています。研究から臨床応用までの時間を短縮することが目標です。

アリス・ホワイト氏は次のように語っています。「小さな組織からより大きな機能的組織構造物へと研究を拡大する能力は主要な焦点であり、研究室は研究結果をより大きな規模で再現する方法を模索しています。これは実際の医療応用にとって重要です。これには、組織が大きくなるにつれて構造的完全性と機能性を確保するための課題を克服することが含まれます。最終的な目標は、体内の既存のシステムとシームレスに統合できる移植可能な生存可能な組織を作成し、重度の組織損傷を患う患者に新たな希望をもたらすことです。さらに、研究室はこれらのより大きな組織構造物を一貫して効率的に生産できるようにする新しい方法を開発しています。これは、最終的な臨床応用にとって重要です。」

△ アリス・ホワイト教授

ホワイト氏は、ベル研究所での仕事からボストン大学での画期的な研究まで、工学と医学の限界を押し広げ続けています。彼女は次世代の指導と STEM 分野の多様性の促進に尽力しており、彼女の努力は今後もこの分野に刺激を与え、変革をもたらし続けるでしょう。彼女はこう言います。「適切なツールと革新への飽くなき意欲があれば、何でも達成できます。」

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