圧電による神経組織の再生
生体物質の圧電性
The intrinsic piezoelectric properties of materials – a review with a focus on biological materials
RSC Adv. 2021 Sep 15;11(49):30657-30673. doi: 10.1039/d1ra03557f
圧電性とは、圧電材料に機械的応力が加わると変形し、電荷が発生することを意味します。
機械的応力を電荷に変換するプロセスは、直接効果として知られています。
逆効果とは、圧電材料に外部電場が印加され、材料が機械的に変形することを指します。
生体物質の圧電性は生理学的に重要であると考えられています。
骨の構造と骨が受ける応力との間の相関関係を説明する「ウォルフの法則」に従って、骨の圧電性が骨の再構築と成長に影響を与えています。
骨の圧電性・ウォルフの法則については、関連記事をご参照ください ↓
また、圧電性は外部刺激を感知する神経系の役割を果たしているとも考えられています。
コラーゲン、エラスチン、アクチン、ミオシンなどのタンパク質は圧電性を示します。
ファシア（細胞外マトリックス）と呼ばれる結合組織の成分には、コラーゲンやエラスチンという繊維性タンパク質が多く、ヒアルロン酸などムコ多糖タンパク質なども含まれます。
ファシアは加えられたストレスに応じて緊張状態を修正しており、体全体に広がるバイオテンセグリティのネットワークの一部と見なされます 。
ファシア（細胞外マトリックス）については、関連記事をご参照ください ↓
バイオテンセグリティ（テンセグリティ）については、関連記事をご参照ください ↓
アミノ酸は、体内で多くの重要な生理学的機能を果たすタンパク質の構成要素です。
ナノスケールでのアミノ酸の圧電性は、マクロスケールでの組織や器官の圧電性を理解するための基礎となります。
生物材料における一般的な傾向は、通常、せん断圧電係数が縦方向の圧電係数よりも高いことです。
グリシンとヒドロキシプロリンは、天然アミノ酸の中で最も高い圧電係数を持つことがわかっています。
コラーゲンは、その圧電性について最も広く研究されているタンパク質です。
I 型コラーゲン は人体の全タンパク質の約 25 ～ 30% を占め、最も豊富なタンパク質となっています。
コラーゲン線維の構造は、3本のねじれたポリペプチド鎖で構成されており、各鎖は GPX の繰り返し単位で構成されています。
G はグリシン、P と X は通常プロリン、およびアラニンやヒドロキシプロリンなどの他のアミノ酸です。
コラーゲン線維の3重らせん構造については、関連記事をご参照ください ↓
各ポリペプチドの末端には、カルボキシル末端とアミノ末端が見られ、コラーゲン分子の長軸に沿って電気双極子が生じます。
応力が加えられると、コラーゲン鎖自体が再配向し、双極子が特定の方向に沿って整列し、圧電性が生じます。
コラーゲン線維の硬い領域は、機械的に変形させるのがより難しく、より高い弾性率を持ち、低い圧電性を示すことがわかっています。
コラーゲン内の水分子が構造の安定化に役立っており、組織が脱水すると、コラーゲン線維の配向が乱れ、圧電性が低下します。
基質（ヒアルロン酸）の水和によって粘度を低下させると、バイオテンセグリティー（内因性張力構造）が働き、コラーゲン線維のネットワーク内に力が散逸して、コラーゲン線維が再編成されます。詳しくは関連記事をご参照ください ↓
圧電ポリマーによる神経組織の再生
Revealing an important role of piezoelectric polymers in nervous-tissue regeneration: A review
Mater Today Bio. 2024 Jan 11:25:100950. doi: 10.1016/j.mtbio.2024.100950
神経系は生体内のすべての器官とシステムを制御し、中枢神経系（CNS）と末梢神経系（PNS）の 2 つの部分で構成されます。
シグナル伝達経路は、 CNS から PNS を介して体の他の部分に伝わります。
CNSとは異なり、骨組織や血液脳関門による遮蔽がないため、PNSは、病気、毒素、外科的処置、事故、自然災害などによる損傷を受けやすくなっています。
末梢神経損傷（PNI）は、神経の可動性と感度に影響を与え、成熟ニューロンの再生能力が低いために永続的な機能喪失につながる可能性があります。
神経のつながりと痛みについては、関連記事をご参照ください ↓
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電気活性材料によって提供できる電気刺激は、神経を含む軟組織の形成に最も効果的なツールの一つです。
電気刺激は皮膚、心臓、神経組織などの軟組織に対してより効果的です。
神経欠損が形成されると、電気信号の伝達が停止します。
電気刺激は、再生中の軸索を神経間隙を越えて誘導し、生体信号伝達によって損傷した神経の近位断端と遠位断端を接続します。
電場によって刺激された シュワン細胞（SC）は、神経突起の伸長の増加と、印加された電場の方向への整列の増加を示します。
一般的に電気刺激には、電場を生成するための電極などの補助装置が必要です。
圧電ポリマーを使用すると、外部エネルギー源や電極を使用せずに、表面電荷の変化を引き起こすことができます。
圧電ポリマーは、機械的な力を電気に変換することができ （圧電効果）、またその逆も可能です （逆圧電効果）。
圧電性を発現するポリマーの構造要件は、（１）永久分子双極子の存在（２） 分子双極子を整列または配向する能力（３）一度達成された整列を維持する能力（４）機械的応力がかかると材料に大きなひずみが生じること。
圧電足場が シュワン細胞（SC）の接着、成長、分化、髄鞘形成、および神経突起の伸長をサポートすることが示されています。
このような材料の圧電容量は、生体内でのマクロスケールの体の動き、姿勢の変化、または間質液循環によって活性化され、損傷の治癒を促進する可能性があります。
まとめ
圧電性とは、圧電材料に機械的応力が加わると変形し、電荷が発生することを意味します。
生体物質の圧電性は、生理学的に重要であると考えられています。
コラーゲン、エラスチン、アクチン、ミオシンなどのタンパク質は圧電性を示します。
コラーゲンの構造は、3本のねじれたポリペプチド鎖で構成されており、応力が加えられると、コラーゲン鎖自体が再配向し、双極子が特定の方向に沿って整列し、圧電性が生じます。
神経欠損が形成されると、電気信号の伝達が停止します。
電気刺激は、再生中の軸索を神経間隙を越えて誘導し、生体信号伝達によって損傷した神経の近位断端と遠位断端を接続します。
電場によって刺激された シュワン細胞（SC）は、神経突起の伸長の増加と、印加された電場の方向への整列の増加を示します。
一般的に電気刺激には、電場を生成するための電極などの補助装置が必要ですが、圧電ポリマーを使用すると、外部エネルギー源や電極を使用せずに、表面電荷の変化を引き起こすことができます。
