郭 媛元
東北大學 跨學科科學前緣研究所／醫工學研究科 副教授
2021年起擔任創發研究支援項目研究代表
在大腦中，神經細胞通過電信號以及神經遞質、離子等化學物質進行資訊傳遞。要解析腦功能，必須對這些信號進行詳細測量。日本東北大學跨學科科學前緣研究所的郭媛元副教授正在致力於將測量裝置整合到一根纖細的多功能纖維中，以便實現對生物體內外各種信號的同步測量。郭媛元副教授正在探尋「Biofibertronics」（生物纖維電子學）研究領域的廣泛可能性。
搭載電極等的金屬線
製造方法與金太郎糖同樣
大腦神經細胞之間的電信號相互傳遞，使的我們能夠進行各種活動。但由於神經細胞之間存在名為「突觸」的間隙，電信號需要先轉換成多巴胺、血清素等神經遞質。當這些物質與下一神經細胞的接受者結合時，離子通道開啟，鈉鉀電漿噴射發動機入流出，從而在下一個神經細胞中產生新的電信號並將資訊傳遞下去。要同時測量這種電信號與神經遞質、離子等神經化學物質是非常困難的。
日本東北大學的郭媛元副教授的手中拿著的是，乍一看就是一根細長的金屬線，其直徑不足1毫米。纖細的線材拿在手中會自然下垂，宛如蠶絲紗般柔軟的質感（圖1）。但金屬線中卻搭載有電極和傳感器等裝置，能夠實現電信號與神經化學物質的同步測量。
圖1 多功能纖維
雖如蠶絲紗般柔軟，但其內部卻搭載了電極、生物感測器等器件，可測量多種信號。
用顯微鏡觀察纖維截面，可看到半透明材質中的內部結構。關於其製造方法，郭副教授表示，「就像做金太郎糖一樣」。金太郎糖通過將不同顏色的糖塊層層堆疊，經加熱拉製伸成細長形狀後剖切而成。多功能纖維也是將電極、傳感器等嵌入聚合體中，通過加熱拉製伸製成（圖2）。這種名為「熱拉製伸技術」的工藝，也被用於製造通信光纖。
圖2 多功能纖維製造方法
首先，製作在聚合體中嵌入電極和傳感器等器件的「預製件」，然後通過加熱拉製伸，加工成細長的纖維狀。
追求纖細而柔韌的性質
還有著眼於商業化的小型裝置
郭副教授在碩士期間在日本東北大學主攻電子工程學專業，研究半導體與生物分子相結合的半導體生物感測器。隨著研究的深入，她產生了用傳感器實際測量生物體內信號的想法。出於對腦科學研究的興趣，她決定將研究領域從電子工程轉向醫工學，並進入該校工學科博士課程深造。
郭副教授回顧道：「當時我認為要測量腦功能，就需要對生物體相容性好且柔軟的纖維，而且實現同時測量神經遞質與離子等神經化學物質以及電信號等多種腦活動至關重要。」於是她開啟了能夠滿足測量神經化學物質以及電信號雙方特性的纖維研究，為實現纖維植入體內而追求極致的纖細柔韌特性，其成果就是本文開篇介紹的絲狀多功能纖維。
目前，郭副教授的實驗室配備有3台自製的多功能纖維製造裝置，還有著眼於到商業化的小型設備（圖3）。用於測量生物體內外信號的電子學被稱為生物電子學，但郭副教授把用纖維來捕捉生物信號的想法命名為「Biofibertronics」，希望今後能進一步拓展該研究領域。
圖3 多功能纖維製造裝置
照片中右側就是使用熱拉製伸技術製造多功能纖維的裝置。體積小巧，即使在空間受限的場所也能設置。
單根纖維分岔技術
章魚觸手式「三維探針」
郭副教授自2021年起，從事JST的創發研究支援項目「面向腦功能解析的多功能三維神經探針的開發」的相關研究。雖然目前已有一些腦內信號的檢測技術，但還只能測量腦內某個部位的某一類信號，存在「測量器件材質過硬，對腦組織可能造成傷害」等課題。
郭副教授介紹說，與傳統器件相比，多功能纖維則具有「不僅是化學物質和電信號，還能同時測量燈火信號」的優點。為瞭解決同時測量腦內多個場所的問題，她的設計出從單根纖維分岔出多根分枝纖維，如同章魚「觸手」般的「三維探針」。這種探針作為測量裝置，若內置驅動元件即可實現各分支纖維的精密動作，將纖維精準延伸至目標測量腦區。
目前郭副教授的團隊正嘗試兩種觸手的製造方法：一種是將嵌入了電極與傳感器的聚合體預製件中注入類似粘合劑的物質形成纖維束，在熱拉製伸時粘合劑解凍實現纖維分束；另一種是在熱拉製伸過程中通過軸心多孔結構實現纖維分枝。
成功實現特定物質的高靈敏度檢測
腦神經疾病治療應用未來可期
郭副教授提出了多功能纖維研究的三大方向並正在推進相關研究。第一是測量生物體內電化學資訊，通過施加熱、光、電、磁刺激來幫助治療。通過靈活應用多功能纖維，已經確立了對腦電活動的長期監測技術。但是要從神經細胞釋放的多巴胺、血清素精準偵檢某一種特定的神經遞質還比較困難。既往方法需螢光標記特定區域，不僅操作繁瑣，螢光還有可能改變生物體的機能。
對此，郭副教授通過在多功能纖維的電極上連接名為「適配體」的特殊分子，成功實現了不受多巴胺以外的物質影響，僅對多巴胺作出反應的高靈敏度檢測（圖4）。在電極連接適配體時曾經花費了不少的心血。郭副教授回顧說：「看似均勻的材料表面若存在電化學差異，就會影響連接效率。我們用了大約1年半的時間反復改變實驗情境，才實現了穩定連接。」
圖4 可檢測神經遞質與離子的多功能纖維
在搭載了碳電極的纖維表面修飾多巴胺適配體，實現了多巴胺特異性感測；結合離子選擇膜固定技術，還可同步檢測鈉、鉀、氯化物離子；整合微型熱電偶還實現溫度與pH得同步測量。
此外，郭副教授的團隊還成功實現了用一根多功能纖維測量維持腦穩定狀態的鈉、鉀、氯化物的離子濃度。還開發出了同時測量局部溫度變化與體內化學物質變化的纖維。纖維的應用前景遠不止於生物體內的物質檢測。郭副教授介紹說，「在纖維內製作微型線圈，通電即可產生磁場，用這個磁場可無創精準地局部刺激腦以及末梢神經，為神經疾病的治療以及查明腦功能提供新的可能」。
另一方面，為了未來實際用於腦神經疾病的治療，還需要完成安全性評估、合規評估、臨床協作體系的構建等環節。通過與臨床的緊密合作與反饋不斷優化技術，設計開發兼具易用性、安全性、穩定性的纖維，對於今後實現社會化應用極為重要。
實現Lab-in-Fiber
用於生物體樣本分析
第二個方向是生物體試料分析，也即纖維內實驗室（Lab-in-Fiber）的技術應用。目前郭副教授的團隊通過熱拉製伸時的水平方向扭轉工藝，成功在纖維內部構建出了螺旋空腔。物質流經螺旋空腔時會產生離心力，可以實現按重量分離物質。郭副教授認為該結構還可作為混合不同物質的微型混合器，目前正在推進研發。此外，在多功能纖維內整合螺旋電極與微流道器件，製作用於蛋白質、DNA等的分離及分析的纖維型電泳器件也在開發之中。
第三個方向是應用於可穿戴領域。將多功能纖維做得更細，就可使其成為可進行紡織加工的纖維。將這種纖維織入衣物與皮膚接觸，可以在穿著衣服的人無感覺的情況下，檢測汗液中鈉離子與尿酸濃度等（圖5）。通過掌握這些成分的數值，可評估身體的健康狀態。
圖5 可檢測汗液成分的纖維
衣物中織入了可檢測鈉離子、尿酸的多功能纖維，在接觸皮膚部位測量汗液成分
今後，除了汗液外，如果還能同時測量體溫、心率、腦電波等數值的話，還可期待用於健康管理及疾病預防等廣泛的用途。從獲取腦內資訊、施加刺激的體內應用，到作為實驗裝置的體外應用，再到作為纖維材料用於可穿戴領域，多功能纖維的應用場景極為豐富。
籌備初創企業
保持好奇心爭取更大發展
為了讓自己開發的多功能纖維實現技術轉化，郭副教授正接受日本東北大學「商務孵化器」的支援，籌備成立初創企業。她謙遜地表示正在朝著創業的方向邁進：「多年來一直專注科研，對企業並不太瞭解，所以現在正在與負責業務開發的成員一起合作推進企業的籌備工作，非常感謝與我合作的這些成員」。
郭副教授還表示，為了能夠拓展多功能纖維的未來應用，保持好奇心極為重要。「我常跨界探索其他領域，並不侷限於參加學會」。比如吹製玻璃，「就在加熱過程中拉伸這一點而言，吹製玻璃和多功能纖維有相同之處。如果纖維能像吹製玻璃一樣變成藝術品，豈不是很有趣？」
科研之路雖然充滿辛苦，但郭副教授認為實驗成功時充滿感動。而且更讓人感到欣慰的是學生的成長。「當學生提出積極意見時，就能感受到一起做研究的價值」。郭副教授充滿信心地表示：「未來肯定會遭遇諸多挑戰，但一定會堅持不懈地推廣生物纖維電子。」我們也樂見多功能纖維應用於醫療等眾多領域的時代的到來。（TEXT：島田祥輔 / PHOTO：島本繪梨佳）
「堅持不懈地推進自己想做的研究，會促使你成長。正因為有失敗才會有成長，所以即使失敗了也沒有關係。我希望各位學生要不懼失敗，勇於挑戰。」
原文：JSTnews 2025年5月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
