TED日本語 - フィオレンゾ・オメネト: 絹―歴史ある、未来の素材

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TED日本語 - フィオレンゾ・オメネト: 絹―歴史ある、未来の素材

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絹―歴史ある、未来の素材
Silk, the ancient material of the future
フィオレンゾ・オメネト
Fiorenzo Omenetto

内容

自然界で最もエレガントな素材の1つ、絹。フィオレンゾ・オメネトが、光の伝送・持続可能性の向上・耐久性の増加・医療の飛躍や限界への挑戦など、20以上の驚くべき絹の新利用法を紹介し、ステージではこの万能素材でできた品々を披露します。

Script

Thank you. I'm thrilled to be here. I'm going to talk about a new, old material that still continues to amaze us, and that might impact the way we think about material science, high technology -- and maybe, along the way, also do some stuff for medicine and for global health and help reforestation. So that's kind of a bold statement. I'll tell you a little bit more. This material actually has some traits that make it seem almost too good to be true. It's sustainable; it's a sustainable material that is processed all in water and at room temperature -- and is biodegradable with a clock, so you can watch it dissolve instantaneously in a glass of water or have it stable for years. It's edible; it's implantable in the human body without causing any immune response. It actually gets reintegrated in the body. And it's technological, so it can do things like microelectronics, and maybe photonics do. And the material looks something like this. In fact, this material you see is clear and transparent. The components of this material are just water and protein.

So this material is silk. So it's kind of different from what we're used to thinking about silk. So the question is, how do you reinvent something that has been around for five millennia? The process of discovery, generally, is inspired by nature. And so we marvel at silk worms -- the silk worm you see here spinning its fiber. The silk worm does a remarkable thing: it uses these two ingredients, protein and water, that are in its gland, to make a material that is exceptionally tough for protection -- so comparable to technical fibers like Kevlar. And so in the reverse engineering process that we know about, and that we're familiar with, for the textile industry, the textile industry goes and unwinds the cocoon and then weaves glamorous things. We want to know how you go from water and protein to this liquid Kevlar, to this natural Kevlar.

So the insight is how do you actually reverse engineer this and go from cocoon to gland and get water and protein that is your starting material. And this is an insight that came, about two decades ago, from a person that I'm very fortunate to work with, David Kaplan. And so we get this starting material. And so this starting material is back to the basic building block. And then we use this to do a variety of things -- like, for example, this film. And we take advantage of something that is very simple. The recipe to make those films is to take advantage of the fact that proteins are extremely smart at what they do. They find their way to self-assemble. So the recipe is simple: you take the silk solution, you pour it, and you wait for the protein to self-assemble. And then you detach the protein and you get this film, as the proteins find each other as the water evaporates.

But I mentioned that the film is also technological. And so what does that mean? It means that you can interface it with some of the things that are typical of technology, like microelectronics and nanoscale technology. And the image of the DVD here is just to illustrate a point that silk follows very subtle topographies of the surface, which means that it can replicate features on the nanoscale. So it would be able to replicate the information that is on the DVD. And we can store information that's film with water and protein. So we tried something out, and we wrote a message in a piece of silk, which is right here, and the message is over there. And much like in the DVD, you can read it out optically. And this requires a stable hand, so this is why I decided to do it onstage in front of a thousand people. So let me see. So as you see the film go in transparently through there, and then ... (Applause) And the most remarkable feat is that my hand actually stayed still long enough to do that.

So once you have these attributes of this material, then you can do a lot of things. It's actually not limited to films. And so the material can assume a lot of formats. And then you go a little crazy, and so you do various optical components or you do microprism arrays, like the reflective tape that you have on your running shoes. Or you can do beautiful things that, if the camera can capture, you can make. You can add a third dimensionality to the film. And if the angle is right, you can actually see a hologram appear in this film of silk. But you can do other things. You can imagine that then maybe you can use a pure protein to guide light, and so we've made optical fibers.

But silk is versatile and it goes beyond optics. And you can think of different formats. So for instance, if you're afraid of going to the doctor and getting stuck with a needle, we do microneedle arrays. What you see there on the screen is a human hair superimposed on the needle that's made of silk -- just to give you a sense of size. You can do bigger things. You can do gears and nuts and bolts -- that you can buy at Whole Foods. And the gears work in water as well. So you think of alternative mechanical parts. And maybe you can use that liquid Kevlar if you need something strong to replace peripheral veins, for example, or maybe an entire bone. And so you have here a little example of a small skull -- what we call mini Yorick. (Laughter) But you can do things like cups, for example, and so, if you add a little bit of gold, if you add a little bit of semiconductors you could do sensors that stick on the surfaces of foods. You can do electronic pieces that fold and wrap. Or if you're fashion forward, some silk LED tattoos.

So there's versatility, as you see, in the material formats, that you can do with silk. But there are still some unique traits. I mean, why would you want to do all these things for real? I mentioned it briefly at the beginning; the protein is biodegradable and biocompatible. And you see here a picture of a tissue section. And so what does that mean, that it's biodegradable and biocompatible? You can implant it in the body without needing to retrieve what is implanted. Which means that all the devices that you've seen before and all the formats, in principle, can be implanted and disappear. And what you see there in that tissue section, in fact, is you see that reflector tape. So, much like you're seen at night by a car, then the idea is that you can see, if you illuminate tissue, you can see deeper parts of tissue because there is that reflective tape there that is made out of silk. And you see there, it gets reintegrated in tissue. And reintegration in the human body is not the only thing, but reintegration in the environment is important. So you have a clock, you have protein, and now a silk cup like this can be thrown away without guilt -- (Applause) unlike the polystyrene cups that unfortunately fill our landfills everyday. It's edible, so you can do smart packaging around food that you can cook with the food. It doesn't taste good, so I'm going to need some help with that.

But probably the most remarkable thing is that it comes full circle. Silk, during its self-assembly process, acts like a cocoon for biological matter. And so if you change the recipe, and you add things when you pour -- so you add things to your liquid silk solution -- where these things are enzymes or antibodies or vaccines, the self-assembly process preserves the biological function of these dopants. So it makes the materials environmentally active and interactive. So that screw that you thought about beforehand can actually be used to screw a bone together -- a fractured bone together -- and deliver drugs at the same, while your bone is healing, for example. Or you could put drugs in your wallet and not in your fridge. So we've made a silk card with penicillin in it. And we stored penicillin at 60 degrees C, so 140 degrees Fahrenheit, for two months without loss of efficacy of the penicillin. And so that could be -- - (Applause) that could be potentially a good alternative to solar powered refrigerated camels. (Laughter) And of course, there's no use in storage if you can't use [ it ] .

And so there is this other unique material trait that these materials have, that they're programmably degradable. And so what you see there is the difference. In the top, you have a film that has been programmed not to degrade, and in the bottom, a film that has been programmed to degrade in water. And what you see is that the film on the bottom releases what is inside it. So it allows for the recovery of what we've stored before. And so this allows for a controlled delivery of drugs and for reintegration in the environment in all of these formats that you've seen.

So the thread of discovery that we have really is a thread. We're impassioned with this idea that whatever you want to do, whether you want to replace a vein or a bone, or maybe be more sustainable in microelectronics, perhaps drink a coffee in a cup and throw it away without guilt, maybe carry your drugs in your pocket, deliver them inside your body or deliver them across the desert, the answer may be in a thread of silk.

Thank you.

(Applause)

ありがとう ここに来れてうれしいです 古くて新しい素材についてお話します 私たちを驚嘆させ続けていて 材料科学や高度技術に対する 考え方に影響を与えるかもしれない素材です 今後もしかすると 医学や 世界的保健や森林再生にも貢献するかもしれません 少し大胆な発言ですね もう少しお話しましょう この素材は実際信じられない特性を備えています 素材は持続可能で 全ての加工は常温の水の中でされます 時間設定した生分解ができ コップの水に瞬時に溶けるようにも 何年も変化しないようにもできます 食べることもでき 免疫反応を起こさず 人体に埋め込むこともできます 実際 身体と一体化してしまいます 技術的な特性もあるので ミクロ電子工学にも使え 光通信学的なこともできそうです その素材は このようなものです 見たとおり この素材は透明です 構成要素は水分とタンパク質のみです

この素材は絹でできています なじみのある絹とは 少し違います では5千年の歴史があるものを どうやって作り変えるのか? 発見過程とは概して自然からヒントを得るものです そこで蚕の興味を向けます この蚕は繊維を紡いでいるところです 蚕は驚くことをします 分泌腺から出るタンパク質と 水の2つの材料を使い 非常に耐久性のある保護素材を作るのです ケブラーのような 工業用繊維に匹敵します 私たちが知っていて なじみのある リバースエンジニアリングで 繊維工業を見ると 繊維工業は繭をほぐして 華やかなものを作り出しています 知りたいのは どうやって水とタンパク質を ケブラーの溶液 この自然ケブラーにするかです

実際にこれをどのように リバースエンジニアして 繭から分泌腺へと逆行し 出発物質である水とタンパク質にたどり着くかです これに関しては 私も一緒に働く光栄にあずかった デイビッド・カプランという人物が 約20年前に解き明かしました そして出発物質が得られ これが基本的な構成要素に戻ります そしてこれを使って様々なもの 例えばフィルムなどを作ります 非常に簡単なことを利用します フィルムの作り方は タンパク質に高度な特性が あることを活用したものなのです 自己組織化ができることです レシピは簡単で 絹の溶液を流し込み タンパク質が 自己組織化するのを待ちます そして水分が蒸発しタンパク質が集合したら フィルムになったタンパク質を取り外します

フィルムは技術的でもあると言いましたが それはどういう意味か? それは典型的な技術のいくつかと 連結できるということです ミクロ電子工学やナノスケール技術などです このDVDの画像は 絹は表面の非常に僅かな 起伏をたどることを説明するためで このため ナノスケールで起伏を複製できるということです つまりDVDに記録された 情報を複製できるということです 情報を水とタンパク質のフィルムに記録できるのです 試しに絹の一片にメッセージを書いてみました これです メッセージはここです DVDのように光学的に情報を読み取れます 手が震えるとダメなので ステージで大勢の人たちを前にしてやれるか やってみましょう 透明のフィルムですが こうすると― (拍手) ここで一番すごい業は やっている間 手が震えなかったことです

そして一旦 素材のこのような 特性が手に入ると たくさんのことができます 実際フィルムに限られません この素材は様々な形態にすることができます ちょっと凝ったことをして 色々な光学素子や ランニングシューズの反射テープのような マイクロプリズムを作ったりできます 美しいものも作れます カメラで写せますか? フィルムに立体感を加えて ちょうどいい角度で見ると 絹のフィルムにホログラムが浮かび上がります 他のこともでできます 純タンパク質で光を導くことが できるかもと考え 光ファイバーも作りました

でも絹は万能で光学以上のことができます 様々な形態が考えられます 例えば医者に行って注射されるのが怖いなら 極細の針を作ればよいのです 画面にあるのは人間の髪の毛に 絹でできた針を重ね合わせたものです 細さが分かると思います もっと大きなものも作れます 歯車やネジやボルト これらはWhole Foodsで買うことができます 歯車は水中でも使用できます 機械の代替部品について考えると ケブラーの溶液は 例えば末梢静脈や 骨丸ごと1本を交換する耐久性のあるものとして 使えるかもしれません ちょっとした見本として ミニチュアの頭蓋骨があります ミニ・ヨリックと呼んでいます (笑) でも例えばカップのようなものも作れます 金と半導体を少し加えれば 食品の表面に貼り付けられるセンサーが作れます 折り曲げたり包んだりできる 電子装置も作れます ファッションに敏感な人なら絹のLEDタトゥーでも

ご覧のとおり 絹には 素材形態の 多用途性があります まだ他にも独特の特性があります どうして実際にこれが役立つのか? 最初に少し述べましたが タンパク質は生分解性や生体適合性があります これは組織切片の写真です 生分解性と生体適合性があるから何だと言うのか? 身体に埋め込んだ後 取り除く必要がないということです つまりお見せしたすべての装置や形態は理論上では 身体に埋め込まれた後 消えてしまうということです この組織切片に見えるのは 実は反射テープです 車からあなたのことが見えるように 光を当てれば組織の奥まで見ることが できるというアイデアです 絹でできた反射テープがあるからです 更にこれは組織と一体化します 人体と 一体化するだけではなく 環境と一体化することも重要です タンパク質の時間設定をすると このような絹のカップができ 罪悪感なしで捨てることができます (拍手) 残念なことに埋立地に日々溜まっていく 発砲スチロールのカップとは違います 食べることもできるので そのまま調理できる 食品用のスマート包装も作れます 味はよくないので 助けが必要なんですが

でも最も素晴らしい点は元に戻るということです 絹は自己組織化の過程で 生体物質の繭として機能します そこでレシピを変えて 流し込む時に何か加え― 絹の溶液に何か加え それが酵素であろうが 抗体やワクチンであろうが 自己組織化の過程が これらのドーパントの生体機能を守ります つまり素材は環境に対して活性を持つようにも 持たないようにもできるのです 先ほどお見せしたネジも 実際に折れた骨を 繋ぎ合わせるネジとして使えるのです 骨が治癒している間 同時に薬品を投与することもできます 要冷蔵の薬品を財布に入れておくこともできます そこでペニシリンの入った 絹カードを作りました これを2ヶ月間摂氏60度 つまり華氏140度で保存しましたが ペニシリンの薬効は失われませんでした ですからこれは― (拍手) これはソーラー冷蔵庫を背負った ラクダより良い案かもしれません もちろん使用できなければ保存の意味はありません

それにはもう1つの独特の素材特性があります 素材の分解を設定することができるのです ここに見えるのがその差です 上は分解しないよう設定されたフィルムで 下は水中で分解するよう設定されたフィルムです ご覧のとおり 下のフィルムは 中身を放出しています このように保存したものを使用することができます 時間制御した薬品投与や 環境への還元も可能となります 見て頂いた形態のどれでも可能です

これらの発見を繋いでいるのは実際に糸なのです 静脈や骨の差し替えや もっと持続可能な ミクロ電子学を行うこと コーヒーを飲んだあと罪悪感なく カップを捨てたり 薬をポケットに入れて持ち歩て それをそのまま飲んだり そのまま砂漠を渡って届けたり したいことが何であれ 答えは絹糸に あるかもしれないことには感動させられます

ありがとう

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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