京都大学(京大)と科学技術振興機構(JST)の両者は10月28日、腸内環境モニタリング機能付き「デジタル錠剤」に向け、胃酸を電源とする「胃酸充電半導体集積回路」の開発に成功し、65nmのCMOSプロセスで製造した半導体集積回路を用いて実証したと共同で発表した。

  • 今回の研究のイメージ

    今回の研究のイメージ(出所:京大プレスリリースPDF)

同成果は、京大 情報学研究科のウ・ヨウ大学院生、同・新津葵一教授、大塚製薬の大西弘二プリンシパル、同・山根育郎課長らの共同研究チームによるもの。詳細は、北欧ラトビアの首都リガで10月28～29日に開催中のIEEE主催のエレクトロニクスの国際会議「NorCAS 2025」にて口頭発表された。

胃酸で充電し腸内環境をモニタリングできるように！

生体内センシングは、健康状態を把握するための有効な手段であり、中でも腸内環境のモニタリングが注目を集めている。これは、近年、腸内環境が心身の健康と関連することが明らかにされつつあり、腸内環境(例えば、温度やpH(水素イオン濃度))をモニタリングする需要が高まっているためだ。しかし、腸内環境を簡便にモニタリングする技術は現存せず、その実現は課題となっていた。

こうした背景から、将来の腸内環境モニタリング技術として期待されているのが、デジタル錠剤である。これは電子デバイスを搭載した錠剤型の医薬品であり、その研究開発が進む。しかし、実用化については胃酸発電を用いた服薬管理への適用にとどまり、デジタル錠剤を用いた体内モニタリング機能はまだ実現に至っていない。なお、飲み込んで消化器官内を撮影するカプセル内視鏡などの診断ツールは実用化されているものの、今回の研究が目指す腸内環境の温度やpHといった生理学的データを継続的に取得するモニタリング機能は確立されていない。

デジタル錠剤を体内モニタリングへ適用するための最大の課題は、電力の確保である。デジタル錠剤は、胃酸発電用の電極を搭載した半導体集積回路と薬剤成分で構成される。しかし、電池やバッテリ積層セラミックコンデンサなどの部品を搭載するスペースがないため、半導体集積回路のみで電力を確保する必要があった。そこで研究チームは今回、腸内環境モニタリング機能を実現するため、デジタル錠剤を構成する半導体集積回路上のコンデンサに、胃酸発電で得られた電力を充電・蓄電する技術の確立を目指したという。

今回の研究では、胃酸発電された電力を集積回路内に充電する際の充電電圧に工夫が凝らされた。具体的には、集積回路上の限られた容量のコンデンサで十分な電力量を蓄電するため、高電圧充電技術が提案された。蓄電される電力量は充電電圧の2乗に比例するため、これにより電力量を飛躍的に大きくすることが可能となったのである。

さらに、高充電電圧下においても、低電圧耐圧トランジスタを安定的に動作させるため、電源電圧方向に回路を縦積みする「電圧スタッキング技術」が導入された。高電圧を回路に印加すると不安定動作につながるが、この技術は1段あたりに印加される電源電圧を「段数分の1」に分割して印加することで、安定動作を実現したものだ。同時に、スタッキングされた回路間で電流を再利用することによる電力利用効率を高めることにも成功。そして、これらの提案技術を用い、65nmCMOSプロセスで半導体集積回路を開発し、その有効性が実証された。

体内モニタリング機能付きのデジタル錠剤を開発することで、簡易的な体内モニタリングが可能となり、疾病の早期発見や、健康状態の詳細な把握、さらには日々の健康管理に貢献することが期待される。例えば、腸内環境の把握と改善を通じた、免疫機能の向上などがその一例だ。今回の研究で体内モニタリングの基盤技術が確立されたことから、研究チームは今後、さらに高性能化を進めると共に、安全性についての検証も行い、動物実験や臨床試験での有効性実証を目指すとしている。