高校時代、グランドフィールドは材料工学キャンプに参加し、そこでのセッションはケベックシティのラヴァル大学の再生および修復医療用生体材料の専門家であるディエゴ・マントヴァーニによって指導された。
私は、こうした大きな変化と大きなリスクを冒し、挑戦的なプロジェクトに挑戦し、優れた科学を提供したことで知られたいのです」と、毎年カナダでわずか6人の優れた研究者に与えられる名誉ある栄誉である、今年のアーサー・B・マクドナルド・フェローの一人であるキャスリン・グランドフィールドは言う。 (写真提供: 撮影スタジオ、シルヴィ・リー)
「彼が心臓弁が機能しない理由を調査するこのプロジェクトを私たちに見せてくれたことを覚えています」と、現在マクマスター材料科学および工学の第一人者であり、工学部大学院副学部長であるグランドフィールド氏は回想する。
マントヴァーニ氏は彼らに、サンプルを顕微鏡で見て、コレステロールの蓄積と心臓弁の欠陥を観察するように依頼した。それはグランドフィールドにとってすべての焦点が当たった瞬間でした。
以前、彼女は医学の分野でのキャリアを検討していました。しかし、顕微鏡を通して見ることで生体医工学に目が開かれ、「エンジニアとして人々の健康を改善するソリューションを生み出すことができる」ことがわかりました。
今日、そのビジョンは素晴らしいキャリアに成長しました。 Grandfield 氏の研究成果により、彼女は生体材料およびバイオインターフェースの顕微鏡検査における Tier-2 Canada Researchchair を獲得しており、顕微鏡分野での彼女の研究は Physics Today、Nano Letters、ACS Nano の表紙で特集されています。
そして10月26日、彼女は名誉あるアーサー・B・マクドナルド・フェローシップの今年の受賞者の一人に選ばれた。
認識の瞬間
アーサー B. マクドナルド フェローシップは、自然科学と工学への革新的な貢献を讃えて、カナダ全土から毎年 6 人の初期段階の研究者を表彰しています。
カナダ自然科学工学研究評議会 (NSERC) の資金提供を受けているこのフェローシップは、研究室を拡張し、研究プログラムを成長させるための 25 万ドルの研究資金を受領者に提供します。また、教育および管理の任務からも解放されます。
NSERC の社長に連絡するようグランドフィールドさんに求めるメールが最初に彼女の受信箱に届いたとき、彼女はほとんど信じられませんでした。 「ただ、大声でこう言ったのを覚えています。『なんてことだ、これは私が考えていることを意味しているのだろうか？』」
グランドフィールド氏が最初にこのニュースを共有したいと思ったのは、同学部の研究副部長であるカルロス・フィリペ氏だった。彼は彼女が賞に応募するために必要な後押しを与えてくれたのだ。
テキストメッセージが送信され、ジョン・ホッジンズ・エンジニアリング・ビルの周りで追跡が続き、最終的にフィリペさんはグランドフィールドさんのオフィスにたどり着き、そこでグランドフィールドさんは彼女に「人生最大のハイタッチ」をした。
喜びとハイタッチの中でも、グランドフィールドではこの認識の重要性が失われませんでした。彼女はそれを、チームが行っている良い仕事を認める「謙虚な瞬間」と呼んでいます。
「研究者として、この仕事をするのは、好奇心があり、答えなければならない質問があるからです。精力的に働き、実験はいつも失敗しますが、評価されることをまったく期待せずにただ続けます。それが好きだから、そして常に発見すべきことがたくさんあるからそれをやっているのです。」キャスリン・グランドフィールド
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数多くの学術的称号と膨大な研究プログラムにもかかわらず、グランドフィールドは、結局のところ、自分はまだ顕微鏡医であると言うでしょう。
「仕事に行って、顕微鏡で興味深いサンプルを観察したいだけなんです」と彼女は笑いながら言います。
しかし、彼女が使用している顕微鏡は、キャンプで使用した高校の卓上バージョンではありません。これらは、X 線、電子、イオン ビームを使用して材料の内部構造を高解像度で観察する、部屋全体を占めることもある大型の顕微鏡です。
これらの異なるタイプの顕微鏡を組み合わせて使用することは、相関顕微鏡法と呼ばれるとグランドフィールド氏は説明します。 「1 つのツールですべての答えが得られるわけではありませんが、一緒に同じ地域を見て、徐々に規模を小さくすることができるという考えです。」
相関顕微鏡のおかげで、グランドフィールドの研究室では、骨が何でできているか、そしてそれらの内部構造が原子スケールでどのように組織されているかを見ることができます。そして、原子スケールはすでに小さいように思えますが、実際のスケールがどれほど小さいかに驚かれるかもしれない、とグランドフィールド氏は言います。
「私たちは人間の髪の毛の約700分の1の小さな骨の部分を研究しています」と彼女は説明する。 「これらの顕微鏡を使用すると、インプラントが骨に接触する場所を正確に観察でき、その構造がどのように統合されるかを分析できます。」
このプロセスは X 線分析から始まり、Grandfield は骨とインプラントの界面にある材料の大きな構造を観察します。そこから、彼女は電子顕微鏡とイオンビーム顕微鏡を使って構造をさらに掘り下げます。
これらの分析は、材料がどのように構造化され、何で構成されているかを理解するための鍵となります、とグランドフィールド氏は説明します。 「また、それが特定の方法で動作する理由についてのヒントも得られるため、それがどのように機能するかを理解することができます。」
しかし、なぜこれほど微細なスケールで構造を理解する必要があるのでしょうか?人間の健康はそれに依存していることが判明しました。
生物医工学にはバイオミメティクスと呼ばれる概念があるとグランドフィールド氏は説明します。それは、自然からインスピレーションを得て工学設計の課題を解決するというアイデアです。
グランドフィールド氏のグループは、シームレスな人工股関節置換術やより強力な歯科インプラントなど、より優れた医療用インプラントを設計する方法を見つけるために、まさにそれを行っています。
「骨組織を置き換える新しいデバイスを開発したい場合は、まずその組織が実際にどのようなものであるかを知る必要があります」とグランドフィールド氏は言います。 「すべてのものは原子で構成されていることがわかっているので、大規模な構造だけを見る必要はなく、これらの物質がどのように形成されるかを原子スケールまで調べる必要があります。」
この小規模な分析により、研究者は、自然組織が認識されてデバイスと統合されたかどうか、あるいは新しい材料がそもそも効果的かどうかなど、デバイスに関する重要な質問に答えることができます。
大きなスイングは報われる
グランドフィールドの研究は原子スケールで行われていますが、彼女の野心は天文学的なものに他なりません。
「私たちの研究室は、私たちが見ていた長さのスケールでは見ることができなかったため、人々がその存在を知らなかった骨の特徴を発見しました」とグランドフィールド氏は言います。
「このフェローシップを通じて、私たちはその発見を、何が起こっているかのスナップショットを超えたものにしたいと考えています。私たちは、これがリアルタイムで起こっているのを見たいのです。」
これは、タンパク質がインプラントの表面とどのように相互作用するか、骨がどのように形成されるかを観察できるイメージング手法を開発することを意味します。
これらの顕微鏡のほとんどは真空中で動作するとグランドフィールド氏は説明します。空気やその他の粒子が存在しないため、電子ビームはこの真空を完全に通過して、顕微鏡内の材料と相互作用することができます。
しかし、特別に製造されたホルダーの助けを借りて、グランドフィールドは、液体とコラーゲン原線維の小さなチャネルで満たされたカプセルを顕微鏡の中に入れることができる。これらのカプセル内から、液体状態からの骨の形成を最も小さな長さスケールで観察することができます。
しかし、グランドフィールド氏の取り組みはそこで終わりません。
彼女のグループは、加工された生体材料の一部を取り出し、それを私たちの体内のものを模倣したこの特殊なホルダーの中に入れる方法を開発しました。
この方法により、研究者は生体材料をより迅速にスクリーニングし、どの生体材料が最も早く機能するか、またはどの生体材料が表面に最良の骨コーティングを形成するかを確認することができます。
そして、この種のプロジェクトは一部の人にとっては「夢物語」のように見えるかもしれないが、グランドフィールド氏によれば、まさにこの種のリスクこそが彼女のキャリアを決定づけたのだという。
「私は、こうした大きな変化と大きなリスクを冒し、挑戦的なプロジェクトに挑戦し、優れた科学を提供することで知られたいのです」と彼女は言う。 「今、私たちは大きな舵を取り、この分野を前進させ続けるチャンスを持っています。」
ドアを開ける
この認識とそれが彼女にとって何を意味するのかを振り返り、グランドフィールドさんは、自分が今年のフェローシップ受賞者の一人であることを知った直後に起こった瞬間を思い出します。
学生の一人が彼女を研究室に呼びました。特定のタンパク質を初めてイメージしたからです。そして、3 年間の研究成果を一緒に祝う機会があったと彼女は回想します。
グランドフィールド氏は何よりも、この評価がこの分野の次世代リーダーの育成に役立つことを望んでいます。
「私は世界で最高の仕事に就いていると思っています。私の仕事は学び、人々に教えることです。その分野を前進させるためにできる限り多くのことを学ぶために毎日仕事に就くことができ、その知識をいつか私を超えるであろう研修生に伝えることができるのは、とても光栄なことではありませんか。これより良い仕事は考えられません。」キャスリン・グランドフィールド
グランドフィールドの学生は、長年にわたってさまざまな役割を果たし、産業界で働く人もいれば、世界中で教授になっている人もいます。
「優秀な若い科学者やエンジニアのネットワークが形成されているのを見るのは信じられないほどです」とグランドフィールド氏は言います。 「この賞をきっかけに、今後も彼らに扉を開く役割を果たし続けられることを願っています。」
マクマスター エンジニアがアーサー B. マクドナルド フェローシップを受賞するのは 2 年連続です。昨年は機械工学准教授のトヒド・ディダル氏がこの賞を受賞した。 2018 年、化学エンジニアのトッド ホアは、NSERC EWR スティーシー記念フェローシップを獲得しました。このフェローシップは、後にマクドナルドに敬意を表して改名されました。
