(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート材の端部を保持する一対の治具であって、
複数の接触子と、
前記接触子を支持して、前記接触子の先端をシート端に沿って所定間隔を空けて並置し、前記接触子の先端部を前記シート材に当接させ、前記シート材を前記接触子間に架け渡して保持する支持部と、を備え、
前記接触子は、前記支持部から下方へ垂下され、先端が前記シート材の内方から外方へ向けて曲がる鉤状部を有し、前記シート材のカールした端部と前記鉤状部とが係合して前記シート材を保持する治具。
【請求項２】
前記複数の接触子が、前記鉤状部を有する接触子と、前記支持部から下方へ垂下されて先端部を下向きとした直状の接触子とからなる請求項１に記載の治具。
【請求項３】
前記複数の接触子が、前記支持部に設けられた上下方向の穴を通って垂下され、前記穴に沿って上下動可能に支持されている請求項２に記載の治具。
【請求項４】
前記支持部は、シート材の面と直交する方向へ移動可能に前記接触子を支持する請求項１から３の何れか一項に記載の治具。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の治具を培養容器に着床している細胞シートに近接又は当接させて当該シート材の端部に位置決めする手順と、
前記培養容器から前記細胞シートを剥離する手順と、
前記培養容器から剥離されたことによりカールした前記細胞シートの端部を前記治具で保持する手順と、
を実行する細胞シートの保持方法。
【請求項６】
請求項１から４の何れか一項に記載した少なくとも一対の治具と、
対をなす前記治具の間隔を広げて当該治具に架け渡したシート材を引張する駆動部と、
前記シート材にかかる引張力を測定する測定部と、
を備えた測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シート材をハンドリングする技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
細胞を生体から取り出し、これらを生体外で生育し、再生医療等に用いることが試みられている。例えば皮膚や角膜、歯根膜等の細胞を培養容器内で静置培養し、培養容器の壁面上で細胞同士がシート状に結合してシート状の形態を呈したものを細胞シートとして取り出し、単層の細胞シートを移植することや、細胞シートを積層して組織を構築することが提案されている。
【０００３】
なお、作成した細胞シートを移植等に利用する場合には、利用に適した強度や弾性といった力学的特性を備えていることを測定する必要がある。
【０００４】
細胞シートの力学特性に関しては、細胞シートに空気噴流を用いて力を加え、この時のシートの変形量をレーザー変位計により測定する事で、機械特性の観察を行っている研究が存在する（非特許文献１）。
【０００５】
また、単一細胞の力学特性測定であるが、微細な流路内に細胞を設置し、ここに流れを与ることで細胞にせん断応力を加える。そして、このときの細胞の変形量から細胞の力学特性を測定するという方法が存在する（特許文献１）。
【０００６】
さらに、単一細胞の力学特性測定の方法として、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いた方法（非特許文献２）や、マイクロピペットを用いて細胞を固定して力を加え、加えた力とピペットの変形量の関係から力学的特性を導き出す方法（非特許文献３）や、マイクロピペット内に細胞を吸い込み、その変形挙動から力学特性を導き出す方法（非特許文献４）などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２５８５２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】内田亮平．田中信行．東森充．金子真．近藤誠．大和雅之,"細胞シート定量評価に向けたマイクロ硬さセンシング", JSME，10-4, 2010, 1P1-B18．
【非特許文献２】G.S.Shroff, R.D.Saner, R.Lal,"Dynamic micromechanical properties of cultured rat arterial myocytes measured by atomic force microscopy",American Journal of Physiology, 269, pp.286-292,1995.
【非特許文献３】K.Nagayama, N.Yujiro, M.Sato, T.Matsumoto,"Effect of filament distribution on tensile properties of smooth muscle cells obtained from rat thoracic aortas",Biomech, 39, pp.293-301,2006.
【非特許文献４】M.Sato, M.J.Leveszue, R.M.Nerem,"Micropipette aspiration of cultured bovine aortic endothelial cells exposed to shear stress", Arteriosclerosis, 7(3),pp.276-286,1987.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
空気噴流を用いた測定方法は、細胞シートの力学特性を測定することが可能であるが、
一定期間細胞シートに直接空気を噴射するため、細胞シートが乾燥しダメージを負わせてしまうという問題点がある。なお、空気噴流を用いて細胞シートに力を加える構成に代えて、培養容器中で培養液に流れを生じさせて細胞シートに力を加えることも考えられるが、直接的な力測定ではないため確実な方法とは言えない。
【００１０】
また、非特許文献２〜４は、何れも単一細胞の力学特性しか測定できず、細胞シートの力学特性の測定に適用できるものではなかった。
【００１１】
そもそも培養した細胞シートをシートの状態で取り出せるようになってから日が浅く、現在、細胞シートを工業的にハンドリングするツールや細胞シートのチャッキング方法が存在しない。例えば細胞シートの引張試験を行うことを考えた場合、細胞シートの周縁部をチャッキング手段で挟持して引っ張ることになるが、細胞シートは非常に薄く、またカールする性質もあるため、皺や破れを生じさせること無くチャッキング手段にセットするだけでも非常に困難な作業となる。また、セットできたとしても引張試験を行った際、チャッキング手段で挟まれた部分に応力が集中して、このチャッキング部分から破断してしまうので、正確な測定が行えないという問題点があった。
【００１２】
また、測定に限らず、細胞シートを医療や産業に用いるためには、簡単な構成で、容易、迅速かつ確実に把持することができるハンドリングツールが必要であった。
【００１３】
そこで、本発明は、シート材を容易にハンドリングする技術の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明の治具は、シート材の端部を保持する一対の治具であって、先端部が点状の接触子と、前記接触子を支持して、前記接触子の先端をシート端に沿って所定間隔を空けて並置し、前記接触子の先端部を前記シート材に当接させ、前記シート材を前記接触子間に架け渡して保持する支持部とを備える。
【００１５】
前記接触子は、先端が前記シート材の内方から外方へ向けて曲がる鉤状部を有し、前記シート材のカールした端部と前記鉤状部とが係合して前記シート材を保持しても良い。
【００１６】
前記指示部材は、シート材の面と直交する方向へ移動可能に前記接触子を支持しても良い。
【００１７】
また、本発明の細胞シートの保持方法は、
前記治具を培養容器に着床している細胞シートに近接又は当接させて当該シート材の端部に位置決めする手順と、
前記培養容器から前記細胞シートを剥離する手順と、
前記培養容器から剥離されたことによりカールした前記細胞シートの端部を前記治具で保持する手順と、
を実行する。
【００１８】
また、本発明の測定装置は、
前記一対の治具と、
対をなす前記治具の間隔を広げて当該治具に架け渡したシート材を引張する駆動部と、
前記シート材にかかる引張力を測定する測定部と、
を備える。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シート材を容易にハンドリングする技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】測定システムの概略構成図
【図２】張力測定装置の正面図
【図３】張力測定装置の平面図
【図４】治具間に細胞シートを架け渡した状態を示す図
【図５】治具の一例を示す図
【図６】治具の一例を示す図
【図７】治具の他の例を示す図
【図８】治具の他の例を示す図
【図９】治具を細胞シート上に位置決めした例を示す図
【図１０】接触子の保持機構の説明図
【図１１】接触子の保持機構の説明図
【図１２】治具で細胞シートを把持する際の説明図
【図１３】治具で細胞シートを把持する際の説明図
【図１４】動作範囲制限用仕切り板の機能の説明図
【図１５】伸縮領域制限用ニードルの機能の説明図
【図１６】把持用フックの形状の説明図
【図１７】把持用フックの形状の説明図
【図１８】伸縮領域制限用ニードルの機能の説明図
【図１９】のこぎり状の伸縮領域制限部の例を示す図
【図２０】試験片の形状を示す図
【図２１】隅部の応力集中を説明する図
【図２２】隅部の応力集中を説明する図
【図２３】試験片の形状を示す図
【図２４】試験片の作成方法を示す図
【図２５】試験片の作成方法を示す図
【図２６】測定システムにおける試験方法（ハンドリング方法）の手順を示す図
【図２７】張力測定装置１による引張試験の測定結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
《システム構成》
図１は、本実施形態に係る測定システムの概略構成図である。本実施形態の測定システムは、細胞シートを一軸方向に引っ張り、この時の引っ張り張力を測定することでシートの力学特性測定を行うものである。
【００２２】
図１において、張力測定装置１は、細胞シートを治具間に架け渡して引っ張り、この時の張力に応じた電気信号を得ることで細胞シートの力学特性を測定する。張力測定装置１の測定結果である電気信号は、入力インタフェイス（データーロガー）７を介してコンピュータ８に入力され、記録される。入力インタフェイス７には、張力測定装置１からの張力信号の他、温度計２によって測定した温度信号や、ＬＥＤ９のＯＮ／ＯＦＦを示す信号も入力される。入力インタフェイス７は、入力信号の増幅やＡ／Ｄ変換、エンコード等の処理を行い、入力信号を所定の仕様に沿った信号に変換してコンピュータ８に入力する。なお、温度計２は、張力測定装置１によって測定される細胞シートの状態を管理するためのものであり、本例では細胞シートを収容したディッシュの温度を測定する。また、これに限らず、ディッシュ内の液温を測定するものであっても、細胞シート部分の放射熱を非接触で測定するものであっても良い。この温度によって後述の如く細胞シートの剥離をコントロールする。また、温度によって、細胞の接着力や硬さ等、細胞の状態が変化することがあるので、測定条件を一定に保つためにも温度管理を行う。
【００２３】
モータードライバ３は、細胞シートを収容したディッシュを載置するステージの駆動や、細胞シートを引張するアームの駆動を行うためのモーターの駆動回路である。モータードライバ３は、モーターコントローラ４によって制御される。例えば、コンピュータ８から細胞シートを引張する命令が発せられると、モーターコントローラ４は、アームの駆動部と接続されたモータードライバ３を制御し、モータードライバ３から駆動部のモーターへ供給する電力を調整して所定速度でアームを移動させる。
【００２４】
また、空調機５は、室内の空気と熱媒体との間で熱交換を行うことで室内の空気の温度を上げる或いは下げる機能を有する。空調機５は、コンピュータ８に制御されて、室温を調整する。なお、空調機５の制御は、コンピュータ８に限らず、オペレータが所定の温度を設定し、この設定温度に室温を保つようにしても良い。なお、空調機５が室温を調整するため、熱交換した空気を吹き出す際に、この空気の流れや急激な温度変化の影響を受けないように張力測定装置１を風防６で被っている。
カメラ２０は、張力測定装置１の測定時の状況を撮影する。これにより数値データと共に、測定時の画像を記録することができ、例えば、数値と画像とをつき合わせて測定結果を検証することができる。ここで、測定開始時や測定中の所定時間毎にＬＥＤ９をＯＮ／ＯＦＦし、このＯＮ／ＯＦＦを示すＬＥＤ信号を入力インタフェイス７を介してコンピュータ８に記録すると共に、ＯＮ／ＯＦＦによる点灯又は消灯の状態をマーカーとして撮影画像中に記録（マーキング）することで、数値データと撮影画像との同期をとることができる。カメラ２０による録画の開始や停止、及びＬＥＤ９のＯＮ／ＯＦＦ等は、オペレータが操作しても良いし、コンピュータ８が制御しても良い。また、カメラ２０は、撮影画像をコンピュータ８で画像処理して、細胞シートが張力測定装置１にセットされたことや、細胞シートがディッシュ底面から剥離したか否か、細胞シートが治具に把持されたか、といった状態の判定に用いることもできる。
【００２５】
《張力測定装置》
図２は、張力測定装置１の正面図、図３は、張力測定装置１の平面図である。
【００２６】
図２，図３に示すように、張力測定装置１の基盤１１上の一端部には、支柱１２が立設され、支柱１２の上端に力センサユニット１３の支持体１３１が固設されている。この支持体１３１の支柱１２と固設された端部と反対側の端部にセンサ部１３２が設けられている。センサ部１３２の先端側下端には、センサプローブとしてのアーム１３３が垂設される。そしてアーム１３３の下端に治具１３４が設けられている。
【００２７】
一方、基盤１１の支柱１２が設けられた端部と反対側の端部には、支柱１４が立設され、支柱１４の上端に細胞シートを引張するためのアクチュエータ（駆動部）１５を設けている。アクチュエータ１５は、モーター１５２による回転力をボールねじ等の要素（不図示）を介して可動片１５１に伝え、可動片１５１を一軸方向、本例では水平方向（Ｘ方向）に移動させる。可動片１５１には、支持体１５３の一端が固定され、当該支持体１５３の自由端にアーム１５４が垂設される。そしてアーム１５４の下端に治具１５５が設けられている。
【００２８】
治具１３４と治具１５５は、対向配置され、細胞シートをこれら治具１３４−１５５間に架け渡して保持する。なお、治具１５５が設けられたアーム１５４を指示する支持体１５３が、アクチュエータ１５の可動片１５１に固定されており、可動片１５１の移動に伴って治具１５５が水平移動する。即ち、アクチュエータ１５により可動片１５１を水平移動させ、治具１５５を治具１３４から離間させることで、移動によって治具１３４−１５５間に架け渡された細胞シートを引張する。
【００２９】
この治具１３４，１５５の下方に細胞シートを収容したディッシュ１９を載置するステ
ージ１６を設け、当該ステージ１６を上下動可能に昇降部（駆動部）１７が保持している。昇降部１７は、モーター１７１による回転力をボールねじ等の要素（不図示）を介してステージ１６に伝え、ステージ１６を垂直方向（Ｙ方向）に移動させる。
【００３０】
図４は、治具１３４−１５５間に細胞シート１８を架け渡した状態を示す図である。
【００３１】
先ず、アクチュエータ１５により治具１５５を移動させて治具１３４−１５５間を狭め、治具１５５を引張前の位置（以下、初期位置とも称す）に配す。そして、細胞シート１８を培養したディッシュ１９をステージ１６に載置し、ステージを上昇させて細胞シート１８を治具１３４，１５５の直下に位置させ、細胞シート１８をディッシュ１９の底面から剥離して治具１３４−１５５間に架け渡す。
【００３２】
この状態から治具１５５をアクチュエータ１５によって移動させ、細胞シートを引張して張力を測定する。
【００３３】
《治具》
図５，図６は、治具の一例を示す図である。図５，図６において、治具１３４，１５５は、細胞シート１８と接する先端部が点状の接触子２１、本例では繊維状の接触子２１と、複数の接触子２１をシート端に沿って所定間隔を空けて並置した支持部２２を備える。
【００３４】
そして図６に示したように、支持部２２に密植した接触子２１上に細胞シート１８の端部を載せて治具１３４−１５５間に架け渡す。
【００３５】
このように立設した接触子２１に細胞シート１８を懸架することで、接触子２１の先端部と細胞シート表面とが係合し、治具１５５を水平方向（Ｘ方向）に移動させることで細胞シート１８を引張することができる。
【００３６】
そして図５，図６の例では、多数の接触子２１で細胞シート１８を支えているので、細胞シート１８に係る力が分散され、引張した際に治具１３４，１５５で保持した部分から破断してしまうことを防止できる。
【００３７】
図７，図８は、治具の他の例を示す図である。図７，図８において、治具１３４，１５５は、細胞シート１８と接する先端部が点状の接触子３１と、複数の接触子３１をシート端に沿って所定間隔を空けて並置した支持部３２を備える。
【００３８】
支持部３２には、接触子３１を通して保持する上下方向の貫通穴３２１を複数設けている。接触子３１は、針金の両端を折り曲げてコの字状とし、この両端を支持部３２の上側から貫通穴３２１を通して垂下する。
【００３９】
なお、接触子３１は、対向する治具１３４，１５５間の内側に位置する伸縮領域制限部（伸縮領域制限用ニードル）３１ｃと、治具１３４，１５５の両サイドに位置する把持用フック３１ｂと、対向する治具１３４，１５５間の外側、即ち引張方向下流側に位置する把持用フック３１ａとに分類できる。伸縮領域制限用ニードル３１ｃは、支持部３２から垂下した両端部が曲がりなく、下向きであるのに対し、把持用フック３１ａ，３１ｂは支持部３２から垂下した両端部の先端が外側へ向けて曲がる鉤状部３１１を有している。
【００４０】
これらの接触子３１は、支持部３２の貫通穴３２１に挿入されて保持されるが、貫通穴の直径を接触子３１の径よりも僅かに大きくして、遊びを持たせたことにより接触子３１が上下動可能となっている。これは、図９に示すように、治具１３４，１５５と細胞シート１８とを近づけ、接触子３１の先端が細胞シート１８と接した場合に、接触子３１が細
胞シート１８の面と直交する方向、即ち垂直方向へ退動し、接触子３１が細胞シート１８を傷つけないようにするものである。
【００４１】
更に、図１０（ａ）に示すように培養底面上に形成された細胞シート１８に対して治具が斜めに設置された場合でも、接触子３１の先端が細胞シート１８の面に倣い、片あたりすることが無いので、細胞シート１８を傷つけることが無い。
【００４２】
また、図１０（ｂ）に示すように細胞シート１８の表面が均一な平面でなく突出した部分があったとしても接触子３１が退動するので、細胞シート１８を傷つけることがない。
【００４３】
図１１は、説明のため接触子３１の一つを示した模式図である。このように接触子３１をコの字形といった簡単な加工を施して、両端部を支持部３２の貫通穴３２１に挿入し、中央部が支持部３２の上面に乗り、両端部を吊り下げるといった簡単な構成で、接触子３１を上下動可能に保持している。このため昇降部１７（図２）によってステージ１６を駆動して細胞シート１８を治具１３４，１５５に当接させた場合でも、この駆動力が接触子３１に伝わることがなく、接触子３１は自重によって細胞シート１８に接触するだけであるので、細胞シート１８を傷つけることなく細胞シート１８を把持することができる。なお、把持用フック３１ａ，３１ｂの鉤状部は水平方向よりも僅かに下向きの角度βで曲げられているので、把持用フック３１ａ，３１ｂの先端が細胞シート１８に接するようになっている。
【００４４】
図１２，図１３は、治具１３４，１５５で細胞シート１８を把持する際の説明図である。
【００４５】
図１３（ａ）に示すように治具１３４，１５５の接触子３１の先端を細胞シート面に当接させた状態で細胞シート１８を培養面（図２のディッシュ１９の底面）から剥離する。なお、本実施形態では、細胞シート１８の培養に温度応答性ポリマー（PIPAAm）を塗布したディッシュ１９を用いており、温度を３２度以下に制御することにより細胞シートを培養面から剥離させることができる（図１３（ｂ））。
【００４６】
培養面から剥離した細胞シート１８は、内部張力により収縮して周縁部が内向きにカールすることになる。ここで細胞シートの面上には把持用フック３１ａ，３１ｂの先端、即ち鉤状部３１１が接しており、図１２及び図１３（ｃ）に示すように、この鉤状部３１１を包み込むように細胞シート１８の周縁部がカールし、鉤状部３１１と細胞シート周縁部が係合する。これにより治具１３４，１５５で細胞シート１８を把持し、細胞シート１８の引張を可能にしている。
【００４７】
次に図１４を用いて動作範囲制限用仕切り板の機能を説明する。引張試験に際し、治具１５５を引張方向に移動させることで接触子３１には張力がかかることになる。そこで各接触子３１にかかる張力の上流側に動作範囲制限用仕切り板３３を配置し、張力によって倒れこむ接触子３１が動作範囲制限用仕切り板３３に突き当たって移動量が制限されるようにしている。接触子３１は上下動可能に保持され、貫通穴３２１に遊びが設けられているため、もし動作範囲制限用仕切り板３３が無いと図１４（ｂ）のように各接触子３１が倒れこみ、接触子自体の弾性が測定結果に影響を及ぼすことが考えられ、精度良く測定を行うことができなくなってしまう。また、接触子の位置が定まらないと、初期位置が変化してしまい、細胞シートの伸び率に影響を与えてしまうので、動作範囲制限用仕切り板３３によって、これを防止する。
【００４８】
図１６，図１７は、把持用フック３１ａの形状の説明図である。図１６（ａ）に示すように、本実施形態の治具１３４の把持用フック３１ａの先端が円弧状に並ぶように構成し
ている。これは試験片としての細胞シート１８の形状を図１６（ｂ）の如くＨ字型とした場合、培養面から剥離した際、細胞シート１８は内部張力によって周縁部が内側へ向かって収縮し、図１６（ｃ）の形状を経て、図１６（ｄ）のように末端の形状が曲面となる。
【００４９】
このように末端が曲面に収縮する細胞シート１８を例えば図１７に示すように、把持用フック３１ａ先端が円弧状に並ぶ曲線タイプの治具１３４，１５５と、把持用フック３１ａ先端が直線状に並ぶ直線タイプの治具２００とで把持して比較する。この場合、曲線タイプの治具１３４，１５５では、接触子３１ａの先端部が細胞シートの末端の形状に沿って端部までしっかりと引っかかるのに対し、直線タイプの治具２００では、把持用フック３１ａ先端の形状と一致しない端部が引っかかりきらない。このため曲線タイプの治具の方が、細胞シート１８をより確実に把持できる。
【００５０】
なお、上述の如く曲線タイプの治具１３４，１５５のほうが望ましいが、試験の条件、例えば最大の引張力などに応じ、直線タイプでも充分である場合には、直線タイプを選択しても良い。
【００５１】
また、図１５，図１８を用いて伸縮領域制限用ニードル３１ｃの機能を説明する。図１５（ｂ）に示すように伸縮領域制限用ニードル３１ｃを設けない構成であると、細胞シート１８の幅方向端部を把持する把持用フック３１ｂの位置と、幅方向中央を把持する把持用フック３１ａの位置とが引張方向で異なるため、細胞シート１８にかかる張力の方向が揃わず、不均一になってしまう。このため治具１３４，１５５の内側で細胞シートと接する接触子（伸縮領域制限用ニードル３１ｃ）を横一列に揃え、細胞シート１８にかかる張力を均一にしている。
【００５２】
そして、伸縮領域制限用ニードル３１ｃは、図１８に示すように垂直断面において、その下端が把持用フック３１ａ，３１ｂと比べて下方向に突出させても良い。このように伸縮領域制限用ニードル３１ｃの先端が突出して細胞シート１８と接触することで、伸縮領域制限用ニードル３１ｃが細胞シート１８に与える影響が大きくなり、上述した細胞シート１８にかかる張力の均一化を確実にしている。
【００５３】
また、伸縮領域制限用ニードル３１ｃと把持用フック３１ａ，３１ｂの先端の高さが同じ治具（フラットタイプの治具）２００と、把持用フック３１ａ，３１ｂよりも伸縮領域制限用ニードル３１ｃの先端が下に突出した治具（突出タイプの治具）１３４，１５５とで、細胞シート１８を把持した場合について比較する。
【００５４】
このフラットタイプの治具２００では、細胞シート１８を引張した際、細胞シート１８に働く張力に抗して細胞シート１８を把持する力が、引張方向先端の把持用フック３１ａに集中することになる。一方、突出タイプの治具１３４，１５５では、この細胞シート１８を把持する力が、引張方向先端の把持用フック３１ａと伸縮領域制限用ニードル３１ｃとに分散することになり、より確実に細胞シート１８を把持することができる。
【００５５】
なお、上記伸縮領域制限用ニードル３１ｃは、ニードルを列設して構成したが、これに限らず、他の構成としても良い。図１９は、のこぎり状の伸縮領域制限部の例を示す図である。
【００５６】
のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄは、下に向けて凸の山形部が連続してなる鋸刃部３１５と、鋸刃部の両端から上方へ延びるアーム部３１６と、アーム部の上端から内向きに突出した爪部３１７を備えている。のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄは、アーム部３１６が支持部３２２の溝に嵌り、爪部３１７が支持部上面に当たって係止されることで垂下される。
【００５７】
この鋸刃部３１５の連続した山形部の先端が細胞シート１８と接触する。従って、のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄにおいても細胞シート１８との接触箇所は、横一列に並設された点状となり、前述と同様に、細胞シート１８を傷つけることなく、細胞シート１８にかかる張力を均一にできる。
【００５８】
また、のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄのアーム部３１６が支持部３２の溝部３２２に上下動可能に支持されているので、細胞シート１８と、のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄとが接する際に、大きな力がかかったとしても、のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄが細胞シート１８面と直交する方向に退動するので、細胞シート１８を傷つけることがない。
【００５９】
なお、前述の伸縮領域制限用ニードル３１ｃで細胞シート１８との接触箇所を増やすためには、ニードルの本数を増やすことになり、部品点数が増加してしまう。また、ニードルを支持するための穴３２１も増やすことになり、加工が難しくなる。
【００６０】
一方、のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄでは、鋸刃部３１５の山の間隔αを狭めるだけで接触箇所を増やすことができるので、試験に際してかかる張力や、細胞の種類、鋸刃部３１５の厚みなどによって任意に設定可能である。なお、伸縮領域制限部は、上述のように点状に細胞シート１８と接触することが望ましいが、必ずしもこれに限らず、上記のこぎり状伸縮領域制限部３１ｄの鋸刃部３１５を平板に代えて、細胞シート１８と線状に接触するものでも良い。
【００６１】
《試験片》
上記測定システムによる測定に際しては、培養した細胞シート１８を所定形状に成形し、試験片とする。
【００６２】
図２０は試験片の形状を示す図である。
【００６３】
試験片（細胞シート１８）は、試験のために所定の幅とした帯状部１８ａと、帯状部１８ａの両端側で把持のために幅を広くとった把持部１８ｂとからなる、概ねＨ字状である。試験片の長軸方向の両端部、即ち把持部１８ｂの端部は、外向きに凸の曲線となっている。この曲線の曲率は特に限定されるものではないが、本例では細胞シート１８を培養したディッシュの外形と同じにしている。
【００６４】
また、本例の試験片では、その角が９０°以上の鈍角となるように形成している。たとえば、帯状部１８ａと把持部１８ｂの接続部分（隅部）１８ｃでは、その角度が９０°とならないように肉付けを行い、隅部１８ｃが鈍角で構成されるようにしている。
【００６５】
なお、試験片の角を９０°以下とすると、この部分の剥離が悪くなることがある。このため、このため、９０°以下の角を有する試験片を用いると、十分に把持できないことや、把持するまでに時間がかかることが考えられる。このため試験片の角が９０°以上の鈍角となるように形成することが望ましい。
【００６６】
特に隅部１８ｃは、試験時の応力集中を避けるためにも鈍角で構成することが望ましい。例えば図２１は隅部を９０°で形成した場合を示す。
【００６７】
試験片１８を引張した際、隅部１８ｃより内側の帯状部１８ａの幅で張力が働くのに対し、隅部１８ｃより外側の把持部１８ｂでは、治具１３４，１５５に把持された広い幅で張力が働くことになるので、この境界である隅部１８ｃには応力が集中しやすい。特に９０°以下の角は、切れ込みと同様に応力が集中しやすい傾向にあるので、図２１のように
隅部１８ｃを９０°で形成した場合、隅部１８ｃの頂点に応力が集中し、ここを起点に細胞シート１８が裂け、破断してしまう可能性がある。
【００６８】
これに対し、図２２は隅部を肉付けした例を示す。
【００６９】
図２２の例では、帯状部１８ａの長軸方向（引張方向）に対して４５°となる肉付けを隅部１８ｃに行った。このため帯状部１８ａと隅部１８ｃの肉付け部分とのなす角が１３５°、隅部１８ｃの肉付け部分と把持部１８ｂとのなす角が１３５°となる。このように肉付けを行うことで隅部１８ｃが、鈍角で構成され、且つ、その頂点が２つになるので、応力の集中が緩和され、隅部１８ｃから破断してしまうことを防止できる。
【００７０】
なお、隅部１８ｃにおける肉付けの角度や肉付けする量（面積）は、細胞の種類や試験時にかかる張力、帯状部１８ａの幅などに応じて任意に設定して良い。
【００７１】
また、図２３（ａ）は隅部１８ｃに直線的に肉付けした例を示したが、これに限らず図１８（ｂ）に示すように帯状部１８ａの長軸方向の辺と把持部１８ｂの辺とを曲線（円弧）でつないで肉付けを行っても良い。なお、隅部１８ｃにおける肉付け部の曲率半径や肉付けする量（面積）は、細胞の種類や試験時にかかる張力、帯状部１８ａの幅などに応じて任意に設定して良い。
【００７２】
なお、試験片は、図２０に示すように、全ての角が９０°以上で構成されることが望ましいが、これに限らず図２３に示すように隅部１８ｃを９０°以上或いは曲線として他の角を９０°としても良い。
【００７３】
《試験片の作成方法》
次に図２４，図２５を用いて試験片の作成方法を説明する。
【００７４】
図２４は、モールド法で試験片を作成する例を示す。
【００７５】
先ず、ディッシュ１９内にモールド１９１を設置する（図２４（ａ））。ディッシュ１９は、ポリスチレン製で、その内壁面に温度応答性ポリマー（PIPAAm）を塗布し固定したものであり、温度に応じて内壁面上のポリマーの性状を変化させることで細胞の付着或いは剥離をコントロールできるようにしたものである。温度応答性ポリマーとしては、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの高分子（PIPAAm）を用いた。PIPAAmは、ポリマー直鎖に側鎖としてアミドとイソプロピル基がついており、３２℃以下の温度ではアミド結合部分が水を抱え込もうとして水和し、３２℃を超えた温度ではイソプロピル基による結合の方が強くなり、水を弾き出して脱水和する。このため、PIPAAmを固定した内壁面は、細胞の培養に適した３７℃では疎水性となり細胞が付着・増殖するのに対し、３２℃以下では親水性となって剥離する。
【００７６】
また、モールド１９１の材料には、生体適合性が高く、細胞が付着しにくいＰＤＭＳ(
ポリジメチルシロキサン)を用いた。モールド１９１は、平面形状が図２０，図２３に示
すような試験片と同じとなる空洞を有した型であり、ディッシュ１９内に収まることで、この空洞内に培養液もしくは細胞懸濁液を貯留し、それ以外にこの培養液もしくは細胞懸濁液が貯まらないように、即ち細胞の培養が行われないようにする。
【００７７】
このモールド１９１の空洞内に培養液と、培養する細胞、例えばマウス筋芽細胞（Ｃ2
Ｃ12）を導入し（図２４（ｂ））、インキュベータ内で所定の温度（例えば３７℃）及び所定の雰囲気（ＣＯ２５％等）に維持して細胞を増殖させる（図２４（ｃ））。
【００７８】
そして、細胞が目的の状態、例えばコンフルエントになった場合、本例では５日間培養して細胞シートを形成した状態となった場合に、モールド１９１を取り除いて完了する（図２４（ｄ））。
【００７９】
図２５は、スタンプ法で試験片を作成する例を示す。
【００８０】
先ず、ディッシュ１９に培養液と、培養する細胞、例えばマウス筋芽細胞（Ｃ2Ｃ12）
を導入する（図２５（ａ））。なお、ディッシュ１９は、上述のとおり内壁面に温度応答性ポリマーを固定したものである。
【００８１】
この培養液及び細胞を導入したディッシュ１９をインキュベータ内で所定の温度（例えば３７℃）及び所定の雰囲気（ＣＯ２５％等）に維持して細胞を増殖させる（図２５（ｂ））。
【００８２】
そして、細胞が目的の状態となった場合に、細胞シート上にスタンプ１９２を配置し（図２５（ｃ））、加圧する（図２５（ｄ））。スタンプ１９２は、ゴム若しくはシリコン等の弾力性のある材料で作成した歯を持つ抜き型である。なお、スタンプ１９２の歯を金属で形成すると、培養面の微小な凹凸の変化や、スタンプ１９２の微小な傾きなどに追従できす、シート全体を打ち抜くことが難しくなるため、スタンプ１９２の歯を弾性材料で形成することが望ましい。また、スタンプ１９２の歯は、例えば図２０，図２３に示すような試験片の輪郭を象っている。
【００８３】
スタンプ１９２の加圧により、細胞シートがスタンプ１９２の歯の形に打ち抜かれ、スタンプ１９２を取り除くと（図２５（ｅ））、試験片の成形が完了する（図２４（ａ））。
【００８４】
なお、上記例に限らず、図２５（ｂ）のように形成した細胞シートをレーザ加工機によって試験片の形に切り出しても良い。
【００８５】
《試験方法（ハンドリング方法）》
図２６は、本実施形態の測定システムにおける試験方法（ハンドリング方法）の手順を示す図である。
【００８６】
先ず、試験片である細胞シート１８を収容したディッシュ（培養容器）１９を張力測定装置１のステージ１６上に載置する（ステップＳ１０）。また、カメラ２０による撮影を開始して、ＬＥＤ９をＯＮ／ＯＦＦし、以降定期的にＬＥＤ９をＯＮ／ＯＦＦしてマーキングを繰り返す。なお、本例ではハンドリングの開始と共に撮影を開始したが、これに限らず例えば引張試験の測定中等、任意の期間に撮影を行ってよい。
【００８７】
次にステージ１６を移動させて細胞シート１８の直上に治具１３４，１５５が位置するように位置合わせする（ステップＳ２０）。なお、本実施形態では、ステップＳ１０においてステージ１６を下降させた状態でディッシュ１９をステージ上に載置し、ステージ１６を上昇させることで、細胞シート１８が治具１３４，１５５の下端に接するように位置合わせしたが、これに限らず、治具１３４，１５５側を移動させて位置合わせを行う構成としても良い。即ち、ステージ１６（細胞シート１８）と治具１３４，１５５とを相対的に移動させて位置合わせを行えば良い。また、この位置合わせにより、水平面内（Ｘ−Ｚ面内）において、治具１３４，１５５が細胞シート１８の把持部１８ｂ上に位置するようにしている。
【００８８】
そして、ディッシュ１９の温度を３２℃以下に制御して細胞シート１８をディッシュ１
９から剥離させる（ステップＳ３０）。ここで温度の制御は、張力測定装置１を設置した室温を３２℃以下に保ち、インキュベータからディッシュ１９を取り出して張力測定装置１にセットすることで、ディッシュ１９が自然冷却されて３２℃以下となるようにしても良い。
【００８９】
また、ステージ１６にペルチェ素子を設けてディッシュ１９を加熱又は冷却することにより積極的に温度制御しても良い。例えばステップＳ２０まではディッシュ１９を３２℃より高い温度に保温し、ステップＳ３０でディッシュ１９を冷却して３２℃以下、例えば２０℃とする。
【００９０】
図１３に示したように、細胞シート１８がディッシュ１９の底面から剥離すると、内部張力により治具１３４，１５５の把持用フック３１ａ，３１ｂに絡みつくので、細胞シート１８が、充分に剥離し、治具１３４，１５５に絡みついたら、治具１３４，１５５とディッシュ１９とを相対的に移動させて細胞シート１８をディッシュ１９の底面と離間させる（ステップＳ４０）。本例では、ステージ１６を下降させることで細胞シート１８とディッシュ１９の底面とを離間させたが、これに限らず、治具１３４，１５５を引き上げて細胞シート１８を移動させる構成としても良い。この離間距離は、試験時に細胞シートがディッシュ底面に当たらない程度に僅かでも離間すれば良く、移動後に細胞シート１８が培養液から出ない距離とする。なお、細胞シート１８が、充分に剥離し、治具１３４，１５５に絡みついたか否かの判定は、オペレータが判断してステップＳ３０を行うタイミングを入力しても良いし、コンピュータ８がカメラで撮影した画像を処理して判定しても良い。また、絡みつくのに十分な時間を予め求めておき、温度が３２℃以下となってから所定の時間経過したときにステップＳ３０を行うようにしても良い。
【００９１】
そしてハンドリング（治具の移動）を実施する、即ち治具１５５を引張方向に移動させて引張試験を行う（ステップＳ５０）。即ち、アクチュエータ１５がアーム１５４を介して治具１５５を引張方向へ所定の速度で移動させ、この時に治具１３４にかかる張力をアーム１３３を介して力センサユニット１３のセンサ部１３２が測定する。
【００９２】
図２７は、張力測定装置１による引張試験の測定結果を示す図である。図２７では、横軸に試験片を伸ばした（引っ張った）割合をとり、縦軸に試験片にかかった張力をとって示した。このように細胞シート１８の引張試験を行うことにより、細胞シート１８の弾性（比例限度、弾性限度）や、スティフネス、引張強さ等の力学的特性を測定することができる。
【００９３】
なお、本実施形態では、ステップＳ５０において、把持した細胞シートを引っ張って引張試験を行ったが、これに限らず、把持した細胞シートを他のステージに移動させて、移植等のために加工する工程に供すことや、把持した細胞シートを他の細胞シート上に移動させて積層し、組織を形成すること等を行うハンドリングツールとしても利用可能である。
【００９４】
以上のように、本実施形態によれば、多数の接触子が点接触で細胞シートを把持する構成としたことで、応力の集中を防ぎ、細胞シートを傷つけることなく把持する治具を提供できる。
【００９５】
また、本実施形態の治具は、剥離した細胞シートが内部張力でカールすることを利用し、把持用フックに絡みつかせて細胞シートを把持するようにしたことにより、容易、迅速かつ確実に細胞シートを把持することができる。
【００９６】
従って、本実施形態の治具を用いた試験装置は、容易、迅速かつ確実に細胞シートの試
験を行うことができる。
【００９７】
また、本実施形態によれば、細胞シートを培養液中に保持した状態で試験を行うことができ、乾燥等によるダメージを細胞シートに与えることなく試験を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
（１）医療への応用
医療においては、細胞シート工学をはじめとする再生医療分野への貢献が期待できる。均一な細胞シートを大量に生産・管理し生体に移植する細胞シート工学の分野において、シートの評価は最重要事項である。特に細胞シートの力学特性の評価は手付かずに近い状況であり、本発明によって、細胞シート移植技術の発展を促すことが可能となる。さらに、測定のために開発した細胞シートハンドリングツールも、シート移植への応用が可能であり細胞シート工学において重要な位置を占める。
【００９９】
（２）生物学への応用
細胞シートの力学特性が実現することで、生物学の分野の発展への貢献も期待できる。細胞シートは、細胞同士、または細胞と支持体が結合してシート状の形態を呈したものであり、これに引張応力を加え、力学的挙動を観察することで、細胞の接着構造などの解明が可能となる。また、同様の方法で力学的ストレスに対する細胞、組織の振る舞いや影響の解明が可能となる。
【０１００】
（３）工学分野への応用
筋細胞を利用したアクチュエータ機構は自己修復、自己組織化、化学エネルギのみでの動作が可能、小型で柔軟などといった特徴を有する。細胞同士、または細胞と支持体が結合してシート状の形態を呈した細胞シートは、２次元パターニングや３次元構築が容易であり、生体アクチュエータ構築方法として有望視されている。アクチュエータのような機械部品として組み込むためには、応力特性や破壊強度、スティフネスなどの機械特性の測定が不可欠である。本発明により細胞シートの機械特性を測定することが可能となり、筋細胞を駆動源としたバイオアクチュエータの実用化に向けて大きな前進となり、研究活動が活性化する。
【符号の説明】
【０１０１】
１  張力測定装置
２  温度計
３  モータードライバ
４  モーターコントローラ
５  空調機
６  風防
７  入力インタフェイス
８  コンピュータ
１１  基盤
１２  支柱
１３  力センサユニット
１４  支柱
１５  アクチュエータ
１６  ステージ
１７  昇降部
１８  細胞シート
１８ａ  帯状部
１８ｂ  把持部
１８ｃ  隅部
１９  ディッシュ
２１  接触子
２２  支持部
３１  接触子
３１ａ，３１ｂ  把持用フック
３１ｃ  伸縮領域制限用ニードル
３１ｄ  のこぎり状伸縮領域制限部
３２  支持部
３３  板
１３４，１５５  治具
【図１】
0005857356.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005857356.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005857356.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005857356.tif 000008
【図８】
0005857356.tif 000009
【図９】
0005857356.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005857356.tif 000012
【図１２】
0005857356.tif 000013
【図１３】
0005857356.tif 000014
【図１４】
0005857356.tif 000015
【図１５】
0005857356.tif 000016
【図１６】
0005857356.tif 000017
【図１７】
0005857356.tif 000018
【図１８】
0005857356.tif 000019
【図１９】
0005857356.tif 000020
【図２０】
0005857356.tif 000021
【図２１】
0005857356.tif 000022
【図２２】
0005857356.tif 000023
【図２３】
0005857356.tif 000024
【図２４】
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【図２５】
0005857356.tif 000026
【図２６】
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【図２７】
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