ハイドロゲル内部の粘弾性評価手法

中央大学

理工学部 精密機械工学科
准教授 早川 健
2023年8月29日

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ハイドロゲルの硬さ計測の需要
Environment’s elasticity

Mechanical property of cells

MuscleBonePenedo, M., et al., Science Advances, 7.52, 2021.
Engler, Adam J., et al. Cell, 2006.

LowWu, Pei-Hsun, et al., Nature methods, 15.7, 2018.

 Solution of mechanical property
 Pathological diagnosis

Stiffness

HighHagiwara, Masaya, et al. Communications Biology, 2021.

 Regenerative medicine
 Solution of pattern formation

細胞培養環境の硬さが細胞の振る舞いに大きく影響する2

ハイドロゲルの硬さ計測の需要

NHBE Cells

100 μm細胞自身が環境の硬さを変えることも知られている
M. Hagiwara, et al. Communications Biology, 2021.

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従来技術の問題点
Scanning ProbeMicroscopy

https://www.bruker.com/en/products-andsolutions/microscopes/materials-afm/what-is-an-spm.html

Magnetic Twisting
Cytometry

Fabry B, et al., J Appl Physiol, 2020.

Magnetic Resonance
Elastography

Yin, Ziying, et al., Tissue Engineering Part C: Methods, 2014.

× difficult to evaluate local and internal elasticity

培養環境内部の硬さを計測する手法はまだない
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新技術の概要
Microactuator

MarkerSample

1. Internal deformation by microactuator without wiring
2. Evaluation of elasticity from the deformation
55新技術の概要
Microactuator

1. Internal deformation by microactuator without wiring
2. Evaluation of elasticity from the deformation
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光駆動型ゲルアクチュエータを用いて内部を変形させる
6

新技術の概要
1. Internal deformation by microactuator without wiring
 Using Light-driven gel actuator

10 μmLight-driven gel actuator enables to deform internal samples

7新技術の概要
PNIPAAm

Bioresist: Photoprocessable
Thermo-sensitive Gel
PNIPAAmhν+H+ + heat

Cross-linker

A. Ichikawa et al, Apph. Phys. Lett., 87, 191108 (2005).

Y. Yokoyama et al, J. Photopolym. Sci. Technol. 24, 63-70 (2011).

Biocompatibility
Controllability only by heating

温度応答性ゲルをアクチュエータとして用いる
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新技術の概要
Below LCST

Above LCST

Water molecules

Reversible

Temperature responsive
polymers
Hydrophilic

Hydrophobic

LCST : Lower Critical Solution Temperature = 32℃

温度応答性ゲルをアクチュエータとして用いる
9新技術の概要
2. Evaluation of elasticity from the deformation
MicrobeadGel actuator𝑙Strain:𝑙′ − 𝑙𝜀=𝑙𝑙 : Initial distance before deformation𝑙′: distance after deformation𝑙′

マーカーの変位からひずみを計測する
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新技術の概要
2. Evaluation of elasticity from the deformation

Elasticity: HighElasticity: Low

Strain: Small

Strain: Large

We evaluate elasticity of samples from amount of strain
ひずみから，硬さを評価する
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使用例
Collagenhttps://labchem-wako.fujifilm.com/jp/category/02112.html

Genipin (cross-linker)

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B2%E3%83%8B%E3%83%94%E3%83%B3

Soft sample: Collagen
Hard sample: Collagen + Genipin (50mM)→ Comparing strains of two samples
実施例として細胞培養用コラーゲンの評価を行う
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使用例
In collagen

Microbeads Gel actuator

10 μm13

使用例
In collagen

Microbead

10 μm14

使用例
In collagen

Red: Before deformation
Green: After deformation

Microbead

10 μm
コラーゲン内部の変形を計測することに成功15使用例
Soft sample

50 μm

Speed x5

Hard sample

Speed x516使用例
Red: Before deformation
Green: After deformation𝑙𝑙′

50 μm𝑙′ − 𝑙Strain: 𝜀 =𝑙

コラーゲン内部の変形からひずみを計測することに成功
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使用例
Soft sample
Hard sample

Strain [-]

0.40
0.30
0.20

0.10
00100
200
300
Distance from the center of actuator [μm]硬さの異なるサンプルの違いを評価することに成功
18従来技術との比較
VE-AFM

Magnetic Twisting
Cytometry

Optical tweezer

Light-driven
gel actuator

Efremov, Y. M., et al. Soft matter(2020)

Fabry B, et al. J Appl Physiol(2020)

Tassieri, M , et al. Scientific reports(2015)

Local
driving

Possible

Difficult

Possible

PossibleInternal
evaluation

Impossible

Impossible

Possible

Possible

Force

HighHighLow

High(more than OT)

ハイドロゲル内部の硬さを測れる技術は他に存在しない
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想定される用途• 生命科学分野での、がんの浸潤性評価や、細胞分化の評価に使用可能であると考えられる。
• 上記以外に、食品、触覚の評価にも利用できるのではないかと考えられる。

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実用化に向けた課題• 現在、定性的な硬さの評価に成功している。
• 定量的な弾性率を求めるためには、アクチュエータの出力を評価するか、硬さが既知のサンプルで校正を行う必要がある。

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企業への期待• 硬さが既知のサンプルの測定を行うための、柔軟物の計測技術を持つ企業との共同研究を希望。
• バイオ分野での培養環境の硬さ計測を考えている企業や、がんやその他の疾患モデルを開発する企業には本技術の導入が有効と考えられる。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称： 解析方法及び解析支援装置• 出 願 番 号： 特願2023⁻84134※特願2022-088760の国内優先権主張出願• 出 願 人： 中央大学
• 発 明 者： 早川 健、中島 響、小池 優巴

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お問い合わせ先中央大学 研究推進支援本部
シニアURA（産学官連携担当） 工藤 謙一
TEL: 03-3817-1600／FAX: 03-3817-1677
e-mail ksanren-grp@g.chuo-u.ac.jp
Webサイト https://www.chuo-u.ac.jp/research/industry_ag/clip/

早川研究室HP

研究者情報

https://hayakawalab.r.chuo-u.ac.jp/

https://c-research.chuou.ac.jp/html/100003209_ja.html

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