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High-throughput Experimental System Using Implantable Cell-biomaterial Microarray

Research Project

Project/Area Number 23KK0070
Research Category

Fund for the Promotion of Joint International Research (International Collaborative Research)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
Research InstitutionToyohashi University of Technology

Principal Investigator

永井 萌土  豊橋技術科学大学, 次世代半導体・センサ科学研究所, 教授 (00580557)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岡本 俊哉  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00909294)
崔 容俊  豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80868828)
Project Period (FY) 2023-09-08 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
Fiscal Year 2025: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2024: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Keywords光造形3Dプリンタ / 細胞生体材料マイクロアレイ / DIW / 集積ノズル / マイクロノズル / ハイスループット実験 / フルオラス溶媒 / in vivo
Outline of Research at the Start

①移植可能な濃度勾配を持つ細胞生体材料マイクロアレイ(CBMA)の作製法の開発:作製するポンプ集積化ピペットや単一ノズルを利用する。100nLスケールの細胞と試料の活性を保ったまま,PDMSマイクロアレイへ格子状に配置する方法を構築する。
②生体外in vitro/ex vivoでのハイスループット実験システム実証:作製したCBMAを利用し,環境下で形状を保つ条件を探索する。ゲル内部に溶液が循環し,血液中で血栓が生じずに培養可能であるか確認する。
③生体内in vivoでのハイスループット実験システム実証:生体外で準備したCBMAを移植する。 生体内のCBMAを取り出し,組織切片を評価する。

Outline of Annual Research Achievements

生体内に移植可能な細胞生体材料マイクロアレイ(CBMA: Cell Biomaterial Microarray)を作り,ハイスループット実験システムを開発することを目的としている。代表がシンガポールへ渡航し,2024年度に本格的に現地で研究を実施するための準備を行った。シンガポール工科デザイン大学と南洋理工大学の両方を訪問した。従来のシングルノズルを活用した形成法の結果を議論し,次に設計するべきノズルや細胞生体材料マイクロアレイ(CBMA)のフォーマットを改良した。
移植可能な濃度勾配を持つCBMAの作製法を議論した。これは集積ノズルと単一ノズルを利用する場合の両方で,濃度勾配を持ったCBMAを作製するものである。ポンプ集積化ノズルは,多層流体マイクロデバイスの技術を適用して開発する。全材料をPDMSまたはフレキシブルレジンとし,設置場所で溶液が混ざり合う設計とした。ノズルには空圧駆動バルブを統合し,その開閉動作で液量を10nL単位で調整し,0~50nLで配置できるようにした。
光造形3Dプリンタでレジンモールドを作製できるように,プリンタを準備し,モデルを作製した。このモールド上に未硬化のPDMSを滴下し,剥がし取り,穴の空いたPDMS-MA(幅10mm,ピッチ0.7mm,14×14の196ウェル)を得られるようにしている。配置する材料のサイズは,直径0.5 mm,高さ1mmの穴で体積は合計で200 nL程度である。サブμLスケールの細胞と試料の活性を保ったまま,格子状にマイクロパターニングが可能である。次年度以降に形成し,十分に混合できる条件,時間を短縮する条件を探索できるように準備を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の進捗は,おおむね順調に進展していると判断できる。その理由は以下の通りである。
代表がシンガポールへ渡航し,シンガポール工科デザイン大学と南洋理工大学の両方を訪問した。これにより,2024年度に本格的に現地で研究を実施するための準備が整った。訪問では,従来のシングルノズルを活用した形成法の結果を議論し,次に設計するべきノズルや細胞生体材料マイクロアレイ(CBMA)のフォーマットの改良点を明確にした。
移植可能な濃度勾配を持つCBMAの作製法についても議論が進んだ。集積ノズルと単一ノズルの両方を利用し,濃度勾配を持ったCBMAを作製する方法を検討した。ポンプ集積化ノズルの開発では,多層流体マイクロデバイスの技術を適用し,全材料をPDMSまたはフレキシブルレジンとし,設置場所で溶液が混ざり合う設計とした。またノズルに空圧駆動バルブを統合し,10nL単位で液量を調整できるようにした。
光造形3Dプリンタを準備し,レジンモールドの作製モデルを作成した。このモールドを用いてPDMS-MAを得られるようにしており,サブμLスケールの細胞と試料の活性を保ったまま,格子状にマイクロパターニングが可能となる。次年度以降の研究に向けて,形成条件や混合条件,時間短縮の条件探索の準備も進めている。
以上のように、シンガポールでの研究実施に向けた準備が着実に進んでおり,CBMAの作製法についても具体的な検討が進んでいる。また,次年度以降の研究に向けた準備も進めていることから,本研究の進捗はおおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

代表が6ヶ月,分担1名がシンガポールに滞在する。シンガポールでノズルとPDMDS-MAを作製し,濃度勾配を持つ細胞・ゲル試料を格子状に配置してCBMAを開発する。 CBMAのin vitro評価を行う。さらに2025年度を見据えて,CBMAを生体内に移植・評価する技術を整える。PDMS-MA単体の移植評価は,日本で実施する。滞在はシンガポール工科デザイン大学を中心とし,南洋理工大学も訪問する。
集積ノズルと単一ノズルの両方を利用し,濃度勾配を持ったCBMAを作製する。ポンプ集積化ノズルの開発では,多層流体マイクロデバイスの技術を適用し,全材料をPDMSまたはフレキシブルレジンとし,設置場所で溶液が混ざり合う設計を実現する。またノズルに空圧駆動バルブを統合し,10nL単位で液量を調整を実証する。
そのためには光造形3Dプリンタからレジンモールドを出力し,このモールドを用いてPDMS-MAを得られるようにする。サブμLスケールの細胞と試料の活性を保ったまま,格子状にマイクロパターニングを示す。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] シンガポール工科デザイン大学/南洋理工大学(シンガポール)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Hypoxic Culture of Osteosarcoma Cells in PDMS Microfluidic Chamber and Plastic Bag2024

    • Author(s)
      Inaam Rafia、Bolontrade Marcela、Okamoto Shunya、Shibata Takayuki、Subhra Santra Tuhin、Nagai Moeto
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines

      Volume: 144 Issue: 5 Pages: 94-99

    • DOI

      10.1541/ieejsmas.144.94

    • ISSN
      1341-8939, 1347-5525
    • Year and Date
      2024-05-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Single-Cell Screening through Cell Encapsulation in Photopolymerized Gelatin Methacryloyl2024

    • Author(s)
      Panneer Selvam Venkatesh Kumar、Fukunaga Takeru、Suzuki Yuya、Okamoto Shunya、Shibata Takayuki、Santra Tuhin Subhra、Nagai Moeto
    • Journal Title

      Micro

      Volume: 4 Issue: 2 Pages: 295-304

    • DOI

      10.3390/micro4020018

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Image-Based Gel Encapsulation of Suspended Single Cells for Parallel Single-Cell Screening2023

    • Author(s)
      Selvam Venkatesh Kumar Panneer、Kamaludin Muhammad Luqman Arief Bin、Murtaza Ghulam、Chowdhury Rifat Hussain、Debnath Tanmay、Okamoto Shunya、Shibata Takayuki、Santra Tuhin Subhra、Nagai Moeto
    • Journal Title

      Journal of Robotics and Mechatronics

      Volume: 35 Issue: 5 Pages: 1177-1184

    • DOI

      10.20965/jrm.2023.p1177

    • ISSN
      0915-3942, 1883-8049
    • Year and Date
      2023-10-20
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Gelatin methacrylate as a cell-encapsulating hydrogel for image-based single-cell screening2023

    • Author(s)
      Takeru Fukunaga, Shunya Okamoto, Takayuki Shibata, Tuhin S. Santra, and Moeto Nagai
    • Organizer
      The 27th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μTAS 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] ハイスループットマイクロ・ナノ工学研究室

    • URL

      https://hmn.me.tut.ac.jp/

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Remarks] 永井萌土 Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/moeto

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2023-09-12   Modified: 2024-12-25  

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