脆弱なバイオ材料に適用可能なファブリケーション技術の開発と細胞組織工学への展開

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23681027
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 梶 弘和 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70431525)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: バイオファブリケーション / 生体材料 / マイクロ・ナノデバイス / 細胞・組織

研究概要

高いサイズアスペクト比と柔軟性を有する高分子超薄膜（ナノシート）にソフトリソグラフィー技術を適用し、細胞・組織配列の制御性と筋組織工学への応用を検討した。任意の形状を有するガラス基板上に犠牲層であるpoly(N-isopropyl acrylamide)（pNIPAM）およびpolystyrene（PS）を製膜した。異なる濃度のPS溶液（10-50 mg/mL）を任意の膜厚からなるPSナノシートを調製できた（膜厚40-360 nm）。この時、pNIPAMを下限臨界溶液温度(LCST~32℃)以下で溶解させることで剥離した自己支持性のPSナノシートを原子間力顕微鏡（AFM）にて評価したところ、超薄領域（膜厚100 nm以下）では、ナノシートのヤング率が5倍以上低下することが判明した。これより、ナノシートの柔軟性を膜厚で制御できることが示唆された。次に、PDMSスタンプを用いて、ナノシート表面にフィブロネクチンをライン状にパターン化して、マウス骨格筋細胞（C2C12）を培養したところ、培養７日後には異方性を維持したまま筋管が形成した。この時、電気刺激装置にて２日間筋管を刺激したところ、筋管の運動も認められた。さらに、細胞を培養したナノシートをシリコンチューブなどに巻付けることもでき、環構造を模した生体組織を再現できた。以上より、高い柔軟性と異方的な細胞接着界面を有するナノシートは筋組織を構築するための機能性足場として有用であることが示された。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Bonding of synthetic hydrogels with fibrin as the glue to engineer hydrogel-based biodevices (2014)
  • 著者名/発表者名: Kuniaki Nagamine, Kohei Okamoto, Hirokazu Kaji, Matsuhiko Nishizawa
  • 雑誌名: J. Biosci. Bioeng. 巻: (in press)
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2013.12.024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Skeletal muscle tissue engineering: Methods to form skeletal myotubes and their applications (2014)
  • 著者名/発表者名: Serge Ostrovidov, Vahid Hosseini, Samad Ahadian, Toshinori Fujie, S. Prakash Parthiban, Murugan Ramalingam, Hojae Bae, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • 雑誌名: Tissue Eng. B 巻: (in press)
  • DOI: 10.1089/ten.TEB.2013.0534
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrically regulated differentiation of skeletal muscle cells on ultrathin graphene-based films (2014)
  • 著者名/発表者名: Samad Ahadian, Javier Ramón-Azcón, Haixin Chang, Xiaobin Liang, Hirokazu Kaji, Hitoshi Shiku, Ken Nakajima, Murugan Ramalingam, Hongkai Wu, Tomokazu Matsue, Ali Khademhosseini
  • 雑誌名: RSC Advances 巻: 4 ページ: 9534-9541
  • DOI: 10.1039/C3RA46218H
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrogel-based bioassay sheets for in vitro evaluation of contraction-dependent metabolic regulation in skeletal muscle cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Kuniaki Nagamine, Kohei Okamoto, Shingo Otani, Hirokazu Kaji, Makoto Kanzaki, Matsuhiko Nishizawa
  • 雑誌名: Biomater. Sci. 巻: 2 ページ: 252-256
  • DOI: 10.1039/C3BM60179J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Micropatterned polymeric nanosheets for local delivery of an engineered epithelial monolayer (2014)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Fujie, Yoshihiro Mori, Shuntaro Ito, Matsuhiko Nishizawa, Hojae Bae, Nobuhiro Nagai, Hideyuki Onami, Toshiaki Abe, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • 雑誌名: Adv. Mater 巻: 26 ページ: 1699-1705
  • DOI: 10.1002/adma.201301300
  • 査読あり
• [雑誌論文] A polymeric device for controlled transscleral multi-drug delivery to the posterior segment of the eye (2014)
  • 著者名/発表者名: Nobuhiro Nagai, Hirokazu Kaji, Hideyuki Onami, Yumi Ishikawa, Matsuhiko Nishizawa, Noriko Osumi, Toru Nakazawa, Toshiaki Abe
  • 雑誌名: Acta Biomater 巻: 10 ページ: 680-687
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2013.11.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical stimulation as a biomimicry tool for regulating muscle cell behavior (2013)
  • 著者名/発表者名: Samad Ahadian, Serge Ostrovidov, Vahid Hosseini, Hirokazu Kaji, Murugan Ramalingam, Hojae Bae, Ali Khademhosseini
  • 雑誌名: Organogenesis 巻: 9 ページ: 87-92
  • DOI: 10.4161/org.25121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Engineered nanomembranes for directing cellular organization towards flexible biodevices (2013)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Fujie, Samad Ahadian, Hao Liu, Haixin Chang, Serge Ostrovidov, Hongkai Wu, Hojae Bae, Ken Nakajima, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 13 ページ: 3185-3192
  • DOI: 10.1021/nl401237s
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dielectrophoretically aligned carbon nanotubes to control electrical and mechanical properties of hydrogels to fabricate contractile muscle myofibers (2013)
  • 著者名/発表者名: Javier Ramón-Azcón, Samad Ahadian, Mehdi Estili, Xiaobin Liang, Serge Ostrovidov, Hirokazu Kaji, Hitoshi Shiku, Murugan Ramalingam, Ken Nakajima, Yoshio Sakka, Ali Khademhosseini, Tomokazu Matsue
  • 雑誌名: Adv. Mater. 巻: 25 ページ: 4028-4034
  • DOI: 10.1002/adma.201301300
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transscleral sustained vasohibin-1 delivery by a novel device suppressed experimentally-induced choroidal neovascularization (2013)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Onami, Nobuhiro Nagai, Hirokazu Kaji, Matsuhiko Nishizawa, Yasufumi Sato, Noriko Osumi, Toru Nakazawa, Toshiaki Abe
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 8 ページ: e58580
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0058580
  • 査読あり
• [雑誌論文] A contactless electrical stimulator: application to fabricate functional skeletal muscle tissue (2013)
  • 著者名/発表者名: Samad Ahadian, Javier Ramón-Azcón, Serge Ostrovidov, Gulden Camci-Unal, Hirokazu Kaji, Kosuke Ino, Hitoshi Shiku, Ali Khademhosseini, Tomokazu Matsue
  • 雑誌名: Biomed. Microdevices 巻: 15 ページ: 109-115
  • DOI: 10.1007/s10544-012-9692-1
  • 査読あり
• [学会発表] 眼科領域におけるマイクロ・ナノ技術応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 梶 弘和
  • 学会等名: 第26回バイオエンジニアリング講演会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20140111-20140112
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロ流体デバイスを用いる眼底組織培養モデルの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 梶 弘和
  • 学会等名: 日本動物実験代替法学会第26回大会
  • 発表場所: 京都テルサ
  • 年月日: 20131219-21
• [学会発表] Polymeric ultra-thin films for local delivery of cell monolayer (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Mori, Toshinori Fujie, Nobuhiro Nagai, Matsuhiko Nishizawa, Toshiaki Abe, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • 学会等名: 12th US-Japan Symposium on Drug Delivery Systems
  • 発表場所: Maui, USA
  • 年月日: 20131216-20
• [学会発表] Development of a cell-based model of the ocular fundus within a microfluidic device (2013)
  • 著者名/発表者名: Syuntaro Ito, Shunichi Tsunajima, Toshinori Fujie, Nobuhiro Nagai, Kuniaki Nagamine, Matsuhiko Nishizawa, Toshiaki Abe, Hirokazu Kaji
  • 学会等名: 12th US-Japan Symposium on Drug Delivery Systems
  • 発表場所: Maui, USA
  • 年月日: 20131216-20
• [学会発表] ナノシートによる細胞輸送システムの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明, 梶 弘和
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第28回研究会
  • 発表場所: 姫路
  • 年月日: 20131205-20131206
• [学会発表] バルジ試験器機構を利用した上皮細胞への力学的負荷システムの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 綱嶋俊一, 伊藤俊太郎, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明, 梶 弘和
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第28回研究会
  • 発表場所: 姫路
  • 年月日: 20131205-06
• [学会発表] ナノシートを用いる細胞送達システムの開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明, 梶 弘和
  • 学会等名: 第35回日本バイオマテリアル学会大会
  • 発表場所: 船堀
  • 年月日: 20131125-20131126
• [学会発表] Flexible nanomembranes for directing cellular organization (2013)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Fujie, Hao Liu, Ken Nakajima, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • 学会等名: International Soft Matter Conference 2013
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 20130915-20130919
• [学会発表] Retinal pigment epithelial cells supported by polymeric ultra-thin films for the subretinal delivery (2013)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Kaji, Toshinori Fujie, Yoshihiro Mori, Nobuhiro Nagai, Matsuhiko Nishizawa, Ali Khademhosseini, Toshiaki Abe
  • 学会等名: International Soft Matter Conference 2013
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 20130915-19
• [学会発表] 自己支持性ナノ薄膜を用いた細胞デリバリー療法の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 梶 弘和, 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明
  • 学会等名: 第29回DDS学会学術集会
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 20130704-20130705
• [学会発表] 高分子ナノ薄膜を用いる細胞送達システムの開発
  • 著者名/発表者名: 梶 弘和, 藤枝俊宣, 森 好弘, 永井典裕, 西澤松彦, 阿部俊明
  • 学会等名: シンポジウム：細胞アッセイ技術の現状と将来
  • 発表場所: 東京
• [図書] “Bioinspired Muscle Tissue Devices” In Handbook of Biomimetics and Bioinspiration: 3 Volume Set (2014)
  • 著者名/発表者名: Toshinori Fujie, Serge Ostrovidov, Samad Ahadian, S. Prakash Parthiban, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • 総ページ数: 未定
  • 出版者: World Scientific Publishing
• [図書] “Microfluidic systems for controlling stem cell microenvironments” In Microfluidic Cell Culture Systems, 2nd Edition (2014)
  • 著者名/発表者名: Seila Selimovic, Hirokazu Kaji, Hojae Bae, Ali Khademhosseini
  • 総ページ数: 未定
  • 出版者: Elsevier Publishing
• [産業財産権] 細胞担持パターン化ナノ薄膜 (2013)
  • 発明者名: 梶弘和,藤枝俊宣,森好弘,西澤松彦,阿部俊明,永井展裕
  • 権利者名: 梶弘和,藤枝俊宣,森好弘,西澤松彦,阿部俊明,永井展裕
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2013-137253
  • 出願年月日: 2013-06-28