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 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23681027
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 梶 弘和 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70431525)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 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

Research Abstract

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。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Bonding of synthetic hydrogels with fibrin as the glue to engineer hydrogel-based biodevices (2014)
  • Author(s): Kuniaki Nagamine, Kohei Okamoto, Hirokazu Kaji, Matsuhiko Nishizawa
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. Volume: (in press)
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2013.12.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Skeletal muscle tissue engineering: Methods to form skeletal myotubes and their applications (2014)
  • Author(s): Serge Ostrovidov, Vahid Hosseini, Samad Ahadian, Toshinori Fujie, S. Prakash Parthiban, Murugan Ramalingam, Hojae Bae, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • Journal Title: Tissue Eng. B Volume: (in press)
  • DOI: 10.1089/ten.TEB.2013.0534
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrically regulated differentiation of skeletal muscle cells on ultrathin graphene-based films (2014)
  • Author(s): Samad Ahadian, Javier Ramón-Azcón, Haixin Chang, Xiaobin Liang, Hirokazu Kaji, Hitoshi Shiku, Ken Nakajima, Murugan Ramalingam, Hongkai Wu, Tomokazu Matsue, Ali Khademhosseini
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 4 Pages: 9534-9541
  • DOI: 10.1039/C3RA46218H
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogel-based bioassay sheets for in vitro evaluation of contraction-dependent metabolic regulation in skeletal muscle cells (2014)
  • Author(s): Kuniaki Nagamine, Kohei Okamoto, Shingo Otani, Hirokazu Kaji, Makoto Kanzaki, Matsuhiko Nishizawa
  • Journal Title: Biomater. Sci. Volume: 2 Pages: 252-256
  • DOI: 10.1039/C3BM60179J
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Micropatterned polymeric nanosheets for local delivery of an engineered epithelial monolayer (2014)
  • Author(s): Toshinori Fujie, Yoshihiro Mori, Shuntaro Ito, Matsuhiko Nishizawa, Hojae Bae, Nobuhiro Nagai, Hideyuki Onami, Toshiaki Abe, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • Journal Title: Adv. Mater Volume: 26 Pages: 1699-1705
  • DOI: 10.1002/adma.201301300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A polymeric device for controlled transscleral multi-drug delivery to the posterior segment of the eye (2014)
  • Author(s): Nobuhiro Nagai, Hirokazu Kaji, Hideyuki Onami, Yumi Ishikawa, Matsuhiko Nishizawa, Noriko Osumi, Toru Nakazawa, Toshiaki Abe
  • Journal Title: Acta Biomater Volume: 10 Pages: 680-687
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2013.11.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electrical stimulation as a biomimicry tool for regulating muscle cell behavior (2013)
  • Author(s): Samad Ahadian, Serge Ostrovidov, Vahid Hosseini, Hirokazu Kaji, Murugan Ramalingam, Hojae Bae, Ali Khademhosseini
  • Journal Title: Organogenesis Volume: 9 Pages: 87-92
  • DOI: 10.4161/org.25121
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Engineered nanomembranes for directing cellular organization towards flexible biodevices (2013)
  • Author(s): Toshinori Fujie, Samad Ahadian, Hao Liu, Haixin Chang, Serge Ostrovidov, Hongkai Wu, Hojae Bae, Ken Nakajima, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 13 Pages: 3185-3192
  • DOI: 10.1021/nl401237s
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dielectrophoretically aligned carbon nanotubes to control electrical and mechanical properties of hydrogels to fabricate contractile muscle myofibers (2013)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Adv. Mater. Volume: 25 Pages: 4028-4034
  • DOI: 10.1002/adma.201301300
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transscleral sustained vasohibin-1 delivery by a novel device suppressed experimentally-induced choroidal neovascularization (2013)
  • Author(s): Hideyuki Onami, Nobuhiro Nagai, Hirokazu Kaji, Matsuhiko Nishizawa, Yasufumi Sato, Noriko Osumi, Toru Nakazawa, Toshiaki Abe
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 8 Pages: e58580
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0058580
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A contactless electrical stimulator: application to fabricate functional skeletal muscle tissue (2013)
  • Author(s): Samad Ahadian, Javier Ramón-Azcón, Serge Ostrovidov, Gulden Camci-Unal, Hirokazu Kaji, Kosuke Ino, Hitoshi Shiku, Ali Khademhosseini, Tomokazu Matsue
  • Journal Title: Biomed. Microdevices Volume: 15 Pages: 109-115
  • DOI: 10.1007/s10544-012-9692-1
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 眼科領域におけるマイクロ・ナノ技術応用 (2014)
  • Author(s): 梶 弘和
  • Organizer: 第26回バイオエンジニアリング講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20140111-20140112
  • Invited
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 梶 弘和
  • Organizer: 日本動物実験代替法学会第26回大会
  • Place of Presentation: 京都テルサ
  • Year and Date: 20131219-21
• [Presentation] Polymeric ultra-thin films for local delivery of cell monolayer (2013)
  • Author(s): Yoshinori Mori, Toshinori Fujie, Nobuhiro Nagai, Matsuhiko Nishizawa, Toshiaki Abe, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • Organizer: 12th US-Japan Symposium on Drug Delivery Systems
  • Place of Presentation: Maui, USA
  • Year and Date: 20131216-20
• [Presentation] Development of a cell-based model of the ocular fundus within a microfluidic device (2013)
  • Author(s): Syuntaro Ito, Shunichi Tsunajima, Toshinori Fujie, Nobuhiro Nagai, Kuniaki Nagamine, Matsuhiko Nishizawa, Toshiaki Abe, Hirokazu Kaji
  • Organizer: 12th US-Japan Symposium on Drug Delivery Systems
  • Place of Presentation: Maui, USA
  • Year and Date: 20131216-20
• [Presentation] ナノシートによる細胞輸送システムの開発 (2013)
  • Author(s): 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明, 梶 弘和
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第28回研究会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 20131205-20131206
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 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
  • Organizer: 化学とマイクロ・ナノシステム学会第28回研究会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 20131205-06
• [Presentation] ナノシートを用いる細胞送達システムの開発 (2013)
  • Author(s): 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明, 梶 弘和
  • Organizer: 第35回日本バイオマテリアル学会大会
  • Place of Presentation: 船堀
  • Year and Date: 20131125-20131126
• [Presentation] Flexible nanomembranes for directing cellular organization (2013)
  • Author(s): Toshinori Fujie, Hao Liu, Ken Nakajima, Hirokazu Kaji, Ali Khademhosseini
  • Organizer: International Soft Matter Conference 2013
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 20130915-20130919
• [Presentation] Retinal pigment epithelial cells supported by polymeric ultra-thin films for the subretinal delivery (2013)
  • Author(s): Hirokazu Kaji, Toshinori Fujie, Yoshihiro Mori, Nobuhiro Nagai, Matsuhiko Nishizawa, Ali Khademhosseini, Toshiaki Abe
  • Organizer: International Soft Matter Conference 2013
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 20130915-19
• [Presentation] 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)
  • Author(s): 梶 弘和, 森 好弘, 藤枝俊宣, 永井展裕, 西澤松彦, 阿部俊明
  • Organizer: 第29回DDS学会学術集会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 20130704-20130705
• [Presentation] 高分子ナノ薄膜を用いる細胞送達システムの開発
  • Author(s): 梶 弘和, 藤枝俊宣, 森 好弘, 永井典裕, 西澤松彦, 阿部俊明
  • Organizer: シンポジウム：細胞アッセイ技術の現状と将来
  • Place of Presentation: 東京
• [Book] “Bioinspired Muscle Tissue Devices” In Handbook of Biomimetics and Bioinspiration: 3 Volume Set (2014)
  • Author(s): Toshinori Fujie, Serge Ostrovidov, Samad Ahadian, S. Prakash Parthiban, Ali Khademhosseini, Hirokazu Kaji
  • Total Pages: 未定
  • Publisher: World Scientific Publishing
• [Book] “Microfluidic systems for controlling stem cell microenvironments” In Microfluidic Cell Culture Systems, 2nd Edition (2014)
  • Author(s): Seila Selimovic, Hirokazu Kaji, Hojae Bae, Ali Khademhosseini
  • Total Pages: 未定
  • Publisher: Elsevier Publishing
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞担持パターン化ナノ薄膜 (2013)
  • Inventor(s): 梶弘和,藤枝俊宣,森好弘,西澤松彦,阿部俊明,永井展裕
  • Industrial Property Rights Holder: 梶弘和,藤枝俊宣,森好弘,西澤松彦,阿部俊明,永井展裕
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2013-137253
  • Filing Date: 2013-06-28